基于生态功能评价的盘锦湿地景观格局优化研究

成 遣，陈福江,王铁良,郭成久

（沈阳农业大学水利学院，沈阳 110161）

景观格局的变化对生态过程产生影响，而生态过程又影响着生态功能的发挥。研究景观格局、生态过程和生态功能的相互作用有利于有效管理生态资源。除此之外，在生态系统内部通过调整和优化各种景观类型的空间和数量分布，可以提升生态功能和生态过程，实现景观生态效益的最大化[1-3]。

近年来，景观格局优化研究使用的优化模型越来越多样化，这取决于研究视角和研究区域的时空尺度[4]。一些学者应用整体规划方法和灰色规划理论实现了对不同景观模式的优化研究，结果证明了上述研究方法的有效性。但是，由于上述传统生态过程模拟方法难以对景观格局的多目标要求进行优化，在实际应用中不能完全满足景观规划和生态建设的具体要求，导致最终不能用这些方法来系统地解决区域生态环境问题。随着计算机技术和3S 技术的不断发展，空间模型已经成为当前景观格局优化的主要研究方法。在空间模型中，马尔可夫模型、细胞自动机（CA）模型和最小累积阻力（MCR）模型应用最为广泛[5-7]。目前的研究大多是CA 模型和Markov 模型，用于改进土地利用类型的优化分析，这些模型没有反映各种生态系统服务功能的生态过程的影响。与以上模型不同，MCR 模型是通过生态过程克服景观阻力机制来实现的，从而有效地表现了景观的空间分布模式与生态过程之间的关系。该模型可以实现数量结构和空间格局的优化提升，结合连通性指数检验优化成果[8-9]。国内已有学者将该方法应用于湿地景观格局优化研究，但由于使用MCR模型优化景观时只考虑了连通性的影响，忽略了其他环境因素的影响，造成优化成果与现实情况存在偏差[10]。

盘锦湿地是我国典型的滨海湿地，是辽河三角洲的重要组成部分，具有重要的科研价值和经济价值，受到越来越多学者的关注并进行深入研究。他们的研究成果包括湿地的时空监测、湿地生态适宜性评价、湿地景观格局演变分析、湿地生态功能和湿地生态环境[11-15]。上述研究成果为盘锦湿地的保护、恢复和规划提供了丰富的科学依据。然而，关于盘锦湿地景观格局的优化研究的文献却鲜有报道。为实现湿地资源的优化配置和提升其生态功能，本研究以盘锦湿地为研究对象，采用MCR模型，选择影响景观变化的主导驱动因素作为关键影响因素，综合考虑生态功能、地形特征和景观格局等多种因素影响，建立了适合盘锦湿地生态环境和景观演变特点的优化方法。

1 材料与研究方法

1.1 研究区概况

盘锦湿地是典型的滨海湿地，位于辽河三角洲的中心地带，地理位置位于东经121°30'～122°31'，北纬40°45'～41°27'之间，总面积为39.205×104hm2，年平均降水量为622.3 mm，平均蒸发量为1669.5 mm，年平均日照时间为2 917.5 h。盘锦湿地内有白鹳、黑鹳、白尾海雕、白天鹅和丹顶鹤等珍稀水禽，是我国重要的水禽栖息地。图1为盘锦湿地地理位置分布图。

图1 盘锦湿地位置分布图Figure 1 Panjin wetland distribution map

1.2 数据采集和预处理

盘锦湿地的遥感影像数据主要是由UCGS 网站提供的1989年和1999年（Landsat 7 ETM+）以及2009年和2020年（Landsat 8 OLI）的卫星遥感影像，分辨率为30 m。为提高解释的准确性，在ErdasImagine10 平台上对遥感图像进行了图像校正和镶嵌处理。本研究参考以往学者的现有研究成果，将盘锦湿地景观分为旱地、河流、居民地、芦苇、水田、滩涂和养殖池塘7 种类型[16-18]。比对目视解译与监督分类的结果，采用总体精度和Kappa系数影像的分类精度进行评定（表1）。结果表明解译成果满足精度要求。图2 为1989，1999，2009，2020 年盘锦市湿地景观类型分布图。

