2007—2017年重庆市北碚近郊区景观结构及生态服务功能评价分析

魏 敏，刘 聪，王海洋

(西南大学园艺园林学院，重庆 400716)

景观格局是由自然或人为形成的一系列大小、形状各异、排列不同的景观要素共同作用的结果，是各种复杂的物理、生物和社会因子相互作用的结果。景观动态变化是指景观结构、功能、空间格局随时间的变化情况[1-2]。近年来，景观格局和景观动态变化研究已成为景观生态学的重点研究领域[3]。目前，对于景观格局的研究成果主要集中在2个方面[4-7]：1)静态的格局分析，主要探讨景观的空间异质性问题；2)景观格局的动态分析，即在相对稳定的地域空间上，探讨该区域景观格局在时间上的变化情况，也就是时间异质性问题[8-10]。本文以卫星遥感影像为主要数据源，利用3S技术对研究区域2007年、2012年和2017年景观类型进行了调查，分析近10年景观结构的变化情况，并对其生态系统服务功能进行分析评价，以期为北碚近郊区景观规划提供一定的参考。

1 研究区概况

研究区域位于北碚城区和缙云山自然保护区之间的山落地带，是一个典型的山地近郊区，地理位置为东经106°12′～106°44′，北纬9°32′～9°35′，研究区域面积为 1 438 hm2。区域内地形起伏较大，靠近城区部分海拔相对较低，坡度主要在15°以下，地形相对较缓。靠近缙云山自然保护区处地形显著抬升，坡度可达35°以上。研究区域主要海拔在150～450 m，属亚热带季风湿润性气候特征，年均温15.9°，年均降水量 1 611.8 mm，年均蒸发量781.5 mm，常年平均日照间为1 293.9 h。区域内土壤主要为酸性黄壤土(pH值4.0～4.5)，植被类型丰富，以常绿阔叶林、针叶阔叶混交林、针叶林及竹林为主。

2 数据与方法

2.1 数据收集与处理

本研究采用的数据资料有2007年5月、2012年7月、2017年4月卫星遥感影像，2012年重庆北碚区1∶1万土地利用现状图。参考全国土地利用分类方法，将景观类型分为建设用地、林地、草地、水体、园地、农田和裸地。采用决策树分类方法对研究区域的景观类型进行解译，并对解译结果进行人工修正和检验，以提高解译精度。不同时期遥感卫星遥感影像的总体分类精度介于82.75%～88.36%，可以满足研究的需要。

2.2 景观变化特征

采用景观类型动态度(K)和景观整体动态度(LC)2个指标定量景观变化动态特征。计算公式[11-13]分别如下：

其中：Ua，Ub—研究期初和期末某类型景观的面积；LU—测量开始时景观总面积；△LUi-j—研究期内第i类景观类型转为非i类景观类型面积的绝对值；T—研究时长。

2.3 景观格局指数的选择

以研究区域土地利用分类图为基础，利用ArcGIS 10.0及Fragstats 4.2软件，选定景观格局指标体系中的面积指数、形状指数、破碎化指数、空间构型指数、多样性指数5个方面的能综合反映研究区域总体景观结构特征的景观格局指数进行分析[14]。面积指数上选取斑块数(NP)、平均斑块面积(MPS)、最大斑块指数(LPI)；形状指数上选取景观形状指数(LSI)、平均斑块分维数(FRAC)、斑块密度(PD)、边缘密度(ED)；破碎化指数上选取连接性指数(CONN)、景观分割度(DIVI)；空间构型指数上选蔓延度指数(CONT)；多样性指数上选取多样性指数(SHDI)、均匀度指数(SHEI)。通过以上12个景观格局指标的计算，在实地调查的基础上，结合土地利用类型图分析研究区域内景观格局特点。

2.4 生态系统服务功能评价

生态系统服务功能是指各生态系统的各生态过程对人类生存的自然环境状况及其效用的影响。生态系统服务功能价值法是以生态系统服务功能价值理论为基础，根据土地利用规划结构调整情况和区域实际情况，评价土地利用类型变化前后生态系统服务功能总价值的变化，来定量地反映土地利用类型的改变对生态环境所造成的影响[15-17]。本文根据张彪、谢高地等学者基于人类需求的生态系统服务分类，结合研究区域的实际情况，从人类的需求出发，认为生态系统服务应该包括物质需求、安全需求和精神需求3个层次[18]。物质需求选取粮食、果品、蔬菜等实物生产力作为指标；安全需求主要考虑水文调节与水源涵养、土壤保持与培育以及生物多样性保护等；精神需求主要采用景观游憩、文化、科研等指标进行考量。

