2007—2017年重慶市北碚近郊區(qū)景觀結(jié)構(gòu)及生態(tài)服務(wù)功能評價(jià)分析

魏 敏，劉 聰，王海洋

(西南大學(xué)園藝園林學(xué)院，重慶 400716)

景觀格局是由自然或人為形成的一系列大小、形狀各異、排列不同的景觀要素共同作用的結(jié)果，是各種復(fù)雜的物理、生物和社會(huì)因子相互作用的結(jié)果。景觀動(dòng)態(tài)變化是指景觀結(jié)構(gòu)、功能、空間格局隨時(shí)間的變化情況[1-2]。近年來，景觀格局和景觀動(dòng)態(tài)變化研究已成為景觀生態(tài)學(xué)的重點(diǎn)研究領(lǐng)域[3]。目前，對于景觀格局的研究成果主要集中在2個(gè)方面[4-7]：1)靜態(tài)的格局分析，主要探討景觀的空間異質(zhì)性問題；2)景觀格局的動(dòng)態(tài)分析，即在相對穩(wěn)定的地域空間上，探討該區(qū)域景觀格局在時(shí)間上的變化情況，也就是時(shí)間異質(zhì)性問題[8-10]。本文以衛(wèi)星遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，利用3S技術(shù)對研究區(qū)域2007年、2012年和2017年景觀類型進(jìn)行了調(diào)查，分析近10年景觀結(jié)構(gòu)的變化情況，并對其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行分析評價(jià)，以期為北碚近郊區(qū)景觀規(guī)劃提供一定的參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于北碚城區(qū)和縉云山自然保護(hù)區(qū)之間的山落地帶，是一個(gè)典型的山地近郊區(qū)，地理位置為東經(jīng)106°12′～106°44′，北緯9°32′～9°35′，研究區(qū)域面積為 1 438 hm2。區(qū)域內(nèi)地形起伏較大，靠近城區(qū)部分海拔相對較低，坡度主要在15°以下，地形相對較緩。靠近縉云山自然保護(hù)區(qū)處地形顯著抬升，坡度可達(dá)35°以上。研究區(qū)域主要海拔在150～450 m，屬亞熱帶季風(fēng)濕潤性氣候特征，年均溫15.9°，年均降水量 1 611.8 mm，年均蒸發(fā)量781.5 mm，常年平均日照間為1 293.9 h。區(qū)域內(nèi)土壤主要為酸性黃壤土(pH值4.0～4.5)，植被類型豐富，以常綠闊葉林、針葉闊葉混交林、針葉林及竹林為主。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)收集與處理

本研究采用的數(shù)據(jù)資料有2007年5月、2012年7月、2017年4月衛(wèi)星遙感影像，2012年重慶北碚區(qū)1∶1萬土地利用現(xiàn)狀圖。參考全國土地利用分類方法，將景觀類型分為建設(shè)用地、林地、草地、水體、園地、農(nóng)田和裸地。采用決策樹分類方法對研究區(qū)域的景觀類型進(jìn)行解譯，并對解譯結(jié)果進(jìn)行人工修正和檢驗(yàn)，以提高解譯精度。不同時(shí)期遙感衛(wèi)星遙感影像的總體分類精度介于82.75%～88.36%，可以滿足研究的需要。

2.2 景觀變化特征

采用景觀類型動(dòng)態(tài)度(K)和景觀整體動(dòng)態(tài)度(LC)2個(gè)指標(biāo)定量景觀變化動(dòng)態(tài)特征。計(jì)算公式[11-13]分別如下：

其中：Ua，Ub—研究期初和期末某類型景觀的面積；LU—測量開始時(shí)景觀總面積；△LUi-j—研究期內(nèi)第i類景觀類型轉(zhuǎn)為非i類景觀類型面積的絕對值；T—研究時(shí)長。

