天目湖流域景观格局时空变化及生态系统服务价值分析

朱 颖，林静雅，胡义涛，莫晓琪，陈德超，王之峥

(1.苏州科技大学 建筑与城市规划学院，江苏 苏州 215011；2.苏州科技大学 环境科学与工程学院，江苏 苏州 215011)

景观格局是景观类型空间分布以及结构组成的体现，其发展变化对区域生态过程及生态功能有着重大影响[1-3]。景观指数是研究景观格局的重要方法，能够定量地反映景观格局时空的动态变化趋势[4-5]，并以此确定景观生态系统服务价值的变化[6-8]，从而为区域生态保护和建设提供可靠的决策依据[9-12]。

天目湖流域地处长江三角洲西南部的苏、浙、皖三省交界处，位于宁杭经济带区域中心城市及长三角都市圈内。本区域是典型的丘陵-水网-城镇系统，是目前江苏省着重建设的生态区域之一。随着城镇化的快速发展和深入，天目湖流域生态环境发生较大变化[13-14]，人为深度干扰与生态可持续之间的矛盾凸显，也影响了生态系统的服务功能。本文在前人研究的基础上，综合考虑景观指数的相关性及生态学意义，从景观水平、景观类型水平定量分析天目湖流域景观格局的变化，进而分析其生态系统服务价值的变动，不仅有利于天目湖流域的生态系统服务功能提升的进一步探讨，更对类似地区具有重要的参考意义。

1 研究区概况

天目湖流域位于溧阳市南部，天目山余脉西部，地处119°21′-119°29′E，31°7′-31°20′N，总面积约249 km2。天目湖流域属于太湖水系，沙河、大溪等2座国家级大型水库是流域内水系的主体，沙西河、西干渠、中干渠、溢洪河等河渠构成本地区南北向的水系结构，其他各类小型水库、塘坝密布，成为丘陵汇水区。区域内包含天目湖镇27个行政村，总人口约5.62万人，截止到2016年末，溧阳市城镇化率超过60%以上。本地区属于典型的北亚热带季风气候，雨量充沛，森林覆盖率高，物种资源丰富，不仅是溧阳市生态城市建设的重要基础，也是江苏省重要的物种栖息地。基于良好的资源条件，天目湖流域内建设了多个5A级景区，成为华东地区知名的旅游胜地，每年游客量超过400万人，极大地促进了地区经济发展。

2 研究方法

2.1 数据来源及处理

以研究区域1∶100 000土地利用图形数据为基础，利用ERDAS IMAGING9.3遥感图像处理软件，选择高斯-克里格投影，以天目湖流域1995年、2005年及2015年遥感影像作为数据源，结合实地调查，建立3期景观数据库。参照刘纪远[15]等提出的土地利用分类体系，结合对天目湖流域1995年、2005年以及2015年卫星影像数据的目视解译，将天目湖流域的景观类型分为林地、耕地、水域、建设用地及其他用地5大类。由于林地在天目湖流域比重大，又是本地区的重要物种栖息的主要场所，因此对林地的变化进行深入分析，故依据国家林业局《森林资源规划设计调查主要技术规定》将林地景观类型细分为有林地、疏林地、灌木林地和其他林地4个亚类[16]，以便进一步明确林地的变化，探析其变化对区域生态系统服务价值的影响。

2.2 景观格局指数的选取

景观指数是定量化研究景观格局的工具，不同类型的景观指数反映了景观格局在不同水平上的演变以及景观结构的变化[17-18]，基于景观指数间的相关性[19]，结合研究目标及天目湖流域景观的特征，选取斑块数量(N)、平均斑块面积(AREA-MN)、平均斑块形状指数(SHAPE-MN)、平均斑块分维数(FRAC-MN)、斑块密度指数(PD)、斑块边缘密度(ED)、香农多样性指数(SHDI)、香农均匀度指数(SHEI)、蔓延度指数(CONTAG)等9个反映天目湖流域的景观类型水平和景观水平的指数，运用Fragstat4.2软件进行计算。

2.3 生态服务价值计算模型

参照谢高地[20]等对生态系统服务价值当量的确定，及其对我国不同省份农田生态系统生物量因子的区分[21]，根据《溧阳市统计年鉴》得出2015年溧阳平均粮食产量为7 836 kg/hm2[22]，结合溧阳地区平均粮食价格(2.84 元/kg)，以1个生态服务价值当量经济价值等于当年研究区域平均粮食单产市场价值的1/7为计算依据[23]，得出天目湖流域生态服务价值当量因子的经济价值量位3 179元/hm2，由此计算出天目湖流域不同生态系统单位面积生态服务价值(表1)。

