黃河流域河南段濕地景觀格局和生態系統服務價值演變及預測研究

孟陽陽，高 揚，李喜梅，何 靜，李 雅，賈 晶，劉 冰

(1.河南省科學院 地理研究所,鄭州 450052;2.河南農業大學 林學院,鄭州 450046; 3.河南大學 黃河文明與可持續發展研究中心,鄭州 450046;4.中國科學院 西北生態環境資源研究院,蘭州 730000)

0 引言

濕地被譽為“地球之腎”,具有水源涵養、蓄洪防旱、凈化水質、維護生物多樣性等其他生態系統不具有的特殊的生態系統服務功能,為人類提供了很高的生態經濟價值[1]。在各種濕地類型中,河流濕地還是人類生產生活的主要水源地,對流域生態安全和經濟社會發展起著支撐作用[2]。黃河流域自古以來就是我國重要的生態屏障和經濟地帶[3]。近幾十年來,隨著城市化、工業化的快速發展和人口的增長,黃河流域濕地經歷過度開墾與破壞,導致大量濕地萎縮及其景觀結構破碎化,濕地生態系統內部生物化學作用發生變化,進而對其生態系統服務功能及價值產生重要影響[4-5]。2022年《濕地公約》第十四屆締約方大會上我國提出要推進濕地保護進程,增進濕地惠民福祉。然而,黃河流域不同河段的濕地系統差異較大,流域濕地保護與科學恢復是亟待解決的難題[6]。因此,針對黃河流域某個特殊河段濕地系統,進行濕地時空格局及生態系統服務價值(ecosystem services value,ESV)變化研究,對推進黃河流域生態保護和高質量發展重大戰略具有重要的理論與現實意義。

學術界對濕地生態系統服務價值的相關理論研究逐漸成熟[7-10],并進行了大量的實證研究[11-13]。研究方法方面,1997年G.C.Daily[7]首次提出生態系統服務價值評價方法,隨后國內外學者結合實際展開探索[8-9],現有濕地生態系統服務價值常用評估方法主要包括物質量評估法、價值量評估法、能值分析法等[10],其中價值量評估法應用最為廣泛。研究內容方面,已有濕地生態系統服務價值研究主要集中在價值評估[11]、時空動態變化[12]、輻射格局[13]、驅動力分析[14]等方面,而對濕地價值的模擬預測等研究還較缺乏。研究尺度方面,國內濕地生態系統服務價值研究涉及不同尺度,大尺度主要包括城市群[10]、流域[15]、平原[16]等,也有學者聚焦于某一濕地類型進行小尺度深入分析,如河流三角洲濕地[17]、湖泊濕地[18]、濱海濕地[19]、紅樹林濕地[20]、喀斯特濕地[21]等。關于濕地價值的研究已取得較大進展,但仍然存在土地分類基礎數據分辨率低、研究期較短、對黃河流域不同脆弱區域濕地服務價值的研究還較少等不足。

黃河流域河南段人口密集,伴隨著經濟的高速發展和城市的快速擴張,濕地結構發生了顯著變化,對區域內濕地生態福祉直接或間接地構成威脅[3,22]。同時,黃河流域河南段是典型的地形過渡帶,氣候具有很強的敏感性、脆弱性和不穩定性,城市內澇與干旱等災害頻發,濕地生態存在潛在風險,其濕地生態福祉問題日益受到關注[23]。濕地獨有的蓄洪防旱等生態服務的研究對該區域的生態健康與福祉具有重要意義。然而,目前關于黃河流域河南段濕地格局長時間序列變化、生態系統服務價值評估及預測的研究還鮮有報道。本研究以黃河流域河南段為研究區,利用多期遙感數據,探討1980—2020年濕地景觀格局的時空演變特征,運用CA-Markov模型預測2060年濕地格局特征,利用效益轉移法評估濕地生態系統服務價值,并針對存在的主要問題提出相應對策,以期為黃河流域河南段濕地的保護與恢復以及生態福祉的提升提供科學依據。

1 研究區域、數據來源和研究方法

1.1 研究區概況

黃河流域河南段位于黃河中游與下游過渡地帶,也處于我國第二階梯向第三階梯過渡帶,涉及8個地級市(圖1)?？偯娣e57 044 km2,2020年總人口4 083萬人,GDP為28 445.22億元。地勢西高東低,由山地、丘陵向平原地區過渡,使得氣候也具有由西向東的過渡特征,對氣候變化響應較為敏感,具有復雜多樣和氣象災害頻繁的氣候特點。土壤類型多樣,是我國農業重點發展區域。主要包括河流濕地、湖泊濕地、沼澤濕地、人工濕地等濕地類型。近幾十年來,在氣候變化與人為干擾的雙重影響下,黃河干流年來水量逐漸減少,下游斷流嚴重,黃河流域河南段遭受水土流失、土地開發過度、生物多樣性銳減等生態系統問題,對區域內濕地面積與結構以及生態系統服務產生重要影響[24]。因此,本研究以黃河流域河南段為研究區,對其濕地景觀格局及生態系統服務價值變化特征進行研究。

