漓江流域景觀格局演變對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響

胡金龍 鄭文俊 王影雪

1 研究區(qū)位置Locations of study areas

2 漓江流域景觀類型分布Landscape distribution of Lijiang River Basin

景觀格局是景觀異質(zhì)性的具體體現(xiàn)，其動(dòng)態(tài)變化受自然和人為因素的共同作用[1-3]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指人類通過不同方式獲取生態(tài)系統(tǒng)自然效用，以維持人類生存并滿足人類福祉[4-6]。景觀格局演變必然帶來生態(tài)系統(tǒng)組分和功能的變化，進(jìn)而影響不同類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給量[7-8]，分析景觀格局演變對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響，對于實(shí)現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[9-11]。目前國內(nèi)外有關(guān)景觀格局演變的研究主要集中于景觀格局時(shí)空變化特征[12-14]、驅(qū)動(dòng)機(jī)制[15-17]以及模擬預(yù)測[18-20]等方面，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究主要關(guān)注整體景觀[21-23]或森林[24-26]、農(nóng)田[27-28]、濕地[29-30]等單一景觀類型生態(tài)服務(wù)價(jià)值時(shí)空變化，對于二者關(guān)系的探討，大多數(shù)研究聚焦于景觀類型面積變化引起的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化，而對于景觀格局指數(shù)與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的關(guān)系缺乏定量研究，分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對于景觀格局指數(shù)的響應(yīng)，有助于景觀格局優(yōu)化調(diào)控，提升區(qū)域整體生態(tài)效益[31-33]?；诖?，筆者利用Landsat時(shí)序遙感影像，解譯獲取1986—2016年景觀類型數(shù)據(jù)，綜合運(yùn)用景觀格局指數(shù)、GIS空間分析等方法，分析漓江流域景觀格局特征和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)空變化，進(jìn)而探討景觀格局演變與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的定量關(guān)系，以期為漓江流域景觀可持續(xù)管理提供數(shù)據(jù)支持和科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

漓江流域位于廣西壯族自治區(qū)東北部、南嶺山地西部（圖1），發(fā)源于華南第一高峰貓兒山，由北向南，漓江依次流經(jīng)興安縣、靈川縣、桂林市區(qū)、陽朔縣，干流全長164 km，流域總面積5 837.93 km2。漓江流域整體呈北高南低、中間低四周高的狹長帶狀分布，中下游屬于典型的喀斯特巖溶地貌，具有很高的觀賞價(jià)值[34]。漓江流域?qū)僦衼啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和，植被覆蓋度高，類型豐富多樣。漓江流域作為中國最早發(fā)展旅游業(yè)的地區(qū)，現(xiàn)已成為世界知名旅游目的地，旅游資源豐富多樣，旅游產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)，2016年桂林市共接待游客5 385.87萬人次，旅游總收入637.31億元，大部分來自漓江流域內(nèi)各縣區(qū)。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究采用的數(shù)據(jù)主要有：1）漓江流域1986年（TM）、2001年（TM）、2016年（OLI）3期Landsat遙感影像；2）漓江流域各縣地形圖、2014年土地利用現(xiàn)狀圖；3）1986—2016年興安縣、靈川縣、陽朔縣、桂林市內(nèi)各區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒以及涉及漓江流域相關(guān)規(guī)劃等。結(jié)合實(shí)地調(diào)研，利用ERDAS9.3平臺(tái)，對3期遙感影像進(jìn)行解譯，劃分景觀類型，經(jīng)計(jì)算總體分類精度分別為：86.83%、88.21%、89.72%，滿足本研究需要（圖2）。

2.2 景觀格局指標(biāo)的選取

根據(jù)不同景觀格局指數(shù)內(nèi)涵[35-37]，結(jié)合漓江流域景觀特征以及實(shí)際研究需要，盡量避免不同景觀指數(shù)間的信息重復(fù)[38-39]，從景觀水平和斑塊類型水平合計(jì)選取7個(gè)景觀格局指數(shù)，分別為斑塊密度（patch density，簡稱PD）、最大斑塊指數(shù)（largest patch index，簡稱LPI）、邊界密度（edge density，簡稱 ED）、面積加權(quán)分維數(shù)（fractal dimension index，簡稱FRAC_AM）、聚合度（aggregation index，簡稱 AI）、香農(nóng)多樣性指數(shù)（shannon’s diversity index，簡稱SHDI）和香農(nóng)均勻度指數(shù)（shannon’s evenness index，簡稱 SHEI）。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值（ESV）評價(jià)方法

