四个时期长江经济带湿地生态系统服务对景观格局响应研究

范育蕾，夏哲一，魏 雪，刘黎明，袁承程*

(1.中国农业大学土地科学与技术学院，北京 100193；2.河南师范大学公共政策与社会管理创新研究中心，河南新乡 453000)

湿地生态系统具有固碳和储碳、净化水体和保护生物多样性等多方面功能[1]。人类对湿地的利用会影响湿地的面积与分布，进而改变湿地的景观格局[2]。景观格局反映了各种景观要素在空间上以不同的方式进行分布与组合的情况[3]。景观格局的变化不仅会导致生态系统组分、结构、过程和功能发生改变，而且会对生态系统服务产生显著影响[4]。因此，研究湿地景观格局与生态系统服务的内在联系和变化特征，分析景观格局变化对湿地生态系统服务的影响，有助于湿地保护政策的制定和探索湿地生态系统服务提升的新路径[3-5]。

学者们主要从湿地生态系统服务评估[6-9]、湿地生态系统服务权衡与协同关系[10-14]、湿地景观格局与生态系统服务之间的耦合关系[15-17]、气候[18-21]与土地利用变化[22-25]对湿地生态系统服务的影响等方面开展了研究。在湿地景观格局与生态系统服务之间的耦合关系研究中，学者们大多关注湿地的景观格局与生态系统服务的价值量之间的关系，多采用当量因子法对湿地生态系统服务价值进行测算，主要依据专家的经验对各项服务赋值，因此，研究结果具有较大的不确定性[26]，并且缺少对各类型湿地生态系统服务的测算分析和生态系统服务对湿地景观组成变化的响应分析。

对长江经济带的湿地的保护与修复是全国湿地保护工作的重点。虽然长江经济带的湿地资源丰富，但是由于长江经济带的人口密集、经济活跃，所以其湿地生态系统总体较为脆弱。目前，对长江经济带的湿地的相关研究主要聚焦于长江流域的景观格局变化及其生态效益[27-29]、人类活动对湿地景观格局的影响和湿地的保护与修复[30]，而对长江经济带的湿地景观格局与生态系统服务的关系还需要进一步分析。

本研究以长江经济带的湿地为研究对象，量化研究2005 年、2010 年、2015 年和2020 年4 个时期的长江经济带的湿地生态系统的生境质量服务、碳储存服务和水体净化服务及其变化，分析生态系统服务与景观格局的关系，以期为长江经济带湿地保护等相关政策制定提供参考依据。

1 数据和方法

1.1 研究区

长江经济带是以长江流域为基础和纽带、城市经济区为基本单元的宏观协作经济带，经济体量和人口规模占据全国的“半壁江山”，覆盖11个省(直辖市)，长江经济带的面积占全国总面积的21.4%。平均每年长江的水资源量约为9 958×108m3，其约占全国水资源总量的35%。长江经济带是中国河流、湖泊和沼泽的密集分布区，湿地资源丰富，湿地面积超过全国湿地总面积的五分之一[30]。长江经济带的湿地集中分布在长江中、下游和四川盆地，云南省和贵州省的湿地分散分布(图1)。其中，河流湿地多分布在长江中、下游省份和四川省东部和重庆市中部；湖泊湿地多分布在江苏省西部和南部、安徽省中部、江西省北部、湖北省、湖南省和云南省；水库或坑塘主要分布在江苏省、浙江省、湖北省和湖南省；滩涂和沼泽主要分布在湖泊湿地周围和四川省北部；水田分布很广。

图1 长江经济带的各种类型湿地的分布示意图Fig.1 Distribution map of various types of the wetlands in the Yangtze River Economic Belt

1.2 数 据

利用了2005 年、2010 年、2015 年和2020 年长江经济带的土地利用遥感数据集。该数据集来源于中国科学院资源环境科学与数据中心。遥感数据的空间分辨率为100 m。该数据集由人工目视解译Landsat TM影像生成，通过实地验证，修正后的遥感数据的精度达到93%以上。根据湿地分类国家标准(GB/T 24708—2009)[31]和土地利用分类体系[32-34]，本研究将长江经济带的湿地分为自然湿地和人工湿地两类；自然湿地包括河流、湖泊、滩涂和沼泽；人工湿地包括水田、水库和坑塘。