2.3 景觀格局指數(shù)的選擇

以研究區(qū)域土地利用分類圖為基礎(chǔ)，利用ArcGIS 10.0及Fragstats 4.2軟件，選定景觀格局指標(biāo)體系中的面積指數(shù)、形狀指數(shù)、破碎化指數(shù)、空間構(gòu)型指數(shù)、多樣性指數(shù)5個(gè)方面的能綜合反映研究區(qū)域總體景觀結(jié)構(gòu)特征的景觀格局指數(shù)進(jìn)行分析[14]。面積指數(shù)上選取斑塊數(shù)(NP)、平均斑塊面積(MPS)、最大斑塊指數(shù)(LPI)；形狀指數(shù)上選取景觀形狀指數(shù)(LSI)、平均斑塊分維數(shù)(FRAC)、斑塊密度(PD)、邊緣密度(ED)；破碎化指數(shù)上選取連接性指數(shù)(CONN)、景觀分割度(DIVI)；空間構(gòu)型指數(shù)上選蔓延度指數(shù)(CONT)；多樣性指數(shù)上選取多樣性指數(shù)(SHDI)、均勻度指數(shù)(SHEI)。通過以上12個(gè)景觀格局指標(biāo)的計(jì)算，在實(shí)地調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合土地利用類型圖分析研究區(qū)域內(nèi)景觀格局特點(diǎn)。

2.4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評價(jià)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能是指各生態(tài)系統(tǒng)的各生態(tài)過程對人類生存的自然環(huán)境狀況及其效用的影響。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值法是以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值理論為基礎(chǔ)，根據(jù)土地利用規(guī)劃結(jié)構(gòu)調(diào)整情況和區(qū)域?qū)嶋H情況，評價(jià)土地利用類型變化前后生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能總價(jià)值的變化，來定量地反映土地利用類型的改變對生態(tài)環(huán)境所造成的影響[15-17]。本文根據(jù)張彪、謝高地等學(xué)者基于人類需求的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分類，結(jié)合研究區(qū)域的實(shí)際情況，從人類的需求出發(fā)，認(rèn)為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)應(yīng)該包括物質(zhì)需求、安全需求和精神需求3個(gè)層次[18]。物質(zhì)需求選取糧食、果品、蔬菜等實(shí)物生產(chǎn)力作為指標(biāo)；安全需求主要考慮水文調(diào)節(jié)與水源涵養(yǎng)、土壤保持與培育以及生物多樣性保護(hù)等；精神需求主要采用景觀游憩、文化、科研等指標(biāo)進(jìn)行考量。

生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)服務(wù)功能大小與該生態(tài)系統(tǒng)的生物量有密切關(guān)系。一般來說，生物量越大，生態(tài)服務(wù)功能越強(qiáng)，假定生態(tài)服務(wù)功能強(qiáng)度與生物量成線性關(guān)系，用生物量進(jìn)行單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值的校正，即：

Pij≡(aj/Aj)Pij

Pij為校正后的單位面積的第j類生態(tài)系統(tǒng)第i種生態(tài)服務(wù)功能的價(jià)值；aj為第j類生態(tài)系統(tǒng)的生物量；Aj為全國一級生態(tài)系統(tǒng)類型單位面積平均生物量；Pij為單位面積的第j類生態(tài)系統(tǒng)第i種生態(tài)服務(wù)功能的全國平均價(jià)值量。

全國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生物量因子為1.00,本研究取重慶市的均值1.21作為農(nóng)田生物量因子[19]。綜上所述，結(jié)合研究區(qū)域的實(shí)際情況和相關(guān)研究結(jié)果，對中國區(qū)域的陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積服務(wù)價(jià)值表[20-24]進(jìn)行了補(bǔ)充和校正，最終可以計(jì)算北碚城郊區(qū)各類土地利用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值和北碚城郊區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能總價(jià)值，其計(jì)算公式為：

ESVi=Ai×VCi；

式中：ESVi為某種土地利用類型的生態(tài)服務(wù)價(jià)值，Ai為研究區(qū)域某種土地利用類型的面積(hm2)；VCi為某種土地利用類型生態(tài)價(jià)值系數(shù)(元/hm2·a)；ESV為服務(wù)功能總價(jià)值，i為土地利用類型。

3 結(jié)果與分析

3.1 景觀總體變化特征

2007—2017年間，研究區(qū)各景觀類型中，林地一直居于首位，占總面積比例均在50%以上，呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，面積減少較多，凈減149.15 hm2。農(nóng)田作為第二大景觀類型面積，呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢，占總面積的比例由2007年的17.96%下降到2012年的10.73%，再增加至2017年的18.80%，凈增12.10 hm2，總體變化不明顯。與農(nóng)田變化特征相反，建設(shè)用地雖然呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢，但面積增加較多，所占總面積的比例由

