基于保护政策影响的抚仙湖流域景观格局变化及生态系统服务价值响应

摘要：【目的】云南省抚仙湖流域作为我国西南地区和珠江流域重要的生态屏障，是我国“两屏三带”生态安全格局的重要组成部分。抚仙湖流域景观格局和生态系统服务价值（ESV）的变化受到“四退三还”保护政策的影响，定量研究其发展演变规律，为流域景观的保护与规划提供参考。【方法】选取2006—2021年“四退三还”保护政策实施前后抚仙湖流域的4期遥感影像进行景观分类，计算土地利用动态度、转移矩阵、景观格局指数，并基于当量因子法评估生态系统服务价值（ESV），运用SPSS对流域的ESV与景观格局指数进行相关性分析。【结果】①“四退三还”政策实施前，抚仙湖流域林地面积大量减少，建设用地持续扩展，水体面积减少;景观格局复杂化、破碎化，连通性减弱，同时流域ESV明显下降。“四退三还”政策实施后，抚仙湖流域林地面积显著增加，建设用地扩张速度明显减缓，水体缩减速度降低;景观格局破碎化程度降低，连通性增强;流域ESV显著增加。②抚仙湖流域ESV与景观格局之间存在明显联系，流域ESV总量与景观格局指数蔓延度（CONTAGE）显著正相关，与香浓多样性指数（SHDI）和香浓均匀度指数（SHEI）相关性较高且呈负相关。各单项生态系统服务价值中，供给服务与最大斑块指数（LPI）显著负相关；调节服务和支持服务与CONTAGE显著正相关，与SHDI和SHEI显著负相关；文化服务与CONTAGE显著正相关。【结论】景观类型的剧烈变化引起景观类型之间的相互转移以及景观多样性、连通度等的变化，并改变了景观生态系统的结构和功能，同时也影响生态系统服务价值。未来研究中可聚焦其机制，为抚仙湖流域下一步的保护与管理提供参考。

关键词：生态系统服务价值（ESV）;景观格局;“四退三还”政策；云南抚仙湖流域

中图分类号：S759.9 文献标志码：A开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

文章编号：1000-2006（2024）03-0145-10

Protection policy impacts on landscape pattern changes and ecosystem service value responses in Fuxian Lake basin

LI Sirong， SU Tongxiang^*

（College of Landscape Architecture， Nanjing Forestry University， Nanjing 210037，China）

Abstract：【Objective】 Changes in landscape patterns and ecosystem service values （ESVs） in the Fuxian Lake basin are affected by the “Four Retreats and Three Returns” protection policy. Quantitatively understanding such changes can provide a reference for the protection of watershed landscapes. 【Method】 Four sets of remote sensing images taken from 2006 to 2021 （before and after the implementation of the “Four Retreats and Three Returns” protection policy） were selected for landscape classification， and the land use dynamics， transfer matrix and landscape pattern indices were calculated. The ESVs were evaluated using the equivalent factor method and the SPSS software package was used to analyze the correlations between the ESVs in the watershed and the landscape pattern indices. 【Result】 The results indicated that the forested and water system areas in the Fuxian Lake basin were small， while the construction land area was expanding before the implementation of the “Four Retreats and Three Returns” protection policy. The landscape pattern was also complicated and fragmented， with weak connectivity and low ESVs. After the policy was implemented， the forested area increased significantly， the expansion of construction land slowed significantly， and the rate of water system reduction decreased. The degree of fragmentation of the landscape pattern also decreased and the connectivity was enhanced. The ESVs in the basin increased significantly. （2） The ESVs in the Fuxian Lake basin were connected with the landscape pattern， and the total basin ESV was significantly positively correlated with CONTAGE and negatively correlated with SHDI and SHEI. Among the individual ESVs， supply services were significantly negatively correlated with LPI， regulation and support services were significantly positively correlated with CONTAGE and significantly negatively correlated with SHDI and SHEI， and cultural services were significantly positively correlated with CONTAGE. 【Conclusion】 Future studies should focus on the mechanism behind these changes and provide a reference for the next step in protecting and managing the Fuxian Lake basin.