利用了2005 年、2010 年、2015 年和2020 年的长江经济带的年降水量数据。这些年降水量数据来源于国家地球系统科学数据中心共享服务平台。

利用了长江经济带的数字高程数据。这些数据来源于地理空间数据云。数字高程数据的空间分辨率为100 m。

利用了长江经济带三级流域和道路数据。这些数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心。

1.3 方 法

1.3.1 景观指数选择

参照文献[35]至文献[37]，选择了斑块数量、斑块密度、最大斑块指数、景观形状指数、分离度指数、聚集度指数、蔓延度指数和香农多样性指数，研究景观格局的变化。利用Fragstats 4.2 软件，计算景观指数。

1.3.2 生境质量评估方法

利用InVEST 模型的Habitat Quality 模块，以生境质量指数值评价长江经济带的湿地的生境质量。生境质量越好，区域的生物多样性越高[38]。生境质量的评估参数(表1和表2)和生境质量指数的计算公式详见文献[39]和文献[40]。

表2 各类型湿地的生境适宜度及其对威胁因素的相对敏感度Table 2 Habitat suitability and relative sensitivity of various types of the wetland to threat factors

1.3.3 碳储量估算方法

利用InVEST 模型的Carbon Storage 模块，计算各种类型湿地的土壤碳储量、死亡有机物质碳储量、植物地上生物量和地下生物量[41]，最终，得到湿地的总碳储量。假设在没有特殊人类活动影响下，碳池中的碳储量基本不变。长江经济带的各类型湿地的碳池参数[42-43]详见表3。

表3 长江经济带各种类型湿地的碳池参数值Table 3 Parameter values of carbon pool of various types of the wetlands in the Yangtze River Economic Belt

1.3.4 水体净化服务估算方法

利用InVEST 模型的Nutrient Delivery Ratio模块，以湿地的总氮输出量，估算湿地的水体净化服务。湿地的总氮输出量越小，湿地的水体净化服务功能越强。长江经济带的湿地的水体净化服务评估模型的生物物理参数(表4)和计算公式详见文献[44]。

表4 长江经济带的湿地的水体净化服务评估模型的生物物理参数值Table 4 Biophysical parameter values of assessment model for the water purification service of the wetlands in the Yangtze River Economic Belt

1.3.5 景观格局与生态系统服务关系的分析方法

采用Pearson 相关分析方法[41]，利用SPSS 26软件，分析长江经济带的湿地的生境质量、碳储量、水体净化服务与景观格局指数之间的相关程度。

2 结果与分析

2.1 4个时期的湿地景观格局及其变化

2.1.1 4个时期的湿地面积及其变化

2005年、2010年、2015年和2020年，随着时间的推移，长江经济带的湿地的总面积在不断减小(表5)。

表5 2005年、2010年、2015年和2020年长江经济带的湿地的面积Table 5 The areas of the wetlands in the Yangtze River Economic Belt in 2005,2010,2015 and 2020

长江经济带的湿地的总面积从2005 年的379 643.50 km2减小至2020年的365 149.20 km2，净减少了14 494.30 km2。其中，自然湿地面积净增加了1 605.7 km2，人工湿地面积净减少了16 100 km2(见表5)。

2.1.2 4个时期湿地的景观指数及其变化

由表6 可知，在自然湿地中，滩涂和沼泽、河流、湖泊的斑块数量依次减小；河流与滩涂和沼泽的斑块密度值相近，湖泊的斑块密度值最小；河流、湖泊、滩涂和沼泽的最大斑块指数值依次减小；河流、滩涂和沼泽、湖泊的景观形状指数值依次减小；总体上，滩涂和沼泽、湖泊、河流的分离度指数值依次减小；湖泊、滩涂和沼泽、河流的聚集度指数值依次减小。

