浙江省土地景观格局演变及其生态服务价值效应分析

王 双，刘永强,2

（1. 宁波大学地理与空间信息技术系，浙江·宁波 315211；2. 浙江省新型重点专业智库宁波大学东海研究院，浙江·宁波 315211）

土地利用/覆被变化（LUCC）是全球环境变化研究的重要内容，已成为人类经济活动行为与生态环境联接的纽带[1-2]，对生物多样性及生态系统功能与结构变化产生显著影响[3-4]。景观格局是研究土地利用及其生态效应的基础[5]，已有研究通常选取多种景观格局指数来表征不同尺度下土地利用状况。景观格局演变与国家/区域经济和社会发展阶段转型相对应，通常会出现各类景观间的单向转入或双向流转[6]。无论全球、国家或区域尺度，人类活动通过改变土地组成要素，加速或延缓能量流动及物质循环，进而影响景观格局和生态质量[7-8]。生态系统服务指生态系统与生态过程可以直接或间接地提供满足人类生产与服务的能力[9]，其价值增减是量化和评价生态系统功能强弱的方法之一，可直观反映区域经济与生态的矛盾关系[10]。人类活动通过破坏或重构地表面景观形态，对生态系统结构与服务效用施加影响[11-12]，引起各生态系统组分、功能和空间格局的改变。因此，在城镇化快速发展背景下通过分析土地覆被景观变化及生态服务价值的时空差异，识别景观格局演变对生态服务功能的影响，对于识别区域生态环境演化趋势，统筹经济—社会—生态空间的协调发展具有重要意义[13-14]。

本文利用景观生态学和生态系统服务分析相关理论，在刻画浙江省1995～2015年土地景观格局演化特征基础上，开展省域生态系统服务价值效应研究，并通过两者间的相关性探究景观格局演变对生态系统服务的影响过程及作用机制，揭示研究期内浙江省土地景观空间配置引起的生态服务价值时空差异。为制定科学的土地资源开发与保护政策，开展生态占补平衡和实现“山水林田湖草”生命共同体系统提供借鉴，同时为统筹城乡发展和响应国家生态功区生境修复及安全管控提供支持。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

浙江省地处中国东南沿海地区中部，自然资源与人文底蕴丰厚，水陆交通便利，地貌特征为“七山一水两分田”。该省土地面积10.56万km2，其中农用地8.58万km2，建设用地1.33万km2。受地形限制与经济驱动影响，区域土地利用竞争与矛盾突出，景观转型与生态功能演变空间差异性显著，具有典型的研究意义。浙北受长三角经济圈辐射影响，经济增速快，建设用地扩张蔓延且集约化水平高，浙西南则多山地，处于中低水平阶段，建设规模偏小。部分市县正经历规模快速扩张与功能结构变化调整期，地块小规模聚集和分散不规则并存，景观破碎度高，具有生态脆弱性和敏感性。

1.2 数据来源

研究数据包括浙江省土地利用遥感影像解译数据和统计年鉴资料。其中，1995年、2000年、2005年、2010年和2015年5期土地解译数据源于中国科学院资源环境科学数据中心。根据中国科学院土地利用/覆被分类标准，研究区土地/景观类型分为：耕地、林地、水域、草地、城镇村及工矿用地和未利用地6个一级类。社会经济数据来自《中国物价年鉴》《中国农产品价格调查年鉴》《浙江省统计年鉴》等。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用动态分析

土地利用动态度反映某地区一定时间内某土地类型数量与速度变动情况[15-16]，用于衡量各土地景观变化的时间差异，对于比较区域土地利用结构差异和预测未来土地变化趋势具有重要作用。表达式为：