生态系统的生态服务功能大小与该生态系统的生物量有密切关系。一般来说，生物量越大，生态服务功能越强，假定生态服务功能强度与生物量成线性关系，用生物量进行单位面积生态系统服务功能价值的校正，即：

Pij≡(aj/Aj)Pij

Pij为校正后的单位面积的第j类生态系统第i种生态服务功能的价值；aj为第j类生态系统的生物量；Aj为全国一级生态系统类型单位面积平均生物量；Pij为单位面积的第j类生态系统第i种生态服务功能的全国平均价值量。

全国农田生态系统生物量因子为1.00,本研究取重庆市的均值1.21作为农田生物量因子[19]。综上所述，结合研究区域的实际情况和相关研究结果，对中国区域的陆地生态系统单位面积服务价值表[20-24]进行了补充和校正，最终可以计算北碚城郊区各类土地利用生态系统服务功能价值和北碚城郊区生态系统服务功能总价值，其计算公式为：

ESVi=Ai×VCi；

式中：ESVi为某种土地利用类型的生态服务价值，Ai为研究区域某种土地利用类型的面积(hm2)；VCi为某种土地利用类型生态价值系数(元/hm2·a)；ESV为服务功能总价值，i为土地利用类型。

3 结果与分析

3.1 景观总体变化特征

2007—2017年间，研究区各景观类型中，林地一直居于首位，占总面积比例均在50%以上，呈现先增加后减少的趋势，面积减少较多，净减149.15 hm2。农田作为第二大景观类型面积，呈现先减少后增加的趋势，占总面积的比例由2007年的17.96%下降到2012年的10.73%，再增加至2017年的18.80%，净增12.10 hm2，总体变化不明显。与农田变化特征相反，建设用地虽然呈现先减少后增加的趋势，但面积增加较多，所占总面积的比例由

2007年的7.72%上升到2017年的19.13%，净增量达164.03 hm2。水体先增后减，总体呈现增加趋势；草地先减后增，减少量较大，总体呈现减少趋势；裸地先增后减，减少量远远大于增加量，但是研究期内均未超过总面积的1%，在景观整体变化中反映不明显(表1)。

表1 2007—2017年重庆研究区各景观类型面积

从单一景观类型动态度来看，建设用地的变化速度最快，2012—2017年、2007—2017年的动态度分别为32.19%和12.77%(表2)，远高于其他景观类型。从景观整体动态度所反映的各景观类型的内部变化来看，10年来研究区景观整体动态度呈增加趋势，尤其近5年(2012—2017)景观变化剧烈，土地流转频繁。2010—2013年，随着北碚区登山游步道的修建，建设用地中交通用地面积持续上升，占建设用地的38%；2012—2017年，随着乡村旅游的大力发展，枣树、枇杷、梨等经果林面积大大增加，截至2017年约有22.08 hm2。

表2 重庆研究区各时期景观的动态变化

3.2 景观格局分析

从景观水平的格局指标看，2007—2017年间研究区景观格局发生了明显变化(表3)。斑块数量先减少后增加，斑块数量由 2 359 个增加至 2 858 个；平均斑块面积表现出先增后减的趋势，由6.09 hm2减少至5.32 hm2。边缘密度、平均斑块分维数呈现出先减后增的波动性变化，但总体表现为下降趋势。连接性指数、蔓延度指数不断加强，一直保持增长之势，空间连接性较强，景观类型的空间自然连通性大，景观破碎化程度较大。多样性指数和均匀度指数持续增加，景观异质性不断增强。

