冀东平原农业景观格局与生态服务价值研究——以滦县为例

赵志刚，王凯荣，向开成，谢小立

（1.湖南农业大学 生物科学安全技术学院，长沙 410128；2.青岛农业大学 农业生态与环境健康研究所，山东 青岛 266109；3.中国科学院 亚热带农业生态研究所，长沙 410125；4.宜春学院 生命科学与资源环境学院，江西 宜春 336000）

农业景观一般指草地、耕地、林地、树篱及道路等多种景观斑块的镶嵌体，表现为物种生存于其中的各类破碎化栖息地的空间网格［1］；广义的农业景观包括农田、果园及厂矿、人工林地、农场、牧场、水域和村庄等生态系统，以农业特征为主，是人类在自然景观基础上建立起来的自然生态结构与人为特征的综合体［2］。景观空间格局是景观生态学的重要研究内容之一，最常用的定量化研究方法［3］是用景观指数描述景观格局特征，建立景观格局与生态过程之间的联系，生态系统服务价值指人们能够直接或者间接从生态系统功能中获取的产品和服务［4］，近年来生态系统服务价值的研究逐渐成为生态学研究的一个热点问题。本文参照Costanza等［4］人提出的生态服务价值计算方法，以景观之间的转化数据为基础，以冀东平原典型区域——河北滦县为例分析生态系统服务价值的变化，并借助土地利用图进行分类，结合GIS和Fragstats软件进行计算与分析，研究农业景观格局与动态变化，并简要探究景观格局与生态系统服务之间的相关性，这些内容对深入研究生态系统服务与景观格局的内在变化，进一步揭示生态系统服务变化的驱动机制具有重要意义，并可为指导冀东平原区域农业生产和农业景观生态设计与发展规划提供科学依据。

1 研究区概况与数据来源

滦县地处冀东燕山南麓，滦河西畔，总面积1027 .67km2，是传统农业大县。其地理坐标118°14′—118°49′E、39°34′—39°58′N；辖13个镇，全县地势北高南低，山丘面积约占22%，中部、南部为滦河冲积平原，地势平坦，约占全县的60.4%，县域河道纵横，有滦河、沙河、白龙河等11条河流。滦县属季风性大陆气候区，全年平均气温10.5℃，常年平均降雨量为715mm。

本研究采用1996年、2009年滦县土地利用现状图及矢量化图，结合滦县区域的实际情况，将其农业景观类型划分为6种类型（表1）:林地景观、农田景观、园地景观、建设地景观、水域景观、荒地景观。使用ArcGIS 9.3将矢量数据栅格化（图1），并将栅格数据导入Fragstats 3.3中进行景观空间格局指数的计算。

表1 滦县农业景观类型

图1 1996年、2009年滦县农业景观类型

2 研究方法

2.1 景观格局指数

景观指数是景观格局信息的高度浓缩，能定量反映其结构组成和空间配置特征，能建立景观结构与过程间的联系，更好地解释与理解景观功能。许多学者应用该理论和方法在土地利用、环境和自然保护、农业等方面作了大量的工作，依此描述建设用地景观的形态及分布情况，取得了较好效果［5－6］。

本文主要选取表现景观要素、分布和形状特征的指标，包括斑块总面积（CA）、斑块密度（PD）、最大斑块指数（LPI）、分维数（PFD）、稳定性指数（SK）。各个指标的表达公式及其生态学意义可以参见文献［7－9］。

2.2 生态系统服务评估指标

生态系统服务评估指标的选取是以生态系统服务功能为基础。在本研究中，参照Daily［10］、联合国千年生态系统评估（MA）［11］和谢高地等［12］的方法，将滦县生态系统的服务功能划分为产品服务和生命支持服务2个层面，服务类型包括供给、调节和文化服务3大类型，形成食物生产、原材料、气体调节、气候调节、水源涵养、废物处理、土壤保持、生物多样性保护、娱乐文化9项评估指标。

2.3 生态系统服务价值评估方法

食物生产与原材料价值由净第一性生产力、标准煤价格求算［13］；根据植被净初级生产力、光合作用反应方程式与瑞典碳税率及工业制氧价求算气体调节价值［14］；依照单位面积绿地改善区域温度、湿度等能力及改善所需人工费用来估算气候调节价值；通过降雨径流率与植被覆盖度以及库容成本求算水源涵养价值［15］；依据植物对SO2、滞尘等的吸收能力及治理费用估算废物处理的潜在价值［16］；依据潜在和实际土壤侵蚀量估算土壤保持量［17］，结合土壤中N，P，K含量和化肥平均价格估算土壤形成与保护价值［18］；依据费用支出法考虑用于生物多样性保护所需要经济价值成本来测算生物多样性的经济价值［19］；通过市场价值法估算区域旅游娱乐综合收入测算娱乐文化的经济价值［20］。

