重庆梁平区景观格局演变对生态系统服务价值的影响

潘远珍 袁兴中 刘 红 王 芳 周李磊 张梦婕 张 丹

景观格局及其变化是生态系统服务价值（ESV）调控的关键因素之一，关系着区域生态安全和可持续发展。以梁平区1999、2009和2018年遥感影像为源数据，运用景观格局指数、ESV评估模型、热点分析等方法研究景观格局和ESV时空变化特征，并在此基础上探讨景观格局演变对ESV的影响。结果表明：（1）1999—2018年，耕地和水域面积总体呈减小趋势，而其他景观类型面积则呈增加趋势；研究区整体景观连通性降低、景观破碎度增大，空间异质性增加。（2）19年间研究区ESV增加6.47亿元；各景观类型中，林地ESV最高；单项生态系统服务价值中，水文调节ESV贡献率最大。ESV在空间分布上具有一定差异性：高值区主要集中分布于梁平区东部和西部高海拔林区及低海拔水域集中区；低海拔耕地和建设用地区为低值区。（3）ESV与景观格局密切相关，梁平区总ESV与景观形状指数、景观多样性指数、景观均匀性指数呈显著正相关，与蔓延度指数、散布与并列指数呈显著负相关。研究揭示了景观格局与总ESV变化的关系，可为梁平区资源可持续开发利用提供科学参考。

景观格局；生态系统服务价值；景观指数；梁平区

生态系统服务是指通过生态系统的结构、功能和过程直接或间接得到的生命支持产品和服务[1]，是人类社会赖以存在、发展的基础。景观格局指景观组成单元的类型、数目以及空间分布与配置[2]。景观格局动态变化影响生态系统的生物地化循环、能量交换、信息传递等主要生态过程[3]，进而影响生态系统服务功能供给和维持；生态系统服务功能的改变同时影响各景观类型结构和利用效率[4]。诸多研究表明，人口增长、快速工业化及城镇化导致景观格局变化日趋剧烈，生态系统服务功能退化，区域ESV（生态系统服务价值）减少[5-6]。在城镇化建设过程中，全面优化提升生态系统服务对于维持生态系统健康、生态环境建设至关重要。重庆市梁平区作为国家可持续发展试验区、国家生态保护与建设典型示范区，其生态环境对于整个区域乃至全国环境保护和可持续发展具有重要意义。然而随着社会经济变革驱动、城镇化快速发展，建筑景观、交通道路网络不断向外延伸使得各类景观被割裂，破碎度增加。土壤养分、土壤侵蚀及生物多样性等生态过程受到严重干扰，对区域ESV产生深刻影响。梁平区景观格局演变与ESV变化分析将有助于把握区域土地资源利用状况与生态系统服务变化趋势，从而为优化配置土地资源、改善生态环境、实现区域可持续发展提供一定参考和借鉴。

景观指数是度量景观格局的重要方法[7]，能更好地描述景观结构空间分布特征，通过比较其在时间维度上的变化反映景观格局演变趋势[8]。ESV定量评估也是当前生态学研究的热点，在众多ESV测算方法中，基于单位面积价值当量因子法具有操作简单、数据易获取等优点，更适合区域ESV的评估[9]，目前已得到国内外学者的广泛应用。相关性分析可衡量两个变量因素的相关密切程度，引入相关性分析探讨景观格局演变对ESV的影响，能更好揭示两者间变化关系[10]。鉴于此，本文以梁平区为研究对象，运用景观指数分析研究景观格局演变规律。结合相关分析，采用修正的谢高地生态系服务价值当量表测算研究区ESV，探究梁平区ESV时空演变及景观格局演变对ESV的影响。研究为梁平区资源可持续开发利用与生态环境有效保护提供科学参考。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

梁平区位于重庆市东北部（东经107°24′～108°05′，北纬30°25′～30°53′），东西长52.1 km，南北宽60.35 km，幅员面积1 890 km2。该区地处川东平行岭谷区，地形地貌特殊，境内有低山、丘陵、平坝3种地貌类型，最低海拔214 m，最高海拔1 222 m，属暖湿亚热带季风气候。梁平区为国家生态保护与建设典型示范区、国家农村产业融合发展示范区、三峡库区特色农业区，以梁平柚、寿竹而闻名，素有“中国特色竹乡”称号。

