景观格局及生态系统服务价值响应——以千阳县为例

张林，李来新，马东民，张佩

(1.西安科技大学，陕西 西安 710054；2.陕西省煤层气开发利用有限公司，陕西 西安 710065；3.陕西省煤田地质集团油气钻采公司，陕西 西安 710054)

景观格局的演变是研究区域人类活动与经济发展的重要基础，量化景观指数是研究区域景观格局演变的基本方法(Robert Costanza，1996；Harvey Alexander，1999)。生态过程与系统形成及维持人类生存的自然环境及效应称为生态系统服务(谢高地等，2003)，两项指标均可体现系统内人类活动与自然界的变更历程，互相关联、互相平衡；景观格局的改变又影响生态系统过程、组分、结构及生物多样性等深度变化，对生态系统服务有着明显的影响(Shiliang Su et al.，2012；王尧等，2019；张茂省等，2019)；景观类型变化的效率和结构受到生态系统服务的退化制约，影响着生态安全与人类健康(William R，2011；张茂省等，2019)。因此，研究景观格局的变化及生态系统服务的响应能够有效地掌握区域生态环境变化趋势，合理分配利用土地，提高区域生态质量，促进人类与自然和谐可持续发展(高奇等，2013；王军等，2015)。

生态系统服务价值评价是建立生态环境平衡政策、评判和衡量生态系统服务功能强弱的重要依据(王晓峰等，2012，丁月清等，2019，欧阳志云等，1999)。国际上主要以Costanza等提出的基于效用价值理论和平衡值理论的生态系统服务价值评估模型，但该方法准确度较低，不符合中国国情。在中国，谢高地等(2008)参照国外的研究结果，对中国区域生态系统服务价值进行动态分析和估算，较明确地阐述了国内生态系统服务价值的立体展布规律；彭建等(2012)参考Costanza的研究认识,定量分析了景观格局变化在国内的生态效应；李志等(2007)利用生态服务价值，阐明了景观格局变化与生态服务效应的相关性；陈希等(2016)采用生态服务价值当量和景观指数协同方法，定量评价了不同类型景观的生态服务价值和景观格局变化特征。

笔者以千阳县作为研究对象，将RS、GIS与景观指数相结合，基于生态系统服务价值的数学模型，定量化分析景观格局变化与生态系统服务价值的响应，并通过敏感性指数验证结果的可靠性。研究结果将对千阳县后续合理利用土地、分配优势资源、促进区域可持续发展提供科学依据；同时，为国家在黄土高原区域的生态保护、土地利用、资源分配等政策制定提供理论参考。

1 研究区概况

千阳县地处陕西关中西北部，属于俗称“七山二塬一分川”的高原区，全县人口约13.20万人，土地面积为996.46 km2，属暖温带半湿润大陆性季风气候，年均气温11.90 ℃，年均降水657.10 mm，千山横贯东西,为天然分水岭。景观类型主要为林地、建设用地、耕地、水体、草地和未利用地。千阳县是陕西贫困山区农业县，“人多地少、土地资源有限”是千阳县的实际情况(朱林生，2013)。

2 数据来源及方法

2.1 数据来源及数据预处理

提取2000年、2010年、2010年Landsat TM及2015年Landsat OLI影像，对提取数据通过ENVI5.1软件进行预处理、几何纠正、辐射纠正及图像匹配，进而人机交互解译。结合《土地利用现状分类》方法，参考现实情况和研究目标将研究区划分为耕地、建设用地、草地、林地、水体以及未利用地6大景观类型。通过实际踏勘，准确率达到85%以上。

2.2 研究方法

2.2.1 景观格局演变

(1)景观指数选取。景观指数能够全面提炼景观格局信息，将空间配置和结构组成特征通过简单定量指标进行反应(陈文波等，2002)。笔者提取斑块数(NP)、最大斑块指数(LPI)、斑块密度(PD)、斑块类型面积(CA)、斑块面积比例(PLAND)、平均斑块面积(AREA_MN)、景观形状指数(LSI)、聚集度(CLUMPY)；景观水平提取：斑块密度(PD)、斑块数(NP)、香农多样性(SHDI)、香农均匀度(SHEI)、景观形状指数(LSI)、景观蔓延度(CONTAG)、丰富度(PR)、平均斑块面积(AREA_MN)、最大斑块指数(LPI)等指数对各景观类型破碎度、复杂度、面积等空间特征进行分析。