2007年的7.72%上升到2017年的19.13%，凈增量達(dá)164.03 hm2。水體先增后減，總體呈現(xiàn)增加趨勢；草地先減后增，減少量較大，總體呈現(xiàn)減少趨勢；裸地先增后減，減少量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于增加量，但是研究期內(nèi)均未超過總面積的1%，在景觀整體變化中反映不明顯(表1)。

表1 2007—2017年重慶研究區(qū)各景觀類型面積

從單一景觀類型動(dòng)態(tài)度來看，建設(shè)用地的變化速度最快，2012—2017年、2007—2017年的動(dòng)態(tài)度分別為32.19%和12.77%(表2)，遠(yuǎn)高于其他景觀類型。從景觀整體動(dòng)態(tài)度所反映的各景觀類型的內(nèi)部變化來看，10年來研究區(qū)景觀整體動(dòng)態(tài)度呈增加趨勢，尤其近5年(2012—2017)景觀變化劇烈，土地流轉(zhuǎn)頻繁。2010—2013年，隨著北碚區(qū)登山游步道的修建，建設(shè)用地中交通用地面積持續(xù)上升，占建設(shè)用地的38%；2012—2017年，隨著鄉(xiāng)村旅游的大力發(fā)展，棗樹、枇杷、梨等經(jīng)果林面積大大增加，截至2017年約有22.08 hm2。

表2 重慶研究區(qū)各時(shí)期景觀的動(dòng)態(tài)變化

3.2 景觀格局分析

從景觀水平的格局指標(biāo)看，2007—2017年間研究區(qū)景觀格局發(fā)生了明顯變化(表3)。斑塊數(shù)量先減少后增加，斑塊數(shù)量由 2 359 個(gè)增加至 2 858 個(gè)；平均斑塊面積表現(xiàn)出先增后減的趨勢，由6.09 hm2減少至5.32 hm2。邊緣密度、平均斑塊分維數(shù)呈現(xiàn)出先減后增的波動(dòng)性變化，但總體表現(xiàn)為下降趨勢。連接性指數(shù)、蔓延度指數(shù)不斷加強(qiáng)，一直保持增長之勢，空間連接性較強(qiáng)，景觀類型的空間自然連通性大，景觀破碎化程度較大。多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)持續(xù)增加，景觀異質(zhì)性不斷增強(qiáng)。

表3 2007—2017年研究區(qū)景觀水平的格局指標(biāo)

從景觀類型的格局指標(biāo)上看，研究期內(nèi)各景觀類型的格局指標(biāo)變化差異也十分顯著(表4)。

表4 2007-2017年研究區(qū)類型水平的景觀格局指數(shù)

林地作為研究區(qū)域的主要景觀類型，其斑塊數(shù)目呈現(xiàn)出先增后減的波動(dòng)性變化，總體表現(xiàn)為減少，從2007年的986個(gè)減少至2017年的890個(gè)；斑塊密度波動(dòng)性上升，研究期內(nèi)從7.06個(gè)/hm2上升到21.87個(gè)/hm2，變化顯著；邊緣密度、最大斑塊指數(shù)、景觀形狀指數(shù)、平均斑塊分維數(shù)持續(xù)增加；連接性指數(shù)呈現(xiàn)波動(dòng)上升，從2007年的12.51%上升至2017年的15.38%；景觀分割度總體下降，由2007年的0.48下降到2017年的0.28，表明森林景觀破碎化程度降低，自然特征增強(qiáng)，森林趨向于均衡分布的空間結(jié)構(gòu)。隨著退耕還林政策的實(shí)施以及近年來鄉(xiāng)村旅游的發(fā)展，農(nóng)田作為第二大景觀類型，其斑塊數(shù)目、斑塊密度、最大斑塊指數(shù)、邊緣密度、景觀形狀指數(shù)、平均斑塊分維數(shù)均表現(xiàn)出波動(dòng)性上升；連接性指數(shù)持續(xù)下降，從2007年的4.65下降至2017年的2.09；景觀分割度持續(xù)上升，由2007年的0.78上升至2017年的0.95，表明農(nóng)田景觀破碎化程度增加，一定程度上反映了城市化進(jìn)程中人類活動(dòng)對農(nóng)田景觀的干擾作用持續(xù)增加，農(nóng)田景觀也從聚集趨向于分散經(jīng)營的轉(zhuǎn)變，斑塊邊緣趨向規(guī)則化。建設(shè)用地斑塊數(shù)目、斑塊密度、最大斑塊指數(shù)、邊緣密度景觀形狀指數(shù)持續(xù)上升，其中，最大斑塊指數(shù)變化劇烈，由2007年的2.67%急劇增加至2017年的7.55%，景觀分割指數(shù)從2007年的0.92上升至2017年的0.99，趨近于1，表明隨著城市化活動(dòng)的加強(qiáng)，建設(shè)用地的破碎化程度增加，建設(shè)用地也由分散趨于集中化發(fā)展。水體斑塊指數(shù)、斑塊密度、平均斑塊分維數(shù)、連接性指數(shù)在波動(dòng)中均有一定程度的增加；景觀形狀指數(shù)從2007年的3.01下降至2017年的2.63；最大斑塊指數(shù)、邊緣密度呈現(xiàn)持續(xù)上升之勢，分別從2007年0.02、2.38 m/hm2上升至2017年0.14、3.66 m/hm2，斑塊復(fù)雜性增加，反映出城市化進(jìn)程中對自然水系一定程度上的保護(hù)。

