陳圣天,付 暉,付 廣,陳 杰

(海南大學(xué) 林學(xué)院,海南 ?？?570228)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是生態(tài)系統(tǒng)為維持地球生命系統(tǒng)所提供創(chuàng)造的一切物質(zhì)原料與環(huán)境條件,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(ecosystem services value,ESV)是判定生態(tài)系統(tǒng)安全、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的核心指標(biāo)[1]。1997年,Costanza等[2]首次提出生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值參數(shù)評(píng)價(jià)模型,國內(nèi)學(xué)者謝高地等[3]在Costanza模型的基礎(chǔ)上,建立了中國不同陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估體系,得到廣泛運(yùn)用[4]。近年來,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估模型趨于多元化,不少學(xué)者致力于探究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空分布特征[5-6]及驅(qū)動(dòng)機(jī)制[7-8];或與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[9]、生態(tài)系統(tǒng)健康[10-11]等評(píng)估方法相結(jié)合,研究劃分區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別。尺度上,省市、城市群等大尺度的ESV研究較為常見[12-13],較少考慮單一生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。

濕地生態(tài)系統(tǒng)是介于陸地與水生生態(tài)系統(tǒng)之間,在蓄洪防旱、維護(hù)區(qū)域生態(tài)安全等方面發(fā)揮重要生態(tài)價(jià)值與功能的獨(dú)特生態(tài)系統(tǒng)[14],定量評(píng)估濕地ESV,對(duì)濕地環(huán)境資源可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。景觀格局能夠定量描述景觀空間結(jié)構(gòu)特質(zhì),其演變對(duì)物質(zhì)能量流動(dòng)、生物多樣性等方面都將造成影響,ESV亦隨之變化[15]。故此,為探究景觀格局與ESV之間的關(guān)系,有學(xué)者通過空間回歸模型[7]、地理加權(quán)回歸模型[16]等空間方法以及冗余分析[17]、回歸分析[18]等數(shù)理方法論證了ESV與景觀格局演變緊密相關(guān)。本研究基于3期?？跐竦?cái)?shù)據(jù),以謝高地等[3]提出的ESV評(píng)估體系為基礎(chǔ),探究2010-2020年?？跐竦鼐坝^格局與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空演變規(guī)律,運(yùn)用Pearson相關(guān)性分析定量揭示二者關(guān)聯(lián)度,為優(yōu)化?？跐竦鼐坝^格局,促進(jìn)濕地ESV有效增長(zhǎng)提供借鑒與指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

?？谑?19°31′32″-20°5′28″N,110°7′59″-110°42′16″E)地處海南島北部,東鄰文昌市,西接澄邁縣,南毗定安縣,北瀕瓊州海峽(圖1)。全市地勢(shì)平緩,市域制高點(diǎn)為石山鎮(zhèn)馬鞍嶺,地貌以濱海平原為主,西側(cè)羊山地區(qū)為火山熔巖地貌。屬熱帶海洋性季風(fēng)氣候,全年雨量充沛,年均降水量為1 696.6 mm,年均氣溫24.4 ℃。截至2020年,?？谑谐Ｗ∪丝跒?87.34萬人,全市地區(qū)生產(chǎn)總值1 791.58億元,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比為4.5∶15.0∶80.5[19]。

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本研究選用中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(https://www.resdc.cn/)2010、2015年和2020年30 m空間分辨率的全國土地利用類型遙感監(jiān)測(cè)空間分布數(shù)據(jù),結(jié)合濕地分類標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 24708-2009)及?？谧匀画h(huán)境,將海口濕地劃分為水田、湖泊、河流、水庫、坑塘及養(yǎng)殖、紅樹林以及潮下水生層7大類。DEM數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.gscloud.cn/),空間分辨率為30 m。其他基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來自于海南省、?？谑薪y(tǒng)計(jì)年鑒及全國農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編。

2 研究方法

2.1 景觀格局指數(shù)

景觀格局指數(shù)通過定量分析景觀組成結(jié)構(gòu)、空間分布情況,探究?？跐竦鼐坝^特征[20-21]。本研究從類型和景觀水平分別選取4個(gè)特征指數(shù),運(yùn)用Fragstats4.2計(jì)算。類型水平選取斑塊密度(PD)、邊緣密度(ED)、平均斑塊面積(AREA_MN)、聚合度指數(shù)(AI);景觀水平為景觀形狀指數(shù)(LSI)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)、連通性指數(shù)(CONNECT)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)。

