景觀格局變化及生態服務價值響應在千陽縣的應用研究

王 占，袁占良

(河南理工大學測繪與國土信息工程學院，河南 焦作 454003)

景觀格局的演變是研究區域人類活動與經濟發展的重要基礎，量化景觀指數是研究區域景觀格局演變過程的基本方法；生態系統服務是生態系統與生態過程所形成及所維持的人類賴以生存的自然環境條件與效應[1-3]。兩者均能直觀表示區域內自然與人類活動的變化過程，但兩者又相互制約、相互作用。景觀格局變化必然導致生態系統組分、結構與生態過程及生物多樣性等發生強烈改變，對生態系統服務產生顯著的影響[4-5]。生態系統服務的喪失和退化影響著景觀類型變化的結構和效率，嚴重影響著人類安全與健康，直接威脅著區域乃至全球的生態安全[6]。研究景觀格局變化及生態系統服務響應能有效掌握區域生態環境變化趨勢，合理分配利用土地，提高區域生態質量，促進人類與自然的和諧可持續發展[7-9]。

生態系統服務價值評價是量化和分析生態系統服務功能強弱、制定生態環境建設補償政策的重要前提[10]。國際上主要以Costanza[2]等提出的基于效用價值理論和平衡值理論的生態系統服務價值評估模型，但該方法準確度較低，不符合中國國情。我國謝高地等人[11]參照國外的研究結果，對我國區域生態系統服務價值進行估算和動態變化分析，較為系統地詮釋了中國生態系統服務價值的空間分布規律。彭建等人[12]參考Costanza的研究成果，定量評價了我國區域景觀格局變化的生態效應。李志等人[13]計算了王東溝流域土地利用的生態服務價值，結果說明景觀格局變化與生態服務效應具有相關性。陳希等人[14]采用景觀指數和生態服務價值當量估算方法，定量分析了湘江流域近30年來不同類型景觀的景觀格局變化特征和生態服務價值。

千陽縣地處陜西西部渭北旱原丘陵溝壑區，是陜西貧困山區農業縣，“人多地少、土地資源有限”是千陽縣的實際情況[15]。以千陽縣作為研究對象，將RS、GIS與景觀指數相結合，基于生態系統服務價值的數學模型，定量化分析景觀格局變化與生態系統服務價值的響應，并通過敏感性指數驗證結果可靠性，研究結果可為千陽縣后續合理利用土地、分配優勢資源、促進區域可持續性發展提供科學依據，同時為國家在黃土高原區域的生態保護、土地利用、資源分配等政策制定提供理論參考。

1 研究區概況

千陽縣位于陜西西部，地處渭北旱塬丘陵溝壑區，地形地貌為“七山二塬一分川”。全縣土地總面積1 007.48 km2，境內轄7鎮65個行政村，總人口13.4萬人，其中農業人口11.1萬人；境內海拔710～1 545.5 m，相對高差835.5 m，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候；年均氣溫10.9℃，年均降水677.1 mm，無霜期197 d。境內渭河支流千河橫貫東西，主要景觀類型為耕地、林地、草地、建設用地、水體、未利用地。

2 數據來源及方法

2.1 數據來源及數據預處理

選用2000、2005、2010年Landsat TM影像及2015年Landsat OLI影像，利用ENVI5.1軟件對遙感影像進行預處理，輻射糾正、幾何糾正和圖像配準，進一步在人機交互的方式下解譯。以《土地利用現狀分類》為基本方法，根據具體的研究目標和研究區實際情況，將景觀類型劃分為林地、草地、耕地、建設用地、水體及未利用地6大景觀類型，經野外實際取點驗證，準確率達到85%以上。

2.2 研究方法

2.2.1 景觀格局演變

景觀指數是指能夠高度濃縮景觀格局信息、反映其結構的組成和空間配置某些方面特征的簡單定量指標[16]。根據需要，選取了斑塊類型面積(CA)、斑塊面積比例(PLAND)、斑塊數(NP)、景觀形狀指數(LSI)、聚集度(CLUMPY)、斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(LPI)、平均斑塊面積(AREA_MN)。景觀水平上選取斑塊數(NP)、斑塊密度(PD)、香農均勻度(SHEI)、香農多樣性(SHDI)、景觀形狀指數(LSI)、景觀豐富度(PR)、蔓延度(CONTAG)、最大斑塊指數(LPI)、平均斑塊面積(AREA_MN)來說明各景觀類型面積、復雜度、破碎度等空間特征。