3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值變化

在2007—2017年間，研究區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能總價(jià)值先增加后減少，總體表現(xiàn)為減少，其總價(jià)值減少了1.76×106元。2007—2012年，總ESV增加1.04×106元，草地、農(nóng)田ESV減少，其中農(nóng)田ESV減少最多，為0.58×106元，水體、林地ESV增加，其中林地增加最多，達(dá)1.67×106元，其他用地ESV基本保持不變。2012—2017年，總ESV減少2.8×106元，農(nóng)田、草地以及其他用地ESV均有不同程度增加，其中農(nóng)田增加最多，為0.64×106元，林地、水體ESV表現(xiàn)為減少，林地減少量達(dá)3.57×106元(表5)。從整體看來，林地ESV所占比重最大，其他地類比重相對穩(wěn)定。綜合以上分析，林地的增加和減少是總ESV變化的主要驅(qū)動(dòng)因素。

4 結(jié)論與討論

1)2007—2017年間，研究區(qū)各景觀類型面積比例發(fā)生了很大程度的變化，景觀總體變化特征表現(xiàn)為農(nóng)田波動(dòng)性增加，水體、裸地先增后減，建設(shè)用地、草地先減后增。建設(shè)用地雖在2007—2012年間略有減少，但在2012—2017年間急劇增加，其動(dòng)態(tài)度達(dá)32.19%，變化速度最快，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他景觀類型。研究期內(nèi)北碚近郊區(qū)景觀整體動(dòng)態(tài)度持續(xù)增加，尤其近5年(2012—2017)景觀變化劇烈，土地流轉(zhuǎn)頻繁。2010—2013年，隨著北碚區(qū)登山游步道的修建，建設(shè)用地中交通用地面積持續(xù)上升，至2013年交通用地已占建設(shè)用地的38%；2012—2017年，隨著鄉(xiāng)村旅游的大力發(fā)展，棗樹、枇杷、梨等經(jīng)果林面積大大增加，截至2017年約有22.08 hm2。

表5 研究區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值

2)景觀格局動(dòng)態(tài)分析結(jié)果表明，研究區(qū)在2007—2017年間，景觀類型的空間自然連通性增大，景觀破碎化程度增大，空間連接性和景觀異質(zhì)性不斷增強(qiáng)。在景觀類型水平上，林地景觀破碎化程度降低，趨向于均衡分布的空間結(jié)構(gòu)；農(nóng)田景觀破碎化程度增加，一定程度上反映了城市化進(jìn)程中人類活動(dòng)對農(nóng)田景觀的干擾作用持續(xù)增加，農(nóng)田景觀也從聚集趨向于分散經(jīng)營；隨著城市化活動(dòng)的加強(qiáng)，研究期內(nèi)建設(shè)用地破碎化程度增加，建設(shè)用地也由分散趨于集中化發(fā)展。

