浙江省土地景觀格局演變及其生態服務價值效應分析

王 雙，劉永強,2

（1. 寧波大學地理與空間信息技術系，浙江·寧波 315211；2. 浙江省新型重點專業智庫寧波大學東海研究院，浙江·寧波 315211）

土地利用/覆被變化（LUCC）是全球環境變化研究的重要內容，已成為人類經濟活動行為與生態環境聯接的紐帶[1-2]，對生物多樣性及生態系統功能與結構變化產生顯著影響[3-4]。景觀格局是研究土地利用及其生態效應的基礎[5]，已有研究通常選取多種景觀格局指數來表征不同尺度下土地利用狀況。景觀格局演變與國家/區域經濟和社會發展階段轉型相對應，通常會出現各類景觀間的單向轉入或雙向流轉[6]。無論全球、國家或區域尺度，人類活動通過改變土地組成要素，加速或延緩能量流動及物質循環，進而影響景觀格局和生態質量[7-8]。生態系統服務指生態系統與生態過程可以直接或間接地提供滿足人類生產與服務的能力[9]，其價值增減是量化和評價生態系統功能強弱的方法之一，可直觀反映區域經濟與生態的矛盾關系[10]。人類活動通過破壞或重構地表面景觀形態，對生態系統結構與服務效用施加影響[11-12]，引起各生態系統組分、功能和空間格局的改變。因此，在城鎮化快速發展背景下通過分析土地覆被景觀變化及生態服務價值的時空差異，識別景觀格局演變對生態服務功能的影響，對于識別區域生態環境演化趨勢，統籌經濟—社會—生態空間的協調發展具有重要意義[13-14]。

本文利用景觀生態學和生態系統服務分析相關理論，在刻畫浙江省1995～2015年土地景觀格局演化特征基礎上，開展省域生態系統服務價值效應研究，并通過兩者間的相關性探究景觀格局演變對生態系統服務的影響過程及作用機制，揭示研究期內浙江省土地景觀空間配置引起的生態服務價值時空差異。為制定科學的土地資源開發與保護政策，開展生態占補平衡和實現“山水林田湖草”生命共同體系統提供借鑒，同時為統籌城鄉發展和響應國家生態功區生境修復及安全管控提供支持。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況

浙江省地處中國東南沿海地區中部，自然資源與人文底蘊豐厚，水陸交通便利，地貌特征為“七山一水兩分田”。該省土地面積10.56萬km2，其中農用地8.58萬km2，建設用地1.33萬km2。受地形限制與經濟驅動影響，區域土地利用競爭與矛盾突出，景觀轉型與生態功能演變空間差異性顯著，具有典型的研究意義。浙北受長三角經濟圈輻射影響，經濟增速快，建設用地擴張蔓延且集約化水平高，浙西南則多山地，處于中低水平階段，建設規模偏小。部分市縣正經歷規模快速擴張與功能結構變化調整期，地塊小規模聚集和分散不規則并存，景觀破碎度高，具有生態脆弱性和敏感性。

1.2 數據來源

研究數據包括浙江省土地利用遙感影像解譯數據和統計年鑒資料。其中，1995年、2000年、2005年、2010年和2015年5期土地解譯數據源于中國科學院資源環境科學數據中心。根據中國科學院土地利用/覆被分類標準，研究區土地/景觀類型分為：耕地、林地、水域、草地、城鎮村及工礦用地和未利用地6個一級類。社會經濟數據來自《中國物價年鑒》《中國農產品價格調查年鑒》《浙江省統計年鑒》等。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用動態分析

土地利用動態度反映某地區一定時間內某土地類型數量與速度變動情況[15-16]，用于衡量各土地景觀變化的時間差異，對于比較區域土地利用結構差異和預測未來土地變化趨勢具有重要作用。表達式為：