土地利用程度用于分析區域土地利用的廣度和深度，能夠定量化反映自身自然屬性和人類與自然環境的綜合效應[17-18]。

式中:Lu為土地利用程度綜合指數；Pi為第i級土地利用程度分級指數；Qi為第i級土地利用程度分級面積百分比。

2.2.2 ESV評估

目前生態系統服務價值的評估主要以Costanza[2]等提出的生態價值估算方法為主，但由于該方法適用性較弱，誤差較大，因此謝高地[8]等人在Costanza評價模型的基礎上提出了估算我國生態系統服務價值的價值當量因子表。生態系統服務價值系數的計算公式如下：

式中：VC0為ESV當量因子的價值量(元hm-2a-1)；P為平均糧食價格(元/kg)；Q為研究區平均糧食產量(kg/hm2)；n為年份數。價值當量乘以農田自然糧食產量的經濟價值，即可定量化出景觀類型單位面積生態價值。評估千陽縣ESV的公式為：

ESVf=∑(Ak×VCfk)

式中：ESV是生態系統服務價值(元)；Ak為景觀類型K的面積(hm2)，VCk為ESV系數(元hm-2a-1)；ESVf為生態系統第f項服務功能價值；VCfk為景觀類型k的第f項服務功能價值系數(元hm-2a-1)。

2.2.3 敏感性驗證

為驗證選用的VC是否適合本研究區，選用敏感性指數(Coefficient of Sensitivity，CS)來分析。敏感性分析是指在得到模型的最優解后無論模型中若干個參數變化多少，仍能保持原最優解的條件不變[19]。ESV和VC在時間變化下的依賴關系可以通過敏感性指數來確定。敏感性指數(CS)指VC變化1%將會引起ESV的1%的變化，如果CS>1，表明ESV對VC是富有彈性的，結果的準確性越低，引用的VC就越不準確；CS<1，則表明ESV對VC是缺乏彈性的[20]，VC引入合適，結果可信。CS的計算公式如下：

式中：CS為敏感度，指VC變動1%引起的ESV的變化情況；VC為生態價值系數；i和j是初始價值系數和調整后的系數；k代表景觀類型。

3 結果與分析

3.1 景觀類型水平變化特征分析

從各景觀類型的景觀指數變化情況分析(表1)，2000-2015年，隨著人類活動的不斷增加，耕地各景觀指數呈下降趨勢，景觀形狀指數下降13.14%，表明耕地景觀類型趨于規則，與聚集度指數對比，耕地景觀類型的連通性增加，破碎化程度降低；林地作為該研究區的優勢景觀類型，與草地有類似的指數變化趨勢，兩者斑塊數和斑塊密度指數整體下降，但都在2015年有小幅回升，說明林地景觀類型與草地景觀類型整體形狀趨于簡單規則，在2015年由于自然及外界因素的干擾，破碎度隨之提升，景觀異質性增強；隨著城鄉城市化的加速發展，研究區建設用地的斑塊面積比例和最大斑塊指數都在逐年增加，代表著人類活動的干擾強度增強，同時未利用地得到了有效利用；水體在研究區內面積有所減少，聚集度和景觀形狀指數降幅最大，說明在人類活動的干預下該區域水體破碎程度嚴重。

表1 2000-2015年千陽縣景觀類型水平指數Tab.1 Level index of Qianyang County landscape type from 2000 to 2015

3.2 景觀級別水平變化特征分析

從表2中看出，研究區2000-2015年景觀形狀指數持續減少，說明該研究區內人類的活動干預使景觀形狀趨于集中，但在研究期間，斑塊數和最大斑塊指數一直呈現減少趨勢，表明研究區總體呈破碎趨勢，景觀優勢度下降，蔓延度持續增長，說明優勢斑塊形成了良好的連通性，且該優勢斑塊區域擴大。研究區香農多樣性和香農均勻度指數變化趨勢相同，呈現先增加后減少再增加的趨勢，總體表現有所提高，說明2000年景觀多樣性和均勻度最小。此時研究區內各景觀斑塊類型分布最不均勻，多樣性差，連通性較弱。直到2015年，景觀多樣性與均勻度較2000年有所提升，說明研究區內各景觀斑塊類型分布趨于均勻，景觀的優勢度逐漸降低，多樣性提高。

表2 2000-2015年千陽縣景觀級別水平指標Tab.2 Landscape level indicators of Qianyang County from 2000 to 2015