式中：K为研究时段内某一土地利用类型动态度；Ua、Ub分别为研究初期、末期某种土地利用类型数量；研究时段T为20年。

1.3.2 景观格局指数分析

景观格局可表征景观类型和空间结构演变状况，是人类活动与各生态过程在不同尺度上综合作用的结果，其格局演化是土地利用/覆被变化最直观的表现形式[17]，景观指数能够高度浓缩景观信息[18]，反映地区土地结构组成与空间配置状况。根据研究区特点与景观指数生态学意义[19]，从景观水平和斑块类型水平两方面开展研究。选择斑块数(NP)、平均斑块面积(AREA_MN)、平均邻近距离(ENN_AM)、斑块结合度(COHESION)、聚合度(AI)和香农多样性指数(SHDI)反映景观斑块的破碎化、多样性和空间连通状况等[20-21]；选择斑块数、斑块密度(PD)、边缘密度(ED)、聚合度及最大斑块指数(LPI)刻画斑块类型的时空演变特征。运用Fragstats4.2软件基于30m×30m的窗口计算各景观指数值，分析各指数的栅格空间差异。各景观指数生态内涵和计算公式可参考书籍《景观生态学—格局、过程与等级》与Fragstats4.2软件指南。

1.3.3 生态系统服务价值评估

谢高地等参考Costanza等的研究成果，构建了一种基于专家知识的评估模型。本研究利用谢高地等提出的中国生态系统价值（ESV）评估模型[22-23]，考虑到浙江省土地利用结构和经济状况，对单位面积农田粮食年产量经济价值予以修正：浙江省1995～2015年粮食均产为5886.37kg/(hm2·a)，以2015年粮食均价4.58元/kg为基准。考虑到未有人力投入情况，现有ESV是单位面积农田食物生产经济价值的1/7[24]，求得浙江省粮食产量经济价值为3851.36元/(hm2·a)，得到区域生态服务价值当量。遵循谢高地等划分的生态系统类型对照表：耕地、林地和草地分别对应农田、森林和草地；水域和未利用地则取湿地和水体、荒漠和裸土地价值系数均值。建设用地对生态环境的负效应远大于正效应[25]，不参与估算。ESV总量和单项价值计算公式为：

式中：ESV表示生态系统服务总价值；ESVj为生态系统某单项服务价值；Ak为第K种土地利用类型面积；Ck为第K种土地利用类型价值系数；Cky为单项服务功能价值系数。

2 结果分析

2.1 土地景观格局时空演变

2.1.1 土地景观动态变化

浙江省林地和耕地景观占比达85%，其面积依次为：林地＞耕地＞城镇村及工矿用地＞水域＞草地＞未利用地（表1）。土地覆被结构与该省“七山一水两分田”的地貌相契合。20年间各景观面积差异显著：表现为水域、草地和城镇村用地面积增加，耕地和林地的减少，城镇村用地逐渐侵占农田与森林等生态保育用地，面积增值536651hm2。动态度方面，建设用地面积增幅8.21%，其次是水域和草地，而耕地和林地景观动态度为负，分别是-0.67%和-0.10%。受地形影响，浙江西部与南部林地和水域景观布局较集中，而浙北和沿海平原区耕地和草地受人类干扰深布局分散。建设用地增大于减，在杭州、绍兴和宁波等市呈点—团状，空间团聚度高，而金华和温州市建设用地虽有扩张但布局零星。自然本底条件、经济活动和政策规划等不同引起城市化扩张进程中土地利用/覆被结构的差异，区域人地矛盾进一步加深。

表1 浙江省1995～2015年土地景观结构及动态度Table 1 Land landscape structure and dynamic degree of Zhejiang province in 1995-2015