表1 天目湖流域各类生态系统单位面积生态服务价值Table 1 The ecosystem service value per unit area in Tianmuhu watershed

本研究将天目湖流域土地利用类型与生态系统类型对应，林地、耕地、水域、其他用地分别于森林、农田、水体以及草地相对应，建设用地的生态系统服务价值为0[22]。通过价格定量化、价值化，将生态系统的产品、产量与服务量转换为生态经济价值[24]，计算公式如下：

ESV=∑AiVi

式中，ESV为研究区域生态系统服务总价值(元/a)；Ai为研究区内第i种景观类型的面积(hm2)；Vi研究区域第i种生态系统服务总价值(元/a)。

3 结果与分析

3.1 景观总体特征分析

3.1.1 景观类型面积变化分析 根据上述研究方法，得到天目湖流域1995年、2005年以及2015年3个时间段景观类型图(图1)，可以看出，1995年以来，天目湖流域林地面积明显缩减，建设用地面积扩张迅速，水域面积增加。

研究时段内，林地面积减少了4.33%，面积损失536 hm2；耕地面积下降了6.11%，面积缩减了350 hm2；伴随着林地和耕地面积的减少，水域和建设用地的面积则分别增加286 hm2、606 hm2。在5类用地中林地面积损失最大，建设用地面积增长最多。

20 a间，林地景观类型中1 027 hm2的有林地转化为其他各类型用地，导致了有林地在林地中的优势地位逐步丧失；其他林地面积在1995—2005年呈减少趋势，但在2005—2015年呈现出较快速的增长状态，并超越了有林地成为天目湖流域林地景观中的主导组分；疏林地、灌木林地分别增加了125.93%、88.79%，虽然二者面积增速显著，但由于所占份额均比较少，因此对总体景观格局不足以造成较大的影响。此外，分析可知疏林地、灌木林地及其他林地面积的增长总量不足以弥补有林地面积的大量损失，说明有林地的用地转换不仅发生在林地景观的内部，在外部也发生了较多的用地转换。因此，建设用地的增加其主要来源应是有林地，这表明建设用地是导致林地总量下降的根本原因。

3.1.2 景观类型斑块数量及平均斑块面积变化分析 20 a间，天目湖流域总斑块数量增加了51个，平均斑块面积则减少了0.127 9 hm2，其中林地景观类型斑块数量增加最多，增加了70个，平均斑块则减少了1.24 hm2，表明林地景观破碎化态势；耕地斑块数目增加了24个，平均斑块面积减少了1.277 5 hm2，水域斑块减少了24个，平均斑块面积增加了0.525 7 hm2，建设用地斑块减少了29个，平均斑块面积增加了0.567 8 hm2；其他用地斑块数目增加了10个，平均斑块面积增加了0.425 4 hm2。2005—2015年除了林地景观外，耕地、水域、建设用地和其他用地的斑块数量都由下降态势转变为增长态势，而各景观类型的平均斑块面积则变小，表明了这4类景观在2005年后由集聚发展转变为破碎化发展，但水域、建设用地以及其他用地景观仍处于集聚的状态，这一点与耕地的持续破碎化发展变化极为不同，而且其他用地的发展还表现出了一定扩张趋势。

图1 天目湖流域景观格局变化Fig.1 The change of landscape types in Tianmuhu watershed

数据表明，天目湖流域林地斑块数目的增加对总斑块数目的增加具有重要贡献，林地与耕地平均斑块面积的减少也推动了景观总平均斑块面积的降低。由此，天目湖流域在景观水平上呈现出由集聚转为破碎化的发展趋势。

林地景观中，有林地的斑块数目增幅较大，但其平均斑块面积降幅显著，数量多而面积小的状态凸显了有林地的分化趋势；灌木林地的斑块数目增长了31.36%，但其平均斑块面积增加了43.30%，说明灌木林地具有明显的合并及扩张趋势，从侧面也反映了人类活动对有林地和灌木林地的强度干扰；其他林地在天目湖流域的林地景观中比重较大，其斑块数目及平均斑块面积增减明显，体现一定的聚集及扩张的趋势；疏林地20 a间的数据变化，表现出其由强烈的破碎化转向集聚发展趋势。就林地景观而言，灌木林和疏林地虽然表现出强烈的变化特征，但由于其所占比例较小，对整个林地的影响力还较弱，起决定作用的依然是有林地与其他林地，但是其他林地明显的扩张，改变了初始的林地景观的结构。