(2)土地利用程度。土地利用程度，研究区域土地利用的深度和广度是人类与自然环境和自然属性的综合反映(Morgan J L，2010；王秀兰等，1999)。

(1)

式中:Lu为土地利用程度综合指数；Pi为第i级土地利用程度指数；Qi为第i级土地利用程度面积百分比。

2.2.2ESV评估

目前，Costanza的生态价值估算方法为主流生态系统服务价值评估方法，由于该方法在中国误差较大。所以基于Costanza评价模型，谢高地等提出了国内生态系统服务价值的估算价值当量因子表，公式如下：

(2)

式中：VC0为ESV当量因子的价值量(元hm-2a-1)；P为平均粮食价格(元/kg)；Q为研究区平均粮食产量(kg/hm2)、n为年份数。价值当量与田地自然粮食产量的经济价值乘积可定量化出景观类型单位面积生态价值。千阳县ESV的计算公式为：

(3)

ESVf=∑(AK×VCfK

(4)

式中：ESV是生态系统服务价值(元)；Ak为景观类型K的面积(hm2)，VCk为ESV系数(元hm-2a-1)；ESVf为生态系统第f项服务功能价值；VCfk为景观类型k的第f项服务功能价值系数(元hm-2a-1)。

2.2.3 敏感性验证

分析选取的VC是否匹配本区，提取敏感性指数进行验证。敏感性分析为获得模型的最佳解，无论模型中若干个参数变化多少，仍能保持原最优解的条件不变(高练等，2008)。基于敏感性指数来评价时间变化下VC与ESV的弹性关系；若敏感性指数CS>1，显示ESV对VC是富有弹性，其准确性越低，引用的VC越不准确；若CS<1，显示ESV对VC为缺乏弹性(李哲等2017)，VC引入合适，结果可信。CS计算的公式如下：

(5)

式中：CS为敏感性指数，为VC变动1%引起的ESV的变化情况；VC为生态价值系数；i和j是初始价值系数与调整后系数；k代表景观类型。

3 结果与分析

3.1 景观类型面积变化特征及相互转化关系分析

研究区4期土地利用类型图见图1，结合表1显示2000～2015年各景观类型面积都发生了变化。其中，耕地面积总体变化量最大，并且在2000～2005年期间变化量达到峰值，总体变化量为-7 378.30 hm2；草地面积先增后减，整体面积保持增加趋势，总体变化量为3 383.40 hm2；林地面积逐年上升，总体变化量为3 705.42 hm2；建设用地面积保持增长态势，其增长峰值在2005～2010年间变化量为182.48 hm2；水体面积先增后减，总体面积增加，总体变化量为191.66 hm2；未利用地面积总体减少，从2005年开始减弱趋势放缓，总体变化量为-186.72 hm2。根据表2，发现研究区近15年间耕地为转出面积最大的景观类型，占总比90.51%，与之相对应的转入面积最大的类型分别为林地和草地，分别占总转入面积的47.31%和43.20%。该结果表明，研究区受政府政策影响，为了恢复自然生态，防止水土流失及人类破坏，将部分不适宜耕种的耕种区和坡度较大区转出为草地和林地。其次转出为建设用地，大部分未利用地转移为水体，使未利用地得到了充分的利用。此外，随着大面积的耕地分散转移，水体面积的增加以及未利用地的充分利用，研究区的整体生态环境逐步趋好，生态系统服务功能得到提高。

图1 千阳县2000～2015年4期土地利用类型图Fig.1 Maps of land use type of Qianyang County from 2000 to 2015

