1975—2015年南四湖自然保护区生态系统服务价值时空变化分析

蒋斋,孙小银,*,刘飞,单瑞峰,樊玉娜,丛文翠

1.曲阜师范大学,日照 276826

2.南四湖湿地生态与环境保护山东省高校重点实验室,日照 276826

0 前言

生态系统服务是指直接或间接地维持人类生存和发展的生态系统福利,包括供给、调节、支持和文化四种服务[1-3]。生态系统提供生态服务的能力受土地利用类型、社会经济特征和生态系统的生物物理过程变化的影响[3-5]。土地利用变化是人类活动与生态系统相互作用的最直接表现[6],它必然导致生态系统功能的变化,从而改变生态系统服务价值。土地利用的变化不仅能够改变景观格局,还直接影响生态系统的结构和组成。因此,确定生态系统服务价值对土地利用变化的响应是迫切需要的,评估土地利用变化对生态系统服务价值的影响对于土地利用规划、自然资源管理和生态保护具有重要意义。

土地利用变化显著影响着生态系统的服务和功能,对生态系统服务价值的估算可用于评估不同土地利用背景下的生态系统状况和生态效应,对土地利用规划具有积极的指导作用。近几十年来,已有众多专家学者就土地利用变化对生态服务价值的影响研究得出了大量研究成果[5,7-12]。土地利用变化可能会使得某些生态系统的生态服务价值提高而降低其他生态系统提供服务的能力,且生态服务价值的变化取决于土地利用变化的方向和规模。例如,Wang 等[11]揭示了土地利用变化导致宁夏地区的生态系统服务价值总体呈增长趋势,尤其是生物多样性保护和土壤形成与保护的生态服务价值明显增加,而Gashaw 等[5]的研究结果则发现因耕地和建成区的扩张以及林地、草地和灌木丛的衰退导致生态服务价值呈现下降趋势。然而,目前许多研究只讨论了不同时期土地利用变化对生态服务价值的影响,而较少地将生态系统服务价值进行空间化、定量化。随着对生态系统服务被纳入土地利用政策的需求日益增加,进一步探讨生态系统服务与土地利用变化之间的深层关系变得尤为重要。

自1978年“南四湖鸟类自然保护区”成为山东省第一个自然保护区,到2003年成立南四湖省级自然保护区[13],南四湖自然保护区成为山东省重要的湿地生态保护区,也是南水北调东线工程重要的调蓄枢纽,承接北京、天津等中国北方多个城市的来水,具有较高的生态保护地位和经济价值。

改革开放以来,随着人口、经济发展以及城市规模的不断扩大,南四湖地区的土地利用发生了巨大变化。快速的城镇化和工业化带来巨大的经济利益,但同时也给环境和生态系统造成相当大的破坏。南四湖及其相关入湖河流系统的退化导致生态系统提供生态服务的能力逐年下降。因此,本研究探讨并分析了1975—2015年南四湖自然保护区土地利用及生态服务价值的时空变化,研究生态服务价值与土地利用变化之间的关系。研究结果能为土地利用管理部门的决策过程提供支持信息。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

南四湖自然保护区 (34°45′—35°34′N,116°56′— 117°36′E)主要位于山东省微山县内,包含以南四湖为主体的湖区以及周边水田、旱地等其他土地利用类型,总面积1141.21 km2。南四湖是由南阳湖、独山湖、昭阳湖和微山湖四个串联的湖泊组成,自北向南呈长条状分布,京杭大运河贯穿其中。南四湖既是我国北方地区最大的淡水湖,同时也是山东省最大的水产品基地。南四湖有53 条大大小小的入湖河流,多年平均入湖径流量为37.4 亿m3,平均水深1.46 m[14],平均水温介于14.9℃—16.0℃之间[15]。南四湖自然保护区位于暖温带大陆性季风气候带,雨热同期,四季分明。南四湖自然保护区累年平均气温在11.1℃—14.4 ℃之间,年均降雨量约700 mm[16],降水是南四湖及相关河流的主要水源补给。南四湖自然保护区地处鸟类南北迁徙的咽喉地带,是停歇觅食的良好生境,许多珍稀鸟类在此云集[17]。其中,大天鹅、灰鹤、鸳鸯等国家重点保护鸟类26 种,山东省重点保护鸟类35 种,列入《中国与日本保护候鸟及其栖息环境协定》中的227 种重点保护鸟类南四湖有109 种[15]。