2.2 濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值估算

參考謝高地等[22]制定改進(jìn)后的中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積服務(wù)價(jià)值當(dāng)量表,視農(nóng)田當(dāng)量?jī)r(jià)值為1,以?？谵r(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)單位經(jīng)濟(jì)價(jià)值為區(qū)域單位當(dāng)量服務(wù)價(jià)值的7倍來修訂海口濕地生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值當(dāng)量。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析得知,?？谑屑Z食作物主要為早秈稻與晚秈稻,兩者的播種面積與總產(chǎn)量占比超80%,運(yùn)用式(1)計(jì)算10 a間海口市農(nóng)田自然糧食產(chǎn)量的平均經(jīng)濟(jì)價(jià)值1 512.16元/hm2。水田濕地參照水田生態(tài)系統(tǒng)當(dāng)量因子,湖泊、河流、水庫、坑塘及養(yǎng)殖、潮下水生層參照水域生態(tài)系統(tǒng),紅樹林參照濕地生態(tài)系統(tǒng),得到濕地單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,根據(jù)式(2)綜合計(jì)算?？跐竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(表2)[23-24]。

表1 海口濕地景觀面積占比及動(dòng)態(tài)度Table 1 Percentage of wetland landscape area and dynamics in Haikou

表2 2010-2020年?？跐竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型價(jià)值變化Table 2 Changes in the value of each ecosystem service types in Haikou wetlands,2010-2020

(1)

式中:Ea為單位生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值(元/hm2·a);i為糧食作物種類;mi為第i種糧食作物在研究區(qū)內(nèi)的平均價(jià)格(元/kg);pi為第i中糧食作物單位面積產(chǎn)量(kg/hm);qi為第i種糧食作物的種植面積(hm2);M為糧食作物的總種植面積(hm2)。

ESV=∑Aj×VCj

(2)

式中:ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值;Aj為第j類濕地類型面積;VCj為第j類濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)。

2.3 相關(guān)性分析

相關(guān)性分析通過定量指標(biāo)描述不同變量以評(píng)估各指標(biāo)的相關(guān)程度及方向。本研究以濕地類型水平景觀格局指數(shù)及不同類型濕地ESV為數(shù)據(jù)源,運(yùn)用SPSS25.0進(jìn)行Pearson相關(guān)性檢驗(yàn)[25-26]。宏觀上采用偏相關(guān)分析,以濕地景觀水平指數(shù)及4類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量為數(shù)據(jù)源,探究二者的響應(yīng)機(jī)制[24],并利用origin2021軟件進(jìn)行可視化處理。Pearson相關(guān)系數(shù)表達(dá)式如下

(3)

式中:rxy為Pearson相關(guān)系數(shù);n為樣本量;Xi、Yi分別為變量觀測(cè)值。

3 結(jié)果與分析

3.1 濕地景觀格局變化特征

3.1.1 濕地景觀結(jié)構(gòu)變化 ?？谑袧竦乜偭考s430 km2,以水田濕地為主,占比超60%,其次為坑塘及養(yǎng)殖濕地占比約10%。10 a間?？跐竦孛娣e整體呈下降趨勢(shì),其中坑塘及養(yǎng)殖濕地降幅明顯,具體表現(xiàn)為新海港養(yǎng)殖濕地及周邊零星坑塘濕地的消失;水田向其他景觀共轉(zhuǎn)化25.15 km2,主要發(fā)生在主城區(qū)西南側(cè)城鄉(xiāng)交界地帶,如靈山鎮(zhèn)建設(shè)用地增長(zhǎng)導(dǎo)致水田濕地銳減;河流濕地動(dòng)態(tài)度持續(xù)正向發(fā)展;潮下水生層與紅樹林濕地因其相互轉(zhuǎn)化關(guān)系,面積此消彼長(zhǎng)。

3.1.2 濕地景觀格局指數(shù)變化 類型尺度上,濕地斑塊密度與邊緣密度總體偏低,平均斑塊面積逐年下降,表明?？跐竦卣w呈破碎化發(fā)展。河流濕地呈帶狀分布,聚集度與連通性良好,平均斑塊面積最大。紅樹林濕地的保護(hù)力度不斷加強(qiáng),景觀趨于集中連片分布,平均斑塊面積與聚集度較高,景觀異質(zhì)性較小。潮下水生層由其海域特性,分布較集中,景觀聚集度最高?？犹良梆B(yǎng)殖濕地平均斑塊面積較小且逐年降低,景觀破碎化發(fā)展。

