李曉華焦曉雙

(1.中煤航測遙感集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710199；2. 61363部隊，陜西 西安 710199)

景觀格局的演變是研究區(qū)域人類活動與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，定量化景觀指數(shù)是區(qū)域景觀格局演化研究的基本方法。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能是生態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)過程所形成和所提供的人類生產(chǎn)活動依靠的自然環(huán)境模式[1-3]。兩者均能直觀地表示區(qū)域內(nèi)自然與人類活動的變化過程，但兩者又相互制約、相互作用，變化的景觀格局將會造成生態(tài)系統(tǒng)組成部分、結(jié)構(gòu)與生態(tài)變化過程及物種豐富性等發(fā)生一定的變化，對生態(tài)系統(tǒng)功能產(chǎn)生明顯的影響[4,5]；生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的喪失和退化影響著景觀類型變化的速度和方向，深刻影響了人類生活和發(fā)展，繼而威脅了當(dāng)?shù)厣踔寥澜绲纳鷳B(tài)可靠性[6]。因此，分析景觀格局的變動模式及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的價值，能高效地了解當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境變化方向、合理分配利用土地、提高區(qū)域生態(tài)質(zhì)量、促進(jìn)人類與自然和諧可持續(xù)發(fā)展[7-9]。

對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行價值評價能夠定量分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的大小，是研究生態(tài)環(huán)境補償法規(guī)的基礎(chǔ)依據(jù)[10]，國際上主要以Costanza[2]等提出的基于效用價值理論和平衡值方法的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值計算模型，但該方法準(zhǔn)確度較低，不符合我國國情。謝高地等[11]參照國外的研究結(jié)果，對我國區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進(jìn)行計算和時空動態(tài)變化分析，較為系統(tǒng)地詮釋了中國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的空間分布規(guī)律；彭建等[12]參考Costanza的研究成果，定量計算了中國地區(qū)景觀模式變化的生態(tài)響應(yīng)；李志等[13]計算了王東溝流域土地利用的生態(tài)服務(wù)價值，結(jié)果表明了景觀格局變化與生態(tài)服務(wù)效應(yīng)的相關(guān)性；陳希等[14]根據(jù)湘江流域30a間3期數(shù)據(jù)，運用地理信息系統(tǒng)軟件，用景觀指數(shù)和生態(tài)服務(wù)價值模型，定量計算了不同類型景觀的景觀格局時空變化模式和生態(tài)服務(wù)價值。

千陽縣地處陜西西部，境內(nèi)主要地貌為丘陵溝壑，是陜西貧困山區(qū)農(nóng)業(yè)縣，“人多地少、土地資源有限”是千陽縣的實際情況[15]。本文以千陽縣作為研究對象，將RS、GIS與景觀指數(shù)相結(jié)合，基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的數(shù)學(xué)模型，定量化分析景觀格局變化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的響應(yīng)。研究結(jié)果將對千陽縣后續(xù)合理利用土地、分配優(yōu)勢資源、促進(jìn)區(qū)域可持續(xù)性發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)，同時為國家在黃土高原區(qū)域的生態(tài)保護(hù)、土地利用、資源分配等政策制定提供理論參考。

1 研究區(qū)概況

千陽縣位于陜西西部，地處渭北旱塬丘陵溝壑區(qū)，地形地貌為“七山二塬一分川”，全縣土地總面積1007.48km2，境內(nèi)轄7鎮(zhèn)65個行政村，總?cè)丝?3.4萬人，境內(nèi)高程起伏較大，相對高差835.5m, 氣候類型為暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候；年均氣溫10.9℃，年均降水677mm，無霜期197d。境內(nèi)渭河支流千河橫貫東西。主要景觀類型為耕地、林地、草地、建設(shè)用地、水體、未利用地。

2 數(shù)據(jù)來源及方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及數(shù)據(jù)預(yù)處理

本文選用2000年、2005年、2010年Landsat TM影像以及2015年Landsat OLI影像，利用ENVI 5.1軟件對遙感影像進(jìn)行預(yù)先處理，幾何精校正，圖像融合、鑲嵌和裁剪，處理后繼續(xù)按人機(jī)交互模式進(jìn)行解譯。以《土地利用現(xiàn)狀分類》為基本方法，根據(jù)土地利用和生態(tài)價值的研究目標(biāo)以及研究區(qū)實際情況將景觀類型劃分為林地、草地、耕地、建設(shè)用地、水體以及未利用地6大類。經(jīng)野外實際計算檢驗，精確度達(dá)到85%以上。