图1 南四湖自然保护区地理位置示意图 Figure1 Geographical location of the Nansihu Lake Reserve

1.2 数据来源及处理

本研究所用数据包括土地利用数据、数字高程模型(DEM)以及山东省主要粮食作物价格等数据。土地利用数据包含8 期,其中1980、1990、1995、2000、2005、2010 和2015年的土地利用数据(30 m× 30 m)来源于中国科学院资源环境数据中心(http:// www.resdc.cn/)。1975年土地利用数据来源于遥感影像解译,以南四湖自然保护区Landsat MSS 影像(60 m×60 m)为基础,利用ENVI 4.7 进行人工交互式目视解译获得,解译结果的检验精度＞90%。根据刘纪远等[18]提出的中国土地利用/土地覆被遥感分类系统,将南四湖自然保护区土地利用类型划分为7 种类型,分别是水田、旱地、林地、草地、水体、建成区和未利用地。其中未利用地主要为沼泽地和裸岩石质地,还包括极少量的沙地、裸土地和盐碱地等。DEM 数据来自于美国马里兰大学全球土地覆被数据库(http://glcfapp.glcf.umd.edu/)。山东省主要粮食作物价格数据来自于山东省物价局。

1.3 土地利用变化分析

运用ArcGIS 空间分析功能,将1975—2015年的8 期土地利用数据进行地图代数叠加运算,建立土地利用转移矩阵,从而分析南四湖自然保护区的土地利用变化特征。林地、草地、水体、建成区、未利用地、水田和旱地的编码分别为1、2、3、4、5、6、7。具体公式如下[19]:

式中:N为研究期间由土地利用代码生成的新的图谱单元;A为前一个研究时段的土地利用图谱单元;B为后一个研究时段的土地利用图谱单元。

土地利用强度是反映人类干扰的重要指示因子,土地利用类型可以表明不同的人类活动和土地开发利用程度,影响并改变着区域的生态系统服务价值。本研究参考Hu 等[20]制定的土地利用强度并进行微调,将水田、旱地、林地、草地、水体、建成区和未利用地的土地利用强度分别赋值为0.525、0.545、0.114、0.215、0.120、0.936 和0.063。

1.4 生态系统服务价值评估

生态系统服务被划分为四种类型,分别是供给服务、调节服务、支持服务和文化服务[21],每一种类型又包含多种子服务(表1)。基于谢高地[22]提出的生态系统服务功能分类方法,进一步的将生态系统服务划分成11 种子服务,包括食物生产、原料生产、水资源供给、气体调节、气候调节、水文调节、净化环境、水土保持、维持养分循环、生物多样性和美学景观。

根据Costanza 等[3,21]和谢高地等[22]提出的生态系统服务价值计算方法,其生态系统服务价值计算公式如下:

式中:ESV为估计的生态系统服务价值(US$·a-1),ESVf为估计的生态系统服务功能价值(US$·a-1),Ak为第k类土地利用类型的分布面积(hm2),VCk为第k类土地利用类型的单位面积生态系统服务价值系数(US$/(hm2·a)),VCfk为第k类土地利用类型的单位面积生态系统服务功能价值系数(US$/(hm2·a))。

根据谢高地等[22]的研究,1 个标准生态系统服务的价值系数相当于1 hm2农田生态系统多年平均自然粮食产量的经济价值,是单位面积农作物产量市场价值的1/7[23]。为消除农作物价格对生态系统服务总价值的影响,采用山东省主要粮食作物小麦和玉米的播种面积、单产和与其相对应的2015年山东省各农作物平均价格为基准。计算出南四湖流域农田自然粮食产量的经济价值为331.40 US$·hm-2。其计算模型如下:

式中:Ea为南四湖流域单位面积农田生态系统提供 生产服务功能的经济价值(US$·hm-2);i为作物种类;n为粮食种类数;Pi为i种粮食作物山东省平均价(US$·kg-1);qi为i种粮食作物单产(kg·hm-2);mi为i种粮食作物面积(hm2);M为i种粮食作物总面积。

