伊河流域上游栾川县景观格局与生态系统服务研究

位贺杰， 杨一鸣， 熊广成， 曹莹莹

（1.河南农业大学资源与环境学院，郑州 450002； 2.河南省自然资源科技创新中心，郑州 450016；3.河南省土地整理中心，郑州 450016）

景观格局是大小和形状各异的景观要素在空间上的排列和组合，包括构成景观的生态系统类型、数目及空间分布和配置［1］. 景观格局演变与生态过程相互作用，共同驱动着景观的变化，并呈现出一定的景观功能特征——生态系统服务. 生态系统服务是指自然生态系统以及物种所提供的能够满足人类生活需要的条件和过程，是人类社会赖以存在和发展的基础［2-3］. 区域尺度上，景观格局的变化主要表现为土地利用或覆被状况的改变［1］. 随着社会的不断发展，人们对土地的利用强度越来越大，因而导致景观的自然演替受人为干扰的程度不断加大，生态系统服务价值也受到严重影响. 开展景观格局变化及其对于生态系统服务价值影响的研究对于改善景观利用状况、保护自然资源、促进人类福祉具有积极作用.

定量评估生态系统服务价值已成为国际可持续发展的核心问题之一，是当前景观生态学、生态经济学、环境科学以及土地资源管理科学的交叉前沿领域［4］. 对于生态系统服务价值的定量评估，在国内主要以谢高地等［5-7］的研究成果为基础，根据不同研究区域特点调整其单位面积生态系统服务价值当量因子，从而估算区域生态系统服务价值. 目前关于景观格局及生态系统服务的研究报道已有很多，从研究区域的类型特点来看，主要有针对生态保护区［8］、城市开发区［9］、西北干旱地区［10-11］、河流流域地区［12］、沿海地区［13］等区域的研究；就研究区域的尺度而言，有对县级以下［14］、县级［15］、市级［16］、省级［17］以及跨行政区［18］等不同地区尺度的研究；且已有研究表明景观内斑块密度低、连接度高以及生物多样性提高、景观破碎化降低均有利于提升生态系统服务价值［19-20］，而土地利用强度的提高、水田和林地面积的下降则会降低生态系统服务价值［13，21］. 虽然目前已有关于中原地区自然资源丰富的县、区的土地利用与生态系统服务关系的研究，但是对于该类地区景观格局指数与生态系统服务价值相关性的研究较少，对于该类地区景观格局变化特征对生态系统服务价值影响的阐述也还不够清晰.

栾川县位于河南省西部海拔较高的山区、伊河流域上游，当地植被丰富、生态系统类型多样，自然资源禀赋极高. 本研究以栾川县为研究区域，对其景观格局与生态系统服务及两者的相关性进行了研究，可为该地区生态价值核算体系的构建和生态保护补偿制度的建设提供一定的参考.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

图1 栾川县高程及行政区划Fig.1 Elevation and administrative division of Luanchuan County

栾川县位于伊河流域上游，境内陶湾镇三合村是伊河流域的源头. 其地理位置介于111°11′E～112°01′E，33°39′N～34°11′N 之间，属河南省西部的洛阳市，东与嵩县毗邻，西与卢氏县接壤，南与西峡县抵足，北与洛宁县摩肩，素有“洛阳后花园”的美誉. 现辖12镇2乡1个管委会、213 个行政村（居委会），总人口35 万人，其中农业人口29.9 万人. 栾川县总面积2477 km2，地势为西南高、东北低，地貌具有中山、低山和河谷三种类型. 境内主要为伏牛山脉，属秦岭山脉东段，海拔千米以上的中山区面积占全县总面积的49.4%. 栾川县属暖温带大陆性季风气候，夏季湿润多雨、冬季寒冷干燥. 栾川县内：矿产资源丰富，是全国16个重要多金属成矿带的核心区域；森林资源丰富，森林覆盖率名列中原地区之最；旅游资源丰富，作为“中国旅游强县”，拥有14家“A级”景区.