2.2 研究方法

2.2.1 景觀格局演變

2.2.1.1 景觀指數(shù)選取

景觀指數(shù)是指能夠高度濃縮景觀格局信息，反映了景觀格局的結(jié)構(gòu)成分和空間排列等景觀鑲嵌體的量化公式[16]。本文依照研究需求，選取了斑塊類型面積(CA)、斑塊面積比例(PLAND)、斑塊數(shù)(NP)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、聚集度(CLUMPY)、斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、平均斑塊面積(AREA_MN)；景觀水平上選取斑塊數(shù)(NP)、斑塊密度(PD)、香農(nóng)均勻度(SHEI)、香農(nóng)多樣性(SHDI)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、景觀豐富度(PR)、蔓延度(CONTAG)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、平均斑塊面積(AREA_MN)來說明各景觀類型面積、復(fù)雜度、破碎度等空間特征

2.2.1.2 土地利用程度

土地利用程度一般用來描述區(qū)域土地利用的程度和深度，能夠?qū)⒆匀粚傩院腿祟惢顒咏Y(jié)合起來反映土地變化的綜合效應(yīng)[17,18]。

(1)

式中，Lu為土地利用程度綜合指數(shù)；Pi為第i級土地利用程度分級指數(shù)；Qi為第i級土地利用程度分級面積百分比。

2.2.2 ESV評估

目前，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的評估主要以Costanza[2]等提出的生態(tài)價值估算方法為主，但該方法適用性較弱，誤差較大。因此，謝高地等[8]在Costanza評價模型的基礎(chǔ)上，提出了估算我國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的價值當(dāng)量因子表。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)的計算公式：

(2)

式中，VC0為ESV 當(dāng)量因子的價值量，元·hm-2·a-1；P為平均糧食價格，元·kg-1；Qi為研究區(qū)平均糧食產(chǎn)量，kg·hm-2；n為年份數(shù)，年。價值當(dāng)量乘以農(nóng)田自然糧食產(chǎn)量的經(jīng)濟(jì)價值即可定量化出景觀類型單位面積生態(tài)價值。評估千陽縣ESV的公式：

(3)

ESVf=∑(Ak×VCfK)

(4)

式中，ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，元；Ak為景觀類型K的面積，hm2，VCk為ESV系數(shù)，元·hm-2·a-1；ESVf為生態(tài)系統(tǒng)第f項服務(wù)功能價值；VCfk為景觀類型k的第f項服務(wù)功能價值系數(shù)，元·hm-2·a-1。

3 結(jié)果與分析

3.1 景觀類型水平變化特征分析

各景觀類型的景觀指數(shù)變化情況分析見表1，2000—2015年，隨著人類活動的不斷增加，耕地各景觀指數(shù)呈下降趨勢，景觀形狀指數(shù)下降13.14%，表明耕地景觀類型趨于規(guī)則，與聚集度指數(shù)對比，耕地景觀類型的連通性增加，破碎化程度降低；林地作為該研究區(qū)的優(yōu)勢景觀類型，與草地有類似的指數(shù)變化趨勢，兩者斑塊數(shù)和斑塊密度指數(shù)整體下降，但都在2015年有小幅回升，說明林地景觀類型與草地景觀類型整體形狀趨于簡單規(guī)則，在2015年由于自然及外界因素的干擾，破碎度隨之提升，景觀異質(zhì)性增強(qiáng)；隨著城鄉(xiāng)城市化的加速發(fā)展，研究區(qū)建設(shè)用地的斑塊面積比例和最大斑塊指數(shù)都在逐年增加，代表著人類活動的干擾強(qiáng)度增強(qiáng)，同時未利用地得到了有效利用；水體在研究區(qū)內(nèi)面積有所減少，聚集度和景觀形狀指數(shù)降幅最大，說明在人類活動的干預(yù)下，該區(qū)域水體破碎程度嚴(yán)重。

3.2 景觀級別水平變化特征分析

從表2中可以看出，研究區(qū)2000—2015年景觀形狀指數(shù)持續(xù)減少，說明該研究區(qū)內(nèi)人類的活動干預(yù)使景觀形狀趨于集中。但在研究期間斑塊數(shù)和最大斑塊指數(shù)一直呈現(xiàn)減少趨勢，表明研究區(qū)總體呈破碎趨勢，景觀優(yōu)勢度下降。蔓延度持續(xù)增長，說明優(yōu)勢斑塊形成了良好的連通性，并且該優(yōu)勢斑塊區(qū)域擴(kuò)大。研究區(qū)香農(nóng)多樣性和香農(nóng)均勻度指數(shù)變化趨勢相同，呈現(xiàn)先增加后減少再增加的趨勢，總體表現(xiàn)有所提高，說明2000年景觀多樣性和均勻度最小。此時研究區(qū)內(nèi)各景觀斑塊類型分布最不均勻，多樣性差，連通性較弱；直到2015年，景觀多樣性與均勻度較2000年有所提升，說明研究區(qū)內(nèi)各景觀斑塊類型分布趨于均勻，景觀的優(yōu)勢度逐漸降低，多樣性提高。