Keywords：ecosystem service value（ESV）; landscape pattern; ‘Four Retreats and Three Refunds’ policy; Fuxian Lake basin of Yunnan Province

生态系统服务价值（ESV）是将生态系统惠益于人类社会的价值量化，是生态环境保护、生态功能区划、环境经济核算及生态补偿决策的重要依据和基础^[1-2]。景观格局与生态系统价值之间存在密切联系，流域景观格局不仅能反应流域内自然、生态过程与经济活动之间的关系，其动态变化还影响着流域内的景观调控和综合治理^[3]。集成流域生态系统服务与景观格局有益于探究流域ESV演变规律、评价流域生态效益，还可以作为流域保护与管理的决策依据^[4]。高原湖泊具有调节区域气候、改善生态环境等重要功能，是一个区域生态环境的关键因子，其流域是区域生态体系安全的重要组成部分^[5]。但高原湖泊流域生态系统脆弱，近几十年受气候变化和人类活动影响，其水环境和生态退化问题突出^[6]。对此，政府出台了多项针对性的生态保护政策，极大地影响了高原湖泊流域的生态系统服务价值和景观格局。

景观格局变化是景观生态学的核心研究内容之一^[7]，国内外关于景观格局影响的研究主要集中在景观格局特征及其动态变化^[2，8-10]，景观格局演变的生态环境效应^[11-12]、驱动机制、影响因素以及格局优化^[13-14]方面。2005年联合国发布了《千年生态系统评估报告》^[15]，推动了生态系统服务价值研究的热潮^[16-17]。近年来国内学者开始关注生态系统服务价值与景观格局演变之间的关系^[3]，研究目前主要集中在不同生态系统和不同空间尺度的关系方面，对高原湖泊流域的研究还较少。生态保护政策对区域景观格局和生态系统服务价值都会造成影响，而且生态系统价值评估也可用来考查生态保护政策所取得的成效。目前对于生态保护政策的研究主要集中在政策机制的发展和完善方面^[18-19]，对于保护政策实施后区域环境变化的研究较少。

抚仙湖是云南省九大高原湖泊之一，抚仙湖流域作为我国西南地区和珠江流域重要的生态屏障，是我国“两屏三带”生态安全格局的重要组成部分，具有极其重要的生态战略地位^[20]。20世纪后期，随着流域内农业、旅游业的发展和建设用地的不断扩张，流域生态环境遭到破坏，水质恶化。旅游业是抚仙湖流域产值最高的产业，但抚仙湖流域开发建设的项目中多以景观地产项目为主，抚仙湖周围森林面积大量减少，加快了抚仙湖流域原有生态环境的破坏。为了保护与治理抚仙湖，当地政府自2011年起实施“退人、退田、退房、退塘，还湖、还水、还湿”的 “四退三还”保护政策，并着重修复抚仙湖流域林地。2016年加大力度推进该保护政策，退出大量农田，拆除抚仙湖保护区内大批建筑，实施抚仙湖环湖生态移民搬迁3万余人。“四退三还”保护政策的实施对抚仙湖流域的生态环境产生了极大影响，流域的景观格局和生态系统服务价值也随之改变。基于此，相关学者开展了广泛的研究，如：尹娟等^[21]借助土地利用变化幅度、洛伦兹曲线和基尼系数等方法探究抚仙湖流域生态用地时空变化特征和演变规律；赵筱青等^[22]从土地功能空间分类的角度研究抚仙湖流域包括城镇空间、农业空间和生态空间的“3类空间”分类体系；李思楠等^[23]、李石华等^[24]、刘娇等^[25]则借助RS和GIS技术，研究抚仙湖流域土地利用动态变化；杨娅楠等^[26]结合GIS 技术和统计学方法，分析了流域内土地利用及景观格局变化与湖泊水质的响应关系。还有学者将土地利用变化与生态系统服务价值联系在一起，研究抚仙湖流域土地利用变化对其生态系统服务价值的影响^[27]。已有研究多集中在抚仙湖流域土地利用变化及其影响方面，对于抚仙湖流域景观格局和生态系统服务价值方面的研究较少，并且缺乏实施“四退三还”保护政策后对抚仙湖流域所产生影响的研究。本研究以抚仙湖流域为研究区域，基于“四退三还”保护政策开始的时间和政策实施的阶段性，利用2006、2011、2016、2021年4个时期的土地利用数据，对“四退三还”保护政策实施前（2006—2010年）、实施初期（2011—2015年）、强力推进时期（2016—2021年）抚仙湖流域景观格局和生态系统价值的变化，以期考察保护政策所取得的成效，并为今后流域的生态保护、恢复和管理提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

