北京市景观格局演变及其对多种生态系统服务的影响分析

 

文章亮点  

 

InVEST模型粮食供给、水质净化、空气净化、气候调节、生境质量及休闲娱乐6个模块，结合景观指数探讨北京市景观格局与生态系统服务间的定量关系。

 

摘要  

 

景观格局是人与自然共同作用的结果，深刻影响着区域的生态系统服务及可持续发展。以高度城市化地区─北京市为案 例，选取了粮食生产、水质净化、空气净化、气体调节、生境质量以及休闲娱乐６项重要生态系统服务，采用InVEST等模型定量评估了 1980-2018年 生态系统 服务时空分布。通过对北京市景观组成与景观配置指数进行定量分析，进一步探索了景观格局演变对生态系统服务的影响。结果表明：

(1) 北京市 1980-2018年 建设用地扩张了120％，建设用地扩张是耕地面积减少的主要原因。景观格局总体上趋于 破碎化，斑块形状复杂化，斑块异质性增加；

(2) 时间上，北京市 1980-2018年 粮食生产、水质净化、气体调节、生境质量、休闲娱 乐五项生态系统服务均呈现下降趋势；空间上，粮食生产呈现东南部较高，西北部较低的分布特征，其余生态系统服务均呈现西 北部较高，东南部较低，市中心最低的分布特征；

(3) 景观水平上，林地、建设用地等景观组成变化对生态系统服务影响最为显 著。破碎化指数、多样性指数等景观配置指数对生态系统服务影响最为显著；类型水平上，平均斑块面积、斑块聚集度对生态系 统服务影响相对最为显著。总体来讲，本研究通过分析景观格局演变如何影响生态系统服务，为如何通过设计和优化景观格局来提升生态系统服务提供了定量依据，从而为促进区域的景观可持续规划提供理论依据和案例参考 。

 

研究方法  

 

1 景观类型变化

基于土地利用数据，将北京市分为耕地、林地、草地、水体、建设用地、未利用地 ６ 类，利用经过镶嵌，裁剪， 几何校正等处理后的遥感影像数据，采用监督分类方法对土地利用数据进行校正，得到Kappa系数大于80％且空间分辨率为30m的土地利用分布图，分析北京市 1980-2018年 年不同土地利用动态变化趋势。空间叠加1980、2018年北京市土地利用分布图，并利用转移矩阵表示景观类型转移情况。

2 景观指数变化

景观指数是指能够高度浓缩景观格局信息，有效反映其结构组成和空间配置等方面特征的简单定量指标，分为3个层次：斑块、类型和景观水平。各景观指数本身有一定关联，许多指数之间存在冗余，所以选 取典型指数来表征景观格局。本研究通过阅读相关文献，从类型和景观水平2个尺度共选取8个指数：斑块密度、平均斑块面积、边缘密度、聚集度、景观形状指数、香农多样性、连通性、蔓延度（表１），利用 Fragstats 4.2.1软件计算选取的景观指数。

3 生态系统服务评估

利用InVEST模型粮食供给、水质净化、空气净化、气候调节、生境质量及休闲娱乐6个模块探讨北京市1980-2018年生态系统服务变化。

4 偏相关分析

采用偏相关系数表示 1980-2018年 北京市生态系统服务与景观格局之间的相关性，系数的大小表示两者关系的强弱程度，系数为正表示两者呈正相关，系数为负表示两者呈负相关。本研究利用R 3.6.2 实现生态系统服务与景观类型面积以及景观格局指数之间的偏相关分析和显著性检验，并进行可视化。

 

结果与分析  

 

1 景观格局变化

（1）土地利用变化

根据北京市1980-2018年不同土地利用变化情况（图１），北京市景观类型以林地为主，主要分布在北京 市西部和北部的山区，而东南部的平原地区以耕地与建设用地为主，建设用地扩张地区主要位于北京市东南 部；北京市 1980-2018年耕地面积大幅减少，建设用地面积大幅增加，其中，耕地面积比例由 37％下降到 23％，共减少2155ｋｍ２ ，建设用地面积由8％增加到 18％，面积增加1598ｋｍ２ 。此外，草地、水体以及未利用地的 面积变化并不明显。