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值（ecosystem services value，簡稱ESV）眾多評價(jià)方法中，當(dāng)量因子法采用較多，其關(guān)鍵在于單個(gè)當(dāng)量因子生態(tài)服務(wù)價(jià)值量確定和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)計(jì)算。

2.3.1 ESV計(jì)算方法

借鑒Costanza等[40]、謝高地等[41]相關(guān)研究，采用當(dāng)量因子法進(jìn)行生態(tài)服務(wù)價(jià)值評估[40-41]，具體計(jì)算公式如下：

式中，VC0為單個(gè)當(dāng)量因子生態(tài)服務(wù)價(jià)值量（元/hm2·年）；P為漓江流域平均糧食價(jià)格（元/kg）；Q為平均糧食產(chǎn)量（kg/hm2）；n為研究年數(shù)。

本研究采用謝高地等[41]提出的當(dāng)量因子表，利用Costanza等提出的計(jì)算方式，評估漓江流域生態(tài)服務(wù)價(jià)值，具體算式如下：

式中，ESV為生態(tài)服務(wù)總價(jià)值，n為景觀類型的數(shù)量，VCk為第k種景觀類型價(jià)值系數(shù)，Ak為第k種景觀類型的面積，ESVf為單項(xiàng)服務(wù)價(jià)值，VCfk為單項(xiàng)服務(wù)功能價(jià)值系數(shù)。2.3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)

根據(jù)《桂林市統(tǒng)計(jì)年鑒（1986—2017年）》獲取主要糧食作物水稻年產(chǎn)量，得出漓江流域糧食年平均產(chǎn)量為4 922.71 kg/hm2，按照國家2016年不同等級稻谷最低收購價(jià)格，獲得糧食平均價(jià)格為2.71元/kg，所以漓江流域1個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子為1 905.79元/hm2。

將各景觀類型與相應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)類型聯(lián)系起來[42-43]，考慮到建設(shè)用地具有明顯的負(fù)效應(yīng)，根據(jù)石垚等[44]的研究，將建設(shè)用地的水源涵養(yǎng)和廢物處理當(dāng)量因子設(shè)為：-7.55和-2.46，結(jié)合當(dāng)量因子表，獲得不同景觀類型生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)（表1）。

3 結(jié)果與分析

3.1 景觀總體變化

1986—2016年間漓江流域不同景觀類型面積和結(jié)構(gòu)均發(fā)生較大變化（表2）。林地持續(xù)增加，面積占比由1986年的71.41%增加到2016年的79.55%，屬于流域內(nèi)優(yōu)勢景觀。農(nóng)田不斷減少，凈減少650.05 km2，降幅達(dá)49.88%。受城鎮(zhèn)化加速擴(kuò)張、新農(nóng)村建設(shè)、旅游設(shè)施建設(shè)等因素影響，建設(shè)用地快速增加，增幅高達(dá)203.64%，遠(yuǎn)高于其他景觀類型，但研究期內(nèi)均未超過5%。水體持續(xù)減少，前期下降主要由填水造陸引起，后期由城鄉(xiāng)建設(shè)侵占引起。草地先減少后增加，前期減少主要由荒地造林、墾荒種田引起，后期增加主要因?yàn)?000年后農(nóng)民外出務(wù)工、糧食生產(chǎn)收益低等帶來的土地撂荒以及森林采伐形成的跡地引起。裸地持續(xù)增加，主要由開山采石、水陸變遷等引起，但占比很小。

表1 不同景觀類型ESV系數(shù)Tab. 1 ESV coefficients of landscape types單位：元/（hm2·年）

表2 1986—2016年漓江流域各景觀類型面積Tab. 2 Areas of various landscapes in Lijiang River Basin (1986-2016)

表3 1986—2016年漓江流域景觀水平格局指數(shù)Tab. 3 Landscape level pattern index in Lijiang River Basin (1986-2016)

