北京市景觀格局演變及其對(duì)多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響

楊婉清,楊 鵬,孫 曉,,*,韓寶龍

1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081 2 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指生態(tài)系統(tǒng)為人類提供的福祉,是人類生存與發(fā)展的基礎(chǔ)[1—2],土地利用變化可以顯著改變生態(tài)系統(tǒng)的模式和過程,導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化[3]。景觀格局是由不同的土地利用類型在空間上呈現(xiàn)的分布與組合形式,是各種生態(tài)過程在不同尺度上作用的結(jié)果[4—5]。隨著經(jīng)濟(jì)、人口的不斷增長,人類對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)的利用和消耗持續(xù)增加,帶來了嚴(yán)峻的生態(tài)環(huán)境問題[6],導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)不斷退化[1]。從景觀角度考慮人與生態(tài)環(huán)境之間的相互作用,能夠?yàn)閰^(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供有力保障,切實(shí)有效地促進(jìn)區(qū)域可持續(xù)性發(fā)展[7]。尤其是在人類活動(dòng)與自然生態(tài)環(huán)境矛盾突出的快速城市化區(qū)域中,明確景觀格局與生態(tài)服務(wù)之間的關(guān)系,可以為深入研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)空演變對(duì)景觀格局的響應(yīng)機(jī)制提供理論基礎(chǔ),從而在景觀格局優(yōu)化角度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的提升提供新的方法途徑。

景觀格局與生態(tài)服務(wù)之間的耦合關(guān)系研究是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)管理以及景觀可持續(xù)規(guī)劃等跨學(xué)科領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題[8]。目前,大部分學(xué)者重點(diǎn)關(guān)注土地利用如何對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生影響,分析自然生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值動(dòng)態(tài)變化與土地利用之間的關(guān)系,例如：Terefe等分析了埃塞俄比亞森林地區(qū)的土地利用變化和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化,發(fā)現(xiàn)林地面積占比的減小,會(huì)使得該地區(qū)水量供應(yīng)等重要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能喪失[9]；張發(fā)等探究了博斯騰湖流域土地利用變化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空演變,發(fā)現(xiàn)水域、草甸和草原的面積變化是流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化的主要影響因素[10]。也有學(xué)者關(guān)注景觀格局指數(shù)與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值之間的關(guān)系,例如：Ayinuer等研究了艾比湖流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與景觀格局變化之間的相關(guān)性,發(fā)現(xiàn)景觀多樣性指數(shù)與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值有顯著的正相關(guān)關(guān)系[11],Hou等研究了西安市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與景觀格局變化之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)聚集度指數(shù)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值有正向影響[12]。其中,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值是通過對(duì)不同土地利用類型進(jìn)行賦值的價(jià)值當(dāng)量法來計(jì)算,賦值主要依據(jù)專家知識(shí)經(jīng)驗(yàn),具有較大的不確定性[13]。因此,為了更加客觀地分析景觀格局與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的定量關(guān)系,本研究旨在：(1)從多時(shí)空尺度,量化北京市景觀組成、景觀配置指數(shù)以及多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)；(2)從景觀和類型兩個(gè)水平,探究多種景觀格局指數(shù)如何影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。

2016年公布的《新城市議程》中提到,到本世紀(jì)中葉,世界城市人口預(yù)計(jì)將增加一倍,隨著而來的城市化問題對(duì)于自然環(huán)境的可持續(xù)性帶來巨大的挑戰(zhàn)[14]。尤其對(duì)于高度城市化地區(qū),北京市1980—2018年常住人口由904萬人增長到2154萬人,地區(qū)經(jīng)濟(jì)總值由139億元增長到33106億元[15]。在經(jīng)濟(jì)和人口不斷發(fā)展的過程中,北京市建設(shè)用地不斷擴(kuò)張,景觀格局發(fā)生劇烈變化[16],并且引發(fā)了一系列的生態(tài)環(huán)境問題[17],生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)也隨之受到威脅[18],研究北京市景觀格局對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響對(duì)于區(qū)域景觀生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展尤為重要?；诖?本研究旨在：(1)定量分析北京市1980—2018年景觀格局時(shí)空演變特征；(2)定量評(píng)估北京市1980—2018年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)空演變規(guī)律；(3)探究北京市景觀組成與景觀配置指數(shù)對(duì)多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響。