表3 2007—2017年研究区景观水平的格局指标

从景观类型的格局指标上看，研究期内各景观类型的格局指标变化差异也十分显著(表4)。

表4 2007-2017年研究区类型水平的景观格局指数

林地作为研究区域的主要景观类型，其斑块数目呈现出先增后减的波动性变化，总体表现为减少，从2007年的986个减少至2017年的890个；斑块密度波动性上升，研究期内从7.06个/hm2上升到21.87个/hm2，变化显著；边缘密度、最大斑块指数、景观形状指数、平均斑块分维数持续增加；连接性指数呈现波动上升，从2007年的12.51%上升至2017年的15.38%；景观分割度总体下降，由2007年的0.48下降到2017年的0.28，表明森林景观破碎化程度降低，自然特征增强，森林趋向于均衡分布的空间结构。随着退耕还林政策的实施以及近年来乡村旅游的发展，农田作为第二大景观类型，其斑块数目、斑块密度、最大斑块指数、边缘密度、景观形状指数、平均斑块分维数均表现出波动性上升；连接性指数持续下降，从2007年的4.65下降至2017年的2.09；景观分割度持续上升，由2007年的0.78上升至2017年的0.95，表明农田景观破碎化程度增加，一定程度上反映了城市化进程中人类活动对农田景观的干扰作用持续增加，农田景观也从聚集趋向于分散经营的转变，斑块边缘趋向规则化。建设用地斑块数目、斑块密度、最大斑块指数、边缘密度景观形状指数持续上升，其中，最大斑块指数变化剧烈，由2007年的2.67%急剧增加至2017年的7.55%，景观分割指数从2007年的0.92上升至2017年的0.99，趋近于1，表明随着城市化活动的加强，建设用地的破碎化程度增加，建设用地也由分散趋于集中化发展。水体斑块指数、斑块密度、平均斑块分维数、连接性指数在波动中均有一定程度的增加；景观形状指数从2007年的3.01下降至2017年的2.63；最大斑块指数、边缘密度呈现持续上升之势，分别从2007年0.02、2.38 m/hm2上升至2017年0.14、3.66 m/hm2，斑块复杂性增加，反映出城市化进程中对自然水系一定程度上的保护。

3.3 生态系统服务功能价值变化

在2007—2017年间，研究区土地生态系统服务功能总价值先增加后减少，总体表现为减少，其总价值减少了1.76×106元。2007—2012年，总ESV增加1.04×106元，草地、农田ESV减少，其中农田ESV减少最多，为0.58×106元，水体、林地ESV增加，其中林地增加最多，达1.67×106元，其他用地ESV基本保持不变。2012—2017年，总ESV减少2.8×106元，农田、草地以及其他用地ESV均有不同程度增加，其中农田增加最多，为0.64×106元，林地、水体ESV表现为减少，林地减少量达3.57×106元(表5)。从整体看来，林地ESV所占比重最大，其他地类比重相对稳定。综合以上分析，林地的增加和减少是总ESV变化的主要驱动因素。

4 结论与讨论

1)2007—2017年间，研究区各景观类型面积比例发生了很大程度的变化，景观总体变化特征表现为农田波动性增加，水体、裸地先增后减，建设用地、草地先减后增。建设用地虽在2007—2012年间略有减少，但在2012—2017年间急剧增加，其动态度达32.19%，变化速度最快，远远高于其他景观类型。研究期内北碚近郊区景观整体动态度持续增加，尤其近5年(2012—2017)景观变化剧烈，土地流转频繁。2010—2013年，随着北碚区登山游步道的修建，建设用地中交通用地面积持续上升，至2013年交通用地已占建设用地的38%；2012—2017年，随着乡村旅游的大力发展，枣树、枇杷、梨等经果林面积大大增加，截至2017年约有22.08 hm2。

表5 研究区土地生态系统服务功能价值

2)景观格局动态分析结果表明，研究区在2007—2017年间，景观类型的空间自然连通性增大，景观破碎化程度增大，空间连接性和景观异质性不断增强。在景观类型水平上，林地景观破碎化程度降低，趋向于均衡分布的空间结构；农田景观破碎化程度增加，一定程度上反映了城市化进程中人类活动对农田景观的干扰作用持续增加，农田景观也从聚集趋向于分散经营；随着城市化活动的加强，研究期内建设用地破碎化程度增加，建设用地也由分散趋于集中化发展。