忽略面积比例较小的未利用地，由北京市 1980-2018年土地利用转移情况表（表２），可以看出：1980-2018年，北京市土地利用转移面积达3803ｋｍ２ ，占总面积的 23％，表现出耕地的大量转出和建设用地、林地大 量转入的特征。其中，耕地主要转为建设用地，转出为建设用地的面积占耕地总转出面积的 64％；建设用地 主要由耕地转入，占建设用地总转入面积的 87％；林地主要由耕地转入，占林地总转入面积的 62％。其他土 地利用类型之间有不同程度的转换，但转换率相对较低。

（2）景观指数变化

由北京市1980-2018年景观水平指数（表３）发现，北京市 1980-2018年整体景观更加破碎化。斑块密度不断增加，斑块数目增多；景观形状指数不断增加，景观形状趋于复杂化；蔓延度指数先增后减，景观类型的 聚集程度降低；连通度指数不断减小，各景观类型之间连通性降低，斑块空间分布趋于零散；香农多样性指数 先增后减，总体减少，各景观类型面积分布越来越不均匀。

由北京市1980-2018年类型水平景观指数（表４）发现，耕地在1980-2000年斑块数目增多，平均斑块面积减小，斑块边缘密度增大，边界形状复杂化，斑块聚集度降低，整体呈破碎化发展。2000-2018年，耕地呈现不同的变化规律，耕地斑块聚集性增强；林地、草地以及建设用地在 1980-2018年斑块密度增加，平均斑块面积减小，边缘密度增加，斑块聚集度降低，呈现空间破碎化，其中建设用地斑块密度和边缘密度均大幅增加，平均斑块面积大幅减少，聚集度降低，斑块破碎化程度高。

2 生态系统服务变化

（1）生态系统服务时 间变化

北京市 1980-2 018年生态系统服务变化（图２）显示，除空气净化外的其他生态系统服务均呈现下降趋势。1980-2018年北京市粮食生产、水质净化、气体调节和休闲娱乐服务先增后减，总体呈现下降趋势，生境 质量服务持续减少。其中，水质净化服务在 1990-2000年大幅减少，空气净化、气体调节、休闲娱乐服务在 2010-2018年显著降低。

（2）生态系统服务空间变化

根据北京市1980-2018年生态系统服务空间变化（图３）显示，生态系统服务呈现显著的空间差异性。除粮食生产服务在东部、南部较高，西部、北部较低，其他服务均呈现西部、北部较高，东部、南部较低，中部最 低的空间分布特征；1980-2018年北京市中部地区粮食生产服务明显减少，空气净化、气体调节、生境质量、 休闲娱乐服务在空间上呈现东部和南部地区减少的趋势，尤其是在建设用地扩张地区呈现显著减少的变化特征。

（3）生态系统服务对景观格局的响应

a. 景观水平

由生态系统服务与土地利用类型面积的偏相关分析（图４）可知，景观组成对生态系统服务有显著影响。耕地面积与粮食生产以及水质净化服务有正相关关系；林地、草地面积与空气净化、气体调节、生境质量、休闲 娱乐服务均有正相关关系，其中空气净化、气体调节、休闲娱乐等服务对林地的响应最为强烈；建设用地面积 与所有的生态系统服务均有负相关关系，其中生境质量服务对建设用地的响应最为强烈。由生态系统服务与景观水平指数的偏相关分析（图４）可知，区域内景观破碎化程度以及多样性对生态系 统服务有显著影响。斑块密度与区域内所有生态系统服务均有负相关关系，斑块形状指数与区域内所有生态 系统服务均有正相关关系；景观多样性与除粮食生产服务外的其他生态系统服务有正相关关系。其中，斑块 密度与生境质量服务有显著的负相关关系，景观多样性与生境质量服务有显著的正相关关系。

b. 类型水平

由生态系统服务与景观类型指数的偏相关分析（图５）可知，各景观类型的景观指数对生态系统服务的影 响具有差异性。耕地的平均斑块面积与边缘密度与粮食生产服务有显著的正相关关系；林地的平均斑块面积 和空间聚集度与空气净化、气体调节、生境质量、休闲娱乐服务有显著的正相关关系；建设用地边界密度和空 间聚集度与空气净化、气体调节、生境质量、休闲娱乐服务有显著的负相关关系。

