海口湿地生态系统服务价值时空演变及其对景观格局变化的响应

陈圣天,付 晖,付 广,陈 杰

(海南大学 林学院,海南 海口 570228)

生态系统服务是生态系统为维持地球生命系统所提供创造的一切物质原料与环境条件,生态系统服务价值(ecosystem services value,ESV)是判定生态系统安全、实现可持续发展的核心指标[1]。1997年,Costanza等[2]首次提出生态系统服务经济价值参数评价模型,国内学者谢高地等[3]在Costanza模型的基础上,建立了中国不同陆地生态系统服务价值评估体系,得到广泛运用[4]。近年来,生态系统服务价值评估模型趋于多元化,不少学者致力于探究生态系统服务价值时空分布特征[5-6]及驱动机制[7-8];或与生态风险[9]、生态系统健康[10-11]等评估方法相结合,研究划分区域生态风险级别。尺度上,省市、城市群等大尺度的ESV研究较为常见[12-13],较少考虑单一生态系统服务价值。

湿地生态系统是介于陆地与水生生态系统之间,在蓄洪防旱、维护区域生态安全等方面发挥重要生态价值与功能的独特生态系统[14],定量评估湿地ESV,对湿地环境资源可持续发展具有重要意义。景观格局能够定量描述景观空间结构特质,其演变对物质能量流动、生物多样性等方面都将造成影响,ESV亦随之变化[15]。故此,为探究景观格局与ESV之间的关系,有学者通过空间回归模型[7]、地理加权回归模型[16]等空间方法以及冗余分析[17]、回归分析[18]等数理方法论证了ESV与景观格局演变紧密相关。本研究基于3期海口湿地数据,以谢高地等[3]提出的ESV评估体系为基础,探究2010-2020年海口湿地景观格局与生态系统服务价值时空演变规律,运用Pearson相关性分析定量揭示二者关联度,为优化海口湿地景观格局,促进湿地ESV有效增长提供借鉴与指导。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

海口市(19°31′32″-20°5′28″N,110°7′59″-110°42′16″E)地处海南岛北部,东邻文昌市,西接澄迈县,南毗定安县,北濒琼州海峡(图1)。全市地势平缓,市域制高点为石山镇马鞍岭,地貌以滨海平原为主,西侧羊山地区为火山熔岩地貌。属热带海洋性季风气候,全年雨量充沛,年均降水量为1 696.6 mm,年均气温24.4 ℃。截至2020年,海口市常住人口为287.34万人,全市地区生产总值1 791.58亿元,产业结构比为4.5∶15.0∶80.5[19]。

1.2 数据来源及预处理

本研究选用中国科学院资源环境科学与数据中心(https://www.resdc.cn/)2010、2015年和2020年30 m空间分辨率的全国土地利用类型遥感监测空间分布数据,结合湿地分类标准(GB/T 24708-2009)及海口自然环境,将海口湿地划分为水田、湖泊、河流、水库、坑塘及养殖、红树林以及潮下水生层7大类。DEM数据来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn/),空间分辨率为30 m。其他基础数据来自于海南省、海口市统计年鉴及全国农产品成本收益资料汇编。

2 研究方法

2.1 景观格局指数

景观格局指数通过定量分析景观组成结构、空间分布情况,探究海口湿地景观特征[20-21]。本研究从类型和景观水平分别选取4个特征指数,运用Fragstats4.2计算。类型水平选取斑块密度(PD)、边缘密度(ED)、平均斑块面积(AREA_MN)、聚合度指数(AI);景观水平为景观形状指数(LSI)、蔓延度指数(CONTAG)、连通性指数(CONNECT)、香农多样性指数(SHDI)。

2.2 湿地生态系统服务价值估算

参考谢高地等[22]制定改进后的中国陆地生态系统单位面积服务价值当量表,视农田当量价值为1,以海口农田生态系统单位经济价值为区域单位当量服务价值的7倍来修订海口湿地生态系统价值当量。据统计数据分析得知,海口市粮食作物主要为早籼稻与晚籼稻,两者的播种面积与总产量占比超80%,运用式(1)计算10 a间海口市农田自然粮食产量的平均经济价值1 512.16元/hm2。水田湿地参照水田生态系统当量因子,湖泊、河流、水库、坑塘及养殖、潮下水生层参照水域生态系统,红树林参照湿地生态系统,得到湿地单位面积生态系统服务价值,根据式(2)综合计算海口湿地生态系统服务价值(表2)[23-24]。

