渭北高原土地利用与生态服务功能响应研究

李晓华焦晓双

(1.中煤航测遥感集团有限公司，陕西 西安 710199；2. 61363部队，陕西 西安 710199)

景观格局的演变是研究区域人类活动与经济发展的重要基础，定量化景观指数是区域景观格局演化研究的基本方法。生态系统服务功能是生态系统和生态过程所形成和所提供的人类生产活动依靠的自然环境模式[1-3]。两者均能直观地表示区域内自然与人类活动的变化过程，但两者又相互制约、相互作用，变化的景观格局将会造成生态系统组成部分、结构与生态变化过程及物种丰富性等发生一定的变化，对生态系统功能产生明显的影响[4,5]；生态系统服务的丧失和退化影响着景观类型变化的速度和方向，深刻影响了人类生活和发展，继而威胁了当地甚至全世界的生态可靠性[6]。因此，分析景观格局的变动模式及生态系统服务的价值，能高效地了解当地生态环境变化方向、合理分配利用土地、提高区域生态质量、促进人类与自然和谐可持续发展[7-9]。

对生态系统服务进行价值评价能够定量分析生态系统服务功能的大小，是研究生态环境补偿法规的基础依据[10]，国际上主要以Costanza[2]等提出的基于效用价值理论和平衡值方法的生态系统服务价值计算模型，但该方法准确度较低，不符合我国国情。谢高地等[11]参照国外的研究结果，对我国区域生态系统服务价值进行计算和时空动态变化分析，较为系统地诠释了中国生态系统服务价值的空间分布规律；彭建等[12]参考Costanza的研究成果，定量计算了中国地区景观模式变化的生态响应；李志等[13]计算了王东沟流域土地利用的生态服务价值，结果表明了景观格局变化与生态服务效应的相关性；陈希等[14]根据湘江流域30a间3期数据，运用地理信息系统软件，用景观指数和生态服务价值模型，定量计算了不同类型景观的景观格局时空变化模式和生态服务价值。

千阳县地处陕西西部，境内主要地貌为丘陵沟壑，是陕西贫困山区农业县，“人多地少、土地资源有限”是千阳县的实际情况[15]。本文以千阳县作为研究对象，将RS、GIS与景观指数相结合，基于生态系统服务价值的数学模型，定量化分析景观格局变化与生态系统服务价值的响应。研究结果将对千阳县后续合理利用土地、分配优势资源、促进区域可持续性发展提供科学依据，同时为国家在黄土高原区域的生态保护、土地利用、资源分配等政策制定提供理论参考。

1 研究区概况

千阳县位于陕西西部，地处渭北旱塬丘陵沟壑区，地形地貌为“七山二塬一分川”，全县土地总面积1007.48km2，境内辖7镇65个行政村，总人口13.4万人，境内高程起伏较大，相对高差835.5m, 气候类型为暖温带半湿润大陆性季风气候；年均气温10.9℃，年均降水677mm，无霜期197d。境内渭河支流千河横贯东西。主要景观类型为耕地、林地、草地、建设用地、水体、未利用地。

2 数据来源及方法

2.1 数据来源及数据预处理

本文选用2000年、2005年、2010年Landsat TM影像以及2015年Landsat OLI影像，利用ENVI 5.1软件对遥感影像进行预先处理，几何精校正，图像融合、镶嵌和裁剪，处理后继续按人机交互模式进行解译。以《土地利用现状分类》为基本方法，根据土地利用和生态价值的研究目标以及研究区实际情况将景观类型划分为林地、草地、耕地、建设用地、水体以及未利用地6大类。经野外实际计算检验，精确度达到85%以上。

2.2 研究方法

2.2.1 景观格局演变

2.2.1.1 景观指数选取

景观指数是指能够高度浓缩景观格局信息，反映了景观格局的结构成分和空间排列等景观镶嵌体的量化公式[16]。本文依照研究需求，选取了斑块类型面积(CA)、斑块面积比例(PLAND)、斑块数(NP)、景观形状指数(LSI)、聚集度(CLUMPY)、斑块密度(PD)、最大斑块指数(LPI)、平均斑块面积(AREA_MN)；景观水平上选取斑块数(NP)、斑块密度(PD)、香农均匀度(SHEI)、香农多样性(SHDI)、景观形状指数(LSI)、景观丰富度(PR)、蔓延度(CONTAG)、最大斑块指数(LPI)、平均斑块面积(AREA_MN)来说明各景观类型面积、复杂度、破碎度等空间特征

2.2.1.2 土地利用程度

土地利用程度一般用来描述区域土地利用的程度和深度，能够将自然属性和人类活动结合起来反映土地变化的综合效应[17,18]。

(1)

式中，Lu为土地利用程度综合指数；Pi为第i级土地利用程度分级指数；Qi为第i级土地利用程度分级面积百分比。

2.2.2 ESV评估

目前，生态系统服务价值的评估主要以Costanza[2]等提出的生态价值估算方法为主，但该方法适用性较弱，误差较大。因此，谢高地等[8]在Costanza评价模型的基础上，提出了估算我国生态系统服务价值的价值当量因子表。生态系统服务价值系数的计算公式：