表1 遥感影像分类精度Table 1 Accuracy of remote sensing image classification

图2 1989，1999，2009，2020年盘锦湿地景观类型分布Figure 2 Distribution of landscape types in Panjin wetland in 1989, 1999, 2009 and 2020

1.3 生态服务价值估算方法

根据盘锦湿地的生态特征和社会经济特征，参照MA（millennium ecosystem assessment，2005）将生态系统服务分为供给服务、调节服务、文化服务和支持服务。最终的评估体系有8 个评价指标，包括物质生产功能、气候调节功能、水质净化功能、海岸保护功能、生物多样性维护功能、旅游休闲功能、教育研究功能和历史文化功能。评价方法包括市场价值法、影子工程法、碳税法、替代法、专家评估法、生态价值法、成本支出法和条件价值法[19-20]。

1.3.1 市场价值法 市场价值法一般适用于有市场价值物品的估算，以提供的产品和服务的市场价格为依据。其计算方法为：

式中：V为产品价值；Yi为第i类产品数量；Pi为第i类产品价格。

1.3.2 碳税法 碳税法是指物质产量换成植物固定CO2和释放O2的量。根据国际上和我国对CO2排放的收费情况，估算出固定CO2和释放O2的经济价值。其计算方法为：

1.3.3 替代法 替代法基本原理是能替代所开发项目造成的损失的费用。

1.3.4 专家评估法 专家评估法是广泛邀请相关领域的专家积极参加预测，最大程度地发挥专家集体效应，以取得最优结果。

1.3.5 生态价值法 生态价值法是以人们对生态功能的支付和物种自身价值来估算其生态经济价值的方法。

1.3.6 费用支出法 费用支出法是从消费者角度出发评价生态环境效益的方法。一般考量人们对环境效益的支出价值。

1.3.7 条件价值法 条件价值法是对类似生态环境这种无形效益的评估方法。一般采用问卷的方式来了解人们的支付意愿，并估算其经济价值。

1.4 MCR模型

MCR 模型主要是描述物质或能量在流动过程中需要克服的阻力。该模型能很好的描述生态源在空间上的运动状态。其基本公式为[21-25]：

式中：MCR为物质和能量流动的最小累积阻力；f为函数代表景观模式下某一地点的阻力；Dij是生态源j与某一景观的距离，是生态源j与景观单元i的距离；Ri是景观单元i的阻力值。

1.5 连接性指标

连通性可以很好地表达一个景观的生态功能的强度。良好的连通性有助于景观的生态功能。连通性的两个重要指标是整体连通性指数（IIC）和可能连通性指数（PC）。通常用于计算关键点的重要性值（dI），其计算公式为[26-30]：

式中：I为所有关键点值；Ir为某一关键点消失后的剩余关键点值。

1.6 地形位指数

地形位指数可以很好的描述景观格局与坡度和高程之间的相互作用，其计算公式为：

式中：T是地形位指数；E和是任意一点的高程和区域平均高程；S和是任意一点的坡度和区域平均坡度。

分布指数可以消除由面积差异引起的量纲影响，计算公式为：

式中：P是分布指数；e是地形因子；Sie是在地形因子e下的第i类景观面积；Si是第i类景观面积；Se是区域地形因子e下的景观总面积；S是区域总面积。

2 结果与分析

2.1 湿地景观类型面积变化

由表2 可知，1989-2020 年，自然湿地景观面积呈缩小趋势，从1989 年的140 984.106 hm2减少到2020 年的100 538.401 hm2，其中减少最多的是滩涂，减少15 352.381 hm2；人工湿地景观面积呈增加趋势，从1989 年的181 405.400 hm2增加到2020年的215 847.761 hm2，其中增加最多的是水田，增加30 462.861 hm2；非湿地景观面积略有增加，增加6 003.36 hm2。虽然旱地面积减少，但居住用地面积迅速扩大，增加19 929.572 hm2。总的来说，水田、养殖塘和居民地面积的增加，反映了水田、养殖塘和居民地的数量增加，也反映了人类活动的频率和强度的增加。