圖1 研究區位置

1.2 數據來源及預處理

1980—2020年黃河流域河南段Landsat 30 m遙感影像數據來源于美國地質調查局的地球資源觀測與科學中心。參考相關研究[25]并結合研究區實際情況將黃河流域河南段用地劃分為耕地、林地、草地、濕地、建設用地和未利用地6個類型。利用面向對象方法解譯遙感影像,得到1980年、1990年、2000年、2010年和2020年黃河流域河南段用地分類數據?；谝巴怛炞C和從谷歌地球高分辨率影像獲取的隨機驗證點對分類結果進行混淆矩陣方法檢驗,分類精度均大于89%,說明用地分類數據可以達到研究要求[26]。社會經濟數據來源于相關年份的《河南統計年鑒》;NDVI、土壤保持量與降水量等數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心。

1.3 研究方法

1.3.1 Markov轉移矩陣

Markov轉移矩陣是用來衡量某種土地利用類型轉化為另一種土地利用類型的方向和面積信息的方法,計算公式參見B.Fisher等[27]。利用IDRISI 17軟件Markov模塊進行黃河流域河南段土地利用轉移矩陣運算。

1.3.2 CA-Markov模型

CA-Markov(元胞自動機-馬爾科夫)模型能夠較好地從數量和空間兩方面進行土地覆被變化時空格局模擬[28]。在IDRISI 17軟件中,以1980—2020年黃河流域河南段景觀類型轉移矩陣為基礎,將2020年作為預測起始時刻,CA模型迭代次數取40,在自然增長情景下模擬2060年景觀格局。為保證模擬結果的可靠性,采用Kappa指數檢驗模型對景觀格局變化的模擬精度。運用CROSSTAB模塊,以1980年和2000年黃河流域河南段土地利用圖為基礎數據,采用5×5空間濾波器,CA迭代次數取20,模擬了2020年土地利用格局圖,然后利用2020年實際景觀類型圖與其預測景觀類型圖對模型精度進行檢驗,運行后得出2020年的Kappa系數結果大于0.85,表明模型模擬效果較好,可使用通過驗證的CA-Markov模型對2060年的景觀類型進行預測。

1.3.3 景觀指數

景觀指數是反映景觀結構和空間配置等特征的定量指標,是研究景觀格局演變及其對景觀生態價值影響的重要方法[29]。根據相關研究[30-31],選取4個能較好反映濕地格局變化的主要景觀指數,包括斑塊數量、斑塊密度、最大斑塊指數和聚合度指數,分別對黃河流域河南段濕地景觀斑塊數量、密度、優勢度和聚合度進行度量。所有景觀指數均利用Fragstats 4.2軟件進行運算獲得。各景觀指數計算方法詳見相關研究[31]。

1.3.4 生態系統服務價值評估

采用效益轉移法進行生態系統服務價值估算。效益轉移法是先對每種用地類型對應的單位面積ESV進行定義,再結合每種用地類型總面積來評估其總ESV,具有數據易獲取性和適用于多種尺度等優點。采用千年生態系統評估的生態系統服務功能分類方法[32]。首先,根據研究區實際情況進行單位當量因子經濟價值的校正。一個當量因子的經濟價值相當于單位面積農田糧食生產的凈利潤。黃河流域河南段的主要糧食產物為玉米和小麥,主要經濟作物為瓜果、花生、蔬菜及食用菌。使用主要糧食和經濟作物的年平均凈利潤進行單位當量因子的經濟價值估算,再根據當地居民支付生態系統服務的能力與意愿對當量價值進行進一步校正,計算方法參見相關研究[12,33]。由于部分年份數據缺失或難以獲取,且謝高地等[33]改善的價值當量表使用的是2010年數據,本研究假設各校正指標均保持在2010年水平。修正后的黃河流域河南段不同地類當量價值見表1。

表1 黃河流域河南段不同地類當量價值 元/hm2

1.3.5 敏感性分析

應用敏感性系數(CS)用于驗證黃河流域河南段生態系統服務價值系數的準確性[6],公式為:

式中:ESVi和ESVj分別為價值系數調整之前和之后的生態系統服務價值;VCik和VCjk分別為第k類土地利用類型價值系數調整之前和之后的值。將各地類的價值系數VC分別向上向下調整50%來計算敏感性系數CS。如果CS<1,表明ESV對VC缺乏彈性,價值系數準確性較高,估算結果是可信的;如果CS>1,則說明ESV對VC具有彈性,即1%的VC變動將引起ESV大于1%的變動,計算結果準確性較低,可信度較差。