3)2007—2017年间，研究区土地生态系统服务功能价值也发生了显著变化。从单一土地利用类型来看，草地、农田、林地ESV波动性减少，水体ESV波动性增加，其他用地ESV基本保持不变。从整体看来，林地ESV所占比重最大，其他地类比重相对稳定，研究区域内土地生态系统服务功能总价值波动性减少，其总价值减少了1.76×106元。在城市化进程中，退耕还林政策的实施，果业种植、乡村旅游的发展以及第三产业的发展是维持研究区土地生态系统服务功能价值动态平衡的重要因素。

4)本研究采用卫星遥感影像作为主要信息源，利用3S技术进行景观格局变化分析，景观类型的分类和景观指数的选择很大程度上影响着结果的可信度，并且卫星遥感影像的精度也影响着结果的精确度，所以，如何提高复杂山区景观分类的精度是进一步需要研究和探讨的问题。本研究的结果可为研究区景观规划提供一定的借鉴。

[1] 常学礼,邬建国.科尔沁沙地景观格局的特征分析[J].生态学报，1998,18(3):225-232.

[2] CRIST P J,KOHLEY T W,OAKLEAF J. Assessing land-use impacts on biodiversity using an expert systems tool[J].Landscape Ecology,2000,15(1):47-62.

[3] 高小红,王一谋，杨国靖.基于RS和GIS的榆林地区景观格局动态变化研究[J].水土保持学报,2004,18(1):168-171.

[4] FARINA A. Principles and Methods in landscape Ecology[M].London:Chapman&Hall Press,1998.

[5] FORMAN R T T. Some general principles of landscape an regional ecology[J]. Landscape Ecology,1995,10(3):133-142

[6] 葛方龙,李伟峰,陈求稳. 景观格局演变及其生态效应研究进展[J]. 生态环境,2008(6):2511-2519.

[7] 陈利顶,孙然好,刘海莲. 城市景观格局演变的生态环境效应研究进展[J]. 生态学报,2013(4):1042-1050.

[8] 刘颂,郭菲菲,李倩. 我国景观格局研究进展及发展趋势[J]. 东北农业大学学报,2010(6):144-152.

[9] 李佳佳. 城市景观格局研究进展[J]. 农技服务,2011(6):841-844.

[10] 秦向东. 景观格局优化研究进展[C]//中国生态学学会.中国生态学会2006学术年会论文荟萃，2006.

[11] 邵国权. 苏州乡村景观格局演变与发展模式研究[D].北京：中国矿业大学,2015.

[12] 古琳,刘波,龚固堂,等.成都市近20年林地景观变化特征[J]. 应用生态学报,2010(5):1081-1089.

[13] 阳文锐. 北京城市景观格局时空变化及驱动力[J]. 生态学报,2015(13):4357-4366.

[14] 王鹏举.基于土地利用结构与景观格局的小流域氮、磷、碳输出特征分析[D].武汉：华中农业大学，2012.

[15] 肖强,肖洋,欧阳志云,等. 重庆市森林生态系统服务功能价值评估[J]. 生态学报,2014(1):216-223.

[16] 郑华,李屹峰,欧阳志云,等. 生态系统服务功能管理研究进展[J]. 生态学报,2013(3):702-710.

[17] 赵金龙,王泺鑫,韩海荣,等. 森林生态系统服务功能价值评估研究进展与趋势[J]. 生态学杂志,2013(8):2229-2237.

[18] 张彪,谢高地.基于人类需求的生态系统服务分类[J].中国资源环境,2010(6):64-67.

[19] 谢高地,肖玉,甄霖,等.我国粮食生产的生态服务价值研究[J].中国生态农业学报,2005,13(3):10-13.

[20] 欧阳志云,王如松,赵景柱. 生态系统服务功能及其生态经济价值评价[J]. 应用生态学报,1999(5):635-640.

[21] 党宏媛. 区域生态系统服务功能形成机理及评价研究[D].石家庄：河北师范大学,2013.

[22] 胥彦玲. 基于景观生态学的生态系统服务功能评价——以甘肃省为例[D].西安：西北大学,2003.

[23] 靳芳,鲁绍伟,余新晓,等. 中国森林生态系统服务功能及其价值评价[J]. 应用生态学报,2005(8):1531-1536.

[24] 李月臣,刘春霞,闵婕,等. 三峡库区生态系统服务功能重要性评价[J]. 生态学报,2013(1):168-178.