抚仙湖流域位于云南省玉溪市境内（102°39′～103°00′E，24°13′～24°46′N），居滇中盆地中心、长江流域和珠江流域分水岭地带流域面积674.69 km²，跨澄江、华宁两县和江川一区，包含8个乡镇、42个行政村或社区和238个自然村，2015年末总人口165 940人，农村人口占68.25%^[28]。流域内以高原、丘陵地貌为主，地势四周高、中间低，相对高差较大。气候属中亚热带半湿润季风气候，常年平均气温11.9～17.5 ℃，降水主要集中在5—10月，具有明显的干季、雨季气候特征。

1.2 数据来源及预处理

根据抚仙湖流域“四退三还”保护政策的实施进程，选取政策实施前的2006年，实施初期的2011年，强力推进时期的2016年和2021年共4期Landsat遥感影像，数据源于美国地质勘探局（https：//earthexplorer.usgs.gov/），数据基本信息见表1。

先利用ENVI5.3对遥感影像进行预处理，包括辐射定标、大气校正、影像裁剪等；再根据研究区影像资料和野外调查，基于光谱特征及地物纹理特征等信息，建立解译标志，利用人工目视解译和ENVI支持向量机相结合的方法，每种地类选取30个典型样本作为训练样本进行监督分类。分类标准参考GB/T 2010—2017《土地利用现状分类》，结合抚仙湖流域实际情况，将景观类型确定为水田、旱地、林地、灌草丛、水体、建设用地、未利用地7个类型。分类后通过分辨率为2 m的高清影像进行精度验证得到4期土地利用数据，获得2006、2011、2016、2022年总体分类精度依次为93.54%、97.55%、97.06%、98.33%，Kappa系数分别为0.91、0.95、0.94、0.97。抚仙湖流域界线来源于国家科技基础条件平台——国家地球系统科学数据中心（http：//www.geodata.cn），相关社会经济数据源于《云南省统计年鉴》和玉溪市统计公报等。

1.3 土地利用和景观格局指数测算

1）土地利用动态度。土地利用动态度不仅可以用来反应一个区域某时段内景观变化的剧烈程度，还可以反映区域内不同景观类型景观变化的差异，包括单一土地利用动态度（K）和综合土地利用动态度（L_c）。单一土地利用动态度描述某时段内某类景观的变化速度，而综合土地利用动态度反映整个区域的变化速度^[29-30]，公式如下：

K=U_b－U_aU_a×1T×100%;（1）

L_c=∑ni=1ΔU_i-j2∑ni=1U_i×1T×100%。（2）

式中： K为单一土地利用动态度;U_a、U_b分别为研究期初a和研究期末b某一地类的面积;T为研究时长;L_c为综合土地利用动态度;U_i为研究起始时间第i类景观类型面积;ΔU_i-j为研究时段第i类景观类型转为j类景观类型面积的绝对值。

2）景观类型转移矩阵。转移矩阵可以全面而又具体地描述区域内景观类型变化的结构特征和变化的方向，广泛应用于土地利用变化研究中^[31]。基于ARCGIS 10.6中交集功能计算出2006—2010年、2011—2015年、2016—2021年3个研究时段的转移矩阵。根据计算结果绘制桑基图，更直观地表达景观类型转移情况。

3）景观格局指数分析。景观类型数量结构变化和景观空间异质性变化共同构成景观格局变化，引起生态系统服务异质性、稳定性、多样性等特性变化，进而导致区域内的生态系统服务价值产生变化^[32]。景观格局指数反映景观结构组成和空间配置特征，表征景观异质性。利用景观格局指数能够对景观格局动态变化进行定量化研究，使景观格局的表达客观并直观^[8]，有助于探究景观格局与生态系统服务价值之间的关系。根据学者以往研究成果，从斑块类型水平和景观水平选取对景观破碎程度敏感度较高的景观格局指数：斑块类型水平指数包括最大斑块指数（LPI）、边缘密度（ED）、斑块密度（PD）、斑块平均大小（AREA-MN）、面积加权平均分维数（FRAC_AM）（以下简称“分维数”）、凝聚度（COHESION）;景观水平指数包括斑块数目（NP）、最大斑块指数（LPI）、蔓延度（CONTAG）、分离度（SPLIT）、香浓多样性指数（SHDI）、香浓均匀度指数（SHEI），其生物学意义详见参考文献[7-8]。