1.2 数据收集及处理

本研究的主要数据包括社会经济统计数据、土地利用数据、高程数据. 社会经济统计数据主要来源于栾川县统计年鉴、栾川县农业局统计站. 栾川县1980年、1990年、2000年、2005年、2010年、2015年、2018年这7期土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心（http：//www.resdc.cn/），数据的空间分辨率为30 m. 高程数据来源于地理空间数据云，空间分辨率为30 m. 根据土地利用现状分类以及景观类型特点，将栾川县景观类型分为5种，分别为耕地、林地、草地、水域、建设用地. 根据不同时期经济发展和社会变革速度及其对景观格局的影响，将整个研究时期分为6个研究时段：2000年以前每10年为一个研究时段，2000年之后每5年为一个研究时段，2015—2018年单独作为一个研究时段.

1.3 研究方法

1.3.1 景观动态度及景观类型转移矩阵

1）景观动态度可以反映一定时期内研究区域中某种景观类型数量变化的剧烈程度，也可以反映某种景观类型的变化幅度和平均变化速度［22］. 其数学表达式为：

式中：K为景观动态度；Uj为研究初期某种景观类型的面积，hm2；Ui为研究末期某种景观类型的面积，hm2；T为研究时段，a.

2）景观类型转移矩阵不仅可以反映研究初期和研究末期的景观类型结构，同时还可以反映研究时期内景观类型的转移方向和数量［23］，一般通过ArcGIS10.5软件进行计算. 其数学表达式为：

式中：Sij表示第i种景观类型转入第j种景观类型的面积，hm2；n表示景观类型的种类.

1.3.2 景观格局指数 景观格局指数高度浓缩了景观格局信息，能体现景观结构组成和空间配置等方面特征，是能够反映景观格局演变及生态过程影响的定量指标［24］. 景观格局指数可以通过Fragstats4.2软件进行计算. 选定的景观格局指数及其生态学意义如表1所示.

1.3.3 生态系统服务价值评估 通过对谢高地等［6-7］提出的生态系统服务价值（ESV）评估模型进行适当修正后，构建出了栾川县的ESV评估模型. 以栾川县1980—2018年主要粮食作物的播种面积、单位面积产量、价格为基础数据，计算出其主要粮食作物的单位面积经济价值. 自然生态系统提供的经济价值是研究区现有主要粮食作物单位面积经济价值的1/7［25］，然后得出栾川县标准的单位面积生态系统服务价值当量因子为1 107.20 元/hm2，进而获得栾川县各景观类型的单位面积生态系统服务价值（表2）. 由于建设用地的生态系统服务价值几乎为零，因此本研究不对其进行估算. 生态系统服务价值的计算公式如下：

表2 栾川县各景观类型的单位面积生态系统服务价值Tab.2 Ecosystem service value per unit area of each landscape type in Luanchuan County

式中：ESV为生态系统服务价值，元；n为景观类型的个数；Ai为第i类景观类型的面积，hm2；VCi为第i类景观类型的单位面积生态系统服务价值，元/hm2.

1.3.4 Pearson相关系数 Pearson相关系数主要用于探究两个独立的连续性数字型变量间线性相关的强弱程度［26］. 以Pearson相关系数作为指标，通过SPSS20.0软件，采取双尾t检验，对生态系统服务价值与景观格局指数在时间序列的相关性进行显著性检验.

2 结果与分析

2.1 景观类型动态分析

2.1.1 景观类型数量变化分析 从1980—2018 年栾川县各景观类型面积变化的总体趋势来看（图2），除了建设用地面积呈增加趋势外，其他景观类型的面积均呈减少趋势. 建设用地面积在整个研究时期内持续增加，共增加了3 050.25 hm2. 2005—2010 年的研究时段内，建设用地面积增加的绝对数量最多，分析原因可能是该研究时段栾川县以旅游业为主导的服务业蓬勃发展，城市建设速度加快，中心城区不断扩展；另外在提倡“全域旅游”的号召下，全县各区域景区、景点的数量快速增加；旅游业的发展也会带动农村经济发展，从而使当地居民有经济能力进行自住房屋建设. 在整个研究时期内水域面积减少的最多，共减少了1 096.07 hm2. 在整个研究时期中，仅2000—2005 年这个研究时段内水域面积有少量增加，其余5个研究时段内水域面积均有所减少，在2005—2010 年的研究时段内水域面积减少量达到峰值. 栾川县位于伊河流域上游，近几十年来伊河流域的河流径流量减少，河道变窄且部分河道干涸，从而导致栾川县的水域面积总体呈减少趋势. 草地面积的减少量仅次于水域，共减少了1 070.36 hm2，其中在1990—2000 年的研究时段内草地面积减少的最多. 该地区的草地大多为荒草地，在社会发展和经济建设中，荒草地被开垦并转化为其他景观类型. 1980—2018 年栾川县的耕地和林地面积减少的较少，耕地面积减少了293.98 hm2，林地面积减少了589.85 hm2，这两类景观的面积虽在逐渐减少，但减少的幅度相对较小，这与当地政府对耕地和林地的保护力度有较大关系.