式中：K為研究時段內某一土地利用類型動態度；Ua、Ub分別為研究初期、末期某種土地利用類型數量；研究時段T為20年。

1.3.2 景觀格局指數分析

景觀格局可表征景觀類型和空間結構演變狀況，是人類活動與各生態過程在不同尺度上綜合作用的結果，其格局演化是土地利用/覆被變化最直觀的表現形式[17]，景觀指數能夠高度濃縮景觀信息[18]，反映地區土地結構組成與空間配置狀況。根據研究區特點與景觀指數生態學意義[19]，從景觀水平和斑塊類型水平兩方面開展研究。選擇斑塊數(NP)、平均斑塊面積(AREA_MN)、平均鄰近距離(ENN_AM)、斑塊結合度(COHESION)、聚合度(AI)和香農多樣性指數(SHDI)反映景觀斑塊的破碎化、多樣性和空間連通狀況等[20-21]；選擇斑塊數、斑塊密度(PD)、邊緣密度(ED)、聚合度及最大斑塊指數(LPI)刻畫斑塊類型的時空演變特征。運用Fragstats4.2軟件基于30m×30m的窗口計算各景觀指數值，分析各指數的柵格空間差異。各景觀指數生態內涵和計算公式可參考書籍《景觀生態學—格局、過程與等級》與Fragstats4.2軟件指南。

1.3.3 生態系統服務價值評估

謝高地等參考Costanza等的研究成果，構建了一種基于專家知識的評估模型。本研究利用謝高地等提出的中國生態系統價值（ESV）評估模型[22-23]，考慮到浙江省土地利用結構和經濟狀況，對單位面積農田糧食年產量經濟價值予以修正：浙江省1995～2015年糧食均產為5886.37kg/(hm2·a)，以2015年糧食均價4.58元/kg為基準?？紤]到未有人力投入情況，現有ESV是單位面積農田食物生產經濟價值的1/7[24]，求得浙江省糧食產量經濟價值為3851.36元/(hm2·a)，得到區域生態服務價值當量。遵循謝高地等劃分的生態系統類型對照表：耕地、林地和草地分別對應農田、森林和草地；水域和未利用地則取濕地和水體、荒漠和裸土地價值系數均值。建設用地對生態環境的負效應遠大于正效應[25]，不參與估算。ESV總量和單項價值計算公式為：

式中：ESV表示生態系統服務總價值；ESVj為生態系統某單項服務價值；Ak為第K種土地利用類型面積；Ck為第K種土地利用類型價值系數；Cky為單項服務功能價值系數。

2 結果分析

2.1 土地景觀格局時空演變

2.1.1 土地景觀動態變化

浙江省林地和耕地景觀占比達85%，其面積依次為：林地＞耕地＞城鎮村及工礦用地＞水域＞草地＞未利用地（表1）。土地覆被結構與該省“七山一水兩分田”的地貌相契合。20年間各景觀面積差異顯著：表現為水域、草地和城鎮村用地面積增加，耕地和林地的減少，城鎮村用地逐漸侵占農田與森林等生態保育用地，面積增值536651hm2。動態度方面，建設用地面積增幅8.21%，其次是水域和草地，而耕地和林地景觀動態度為負，分別是-0.67%和-0.10%。受地形影響，浙江西部與南部林地和水域景觀布局較集中，而浙北和沿海平原區耕地和草地受人類干擾深布局分散。建設用地增大于減，在杭州、紹興和寧波等市呈點—團狀，空間團聚度高，而金華和溫州市建設用地雖有擴張但布局零星。自然本底條件、經濟活動和政策規劃等不同引起城市化擴張進程中土地利用/覆被結構的差異，區域人地矛盾進一步加深。

表1 浙江省1995～2015年土地景觀結構及動態度Table 1 Land landscape structure and dynamic degree of Zhejiang province in 1995-2015

2.1.2 土地景觀轉移特征

1995～2015年浙江省各地類景觀出現交叉轉移現象（圖1）。其中：耕地景觀流出量最大，于浙北平原區向城鎮村用地轉移約112489hm2，共有84756hm2耕地流入林地，多分布在西南低山丘陵區；建設用地轉入規模最大，特別是2005年后加速轉入，而受果林種植、生境修復及宅基地整改等驅動，在浙西南約有14.15%的城鎮村用地轉為耕林地。溫州和臺州等沿海城市大量草地轉為建設用地。圍水造田和灘涂填淤造成約17.15%和7.91%的水域流向耕地和建設用地。從轉移方向看，耕地—建設用地、林地—建設用地間轉移量最大，其次是林地和耕地的互相轉化。空間上林耕地在浙西南和中南部流入較多，建設用地轉入則在浙北平原和沿海丘陵區最為顯著。快速城鎮化吸引人口與資本集聚，土地利用出現轉入轉出雙向轉型，新增建設用地逐漸侵占其他類景觀，導致浙江省生態系統功能一定程度上的削弱。

圖1 浙江省1995～2015年土地景觀轉移Fig.1 The land landscape transfer of Zhejiang province in 1995-2015