1 研究區(qū)概況

北京市位于華北平原北部(39.4°—41.6°N、115.7°—117.4°E),下轄16個(gè)區(qū)縣,面積為16410km2,是全國的政治、經(jīng)濟(jì)和文化中心。整體地勢西北高、東南低,其中,西、北和東北三面環(huán)山,山區(qū)面積約占總面積62%,東南部相對(duì)平坦[19]。平均海拔43.5m,年均降水506mm[20],屬于暖溫帶半濕潤半干旱季風(fēng)氣候。2018年全市常住人口2154萬人,地區(qū)生產(chǎn)總值33106億元,城鎮(zhèn)化率為86%[15]。作為中國特大城市之一,北京市1980—2018年經(jīng)歷了快速的城市化過程,也伴隨著巨大的景觀格局變化和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)退化[21]。

2 研究數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文的數(shù)據(jù)來源包括：(1)遙感影像數(shù)據(jù)：分辨率為30m的Landsat-MSS遙感影像(1980年)、Landsat-TM遙感影像(1990年、2000年、2010年)、Landsat-OLI遙感影像(2018年)5期影像數(shù)據(jù),來源于美國地質(zhì)勘查局網(wǎng)站(https://www.usgu.gov/)。(2)土地利用數(shù)據(jù)：分辨率為30m北京市1980年、1990年、2000年、2010年、2018年土地利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù),來源于中國科學(xué)資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(https://www.resdc.cn/)。(3)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：1980、1990、2000、2010、2018年北京市各地區(qū)主糧作物單產(chǎn)、面積數(shù)據(jù),來源于北京市統(tǒng)計(jì)年鑒[15],中國農(nóng)業(yè)年鑒[22]。(4)DEM數(shù)據(jù)：分辨率為30m的ASTER GDEM數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)來源于美國國家航天航空局網(wǎng)站(https://www.nasa.gov/)。

2.2 景觀格局分析

2.2.1景觀類型變化

基于土地利用數(shù)據(jù),將北京市分為耕地、林地、草地、水體、建設(shè)用地、未利用地6類,利用經(jīng)過鑲嵌,裁剪,幾何校正等處理后的遙感影像數(shù)據(jù),采用監(jiān)督分類方法對(duì)土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行校正,得到Kappa系數(shù)大于80%且空間分辨率為30m的土地利用分布圖,分析北京市1980—2018年不同土地利用動(dòng)態(tài)變化趨勢?？臻g疊加1980、2018年北京市土地利用分布圖,并利用轉(zhuǎn)移矩陣表示景觀類型轉(zhuǎn)移情況。

2.2.2景觀指數(shù)變化

景觀指數(shù)是指能夠高度濃縮景觀格局信息,有效反映其結(jié)構(gòu)組成和空間配置等方面特征的簡單定量指標(biāo),分為3個(gè)層次：斑塊、類型和景觀水平[23]。各景觀指數(shù)本身有一定關(guān)聯(lián),許多指數(shù)之間存在冗余,所以選取典型指數(shù)來表征景觀格局[24]。本研究通過閱讀相關(guān)文獻(xiàn)[16,23],從類型和景觀水平2個(gè)尺度共選取8個(gè)指數(shù)：斑塊密度、平均斑塊面積、邊緣密度、聚集度、景觀形狀指數(shù)、Shannon多樣性、連通性、蔓延度(表1),利用Fragstats 4.2.1軟件計(jì)算選取的景觀指數(shù)。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估

2.3.1糧食供給

以北京市1980—2018年農(nóng)田產(chǎn)量數(shù)據(jù)來量化北京市糧食供給服務(wù),統(tǒng)計(jì)1980、1990、2000、2010、2018年北京市各地區(qū)主糧作物單產(chǎn)、面積數(shù)據(jù),通過SPAM(Spatial Production Allocation Model)模型對(duì)多源數(shù)據(jù)格式進(jìn)行一致化處理,基于模擬的作物空間概率分布以及作物空間競爭優(yōu)化過程,將行政單元統(tǒng)計(jì)的作物產(chǎn)量值分配至像元尺度[25]。

表1 選取的北京市典型景觀格局指數(shù)

2.3.2水質(zhì)凈化

水質(zhì)凈化服務(wù)功能主要考慮植被對(duì)水體中氮元素的凈化能力,使用InVEST模型中的水質(zhì)凈化模塊進(jìn)行評(píng)估。本文選擇單位面積生態(tài)系統(tǒng)總氮輸出的多少來表示水質(zhì)凈化服務(wù)的大小,即：單位面積生態(tài)系統(tǒng)總氮輸出越少,水質(zhì)凈化服務(wù)越高。該模塊計(jì)算公式如下：