图2 1980—2018年栾川县各景观类型的面积Fig.2 Area of each landscape type in Luanchuan County from 1980 to 2018

表3 反映了1980—2018 年栾川县各景观类型的景观动态度. 1980—2018 年栾川县单一景观类型变化的速度由大到小分别为：建设用地（10.46%）＞水域（-1.72%）＞草地（-0.37%）＞耕地（-0.02%）＞林地（-0.01%）.在整个研究时期内，除建设用地的景观动态度始终为正数外，其余景观类型在大多数研究时段的景观动态度为负数，说明在整个研究时期内，除建设用地外，其他景观类型主要朝着减少的方向发展. 1980—2018年，林地的景观动态度最小，是最稳定的景观类型，建设用地的景观动态度最大，是转移最为活跃的景观类型.除草地外，其他四种景观类型在2005—2010 年的研究时段中的景观动态度均最大，说明该研究时段这四种景观类型的变化程度最大，这与该研究时段栾川县建设用地面积大量增加相对应. 该研究时段栾川县以旅游业为主导的产业体系快速发展，社会快速变革，景观类型结构相应地大幅调整，该研究时段栾川县景观类型的主要变化为其他景观类型的减少和建设用地的增加. 总体来说，除建设用地外，其他各景观类型的景观动态度均相对较小，变化程度不大.

表3 1980—2018年栾川县各景观类型的景观动态度Tab.3 Landscape dynamic degree of each landscape type in Luanchuan County from 1980 to 2018

2.1.2 景观类型转移分析 表4和表5说明了1980—2018年栾川县各景观类型之间相互转移的情况. 就转出面积来说，耕地转出的面积最多，共转出了3 547.34 hm2，主要转化为建设用地，转出比例达6.31%，这是由于栾川县作为山地城市，土地资源稀缺，大部分耕地又分布于山间平地，而生产建设用地大多需要交通便利、平坦的土地，因此大部分耕地被开发用作建设用地. 从转出比例来看，水域的转出比例最大，为72.48%，其中67.86%被转化为耕地，转为其他景观类型的量较少，这是因为伊河流域的河流流量变小后，原来的河道被农民开垦为耕地进行种植. 就总的转入面积而言，转入面积最多的是耕地，共转入了3 253.36 hm2，建设用地和林地的转入面积次之，分别转入了3 160.42 hm2、2 573.81 hm2. 通过对比各景观类型的转出、转入面积可以看出，耕地的转移面积变化最大，但数量较稳定，这是因为栾川县严格实施耕地占补平衡制度，所以保持了其耕地总量的动态平衡. 栾川县森林覆盖率常年在80%以上，素有“中原肺叶”之称，当地政府一直将生态文明建设、保护森林资源作为政府的工作目标，林地被占用破坏后，当地政府能及时植树造林、补充林地.从总的转入比例来看，转入比例最高的为建设用地，转入比例总共为82.79%，由于栾川县以“工业强县、旅游富县”为战略，因此当地政府大力促进其经济发展和地区建设，从而导致该地区的工矿、旅游设施、城镇、农村居民点等建设用地大量增加.