3)2007—2017年間，研究區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值也發(fā)生了顯著變化。從單一土地利用類型來看，草地、農(nóng)田、林地ESV波動(dòng)性減少，水體ESV波動(dòng)性增加，其他用地ESV基本保持不變。從整體看來，林地ESV所占比重最大，其他地類比重相對穩(wěn)定，研究區(qū)域內(nèi)土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能總價(jià)值波動(dòng)性減少，其總價(jià)值減少了1.76×106元。在城市化進(jìn)程中，退耕還林政策的實(shí)施，果業(yè)種植、鄉(xiāng)村旅游的發(fā)展以及第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是維持研究區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值動(dòng)態(tài)平衡的重要因素。

4)本研究采用衛(wèi)星遙感影像作為主要信息源，利用3S技術(shù)進(jìn)行景觀格局變化分析，景觀類型的分類和景觀指數(shù)的選擇很大程度上影響著結(jié)果的可信度，并且衛(wèi)星遙感影像的精度也影響著結(jié)果的精確度，所以，如何提高復(fù)雜山區(qū)景觀分類的精度是進(jìn)一步需要研究和探討的問題。本研究的結(jié)果可為研究區(qū)景觀規(guī)劃提供一定的借鑒。

[1] 常學(xué)禮,鄔建國.科爾沁沙地景觀格局的特征分析[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，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] 高小紅,王一謀，楊國靖.基于RS和GIS的榆林地區(qū)景觀格局動(dòng)態(tài)變化研究[J].水土保持學(xué)報(bào),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] 葛方龍,李偉峰,陳求穩(wěn). 景觀格局演變及其生態(tài)效應(yīng)研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)環(huán)境,2008(6):2511-2519.

[7] 陳利頂,孫然好,劉海蓮. 城市景觀格局演變的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào),2013(4):1042-1050.

[8] 劉頌,郭菲菲,李倩. 我國景觀格局研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢[J]. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2010(6):144-152.

[9] 李佳佳. 城市景觀格局研究進(jìn)展[J]. 農(nóng)技服務(wù),2011(6):841-844.

[10] 秦向東. 景觀格局優(yōu)化研究進(jìn)展[C]//中國生態(tài)學(xué)學(xué)會(huì).中國生態(tài)學(xué)會(huì)2006學(xué)術(shù)年會(huì)論文薈萃，2006.

[11] 邵國權(quán). 蘇州鄉(xiāng)村景觀格局演變與發(fā)展模式研究[D].北京：中國礦業(yè)大學(xué),2015.

[12] 古琳,劉波,龔固堂,等.成都市近20年林地景觀變化特征[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2010(5):1081-1089.

[13] 陽文銳. 北京城市景觀格局時(shí)空變化及驅(qū)動(dòng)力[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào),2015(13):4357-4366.

[14] 王鵬舉.基于土地利用結(jié)構(gòu)與景觀格局的小流域氮、磷、碳輸出特征分析[D].武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012.

[15] 肖強(qiáng),肖洋,歐陽志云,等. 重慶市森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值評估[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào),2014(1):216-223.

[16] 鄭華,李屹峰,歐陽志云,等. 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能管理研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào),2013(3):702-710.

[17] 趙金龍,王濼鑫,韓海榮,等. 森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值評估研究進(jìn)展與趨勢[J]. 生態(tài)學(xué)雜志,2013(8):2229-2237.

[18] 張彪,謝高地.基于人類需求的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分類[J].中國資源環(huán)境,2010(6):64-67.

[19] 謝高地,肖玉,甄霖,等.我國糧食生產(chǎn)的生態(tài)服務(wù)價(jià)值研究[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2005,13(3):10-13.

[20] 歐陽志云,王如松,趙景柱. 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及其生態(tài)經(jīng)濟(jì)價(jià)值評價(jià)[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),1999(5):635-640.

[21] 黨宏媛. 區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能形成機(jī)理及評價(jià)研究[D].石家莊：河北師范大學(xué),2013.

[22] 胥彥玲. 基于景觀生態(tài)學(xué)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評價(jià)——以甘肅省為例[D].西安：西北大學(xué),2003.

[23] 靳芳,魯紹偉,余新曉,等. 中國森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及其價(jià)值評價(jià)[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2005(8):1531-1536.

[24] 李月臣,劉春霞,閔婕,等. 三峽庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性評價(jià)[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào),2013(1):168-178.