 

讨论与结论  

 

1 讨论

1980-2018年，北京市中心城区建设面积不断向外扩张，斑块呈现破碎化趋势，其中受影响最大的是耕 地，耕地斑块变得破碎且分散 。同时，城市化发展过程对北京市的景观结构配置造成显著影响，尤其是2000 年之后，受到人类活动的剧烈影响，北京中心城区、东南部地区建设用地组分优势度明显，导致北京市整 体景观破碎化增加，多样性降低。北京市在过去38年间，生态系统服务严重下降，这主要是由于人类频繁的社会经济活动造成了自然生态 系统的严重破坏 。尤其是东南部地区，建设用地占比不断增大，因此生态系统服务明显下降。西部和北部 地区，山地面积占比较大，受人类活动干扰较少，植被生物量较高，提供的调节和文化生态系统服务相对 更高。土地利用变化是北京市生态系统服务变化的主要原因，当林地等自然生态系统向建设用地等人工生态系 统发生转变时，会带来生态系统服务与生物多样性的减少 。林地面积的增加有助于提高生物物质以及 木材生产的碳储存量，并适度促进土壤中碳的储存，植被叶片的微观结构与去除空气中大小颗粒能力密切 相关 ，因此，增加林地面积对空气净化、气体调节服务有显著的正向效应；随着经济和人口的增长，建设用 地不断扩张，自然生境遭到破坏，导致生物多样性降低，区域生境质量变差 。不同的景观配置会对北京市生态系统服务有显著影响。增加景观多样化与景观类型均衡分布，有助于提 高生态系统的稳定性 ，而破碎的景观会阻碍区域间的能量流动，改变物质和营养循环过程，对生态系统服务有显著的负面影响 。耕地斑块破碎化不利于农田的规模化管理和农业资产的合理配置，会严重影响粮食生产效率；林地斑块面积越大，空间分布越聚集，生态系统提供的空气净化、气体调节、生境质量服务则越多；不规则建设用地斑块数量越多，空间分布越聚集，造成自然生境斑块更加破碎，连通性不断降低，生境质量不断下降 。 

本文从景观组成与景观配置两个方面，分析了北京市景观格局对多种生态系统服务的影响；未来的研究 应基于具体的生态过程及其机制，通过改变景观格局，引起生态过程变化，从而提升区域生态系统服务；针对特定区域进行景观优化，在保证生态系统稳定性的同时为人类提供更多的福祉，促进生态系统的可持续发展 。

2 结论

(1) 1980-2018年，北京市景观格局发生剧烈变化，建设用地面积显著增加，耕地面积显著减少；景观整体 呈现破碎化趋势，斑块异质性增加。多数生态系统服务呈下降趋势，其 中东南部地区的生态系统服务减少最 为明显。

(2) 景观水平上，增加林地、草地面积对空气净化、气体调节服务有显著的正向效应，增加建设用地面积对 生境质量服务有显著的负向效应；降低景观破碎化程度，增加景观多样性对生态系统服务有正向效应；类型水 平上，增加耕地的平均斑块面积对粮食生产服务有显著的正向效应，增加林地的聚集度对空气净化、气体调节服务有显著的正向效应，而增加建设用地的聚集度对生境质量服务有显著的负向效应。

(3) 未来城市化发展过程中，针对生态系统服务的空间异质性特征，北京市不同区域应采取因地制宜的景 观可持续规划策略。在顺义区、通州区等东部地区，应重点提升粮食生产服务，避免建设用地无序扩张与破碎 化发展，优先保护耕地资源，增加平均斑块面积与空间聚集度；在市中心地区，应重点改善调节服务，减小建设 用地的聚集度，提高林地、草地的等绿色基础设施的景观组成比例与空间聚集度；在怀柔区、密云区、门头沟区等西北部地区，应充分发挥其较高的调节和文化服务供给能力，避免林地、水体等自然景观面积比例的减少， 从而促进区域的景观可持续发展。