表2 天目湖流域1995-2015年景观类型面积变化Table 2 Area of landscape type of Tianmuhu watershed during 1995-2015

表3 天目湖流域1995-2015年景观类型斑块数目及平均斑块面积Table 3 Number of patch and average patch area of Tianmuhu watershed during 1995-2015

3.1.3 景观类型斑块形状指数变化分析 形状指数和分维数指标能够反映出景观斑块形状的复杂程度[25]，分维数处于1～2，其大小体现出人为干扰强度的弱强[23]。天目湖流域各景观类型的分维数值接近1(表4)，各类型之间的差值不大，同一类型在时间序列上变化幅度不大，由此也表明了天目湖流域各景观类型均存在一定强度的人为干扰。

分析各景观类型斑块形状指数变化趋势可知：林地和建设用地斑块形状值趋于下降，表明两类景观斑块趋向规则化，而建设用地集聚化、规则化趋势明显，说明人为调整力度的增强；耕地和其他用地的形状指数均在2005年后由增加趋势转为下降，表现出二者斑块形状由复杂形状转为紧凑和规则形状；水域斑块的形状指数仅呈现出较微小的增长趋势，说明水域斑块的形状有复杂化、不规则变化的倾向，但变化幅度不大。

林地景观类型中，有林地的2种指标均呈现出下降趋势，说明有林地斑块趋于简单与紧凑；灌木林地与其他林地在1995—2005年表现出紧凑、规则的形态，但2005—2015年又向复杂的斑块形状转变。由于有林地是物种的主要栖息地，有林地斑块形状的变化不仅体现出人为干扰的程度，也体现出对天目湖流域生物多样性及生态过程的影响。

3.2 景观类型破碎度动态变化分析

密度指数变化能够表明景观类型异质性高低的发展趋势。1995—2005年除林地外，水域、耕地、建设用地及其他用地等4类斑块密度、边缘密度均呈下降趋势，2005—2015年这4种类型的密度值逆向的发展均呈现增长的态势，说明这4种景观类型的斑块由扩展和合并为主导的过程转为异质性、破碎化趋势，其中仅其他用地的2项密度指标全部超过1995年数值，说明其他用地破碎化程度更大，而水域、耕地及建设用地的异质性程度低于1995年，表明这3种类型斑块扩展、合并与分化过程同时存在，建设用地的合并过程较突出。

表4 天目湖流域1995-2015年景观类型斑块形状指数Table 4 Landscape patch shape index of Tianmuhu watershed during 1995-2015

表5 天目湖流域1995-2015年景观类型水平异质性指数Table 5 Landscape patch horizontal heterogeneity index of Tianmuhu watershed during 1995-2015

林地景观类型中，有林地和灌木林地的密度指数均呈现相对明显的增长趋势，说明两者向高异质性方向发展。疏林地2种密度指数呈现出波动式增长，说明破碎化速度趋于减缓；其他林地的斑块密度指数最大，呈现出波动式下降趋势，但是边缘密度指数则表现出先降后升的发展趋势，说明其他林地由较高的分化转向合并有趋向高分化的发展过程，也反映了外力对其强度的干扰。

3.3 天目湖流域景观水平异质性分析

研究时段内Shannon多样性指数与SHEI均匀度指数均呈现出上升态势(表6)，说明天目湖流域景观水平上异质性增加而且呈现均匀化分布的趋势，侧面反映出本地域优势景观类型的主导性减弱。CONTAG指数下降显著，20 a间下降了8.66%，说明各类型斑块之间的连通性被打破，景观空间构型呈现多样性和复杂性，景观整体层面呈现破碎化趋势，原有景观格局发生了改变。

1995—2015年天目湖流域景观层面呈现出高异质性发展趋势，与林地景观的发展趋势一致，而与其他景观类型的异质性发展态势有差异，说明在天目湖流域景观层面的异质性变化中，林地的破碎化起到主导作用。