景觀尺度上,?？跐竦乜傮w趨于非均質(zhì)分布。濕地景觀形狀指數(shù)變化幅度較小,10 a間先減小后增大,斑塊形狀復(fù)雜變化;蔓延度指數(shù)逐年增長(zhǎng),表明濕地景觀延展程度增強(qiáng);連通性指數(shù)與香農(nóng)多樣性持續(xù)減小,表明濕地間連通性減弱,濕地多樣性降低,空間分布趨于分散(圖2)。

圖2 2010、2015、2020年?？谑袧竦鼐坝^格局指數(shù)變化Fig.2 Changes of wetland landscape pattern index in Haikou City in 2010,2015 and 2020

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空變化分析

3.2.1 ESV時(shí)序變化分析 由表2可知,10 a間海口濕地ESV呈逐年下降趨勢(shì),價(jià)值總量由31.84億持續(xù)降至30.43億,損失率為4.43%。其中,水文調(diào)節(jié)ESV最高,占比約為80%,最高為25.31億元,從價(jià)值方面定量論證了濕地生態(tài)系統(tǒng)在水環(huán)境調(diào)節(jié)供給平衡方面發(fā)揮巨大作用。其次為凈化環(huán)境ESV;生物多樣性ESV先降低后增長(zhǎng);原料生產(chǎn)及維持養(yǎng)分循環(huán)ESV最低,需著重加強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)供給和支持服務(wù)功能。受面積變化影響,2010-2015年?？跐竦谽SV變化幅度較后5 a更劇烈;因2015-2020年紅樹林濕地面積增幅明顯,濕地生態(tài)系統(tǒng)原料生產(chǎn)、土壤保持、生物多樣性及美學(xué)景觀服務(wù)價(jià)值由負(fù)轉(zhuǎn)正。

從濕地類型上看,河流、水庫、坑塘與養(yǎng)殖、潮下水生層等以水系為主的濕地供給與調(diào)節(jié)服務(wù)當(dāng)量因子較高,且面積占總量的1/3,此類濕地ESV貢獻(xiàn)度位居前列。因面積銳減造成坑塘及養(yǎng)殖濕地ESV逐年減少;河流濕地ESV穩(wěn)步增長(zhǎng);水庫及潮下水生層ESV表現(xiàn)為先增長(zhǎng)后降低。水田濕地分布廣泛,面積占比超60%,但因種植灌溉需要,其水資源供給價(jià)值為負(fù)值,在土壤保持等支持服務(wù)方面價(jià)值量較低,ESV占比僅為5%。紅樹林濕地為海生動(dòng)物及眾多紅樹植物提供高質(zhì)量棲息地,在生物多樣性等支持服務(wù)中具有較高貢獻(xiàn)度,ESV先降低后增長(zhǎng)。

3.2.2 ESV空間格局演變分析 為進(jìn)一步探究ESV空間格局演變情況,經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)后采用ArcGIS漁網(wǎng)工具創(chuàng)建500 m×500 m方格網(wǎng),逐一計(jì)算?？谑泄灿?jì)9 455個(gè)網(wǎng)格的濕地ESV,并采用幾何間隔法劃分為5個(gè)等級(jí)(圖3)。

圖3 2010-2020年海口濕地ESV空間分布Fig.3 Spatial distribution of wetland ESV in Haikou from 2010 to 2020

整體而言,?？跐竦谽SV較高區(qū)域主要為南渡江以東、三門坡鎮(zhèn)以北的地區(qū),與?？诘貏?shì)空間分布特征相吻合。西側(cè)石山鎮(zhèn)、永興鎮(zhèn)及南側(cè)大坡鎮(zhèn)、三門坡鎮(zhèn)等地區(qū)海拔較高,地類主要為林地、灌木林,濕地分布較少;北側(cè)沿海岸帶、南渡江流域以及東側(cè)東寨港地區(qū)地勢(shì)較低,有利于水系匯集,濕地集中分布,ESV較高。