结合本研究实际,将本研究中的水田、旱地分别与谢高地等(2015)研究中的水田和旱地对应;林地与森林对应,取其[21]四种二级地类(针叶、针阔混交、阔叶、灌木)的平均值;草地与草地对应,而研究区内的草地以中覆盖度草地为主,所以取其3 种二级地类的均值;水体与水域对应,取其二级地类水系的价值系数;因城乡建设用地的生态效益较小,本文不予以考虑,其生态服务价值为0;研究区内的未利用地以沼泽地和裸岩石质地为主,取其[22]湿地值的1/2。基于以上分析,本研究确定了南四湖自然保护区不同土地利用类型的生态服务价值系数,如表1所示。

1.5 空间统计分析

土地利用面积和生态服务价值的空间分析借助ArcGIS 10.2 进行,生态系统服务价值与其影响因子之间的相关性分析借助SPSS 20.0 进行。对于所有的统计检验,p＜0.05 被选为显著性检验的临界值。1975—2015年土地利用和生态系统服务价值变化是在ArcMap 栅格计算器中用后一时期的值减去前一时期的值得到的。

表1 不同土地利用类型的生态服务价值系数 US$/(hm2·a-1) Table1 Ecosystem services value coefficient for different land use types US$/(hm2·a-1)

2 结果与分析

2.1 1975—2015年南四湖自然保护区土地利用变化分析

2.1.1 土地利用分布模式

南四湖自然保护区的土地利用类型主要是水体,2015年水体占南四湖自然保护区总面积的86.78%。其次是水田,占6.37%。其它5 种土地利用类型仅占南四湖自然保护区总面积的 6.84%,包括旱地(4.04%)、建成区(1.03%)、未利用地(0.96%)、草地(0.59%)和林地(0.22%)(表2)。 1975、1980、1990、1995、2000、2005、2010 和2015年土地利用类型的空间分布如图2所示。总体来看,1975—2015年水体以绝对优势占据了南四湖自然保护区的绝大部分,水田主要分布于微山湖北部,南四湖的西北边缘区域和狭窄湖腰处;未利用地主要分布于昭阳湖南段,林地和草地面积相对较少,主要分布于微山湖南端,建成区则沿湖区边缘成片分布。

2.1.2 土地利用类型时间变化分析

1975—2015年南四湖自然保护区的土地利用类型发生巨大变化。最明显的变化是仅未利用地面积减少,水田、草地等其他土地利用类型面积明显增加(表2)。1975—2015年未利用地面积减少88.90% (8807.68 hm2),2015年未利用地面积仅为1975年的 1/10(表2);水田面积增加176.36%(4626.45 hm2),其次是草地、旱地、建成区、林地和水体,分别增加148.63%(405.06 hm2)、56.30%(1660.67 hm2)、52.19% (401.54 hm2)、44.33%(76.76 hm2)和1.66%(1621.60 hm2)。水体面积在1975—1990年减少了49.59%,据詹道强[24]分析,1987—1990年南四湖地区经历了长达4年的干旱;在1990—1995年水体面积增加了116.83%,而后在1995—2015年间处于波动变化状态。虽然40年来水体面积呈增加趋势,但湖泊面积却是逐渐萎缩的,沿湖渔业养殖占据了相当大的水域面积[19]。因水稻种植业的迅速发展,40年间水田面积持续增长,2015年水田面积为7274.79 hm2,成为除水体之外的第二大优势土地利用类型。在1975—1980年间林地面积有明显的增加,虽然1978年改革开放以来,城乡建设进程加快,森林作为一种基础建设资源,对木材的需求量逐渐增加,但林地面积并没有大量减少,反而在此后的35年间面积变化不大,稍有增长,这与南四湖自然保护区相继成为市级、省级自然保护区是密不可分的。40年间草地面积呈现出较大波动。1975—1990年草地面积明显增长,在1995年急剧下降,而后在2000年又明显增加,最后在2000—2015年再次急剧下降。建成区面积在1975—1980年明显下降,在1980—2005 间增加缓慢;此后由于城市化进程的加快,建成区面积在2005—2015年呈明显上升趋势。

图2 南四湖自然保护区的土地利用/覆被模式 Figure2 Land use/land cover patterns of the Nansihu Lake Reserve

表2 1975—2015年南四湖自然保护区的土地利用面积 hm2 Table2 Land-use areas in the Nansihu Lake Reserve from 1975-2015 hm2