表2 1989-2020年盘锦市湿地景观类型面积的变化Table 2 Changes in the area of landscape types in Panjin wetland from 1989-2020

2.2 生态功能价值估算

2.2.1 物质生产功能 该功能用市场价值法进行评估。盘锦市全年粮食产量109.9×104t，其中水稻产量95.6×104t。按照当年水稻价格4 660 元·t-1计算，水稻价值量为45.75×108元。根据遥感解译芦苇沼泽面积为70 989.33 hm2，芦苇产量为6 000～7 500 kg·hm-2。盘锦湿地水源充分，芦苇长势良好，因此取7 500 kg·hm-2，以400元·t-1的市场价格计算，每年的芦苇产值为2.01×108元。2020 年保护区水产品产量达30.6×104t，总价值为54.54×108元。各部分求和可得出盘锦湿地的物质生产功能的总价值为102.31×108元。

2.2.2 气候调节功能 该功能采用碳税法进行评估。芦苇产量为53 9091 t，得到盘锦湿地植物总固C 量为87.87×104t，释放O2量为64.69×104t。参考我国的造林成本和国际碳税标准，采用两者的平均值627元·t-1作为估算数据，估算出固C 的价值为5.51×108元，按制氧400 元·t-1，释放O2价值为2.59×108元。由此得出气候调节功能的总价值为8.1×108元。

2.2.3 净化水质功能 采用替代法进行评估。盘锦湿地作为盘锦市重要水源地，其水质直接关系当地人民的健康及未来工农业生产发展水平。盘锦市年平均工业排放污水量约1 531.23×104t。按处理费用0.6 元·t-1计算，得出净化水质功能的总价值为0.09×108元。

2.2.4 护岸功能 该功能采用专家法进行评估。抵御风暴洪水的成本价值为60 197～211 936元·hm-2，由于研究区内风暴出现的频率低，所以采用其最低值，结合滩涂的景观面积，估算出生态系统护岸价值为9.01×108元。

2.2.5 维持生物多样性功能 该功能采用生态价值法评估。我国每年自然保护区投入费用约为350元·km-2，盘锦湿地总面积为392 100 hm²，由此得到盘锦湿地的维持生物多样性价值为1.47×108元。

2.2.6 旅游休闲功能 该功能采用费用支出法评估。2020 年辽宁省单位面积旅游效益223.1 元·hm-2，盘锦湿地面积为392 100 hm²，得出旅游休闲功能价值为0.88×108元。

2.2.7 科研服务功能 该功能采用专家评估法评估。公式为：

式中：Vt是科研服务价值；P是投入的单位面积研究经费；S为保护区面积。结合我国（382元·hm-2）和国际生态系统的科研投入值（6 888 元·hm-2），取两者的平均值3 635 元·hm-2作为估算依据，得到科研服务功能价值为14.23×108元[31]。

2.2.8 历史文化功能 该功能采用条件价值法评估。通过调查人们的支付意愿推算历史文化功能价值。本研究采用崔丽娟等[32]对扎龙湿地非使用价值的研究，以支付意愿（WTP）40.00元和城镇职工12 336万人进行计算，得到历史文化功能价值为49.35×108元。

2.2.9 生态功能总价值 由表3可知，通过功能价值法估算出的盘锦湿地的生态功能总价值为185.44×108元。其中，物质生产功能价值最大，价值为102.31×108元，其次是历史文化功能，价值为49.35×108元。物质生产功能和历史文化功能是该区域的主导生态功能。