(2)

式中，VC0为ESV 当量因子的价值量，元·hm-2·a-1；P为平均粮食价格，元·kg-1；Qi为研究区平均粮食产量，kg·hm-2；n为年份数，年。价值当量乘以农田自然粮食产量的经济价值即可定量化出景观类型单位面积生态价值。评估千阳县ESV的公式：

(3)

ESVf=∑(Ak×VCfK)

(4)

式中，ESV为生态系统服务价值，元；Ak为景观类型K的面积，hm2，VCk为ESV系数，元·hm-2·a-1；ESVf为生态系统第f项服务功能价值；VCfk为景观类型k的第f项服务功能价值系数，元·hm-2·a-1。

3 结果与分析

3.1 景观类型水平变化特征分析

各景观类型的景观指数变化情况分析见表1，2000—2015年，随着人类活动的不断增加，耕地各景观指数呈下降趋势，景观形状指数下降13.14%，表明耕地景观类型趋于规则，与聚集度指数对比，耕地景观类型的连通性增加，破碎化程度降低；林地作为该研究区的优势景观类型，与草地有类似的指数变化趋势，两者斑块数和斑块密度指数整体下降，但都在2015年有小幅回升，说明林地景观类型与草地景观类型整体形状趋于简单规则，在2015年由于自然及外界因素的干扰，破碎度随之提升，景观异质性增强；随着城乡城市化的加速发展，研究区建设用地的斑块面积比例和最大斑块指数都在逐年增加，代表着人类活动的干扰强度增强，同时未利用地得到了有效利用；水体在研究区内面积有所减少，聚集度和景观形状指数降幅最大，说明在人类活动的干预下，该区域水体破碎程度严重。

3.2 景观级别水平变化特征分析

从表2中可以看出，研究区2000—2015年景观形状指数持续减少，说明该研究区内人类的活动干预使景观形状趋于集中。但在研究期间斑块数和最大斑块指数一直呈现减少趋势，表明研究区总体呈破碎趋势，景观优势度下降。蔓延度持续增长，说明优势斑块形成了良好的连通性，并且该优势斑块区域扩大。研究区香农多样性和香农均匀度指数变化趋势相同，呈现先增加后减少再增加的趋势，总体表现有所提高，说明2000年景观多样性和均匀度最小。此时研究区内各景观斑块类型分布最不均匀，多样性差，连通性较弱；直到2015年，景观多样性与均匀度较2000年有所提升，说明研究区内各景观斑块类型分布趋于均匀，景观的优势度逐渐降低，多样性提高。

表1 2000—2015年千阳县景观类型水平指数

表2 2000—2015年千阳县景观级别水平指标

3.3 景观类型面积变化特征及相互转化关系分析

图1为研究区4期土地利用类型图。根据表3发现，2000—2015年各景观类型面积都发生了变化，其中，耕地面积总体变化量最大，并在2000—2005年期间变化量达到峰值，总体变化量为-7378.301hm2；草地面积先增后减，整体面积保持增加趋势，总体变化量为3383.4hm2；林地面积逐年上升，总体变化量为3705.42hm2；建设用地面积保持增长态势，在2005—2010年间达到增长峰值，总体变化量为284.540hm2；水体面积先增后减，总体面积增加，总体变化量为191.66hm2；未利用地面积总体减少，从2005年开始减弱趋势放缓，总体变化量为-186.72hm2。由表4可知，近15a间，研究区转出面积最大的景观类型是耕地，占总转出面积的90.51%；转入面积最大的类型分别为林地和草地，分别占总转入面积的49.59%和43.65%。结果表明，研究区受政府政策影响，为了恢复自然生态、防止水土流失及人类破坏，将部分耕种区域和坡度较大的不适宜耕种的地区转移为林地和草地，其次部分耕地转化为建设用地，而未利用地大部分转变为水体，使未利用地得到了充分利用。此外，随着大面积的耕地分散转移，水体面积的增加以及未利用地的充分利用，使得研究区的整体生态环境逐步趋好，生态系统服务功能得到提高。

图1 2000—2015年千阳县4期土地利用类型图

表3 各景观类型面积变化量及百分比

表4 2000—2015年景观类型面积转移矩阵

3.4 土地利用程度分析

研究区4期土地利用程度指数见表5，从2000—2015年间，土利用程度指数呈逐步上升趋势，并且均高于全国平均值231，2015年土地利用程度指数最大。说明近15a，千阳县在土地利用层面有了巨大改善。土地得到有效的利用，并且土地利用趋于均匀，土地利用多样性增强，景观的功能性得到了提升。