2010-2015年濕地ESV變化幅度較小,低值區(qū)稍有擴(kuò)張。城市擴(kuò)張建設(shè)不斷侵占城郊坑塘及養(yǎng)殖濕地,導(dǎo)致主城區(qū)南側(cè)及新海港周邊濕地面積持續(xù)減少,ESV等級(jí)由Ⅴ級(jí)、Ⅳ級(jí)向Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)轉(zhuǎn)變;在南部東山鎮(zhèn),因鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)用地發(fā)展,導(dǎo)致周邊水田濕地面積減少,ESV下降,Ⅳ級(jí)區(qū)域縮減。與前5 a相較,2015-2020年濕地空間連通性進(jìn)一步降低,Ⅲ級(jí)區(qū)域面積由增長(zhǎng)轉(zhuǎn)為減少,Ⅰ、Ⅱ級(jí)持續(xù)增長(zhǎng);主城區(qū)及美蘭機(jī)場(chǎng)周邊濕地持續(xù)減少,Ⅴ級(jí)逐步消退。從全局角度分析,?？跐竦谽SV整體呈西北部衰退,東部增長(zhǎng),重心持續(xù)向東南方向偏移。

3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值對(duì)景觀格局演變的響應(yīng)

由表3可知,10 a間濕地斑塊密度變化較小,僅與水田濕地ESV呈負(fù)相關(guān)(r=-0.955)。邊緣密度與水田及湖泊濕地ESV相關(guān)性較低,與坑塘及養(yǎng)殖濕地響應(yīng)最強(qiáng)烈(r=0.997,P<0.05),故此調(diào)整斑塊邊緣密度以提升濕地ESV的策略對(duì)坑塘及養(yǎng)殖濕地最為適用。南渡江等帶狀河流濕地具有較高的延展性,ESV與平均斑塊面積、聚合度指數(shù)的相關(guān)性系數(shù)均為負(fù)數(shù),表明形狀復(fù)雜的河流濕地斑塊面積愈大,分布愈分散,ESV愈低。水田、水庫等人工濕地ESV與平均斑塊面積、聚合度指數(shù)呈正相關(guān),說明平均斑塊面積愈大,景觀聚集發(fā)展,濕地ESV愈高。因紅樹林及潮下水生層的生存環(huán)境特性,景觀大多呈塊狀聚集分布,平均斑塊面積、聚合度指數(shù)與ESV呈負(fù)相關(guān)。湖泊濕地ESV對(duì)平均斑塊密度的正響應(yīng)最強(qiáng)烈,與聚合度指數(shù)呈負(fù)相關(guān)性。

表3 濕地ESV與類型水平景觀格局指數(shù)的相關(guān)性分析Table 3 The correlation between wetland ecosystem service values and the type-level landscape pattern indices

由圖4可知,供給與調(diào)節(jié)服務(wù)對(duì)景觀格局變化響應(yīng)顯著。蔓延度、形狀指數(shù)、多樣性對(duì)濕地ESV均有顯著影響,其中景觀形狀、多樣性指數(shù)與濕地服務(wù)價(jià)值呈正相關(guān),蔓延度指數(shù)為負(fù)相關(guān),說明濕地形狀團(tuán)聚分布,高程度多樣性與聚集度,有利于提高濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。連通性與濕地服務(wù)價(jià)值均呈負(fù)相關(guān)性,可從改變濕地景觀邊界形狀,調(diào)整景觀連通性等小幅度優(yōu)化方面,提高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,以避免過度調(diào)整對(duì)濕地景觀造成不可覆滅的損傷。

圖4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與景觀水平景觀格局指數(shù)的偏相關(guān)分析Fig.4 Skewed correlation analysis of ecosystem services and landscape level landscape pattern indices

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

海口濕地以水田、水庫、坑塘及養(yǎng)殖等人工濕地為主,面積占比約為80%,自然濕地為湖泊、河流、紅樹林、潮下水生層濕地。10 a間濕地總面積逐年縮減,由455.51 km2持續(xù)減少至434.50 km2,人工濕地呈破碎化發(fā)展,損失量為25.58 km2;自然濕地面積先緩速減少后增長(zhǎng),增長(zhǎng)量為4.57 km2?！笆濉逼陂g?？跐竦乇Ｗo(hù)政策加強(qiáng),濕地?fù)p失率有所減緩,其中紅樹林濕地面積見長(zhǎng),增長(zhǎng)量為3.24 km2。海口濕地景觀格局整體呈現(xiàn)破碎化,多樣性減弱,非均質(zhì)分布。