3.2 景觀格局變化

3.2.1 景觀水平

30年間漓江流域景觀水平的格局指標(biāo)發(fā)生顯著變化（表3），PD先增加后減少，1986—2001年間景觀破碎化程度加劇，2001年后陽朔、靈川、興安等地農(nóng)民集中連片種植金橘、砂糖橘、葡萄等，林果種植趨向于“一鎮(zhèn)一品”的規(guī)模化經(jīng)營，加之區(qū)域城鎮(zhèn)化以面狀擴(kuò)張為主使整體破碎度降低；ED和FRAC_AM呈先增加后減少趨勢，說明前期斑塊的復(fù)雜性增加，后期人類的干擾活動(dòng)顯著增強(qiáng)，斑塊趨向于集中分布，復(fù)雜性降低；AI雖有小幅波動(dòng)，但均接近于100，說明斑塊類型分布集中，具有較大的空間自然連通性；SHDI和SHEI持續(xù)下降，表明各景觀類型的均勻性、異質(zhì)性降低，主要受2002年起實(shí)施的封山育林、退耕還林工程，2005年開展的大規(guī)模石漠化治理以及水果規(guī)模化種植等多因素推動(dòng)，林地占比不斷增大，與之相反，比重居第二位的農(nóng)田，受種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、城鄉(xiāng)擴(kuò)展等影響，占比快速下降。

表4 1986—2016年漓江流域ESV構(gòu)成特征Tab. 4 Constitute characteristics of ESV in Lijiang River Basin (1986-2016)

3 1986—2016年漓江流域不同景觀類型格局指數(shù)Landscape index of various landscapes in Lijiang River Basin (1986-2016)

3.2.2 景觀類型水平

從不同景觀類型格局變化來看（圖3），林地的PD先增后減，LPI持續(xù)增加，遠(yuǎn)高于其他景觀類型，AI穩(wěn)定維持在95以上并略有增加，說明林地破碎度減弱，連接度增加，有利于區(qū)域內(nèi)物種遷移和生物多樣性保護(hù)；農(nóng)田的PD先增后減，LPI、FRAC_AM、AI降低，說明農(nóng)田破碎度降低，聚集程度減弱，趨向分散經(jīng)營；建設(shè)用地的PD、LPI、FRAC_AM、 AI持續(xù)增加，說明建設(shè)用地復(fù)雜性增加，趨向于集中分布；水體的PD先增后減，LPI、AI先減后增，F(xiàn)RAC_AM小幅減少，說明水體破碎化降低，復(fù)雜性減弱；草地的PD、FRAC_AM先增后減、AI先減少后增加、LPI接近于0，表明草地以零散分布為主，前期破碎度升高，后期受土地撂荒等影響，破碎度降低，人為干擾變小；裸地的PD變化劇烈，LPI很小，主要由人類破壞活動(dòng)和水文條件變化引起。

3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空變化

3.3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值變化

研究期內(nèi)漓江流域ESV持續(xù)增加，1986、2001、2016年ESV分別為200.81億、204.41億、208.31億元，小幅增加7.50億元（表4）。從不同景觀類型ESV來看，林地ESV快速增加，對整體ESV貢獻(xiàn)率最大，占比由1986年86.50%增加到2016年的92.83%，遠(yuǎn)高于其他景觀類型；農(nóng)田和建設(shè)用地ESV快速減少，分別減少8.56億元、3.09億元。草地和裸地小幅增加，對整體ESV影響不大。2001—2016年時(shí)段相較1986—2001年時(shí)段，ESV增加和減少速度，均明顯加快，歸因于后期城鎮(zhèn)擴(kuò)張加速、林果種地面積加大。

3.3.2 生態(tài)系統(tǒng)各功能的服務(wù)價(jià)值變化

從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值構(gòu)成看（表5），不同時(shí)段漓江流域生態(tài)系統(tǒng)土壤形成與保護(hù)價(jià)值占比一直居于首位，氣體調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)、生物多樣性保護(hù)貢獻(xiàn)率排序處于2～4名之間。1986—2016年間土壤形成與保護(hù)、氣體調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)、生物多樣性保護(hù)占比均超過14%，四者合計(jì)占比超過ESV總和的60%，表明調(diào)節(jié)、支持等服務(wù)性功能是漓江流域生態(tài)系統(tǒng)的主導(dǎo)功能，遠(yuǎn)大于其他功能類型。

漓江流域各單項(xiàng)服務(wù)價(jià)值（表5）中，氣體調(diào)節(jié)、原材料、生物多樣性保護(hù)、土壤形成與保護(hù)、氣候調(diào)節(jié)、娛樂文化生態(tài)服務(wù)價(jià)值持續(xù)增加，其中氣體調(diào)節(jié)增量最大，凈增2.57億元，原材料增加居次，主要由于具有較高氣體調(diào)節(jié)和原材料服務(wù)價(jià)值系數(shù)的林地持續(xù)增加。食物生產(chǎn)、廢物處理持續(xù)減少，主要由具有較高食物生產(chǎn)系數(shù)的農(nóng)田減少和具有廢物處理負(fù)效應(yīng)的建設(shè)用地增加引起；水源涵養(yǎng)功能先增加后減少，前期增加主要由林地增加引起，后期減少由建設(shè)用地快速增加引起。