1.2 研究方法

1.2.1 数据来源与处理

遥感影像数据来自地理空间数据云（http://www.gscloud.cn/），1999、2009年使用Landsat-5 TM影像，2018年使用Landsat-8 OLI影像，空间分辨率30 m×30 m，轨道号为127/39。基于ENVI5.1软件，分别对3期遥感影像进行辐射定标和大气校正等预处理。采用面向对象分类和目视解译相结合法，获得梁平区各景观类型矢量数据。参照《土地利用现状分类标准》（GB/T21010-2007），按一级分类标准，将景观类型划分为6大类，即林地、耕地、水域、草地、建设用地及未利用地。经精度检验，其Kappa系数分别为88.77%、92.03%、89.67%。社会经济数据来源于国家统计局（http://data.stats.gov.cn/index.htm）、中国经济与社会发展统计数据库（http://tongji.cnki.net/kns55/Dig/dig.aspx）与《梁平年鉴》。

1.2.2 景观格局分析

景观格局演变定量分析可通过不同景观指数来反映。景观格局指数是高度浓缩的景观格局信息，反映景观结构组成、空间配置特征的简单量化指标[11]。基于景观指数间的相关性[12]，结合研究区实际景观特征，主要从类型水平和景观水平对景观格局进行分析。类型水平上选取斑块面积（CA）、斑块所占百分比（PLAND）、最大斑块指数（LPI）、景观形状指数（LSI）、聚集度（AI）；景观水平上选取斑块密度（PD）、景观形状指数（LSI）、蔓延度指数（CONTAG）、散布与并列指数（IJI）、香农多样性指数（SHDI）、香农均匀指数（SHEI）。以上指数反映景观破碎度、多样性、聚散度。指数详细说明参考文献[13]。所有景观指数计算在Fragstats4.2软件中完成。

1.2.3 ESV评估模型

采用谢高地[14]等的价值当量换算法确定梁平区ESV。根据谢高地等于2015年提出的“中国生态系统单位面积生态服务价值当量”[15]对研究区各景观类型的各项生态系统服务进行价值当量赋值。基于数据可获得性，利用2012年梁平区主要粮食作物的播种面积、单产以及平均收购价格计算得到一个生态服务价值当量为2 182.2元/hm2。模型涉及的计算公式参考严恩萍等[16]的研究。

为减少生态系统服务价值变化的时间及空间差异性，需要对全国生态系统服务价值当量表进行改进，构建适合该区的ESV系数。如图1所示，梁平区ESV评估模型构建包括3部分：

1.梁平区ESV评估模型框架

（1）遥感影像处理：包括影像预处理、分类；

（2）一个农田生态服务价值当量计算，地区粮食产量和价格调整；

（3）生态系统服务当量的地区修订，采用梁平区与全国农田粮食单产量的比值作为地区修订系数[16]，获得梁平区1999、2009、2018年生态系统服务当量的地区修订系数，分别为0.95、1.05、1.01，从而获得修订后梁平区不同生态系统单位面积服务价值。

1.2.4 热点分析

引入热点分析探讨梁平区ESV空间分布特征，衡量ESV分布是否具有集聚性。其计算公式参考文献[17]。借鉴前人研究[18]及研究区范围，运用格网分析法探讨区域ESV差异，格网大小设置为1 km×1 km，测算各格网内的ESV。

2 结果与分析

2.1 景观格局指数分析

2.1.1 类型水平上景观格局变化特征

由表1可见，1999—2018年间，耕地始终是梁平区主要景观类型，分别占梁平区的63.03%、46.85%、52.91%，但总体面积呈减少趋势；LSI均值在各地类表现最高为132.36。林地面积总体呈增加趋势，LSI一直维持在107以上，均呈先增加后减小趋势，表明随着城镇化进程加快，景观格局受人类活动影响较大；AI均值保持在85以上，说明林地集聚度较高。建设用地和未利用地面积持续增加，增量分别为3 569.31 hm2、251.46 hm2；两者LPI均小于0.25；水域和草地面积、LPI、LSI均无显著变化。