以Costanza的研究方法［4］为基础，确定生态系统服务价值评估公式为:

式中:ESVi——第i类农业景观系统的生态服务价值（元）；VCij——第i类农业景观系统的第j种土地生态系统服务类型单位面积价值［元／（hm2·a）］；Ai——第i类土地利用类型的面积（km2）；ESV——研究区生态系统总生态服务价值。

3 结果与分析

3.1 农业景观面积转移矩阵分析

由表2可以看出，研究区的各农业景观类型面积在1996—2009年间均发生较大变化。林地主要集中于西北坡地区域，面积较小，占研究区比例为5.59%，其2009年面积达到26.81km2，面积增加主要是由农田和荒地转变来，这主要是由于研究年份间增加了农田防护林的建设与加大了荒地绿化利用，荒地与林地的转换主要发生在西北坡地区域。农田景观面积最大，两期面积均占到总面积的50%以上，但1996—2009年总面积比例降低了10.73%，分析农田的转出方向可以发现，该类型用地在研究时期内主要转变为城市建设用地，其次是园地和林地，相较于农田用地的转出状况，其转入面积并不显著。建设地快速扩展，从1996年的108.91km2增加为2009年的184.22km2，主要由农田和荒地转化而来，农田与荒地对2009年建设地贡献比例分别为39.32%和7.25%，1996年原有建设地贡献为46.02%。园地景观面积略有上升，从1996年的41.35km2增加为2009年的49.42km2，主要是和农田进行面积转换。水域和荒地面积呈减少趋势，研究时段内分别降低了12.32%和23.20%，水域主要转换为农田、荒地和建设地，而农田和荒地的补充也相对较多，主要原因在于1996—2009年间农田的集约化，导致部分农田建设重新布局，新增和填埋部分坑塘水面产生面积转换，而水域与荒漠的转化也多发生在滩涂与河流间的面积交换。

表2 1996－2009年各景观面积相互转移矩阵 km2

3.2 农业景观类型水平上的格局指数

最大斑块指数（LPI）值的大小可反映景观类型的优势度［7］。由图2看出，1996—2009年，研究区一直占据优势和主导地位的景观类型是农田景观，这与研究区平原地势的自然条件相吻合，但13a间农业优势度总体下降明显，由41.50%降为12.15%。1996年，荒地、林地和建设地景观最大斑块指数分别为1.42%，0.80%，0.77%；2009年，建设地景观变化较大，13a上升差值为5.43，仅次于农田景观类型，林地、荒地值少量增加，园地、水域基本无变化。这主要是1996年以来，随着工业化发展与人口增加引起交通用地、建设用地的增多，及国家退耕还林措施的开展，部分农田转化为建设地与林地。2009年建设地景观优势度显著增长，明显高于其它景观类型，这期间农用地的减少及分割引起农业景观优势度的迅速降低。

斑块密度（PD）大小可以反映景观斑块的分化程度或破碎化程度［7］。由图2看出，1996—2009年景观斑块的数量和格局发生了一定程度的变化。1996年荒地、建设地、园地景观列前三位，水域、林地、农田景观为后三位；2009年顺序改变为:建设地、林地、园地、荒地、农田和水域景观。其中建设地、林地、农田3类景观斑块密度值增加；园地、荒地、水域三类景观斑块密度值减少。说明在研究年份间，人类活动增加了林地、建设地景观斑块建设，农田景观由于受到其它斑块的影响，造成破碎化程度增加，密度提高。荒地景观由于利用率增加，水域景观中如坑塘水面的填埋占用，园地景观的整合与规模化经营等导致这些景观斑块密度的降低。

图2 1996年、2009年水平格局指数 图31996 年、2009年复杂性与稳定性指数

3.3 农业景观类型分维数与稳定性指数

分维数（PFD）是其运用了分维理论来测量斑块和景观的空间形状复杂性，其值介于1.0～2.0之间［9］。分维数对土地利用变化是相当敏感的［21］，因此分维数是反映景观格局总体特征的重要指标，它的变化在一定程度上也反映了人类活动对景观格局的影响程度［22］。根据分维数进一步可以计算地类空间结构稳定性指数，其值越大，空间结构越稳定，可为科学利用土地与景观空间分析提供参考［9］，计算公式为［23］:SK＝│1.5－PFD│，SK为地类空间结构稳定性指数。