2.1.2 土地景观转移特征

1995～2015年浙江省各地类景观出现交叉转移现象（图1）。其中：耕地景观流出量最大，于浙北平原区向城镇村用地转移约112489hm2，共有84756hm2耕地流入林地，多分布在西南低山丘陵区；建设用地转入规模最大，特别是2005年后加速转入，而受果林种植、生境修复及宅基地整改等驱动，在浙西南约有14.15%的城镇村用地转为耕林地。温州和台州等沿海城市大量草地转为建设用地。围水造田和滩涂填淤造成约17.15%和7.91%的水域流向耕地和建设用地。从转移方向看，耕地—建设用地、林地—建设用地间转移量最大，其次是林地和耕地的互相转化。空间上林耕地在浙西南和中南部流入较多，建设用地转入则在浙北平原和沿海丘陵区最为显著。快速城镇化吸引人口与资本集聚，土地利用出现转入转出双向转型，新增建设用地逐渐侵占其他类景观，导致浙江省生态系统功能一定程度上的削弱。

图1 浙江省1995～2015年土地景观转移Fig.1 The land landscape transfer of Zhejiang province in 1995-2015

2.1.3 景观尺度演变特征

（1）景观破碎化

浙江省景观破碎化程度高，空间布局复杂。斑块数（NP）值增高，2010年后有所减小，平均斑块面积（AREA_MN）则先降后增，表明区域破碎化水平高但有所降低，斑块趋于整合。空间上NP北高南低（图2），AREA_MN则相反，且北部高转低值的面积明显增多。破碎化程度整体北高于南，主要为耕地和建设用地景观，呈现以两者为中心向外围减小趋势，尤其是浙北嘉兴、湖州和中部金华等市，人类干扰强度和频率高，建设用地扩张斑块多零散分布，无规律占用耕草地破碎化加深。2010年后区域城市规划和土地整治项目实施，斑块形状趋于规则，各地类聚集连片分布，破碎度有所下降。

图2 景观破碎化时空分布（左两图：1995年；右两图：2015年）Fig.2 Spatio-temporal distribution of landscape fragmentation

（2）景观连通性

平均邻近距离（ENN_AM）有序增加而结合度值（COHESION）减小，表明同类斑块相隔距离在增加，趋于离散化。整体上空间连通性低山丘陵区高于中北部平原（图3），ENN_AM低值和COHESION高值区均为林地景观，且连通度大于耕地和建设用地。由于重视经济—生态可持续发展及实施林地保护规划，林地空间连通性增强。建设用地无序扩张导致新旧斑块连通度变差，不规则占用水域和耕地，其斑块间聚集度降低。

图3 景观连通性时空分布（左两图：1995年；右两图：2015年）Fig.3 Spatio-temporal distribution of landscape connectivity

（3）景观多样性

聚合度AI下降而多样性指数（SHDI）上升，景观异质性增强，主导景观优势度降低，各类景观面积占比差距在缩小。SHDI低值区位于浙西山区和东南丘陵（图4），多为林草地景观均质单一且团聚度高；高值区分布于浙北平原和沿海丘陵平原区及中部金华等市，受人类活动干扰深，区域内草地、耕地、水体和建设用地等各类生产、生活和生态景观空间交错分布，景观多样性与丰富度加深。

图4 景观多样性时空分布（左两图：1995年；右两图：2015年）Fig.4 Spatio-temporal distribution of landscape diversity

2.1.4 斑块类型尺度演变特征

受人类活动影响，斑块水平指数20年间波动较大，土地斑块兼具分散破碎和团聚规整，导致空间聚合和连通状况趋向复杂（表2）。耕地、城镇村及工矿用地破碎度高，斑块不断细碎化，作为优势景观的林地单个斑块面积大，建设用地优势度逐步提升，水域和未利用地形状多样。具体来看，耕地斑块数多破碎度最高，NP、PD和ED先增后降，零散耕地经过整合、流转破碎度有所降低，形状趋向规整。林地破碎化水平较高，其面积最大而NP值低表明有大量优势斑块存在，且LPI高达61%，以绝对优势影响着该区景观格局的重构。草地NP、ED和PD升高而LPI和AI下降，其斑块离散和破碎化加剧，聚合度变低。水域NP、PD增加而ED和LPI却先升后减，原因为建设用地占用及滩涂养殖破坏斑块形状，造成内部通达度变差，小斑块增多。建设用地NP和ED上升明显，随着人类干扰加深LPI和AI增加，空间蔓延无序引起小范围内斑块聚集度增高，优势度显现。未利用地LPI和AI先升后降，其在得到开发利用的同时又形成新的未利用地。