表6 2005年、2010年、2015年和2020年长江经济带的各种类型湿地的6种景观指数值Table 6 The values of 6 landscape indexes of various types of the wetlands in the Yangtze River Economic Belt in 2005,2010,2015 and 2020

在人工湿地中，水田的斑块数量、斑块密度、最大斑块指数和景观形状指数和聚集度指数值都明显大于水库和坑塘，因此，水田是优势景观；水库和坑塘的分离度指数值远大于水田。

从景观层面上看，2005年、2010年、2015年和2020年，随着时间的推移，长江经济带的湿地的斑块密度、景观形状指数、香农多样性指数值不断增大，蔓延度指数、聚集度指数值不断减小(表7)，说明长江经济带的湿地景观趋于破碎化，斑块形状趋于复杂化，景观异质性增强。

表7 2005年、2010年、2015年和2020年长江经济带的湿地的5种景观指数值Table 7 The values of 5 landscape indexes of the wetlands in the Yangtze River Economic Belt in 2005,2010,2015 and 2020

2.2 4个时期的湿地生态系统服务及其变化

由表8 可知，2005 年、2010 年、2015 年和2020年，随着时间的推移，长江经济带的湿地的生境质量指数值在逐渐增大；总固碳量和单位面积固碳量在不断减小；总氮输出量呈单峰型变化，最大值出现在2010年，单位面积氮输出量波动增大。

表8 2005年、2010年、2015年和2020年长江经济带的湿地生态系统3种服务的指标值Table 8 The indicator values of 3 ecosystem services of the wetlands in the Yangtze River Economic Belt in 2005,2010,2015 and 2020

从湿地类型看，河流的生境质量指数值最大，其次为湖泊、水库和坑塘，再其次为滩涂和沼泽，水田的生境质量指数值最小；水田的单位面积固碳量最大，其他类型湿地的单位面积固碳量相近；水田、水库和坑塘的单位面积氮输出量最大，河流、滩涂和沼泽、湖泊的单位面积氮输出量依次减小(表9)。

表9 长江经济带的各种类型湿地生态系统3种服务的指标值Table 9 The indicator values of 3 ecosystem services of various types of wetlands in the Yangtze River Economic Belt

图2显示，2005年和2020年，长江经济带的湿地的生境质量指数的大值区主要分布在上海市、江苏省的洪泽湖和太湖、安徽省的巢湖、江西省的鄱阳湖、湖南省的洞庭湖；生境质量指数的小值区主要分布在江苏省中部、浙江省、重庆市、云南省、贵州省和四川省东部，其中大部分区域为城市生活区，湿地类型以水田为主，人类活动频繁，交通发达，生态环境脆弱，生物多样性低。与2005年相比，2020年，生境质量指数值明显减小和增大的湿地生态系统都主要分布在湖北省、湖南省和江西省。

图2 2005年、2020年长江经济带的湿地生态系统的生境质量指数值和其差值的空间分布图Fig.2 The spatial distribution map of the values of habitat quality index of the wetland ecosystems in the Yangtze River Economic Belt in 2005 and 2020 and their difference

图3显示，2005年和2020年，长江经济带的湿地的碳储量的大值区主要分布在江苏省南部、安徽省南部、湖北省南部、湖南省北部和四川盆地周围；碳储量的小值区分散分布。与2005 年相比，2020 年，长江经济带的大部分湿地生态系统的碳储量未发生变化，浙江省北部、洞庭湖北部、湖北省和江苏省南部的部分湿地的碳储量发生了增大或减小的变化。

图3 2005年、2020年长江经济带的湿地生态系统的碳储量和其差值的空间分布图Fig.3 The spatial distribution map of carbon stocks of the wetland ecosystems in the Yangtze River Economic Belt in 2005 and 2020 and their difference

图4显示，2005年和2020年，长江经济带的湿地的氮输出量的大值区零散分布；氮输出量的小值区分布在洪泽湖、太湖、巢湖、鄱阳湖和洞庭湖周围以及四川省的东部和北部，湿地类型以湖泊、滩涂和沼泽以及部分水田为主。与2005 年相比，2020 年，长江经济带的湿地的水体净化能力发生明显变化，水体净化能力增强区主要分布在浙江省南部、江西省南部和云南省南部，水体净化能力减弱区主要分布在安徽省南部、江苏省南部、湖南省东部和浙江省北部。