由图3可以看出，1996年林地、园地和建设地景观分维数值较低，表明其形状较规则，这是由于平原区域属自然原型的林地较少，该区域多为次生林或人工林，园地和建设地在前期也较为规整，而农田的分维数值较大，其形状相对复杂，说明1990s农田的开发度较高，在一些土地欠规整区域也以农田景观为主；大部分水域、荒地是以自然景观为主，因此形状也相对复杂。

至2009年，建设地景观的分维数增幅最快，由1996年的1.11升高至1.23，说明建设地对空间的快速扩张增加了其景观形状的复杂性；人类活动对于农田景观的相对减弱致农田处于收缩趋势，部分复杂农田景观由于地形与耕作难度大被摈弃，因此农田景观分维数由1.31降至1.25；林地和园地的总面积增加而分维数变化不明显，说明林地和园地景观的增加区域依然以较规则的人工建设为主；坑塘水面的占用致使河流、湖面等自然水域景观的水域比重增加，因而其景观形状复杂性增加；荒地景观复杂性的增加主要是由规整区域土地利用率的提高导致。整体上看，1996年，农田景观稳定性最低，园地与建设地景观最为稳定，这与其为人工建设、结构简单有关；2009年，由于建设地扩张迅猛，导致复杂性加强，因而稳定性下降最快，而农业景观稳定性增加最快，林地、园地稳定性变化不大。

3.4 各类景观生态服务价值（ESVi）计算

为方便比较，引入生态服务价值贡献系数（C），即该类景观生态服务价值所占区域生态服务总价值比例与某类景观面积所占总面积比例的比值。C越大说明i类景观的生态价值贡献越大。生态服务价值变化率是2009年与1996年生态服务价值之差再与1996年的生态服务价值的比值。

由表3可知，在生态服务价值构成中，居于前三位的是农田、园地和林地，其次是水域和荒地景观，建设地景观由于对环境的消耗作用而评估为负值。农田由于面积最广，因此其生态服务价值在1996年和2009年分别为16319 .98万元和14567 .60万元，所占生态服务价值的比例分别为58.88%和55.22%；林地所占生态服务价值比例分别为18.79%和26.55%；园地分别占到19.37%和24.33%。园地的生态服务价值贡献系数测算为最大，这是由于其除具有一般林地的功能外，还主要由食物生产的价值。林地与水域价值基本相当，农田对于生态服务价值的贡献系数小于1，荒地贡献系数不足0.5。这种结果既与生态服务价值系数的大小有关，又反映了不同景观对于维持生态系统服务价值的各自作用。从生态服务价值变化率可以发现各景观生态服务价值波动，其中林地、园地生态服务价值增加，农田、河流和荒地的生态服务价值降低，建设地由于贡献率为负值，因此变化率增加其生态服务价值量在降低。其中林地的价值变化最大，约增加了1796 .58万元，其次是园地，约增加了1048 .83万元。建设地由于增加最快，因此其服务价值下降最多，达到1856 .42万元，其次是农田，其服务价值减少了1752 .38万元。

表3 1996－2009年各类景观生态服务价值

3.5 各景观间生态服务价值的流向分析

根据各景观类型面积转化数据计算景观之间的相互转化所引起的生态服务价值的损益，即PLig＝ΔVC×Aig，PLig为1996年第i类景观转化为2009年第g类景观后的生态服务价值损益，ΔVC是第i类景观和第g类单位面积总生态系统服务类型价值差值，Aig是1996年第i类景观转化为2009年第g类景观的面积。

将景观类型生态服务价值的增减视为流动的，生态服务价值的增加视为流入，生态服务价值的减少视为流出（表4）。由表4可以看出，林地、园地和水域的服务价值主要流出到农田、建设地和荒地。农田的服务价值主要流出到建设地和荒地。荒地的服务价值也主要流出到建设地。而建设地和荒地的流出均有利于服务价值的增加。从纵列合计来看，1996—2009年间林地、园地和水域的流出造成的服务价值的损失为6706 .91万元。农田、建设地和荒地的流入带来的服务价值增加量为5370 .71万元，总量减少了1336 .19万元。因此，研究年份间各景观的转化是有损于整体农业生态系统服务价值，而要保持农业景观生态服务价值更好地发展，则需要更加合理的景观格局。