2 濕地景觀格局時空演變特征及預測

2.1 濕地時空演變特征及預測

黃河流域河南段濕地主要分布在黃河干流與支流河道及其兩岸,其余區域表現出湖泊濕地、人工濕地等零星分布的特征(圖2)。濕地面積在1980—2000年顯著減少,2000—2020年又逐漸增加,預測2060年將繼續有所增加。1980—2020年黃河流域河南段濕地面積呈先減后增趨勢,但總體呈減少趨勢,共減少23 165.73 hm2,減幅為13.18%(圖3)。其中,1980—2000年濕地減少48 941.64 hm2,減幅為27.85%,主要是該時期社會經濟發展水平較低,人口的快速增長以及人們對濕地保護意識的缺乏導致濕地的過度開墾與破壞。同時,耕地面積的擴張使得其灌溉用水量急劇增加,減少了大量河流徑流量。2000—2020年濕地增加25 775.91 hm2,增幅為20.33%,主要是由于2000年我國開始實施《中國濕地保護行動計劃》,黃河流域河南段相應采取了建設水利樞紐工程、引黃調蓄工程、濕地自然保護區、濕地公園等措施進行濕地保護與恢復。在濕地保護政策繼續實施下,預計2020—2060年濕地面積將增加9 003.15 hm2,增幅5.90%。

圖2 黃河流域河南段土地利用格局變化及預測

圖3 不同地類面積變化及預測

1980—2020年林地、草地、未利用地面積基本均呈逐年遞減趨勢。林地、草地減幅較小,分別減少1.29%,3.38%;未利用地減幅較大,減少76.11%。耕地呈波動變化趨勢,但總體也表現為下降趨勢,減少3.68%。相反,建設用地呈逐年增加趨勢,增幅為29.49%。表明改革開放后,隨著經濟的快速發展,黃河流域河南段城鎮的迅速擴張擠占了部分山水林田湖草沙面積。經預測,2020—2060年林地、草地、未利用地、耕地將繼續減少,建設用地將繼續增加。因此,黃河流域河南段濕地的保護與恢復應注重城鎮化質量的提高以及城市化與綜合生態系統保護的協調發展。

2.2 濕地流轉變化

1980—2020年黃河流域河南段濕地面積的減少主要是轉化為耕地,轉化為其余地類的比例非常小(圖4)。濕地面積有53.12%保持不變,44.27%轉化為耕地,轉化為建設用地、林地、草地和未利用地的面積總和僅為2.61%。2020—2060年預計增加的濕地面積主要來源于草地和林地的轉入,其濕地面積有76.46%沒有發生轉換,草地和林地分別轉入9.87%和9.38%。雖然未來濕地面積總體表現為小幅增加,但至2060年仍有20.89%濕地轉化為耕地?？傮w來看,黃河流域河南段濕地轉為耕地現象仍較為嚴重。濕地具有強大的涵養水源功能,在雨季對洪水具有很好的攔蓄功能,在旱季能為周邊區域補給充足水分,土壤水熱條件好且有機質豐富,是利于農作物生長的優沃之地,這使得研究區濕地周邊出現過度開墾與利用問題。

2.3 濕地景觀結構

1980—2020年,黃河流域河南段濕地斑塊數量和斑塊密度呈逐年降低趨勢,分別下降65.46%和65.47%;最大斑塊指數和聚合度指數與濕地面積變化趨勢一致,以2000年為轉折點呈先減后增趨勢(表2)。這表明1980—2000年,受強烈人為活動干擾,濕地景觀結構逐漸松散,研究區濕地整體退化較為嚴重;2000—2020年,在濕地保護政策實施下,大量天然濕地減少而人工濕地增多,濕地景觀結構向聚合方向發展并逐漸趨于穩定,濕地保護取得較好成效。預計2020—2060年,濕地斑塊數量、斑塊密度、聚合度指數將分別增加4.61%,1.30%,1.35%,最大斑塊指數將減少2.82%,濕地數量將小幅增加,景觀破碎度略微增大。

3 濕地生態系統服務價值變化及預測

3.1 濕地總生態系統服務價值

從濕地ESV的數值特征來看,1980—2020年黃河流域河南段各地類面積占總面積比例的年均值由大到小依次為耕地(55.70%)、林地(21.48%)、建設用地(11.83%)、草地(8.21%)、濕地(2.71%)、未利用地(0.07%)(表2)。除未利用地之外,濕地面積遠小于其他地類面積。各地類ESV占研究區總ESV比例的年均值分別為林地(44.96%)、濕地(20.51%)、耕地(19.75%)、草地(14.77%)、未利用地(0.01%)(表3)。濕地面積占研究區的比例不到3%,但其ESV卻占總ESV的約1/5,是對總ESV貢獻率最大的地類。濕地處于陸地與水域的交錯帶并具有蓄洪防旱、調節徑流等其他系統不可替代的綜合功能,對維系生態平衡發揮著重要作用,這使其成為生態價值最大的地類?？侲SV的提升應注重濕地保護及其功能恢復,并防止濕地轉化成其他生態價值較低的地類。從濕地ESV時間變化看,1980—2020年濕地總ESV變化趨勢與其面積變化一致,呈先減后增趨勢,1980—2000年減少273.08億元,2000—2020年增加143.82億元,總體減少129.26億元。預計2020—2060年濕地總ESV將增加50.24億元。黃河流域河南段濕地保護措施的實施提升了濕地服務價值。