表5 1986—2016年不同服務(wù)功能價(jià)值變化Tab. 5 Value changes of various service functions (1986-2016)

3.3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間變化

以鎮(zhèn)（鄉(xiāng)）區(qū)為基本單元，計(jì)算各鎮(zhèn)區(qū)地均ESV，分析ESV的空間分布規(guī)律。漓江流域地均 ESV 介于 1.68×104～4.21×104元 /hm2，研究期內(nèi)地均ESV最高值為蘭田鄉(xiāng)，ESV最低值出現(xiàn)在象山區(qū)。參考相關(guān)研究[23]3790，按照標(biāo)準(zhǔn)差法，將漓江流域劃分為低、較低、中、較高、高5個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)等級。1986—2016年漓江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值存在明顯的空間分異，3個(gè)時(shí)點(diǎn)呈現(xiàn)基本一致的分布特征，具體表現(xiàn)為：中間河谷地帶低、四周山林地區(qū)高（圖4）。高等級區(qū)集中分布在華江、蘭田、青獅潭鎮(zhèn)等北部山區(qū)和海洋鄉(xiāng)、大境鄉(xiāng)、靈田鄉(xiāng)等東部山區(qū)。低等級區(qū)域主要分布在桂林市區(qū)及周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

從不同鎮(zhèn)區(qū)生態(tài)服務(wù)等級變化來看（圖5），1986—2001年時(shí)段生態(tài)服務(wù)等級變化的鎮(zhèn)區(qū)較少，4個(gè)鎮(zhèn)區(qū)等級升高，3個(gè)鎮(zhèn)區(qū)等級降低。2001—2016年時(shí)段生態(tài)服務(wù)等級變化的鎮(zhèn)區(qū)增多，9個(gè)鎮(zhèn)區(qū)等級升高，3個(gè)鎮(zhèn)區(qū)等級降低。整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)12個(gè)鎮(zhèn)區(qū)等級升高，5個(gè)鎮(zhèn)區(qū)等級降低，減少的鎮(zhèn)區(qū)主要為疊彩區(qū)、七星區(qū)、秀峰區(qū)、陽朔鎮(zhèn)、普益鄉(xiāng)等快速城鎮(zhèn)化的地區(qū)，增加的地區(qū)主要為環(huán)繞桂林市區(qū)的臨桂、定江、靈川、靈田、雁山區(qū)等12個(gè)鎮(zhèn)區(qū)，主要由葡萄、砂糖橘、金橘等大面積林果種植引起。

4 基于鎮(zhèn)（鄉(xiāng)）區(qū)的ESV等級分布Spatial distribution of ESV grades in various towns

3.4 景觀變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響

利用SPSS對漓江流域1986—2016年不同景觀格局指數(shù)與生態(tài)服務(wù)功能進(jìn)行相關(guān)性分析。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值與各景觀格局指數(shù)存在較強(qiáng)的相關(guān)性（表6），與LPI、AI存在顯著正相關(guān)，與SHDI和SHEI存在顯著負(fù)相關(guān)，表明林地的優(yōu)勢斑塊面積不斷擴(kuò)大、斑塊間保持較大的空間自然連通性，各景觀類型的均勻性、異質(zhì)性降低有利于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的增加。

5 基于鎮(zhèn)（鄉(xiāng)）區(qū)的ESV等級變化Changes of ESV grades in various towns

表6 各景觀指數(shù)與ESV相關(guān)性分析Tab. 6 Correlation coefficients between landscape indexes and ESV

從各景觀指數(shù)與不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值相關(guān)性來看，LPI、AI與氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、土壤形成與保護(hù)、生物多樣性保護(hù)、原材料、娛樂文化等服務(wù)價(jià)值呈顯著正相關(guān)，表明擴(kuò)大最大斑塊景觀面積以及增強(qiáng)不同類型斑塊間的連接度，有利于上述生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的持續(xù)增加。LPI、AI與廢物處理、食物生產(chǎn)呈顯著負(fù)相關(guān)，增加LPI和AI，將導(dǎo)致廢物處理、食物生產(chǎn)服務(wù)功能的下降。SHDI、SHEI與氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、土壤形成與保護(hù)、生物多樣性保護(hù)、原材料、娛樂文化等服務(wù)價(jià)值呈顯著負(fù)相關(guān)，與食物生產(chǎn)、廢物處理呈顯著正相關(guān)，表明封山育林、退耕還林、林果種植等導(dǎo)致的各景觀類型均勻性、異質(zhì)性降低，有助于生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)、支持等服務(wù)性功能增加，同時(shí)減少食物生產(chǎn)、廢物處理等生態(tài)服務(wù)功能。水源涵養(yǎng)與ED呈顯著正相關(guān)，表明水體自然形態(tài)岸線的維持，可能有助于水源涵養(yǎng)服務(wù)功能的提升。