表1 1999—2018梁平区景观类型水平指数

2.1.2 景观水平上景观格局变化特征

由图2可知，1999—2018年，LSI和PD均呈持续增长趋势，在2018年均达到峰值，分别为112.63、18.65，说明整体景观破碎度逐渐增大。CONTAG由64.73%降低为59.49%。IJI呈波动式增加趋势，最大值为42.50，综合CONTAG和IJI可知，整体景观连通性下降，分散程度增加。SHDI和SHEI均呈增加趋势，说明梁平区景观多样性增加，各景观类型趋于均匀。综合来看，1999—2018年梁平区景观呈现破碎化加剧、分散程度增加、斑块形状趋于复杂的变化特征。

2.1999—2018年梁平区景观水平指数

2.2 ESV时空变化特征

2.2.1 ESV时间变化

1999—2018年间梁平区总ESV呈先增加后减少趋势，总体上增加6.47亿元（图3）。在各景观类型ESV中，林地ESV最高，约占总ESV的57.77%，未利用地与草地所占比重偏低。在此期间仅有耕地ESV下降，其余类型景观的均增加，其中，林地ESV增量最大，高达8.36亿元，未利用地ESV增量最小。梁平区各单项服务价值（图4）中，水文调节价值对总ESV贡献最大，所占平均比重为31.62%，水资源供给贡献最小为-6.73%。1999—2018年，除食物生产和维持养分循环外，各项ESV呈不同程度增加趋势。水资源供给、水文调节、气候调节、生物多样性、净化环境、土壤保持价值增量较大，分别为2.11亿元、1.11亿元、0.93亿元、0.79亿元、0.67亿元、0.63亿元；原料生产价值最小，为0.11亿元。

3.1999—2018年梁平区ESV变化

4.1999—2018年梁平区单项ESV变化

2.2.2 ESV空间变化

大部分区域ESV相关性不显著（图5）。ESV热点区位于梁平区东西部高海拔森林密集山区，且分布较为集聚，两大热点区均呈北东走向，平行排列，这与梁平境内东山、西山及中山走向相吻合。就行政区而言，热点区主要集中在竹山镇、新盛镇西部、龙门镇西部、回龙镇西北部、龙胜乡中部、七星镇东北部、铁门乡南部、和林镇东部、屏锦镇西北部、云龙镇东部、梁山镇南部及东部、蟠龙镇中部、金带镇东部、福禄镇西部、城东乡东部、复平乡西部。ESV冷点区主要分布于中部低海拔建设用地集聚的丘陵区，但分布较分散面积较小，具体涉及碧山镇西部、七星镇南部、屏锦镇东南部、安胜乡南部、虎城镇北部、梁山镇中部。次热点区分布于热点区周围，次冷点区仅有零星分布。

5.1999—2018年梁平区ESV冷热点区分布图

1999—2009年，ESV热点区范围略微扩大，主要表现为复平乡、合兴镇、福禄镇热点区面积增加；相反，冷点区、次冷点区范围明显缩小，城虎镇、碧山镇、安胜乡的冷点区转换为次冷点区。2009—2018年，ESV热点区空间分布基本稳定，冷点区范围有扩大趋势。2018年，城虎镇、安胜乡、袁驿镇、碧山镇冷点区面积显著增加。

3 讨论

3.1 ESV时空演变驱动因素

建设用地增加通常导致区域ESV降低，有研究佐证[19]。然而，1999—2018年梁平区建设用地逐渐侵占耕地、林地等生态用地，增量达3 569.31 hm2，总ESV没有减少却增加了6.47亿元，这与梁平区发展定位和政策导向相关。梁平区ESV增长原因有以下几点：

（1）大量耕地转为林地，转化面积达24 740.90 hm2，占林地面积的32.15%，由此导致ESV增加67 501.31万元（表2）。而林地的单位面积ESV系数较高，林地构成研究区ESV主体；

表2 1999—2018年梁平区景观类型面积和ESV转移矩阵

（2）森林覆盖率提高，对原材料生产、土壤保持、水文调节、气候调节和气体调节有显著提高作用[20]。这得益于退耕还林政策、森林城市建设及当地政府有关改善环境决策的实施；

（3）注重水环境保护。2018年初，区政府提出“全域治水、湿地润城”理念，系统推进“山水林田湖草”生命共同体系统治理，实施乡村“小微湿地+”发展战略，梁平区生态系统服务功能得到全面优化。