2.3.3空氣凈化

通過各類生態(tài)系統(tǒng)(例如森林、草地等)對(duì)總懸浮顆粒物TSP、可吸入顆粒物PM10、二氧化硫SO2以及氮氧化物NOx等顆粒截留吸收量來表征空氣凈化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。

Si(TSP, PM10, SO2, NOx) =Ai×Pi

式中,Si(TSP, PM10, SO2, NOx)表示植被種類i對(duì)顆粒物的截留吸收量；Ai表示植被種類i的面積；Pi表示植物種類i單位面積對(duì)顆粒物的截留吸收量,各景觀類型的顆粒截留吸收量參數(shù)參考Wu、Landuyt等的研究[29—30]。

2.3.4氣體調(diào)節(jié)

生態(tài)系統(tǒng)通過增減大氣中的二氧化碳等溫室氣體調(diào)節(jié)氣候,本研究使用碳儲(chǔ)量來表征氣體調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。對(duì)每一種景觀類型,采用InVEST模型對(duì)四種基本碳庫進(jìn)行估算,把各類碳庫的估測值用于土地利用空間分布圖上,從而生成整個(gè)景觀的碳儲(chǔ)量分布圖,計(jì)算公式如下：

Sc=Cabove+Cbelow+Csoil+Cdead

式中,Sc為總的碳儲(chǔ)量；Cabove為地上部分碳儲(chǔ)量；Cbelow為地下部分碳儲(chǔ)量；Csoil為土壤部分碳儲(chǔ)量；Cdead為死亡有機(jī)質(zhì)的碳儲(chǔ)量。各景觀類型的生物質(zhì)碳儲(chǔ)量參考Guo、He等的研究[31—32]。

2.3.5生境質(zhì)量

棲息地的質(zhì)量取決于來自威脅的外部壓力強(qiáng)度,以及棲息地類型對(duì)每種威脅的相對(duì)敏感性,采用InVEST模型中的生境質(zhì)量模塊進(jìn)行評(píng)估,結(jié)果用生境質(zhì)量指數(shù)來表示,計(jì)算公式如下：

式中,Qxj為土地利用類型為j時(shí)柵格x的生境質(zhì)量,Hj表示土地利用類型j的生境類型評(píng)估分?jǐn)?shù),Dxj則表示土地覆被類型j上柵格單元x的生境脅迫水平,z值表示所用到的尺度常量值,通常是2.5,k值是使用的半飽和常數(shù)。根據(jù)Wu等人的研究和當(dāng)?shù)卣{(diào)查確定本模塊中的參數(shù)[33]。

2.3.6休閑娛樂

通過Recreation Opportunity Spectrum(ROS)模型進(jìn)行評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)中的水體吸引力來表征休閑娛樂服務(wù)[34],結(jié)果由娛樂機(jī)會(huì)指數(shù)呈現(xiàn),計(jì)算公式如下：

式中,d表示距河岸的距離,α和K分別表示函數(shù)的大小和形狀參數(shù)。

2.4 相關(guān)性分析

采用偏相關(guān)系數(shù)表示1980—2018年北京市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與景觀格局之間的相關(guān)性,系數(shù)的大小表示兩者關(guān)系的強(qiáng)弱程度,系數(shù)為正表示兩者呈正相關(guān),系數(shù)為負(fù)表示兩者呈負(fù)相關(guān)。本研究利用R 3.6.2實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與景觀類型面積以及景觀格局指數(shù)之間的偏相關(guān)分析和顯著性檢驗(yàn),并進(jìn)行可視化。

3 結(jié)果與分析

3.1 景觀格局變化分析

3.1.1土地利用變化

圖1 北京市1980—2018年土地利用變化Fig.1 Changes of land use in Beijing City, 1980—2018

根據(jù)北京市1980—2018年不同土地利用變化情況(圖1),北京市景觀類型以林地為主,主要分布在北京市西部和北部的山區(qū),而東南部的平原地區(qū)以耕地與建設(shè)用地為主,建設(shè)用地?cái)U(kuò)張地區(qū)主要位于北京市東南部；北京市1980—2018年耕地面積大幅減少,建設(shè)用地面積大幅增加,其中,耕地面積比例由 37%下降到23%,共減少2155km2,建設(shè)用地面積由8%增加到18%,面積增加1598km2。此外,草地、水體以及未利用地的面積變化并不明顯。