表4 1980—2018年栾川县景观类型转移面积矩阵Tab.4 Landscape type transfer area matrix in Luanchuan County from 1980 to 2018

表5 1980—2018年栾川县景观类型转移比例矩阵Tab.5 Landscape type transfer scale matrix in Luanchuan County from 1980 to 2018

2.2 景观格局演变特征分析

2.2.1 类型水平上景观格局演变特征分析 图3 显示了1980—2018 年栾川县在类型水平上的景观格局指数变化情况. 1980—2018 年，林地的景观类型比例最大，始终稳定在80%以上，是整个研究时期内占绝对优势的景观类型. 各景观类型的景观类型比例在各研究时段都比较稳定，表明在整个研究时期内栾川县的景观结构变动不大. 从整个研究时期看，除水域的景观形状指数呈下降趋势外，其他景观类型的景观形状指数均呈上升趋势，其中耕地的景观形状指数最大，且呈稳定上升趋势，说明耕地斑块的形状趋于不规则.耕地的斑块密度相对其他景观类型而言一直维持在较高水平，说明耕地的景观破碎程度较大，这与该地区的山地地形有关. 栾川县土地资源稀缺，因此在社会发展中平地的耕地被占用后，其只能在山坡上、山谷间补充. 建设用地的斑块密度呈上升趋势，其原因是增加的建设用地以小块面积为主，大块增加的情况较少. 林地是栾川县的基质景观，其斑块聚集度一直保持在99.9%左右，说明栾川县的林地高度聚集，分布集中，连通性好. 水域的斑块聚集度呈下降趋势，说明水域的连通性下降，这与该地区河流水系流量的减少有关. 建设用地的斑块聚集度呈上升趋势，这是由于建设用地在数量上大幅度增加，从而提高了其在空间上的聚集性. 林地的平均斑块面积最大，且远高于其他景观类型，说明林地的破碎化程度最小，连接、通达性最好.

图3 1980—2018年栾川县各景观类型在类型水平上的景观格局指数变化Fig.3 Landscape pattern index change of each landscape type in class scale in Luanchuan County from 1980 to 2018

2.2.2 景观水平上景观格局演变特征分析 图4 显示了1980—2018 年栾川县在景观水平上的景观格局指数变化情况. 景观分离度指数和斑块密度可反映总体景观的破碎化程度. 在整个研究时期内，栾川县景观的景观分离度指数呈逐步上升趋势，而斑块密度在短暂下降后一直呈上升趋势，这表明栾川县的整体景观趋于破碎化，斑块个数增多，景观分离程度增大. 最大斑块指数呈下降趋势，说明林地斑块在整个景观中的优势度有所下降. 整个研究时期中栾川县景观的周长面积分维数先上升后下降，研究末期的周长面积分维数数值高于研究初期，这反映了各景观类型斑块形状先趋于复杂，后趋向简单规整，但整体景观类型斑块形状趋于复杂，这可能是因为栾川的支柱产业自2000年以后从工矿业向旅游服务业转型，所以栾川县各景观类型呈交叉分布. 在整个研究时期中栾川县景观的聚集度呈下降趋势，反映了该地区斑块分布趋于分散，聚集程度下降. 香农多样性指数呈上升趋势，说明该地区斑块类型趋于多样，景观丰富度提高，其原因在于同一区域用地类型的多样化. 蔓延度指数与边缘密度呈负相关，与优势度指标呈正相关. 蔓延度指数呈下降趋势，说明不同斑块类型的邻接概率降低，景观趋向多要素的散布格局，景观的破碎化程度提高. 在整个研究时期内，栾川县景观的边缘密度数值逐步提高，表明该地区景观的丰富度在不断提高，景观的异质性在不断增加.

图4 1980—2018年栾川县各景观类型在景观水平上的景观格局指数变化Fig.4 Landscape pattern index change of each landscape type in landscape scale in Luanchuan County from 1980 to 2018