表5 2000—2015年土地利用程度指数

3.5 生态系统服务价值变化分析

3.5.1 总体生态系统服务价值的变化

由表6可知，研究区近15a总体ESV呈现上升趋势，总体上升4.34%，但从各年变化率看，这种上升趋势在明显减弱。从各景观类型角度上看，2000—2015年期间除耕地和未利用地的ESV下降以外，其它各景观类型的ESV均有不同程度上升，其中，林地的ESV增加83.087×105元，增幅为7.67%；水体的ESV增加9.05×105元，增幅为15.31%；草地的ESV增加25.138×105元，增幅为23.1%，是各景观类型中增幅最大的景观类型。耕地的ESV下降52.321×105元，降幅达21.46%；而未利用地的ESV降幅最大，达到97.17%，下降0.08×105元。总体来说，研究区在研究期期间的总体ESV上升64.873×105元，变化率为4.34%，虽然未利用地的ESV降幅最大，但未利用地ESV基数较低，产生的影响并不大，而耕地ESV的下降直接影响林地与草地ESV的上升，对研究区总体ESV的增加起着关键引导作用。

表6 2000—2015年不同景观类型的生态系统服务价值及变化量

3.5.2 单项生态系统服务价值的变化

单项生态系统服务价值的变化见表7，2000—2015年期间，研究区食物生产功能价值的降幅度最大，下降6.132×105元，降幅达13.66%；价值增长最多的是生物多样性，增涨11.23×105元，增幅达6.91%。2000—2005年期间，各单项功能价值变化幅度最为明显，其中水源涵养服务价值增长最多，增涨价值达10.581×105元，增幅达4.85%。2005—2015年期间，各单项功能价值变化趋势减弱，直到2010年后，各单项生态系统服务价值的变化率达历年最低，浮动最小。从研究区整体单项构成来看，各单项服务功能价值可概括为土壤形成与保护>水源涵养>生物多样性保护>气体调节>气候调节>废物处理>原材料>娱乐文化>食物生产。土壤形成与保护服务功能价值最高，占总功能价值的18.25%；其次是水源涵养服务功能，占总体服务价值的14.9%；再次是生物多样性保护、气体调节、气候调节服务功能三者合计占总体服务价值的39.69%；食物生产占总体服务价值的比例最低，仅为2.49%。其主要原因是林地与草地类型的增加，提高了区域生态环境，直接影响了土壤形成与保护和水源涵养服务功能，提高了区域水土保持和涵养水源的能力，导致土壤形成与保护及水源涵养服务价值得到了提高；由于部分耕地类型转变为林地与草地，加之政府部门推动现代化城镇建设以及娱乐文化服务价值的提高，影响到食物生产能力的减弱，导致该区域食物生产服务价值的下降。

表7 2000—2015年千阳县生态系统服务价值结构变化

4 结论与讨论

从景观格局来看，2000—2015年千阳县景观类型变化明显，耕地转出比例90.51%，大部分转为林地与草地，转入面积分别为4066.56hm2和3579.3hm2，此外耕地景观类型形状趋于规则，聚集度及连通性增强。林地与草地景观类型的斑块数和斑块密度指数整体下降，2010年后又有小幅提升，说明受自然和外界因素干扰，破碎度提升，景观异质性增强。此外，随着人类活动的干预，建设用地的斑块面积比例和最大斑块指数都在逐年增加，同时水体的聚集度和景观形状指数下降，说明在人类活动的干预下，该区域水体破碎程度严重，未利用地得到充分利用。从景观级别水平变化特征分析，2000—2015年斑块数和最大斑块指数一直呈现减少趋势，表明研究区总体呈破碎趋势，景观优势度下降。通过蔓延度、香农多样性与香农均匀度指数的增长，说明近15a千阳县景观多样性、均匀度和连通性得到提升，景观类型分布均匀，景观优势度降低，景观多样性提高。

从生态系统服务价值来看，近15a的千阳县ESV呈上升趋势，总体上升4.34%。从各景观类型的ESV来看，2000—2015年，除耕地与未利用地的ESV呈下降趋势外，其它景观类型的ESV均有不同程度上升，其中草地的ESV增幅最大，达23.1%。从单项ESV的变化情况来看，近15a的食物生产功能价值降幅最大，达13.66%，千阳县的生态服务价值中主要由土壤形成与保护、水源涵养、生物多样性保护功能价值构成，其中土壤形成与保护占总功能价值的18.25%。可以分析得出，ESV的变化与景观格局的变化息息相关，景观类型的转变影响着ESV的价值走向，决定着区域生态服务价值的大小。

敏感性验证结果表明，研究区的ESV对VC缺乏弹性，采用的价值系数适用于研究区的实际情况，得出的ESV准确可信。近15a，土地利用程度指数逐渐提高，均大于国家平均水平231，表明土地利用趋于稳定和规范，土地得到了有效利用。

但是ESV估算模型在准确性和时效性上仍有待提高，其较适用于长时间序列中的生态系统服务价值估算，不同的生态服务功能有其不同的功能量化估算公式，不同的生态服务功能估算公式又适用于不同的生态系统，如何更好地整合和提高现有的生态服务功能估算方法，并将生态服务功能价值量化，是下一步需要研究和探索的重点。