表6 天目湖流域1995-2015年景观水平异质性指数Table 6 Landscape level heterogeneity index of Tianmuhu watershed during 1995-2015

3.4 天目湖生态系统服务价值

天目湖流域景观格局的变化导致本地区生态系统服务价值的变动。根据不同景观类型单位面积生态服务价值(表1)和各类景观面积(表2),计算出天目湖流域不同类型景观的生态系统服务价值EVS(表7)。1995—2015年天目湖流域的生态系统服务总价值量减少了32.62×105元，变化率为0.21%，其中林地生态系统服务价值的减少尤为明显，达372.33×105元，变化率达4.33%；耕地和其他用地分别降低76.89×105元和6.93×105元，变化率为6.11%和1.95%；水域生态系统服务价值增加了417.98×105元，变化率达7.16%。结合景观格局的变化可知，该流域生态系统服务功能总价值的下降与林地生态系统的退化和面积的减小有关。

表7 1995-2015年天目湖流域生态系统服务价值空间分异Table 7 Spatiotemporal differentiation of land ecosystem services value in Tianmuhu watershed from 1995 to 2015

4 结论与讨论

1995—2015年各景观类型面积发生较大变动，林地面积减少了536 hm2,而且林地占流域总面积的比重持续下降，从49.58%降为47.46%；耕地面积减少了350 hm2,建设用地与水域面积增加，其中建设用地增加显著，达到606 hm2,水域增加了286 hm2。研究认为建设用地面积的增加是导致林地面积损失的主要原因，与梁雨桐[26]等对溧阳市土地利用类型研究结果一致，也反映出本地区林地优势景观类型的主导性减弱。

研究时段内，天目湖流域总斑块数量增加了51个，平均斑块面积则减少了0.127 9 hm2，其中林地景观类型斑块数量增加最多，耕地次之，二者的平均斑块面积都呈现减少趋势；水域、建设用地斑块数量均减少，而平均斑块面积均有增加；其他用地斑块数量以及平均斑块面积均有增长。Shannon多样性指数与SHEI均匀度指数上升，CONTAG指数下降了8.66%。数据均表明天目湖流域景观水平上呈现破碎化趋势，景观格局发生了改变。

20 a间天目湖流域生态系统服务总价值减少了32.62×105元，生态系统服务价值总变化率为0.21%，其中林地的生态系统服务价值减少的尤为明显，减少了372.33×105元，该流域生态系统服务功能总价值的下降与林地生态系统的退化和面积的减少有关。

天目湖流域是地区重要的生态基础，随着快速城镇化发展，其景观格局的变化影响了生态系统服务功能的发挥。林地作为天目湖流域主要成分，其组成影响着对于天目湖流域生态过程及物种多样性丰富程度。20 a间，随着溧阳市快速城市化的发展，林地景观类型结构也发生的重大改变，有林地被其他林地取代成为天目湖流域林地景观结构的主体部分，由于天目湖流域其他林地具有较高的人为干扰或活动的特点，因此林地景观构成的改变影响了天目湖流域生物适宜的生存空间质量，多种珍稀、特有物种逐渐减少或消失，这也造成了地区生态稳定性的潜在隐患。林地景观中的各类斑块格局特征变化呈现负向态势,尤其是有林地斑块的数量、面积、密度变化显著，斑块形状趋于规则，破碎化趋势明显，增大了物种迁移的空间阻力；其他林地斑块形状趋于规则化及简单化，体现了溧阳市20 a间经济林从自主发展到有序规划管理结果，但是林地景观整体上的破碎化，以及斑块形状的规则化趋势显示出人为干扰强度的增加，这对导致天目湖流域生态系统功能的退化，对生态可持续发展将产生不利影响。

1995—2015年天目湖流域景观类型呈现出差异化发展趋势，除林地景观表现出明显的破碎化趋势外，其他各景观类型则呈现了先集聚后破碎化的态势。多项指标均表明，2005年是由天目湖流域景观发展变化的拐点，导致了天目湖流域景观结构、空间分布以及景观水平上构型、组分的改变，天目湖流域景观格局成异质性、破碎化。天目湖流域景观格局的变化也致使各景观类型生态系统服务价值的变化，研究时段内，天目湖流域总体生态系统服务价值的下降，说明本地区生态功能具有一定的退化，需采取针对性的措施，协调天目湖流域经济与生态环境的发展，保障区域生态系统的健康与稳定。