表2 斑块类型水平指数变化Table 2 Changes of patch type level index

2.2 生态系统服务价值分析

2.2.1 生态服务价值总量变化

景观格局复杂化扰动区域生态服务功能与价值稳定性，20年间浙江省生态服务总值由6919.63亿元降为6816.45亿元，变化率为-0.074%（表3）。其中，林地生态贡献率占总价值的79.9%，林地作为重要的生态用地支持系统，在调节气候、保护物种多样性及生境恢复等方面生态功效显著。除水域提供的ESV提高108.51亿元外，其他各景观ESV均有不同程度减少，尤其是耕地与林地面积下降剧烈导致两者生态价值量减少均超100亿元。受城市化影响，区域内ESV系数较高的森林、草地及农田的用地比例逐步下降，而城镇村和交通等用地等需求剧增，导致研究期内浙江省生态服务总值的降低，未来发展中城镇建设空间和生态空间的矛盾冲突亟需缓和。

表3 浙江省1995～2015年各景观生态服务价值Table 3 Ecosystem service value of landscape in Zhejiang province in 1995～2015

2.2.2 单项生态服务价值变化

20年间浙江省各单项服务价值显著降低（图5）。2015年调节服务功能占比最大为55.25%，相比1995年共减少25.84亿元；其次为支持功能贡献率为28.44%，研究期间共损失85.92亿元。各单项功能贡献率为：水源涵养＞土壤维持＞废物处理＞生物多样性保护＞气体调节＞气候调节＞原材料＞提供美学景观＞食物生产。水源涵养、废物处理和美学景观价值稍有提升，其他二级功能价值均有不同程度降低，气体与气候调节、土壤维持价值下降显著，特别是后者价值率减少4.52%，原因是城市建成区土地扩张及围填海活动，耕地、森林和滩涂面积下降，导致其蕴含的生态调节和支持服务功能减弱，对生态系统具有一定的抑制效应。

图5 浙江省1995～2015年生态系统单项功能价值Fig.5 Individual functional value of ecosystem of Zhejiang province in 1995-2015

2.2.3 生态服务价值空间分异特征

为更清晰把握浙江省生态服务价值时空差异与演变趋势，在10km×10km栅格尺度下利用GIS技术将研究区ESV价值量化到单位格网单元。通过自然断点法将ESV分为5个等级：小于9.5万元/hm2为极低值区；低值区[9.5,14.5）；中值区[14.5,19.5）；高值区[19.5,24.5）；大于24.5万元/hm2则是极高值区。由此得到浙江省ESV时空分异图。

20年间浙江省生境质量整体上ESV东低西高，呈条带状延伸、连片状布局（图6），高值区面积总占比超50%，其次是中值和低值区域，且极高值和高值区面积萎缩，中值与低值区有所蔓延。ESV空间格局等级差异明显，浙江生境最优区为新安江水库生态区，高值区森林和草地景观生态功能强，分布于丽水、杭州西南和温台交界区，而生境质量劣区则是浙北平原和沿海丘陵平原区，ESV低值和中值区则位于金华、衢州等市和沿海平原向内陆丘陵过渡区域。ESV空间布局与其地类景观相吻合，单位面积ESV极高值区为水域景观；高值区为面积变化剧烈的林草地景观，20年间高值向中低值区转化较为显著的是金华和衢州条带状延伸区与温州南部；ESV中低值区多与农田和建设用地范围相符，人类活动导致农业和城镇空间逐步侵占生态空间。

图6 浙江省生态系统服务价值空间分异（左图：1995年；右图：2015年）Fig.6 Spatial distribution of ecosystem service value in Zhejiang Province