表4 1996－2009年各类景观生态服务价值流向损益 万元

4 农业景观格局演变与生态服务价值关联性

4.1 农业景观格局演变对土壤保持的影响

不同的农业景观类型对土壤的作用不同，其中，林地、园地景观对涵养水源，保持水土的作用最强，因此，林地、园地景观面积的增加可以提高农业生态系统土壤保持，而农田、荒地、建筑地景观的增加会提高水土流失，扩大水土流失的面积。本研究中，农田、建设地、荒地等向园地、林地流动获得了较大的生态服务价值，其中部分价值差来自对土壤保持的增加，因此，改变各景观类型的面积比例，可以形成有利于区域合理的景观结构，如减少坡地处农田、建设地集约化、提高荒地绿地面积等措施可有效提高区域生态服务价值。此外，盛学斌等［24］的研究还表明，景观格局的演变会引起土壤中有机质、全N、全P、全K等养分呈有规律的改变，当土地由草地变为林地、旱地变为林地、旱地变为水田时，总体养分增多，这些也会对供给、调节服务产生影响，从而改变区域生态服务价值的评估。

4.2 农业景观格局演变对生物多样性的影响

农业景观相较城市景观，其与自然景观联系更为密切。因此，林地、农田、水域等景观类型的破碎化对物种多样性有严重影响。生境破碎化是世界范围内生物多样性最严重的威胁之一［25］。景观格局演变是一个动态过程，其生境破碎化会造成原始生境损失、生境斑块缩小、生境斑块孤立等特征。本研究表明大面积斑块（如农田、建筑地、林地等）表现为斑块密度增加，斑块数量增多，农田与林地平均斑块面积逐渐减小，斑块逐渐变得孤立，斑块受边缘影响程度增加。这些斑块间物理环境的改变，缩小某一类生境的斑块面积，影响到种群的大小和灭绝速度；同时在不连续的片段中，残留面积的再分配会影响物种的散布和迁移，这些因素都会影响到生物多样性，进而影响生态服务价值中这类指标的评估。

4.3 农业景观格局演变对生态环境的影响

景观格局与生态过程之间存在紧密关联，区域地表水环境污染是重要的生态过程之一。农业景观格局一般是非点源污染过程，主要包括农田的农药化肥使用、禽畜养殖排污等。一般是源（景观）的污染物通过径（景观）进入汇（景观），不同景观的源、汇特征、组合的数量比例和空间分布的排列方式，均对非点源污染产生影响［26］。本研究中，1996—2009年间农田面积的降低，减少了源（景观）污染物的排放，同时也降低了径（景观）和汇（景观）的污染物的流动，部分原因应该是2009年相关类型景观生态服务价值贡献系数的升高。此外，温仲明［27］等在黄土丘陵区纸坊沟流域开展的近60a来土地利用景观变化的环境效应研究表明，随着由林草植被占优的景观格局演变为由坡耕地占优的景观格局，流域环境状况逐步恶化，而随着流域治理工作的开展，林草植被在景观中的优势度得以逐渐恢复，流域环境状况逐渐恢复乃至接近1938年植被未被破坏时的水平。这些研究均表明农业景观格局的变化对生态环境的影响会间接导致生态服务价值的波动。

5 结论

（1）研究表明，13a来，滦县农业景观格局变化较大，其中农田景观优势度降低、建设地景观优势度增高，其他类景观相对变化较小，景观整体破碎度增大，景观斑块形状趋于简单。从空间分布趋势来看，林地、园地景观向西北部坡地转移明显，建设地景观主要集中于中部平原区域。

（2）生态服务价值评估表明，园地、水域、林地景观对服务价值的贡献率较大，13a来滦县县域生态服务价值减少了1336 .19万元，其中建设地景观扩展是生态服务价值减少的最主要因素。生态服务价值变化同农业景观格局演化之间紧密相关，景观斑块面积、景观斑块种类、斑块数量及破碎度等指数的变化都会引起区域生态服务价值变化。

（3）景观格局演变除自然因素外，更多的是由人类活动的影响所造成的，一般人类活动的社会经济和政策因素对景观影响较大［28］。因此，可通过经济调节与政策约束等保护区域林地、园地、水域等关键景观类型，增加其面积比例，同时加大有效网络面积和连通性，减少干扰以免斑块破碎度增加，这些都可增强冀东平原区域的生态系统服务价值，更好地支撑和保证该区域的可持续发展。

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