表1 海口湿地景观面积占比及动态度Table 1 Percentage of wetland landscape area and dynamics in Haikou

表2 2010-2020年海口湿地生态系统服务类型价值变化Table 2 Changes in the value of each ecosystem service types in Haikou wetlands,2010-2020

(1)

式中:Ea为单位生态系统服务的经济价值(元/hm2·a);i为粮食作物种类;mi为第i种粮食作物在研究区内的平均价格(元/kg);pi为第i中粮食作物单位面积产量(kg/hm);qi为第i种粮食作物的种植面积(hm2);M为粮食作物的总种植面积(hm2)。

ESV=∑Aj×VCj

(2)

式中:ESV为生态系统服务价值;Aj为第j类湿地类型面积;VCj为第j类湿地生态系统服务价值系数。

2.3 相关性分析

相关性分析通过定量指标描述不同变量以评估各指标的相关程度及方向。本研究以湿地类型水平景观格局指数及不同类型湿地ESV为数据源,运用SPSS25.0进行Pearson相关性检验[25-26]。宏观上采用偏相关分析,以湿地景观水平指数及4类生态系统服务价值量为数据源,探究二者的响应机制[24],并利用origin2021软件进行可视化处理。Pearson相关系数表达式如下

(3)

式中:rxy为Pearson相关系数;n为样本量;Xi、Yi分别为变量观测值。

3 结果与分析

3.1 湿地景观格局变化特征

3.1.1 湿地景观结构变化 海口市湿地总量约430 km2,以水田湿地为主,占比超60%,其次为坑塘及养殖湿地占比约10%。10 a间海口湿地面积整体呈下降趋势,其中坑塘及养殖湿地降幅明显,具体表现为新海港养殖湿地及周边零星坑塘湿地的消失;水田向其他景观共转化25.15 km2,主要发生在主城区西南侧城乡交界地带,如灵山镇建设用地增长导致水田湿地锐减;河流湿地动态度持续正向发展;潮下水生层与红树林湿地因其相互转化关系,面积此消彼长。

3.1.2 湿地景观格局指数变化 类型尺度上,湿地斑块密度与边缘密度总体偏低,平均斑块面积逐年下降,表明海口湿地整体呈破碎化发展。河流湿地呈带状分布,聚集度与连通性良好,平均斑块面积最大。红树林湿地的保护力度不断加强,景观趋于集中连片分布,平均斑块面积与聚集度较高,景观异质性较小。潮下水生层由其海域特性,分布较集中,景观聚集度最高。坑塘及养殖湿地平均斑块面积较小且逐年降低,景观破碎化发展。

景观尺度上,海口湿地总体趋于非均质分布。湿地景观形状指数变化幅度较小,10 a间先减小后增大,斑块形状复杂变化;蔓延度指数逐年增长,表明湿地景观延展程度增强;连通性指数与香农多样性持续减小,表明湿地间连通性减弱,湿地多样性降低,空间分布趋于分散(图2)。

图2 2010、2015、2020年海口市湿地景观格局指数变化Fig.2 Changes of wetland landscape pattern index in Haikou City in 2010,2015 and 2020

3.2 生态系统服务价值时空变化分析

3.2.1 ESV时序变化分析 由表2可知,10 a间海口湿地ESV呈逐年下降趋势,价值总量由31.84亿持续降至30.43亿,损失率为4.43%。其中,水文调节ESV最高,占比约为80%,最高为25.31亿元,从价值方面定量论证了湿地生态系统在水环境调节供给平衡方面发挥巨大作用。其次为净化环境ESV;生物多样性ESV先降低后增长;原料生产及维持养分循环ESV最低,需着重加强生态系统供给和支持服务功能。受面积变化影响,2010-2015年海口湿地ESV变化幅度较后5 a更剧烈;因2015-2020年红树林湿地面积增幅明显,湿地生态系统原料生产、土壤保持、生物多样性及美学景观服务价值由负转正。