2.3 生态系统服务价值变化分析

2.3.1 生态系统服务价值时间变化分析 由表6可知，在整个研究时期内，栾川县生态系统服务总价值仅在1990—2000年这个研究时段内有较少增加，在其余各研究时段内均有所减少，但减少的幅度相对较小. 在各个研究时段中，对生态系统服务总价值贡献最大是林地，林地单位面积生态系统服务价值仅次于水域，但是林地的景观类型比例始终维持在80%左右，所以林地是主导生态系统服务总价值的景观类型. 在整个研究时期中，耕地、林地、草地、水域这四种景观类型的末期生态系统服务价值较初期均有所减少，主要原因是这四种景观类型都有转入建设用地的情况. 1990—2000年栾川县生态系统服务总价值的提高主要是由于耕地和草地较多地转为了单位面积生态系统服务价值较高的林地. 2005—2010年栾川县各景观类型的变化程度均较大，特别是水域面积的大幅减少较大程度地导致了该研究时段栾川县生态系统服务总价值的降低，其余研究时段栾川县生态系统服务总价值的减少主要是因为林地生态系统服务价值的减少. 总之，各研究时段以及整个研究时期栾川县生态系统服务总价值的减少都与建设用地面积的持续增加有关. 在该地区社会发展的过程中，以采矿为主导的工业和以旅游为主导的服务业快速发展，产业规模不断扩大，建设用地需求不断增加，导致四种单位面积生态系统服务价值较高的景观类型不断转为单位面积生态系统服务价值较低的建设用地，从而使栾川县的生态系统服务总价值不断减少.

表6 1980—2018年栾川县各景观类型生态系统服务价值及总价值Tab.6 Ecosystem service value of each landscape type and total value in Luanchuan County from 1980 to 2018

2.3.2 生态系统服务价值空间变化分析 图5显示了部分研究时段栾川县生态系统服务价值的空间差异，各研究时段的最高单位面积生态系统服务价值均未超过13.91万元/hm2. 从图中可看出，各研究时段生态系统服务价值的空间分布整体变化不大，栾川县北部和南部两个横向带状地区以及中东部两个纵向带状地区的生态系统服务价值最低，由于这些地区是海拔较低处，是主要的人群集聚地，同时也是当地居民生活的地区，对自然景观的干扰、破坏程度大，因此这些地区的生态系统服务价值较低. 另外，栾川县中部靠西地带的生态系统服务价值也较低，由于这里是海拔较高的山区地带，有丰富的矿产资源，因此吸引了大量人群来此建厂采矿，从而导致了该地区原始自然景观向工矿建设用地转移的较多. 1990—2000年内，栾川县西北部地区有四处面积较大的块状地区的生态系统服务价值明显提高，这是由于该研究时段该地区人口大量外流，减少了对生态的扰动，而东北部、中部偏东、中部偏西的部分区域的生态系统服务价值则有所减少，且这些生态系统服务价值减少的区域分布零散. 2000—2005年内，栾川县中部偏西矿产资源丰富的地区中有一处面积偏大的地区和四处面积偏小的地区生态系统服务价值均有所减少，这与此时栾川县的工矿业发展火热，产业规模不断扩大有关. 2005—2010 年内，栾川县生态系统服务价值的空间分布变化较大，除中部偏西矿产资源丰富的地区中有大块地区的生态系统服务价值减少外，南部和东部地区也有明显的生态系统服务价值减少的情况. 该时期栾川县旅游业迅速发展，处处开始兴建旅游景区，城南老君山景区的扩展建设是南部地区生态系统服务价值减少的主要原因；另外，由于伊河水系流量的减少以及G241、S322、X062公路和一些乡村公路的修建，栾川县东部地区大量连续的线状地区的生态系统服务价值减少. 除以上这三个研究时段外，其余研究时段内栾川县生态系统服务价值的空间变化较小.

图5 部分研究时段栾川县生态系统服务价值的空间分布Fig.5 Spatial distribution of ecosystem service value of some study periods in Luanchuan County

2.4 景观格局变化对ESV的影响

景观格局变化可反映在景观格局指数的变化上，因此可通过景观格局指数分析景观格局对ESV 的影响. 由表7可知，生态系统服务总价值、供给服务价值、调节服务价值、支持服务价值、文化服务价值与景观分离度指数、香农多样性指数呈显著负相关，与最大斑块指数和蔓延度指数显著正相关，另外，支持服务价值与聚集度、边缘密度呈正相关，这两项指数也在一定程度上反映了景观的破碎化程度. 景观分离度指数和香农多样性指数均呈上升趋势，说明该地区景观分离程度增大、景观异质性增加、景观趋于破碎化. 最大斑块指数和蔓延度指数度量的均为林地的景观特征，而在该地区这两项指数均呈下降趋势，说明该地区的优势景观（林地）的优势度也有所下降，其团聚程度或延展趋势降低. 这四项指数的变化均表明栾川县景观在演替过程中，其景观空间结构的改变受生产建设等人为活动的影响较大，景观类型比例均朝着建设用地增加的方向改变，建设用地的增加不是成片集中地增加，而是零星、分布零散地增加，不断侵占着其他景观类型. 在整个研究时期中，栾川县各景观的景观类型比例变化不大，即县域景观的结构改变不大，所以栾川县生态系统服务总价值的变化幅度也相对较小.