2.1.3 景觀尺度演變特征

（1）景觀破碎化

浙江省景觀破碎化程度高，空間布局復雜。斑塊數（NP）值增高，2010年后有所減小，平均斑塊面積（AREA_MN）則先降后增，表明區域破碎化水平高但有所降低，斑塊趨于整合?？臻g上NP北高南低（圖2），AREA_MN則相反，且北部高轉低值的面積明顯增多。破碎化程度整體北高于南，主要為耕地和建設用地景觀，呈現以兩者為中心向外圍減小趨勢，尤其是浙北嘉興、湖州和中部金華等市，人類干擾強度和頻率高，建設用地擴張斑塊多零散分布，無規律占用耕草地破碎化加深。2010年后區域城市規劃和土地整治項目實施，斑塊形狀趨于規則，各地類聚集連片分布，破碎度有所下降。

圖2 景觀破碎化時空分布（左兩圖：1995年；右兩圖：2015年）Fig.2 Spatio-temporal distribution of landscape fragmentation

（2）景觀連通性

平均鄰近距離（ENN_AM）有序增加而結合度值（COHESION）減小，表明同類斑塊相隔距離在增加，趨于離散化。整體上空間連通性低山丘陵區高于中北部平原（圖3），ENN_AM低值和COHESION高值區均為林地景觀，且連通度大于耕地和建設用地。由于重視經濟—生態可持續發展及實施林地保護規劃，林地空間連通性增強。建設用地無序擴張導致新舊斑塊連通度變差，不規則占用水域和耕地，其斑塊間聚集度降低。

圖3 景觀連通性時空分布（左兩圖：1995年；右兩圖：2015年）Fig.3 Spatio-temporal distribution of landscape connectivity

（3）景觀多樣性

聚合度AI下降而多樣性指數（SHDI）上升，景觀異質性增強，主導景觀優勢度降低，各類景觀面積占比差距在縮小。SHDI低值區位于浙西山區和東南丘陵（圖4），多為林草地景觀均質單一且團聚度高；高值區分布于浙北平原和沿海丘陵平原區及中部金華等市，受人類活動干擾深，區域內草地、耕地、水體和建設用地等各類生產、生活和生態景觀空間交錯分布，景觀多樣性與豐富度加深。

圖4 景觀多樣性時空分布（左兩圖：1995年；右兩圖：2015年）Fig.4 Spatio-temporal distribution of landscape diversity

2.1.4 斑塊類型尺度演變特征

受人類活動影響，斑塊水平指數20年間波動較大，土地斑塊兼具分散破碎和團聚規整，導致空間聚合和連通狀況趨向復雜（表2）。耕地、城鎮村及工礦用地破碎度高，斑塊不斷細碎化，作為優勢景觀的林地單個斑塊面積大，建設用地優勢度逐步提升，水域和未利用地形狀多樣。具體來看，耕地斑塊數多破碎度最高，NP、PD和ED先增后降，零散耕地經過整合、流轉破碎度有所降低，形狀趨向規整。林地破碎化水平較高，其面積最大而NP值低表明有大量優勢斑塊存在，且LPI高達61%，以絕對優勢影響著該區景觀格局的重構。草地NP、ED和PD升高而LPI和AI下降，其斑塊離散和破碎化加劇，聚合度變低。水域NP、PD增加而ED和LPI卻先升后減，原因為建設用地占用及灘涂養殖破壞斑塊形狀，造成內部通達度變差，小斑塊增多。建設用地NP和ED上升明顯，隨著人類干擾加深LPI和AI增加，空間蔓延無序引起小范圍內斑塊聚集度增高，優勢度顯現。未利用地LPI和AI先升后降，其在得到開發利用的同時又形成新的未利用地。

表2 斑塊類型水平指數變化Table 2 Changes of patch type level index

2.2 生態系統服務價值分析

2.2.1 生態服務價值總量變化

景觀格局復雜化擾動區域生態服務功能與價值穩定性，20年間浙江省生態服務總值由6919.63億元降為6816.45億元，變化率為-0.074%（表3）。其中，林地生態貢獻率占總價值的79.9%，林地作為重要的生態用地支持系統，在調節氣候、保護物種多樣性及生境恢復等方面生態功效顯著。除水域提供的ESV提高108.51億元外，其他各景觀ESV均有不同程度減少，尤其是耕地與林地面積下降劇烈導致兩者生態價值量減少均超100億元。受城市化影響，區域內ESV系數較高的森林、草地及農田的用地比例逐步下降，而城鎮村和交通等用地等需求劇增，導致研究期內浙江省生態服務總值的降低，未來發展中城鎮建設空間和生態空間的矛盾沖突亟需緩和。