从湿地类型上看,河流、水库、坑塘与养殖、潮下水生层等以水系为主的湿地供给与调节服务当量因子较高,且面积占总量的1/3,此类湿地ESV贡献度位居前列。因面积锐减造成坑塘及养殖湿地ESV逐年减少;河流湿地ESV稳步增长;水库及潮下水生层ESV表现为先增长后降低。水田湿地分布广泛,面积占比超60%,但因种植灌溉需要,其水资源供给价值为负值,在土壤保持等支持服务方面价值量较低,ESV占比仅为5%。红树林湿地为海生动物及众多红树植物提供高质量栖息地,在生物多样性等支持服务中具有较高贡献度,ESV先降低后增长。

3.2.2 ESV空间格局演变分析 为进一步探究ESV空间格局演变情况,经反复试验后采用ArcGIS渔网工具创建500 m×500 m方格网,逐一计算海口市共计9 455个网格的湿地ESV,并采用几何间隔法划分为5个等级(图3)。

图3 2010-2020年海口湿地ESV空间分布Fig.3 Spatial distribution of wetland ESV in Haikou from 2010 to 2020

整体而言,海口湿地ESV较高区域主要为南渡江以东、三门坡镇以北的地区,与海口地势空间分布特征相吻合。西侧石山镇、永兴镇及南侧大坡镇、三门坡镇等地区海拔较高,地类主要为林地、灌木林,湿地分布较少;北侧沿海岸带、南渡江流域以及东侧东寨港地区地势较低,有利于水系汇集,湿地集中分布,ESV较高。

2010-2015年湿地ESV变化幅度较小,低值区稍有扩张。城市扩张建设不断侵占城郊坑塘及养殖湿地,导致主城区南侧及新海港周边湿地面积持续减少,ESV等级由Ⅴ级、Ⅳ级向Ⅰ级、Ⅱ级转变;在南部东山镇,因乡镇建设用地发展,导致周边水田湿地面积减少,ESV下降,Ⅳ级区域缩减。与前5 a相较,2015-2020年湿地空间连通性进一步降低,Ⅲ级区域面积由增长转为减少,Ⅰ、Ⅱ级持续增长;主城区及美兰机场周边湿地持续减少,Ⅴ级逐步消退。从全局角度分析,海口湿地ESV整体呈西北部衰退,东部增长,重心持续向东南方向偏移。

3.3 生态系统服务价值对景观格局演变的响应

由表3可知,10 a间湿地斑块密度变化较小,仅与水田湿地ESV呈负相关(r=-0.955)。边缘密度与水田及湖泊湿地ESV相关性较低,与坑塘及养殖湿地响应最强烈(r=0.997,P<0.05),故此调整斑块边缘密度以提升湿地ESV的策略对坑塘及养殖湿地最为适用。南渡江等带状河流湿地具有较高的延展性,ESV与平均斑块面积、聚合度指数的相关性系数均为负数,表明形状复杂的河流湿地斑块面积愈大,分布愈分散,ESV愈低。水田、水库等人工湿地ESV与平均斑块面积、聚合度指数呈正相关,说明平均斑块面积愈大,景观聚集发展,湿地ESV愈高。因红树林及潮下水生层的生存环境特性,景观大多呈块状聚集分布,平均斑块面积、聚合度指数与ESV呈负相关。湖泊湿地ESV对平均斑块密度的正响应最强烈,与聚合度指数呈负相关性。

表3 湿地ESV与类型水平景观格局指数的相关性分析Table 3 The correlation between wetland ecosystem service values and the type-level landscape pattern indices

由图4可知,供给与调节服务对景观格局变化响应显著。蔓延度、形状指数、多样性对湿地ESV均有显著影响,其中景观形状、多样性指数与湿地服务价值呈正相关,蔓延度指数为负相关,说明湿地形状团聚分布,高程度多样性与聚集度,有利于提高湿地生态系统服务价值。连通性与湿地服务价值均呈负相关性,可从改变湿地景观边界形状,调整景观连通性等小幅度优化方面,提高生态系统服务价值,以避免过度调整对湿地景观造成不可覆灭的损伤。