4 結(jié)論與討論

30年來林地一直是漓江流域的優(yōu)勢景觀，面積持續(xù)增加，農(nóng)田和水體不斷減少，草地先減后增，建設(shè)用地快速增加，主要受城鎮(zhèn)擴(kuò)張、新農(nóng)村建設(shè)、旅游設(shè)施建設(shè)等影響。從景觀水平上看，PD、ED、FRAC_AM先增后減，LPI、AI持續(xù)增加，SHDI和SHEI不斷下降，前期景觀破碎化加劇、復(fù)雜性增加，主要由于種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、零散城鄉(xiāng)建設(shè)，后期受城鎮(zhèn)化擴(kuò)張、農(nóng)林種植規(guī)?；绊?，景觀破碎化減弱，均勻性、異質(zhì)性降低。類型水平上，林地破碎化降低、趨向于集中連片，農(nóng)田破碎化增加、趨向分散經(jīng)營，建設(shè)用地重點(diǎn)城鎮(zhèn)面狀擴(kuò)展、復(fù)雜性增加，水體破碎化降低、復(fù)雜性減弱，草地零散分布，人為干擾變小。

研究期內(nèi)漓江流域ESV持續(xù)增加，凈增7.50億元，林地對整體ESV貢獻(xiàn)率最大，是流域ESV增加的主要來源，農(nóng)田減少和建設(shè)用地增加導(dǎo)致ESV快速減少。土壤形成與保護(hù)、氣體調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)、生物多樣性保護(hù)貢獻(xiàn)率居于前列，合計(jì)占比超60%，調(diào)節(jié)、支持等服務(wù)性功能是漓江流域生態(tài)系統(tǒng)的主導(dǎo)功能。30年來漓江流域ESV存在明顯的空間分異，中間河谷地帶低、四周山林地區(qū)高，高等級區(qū)集中分布在流域北部和東部山林地區(qū)，低等級區(qū)域主要分布在桂林市區(qū)及周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值與LPI、AI存在顯著正相關(guān)，與SHDI和SHEI存在顯著負(fù)相關(guān)，優(yōu)勢斑塊面積不斷擴(kuò)大、斑塊間保持較大空間自然連通性，各景觀類型的均勻性、異質(zhì)性降低有利于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的增加。從景觀格局指數(shù)與生態(tài)服務(wù)價(jià)值相關(guān)性來看，增加LPI和AI，有利于氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、土壤形成與保護(hù)等服務(wù)價(jià)值的提升，同時(shí)可能降低廢物處理、食物生產(chǎn)等服務(wù)價(jià)值；封山育林、退耕還林、林果種植等導(dǎo)致的SHDI和SHEI降低，有助于生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)、支持等服務(wù)性功能增加。ED與水源涵養(yǎng)正相關(guān)，維持水體的自然岸線將提升水源涵養(yǎng)服務(wù)功能。

本研究得出的景觀格局指數(shù)與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能相關(guān)性結(jié)果，與鄒月等[10]2637和王航等[45]分別對西安市和淮河上游的研究結(jié)果一致，與王麗群等[37]757對牛欄山—馬坡鎮(zhèn)的研究結(jié)果存在較大差異，說明不同區(qū)域景觀格局差異大，景觀格局與整體生態(tài)服務(wù)價(jià)值和單項(xiàng)生態(tài)服務(wù)價(jià)值的關(guān)系會(huì)存在不同，景觀格局演變對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響是一個(gè)復(fù)雜過程，景觀格局指數(shù)對于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響程度和機(jī)制，需要結(jié)合大量實(shí)際案例進(jìn)行研究和探討。

圖表來源(Sources of Figures and Tables)：

圖1改繪自桂林市地圖[審圖號：桂S（2017）63號]，圖2、4、5底圖來自中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心矢量化桂林市行政區(qū)圖，其余圖表均由作者繪制。