表7 栾川县景观格局指数与生态系统服务价值的相关性Tab.7 The correlation between landscape pattern index and ecosystem service value in Luanchuan County

1990—2010年，栾川县工矿业发展火热，尤其是在冷水镇、三川镇地区，大小厂矿不断兴起，而这些厂矿往往建设在植被茂密、生态性能良好的山谷中，这便破坏了整体景观的完整性，导致了景观的破碎化. 2000年往后栾川县旅游产业逐渐成为支柱行业，由于当地政府提出了“全域旅游”的号召，因此各乡镇至少有1～2处旅游景区以及众多的旅游乡村，这就加大了人为建设因素对原有自然景观的演替影响，使得林地面积减少、优势度下降，而建设用地在全县各区域不断地呈点状、线状小规模地增加，不断地破坏着原有各类景观的完整性. 水域的供给服务功能、调节服务功能要远远优于其他景观类型，但是其减少的面积及比例最多，几乎每个研究时段都有水域转为单位面积生态系统服务价值较小的其他景观类型，特别是其转为建设用地严重削减了栾川县生态系统服务总价值. 耕地、草地在食物供给、原料供给等方面有一定贡献，林地在气候调节等方面也具有一定的贡献，但是它们的转移、减少导致了栾川县生态系统服务总价值的降低. 栾川县作为山地城市，工矿、旅游用地以及城区建设用地的树枝状扩展使其景观格局被分割，造成了自然景观的破碎化，降低了景观的连通性，破坏了生物生境，削弱了支持服务价值和文化服务价值，从而造成了其生态系统服务总价值的降低. 总之，栾川县的建设用地在不断细碎化地侵占着林地等自然景观，造成了其生态系统服务价值的降低，也就是说景观破碎化造成了与栾川县等类似的山区地带的生态系统服务价值的降低，而景观集中分布、聚集发展则可以提高生态系统服务价值.

3 结论

1）通过对栾川县1980—2018年的景观类型动态进行分析得出：在整个研究时期中，建设用地是唯一一种面积增加的景观类型，且建设用地的变化率最大；转入和转出面积最大的景观类型均为耕地，且总量基本持平，这与栾川县严格实施耕地占补平衡制度有关；转出比例最大的是水域，转入比例最大的是建设用地；整个研究时期内各景观类型变化的速度由大到小分别为：建设用地＞水域＞草地＞耕地＞林地.

2）通过对栾川县1980—2018年的景观格局演变特征进行分析得出：林地是优势景观，其聚集程度最高，连通性最好，破碎化程度较小；除水域外，其他四种景观类型均趋于复杂；耕地的景观破碎化程度最大，建设用地的破碎化程度不断上升；景观水平上优势景观类型的优势度下降，景观类型斑块形状趋于复杂；总体来看，栾川县的景观聚集度下降，景观破碎化程度提高，景观丰富度及多样性水平提高.

3）通过对栾川县1980—2018 年的生态系统服务价值进行分析得出：1980—2018 年栾川县的生态系统服务总价值呈下降趋势，价值下降地区的空间分布零散、细碎；从构成来看，林地对栾川县生态系统服务总价值的贡献最大；耕地、林地、草地、水域这四种景观类型的末期生态系统服务价值较初期均有所减少.

4）通过对栾川县景观格局指数与生态系统服务价值的相关性进行分析得出：供给服务价值、调节服务价值、支持服务价值、文化服务价值以及生态系统服务总价值均与景观分离度指数、香农多样性指数呈显著负相关，与最大斑块指数和蔓延度指数呈显著正相关；景观破碎化造成了生态系统服务价值的降低，而景观集中分布、聚集发展则有利于提高生态系统服务价值.