淮安市土地利用景觀格局變化及生態效應

張飛,孔偉,王月香

摘要：以淮安市１９８８和２００５年的遙感解譯數據為基礎，從景觀多樣性指數、優勢度指數和均勻度指數３個方面定量分析了淮安市土地利用景觀格局變化特征，并對其引起的生態系統服務價值變化進行了計算。結果表明，１９８８-２００５年，淮安市土地利用景觀多樣性指數、均勻度指數總體呈現下降趨勢，優勢度指數總體呈現上升趨勢，生態系統服務價值減少了４４．８７億元，土地生態風險指數上升了０．０１３。

關鍵詞：土地利用；景觀格局；生態效應；淮安市

中圖分類號：Ｐ９０１；Ｆ３０１．２４文獻標識碼：Ａ文章編號：0439－８114（２０12）05－0894-05

Analysis on the Change of Landscape Pattern of Land Use and Its Ecological Effect

in Huai′an City

ＺＨＡＮＧ Ｆｅｉ， ＫＯＮＧ Ｗｅｉ， ＷＡＮＧ Ｙｕｅ－ｘｉａｎｇ

（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｕｒｂａｎ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ， Ｈｕａｉｙｉｎ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｈｕａｉ′ａｎ ２２３３００， Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎ ｄａｔａ ｏｆ １９８８ ａｎｄ ２００５， ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｌａｎｄ－ｕｓｅ ｌａｎｄｓｃａｐｅ ｉｎ Ｈｕａｉ＇ａｎ ｃｉｔｙ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｕｓｉｎｇ ｌａｎｄｓｃａｐｅ ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ ｉｎｄｅｘ， ｌａｎｄｓｃａｐｅ ｐｒｅｄｏｍｉｎａｎｃｅ ｉｎｄｅｘ ａｎｄ ｌａｎｄｓｃａｐｅ ｅｖｅｎｎｅｓｓ ｉｎｄｅｘ； ａｎｄ ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｃｏｓｙｓｔｅｍ ｓｅｒｖｉｃｅｓ ｗｅｒｅ ｅｖａｌｕａｔｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｌａｎｄｓｃａｐｅ ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ ｉｎｄｅｘ ａｎｄ ｌａｎｄｓｃａｐｅ ｅｖｅｎｎｅｓｓ ｉｎｄｅｘ ｏｆ ｌａｎｄ－ｕｓｅ ｌａｎｄｓｃａｐｅ ｉｎ Ｈｕａｉａｎ ｃｉｔｙ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ； ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｌａｎｄｓｃａｐｅ ｐｒｅｄｏｍｉｎａｎｃｅ ｉｎｄｅｘ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ； ｔｈｅ ｅｃｏｓｙｓｔｅｍ ｓｅｒｖｉｃｅ ｖａｌｕｅｓ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｂｙ ４４．８７×１０８ ｙｕａｎ； ａｎｄ ｔｈｅ ｌａｎｄ ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｒｉｓｋ ｉｎｄｅｘ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｂｙ ０．０１３ ｆｒｏｍ １９８８ ｔｏ ２００５．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｌａｎｄ ｕｓｅ； ｌａｎｄｓｃａｐｅ ｐａｔｔｅｒｎ； ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｅｆｆｅｃｔ； Ｈｕａｉ′ａｎ cｉｔｙ

土地利用景觀格局變化是由于自然因素與人為因素相互作用所產生的一定區域生態環境體系的綜合反映。研究土地利用景觀格局特征并從生態系統服務價值角度評價土地利用景觀生態效應，對于了解區域土地利用景觀格局特征，實現土地資源的可持續利用，促進區域經濟與環境的協調發展等都具有重要意義［１］。目前，越來越多的研究者開始注重從不同角度與尺度對土地利用景觀格局及其生態效應進行綜合研究［２］。以淮安市為研究區域，采用景觀生態學的空間格局指數分析研究區域的土地利用景觀格局變化特征，并參照謝高地等［3］的研究成果，定量評價研究區域土地的生態效應，為該區域土地利用結構的優化提供決策依據，以實現土地資源可持續利用和生態環境保護。

１研究區域概況

淮安市處于淮河流域下游，位于北緯３２°４３′００″－３４°０６′００″，東經１１８°１２′００″－１１９°３６′３０″，北接連云港市，東鄰鹽城市，南連揚州市和安徽省滁州市，西鄰宿遷市，是江蘇省省轄市。該市現下轄四區四縣（清河區、清浦區、淮陰區、楚州區和金湖縣、盱眙縣、漣水縣、洪澤縣），面積１．０１萬ｋｍ２。