表3 盘锦湿地生态系统服务价值Table 3 Value of ecosystem services in Panjin wetland

从以上估算结果可以看出，盘锦湿地的生态功能价值并不限于物质生产价值。在湿地开发利用过程中，不应忽视湿地的文化和社会价值，以避免过度追求经济利益。

2.3 不同景观在地形位级别上的分布

由图3可知，在1989-2020年期间，不同景观类型在地形位上的分布及其变化规律不相同。旱地的优势位集中在第8 级别上，1～7 级别上有较平稳的过渡，第9 级别以后地形位分布指数逐渐下降。河流的优势位集中在第1级别上，随后在1989，1999，2020年呈现急剧下降，然后在3～9级别上又缓步上升的趋势。居民地的优势地形位在2020 年集中在第1 级别上，而1989，1999，2020 年则集中在第2 级别上，随后在各自年份呈现出平稳下降的趋势。芦苇的地形位指数分布大体与居民地类似，1989～2020 年间的优势地形位都集中在第2 级别，随后在3～10级别上平稳下降。养殖场的优势地形位出现在第10级别，而且在1～8级别上较为平稳过度，而在9～10地形位上出现了急剧上涨，尤其是1999年的地形位指数出现峰值。滩涂的地形位呈现出与养殖场类似的情况。水田的地形位曲线在1989-2020年期间较为平滑，在1～3级别上缓步上升，4～10级别上缓步下降。总体来看，低地形位区主要分布着水田、居民地、芦苇，中地形位区主要分布着河流和滩涂，而养殖场的地形位呈现分布不均匀的特征。

图3 研究区各景观类型在地形位指数梯度上的分布Figure 3 Distribution of the landscape type on a topographic position index gradient

2.4 生态功能的空间分布

以盘锦湿地的生态功能价值为基础，得到各景观类型的生态功能值（表4），将各景观类型的生态功能值制成空间网格，网格大小设定为100 m×100 m，得到盘锦湿地生态功能强度的空间分布图（图4）。生态功能强度越高，生态流的阻力越小，景观间的能量传递越容易。相反，生态功能强度越低，生态流的阻力就越大。

由图2 和图4 可知，景观生态功能强度的分布图来看，芦苇、河流和滩涂景观附近的生态功能强度最高。西南部的旱地、水田和养殖塘附近的生态功能强度相对较低。这一结果是由以下原因造成的。首先，近年来城市的不断扩张导致大面积农田被侵占，农田在空间上被分割，景观被严重割裂。其次，在经济利益的驱动下，一些滩涂资源被开发为养殖塘，常年受到人为干扰，导致景观稳定性低，生态功能弱。因此，可以看出盘锦湿地景观的生态功能强度的空间变异性很大。

2.5 生态源地、生态廊道和生态节点的构建

根据源汇理论和结合优势地形位，从单位面积服务价值高的芦苇、河流和滩涂中提取生态源，但考虑到生态源地的结构、数量和空间地形分布，最终选择核心斑块大于100 hm2的芦苇和盘锦湿地区域中心区的河流和滩涂作为生态源地(图5a)。这些生态源地对控制和促进区域生态功能的稳定发挥着重要作用。因此，应加强这些地区的生态环境保护，并在生态源地周围建立50～100 m的缓冲带，以提高景观的生态功能。

由图5b 可知，景观阻力自西向东逐渐递增。其中，旱地和居民地这种非湿地景观类型对生态源地斑块的运行阻力较大，而作为生态源地的景观的阻力最低。从用于确定景观功能流运行的最小耗损强度的景观阻力耗损面，可以得到景观生态廊道的空间位置（图5c）。生态节点一般与相邻的生态源相连，并且往往分布在生态廊道中生态功能最弱的区域。在本研究中，盘锦湿地的生态节点位于最大和最小耗损路径的交汇处，以及最大或最小耗损路径的不连续处（图5c）。