表2 濕地景觀指數變化及預測

表3 各地類ESV變化及預測 億元

3.2 濕地不同服務類型價值

在一級服務類型中,調節服務價值最大,占濕地總ESV的83.36%,而其余三大服務的價值占比均在8%以下(表4)。1980—2020年濕地調節服務價值減少107.75億元,供給、支持、文化服務價值共減少21.51億元;預計在2020—2060年濕地調節服務價值將增加41.88億元,其余三大服務價值將共增加8.36億元。在二級服務類型中,濕地的水文調節服務價值遠大于其他服務類型,占濕地總ESV的70.72%,凈化環境、水資源供給、生物多樣性服務價值次之,共占18.48%,其余服務類型價值較小。水文調節服務價值在1980—2020年減少91.41億元,預計在2020—2060年將增加35.53億元。濕地具有獨特且強大的水文調節功能,對維系黃河流域河南段的生態健康具有十分重要的意義。

表4 濕地不同類型服務的價值變化及預測 億元

3.3 敏感性分析

1980—2060年黃河流域河南段各土地利用類型的敏感性系數數值介于0～0.5,均小于1,且在各年份間差異較小(表5),說明研究區總ESV相對于價值系數VC缺乏彈性,且較穩定。各土地利用類型敏感性系數由大到小依次為林地、濕地、耕地、草地、未利用地。濕地的敏感性系數數值特征具體表現為,1980年濕地的CS值最大,為0.225 7,表明濕地的價值系數VC每增加或減少1%時,總ESV會隨之增加或減少0.225 7%;2000年濕地的CS值最小,為0.175 1?？傮w來看,本研究所使用的生態系統服務價值系數對黃河流域河南段總ESV的影響較小,生態系統服務價值計算結果可信,可用于對濕地服務價值變化的研究。

表5 不同地類的敏感性系數變化

4 結論、建議與討論

4.1 結論

黃河流域河南段濕地主要分布在黃河干流與支流兩側,其余區域有濕地零星分布。1980—2020年濕地面積呈先減后增趨勢,總體呈減少趨勢,共減少13.18%。林地、草地、耕地、未利用地面積均不同程度地減少,而建設用地增加29.49%。黃河流域河南段濕地的進一步保護與恢復需注重城鎮化質量的提高,并堅持山水林田湖草沙一體化綜合治理。預計2020—2060年濕地面積將繼續增加5.90%。1980—2020年黃河流域河南段濕地面積的減少主要是轉化為耕地,濕地亂墾現象較為嚴重。濕地景觀結構變化1980—2000年趨于分散,2000—2020年趨于聚合,2020—2060年將略趨于破碎。

濕地面積占研究區的比例僅為2.71%,但其ESV卻占到研究區總ESV的20.51%,是生態系統服務價值最大的地類。1980—2020年濕地總ESV呈先減后增的趨勢,1980—2000年減少273.08億元,2000—2020年增加143.82億元,總體減少129.26億元。預計2020—2060年濕地總ESV將增加50.24億元。濕地調節服務價值遠大于供給、支持、文化服務價值,是濕地最主要的一級服務類型。二級服務類型中,水文調節服務價值最大,是濕地最重要的生態服務功能。

4.2 建議

(1)精準界定濕地生態保護紅線,堅持山水林田湖草沙一體化綜合治理。提高城鎮化質量,防止城鎮化擴展對濕地的無序占用。(2)積極開展退耕還濕、退養還灘,擴大濕地面積?；謴退参?修復受損濕地,改善濕地生態質量,維護濕地生態系統的完整性和穩定性。(3)增強濕地水文調節功能,提升濕地調節服務價值。在水資源配置方面,引水增濕,生態補水,提高濕地生態平衡用水量。

4.3 討論

本研究僅對黃河流域河南段的濕地服務價值進行了分析,未來應對黃河流域其他脆弱區濕地如上游高寒濕地、河口三角洲濕地等進行長時間序列服務價值評估,開展更全面系統的研究。另外,本研究尚未深入探討濕地格局及其服務價值變化的驅動機制,后續應加強影響因素的定量分析以及濕地生態系統服務與生態過程間相互作用機制的探索。