表1 2000—2015年千陽縣景觀類型水平指數(shù)

表2 2000—2015年千陽縣景觀級別水平指標(biāo)

3.3 景觀類型面積變化特征及相互轉(zhuǎn)化關(guān)系分析

圖1為研究區(qū)4期土地利用類型圖。根據(jù)表3發(fā)現(xiàn)，2000—2015年各景觀類型面積都發(fā)生了變化，其中，耕地面積總體變化量最大，并在2000—2005年期間變化量達(dá)到峰值，總體變化量為-7378.301hm2；草地面積先增后減，整體面積保持增加趨勢，總體變化量為3383.4hm2；林地面積逐年上升，總體變化量為3705.42hm2；建設(shè)用地面積保持增長態(tài)勢，在2005—2010年間達(dá)到增長峰值，總體變化量為284.540hm2；水體面積先增后減，總體面積增加，總體變化量為191.66hm2；未利用地面積總體減少，從2005年開始減弱趨勢放緩，總體變化量為-186.72hm2。由表4可知，近15a間，研究區(qū)轉(zhuǎn)出面積最大的景觀類型是耕地，占總轉(zhuǎn)出面積的90.51%；轉(zhuǎn)入面積最大的類型分別為林地和草地，分別占總轉(zhuǎn)入面積的49.59%和43.65%。結(jié)果表明，研究區(qū)受政府政策影響，為了恢復(fù)自然生態(tài)、防止水土流失及人類破壞，將部分耕種區(qū)域和坡度較大的不適宜耕種的地區(qū)轉(zhuǎn)移為林地和草地，其次部分耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，而未利用地大部分轉(zhuǎn)變?yōu)樗w，使未利用地得到了充分利用。此外，隨著大面積的耕地分散轉(zhuǎn)移，水體面積的增加以及未利用地的充分利用，使得研究區(qū)的整體生態(tài)環(huán)境逐步趨好，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能得到提高。

圖1 2000—2015年千陽縣4期土地利用類型圖

表3 各景觀類型面積變化量及百分比

表4 2000—2015年景觀類型面積轉(zhuǎn)移矩陣

3.4 土地利用程度分析

研究區(qū)4期土地利用程度指數(shù)見表5，從2000—2015年間，土利用程度指數(shù)呈逐步上升趨勢，并且均高于全國平均值231，2015年土地利用程度指數(shù)最大。說明近15a，千陽縣在土地利用層面有了巨大改善。土地得到有效的利用，并且土地利用趨于均勻，土地利用多樣性增強(qiáng)，景觀的功能性得到了提升。

表5 2000—2015年土地利用程度指數(shù)

3.5 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化分析

3.5.1 總體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化

由表6可知，研究區(qū)近15a總體ESV呈現(xiàn)上升趨勢，總體上升4.34%，但從各年變化率看，這種上升趨勢在明顯減弱。從各景觀類型角度上看，2000—2015年期間除耕地和未利用地的ESV下降以外，其它各景觀類型的ESV均有不同程度上升，其中，林地的ESV增加83.087×105元，增幅為7.67%；水體的ESV增加9.05×105元，增幅為15.31%；草地的ESV增加25.138×105元，增幅為23.1%，是各景觀類型中增幅最大的景觀類型。耕地的ESV下降52.321×105元，降幅達(dá)21.46%；而未利用地的ESV降幅最大，達(dá)到97.17%，下降0.08×105元。總體來說，研究區(qū)在研究期期間的總體ESV上升64.873×105元，變化率為4.34%，雖然未利用地的ESV降幅最大，但未利用地ESV基數(shù)較低，產(chǎn)生的影響并不大，而耕地ESV的下降直接影響林地與草地ESV的上升，對研究區(qū)總體ESV的增加起著關(guān)鍵引導(dǎo)作用。