图4 生态系统服务与景观水平景观格局指数的偏相关分析Fig.4 Skewed correlation analysis of ecosystem services and landscape level landscape pattern indices

4 结论与讨论

4.1 结论

海口湿地以水田、水库、坑塘及养殖等人工湿地为主,面积占比约为80%,自然湿地为湖泊、河流、红树林、潮下水生层湿地。10 a间湿地总面积逐年缩减,由455.51 km2持续减少至434.50 km2,人工湿地呈破碎化发展,损失量为25.58 km2;自然湿地面积先缓速减少后增长,增长量为4.57 km2。“十三五”期间海口湿地保护政策加强,湿地损失率有所减缓,其中红树林湿地面积见长,增长量为3.24 km2。海口湿地景观格局整体呈现破碎化,多样性减弱,非均质分布。

湿地ESV与面积变化趋势一致,呈逐年下降趋势,10 a间损失率为4.43%。空间上,东部地区ESV高于西部,呈西北部衰退,东部增长态势,ESV重心持续向东南方向偏移。湿地生态系统在水文调节、净化环境等调节服务方面功效显著,二者ESV之和约为26亿元;在土壤保持、维持养分循环等支持方面价值较低。河流、水库等以水系为主的湿地类型ESV贡献度较高,占比约为90%;其次为水田、红树林;湖泊湿地面积最小,ESV最低。

湿地ESV对景观格局变化响应剧烈,类型水平上,降低斑块密度有助于提高水田湿地ESV;增加边缘密度以提高ESV的方法对坑塘及养殖湿地最为适用(r=0.997,P<0.05);人工湿地平均斑块面积愈大,破碎度愈低,ESV愈高。景观水平上,湿地ESV对景观形状、多样性及蔓延度等指数的变化具有一定的敏感性,与形状指数、香农多样性呈显著正相关,与蔓延度、连通性指数为负相关,改善湿地景观形状、促使团聚分布,有利于提高湿地生态系统服务价值。

4.2 讨论

众多学者围绕海口市湿地做了大量研究:湿地面积逐年减少,主要分布于南渡江以东的地区;社会经济因素是造成湿地变化的主要原因;湿地景观破碎度持续增大;水文调节和水资源供给等服务为海口湿地核心功能等特征均已得到论证[27]。在景观格局与ESV相关性方面,朱颖等[21]、顾泽贤等[28]学者皆已论证ESV与景观格局演变紧密相关;与文疆回等[16]研究结果“高价值景观类型,多样性的提升和破碎化指数的降低有利于ESV增长”相似,本研究与前人研究结论基本一致。

在海南自贸港建设进程中,海口市不可避免地面临湿地面积衰退、生境破碎等困境,探究湿地生态系统对景观格局的响应机制,保障湿地生态安全迫在眉睫,需因地制宜制定可持续发展策略,优化湿地景观格局,实现提质增效。

在生态保护红线政策引导下,大型库塘和河流得到有效保护,因此,未来海口湿地生态安全防护应重点关注小微湿地,加强对主城区人工型小微湿地的管理调控,提高文化休闲服务价值。为避免小微湿地无序丧失,应持续对红旗镇等东部乡村地区的众多池塘、坑地等自然型小微湿地开展生态修复工作,以科普宣教等形式,提升村民对小微湿地的认识。在国土空间规划背景下,保护乡村水田湿地不仅促进农业生产可持续发展,在有效提升区域湿地ESV方面亦有重大贡献,尤其在新坡镇、东山镇等南部平原地区,通过增加湿地平均斑块面积与聚集度,促使斑块集中分布,可重点提升湿地支持与供给服务价值。湿地为植物、鸟类等大量生物提供了充足的食物来源,承担了生物庇护所功能,在西部羊山地区应注重提高湿地景观多样性,避免单一优势景观,提升湿地生物多样性服务价值。