1.4 生态系统服务价值响应评估

1）生态系统服务价值评估。采用Costanza等^[15]提出的测算方法，参照谢高地等^[2]修正后的单位面积价值当量，结合抚仙湖流域实际情况进行调整修正。据谢高地等^[33]的研究确定一个生态服务价值当量的经济价值等于当年实际粮食市场价值的1/7。查阅《云南省统计年鉴》和玉溪市统计公报得到2006—2021年玉溪市粮食年均产量为5 368.02 kg/hm²，鉴于通货膨胀和粮食价格波动的影响， 用2021年的粮食平均价格（2.53元/kg）为基价进行计算，得到抚仙湖流域标准当量为1 940.16元/hm²。根据上述信息计算得出抚仙湖流域各景观类型对应的生态系统价值系数表（表2），以此为基准计算抚仙湖流域生态系统服务价值（参照文献[2]方法，建设用地不具有生态系统服务价值，故表2中未列其服务价值）。

2）相关性分析。利用景观格局指数和各类型生态系统服务价值为数据源，运用SPSS23.0对景观格局指数和ESV之间进行Pearson相关性检验，是景观格局与生态系统服务价值关系研究的重要步骤，其目的在于检验变量之间是否存在相关，确定相关关系方向与大小等，帮助识别对ESV影响显著的景观格局特征^[30-33]。当Plt;0.05，说明该组变量存在相关性。

2 结果与分析

2.1 抚仙湖流域景观类型动态变化

1）景观面积变化特征。抚仙湖流域7种土地利用景观类型及面积变化见图1、表3。由图1和表3可知，水域是流域主要景观类型，占比最大，其次是林地和耕地（包括水田和旱地），未利用地占比最小，零星分布。从各类景观面积变化看，水田和旱地呈现先增后减的趋势，旱地减少幅度较大，减少了3 561.26 hm²;林地呈现先减后增的趋势，总体增加了3 636.65 hm²;灌草丛面积变化较为波动，总体上减少了546.59 hm²;建设用地在前10年持续增加，2006—2011年增速最快，在“四退三还”保护政策强力推进时期的2016—2015年有小幅减少;水体和未利用地面积持续减少，水体缩减幅度缓慢，未利用地缩减幅度较大。

2）景观转移过程。根据桑基图（图2）可知，2006—2011年，研究区林地明显向灌草丛、旱地转移；灌草丛部分向林地转移，向旱地转移更多；旱地转出较少，小部分向林地、灌草丛转移，小部分与耕地相互转化；水体较为稳定，除水体外，其余景观类型均向建设用地转移。2011—2016年，灌草丛大规模向林地转移，旱地向林地和灌草丛转移较为明显，建设用地主要由旱地和水田转移，旱地和水田之间有小部分相互转移。2016—2020年，旱地和灌草丛继续向林地转移，水田和建设用地之间相互转移。总体来看，除水体外，各类景观类型之间转移频繁，“四退三还”保护政策实施后，林地主要向旱地和灌草丛转移，也有部分建设用地向灌草丛和林地转移。

3）土地利用动态度。抚仙湖流域综合土地利用动态呈现先增后减趋势，2011—2016年动态最为剧烈，2006—2011年最为稳定（表4）。从单一土地利用动态度来看，2006—2011年，未利用地的动态度最为剧烈，其次是旱地、建设用地和林地;2011—2016年，大部分景观类型动态度增加，建设用地和水体动态度减少;2016—2021年，大部分土地利用动态度减少，未利用地动态度依旧最为剧烈，林地和建设用地动态度趋于平稳。这都反映了政策实施前后对土地利用的影响。