将南四湖自然保护区40年间的土地利用变化划分成1975—1990、1990—2000、2000—2015 3 个阶段进行分析,具体表现为天然地类——未利用地的减少,水田、旱地等人类活动强度大的土地面积的增加(表3)。1975—1990年未利用地面积增加了424.06%,主要由南阳湖西南部、独山湖和微山湖西部以及昭阳湖北段的水体转化而来,约占南四湖总面积的51.40%。有4827.60 hm2的水体转化成旱地,集中分布于南阳湖北部边缘、独山湖东、北部边缘以及微山湖的西北部。然而在1990—2000年99.51%的未利用地都转化成了水体,其他土地利用类型面积变化不明显。2000—2015年有4357.26 hm2的水 体转化水田,集中分布于最窄湖腰处的昭阳湖二级闸南侧;即使有2802.33 hm2的旱地和1134.00 hm2的草地转为水体,但水体面积总体仍呈减少趋势。由干旱等原因,水体面积在1990年达到最小值;水体面积最大值是在1995年,占保护区总面积的93.30%。(表3)。

2.2 1975—2015年南四湖自然保护区生态服务价值变化分析

2.2.1 生态服务价值时间变化分析

自1975 以来南四湖自然保护区的生态服务总价值随土地利用变化而呈现下降趋势(图3a)。生态服务总价值在1990年达到2.36×109US$的最小值,在1995年达到4.15×109US$的最大值。1995年之后生态服务价值轻微下降。从总体上看,1975—2015年生态服务总价值增加0.03% (1.13×106US$)。

表3 1975—2015年南四湖自然保护区土地利用/覆被变化 hm2 Table3 Land-use/land-cover changes in the Nansihu Lake Reserve from during 1975-2015 hm2

40年间调节服务功能价值变化明显,且在1990年急剧下降,然而总体的变化趋势在1995—2015年是比较稳定的(图3b)。此外,调节服务功能价值远远高于其他三种生态服务功能价值。支持服务功能价值的变化也同样明显,在1990 陡然上升,在1990—2015年呈现出持续下降的总体变化趋势。支持服务功能价值最小值出现在2015年,与1975年相比下降了8.50%(1.14×107US$)。文化服务功能价值在40年间下降了8.13%(5.61×106US$),且在2015年达到最小值,为6.34×107US$。供给服务功能价值小于以上三种生态服务价值,40年间下降了6.04% 2.15×106US$)。

图4展示了南四湖自然保护区生态服务价值类型的变化。水文调节服务功能价值是所有类型中生态服务功能价值最高的。在1975—1990年间,大多数类型的生态服务价值增加,除了食物生产、气候调节、净化环境和水文调节,尤其是水文调节服务价值,明显下降43.84%(图4a)。然而在1990—2000年间,大多数类型的生态服务价值都是下降的,除了食物生产、气候调节、净化环境和水文调节(图4b)。在2000—2015年间,大多数类型的生态服务价值也都是下降的,除了食物生产、气体调节和维持养分循环(图4c)。

2.2.2 生态服务价值空间变化分析

南四湖自然保护区生态服务价值的空间分布模式如图5所示。不同图例色彩是7 种土地利用类型基于像元的生态服务价值表示,由该种土地利用类型的生态服务总价值除以对应土地利用类型总面积再乘以单个像元面积得到。建设用地、水田、旱地、草地、林地、未利用地和水体基于像元的生态服务价值分别为0 US$、116.02 US$、119.60 US$、360.20 US$、605.47 US$、739.83 US$和3499.19 US$。南四湖自然保护区的生态服务价值总体水平较高,尤其以水体覆盖的湖区生态服务价值为最高,生态服务价值最低处是位于保护区内的建成区。

南四湖自然保护区生态系统服务价值的空间变化如图6所示。1975—1990年南四湖自然保护区的生态系统服务价值呈减少趋势,尤其在水体大量转出的湖区北部、西南边缘以及微山湖北部地区生态服务价值大量减少(图6a)。由于南四湖水位的恢复以及未利用地向水体的转化,1990—2000年南四湖自然保护区的生态系统服务价值总体呈增加趋势(图6b)。2000—2015年南四湖自然保护区生态系统服务价值基本稳定,生态系统服务价值增加与减少幅度相当。(图6c)。其中位于湖腰处的昭阳湖南侧、南阳湖以及独山湖的东北部边缘生态系统服务价值是减少的。生态系统服务价值增加区主要集中于微山湖的南北两端及西部区域,南阳湖的东部和独山湖的东北部边缘也有零星分布。