ESV空间分异特征受景观空间格局分布与地形等因素影响。梁平区总ESV呈东西部明显高于中部地区的空间分布格局（图5），这与梁平区地处渝东北平行岭谷的区位特征密切相关，东西部山地蜿蜒，森林资源丰富；中部谷地平坦，农业活动强度大，城镇集中。ESV增值热点区主要分布于山区，与林地和水域分布一致，因地处山区交通不便，人为干扰影响较小，自然生态系统得到较好保留。ESV损益冷点区分布于低海拔地区，与建设用地分布一致，这主要是受城市化进程加速推进的影响，城镇扩张大量占用生态用地。综上，森林覆盖率、生态用地对于区域ESV提升具有较大贡献。

3.2 景观格局对ESV影响

自然因素和人为因素共同造成景观格局的变化；景观类型、面积的变化，使得斑块空间位置、大小、形状、多样性等指数随之发生改变，影响着区域生态过程[21]。通过景观功能驱动，生态系统服务呈现出时空差异，进一步导致区域ESV发生变化。不同景观类型及景观空间配置造成景观空间异质性，经景观功能传导引起生态系统服务在空间上产生分异，从而导致ESV的空间差异[22]。不同景观格局产生不同生态过程并提供不同景观功能，生态系统服务多样性由景观功能多样性决定（图6）。景观格局多样性通过影响生物多样性进而影响生态系统稳定性，引起ESV稳定性波动。

6.景观格局对ESV影响机制模型

基于相关分析定量研究景观格局对ESV的影响，可揭示不同景观的空间维度特征对ESV的影响。因此，运用SPSS对梁平区不同时期的景观格局指数与ESV进行相关性分析。由表3可知，各景观指数与ESV之间存在一定相关性。总ESV与LSI、SHDI、SHEI、CONTAG相关性较高，说明景观类型越丰富、景观形状越复杂、破碎度越高，可能越有利于提高区域ESV总额，而景观类型越分散可能不利总ESV的提升。LSI、CONTAG、SHDI、SHEI与各类型ESV之间存在较高相关性，表明增加LSI、SHDI、SHEI，有利于原料生产、水资源供给、气体调节、气候调节、净化环境、水文调节、土壤保持、生物多样性、提供美学景观价值的提升；PD、MSP、IJI与维持养分循环价值存在较高负相关性，说明景观破碎度增加、景观类型分散不利于维持养分循环价值的提高。这与王丽群等[20]对牛栏山—马坡镇的研究结果一致，与胡金龙等[23]对漓江流域的研究结果存在较大差异，说明针对不同区域与景观，景观指数变化对总ESV与单项ESV的影响程度不同。

表3 梁平区景观指数与ESV相关性分析

3.3 建议

通过研究梁平区景观格局变化对ESV的影响，对该区未来规划发展提几点建议：

（1）严格控制冷点区规模和范围。改善未利用地的生态环境，将其转为具有较高ESV系数的景观类型。

（2）林地是梁平区ESV主体，水域具有高生态系统服务价值系数。政府应提高区域森林覆盖率，继续重视水环境建设，尤其需要加大对双桂湖、竹海天池、龙溪河以及区域小微湿地等的保护力度。

（3）耕地作为人类赖以生存最重要生产资源，耕地资源保护是国家重大战略[24]。因此，在实施退耕还林措施时更应注重耕作技术的提高并积极调整农业种植结构，逐步提高区域粮食服务价值，确保区域ESV动态平衡。

（4）注重提高研究区景观形状指数、景观多样性指数，以提高整体ESV，生态环境不断改善。

4 结论

（1）1999—2018年间，梁平区土地利用总体变化趋势是林地、草地、建设用地、未利用地面积增加，耕地和水域总体面积减少。景观形状趋于复杂，景观多样性指数、均匀度指数呈增长趋势，蔓延度指数呈下降趋势。

（2）1999—2018年间梁平区ESV呈增加趋势；各景观类型中，林地ESV对研究区ESV贡献率最高；水文调节在各项服务功能所占比重最高，除食物生产功能和维持养分循环功能，各项ESV均有不同程度增加。ESV在空间分布上存在一定差异，ESV高值区主要集中分布于梁平区东部和西部高海拔林区及低海拔水域集中区；ESV低值区主要分布在低海拔耕地和建设用地集聚区。

（3）梁平区总ESV与CONTAG、IJI呈负相关，与LSI、SHDI、SHEI呈正相关，说明景观类型越分散不利于ESV提升，形状复杂、景观多样化，即破碎度增加，有利于总ESV的提高。