3.3 景觀類型面積變化特征及相互轉化關系分析

圖1為研究區4期土地利用類型圖。根據表3發現，2000-2015年，各景觀類型面積都發生了變化，其中耕地面積總體變化量最大，并且在2000-2005年變化量達到峰值，總體變化量為-7 378.301 hm2；草地面積先增后減，整體面積保持增加趨勢，總體變化量為3 383.4 hm2；林地面積逐年上升，總體變化量為3 705.42 hm2；建設用地面積保持增長態勢，在2005-2010年達到增長峰值，總體變化量為284.540 hm2；水體面積先增后減，總體面積增加，總體變化量為191.66 hm2；未利用地面積總體減少，從2005年開始減弱趨勢放緩，總體變化量為-186.72 hm2。由表4發現，近15年間，研究區轉出面積最大的景觀類型是耕地，占總轉出面積的90.51%，與之相應的轉入面積最大的類型分別為林地和草地，分別占總轉入面積的49.59%和43.65%。該結果表明，研究區受政府政策影響，為了恢復自然生態，防止水土流失及人類破壞，將部分耕種區域和坡度較大的不適宜耕種的地區轉移為林地和草地，部分耕地轉化為建設用地，而未利用地大部分轉變為水體，使未利用地得到了充分利用。此外，隨著大面積的耕地分散轉移，水體面積的增加及未利用地的充分利用，使得研究區的整體生態環境逐步趨好，生態系統服務功能得到提高。

圖1 千陽縣2000-2015年4期土地利用類型圖Fig.1 Land use type of Qianyang County from 2000 to 2015

表3 各景觀類型面積變化量及百分比Tab.3 Area change and percentage of each landscape type

表4 2000-2015年景觀類型面積轉移矩陣 (hm2)Tab.4 Landscape type area transfer matrix from 2000 to 2015 (hm2)

3.4 土地利用程度分析

由研究區4期土地利用程度指數(表5)看出，2000-2015年，土地利用程度指數呈逐步上升趨勢，均高于全國平均值231；2015年，土地利用程度指數最大，說明近15年千陽縣在土地利用層面有了巨大改善，土地得到有效利用且土地利用趨于均勻，土地利用多樣性增強，景觀的功能性得到了提升。

表5 2000-2015年土地利用程度指數Tab.5 Land use index from 2000 to 2015

3.5 生態系統服務價值變化分析

3.5.1 總體生態系統服務價值的變化

根據計算的研究期生態服務價值(表6)可以看出，研究區近15年總體ESV呈現上升趨勢，總體上升4.34%，但從各年變化率看，這種上升趨勢在明顯減弱。從各景觀類型角度來說，2000-2015年，除耕地和未利用地的ESV下降以外，其他各景觀類型的ESV均有不同程度的上升，其中林地的ESV增加了83.087×105元，增幅為7.67%；水體的ESV增加了9.05×105元，增幅為15.31%；草地的ESV增加了25.138×105元，增幅為23.1%，是各景觀類型中增幅最大的景觀類型。耕地的ESV下降了52.321×105元，降幅達21.46%；而未利用地的ESV降幅最大，達到97.17%，下降了0.08×105元。總體上說，研究區在研究期間的總體ESV上升了64.873×105元，變化率為4.34%，雖然未利用地的ESV降幅最大，但未利用地ESV基數較低，產生的影響并不大，而耕地ESV的下降直接影響了林地與草地ESV的上升，對研究區總體ESV的增加起著關鍵的引導作用。

表6 2000-2015年不同景觀類型的生態系統服務價值及變化量Tab.6 Value and change of ecosystem services of different landscape types from 2000 to 2015