淮安市屬黃淮平原與江淮平原的結合部，全市境內無高山，地勢西高東低，以平原為主。境內河湖交錯，水網縱橫，京杭大運河、淮河貫穿全境，洪澤湖、白馬湖鑲嵌其中，是國家歷史文化名城。境內為溫帶季風氣候，四季分明，年平均氣溫１４ ℃，年平均降水量９４０ ｍｍ，年日照時數２ １３０～２ ４３０ ｈ。

改革開放以來，特別是近年來，淮安的經濟建設和各項社會事業取得了長足發展。２００５年，全市總人口為５２７．７７萬人，全年實現地區生產總值５６１．８１億元，農村居民人均純收入達到４ ０２４元，在崗職工平均工資達到１４ １３６元。

２研究方法

２．１土地利用景觀數據獲取

以淮安市１９８８年的Ｌａｎｄｓａｔ-５ ＴＭ和２００５年的Ｌａｎｄｓａｔ-７ ETM+影像數據為基礎，結合１∶１０0 000地形圖以及其他輔助資料，通過人工目視解譯與計算機遙感圖像自動解譯分類，得到２個時期的土地利用預分類圖，提取了２個時期的土地利用／覆被信息。參考中國科學院“中國資源環境數據庫”土地利用遙感分類體系，將研究區域土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用土地六類，統計出不同土地利用景觀的面積。為了保證數據的可靠性，對分類結果進行精度評價。從土地利用分類圖上各隨機采樣８５０塊，Ｋａｐｐａ指數在０．７３以上，超過了最低允許判別精度Ｋａｐｐａ指數≥０．７０的要求［4］。

２．２土地利用景觀格局分析模型［5］

１）土地利用景觀多樣性指數。土地利用景觀多樣性指數反映了土地利用景觀類型的多少和各景觀類型所占的比例。如果景觀是由單一要素構成的，景觀是均質的，其多樣性指數是０；由兩個以上的要素構成的景觀，當各景觀類型所占比例相等時，其景觀的多樣性最高；各景觀類型所占比例差異增大，則景觀的多樣性下降。土地利用景觀多樣性指數計算公式為：

Ｈｉ＝-ＰｉｊlnＰｉｊ（１）

式中，Ｈｉ——第i年土地利用景觀多樣性指數；Ｐｉｊ——第ｉ年第ｊ種景觀類型土地面積占土地總面積的比例；ｍ——土地利用景觀類型的總數。

２）土地利用景觀優勢度指數。土地利用景觀優勢度指數用于測度區域土地利用景觀類型中占支配地位的一種或幾種景觀類型的控制程度。其計算公式為：

Ｄｉ＝Ｈｍａｘ+ＰｉｊlnＰｉｊ （２）

Ｈｍａｘ＝ｌｎｍ （３）

式中，Ｄｉ——第ｉ年土地利用景觀優勢度指數；Ｈｍａｘ——研究區域各土地利用景觀類型面積相等時的多樣性指數；其他參數同上。

３）土地利用景觀均勻度指數。土地利用景觀均勻度指數是描述土地利用各景觀類型分配的均勻程度。其計算公式為：

Ｅｉ=×100% （４）

Ｈ′＝-ln（Ｐｉｊ2）（５）

式中，Ｅｉ——第ｉ年土地利用景觀均勻度指數；Ｈ′——修正后的Ｓｉｍｐｓｏｎ指數；其他參數同上。

２．３生態系統服務功能劃分與生態系統服務價值計算

２．３．１生態系統服務功能劃分生態系統服務功能是指區域生態系統與生態過程所形成的、維持人類生存的自然環境條件及其效用［6］，不同的學者對其劃分方式不同。Ｃｏｓｔａｎｚａ等［7］將生態系統服務功能分為１７種，即氣體調節、氣候調節、干擾調節、水調節、水供應、防侵蝕、土壤形成、養分循環、廢物處理、傳粉、生物防治、避難所、食物生產、原材料、基因資料、休閑旅游和文化。而我國學者謝高地等［3］在此基礎上，針對中國大陸陸地生態系統的特點，將陸地生態系統服務功能分為氣體調節、氣候調節、水源涵養、土壤形成與保護、廢物處理、生物多樣性維持、食物生產、原材料生產、休閑娛樂等９項。該研究采用謝高地等［3］的研究成果。