图4 2005年、2020年长江经济带的湿地生态系统的氮输出量和其差值的空间分布图Fig.4 The spatial distribution map of nitrogen output of the wetland ecosystems in the Yangtze River Economic Belt in 2005 and 2020 and their difference

2.3 湿地生态系统服务与景观格局的关系

相关分析结果显示，河流面积与生境质量指数值显著正相关，与氮输出量显著负相关；湖泊面积分别与生境质量指数值、碳储量显著正相关，与氮输出量显著负相关；滩涂和沼泽面积只与生境质量指数值显著正相关；水田面积、水库和坑塘面积都分别与生境质量指数值、碳储量、氮输出量显著正相关(表10)。

表10 各种类型湿地的面积与3种生态系统服务指标值之间的相关系数Table 10 The correlation coefficients between the areas of various types of the wetlands and the indicator values of 3 wetland ecosystem services

由表11 可知，斑块密度值、最大斑块指数值、景观形状指数值都分别与生境质量指数值显著负相关，都分别与碳储量、氮输出量显著正相关；聚集度指数值、蔓延度指数值都分别与碳储量显著正相关，聚集度指数值与氮输出量显著负相关；香农多样性指数值与碳储量显著负相关。

表11 湿地的6种景观指数值与3种生态系统服务指标值之间的相关系数Table 11 The correlation coefficients between values of 6 landscape indexes and the indicator values of 3 ecosystem services of the wetlands

3 讨 论

在本研究中，长江经济带的湿地生态系统的总固碳量在减小，这可能与长江经济带的建设用地占用碳储量相对较大的水田和自然湿地有关。河流面积和湖泊面积都分别与氮输出量显著负相关，说明了保护自然湿地对于生态环境健康的重要性。水田面积与氮输出量显著正相关，可能与种植水稻施用化肥有关。水田面积与碳储量显著正相关，表明水田的固碳能力相对较强。湿地的斑块密度值、最大斑块指数值、景观形状指数值都分别与生境质量指数值显著负相关，表明湿地破碎化会导致湿地的生境质量服务和水体净化能力服务水平下降。湿地的聚集度指数值与碳储量显著正相关，与氮输出量显著负相关，说明湿地越聚集，其固碳和水体净化能力越强。

景观格局变化会对长江经济带的湿地生态系统服务造成显著影响，因此，建议采取差异化的湿地保护策略。在提高湿地的生境质量服务和水体净化服务方面，应该加强对河流湿地和湖泊湿地的保护[45]。在提升固碳能力方面，要保证水田的集聚性。

由于人类活动产生的社会和经济行为对湿地造成了一定程度的破坏，使长江经济带的湿地生态系统服务水平下降。结合湿地生态系统的3 种服务的空间分布特征，应该采取因地制宜的景观可持续规划策略。对于安徽省、江苏省和湖南省等湿地严重破碎化、水体净化服务水平严重下降的省份，应该重点改善湿地生态系统的水体净化服务，制定湿地保护与利用规划，在城市发展过程中，尽量不占用河流、湖泊和沼泽等自然湿地，保证湿地景观格局的完整性。在湖北省和江苏省南部，建设用地占用水田和水田转变为其他土地利用类型，导致水田碎片化，应该进行规模化水田布局，使水田连片分布。江西省鄱阳湖和浙江省北部的湿地景观破碎化，湿地斑块之间的连通性低，湿地小斑块只能维持较低水平的生物多样性水平，应该以提升湿地的生境质量服务水平为主，优化自然湿地的景观格局。

本研究仅分析了湿地景观格局与生态系统服务的相关关系，以后还要对湿地景观格局与生态系统服务之间复杂的相互作用机制开展更深入的研究。

4 结 论

2005年、2010年、2015年和2020年，随着时间的推移，长江经济带的湿地总面积在减小，湿地景观趋向于破碎化；湿地的生境质量服务水平略有提升，碳储存服务和水体净化服务水平下降。