图3 生态服务价值动态变化 Figure3 Dynamic changes in ecosystem services values

图4 1975—1990、1990—2000、2000—2015年南四湖自然保护区不同类型生态服务价值变化 Figure4 Changes in ecosystem services values of different types in Nansihu Lake Reserve during 1975-1990,1990-2000 and 2000-2015

图5 1975—2015年南四湖自然保护区生态服务价值空间分布模式 Figure5 Spatial distribution patterns of ecosystem services values in Nansihu Lake Reserve during 1975-2015

2.3 土地利用变化对生态系统服务价值的影响

土地利用变化是影响生态系统服务价值变化的主要因子,土地利用的变化必然导致生态系统服务价值的改变。土地利用和生态系统服务价值的相关性如表4所示。相关性结果显示土地利用变化对生态系统服务有显著影响。例如,在1975—2015年供给服务价值和调节服务价值都与水体面积是显著正相关,且与未利用地面积是负相关。然而支持服务价值和文化服务价值都与水体面积呈显著负相关,与未利用地面积呈显著正相关。此外,土地利用强度与支持服务价值、文化服务价值都呈负相关关系。水田、旱地、林地和草地与各种生态服务价值无显著相关性,主要是因为它们较小的生态服务价值以及对南四湖自然保护区生态系统服务总价值的贡献也较小。就生态系统服务总价值而言,其与水体面积呈现显著正相关,而与未利用地呈现显著负相关(表4)。

3 结论与讨论

(1)土地利用变化与政府制定的土地利用政策、社会经济发展密切相关。40年间南四湖自然保护区的土 地利用发生了巨大变化,且土地利用政策是其主导因子。1975—2015年南四湖自然保护区内未利用地转变成水田、水体、旱地、林、草地和建成区是主要变化趋势。南四湖自然保护区的大量未利用地被开垦成水田、旱地等其他人类活动较大的土地利用类型,严重破坏了珍稀野生动植物的生境,而生境的破坏又会进一步加剧珍稀物种的灭绝。1960—1978年间,为了扩大耕地,人们广泛砍伐流域的森林,经济发展缓慢,甚至停止,导致1975年草地和林地面积最小,耕地面积较大。1978改革开放后,经济恢复,生态环境恢复。1975—1980年,南四湖自然保护区的建设用地和植被(包括林地和草地)的面积分别增加了44.96%、56.43%和202.14%(表2)。然而1980—2015年期间,由于城市扩张,林地面积从1980年开始减少,至2015年,林地减少了7.73% (20.95 hm2)。草地面积从1990年开始减少,至2015年,草地面积减少了64.05%(1206.96 hm2)。自1990年大干旱之后,南四湖自然保护区水位恢复,水体面积在1995年达到最大值(表2)。

(2)土地利用变化显著影响了特定类型的生态服务价值以及生态服务总价值。未利用土地被开发以

图6 1975—1990、1990—2000、2000—2015年南四湖自然保护区生态服务价值空间变化 Figure6 Spatial changes in ecosystem services values in Nansihu Lake Reserve during 1975-1990,1990-2000 and 2000-2015

表4 1975—2015年土地利用变化和生态系统服务价值的相关关系 Table4 Relationships between land use change and ecosystem service values during 1975-2015

及水田和旱地面积的增加是生态系统服务变化的主要驱动力。南四湖自然保护区的土地利用变化对特定的生态服务和生态服务总价值的影响是显著的。参考谢高地等[22]制定的不同土地利用类型的生态系统服务价值系数并进行调整,我们确定1975—2015年南四湖自然保护区的生态服务价值增加了0.03% (1.13×106US$)。40年间生态服务价值变化的主要原因是南四湖自然保护区内水体面积大,且水体面积发生巨大变化,生态服务价值减少的另一个原因是未利用地的转出(图5)。此外,未利用地与支持服务和文化服务呈正相关,土地利用强度与支持服务和文化服务是显著负相关(表4)。土地利用强度与支持服务和文化服务的负相关关系表明人类活动对生态系统服务产生不利影响。

虽然40年来水体面积呈增加趋势,但沿湖渔业养殖的大肆发展和水稻田面积的扩增占据了相当大的水域面积,从而导致湖泊面积的萎缩。此外,由于人类活动使得对保护区的干扰强度增加以及建成区的扩张占据更多的土地,必然会导致自然生境逐年减少,从而对南四湖自然保护区野生动植物的栖息、繁衍造成不利影响。因此,合理利用并规划土地利用对于提高南四湖自然保护区的生态服务价值具有重要意义。