表1 各景观类型面积变化量及百分比表Tab.1 Area change and percentage of landscape type

表2 2000～2015年景观类型面积转移矩阵表Tab.2 Landscape type area transfer matrix in 2000～2015

3.2 景观类型水平变化特征分析

从各景观类型的景观指数变化情况分析(表3)，2000～2015年，随着人类活动的不断增加，耕地各景观指数呈下降趋势，下降为5.99%，显示耕地景观类型趋向合理，相比聚集度指数，耕地景观类型破碎化程度减小，连通性提高。作为研究区的优势景观类型的林地与草地指数变化趋势相似，两者斑块数和斑块密度指数整体下降，但都在2015年有小幅回升，说明林地景观类型与草地景观类型整体形状趋于简单规则。在2015年由于自然及外界因素的干扰，破碎度随之提升，景观异质性增强。随着城乡城市化加速发展，建设用地的最大斑块指数与斑块面积比例逐年提高，显示人类活动的干扰强度增强，同时未利用地得到了有效的利用。水体在研究区内面积有所减少，聚集度和景观形状指数降幅最大，说明在人类活动的干预下，该区域水体破碎程度严重。

表3 2000～2015年千阳县景观类型水平指数表Tab.3 landscape type level index,2000～2015 Qianyang county

续表3

3.3 景观级别水平特征分析

从表4中看出，研究区2000～2015年景观形状指数持续减少，说明该研究区内人类的活动干预使景观形状趋于集中，但其斑块数和最大斑块指数表现下降趋势，总体显示为破碎趋势，景观优势度降低；蔓延度持续上升，表示优势斑块连通性较好，其区域逐步扩大。区内香农均匀度指数变化趋势与香农多样性相近体现为先升后降再升，总体表现有所提高，说明2000年景观多样性和均匀度最小。此时研究区内各景观斑块类型分布最不均匀，多样性差，连通性较弱；直到2015年，景观多样性与均匀度较2000年有所提升，说明研究区内各景观斑块类型分布趋于均匀，景观的优势度逐渐降低，多样性提高。

表4 2000～2015年千阳县景观级别水平指标表Tab.4 Landscape Level Indicators，2000～2015 Qianyang County

3.4 土地利用程度的变化趋势数据分析

由研究区4期土地利用程度指数(表5)看出，从2000～2015年间，土地利用程度指数呈逐步上升趋势，并且均高于全国平均值231，2015年土地利用程度指数最大。说明近15年，千阳县在土地利用层面有了巨大改善，土地得到有效地利用，并且土地利用趋于均匀，土地利用多样性增强，景观的功能性得到了提升。

表5 2000～2015年土地利用程度指数表Tab.5 Land use index from 2000 to 2015

3.5 生态系统服务价值研究

3.5.1 总体生态系统服务价值的变化

根据计算的研究期生态服务价值(表6)可以看出，研究区近15年总体ESV值呈现上升趋势，总体上升4.30%。但从各年变化率看，这种上升趋势在明显减弱。从各景观类型角度上来说，2000～2015年期间，除耕地和未利用地的ESV值下降以外，其他各景观类型的ESV值均有不同程度的上升。其中，林地的ESV值增加83.09×105元，增幅为7.67%；水体的ESV值增加9.05×105元，增幅为15.31%；草地的ESV值增加25.14×105元，增幅为23.10%，是各景观类型中增幅最大的景观类型；其次耕地的ESV值下降52.32×105元，降幅达21.46%；而未利用地的ESV值降幅最大，达到97.17%，下降0.08×105元。总体上说，研究区的总体ESV值上升64.87×105元，变化率为4.34%，虽然未利用地的ESV值降幅最大，但未利用地ESV值基数较低，产生的影响并不大，而耕地ESV值的下降直接影响到林地与草地ESV值的上升，对研究区总体ESV值的增加起着关键引导作用。

表6 2000～2015年不同景观类型的生态系统服务价值及变化量表Tab.6 Value and change of ecosystem services of different landscape types from 2000 to 2015

3.5.2 单项生态系统价值变化

结合表7分析单项生态系统服务价值的变化。

表7 2000～2015年研究区生态系统价值变化对比表Tab.7 Comparison of changes in ecosystem value in the research area from 2000 to 2015