２．３．２單位面積生態系統服務價值的確定１９９７年Ｃｏｓｔａｎｚａ等［7］在《自然》雜志上發表的《全球生態系統服務價值和自然資本》一文，使生態系統服務價值評估的原理與方法從科學意義上得以明確，但該研究中某些數據存在較大偏差，如對耕地的估計過低，對濕地估計又偏高等。鑒于此，國內學者謝高地等［3］在Ｃｏｓｔａｎｚａ等［7］提出的評價模型基礎上，對國內２００位生態學者進行了問卷調查，得出了中國陸地生態系統服務價值當量因子（表１）。該當量因子利用生態系統服務功能之間相互貢獻的大小和農田食物生產服務經濟價值評價區域生態系統服務價值，比以往評價方法更為全面，具有更強的針對性［８］。

表1是定義１個當量因子為１ ｈｍ２全國平均產量的農田每年自然糧食產量的經濟價值，其經濟價值等于全國平均糧食單產市場價值的１／７，其他生態系統服務價值當量因子是指生態系統的各項生態服務相對于農田食物生產服務貢獻的大小，由此便可將權重因子轉換成生態系統服務價值。參照謝高地等［3］的方法，根據淮安市實際情況，依據公式（６）可以計算得到淮安市單位面積農田生態系統提供食物生產服務的經濟價值。

Ｅａ＝ （６）

式中，Ｅａ為單位面積農田生態系統年提供食物生產服務的經濟價值；ｉ為糧食作物種類，淮安市糧食作物主要有稻谷、小麥；ｐｉ為ｉ種糧食作物的全國平均價格；ｑｉ為ｉ種糧食作物單產；ｍｉ為ｉ種糧食作物播種面積；Ｍ為糧食作物播種總面積。

２．３．３生態系統服務價值及其變化量估算計算生態系統服務價值時價值系數按以下原則操作：耕地對應農田；林地對應森林；草地對應草地；水域對應水體；未利用地對應荒漠；建設用地的生態系統服務價值為０。據此可測算出各類土地利用景觀類型單位面積年度生態系統服務價值。生態系統服務價值的計算公式為：

ＥＳＶ＝（Aj·Cj） （７）

式中，ＥＳＶ——年生態系統服務價值（元／年）；Ａｊ——研究區域第ｊ種土地利用景觀類型的土地面積（ｈｍ２）；Ｃｊ——第ｊ種土地利用景觀類型的單位面積年生態系統服務價值［元／（ｈｍ２·年）］。２００５年，淮安市小麥播種面積２１．８６３萬ｈｍ２，單產４ ８９０ ｋｇ／ｈｍ２，全國主產區收購價格為１ ３８０元／ｔ，稻谷播種面積２６．９４８萬ｈｍ２，單產７ ５００ ｋｇ/ｈｍ２，全國主產區收購價格為１ ５５３元／ｔ，由此得出淮安市農田自然糧食產量的經濟價值為１ ３５０．４４元／ｈｍ２。比照中國陸地生態系統服務價值當量因子，得到淮安市２００５年不同土地利用景觀類型單位面積的生態系統服務價值（表２）。

２．３．４土地生態風險指數為建立土地利用景觀類型與區域綜合生態風險之間的聯系，利用各土地利用景觀類型的面積，構造各土地利用景觀類型的生態風險指數（ＥＲＩ）［９］，用于描述土地綜合生態風險的相對大小，計算公式如下：

ＥＲＩ＝（８）

式中，Ａｊ為第ｊ種土地利用景觀類型面積；Ａ為土地總面積；Ｗｊ為第ｊ種土地利用景觀類型所反映的生態風險強度參數。

３結果與分析

３．１各類土地利用景觀面積變化分析

淮安市１９８８和２００５年２個時段土地利用狀況如圖１。由圖１、表3可知，１９８８-２００５年該區域土地利用景觀發生了巨大變化，主要表現在建設用地和耕地有所增加，其他土地利用景觀類型均呈減少趨勢，其中水域由１９８８年的３ ５４９．４３ ｋｍ２減少到２００５年的２ ９４６．６０ ｋｍ２，減少１６．９８％；林地減少４７０．９６ ｋｍ２；未利用地減少了１９１．７１ ｋｍ２；草地減少了１７３．０２ ｋｍ２；耕地由１９８８年的３ ７８５．４５ ｋｍ２增加到２００５年的４ ６６９．６０ ｋｍ２，增長２３．３６％；建設用地增加５５４．３７ ｋｍ２。