忽略面積比例較小的未利用地,由北京市1980—2018年土地利用轉(zhuǎn)移情況表(表2),可以看出：1980—2018年,北京市土地利用轉(zhuǎn)移面積達(dá)3803km2,占總面積的23%,表現(xiàn)出耕地的大量轉(zhuǎn)出和建設(shè)用地、林地大量轉(zhuǎn)入的特征。其中,耕地主要轉(zhuǎn)為建設(shè)用地,轉(zhuǎn)出為建設(shè)用地的面積占耕地總轉(zhuǎn)出面積的64%；建設(shè)用地主要由耕地轉(zhuǎn)入,占建設(shè)用地總轉(zhuǎn)入面積的87%；林地主要由耕地轉(zhuǎn)入,占林地總轉(zhuǎn)入面積的62%。其他土地利用類型之間有不同程度的轉(zhuǎn)換,但轉(zhuǎn)換率相對(duì)較低。

3.1.2景觀指數(shù)變化

由北京市1980—2018年景觀水平指數(shù)(表3)發(fā)現(xiàn),北京市1980—2018年整體景觀更加破碎化。斑塊密度不斷增加,斑塊數(shù)目增多；景觀形狀指數(shù)不斷增加,景觀形狀趨于復(fù)雜化；蔓延度指數(shù)先增后減,景觀類型的聚集程度降低；連通度指數(shù)不斷減小,各景觀類型之間連通性降低,斑塊空間分布趨于零散；Shannon多樣性指數(shù)先增后減,總體減少,各景觀類型面積分布越來越不均勻。

表2 北京市1980—2018年土地利用轉(zhuǎn)移情況表/km2

表3 北京市1980—2018年景觀水平指數(shù)

由北京市1980—2018年類型水平景觀指數(shù)(表4)發(fā)現(xiàn),耕地在1980—2000年斑塊數(shù)目增多,平均斑塊面積減小,斑塊邊緣密度增大,邊界形狀復(fù)雜化,斑塊聚集度降低,整體呈破碎化發(fā)展。2000—2018年,耕地呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律,耕地斑塊聚集性增強(qiáng)；林地、草地以及建設(shè)用地在1980—2018年斑塊密度增加,平均斑塊面積減小,邊緣密度增加,斑塊聚集度降低,呈現(xiàn)空間破碎化,其中建設(shè)用地斑塊密度和邊緣密度均大幅增加,平均斑塊面積大幅減少,聚集度降低,斑塊破碎化程度高。

表4 北京市1980—2018年類型水平景觀指數(shù)

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化

3.2.1北京市1980—2018年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)間變化

圖2 北京市1980—2018年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化Fig.2 Changes of the ecosystem services in Beijing from 1980 to 2018

北京市1980—2018年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化(圖2)顯示,除空氣凈化外的其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)均呈現(xiàn)下降趨勢。1980—2018年北京市糧食生產(chǎn)、水質(zhì)凈化、氣體調(diào)節(jié)和休閑娛樂服務(wù)先增后減,總體呈現(xiàn)下降趨勢,生境質(zhì)量服務(wù)持續(xù)減少。其中,水質(zhì)凈化服務(wù)在1990—2000年大幅減少,空氣凈化、氣體調(diào)節(jié)、休閑娛樂服務(wù)在2010—2018年顯著降低。

3.2.2北京市1980—2018年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間變化

根據(jù)北京市1980—2018年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間變化(圖3)顯示,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)呈現(xiàn)顯著的空間差異性。除糧食生產(chǎn)服務(wù)在東部、南部較高,西部、北部較低,其他服務(wù)均呈現(xiàn)西部、北部較高,東部、南部較低,中部最低的空間分布特征；1980—2018年北京市中部地區(qū)糧食生產(chǎn)服務(wù)明顯減少,空氣凈化、氣體調(diào)節(jié)、生境質(zhì)量、休閑娛樂服務(wù)在空間上呈現(xiàn)東部和南部地區(qū)減少的趨勢,尤其是在建設(shè)用地?cái)U(kuò)張地區(qū)呈現(xiàn)顯著減少的變化特征。

圖3 北京市1980—2018年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間變化Fig.3 The spatial changes of the ecosystem services in Beijing from 1980 to 2018

3.3 北京市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對(duì)景觀格局的響應(yīng)