2.6 景观生态功能关键区域的优化效果分析

在盘锦湿地确定了生态源附近的关键节点和不同景观生态源。分布图中西北部的芦苇旱地与水田交界处和西南部的滩涂与养殖池交界处，由于常年受到人为干扰，景观破碎化程度相对较高，是景观优化的关键区域，对景观连通性影响最大（图6）。因此，生态廊道的分布生态廊道和生态节点的分布密度在上述地点最高。

图6 生态节点整体连通性和可能连通性Figure 6 Overall connectivity and potential connectivity of ecological nodes

2.7 景观优化分区

本研究综合考虑景观生态功能强度、生态廊道和生态节点空间分布并结合《盘锦市国土空间总体规划（2021-2035）》中“一轴一带两翼五城多点”的城市规划理念来确定盘锦湿地的景观优化分区。建设性地将盘锦湿地景观格局划分为维护区、恢复区、强化区和保护区。保护区主要分布在芦苇、河流和滩涂周围，是生态保护的核心区域（图7）。保护区内的湿地资源，建立缓冲区，可以为水禽提供生态栖息地，并实施保护措施，避免人为干扰。强化区是许多重要生态节点的分布区，建议提高该区域的植被覆盖率和多样性。恢复区主要分布在大部分旱地和水田区域，破碎化程度较高，人为干扰破坏较为严重，自然生态廊道不是很发达，建议在该地区加强农田生态网络建设，将农田、道路、缓冲区结合起来，形成多层次的生态网络结构。维护区主要分布在旱地和居民地景观分布区的东部，属于边缘区，建议加强边缘区的多样性和镶嵌性。由于部分生态维护区位于中部区域的主干道上，存在部分景观被切割，降低了景观之间的连通性。为解决这一问题，建议在主干道两侧修建绿化带，提高景观之间的连通性。

图7 盘锦湿地景观优化分区Figure 7 Optimized zoning of the Panjin wetland landscape

3 讨论与结论

由于城市化进程的加快，对盘锦湿地的人为干扰不断加剧，造成景观结构和格局的明显变化。从景观面积变化和结构变化来看，1989-2020年，自然湿地面积逐年减少，而人工湿地面积逐年增加。芦苇、滩涂和河流景观分别减少15 789.123，15 352.381，9 304.201 hm2；而养殖塘和水田景观面积分别增加30 462.861 hm2和3 979.484 hm2。从景观结构变化来看，随着盘锦湿地自然湿地的逐渐减少，景观结构发生明显变化，影响了湿地景观间的连通性，引发湿地景观的生态过程和生态功能的变化。从盘锦湿地的生态功能价值来看，物质生产功能和历史文化功能是最主要的生态功能，在生态功能中发挥主导作用，说明盘锦湿地不仅具有经济价值，还具有较高的文化价值和社会价值。从景观生态功能值的空间分布来看，盘锦湿地景观的生态功能强度的空间变异性大，自然湿地景观附近，尤其是西部的芦苇和南部的河流的生态功能值最高，而人为干扰频繁的景观类型附近，如旱地、水田和养殖塘的生态功能值较低。从景观优化分区来看，景观生态保护区主要分布于芦苇、河流及滩涂周围，是生态保护的核心区域。景观生态强化区分布着许多重要生态节点，应尽可能增加节点附近的生境的多样性并提高植被覆盖度。景观生态恢复区主要分布于绝大多数的水田、旱地区域，破碎化程度高，受到人为干扰破坏比较严重。景观生态维持区主要分布于东部的旱地与居民地景观分布区，属于边缘地带，应强化边缘地带的多样性和镶嵌性。

本研究在进行景观格局优化过程中综合考虑了地形特征、生态系统自身功能和景观格局特征等影响，使得评价结果更接近真实情况，避免了只考虑连通性而造成评价结果的偏差，但在估算生态功能值时，由于选择的方法不同，结果也会存在差异。此外，景观格局的形成和发展是自然和人文因素共同作用的结果，并受到社会和经济政策的影响，因此，在湿地景观格局优化过程中，需要根据实际情况进行调整。