景观格局变化及生态服务价值响应在千阳县的应用研究

王 占，袁占良

(河南理工大学测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454003)

景观格局的演变是研究区域人类活动与经济发展的重要基础，量化景观指数是研究区域景观格局演变过程的基本方法；生态系统服务是生态系统与生态过程所形成及所维持的人类赖以生存的自然环境条件与效应[1-3]。两者均能直观表示区域内自然与人类活动的变化过程，但两者又相互制约、相互作用。景观格局变化必然导致生态系统组分、结构与生态过程及生物多样性等发生强烈改变，对生态系统服务产生显著的影响[4-5]。生态系统服务的丧失和退化影响着景观类型变化的结构和效率，严重影响着人类安全与健康，直接威胁着区域乃至全球的生态安全[6]。研究景观格局变化及生态系统服务响应能有效掌握区域生态环境变化趋势，合理分配利用土地，提高区域生态质量，促进人类与自然的和谐可持续发展[7-9]。

生态系统服务价值评价是量化和分析生态系统服务功能强弱、制定生态环境建设补偿政策的重要前提[10]。国际上主要以Costanza[2]等提出的基于效用价值理论和平衡值理论的生态系统服务价值评估模型，但该方法准确度较低，不符合中国国情。我国谢高地等人[11]参照国外的研究结果，对我国区域生态系统服务价值进行估算和动态变化分析，较为系统地诠释了中国生态系统服务价值的空间分布规律。彭建等人[12]参考Costanza的研究成果，定量评价了我国区域景观格局变化的生态效应。李志等人[13]计算了王东沟流域土地利用的生态服务价值，结果说明景观格局变化与生态服务效应具有相关性。陈希等人[14]采用景观指数和生态服务价值当量估算方法，定量分析了湘江流域近30年来不同类型景观的景观格局变化特征和生态服务价值。

千阳县地处陕西西部渭北旱原丘陵沟壑区，是陕西贫困山区农业县，“人多地少、土地资源有限”是千阳县的实际情况[15]。以千阳县作为研究对象，将RS、GIS与景观指数相结合，基于生态系统服务价值的数学模型，定量化分析景观格局变化与生态系统服务价值的响应，并通过敏感性指数验证结果可靠性，研究结果可为千阳县后续合理利用土地、分配优势资源、促进区域可持续性发展提供科学依据，同时为国家在黄土高原区域的生态保护、土地利用、资源分配等政策制定提供理论参考。

1 研究区概况

千阳县位于陕西西部，地处渭北旱塬丘陵沟壑区，地形地貌为“七山二塬一分川”。全县土地总面积1 007.48 km2，境内辖7镇65个行政村，总人口13.4万人，其中农业人口11.1万人；境内海拔710～1 545.5 m，相对高差835.5 m，属暖温带半湿润大陆性季风气候；年均气温10.9℃，年均降水677.1 mm，无霜期197 d。境内渭河支流千河横贯东西，主要景观类型为耕地、林地、草地、建设用地、水体、未利用地。

2 数据来源及方法

2.1 数据来源及数据预处理

选用2000、2005、2010年Landsat TM影像及2015年Landsat OLI影像，利用ENVI5.1软件对遥感影像进行预处理，辐射纠正、几何纠正和图像配准，进一步在人机交互的方式下解译。以《土地利用现状分类》为基本方法，根据具体的研究目标和研究区实际情况，将景观类型划分为林地、草地、耕地、建设用地、水体及未利用地6大景观类型，经野外实际取点验证，准确率达到85%以上。

2.2 研究方法

2.2.1 景观格局演变

景观指数是指能够高度浓缩景观格局信息、反映其结构的组成和空间配置某些方面特征的简单定量指标[16]。根据需要，选取了斑块类型面积(CA)、斑块面积比例(PLAND)、斑块数(NP)、景观形状指数(LSI)、聚集度(CLUMPY)、斑块密度(PD)、最大斑块指数(LPI)、平均斑块面积(AREA_MN)。景观水平上选取斑块数(NP)、斑块密度(PD)、香农均匀度(SHEI)、香农多样性(SHDI)、景观形状指数(LSI)、景观丰富度(PR)、蔓延度(CONTAG)、最大斑块指数(LPI)、平均斑块面积(AREA_MN)来说明各景观类型面积、复杂度、破碎度等空间特征。