3.3.1生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對(duì)景觀水平的響應(yīng)分析

由生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與土地利用類型面積的偏相關(guān)分析(圖4)可知,景觀組成對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)有顯著影響。耕地面積與糧食生產(chǎn)以及水質(zhì)凈化服務(wù)有正相關(guān)關(guān)系；林地、草地面積與空氣凈化、氣體調(diào)節(jié)、生境質(zhì)量、休閑娛樂服務(wù)均有正相關(guān)關(guān)系,其中空氣凈化、氣體調(diào)節(jié)、休閑娛樂等服務(wù)對(duì)林地的響應(yīng)最為強(qiáng)烈；建設(shè)用地面積與所有的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)均有負(fù)相關(guān)關(guān)系,其中生境質(zhì)量服務(wù)對(duì)建設(shè)用地的響應(yīng)最為強(qiáng)烈。

由生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與景觀水平指數(shù)的偏相關(guān)分析(圖4)可知,區(qū)域內(nèi)景觀破碎化程度以及多樣性對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)有顯著影響。斑塊密度與區(qū)域內(nèi)所有生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)均有負(fù)相關(guān)關(guān)系,斑塊形狀指數(shù)與區(qū)域內(nèi)所有生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)均有正相關(guān)關(guān)系；景觀多樣性與除糧食生產(chǎn)服務(wù)外的其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)有正相關(guān)關(guān)系。其中,斑塊密度與生境質(zhì)量服務(wù)有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,景觀多樣性與生境質(zhì)量服務(wù)有顯著的正相關(guān)關(guān)系。

圖4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分別與土地利用類型面積以及景觀水平指數(shù)的偏相關(guān)分析Fig.4 Partial correlation analysis between ecosystem services and land use types and partial correlation analysis between ecosystem services and landscape metrics for landscape levels CL：耕地 Cropland;WL：林地 Woodland;GL：草地 Grassland;WB：水體 Water bodies;BL：建設(shè)用地 Built-up land;FP：糧食生產(chǎn) Food production;WP：水質(zhì)凈化 Water purification;AP：空氣凈化Air quality regulation;CS：氣體調(diào)節(jié) Carbon storage;HQ：生境質(zhì)量 Habitat quality;REC：休閑娛樂 Recreation opportunity;PD：斑塊密度 Patches density;LSI：景觀形狀指數(shù) Landscape shape index;CONTAG：蔓延度 Contagion index;CONNECT：連通性 Connectance index;SHDI：Shannon多樣性指數(shù) Shannon diversity index;***,P<0.001；**,P<0.01；*,P<0.05

3.3.2生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對(duì)類型水平的響應(yīng)分析

由生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與景觀類型指數(shù)的偏相關(guān)分析(圖5)可知,各景觀類型的景觀指數(shù)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響具有差異性。耕地的平均斑塊面積與邊緣密度與糧食生產(chǎn)服務(wù)有顯著的正相關(guān)關(guān)系；林地的平均斑塊面積和空間聚集度與空氣凈化、氣體調(diào)節(jié)、生境質(zhì)量、休閑娛樂服務(wù)有顯著的正相關(guān)關(guān)系；建設(shè)用地邊界密度和空間聚集度與空氣凈化、氣體調(diào)節(jié)、生境質(zhì)量、休閑娛樂服務(wù)有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖5 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與景觀類型指數(shù)的偏相關(guān)分析Fig.5 Partial correlation analysis between ecosystem services and landscape metrics for class levels ED：邊緣密度 Edge density；MPS：平均斑塊面積 Mean patch area；AI：聚集度 Aggregation index;***,P<0.001；**,P<0.01；*,P<0.05

4 討論

1980—2018年,北京市中心城區(qū)建設(shè)面積不斷向外擴(kuò)張,斑塊呈現(xiàn)破碎化趨勢,其中受影響最大的是耕地,耕地斑塊變得破碎且分散[35—36]。同時(shí),城市化發(fā)展過程對(duì)北京市的景觀結(jié)構(gòu)配置造成顯著影響,尤其是2000年之后,受到人類活動(dòng)的劇烈影響,北京中心城區(qū)、東南部地區(qū)建設(shè)用地組分優(yōu)勢度明顯,導(dǎo)致北京市整體景觀破碎化增加,多樣性降低[16]。

北京市在過去38年間,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)嚴(yán)重下降,這主要是由于人類頻繁的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)造成了自然生態(tài)系統(tǒng)的嚴(yán)重破壞[37]。尤其是東南部地區(qū),建設(shè)用地占比不斷增大,因此生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)明顯下降。西部和北部地區(qū),山地面積占比較大,受人類活動(dòng)干擾較少,植被生物量較高[38],提供的調(diào)節(jié)和文化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相對(duì)更高。