表3 浙江省1995～2015年各景觀生態服務價值Table 3 Ecosystem service value of landscape in Zhejiang province in 1995～2015

2.2.2 單項生態服務價值變化

20年間浙江省各單項服務價值顯著降低（圖5）。2015年調節服務功能占比最大為55.25%，相比1995年共減少25.84億元；其次為支持功能貢獻率為28.44%，研究期間共損失85.92億元。各單項功能貢獻率為：水源涵養＞土壤維持＞廢物處理＞生物多樣性保護＞氣體調節＞氣候調節＞原材料＞提供美學景觀＞食物生產。水源涵養、廢物處理和美學景觀價值稍有提升，其他二級功能價值均有不同程度降低，氣體與氣候調節、土壤維持價值下降顯著，特別是后者價值率減少4.52%，原因是城市建成區土地擴張及圍填?；顒?，耕地、森林和灘涂面積下降，導致其蘊含的生態調節和支持服務功能減弱，對生態系統具有一定的抑制效應。

圖5 浙江省1995～2015年生態系統單項功能價值Fig.5 Individual functional value of ecosystem of Zhejiang province in 1995-2015

2.2.3 生態服務價值空間分異特征

為更清晰把握浙江省生態服務價值時空差異與演變趨勢，在10km×10km柵格尺度下利用GIS技術將研究區ESV價值量化到單位格網單元。通過自然斷點法將ESV分為5個等級：小于9.5萬元/hm2為極低值區；低值區[9.5,14.5）；中值區[14.5,19.5）；高值區[19.5,24.5）；大于24.5萬元/hm2則是極高值區。由此得到浙江省ESV時空分異圖。

20年間浙江省生境質量整體上ESV東低西高，呈條帶狀延伸、連片狀布局（圖6），高值區面積總占比超50%，其次是中值和低值區域，且極高值和高值區面積萎縮，中值與低值區有所蔓延。ESV空間格局等級差異明顯，浙江生境最優區為新安江水庫生態區，高值區森林和草地景觀生態功能強，分布于麗水、杭州西南和溫臺交界區，而生境質量劣區則是浙北平原和沿海丘陵平原區，ESV低值和中值區則位于金華、衢州等市和沿海平原向內陸丘陵過渡區域。ESV空間布局與其地類景觀相吻合，單位面積ESV極高值區為水域景觀；高值區為面積變化劇烈的林草地景觀，20年間高值向中低值區轉化較為顯著的是金華和衢州條帶狀延伸區與溫州南部；ESV中低值區多與農田和建設用地范圍相符，人類活動導致農業和城鎮空間逐步侵占生態空間。

圖6 浙江省生態系統服務價值空間分異（左圖：1995年；右圖：2015年）Fig.6 Spatial distribution of ecosystem service value in Zhejiang Province

整體來看，浙江省ESV空間差異受自然要素影響較大，其次是國土空間規劃、城鎮化擴張及產業轉型等多因素作用，區域“七山一水”的良好生態本底一定程度緩和了建設用地擴張引起的生態價值損失。但低值區轉為中高值區的面積少于ESV高轉低，這表明浙江省生境仍受威脅，今后要控制各種建設占地的速度與規模，提高用地效率和經濟增長質量；通過營造人工濕地與湖泊、退耕還林草等措施改善生態環境，降低經濟和人口膨脹對生態服務功能帶來的負面影響。未來應維持生態服務價值中、高值區的空間穩定性，重點監測ESV降值區域，引導土地利用向生態服務價值保值和增值方向發展。

2.3 土地景觀演變的生態服務功能影響機理

土地覆被結構、方式和空間變化等影響區域生態服務功能，不合理的資源配置破壞土地自然要素與景觀完整性，引起生態系統紊亂、生境退化和復雜。通過土地覆被結構和景觀格局演變對生態服務功能價值的影響研究，探討土地要素變化對生態服務功能的影響作用機制。土地自然要素與覆被結構變化改變其斑塊數量與形狀、廊道連通度和基質狀況等，進而改變區域生態服務功能，影響生態系統循環和能量流動效率，擾動食物鏈穩定性，同時調整各土地要素與種類大小影響生態美學景觀等功能價值。