濕地ESV與面積變化趨勢(shì)一致,呈逐年下降趨勢(shì),10 a間損失率為4.43%?？臻g上,東部地區(qū)ESV高于西部,呈西北部衰退,東部增長(zhǎng)態(tài)勢(shì),ESV重心持續(xù)向東南方向偏移。濕地生態(tài)系統(tǒng)在水文調(diào)節(jié)、凈化環(huán)境等調(diào)節(jié)服務(wù)方面功效顯著,二者ESV之和約為26億元;在土壤保持、維持養(yǎng)分循環(huán)等支持方面價(jià)值較低。河流、水庫等以水系為主的濕地類型ESV貢獻(xiàn)度較高,占比約為90%;其次為水田、紅樹林;湖泊濕地面積最小,ESV最低。

濕地ESV對(duì)景觀格局變化響應(yīng)劇烈,類型水平上,降低斑塊密度有助于提高水田濕地ESV;增加邊緣密度以提高ESV的方法對(duì)坑塘及養(yǎng)殖濕地最為適用(r=0.997,P<0.05);人工濕地平均斑塊面積愈大,破碎度愈低,ESV愈高。景觀水平上,濕地ESV對(duì)景觀形狀、多樣性及蔓延度等指數(shù)的變化具有一定的敏感性,與形狀指數(shù)、香農(nóng)多樣性呈顯著正相關(guān),與蔓延度、連通性指數(shù)為負(fù)相關(guān),改善濕地景觀形狀、促使團(tuán)聚分布,有利于提高濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。

4.2 討論

眾多學(xué)者圍繞?？谑袧竦刈隽舜罅垦芯?濕地面積逐年減少,主要分布于南渡江以東的地區(qū);社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素是造成濕地變化的主要原因;濕地景觀破碎度持續(xù)增大;水文調(diào)節(jié)和水資源供給等服務(wù)為海口濕地核心功能等特征均已得到論證[27]。在景觀格局與ESV相關(guān)性方面,朱穎等[21]、顧澤賢等[28]學(xué)者皆已論證ESV與景觀格局演變緊密相關(guān);與文疆回等[16]研究結(jié)果“高價(jià)值景觀類型,多樣性的提升和破碎化指數(shù)的降低有利于ESV增長(zhǎng)”相似,本研究與前人研究結(jié)論基本一致。

在海南自貿(mào)港建設(shè)進(jìn)程中,?？谑胁豢杀苊獾孛媾R濕地面積衰退、生境破碎等困境,探究濕地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)景觀格局的響應(yīng)機(jī)制,保障濕地生態(tài)安全迫在眉睫,需因地制宜制定可持續(xù)發(fā)展策略,優(yōu)化濕地景觀格局,實(shí)現(xiàn)提質(zhì)增效。

在生態(tài)保護(hù)紅線政策引導(dǎo)下,大型庫塘和河流得到有效保護(hù),因此,未來海口濕地生態(tài)安全防護(hù)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注小微濕地,加強(qiáng)對(duì)主城區(qū)人工型小微濕地的管理調(diào)控,提高文化休閑服務(wù)價(jià)值。為避免小微濕地?zé)o序喪失,應(yīng)持續(xù)對(duì)紅旗鎮(zhèn)等東部鄉(xiāng)村地區(qū)的眾多池塘、坑地等自然型小微濕地開展生態(tài)修復(fù)工作,以科普宣教等形式,提升村民對(duì)小微濕地的認(rèn)識(shí)。在國土空間規(guī)劃背景下,保護(hù)鄉(xiāng)村水田濕地不僅促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展,在有效提升區(qū)域濕地ESV方面亦有重大貢獻(xiàn),尤其在新坡鎮(zhèn)、東山鎮(zhèn)等南部平原地區(qū),通過增加濕地平均斑塊面積與聚集度,促使斑塊集中分布,可重點(diǎn)提升濕地支持與供給服務(wù)價(jià)值。濕地為植物、鳥類等大量生物提供了充足的食物來源,承擔(dān)了生物庇護(hù)所功能,在西部羊山地區(qū)應(yīng)注重提高濕地景觀多樣性,避免單一優(yōu)勢(shì)景觀,提升濕地生物多樣性服務(wù)價(jià)值。