3.5.2 單項生態系統服務價值的變化

從單項生態系統服務價值的變化上來看(表7)，2000-2015年，研究區食物生產功能價值的降幅最大，下降6.132×105元，降幅達13.66%；價值增長最多的是生物多樣性，增漲11.23×105元，增幅達6.91%。2000-2005年，各單項功能價值變化幅度最為明顯，其中水源涵養服務價值增長最多，增漲價值達10.581×105元，增幅達4.85%。2005-2015年，各單項功能價值變化趨勢減弱，直到2010年后，各單項生態系統服務價值的變化率達歷年最低，浮動最小。從研究區整體單項構成來說，各單項服務功能價值可概括為：土壤形成與保護>水源涵養>生物多樣性保護>氣體調節>氣候調節>廢物處理>原材料>娛樂文化>食物生產。土壤形成與保護服務功能價值最高，占總功能價值的18.25%，其次是水源涵養服務功能，占總體服務價值的14.9%，再次是生物多樣性保護、氣體調節、氣候調節服務功能，三者合計占總體服務價值的39.69%，食物生產占總體服務價值的比例最低，僅為2.49%，其主要原因是林地與草地類型的增加提高了區域生態環境質量，直接影響了土壤形成與保護和水源涵養服務功能，提高了區域水土保持和涵養水源的能力，導致土壤形成與保護及水源涵養服務價值得到了提高。由于部分耕地類型轉變為林地與草地，加之政府部門推動現代化城鎮建設及娛樂文化服務價值的提高，影響了食物的生產能力，導致該區域食物生產服務價值下降。

表7 2000-2015年千陽縣生態系統服務價值結構變化Tab.7 Changes in the value structure of ecosystem services in Qianyang County from 2000 to 2015

3.6 敏感性分析

將各景觀類型的生態服務價值系數進行50%的調整，根據敏感性指數變化(圖2)可以看出：總體景觀類型的敏感性指數均小于1；2000-2015年，林地的敏感性指數最大，其敏感性指數均大于0.51，并逐年增長，代表當林地的生態服務價值系數改變1%時其總生態服務價值至少改變0.51%；此外水體的敏感性指數最低，均小于0.1，代表當水體的生態服務價值系數改變1%時其總生態服務價值最多改變0.06%。綜上所述，研究區各景觀類型的敏感性指數均小于1，表明所采用的價值系數是非彈性的，適用于研究區的實際情況，其生態服務價值估算結果可信。

圖2 2000-2015年生態系統服務價值敏感性指數變化Fig.2 Changes in the sensitivity index of ecosystem services from 2000 to 2015

4 結論與討論

從景觀格局來說，2000-2015年，千陽縣景觀類型變化明顯，耕地轉出比例90.51%，大部分轉為林地與草地，轉入面積分別為4 066.56 hm2和3 579.3 hm2。此外，耕地景觀類型形狀趨于規則，聚集度及連通性增強。林地與草地景觀類型的斑塊數和斑塊密度指數整體下降，2010年后又有小幅提升，說明受自然和外界因素干擾，破碎度提升，景觀異質性增強。隨著人類活動的干預，建設用地的斑塊面積比例和最大斑塊指數都在逐年增加，水體的聚集度和景觀形狀指數下降，說明在人類活動的干預下，該區域水體破碎程度嚴重，未利用地得到充分利用。從景觀級別水平變化特征分析，2000-2015年，斑塊數和最大斑塊指數一直呈現減少趨勢，表明研究區總體呈破碎趨勢，景觀優勢度下降。蔓延度、香農多樣性與香農均勻度指數的增長說明近15年間千陽縣景觀多樣性、均勻度和連通性得到提升，景觀類型分布均勻，景觀優勢度降低，景觀多樣性提高。

從生態系統服務價值來說，近15年的千陽縣ESV呈上升趨勢，總體上升4.34%。從各景觀類型的ESV來看，2000-2015年，除耕地與未利用地的ESV呈下降趨勢外，其他景觀類型的ESV均有不同程度的上升，其中草地的ESV增幅最大，達23.1%。從單項ESV的變化情況來看，近15年的食物生產功能價值降幅最大，達13.66%。千陽縣的生態服務價值主要由土壤形成與保護、水源涵養、生物多樣性保護功能價值構成，其中土壤形成與保護占總功能價值的18.25%。分析得出，ESV的變化與景觀格局的變化息息相關，景觀類型的轉變影響著ESV的價值走向，決定著區域生態服務價值的大小。

敏感性驗證結果表明，研究區的ESV對VC缺乏彈性，采用的價值系數適用于研究區的實際情況，得出的ESV準確可信。近15年，土地利用程度指數逐漸提高，均大于國家平均水平231，表明土地利用趨于穩定和規范，土地得到了有效利用。

但是，ESV估算模型在準確性和時效性上仍有待提高，其較適用于長時間序列中的生態系統服務價值估算，不同的生態服務功能有其不同的功能量化估算公式，不同的生態服務功能估算公式又適用于不同的生態系統，如何更好地整合和提高現有的生態服務功能估算方法、并將生態服務功能價值量化是下一步需要研究和探索的重點。