2.2 抚仙湖流域景观格局变化特征

1）斑块类型水平层面。研究期间，林地斑块密度（PD）下降，边缘密度（ED）增加，凝聚度（COHESION）增加，表明林地趋向聚集，边缘复杂化，建设用地和水田斑块密度（PD）大幅增加，形态破碎化、复杂化;旱地和灌草丛在“四退三还”保护政策实施前斑块密度（PD）不断增大，形态破碎化、复杂化，实施“四退三还”保护政策后，斑块密度（PD）降低，形态趋于聚集，破碎化程度降低;未利用地斑块密度、边缘密度都在降低，形态结构简化，趋于聚集;水体除斑块平均大小（AREA_MN）下降外，其余指数变化不大，趋于稳定（图3）。

2）景观类型水平层面。2006—2011年，流域斑块数目（NP）快速增加，最大斑块指数（LPI）下降，丰富度和分离度增加，连通性减弱，景观破碎化、复杂化;2011—2016年，流域斑块数目（NP）增加速度放缓，连通度（CONTAG）大幅增加，景观连通性和优势度增强，结构简化，斑块趋于聚集;2016—2021年，各项指数变化趋势与上一阶段相同，但变化速度放缓（图3）。总体来说，在2011年之前流域景观破碎化、复杂化，连通性和优势度均减弱，2011年后，流域景观破碎化程度减弱，形态结构简化，连通性和优势度增强，斑块趋于聚集。

2.3 抚仙湖流域ESV对景观格局变化的响应

2.3.1 “四退三还”保护政策实施前后ESV的变化

2006—2011年因抚仙湖流域内农业和旅游业的发展及城镇化的推进，林地面积缩减，耕地和建设用地扩张。此阶段，流域内景观破碎化、复杂化。相应地，流域ESV总量下降，缩减99.46×10⁶元，年损失率为0.31%。其中，林地ESV缩减最为严重，缩减121.61×10⁶元，其次是水体，缩减28.64×10⁶元，水田、旱地和灌草丛ESV小幅度增加。从各单项ESV来看，均表现为下降，其中调节服务损失最多，损失率为0.28%，损失76.61×10⁶元，占总损失的77%（表5）。由此可见，农业、旅游业的发展和城镇化的推进对研究区林地和水体的ESV影响较大，且调节服务衰退最严重。

2011—2016年，“四退三还”保护政策在抚仙湖流域展开，耕地面积减少，林地面积明显增加，建设用地扩张速度减慢，水体缩减速度也减慢。此阶段景观破碎化趋势减缓，景观连通性和优势度有所增强。总体来看，抚仙湖流域ESV总量显著提升，增加108.00×10⁶元，年增加率为0.34%（表5）。其中林地对ESV总量增加值贡献最大，旱地、灌草丛、水体和未利用地下降的ESV量被林地增加的ESV量抵消。从各单项ESV来看，除供给服务外，其余3项均有所提升，其中调节服务提升最多，其次是支持服务，表明“四退三还”政策对流域生态系统的改善集中体现在这两个方面。

2016—2021年，政府启动保护抚仙湖“雷霆行动”，强力推进抚仙湖“四退三还”，退出大量农田，拆除抚仙湖保护区内大批建筑，实施抚仙湖环湖生态移民搬迁3万余人。此阶段，流域内景观格局变化趋势与上一阶段相同，但变化速度放缓。抚仙湖流域的ESV总量依旧增加，但增加幅度变小，其中，灌草丛的ESV增量最大，其次是林地。各单项ESV变化趋势与上一阶段相似，但支持服务的ESV增量最大，表明该阶段更注重流域生物多样性的保护。在此阶段，ESV增量放缓，表明政策的实施从注重量的积累到重视质的转变。

2.3.2 抚仙湖流域ESV与流域景观格局的相关性

1）景观格局指数与ESV总量的相关性。由ESV与景观格局指数的相关性分析（表6）可知，2006—2021年抚仙湖流域ESV与NP、CONTAG正相关，与LPI、SPLIT、SHDI和SHEI负相关，且与CONTAG相关性显著，说明景观形态越复杂，连通性越弱，ESV越低。