土地利用程度用于分析区域土地利用的广度和深度，能够定量化反映自身自然属性和人类与自然环境的综合效应[17-18]。

式中:Lu为土地利用程度综合指数；Pi为第i级土地利用程度分级指数；Qi为第i级土地利用程度分级面积百分比。

2.2.2 ESV评估

目前生态系统服务价值的评估主要以Costanza[2]等提出的生态价值估算方法为主，但由于该方法适用性较弱，误差较大，因此谢高地[8]等人在Costanza评价模型的基础上提出了估算我国生态系统服务价值的价值当量因子表。生态系统服务价值系数的计算公式如下：

式中：VC0为ESV当量因子的价值量(元hm-2a-1)；P为平均粮食价格(元/kg)；Q为研究区平均粮食产量(kg/hm2)；n为年份数。价值当量乘以农田自然粮食产量的经济价值，即可定量化出景观类型单位面积生态价值。评估千阳县ESV的公式为：

ESVf=∑(Ak×VCfk)

式中：ESV是生态系统服务价值(元)；Ak为景观类型K的面积(hm2)，VCk为ESV系数(元hm-2a-1)；ESVf为生态系统第f项服务功能价值；VCfk为景观类型k的第f项服务功能价值系数(元hm-2a-1)。

2.2.3 敏感性验证

为验证选用的VC是否适合本研究区，选用敏感性指数(Coefficient of Sensitivity，CS)来分析。敏感性分析是指在得到模型的最优解后无论模型中若干个参数变化多少，仍能保持原最优解的条件不变[19]。ESV和VC在时间变化下的依赖关系可以通过敏感性指数来确定。敏感性指数(CS)指VC变化1%将会引起ESV的1%的变化，如果CS>1，表明ESV对VC是富有弹性的，结果的准确性越低，引用的VC就越不准确；CS<1，则表明ESV对VC是缺乏弹性的[20]，VC引入合适，结果可信。CS的计算公式如下：

式中：CS为敏感度，指VC变动1%引起的ESV的变化情况；VC为生态价值系数；i和j是初始价值系数和调整后的系数；k代表景观类型。

3 结果与分析

3.1 景观类型水平变化特征分析

从各景观类型的景观指数变化情况分析(表1)，2000-2015年，随着人类活动的不断增加，耕地各景观指数呈下降趋势，景观形状指数下降13.14%，表明耕地景观类型趋于规则，与聚集度指数对比，耕地景观类型的连通性增加，破碎化程度降低；林地作为该研究区的优势景观类型，与草地有类似的指数变化趋势，两者斑块数和斑块密度指数整体下降，但都在2015年有小幅回升，说明林地景观类型与草地景观类型整体形状趋于简单规则，在2015年由于自然及外界因素的干扰，破碎度随之提升，景观异质性增强；随着城乡城市化的加速发展，研究区建设用地的斑块面积比例和最大斑块指数都在逐年增加，代表着人类活动的干扰强度增强，同时未利用地得到了有效利用；水体在研究区内面积有所减少，聚集度和景观形状指数降幅最大，说明在人类活动的干预下该区域水体破碎程度严重。

表1 2000-2015年千阳县景观类型水平指数Tab.1 Level index of Qianyang County landscape type from 2000 to 2015

3.2 景观级别水平变化特征分析

从表2中看出，研究区2000-2015年景观形状指数持续减少，说明该研究区内人类的活动干预使景观形状趋于集中，但在研究期间，斑块数和最大斑块指数一直呈现减少趋势，表明研究区总体呈破碎趋势，景观优势度下降，蔓延度持续增长，说明优势斑块形成了良好的连通性，且该优势斑块区域扩大。研究区香农多样性和香农均匀度指数变化趋势相同，呈现先增加后减少再增加的趋势，总体表现有所提高，说明2000年景观多样性和均匀度最小。此时研究区内各景观斑块类型分布最不均匀，多样性差，连通性较弱。直到2015年，景观多样性与均匀度较2000年有所提升，说明研究区内各景观斑块类型分布趋于均匀，景观的优势度逐渐降低，多样性提高。

表2 2000-2015年千阳县景观级别水平指标Tab.2 Landscape level indicators of Qianyang County from 2000 to 2015