整体来看，浙江省ESV空间差异受自然要素影响较大，其次是国土空间规划、城镇化扩张及产业转型等多因素作用，区域“七山一水”的良好生态本底一定程度缓和了建设用地扩张引起的生态价值损失。但低值区转为中高值区的面积少于ESV高转低，这表明浙江省生境仍受威胁，今后要控制各种建设占地的速度与规模，提高用地效率和经济增长质量；通过营造人工湿地与湖泊、退耕还林草等措施改善生态环境，降低经济和人口膨胀对生态服务功能带来的负面影响。未来应维持生态服务价值中、高值区的空间稳定性，重点监测ESV降值区域，引导土地利用向生态服务价值保值和增值方向发展。

2.3 土地景观演变的生态服务功能影响机理

土地覆被结构、方式和空间变化等影响区域生态服务功能，不合理的资源配置破坏土地自然要素与景观完整性，引起生态系统紊乱、生境退化和复杂。通过土地覆被结构和景观格局演变对生态服务功能价值的影响研究，探讨土地要素变化对生态服务功能的影响作用机制。土地自然要素与覆被结构变化改变其斑块数量与形状、廊道连通度和基质状况等，进而改变区域生态服务功能，影响生态系统循环和能量流动效率，扰动食物链稳定性，同时调整各土地要素与种类大小影响生态美学景观等功能价值。

利用Pearson相关性检验，测算研究区景观格局指数与各生态服务功能间的相关性（表4）。生态总价值与最大斑块数、结合度和聚合度呈强正相关，与斑块数、平均邻近距离和香农多样性为强负相关，与斑块密度、边缘密度和平均斑块面积指数为弱相关，表明景观斑块离散破碎、形状类型多样和通达度低会导致区域生态价值量减少，而斑块团聚度高、连续性与优势度强，则有利于生态服务价值量增加和功能提升。具体来看，供给服务中食物生产和原材料与支撑服务蕴含的土壤维持和生物多样性功能与NP、ED、LPI、AI、COHESION和SHDI等指数因子强相关显著，可通过干扰土地自然要素、形状特征与物质流动等调整森林、水域和草地等景观蕴含的生态功能，如增加斑块与廊道数量、形状不规则度，则阻碍生态系统中水、碳循环和生物迁移，而提高连通度与景观丰度，可增强对环境变化的适应力。水源涵养和废物处理等调节服务和维持文化服务的美学景观则对土地景观变化最为敏感，气体与气候调节服务与AREA_MN、COHESION和AI呈强正相关，与NP、ED、PD和SHDI为强负相关，水源涵养和废物处理与各景观指数相关性较弱或无相关。各景观要素组成、空间形态，斑块与廊道面积、类型变化很大程度上影响土地景观的空间配置效果并控制着区域生态环境变化的反应能力。

表4 景观格局指数与生态系统服务功能间相关系数Table 4 Correlation coefficients between landscape pattern index and ecosystem service function

林地蕴含的生态价值远超其他类景观，其斑块面积减小导致提供的生态调节与支撑服务功能弱化。近年来浙江省开展生态文明建设，斑块完整性提高。水域景观多为人工湖泊与滩涂，其提供的水源涵养和废物处理功能提升，一定程度上弥补了林地生态价值减小的损失。建设用地扩张影响景观格局的空间重构，兴建住宅区和产业园、连通各类交通网引起生态用地缩减破碎度加深、廊道连通复杂化，导致生态系统物质循环受阻、生物生境改变等。各类景观间相互转移也作用于生态服务功能和价值，尤其是浙北林耕地向建设用地大规模转移及耕地、草地和水域的破碎分散化，复杂的用地结构和景观空间配置导致20年间浙江省ESV总值损失103.18亿元，表明城镇化建设和人口增长带来的土地利用变化对生态环境具有明显的压力和负效应，经济社会发展在一定程度上是以牺牲生态系统功能为代价的。未来可通过政策规划向林地、草地和水域等价值系数高的景观转移，通过调整景观斑块、廊道的类型、数量、形态和要素组成，改善生态系统供给、调节、支撑与文化服务功能，促进各物质间循环与能量流动，提高生态系统的恢复与反应能力。