2000～2015年间，研究区食物生产功能价值的降幅度最大，下降6.13×105元，降幅达13.66%，价值增长最多的是生物多样性，增涨11.23×105元，增幅达6.91%。2000～2005年期间，各单项功能价值变化幅度最为明显，其中水源涵养服务价值增长最多，增涨达10.58×105元，增幅达4.85%。2005～2015年期间，各单项功能价值变化趋势减弱，直到2010年后，各单项生态系统服务价值的变化率达历年最低，浮动最小。通过对区内整体单项组成的分析，对各单项服务功能价值总结为：土壤形成与保护>水源涵养>生物多样性保护>气体调节>气候调节>废物处理>原材料>娱乐文化>食物生产。土壤形成与保护服务功能价值最高，占比为18.25%，其次为水源涵养服务功能，占总体服务价值的14.90%，第三是生物多样性保护、气体调节、气候调节服务功能，三者合计占总体服务价值的39.69%。食物生产占总体服务价值的比例最低，仅为2.49%，主要原因可能是林地与草地类型的增加，提高了区域生态环境质量，直接影响了土壤形成与保护和水源涵养服务功能，使得土壤形成与保护及水源涵养服务价值得到提高。此外，由于部分耕地类型转变为林地与草地，加之政府部门推动现代化城镇建设，以及娱乐文化服务价值的提高，影响到食物生产能力的减弱，导致该区域食物生产服务价值的下降。

3.6 敏感性分析

对生态服务价值系数调整50%后的各景观类型，可以看出变化后敏感性指数(图2)。总体景观类型的敏感性指数均小于1。2000～2015年期间林地的敏感性指数最大，其敏感性指数均大于0.51，并逐年增长，代表当林地的生态服务价值系数改变1%时，其总生态服务价值至少改变0.51%；此外，水体的敏感性指数最低，均小于0.10，代表当水体的生态服务价值系数改变1%时，相应总生态服务价值改变不超过0.06%。综合分析，区内各景观类型的敏感性指数均小于1，显示提取的各价值系数为非弹性，适合其实际情况，生态服务价值预测结果可靠。

图2 2000～2015年生态系统价值敏感性指数趋势图Fig.2 Trend of ecosystem value sensitivity index from 2000 to 2015

4 结论

(1)从景观格局来说，2000～2015年间千阳县景观类型变化明显，耕地转移为90.51%，以草地与林地转入为主，转入面积分别为3 383.40 hm2和3 705.42 hm2。此外，耕地景观类型形状趋于规则，聚集度及连通性增强。林地与草地景观类型的斑块数和斑块密度指数整体下降，2010年后又有小幅提升，说明破碎度提升，景观异质性增强。此外，建设用地的斑块面积比例和最大斑块指数都在逐年增加，同期水体的景观形状指数和聚集度有所下降，显示该区水体存在严重程度破碎，充分利用了未利用地。分析景观级别水平变化特征，2000～2015年斑块数和最大斑块指数一直呈现减少趋势，整体趋势显示为破碎，景观优势度降低。结合香农均匀度、香农多样性、蔓延度指数的上升，显示近15年间千阳县景观均匀度、多样性和连通性得到提升，景观类型分布均匀，景观优势度降低，景观多样性提高。

(2)采用生态系统服务价值的价值当量因子方法，结合多项景观指数特征参数，通过敏感性指数变化分析得出：从生态系统服务价值来说，近15年的千阳县ESV值呈上升趋势。2000～2015年间，除耕地与未利用地的ESV值呈下降趋势外，其他景观类型的ESV值均有不同程度的上升，其中草地的ESV值增幅最大。从单项ESV值的变化情况来看，近15年间的食物生产功能价值降幅最大，生物多样性保护、水源涵养、土壤形成与保护功能价值构成区内主要生态服务价值，土壤形成与保护占总比18.25%。ESV值的变化与景观格局的变化息息相关，景观类型的转变影响着ESV值的价值走向，决定着区域生态服务价值的大小。

(3)敏感性验证显示，区内ESV值对VC缺乏弹性，选用价值系数符合其实际情况，预测ESV值结果可靠。近15年间，土地利用程度指数逐渐提高，表明土地利用趋于稳定和规范，土地得到了有效利用。

(4)ESV值估算模型在准确性和时效性上仍有待提高，较适用于长时间序列中的生态系统服务价值估算，不同的生态服务功能有其不同的功能量化估算公式，不同的生态服务功能估算公式又适用于不同的生态系统，如何更好地整合和提高现有的生态服务功能估算方法，并将生态服务功能价值量化是下一步需要研究和探索的重点。