3.3 景观类型面积变化特征及相互转化关系分析

图1为研究区4期土地利用类型图。根据表3发现，2000-2015年，各景观类型面积都发生了变化，其中耕地面积总体变化量最大，并且在2000-2005年变化量达到峰值，总体变化量为-7 378.301 hm2；草地面积先增后减，整体面积保持增加趋势，总体变化量为3 383.4 hm2；林地面积逐年上升，总体变化量为3 705.42 hm2；建设用地面积保持增长态势，在2005-2010年达到增长峰值，总体变化量为284.540 hm2；水体面积先增后减，总体面积增加，总体变化量为191.66 hm2；未利用地面积总体减少，从2005年开始减弱趋势放缓，总体变化量为-186.72 hm2。由表4发现，近15年间，研究区转出面积最大的景观类型是耕地，占总转出面积的90.51%，与之相应的转入面积最大的类型分别为林地和草地，分别占总转入面积的49.59%和43.65%。该结果表明，研究区受政府政策影响，为了恢复自然生态，防止水土流失及人类破坏，将部分耕种区域和坡度较大的不适宜耕种的地区转移为林地和草地，部分耕地转化为建设用地，而未利用地大部分转变为水体，使未利用地得到了充分利用。此外，随着大面积的耕地分散转移，水体面积的增加及未利用地的充分利用，使得研究区的整体生态环境逐步趋好，生态系统服务功能得到提高。

图1 千阳县2000-2015年4期土地利用类型图Fig.1 Land use type of Qianyang County from 2000 to 2015

表3 各景观类型面积变化量及百分比Tab.3 Area change and percentage of each landscape type

表4 2000-2015年景观类型面积转移矩阵 (hm2)Tab.4 Landscape type area transfer matrix from 2000 to 2015 (hm2)

3.4 土地利用程度分析

由研究区4期土地利用程度指数(表5)看出，2000-2015年，土地利用程度指数呈逐步上升趋势，均高于全国平均值231；2015年，土地利用程度指数最大，说明近15年千阳县在土地利用层面有了巨大改善，土地得到有效利用且土地利用趋于均匀，土地利用多样性增强，景观的功能性得到了提升。

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

3.5 生态系统服务价值变化分析

3.5.1 总体生态系统服务价值的变化

根据计算的研究期生态服务价值(表6)可以看出，研究区近15年总体ESV呈现上升趋势，总体上升4.34%，但从各年变化率看，这种上升趋势在明显减弱。从各景观类型角度来说，2000-2015年，除耕地和未利用地的ESV下降以外，其他各景观类型的ESV均有不同程度的上升，其中林地的ESV增加了83.087×105元，增幅为7.67%；水体的ESV增加了9.05×105元，增幅为15.31%；草地的ESV增加了25.138×105元，增幅为23.1%，是各景观类型中增幅最大的景观类型。耕地的ESV下降了52.321×105元，降幅达21.46%；而未利用地的ESV降幅最大，达到97.17%，下降了0.08×105元。总体上说，研究区在研究期间的总体ESV上升了64.873×105元，变化率为4.34%，虽然未利用地的ESV降幅最大，但未利用地ESV基数较低，产生的影响并不大，而耕地ESV的下降直接影响了林地与草地ESV的上升，对研究区总体ESV的增加起着关键的引导作用。

表6 2000-2015年不同景观类型的生态系统服务价值及变化量Tab.6 Value and change of ecosystem services of different landscape types from 2000 to 2015