3 结论与展望

本文利用浙江省5期土地景观数据，通过土地利用动态度、景观格局指数、生态服务价值评估及Pearson相关性检验，在分析土地覆被结构和景观格局演变基础上，揭示LUCC影响下浙江省20年间ESV空间差异及趋势特征，开展土地景观演变的生态功能影响分析，结论如下：

（1）1995～2015年浙江省土地利用变化剧烈，表现为耕地、林地面积减少，城镇村用地、水域和草地面积增加。城镇村用地面积增幅高达8.21%，而耕地和林地动态度为负。浙江西、南部林地和水域布局较集中，建设用地和耕地多分布于浙北平原和沿海丘陵区。从转化类型看，耕林地向建设用地单向转移量最大，其次是林耕地的互相转化。建设用地转入、耕林地转出在浙北平原和沿海岸区变化显著，表明城市化快速扩张对土地覆被的影响持续加强。

（2）研究时段内区域斑块分散、聚合和连通状况变化多样，景观格局时空演变复杂化，表现为同类斑块内部空间连通性弱但景观多样性和丰度提升，空间连通度浙南高于中部和北部，而景观多样性和破碎化水平却是北高于南。林地存在大量优势斑块，连通度趋于优化；耕地、城镇村用地斑块复杂，破碎度加深；水域通达度变差，斑块形状多不规则；建设用地小区域内聚集度与优势度升高，以林地和耕地为主导的景观格局逐渐向城市景观转变。

（3）浙江省生态服务总价值呈先增后减趋势，林地和耕地ESV损失量超过水域ESV增加量，共减少103.18亿元。各二级服务功能仅水源涵养和废物处理价值量呈增加趋势，其他单项ESV均有所下降。空间上ESV呈连片状布局、条带状延伸，等级差异明显，高值区面积占比超50%，极高值和高值区面积减小，中值与低值区有所扩张。浙西南生境质量优，而浙北与东南沿海区域则较低，人类活动导致生产空间逐渐侵占生态空间。

（4）浙江省土地要素与覆被结构变化造成的斑块破碎、多样化及廊道环通度变化等对生态服务功能产生显著影响。相关性检验发现，ESV总值与LPI、COHESION和AI呈显著强正相关，而与NP、ENN_AM和SHDI呈强负相关，表明增加斑块团聚度、优势度和空间连通性以及降低斑块破碎度和异质性有利于提高整体生态服务价值量。改变景观斑块的数量与形状、廊道连通度与基质状况类型等可作用于生态服务功能，如斑块聚合与环通度增强，间隙减小、形状不规则降低可加速生态系统能量流动与循环，提高食物链网稳定性，减弱气体、气候调节和水源涵养等生态服务对环境变化的敏感性，发挥森林、草地和水域等生态系统服务功效，并持续为人类生产生活提供供给、调节、支撑功能与文化服务需要等。

随着人类活动影响持续加强，对区域自然景观的干扰和破坏持续增加，如何既保持快速经济发展又保护好生态环境，在快速城镇化推进过程中维持并有效提高生态系统服务功能，是中国亟需解决的难题。因此应采取积极的生态保护措施，土地管控应尽量以空间上连片利用为重点，注重保护原始生态景观，增强景观优势度和斑块连通性。切实保护林地和耕地、优化调整城镇建设用地，科学开发未利用地，监管采矿后的生境修复工作，减少大气、土壤和水体污染带来的负面影响。同时，城市规划要规范景观秩序，关注城市景观格局演变引起的生态环境问题，协调好城市空间扩张与生态价值功能的平衡，最大限度提升生态系统功能和服务需求，实现区域土地景观最优化利用和生态系统多项服务的协调发展。