2）景观格局指数与各单项ESV的相关性。供给服务与LPI显著正相关，与其余各项景观格局指数相关性较弱，说明景观优势度越强，供给服务越强。调节服务与CONTAGE显著正相关，与SPLIT、SHDI和SHEI负相关，说明景观连通性越强，调节服务越强;景观结构越复杂、分离，调节服务就越弱。支持服务与CONTAGE显著正相关，与SHDI、SHEI显著负相关，说明景观连通性越强，支持服务越强;景观结构越复杂，支持服务越弱。文化服务价值与CONTAGE显著正相关，与SHDI、SHEI显著负相关，说明景观连通性越强，文化服务价值越高;景观结构越复杂，文化服务价值越低。

3 讨 论

在与以往学者的研究成果比较中发现，生态系统价值对于景观格局的响应程度受到时间、地域、景观类型的影响并有所差异，具有区域性特征，如：朱颖等^[4]研究表明，太湖流域湿地的ESV总量与NP、SHDI和SHEI呈正相关；王双等^[12]认为浙江省的ESV总量与SHDI负相关。但共通的是，景观类型的剧烈变化引起的景观类型之间的相互转移、景观的多样性、连通度等变化改变了景观生态系统的结构和功能，同时也影响生态系统服务价值。本研究通过对抚仙湖流域的研究，期望为明确生态系统服务功能与景观格局指数之间的内在规律提供帮助。

1）“四退三还”保护政策对流域景观类型转移变化的影响。“四退三还”保护政策实施后，流域内林地面积显著增加，耕地面积减少，建设用地扩张速度减慢。在2006—2011年政策实施初期，林地面积得到大幅度增长，表明这一阶段主要注重的是抚仙湖流域内生态退化的问题，要提高森林覆盖率，减少水土流失。在2016—2021年政策强力推进时期，林地增长速度变缓，灌草丛面积增长，表明这段时期的治理效果有所下降，需要转变治理策略。

另外，实施“四退三还”在2016—2021年通过生态移民腾退了湖滨的大量土地，这一部分土地尚在生态恢复的进程中，因此下一阶段政策实施应着重优化流域的景观类型结构，促进湖滨缓冲带的生态修复。

2）“四退三还”保护政策对流域湿地景观格局的影响。“四退三还”对流域景观类型的转移造成了流域景观格局的变化，政策实施前，抚仙湖流域景观复杂化、破碎化，流域景观连通性降低；政策实施后，流域景观破碎化程度减弱，连通性增强，但与此同时流域景观结构也趋向简化，景观多样性降低。表明政策的实施侧重于面积的增加，对流域景观结构的优化还有待加强，因此在未来“四退三还”政策的推进中应着重优化流域景观格局，提高生物多样性。

3）“四退三还”保护政策对流域ESV的影响。“四退三还”保护政策实施后，流域的ESV明显增加，说明政策的实施对流域生态效益的提升有着重要作用。通过对流域ESV和景观格局指数的相关性分析，可知ESV对景观多样性和连通性敏感度较高，且ESV与景观丰富度负相关，表明单纯提高景观多样性不能提升流域的ESV，因为景观生态学中的多样性与生态学中的物种多样性虽存在紧密联系，但并不是简单的正比关系^[34]。因此在下一阶段政策的实施中要注重于生物多样性的提高，而不仅仅是丰富景观的类型。

总之，“四退三还”政策实施前，抚仙湖流域林地面积大量减少，建设用地持续扩展，水体面积减少，景观格局复杂化、破碎化，连通性减弱，同时流域ESV明显下降。“四退三还”政策实施后，抚仙湖流域林地面积显著增加，建设用地扩张速度明显减缓，水体缩减速度降低，景观格局破碎化程度降低，连通性增强，流域ESV显著增加。抚仙湖流域ESV与景观格局之间存在明显联系，流域ESV总量与CONTAG显著正相关、与SHDI和SHEI相关性较高且呈负相关。各单项生态系统服务价值中，供给服务与LPI显著负相关，调节服务和支持服务与CONTAG显著正相关，与SHDI和SHEI显著负相关，文化服务与CONTAGE显著正相关。未来研究中可聚焦其背后机制，为抚仙湖流域下一步的保护与管理提供参考。

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（责任编辑 郑琰燚）