3.5.2 单项生态系统服务价值的变化

从单项生态系统服务价值的变化上来看(表7)，2000-2015年，研究区食物生产功能价值的降幅最大，下降6.132×105元，降幅达13.66%；价值增长最多的是生物多样性，增涨11.23×105元，增幅达6.91%。2000-2005年，各单项功能价值变化幅度最为明显，其中水源涵养服务价值增长最多，增涨价值达10.581×105元，增幅达4.85%。2005-2015年，各单项功能价值变化趋势减弱，直到2010年后，各单项生态系统服务价值的变化率达历年最低，浮动最小。从研究区整体单项构成来说，各单项服务功能价值可概括为：土壤形成与保护>水源涵养>生物多样性保护>气体调节>气候调节>废物处理>原材料>娱乐文化>食物生产。土壤形成与保护服务功能价值最高，占总功能价值的18.25%，其次是水源涵养服务功能，占总体服务价值的14.9%，再次是生物多样性保护、气体调节、气候调节服务功能，三者合计占总体服务价值的39.69%，食物生产占总体服务价值的比例最低，仅为2.49%，其主要原因是林地与草地类型的增加提高了区域生态环境质量，直接影响了土壤形成与保护和水源涵养服务功能，提高了区域水土保持和涵养水源的能力，导致土壤形成与保护及水源涵养服务价值得到了提高。由于部分耕地类型转变为林地与草地，加之政府部门推动现代化城镇建设及娱乐文化服务价值的提高，影响了食物的生产能力，导致该区域食物生产服务价值下降。

表7 2000-2015年千阳县生态系统服务价值结构变化Tab.7 Changes in the value structure of ecosystem services in Qianyang County from 2000 to 2015

3.6 敏感性分析

将各景观类型的生态服务价值系数进行50%的调整，根据敏感性指数变化(图2)可以看出：总体景观类型的敏感性指数均小于1；2000-2015年，林地的敏感性指数最大，其敏感性指数均大于0.51，并逐年增长，代表当林地的生态服务价值系数改变1%时其总生态服务价值至少改变0.51%；此外水体的敏感性指数最低，均小于0.1，代表当水体的生态服务价值系数改变1%时其总生态服务价值最多改变0.06%。综上所述，研究区各景观类型的敏感性指数均小于1，表明所采用的价值系数是非弹性的，适用于研究区的实际情况，其生态服务价值估算结果可信。

图2 2000-2015年生态系统服务价值敏感性指数变化Fig.2 Changes in the sensitivity index of ecosystem services from 2000 to 2015

4 结论与讨论

从景观格局来说，2000-2015年，千阳县景观类型变化明显，耕地转出比例90.51%，大部分转为林地与草地，转入面积分别为4 066.56 hm2和3 579.3 hm2。此外，耕地景观类型形状趋于规则，聚集度及连通性增强。林地与草地景观类型的斑块数和斑块密度指数整体下降，2010年后又有小幅提升，说明受自然和外界因素干扰，破碎度提升，景观异质性增强。随着人类活动的干预，建设用地的斑块面积比例和最大斑块指数都在逐年增加，水体的聚集度和景观形状指数下降，说明在人类活动的干预下，该区域水体破碎程度严重，未利用地得到充分利用。从景观级别水平变化特征分析，2000-2015年，斑块数和最大斑块指数一直呈现减少趋势，表明研究区总体呈破碎趋势，景观优势度下降。蔓延度、香农多样性与香农均匀度指数的增长说明近15年间千阳县景观多样性、均匀度和连通性得到提升，景观类型分布均匀，景观优势度降低，景观多样性提高。

从生态系统服务价值来说，近15年的千阳县ESV呈上升趋势，总体上升4.34%。从各景观类型的ESV来看，2000-2015年，除耕地与未利用地的ESV呈下降趋势外，其他景观类型的ESV均有不同程度的上升，其中草地的ESV增幅最大，达23.1%。从单项ESV的变化情况来看，近15年的食物生产功能价值降幅最大，达13.66%。千阳县的生态服务价值主要由土壤形成与保护、水源涵养、生物多样性保护功能价值构成，其中土壤形成与保护占总功能价值的18.25%。分析得出，ESV的变化与景观格局的变化息息相关，景观类型的转变影响着ESV的价值走向，决定着区域生态服务价值的大小。

敏感性验证结果表明，研究区的ESV对VC缺乏弹性，采用的价值系数适用于研究区的实际情况，得出的ESV准确可信。近15年，土地利用程度指数逐渐提高，均大于国家平均水平231，表明土地利用趋于稳定和规范，土地得到了有效利用。

但是，ESV估算模型在准确性和时效性上仍有待提高，其较适用于长时间序列中的生态系统服务价值估算，不同的生态服务功能有其不同的功能量化估算公式，不同的生态服务功能估算公式又适用于不同的生态系统，如何更好地整合和提高现有的生态服务功能估算方法、并将生态服务功能价值量化是下一步需要研究和探索的重点。