土地利用變化是北京市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的主要原因,當(dāng)林地等自然生態(tài)系統(tǒng)向建設(shè)用地等人工生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí),會(huì)帶來生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與生物多樣性的減少[18,39]。林地面積的增加有助于提高生物物質(zhì)以及木材生產(chǎn)的碳儲(chǔ)存量,并適度促進(jìn)土壤中碳的儲(chǔ)存[40],植被葉片的微觀結(jié)構(gòu)與去除空氣中大小顆粒能力密切相關(guān)[41],因此,增加林地面積對(duì)空氣凈化、氣體調(diào)節(jié)服務(wù)有顯著的正向效應(yīng)；隨著經(jīng)濟(jì)和人口的增長,建設(shè)用地不斷擴(kuò)張,自然生境遭到破壞,導(dǎo)致生物多樣性降低,區(qū)域生境質(zhì)量變差[42]。

不同的景觀配置會(huì)對(duì)北京市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)有顯著影響。增加景觀多樣化與景觀類型均衡分布,有助于提高生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[11],而破碎的景觀會(huì)阻礙區(qū)域間的能量流動(dòng),改變物質(zhì)和營養(yǎng)循環(huán)過程,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)有顯著的負(fù)面影響[43]。耕地斑塊破碎化不利于農(nóng)田的規(guī)?；芾砗娃r(nóng)業(yè)資產(chǎn)的合理配置,會(huì)嚴(yán)重影響糧食生產(chǎn)效率[44—45]；林地斑塊面積越大,空間分布越聚集,生態(tài)系統(tǒng)提供的空氣凈化、氣體調(diào)節(jié)、生境質(zhì)量服務(wù)則越多[46]；不規(guī)則建設(shè)用地斑塊數(shù)量越多,空間分布越聚集,造成自然生境斑塊更加破碎,連通性不斷降低,生境質(zhì)量不斷下降[47]。

本文從景觀組成與景觀配置兩個(gè)方面,分析了北京市景觀格局對(duì)多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響；未來的研究應(yīng)基于具體的生態(tài)過程及其機(jī)制,通過改變景觀格局,引起生態(tài)過程變化,從而提升區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)；針對(duì)特定區(qū)域進(jìn)行景觀優(yōu)化,在保證生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)為人類提供更多的福祉,促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展[48—49]。

5 結(jié)論

(1)1980—2018年,北京市景觀格局發(fā)生劇烈變化,建設(shè)用地面積顯著增加,耕地面積顯著減少；景觀整體呈現(xiàn)破碎化趨勢,斑塊異質(zhì)性增加。多數(shù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)呈下降趨勢,其中東南部地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)減少最為明顯。

(2)景觀水平上,增加林地、草地面積對(duì)空氣凈化、氣體調(diào)節(jié)服務(wù)有顯著的正向效應(yīng),增加建設(shè)用地面積對(duì)生境質(zhì)量服務(wù)有顯著的負(fù)向效應(yīng)；降低景觀破碎化程度,增加景觀多樣性對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)有正向效應(yīng)；類型水平上,增加耕地的平均斑塊面積對(duì)糧食生產(chǎn)服務(wù)有顯著的正向效應(yīng),增加林地的聚集度對(duì)空氣凈化、氣體調(diào)節(jié)服務(wù)有顯著的正向效應(yīng),而增加建設(shè)用地的聚集度對(duì)生境質(zhì)量服務(wù)有顯著的負(fù)向效應(yīng)。

(3)未來城市化發(fā)展過程中,針對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間異質(zhì)性特征,北京市不同區(qū)域應(yīng)采取因地制宜的景觀可持續(xù)規(guī)劃策略。在順義區(qū)、通州區(qū)等東部地區(qū),應(yīng)重點(diǎn)提升糧食生產(chǎn)服務(wù),避免建設(shè)用地?zé)o序擴(kuò)張與破碎化發(fā)展,優(yōu)先保護(hù)耕地資源,增加平均斑塊面積與空間聚集度；在市中心地區(qū),應(yīng)重點(diǎn)改善調(diào)節(jié)服務(wù),減小建設(shè)用地的聚集度,提高林地、草地的等綠色基礎(chǔ)設(shè)施的景觀組成比例與空間聚集度；在懷柔區(qū)、密云區(qū)、門頭溝區(qū)等西北部地區(qū),應(yīng)充分發(fā)揮其較高的調(diào)節(jié)和文化服務(wù)供給能力,避免林地、水體等自然景觀面積比例的減少,從而促進(jìn)區(qū)域的景觀可持續(xù)發(fā)展。