表6 2000—2015年不同景觀類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值及變化量

3.5.2 單項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化

單項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化見表7，2000—2015年期間，研究區(qū)食物生產(chǎn)功能價值的降幅度最大，下降6.132×105元，降幅達(dá)13.66%；價值增長最多的是生物多樣性，增漲11.23×105元，增幅達(dá)6.91%。2000—2005年期間，各單項功能價值變化幅度最為明顯，其中水源涵養(yǎng)服務(wù)價值增長最多，增漲價值達(dá)10.581×105元，增幅達(dá)4.85%。2005—2015年期間，各單項功能價值變化趨勢減弱，直到2010年后，各單項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化率達(dá)歷年最低，浮動最小。從研究區(qū)整體單項構(gòu)成來看，各單項服務(wù)功能價值可概括為土壤形成與保護(hù)>水源涵養(yǎng)>生物多樣性保護(hù)>氣體調(diào)節(jié)>氣候調(diào)節(jié)>廢物處理>原材料>娛樂文化>食物生產(chǎn)。土壤形成與保護(hù)服務(wù)功能價值最高，占總功能價值的18.25%；其次是水源涵養(yǎng)服務(wù)功能，占總體服務(wù)價值的14.9%；再次是生物多樣性保護(hù)、氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)服務(wù)功能三者合計占總體服務(wù)價值的39.69%；食物生產(chǎn)占總體服務(wù)價值的比例最低，僅為2.49%。其主要原因是林地與草地類型的增加，提高了區(qū)域生態(tài)環(huán)境，直接影響了土壤形成與保護(hù)和水源涵養(yǎng)服務(wù)功能，提高了區(qū)域水土保持和涵養(yǎng)水源的能力，導(dǎo)致土壤形成與保護(hù)及水源涵養(yǎng)服務(wù)價值得到了提高；由于部分耕地類型轉(zhuǎn)變?yōu)榱值嘏c草地，加之政府部門推動現(xiàn)代化城鎮(zhèn)建設(shè)以及娛樂文化服務(wù)價值的提高，影響到食物生產(chǎn)能力的減弱，導(dǎo)致該區(qū)域食物生產(chǎn)服務(wù)價值的下降。

表7 2000—2015年千陽縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值結(jié)構(gòu)變化

4 結(jié)論與討論

從景觀格局來看，2000—2015年千陽縣景觀類型變化明顯，耕地轉(zhuǎn)出比例90.51%，大部分轉(zhuǎn)為林地與草地，轉(zhuǎn)入面積分別為4066.56hm2和3579.3hm2，此外耕地景觀類型形狀趨于規(guī)則，聚集度及連通性增強(qiáng)。林地與草地景觀類型的斑塊數(shù)和斑塊密度指數(shù)整體下降，2010年后又有小幅提升，說明受自然和外界因素干擾，破碎度提升，景觀異質(zhì)性增強(qiáng)。此外，隨著人類活動的干預(yù)，建設(shè)用地的斑塊面積比例和最大斑塊指數(shù)都在逐年增加，同時水體的聚集度和景觀形狀指數(shù)下降，說明在人類活動的干預(yù)下，該區(qū)域水體破碎程度嚴(yán)重，未利用地得到充分利用。從景觀級別水平變化特征分析，2000—2015年斑塊數(shù)和最大斑塊指數(shù)一直呈現(xiàn)減少趨勢，表明研究區(qū)總體呈破碎趨勢，景觀優(yōu)勢度下降。通過蔓延度、香農(nóng)多樣性與香農(nóng)均勻度指數(shù)的增長，說明近15a千陽縣景觀多樣性、均勻度和連通性得到提升，景觀類型分布均勻，景觀優(yōu)勢度降低，景觀多樣性提高。

從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值來看，近15a的千陽縣ESV呈上升趨勢，總體上升4.34%。從各景觀類型的ESV來看，2000—2015年，除耕地與未利用地的ESV呈下降趨勢外，其它景觀類型的ESV均有不同程度上升，其中草地的ESV增幅最大，達(dá)23.1%。從單項ESV的變化情況來看，近15a的食物生產(chǎn)功能價值降幅最大，達(dá)13.66%，千陽縣的生態(tài)服務(wù)價值中主要由土壤形成與保護(hù)、水源涵養(yǎng)、生物多樣性保護(hù)功能價值構(gòu)成，其中土壤形成與保護(hù)占總功能價值的18.25%。可以分析得出，ESV的變化與景觀格局的變化息息相關(guān)，景觀類型的轉(zhuǎn)變影響著ESV的價值走向，決定著區(qū)域生態(tài)服務(wù)價值的大小。

敏感性驗證結(jié)果表明，研究區(qū)的ESV對VC缺乏彈性，采用的價值系數(shù)適用于研究區(qū)的實際情況，得出的ESV準(zhǔn)確可信。近15a，土地利用程度指數(shù)逐漸提高，均大于國家平均水平231，表明土地利用趨于穩(wěn)定和規(guī)范，土地得到了有效利用。

但是ESV估算模型在準(zhǔn)確性和時效性上仍有待提高，其較適用于長時間序列中的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值估算，不同的生態(tài)服務(wù)功能有其不同的功能量化估算公式，不同的生態(tài)服務(wù)功能估算公式又適用于不同的生態(tài)系統(tǒng)，如何更好地整合和提高現(xiàn)有的生態(tài)服務(wù)功能估算方法，并將生態(tài)服務(wù)功能價值量化，是下一步需要研究和探索的重點。