３．２土地利用景觀格局變化分析

利用公式（１）至公式（５）計算出淮安市１９８８和２００５年的土地利用景觀多樣性指數、優勢度指數和均勻度指數（表４）。由表４可見，１９88－２００5年淮安市土地利用景觀多樣性指數、均勻度指數總體呈現下降趨勢，分別從１９８８年的１．３８２ ５、６６．０９％下降到２００５年的１．２４４ ７、５９．０４％。隨著土地利用景觀多樣性指數、均勻度指數的下降，土地利用景觀優勢度指數總體呈現上升的態勢，從１９８８年的０．４０９ ３增加到２００５年的０．５４７ ０。這些指標的變化，一方面說明人類活動不斷增強，人類對自然景觀的影響逐漸增大，但另一方面反映研究區的景觀多樣性在下降，復雜度在降低，各土地利用景觀類型在面積上分布的不均勻程度增大，土地利用向單一化和集約化方向發展，表現在研究期內耕地景觀在研究區域占絕對優勢，遠遠超過其他景觀類型，且耕地景觀面積占總面積的比例在研究期內呈上升趨勢，即從１９８８年的３９．１３％增加到２００５年的４８．２７％；各種土地利用景觀類型面積占總面積比例的差值增大，如１９８８年比例最大值與最小值之差為３６．６６個百分點（耕地為３９．１３％、未利用地為２．４７％），２００５年比例最大值與最小值之差為４７．７８個百分點（耕地為４８．２７％、未利用地為０．４９％）。

３．３生態系統服務價值變化分析

根據２．３．３中介紹的方法，利用公式（７）計算出淮安市１９８８和２００５年生態系統服務價值（表５）。由表５可見，構成淮安市ＥＳＶ的主要土地利用景觀類型是水域和耕地。１９８８和２００５年，水域和耕地的ＥＳＶ之和占總ＥＳＶ的比例分別為８８．７５％和９３．１３％，表明研究期內這兩者的生態服務功能在總體生態服務功能中的地位越來越突出。研究期內淮安市的ＥＳＶ總體呈減少趨勢，從１９８８年的２８８．０７億元減少到２００５年的２４３．２０億元，減少了４４．８７億元，減少１５．５８％。在土地利用景觀類型中，除耕地的生態系統服務價值在研究期內有所增加外，其余土地利用景觀類型的生態系統服務價值均有不同程度減少，其中，減少最多的是水域，減少３７．４３億元；其次為林地，減少１３．９０億元。

３．４土地生態風險指數動態變化

土地生態風險強度參數的確定采用層次分析的指數標度法。首先通過專家判斷用半定量的賦值方法確定各土地利用景觀類型的相對風險程度等級值，然后計算出各因素的相對重要性和各土地利用景觀類型對某一因素的相對重要性順序，最后得出各土地利用景觀類型的風險強度參數。韋仕川等［１０］在研究東營市土地生態風險強度參數時，曾將耕地、草地、林地、水域、建設用地、未利用地的生態風險強度參數分別設定為０．１１２ ７、０．０７５ ７、０．０７１ ４、０．０７９ １、０．２５３ ８、０．０８４ ４。采用這一研究成果，利用公式（８）計算出淮安市１９８８和２００５年的土地生態風險指數分別為０．１０５和０．１１８。由此可見，淮安市在研究期內的土地生態風險指數呈增加趨勢，增加了０．０１３，表明隨著土地利用變化，淮安市的土地生態安全總體上呈現出惡化的趨勢。

４結論

１９８８-２００５年淮安市土地利用景觀多樣性指數、均勻度指數總體呈現下降趨勢，優勢度指數總體呈現上升趨勢，說明淮安市土地利用趨于集約化和單一化，一方面表現在研究期內耕地景觀在研究區域中占絕對優勢；另一方面表現在各種土地利用景觀類型面積占土地總面積比例的差值增大。

土地利用的集約化和單一化引起區域生態系統服務價值下降。１９８８-２００５年淮安市生態系統服務價值減少了４４．８７億元，減少１５．５８％，這主要是由于水域與林地的面積下降導致的。同時，土地生態風險指數也增加了０．０１３，表明淮安市的土地生態安全總體上呈現出惡化的趨勢。因此，該地區今后應提高土地集約節約利用水平，通過土地整治來增加耕地和滿足經濟發展對土地的需求，控制耕地和建設用地占用林地、水域的行為，以促進土地資源的可持續利用。

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