利用Pearson相關性檢驗，測算研究區景觀格局指數與各生態服務功能間的相關性（表4）。生態總價值與最大斑塊數、結合度和聚合度呈強正相關，與斑塊數、平均鄰近距離和香農多樣性為強負相關，與斑塊密度、邊緣密度和平均斑塊面積指數為弱相關，表明景觀斑塊離散破碎、形狀類型多樣和通達度低會導致區域生態價值量減少，而斑塊團聚度高、連續性與優勢度強，則有利于生態服務價值量增加和功能提升。具體來看，供給服務中食物生產和原材料與支撐服務蘊含的土壤維持和生物多樣性功能與NP、ED、LPI、AI、COHESION和SHDI等指數因子強相關顯著，可通過干擾土地自然要素、形狀特征與物質流動等調整森林、水域和草地等景觀蘊含的生態功能，如增加斑塊與廊道數量、形狀不規則度，則阻礙生態系統中水、碳循環和生物遷移，而提高連通度與景觀豐度，可增強對環境變化的適應力。水源涵養和廢物處理等調節服務和維持文化服務的美學景觀則對土地景觀變化最為敏感，氣體與氣候調節服務與AREA_MN、COHESION和AI呈強正相關，與NP、ED、PD和SHDI為強負相關，水源涵養和廢物處理與各景觀指數相關性較弱或無相關。各景觀要素組成、空間形態，斑塊與廊道面積、類型變化很大程度上影響土地景觀的空間配置效果并控制著區域生態環境變化的反應能力。

表4 景觀格局指數與生態系統服務功能間相關系數Table 4 Correlation coefficients between landscape pattern index and ecosystem service function

林地蘊含的生態價值遠超其他類景觀，其斑塊面積減小導致提供的生態調節與支撐服務功能弱化。近年來浙江省開展生態文明建設，斑塊完整性提高。水域景觀多為人工湖泊與灘涂，其提供的水源涵養和廢物處理功能提升，一定程度上彌補了林地生態價值減小的損失。建設用地擴張影響景觀格局的空間重構，興建住宅區和產業園、連通各類交通網引起生態用地縮減破碎度加深、廊道連通復雜化，導致生態系統物質循環受阻、生物生境改變等。各類景觀間相互轉移也作用于生態服務功能和價值，尤其是浙北林耕地向建設用地大規模轉移及耕地、草地和水域的破碎分散化，復雜的用地結構和景觀空間配置導致20年間浙江省ESV總值損失103.18億元，表明城鎮化建設和人口增長帶來的土地利用變化對生態環境具有明顯的壓力和負效應，經濟社會發展在一定程度上是以犧牲生態系統功能為代價的。未來可通過政策規劃向林地、草地和水域等價值系數高的景觀轉移，通過調整景觀斑塊、廊道的類型、數量、形態和要素組成，改善生態系統供給、調節、支撐與文化服務功能，促進各物質間循環與能量流動，提高生態系統的恢復與反應能力。

3 結論與展望

本文利用浙江省5期土地景觀數據，通過土地利用動態度、景觀格局指數、生態服務價值評估及Pearson相關性檢驗，在分析土地覆被結構和景觀格局演變基礎上，揭示LUCC影響下浙江省20年間ESV空間差異及趨勢特征，開展土地景觀演變的生態功能影響分析，結論如下：

（1）1995～2015年浙江省土地利用變化劇烈，表現為耕地、林地面積減少，城鎮村用地、水域和草地面積增加。城鎮村用地面積增幅高達8.21%，而耕地和林地動態度為負。浙江西、南部林地和水域布局較集中，建設用地和耕地多分布于浙北平原和沿海丘陵區。從轉化類型看，耕林地向建設用地單向轉移量最大，其次是林耕地的互相轉化。建設用地轉入、耕林地轉出在浙北平原和沿海岸區變化顯著，表明城市化快速擴張對土地覆被的影響持續加強。

（2）研究時段內區域斑塊分散、聚合和連通狀況變化多樣，景觀格局時空演變復雜化，表現為同類斑塊內部空間連通性弱但景觀多樣性和豐度提升，空間連通度浙南高于中部和北部，而景觀多樣性和破碎化水平卻是北高于南。林地存在大量優勢斑塊，連通度趨于優化；耕地、城鎮村用地斑塊復雜，破碎度加深；水域通達度變差，斑塊形狀多不規則；建設用地小區域內聚集度與優勢度升高，以林地和耕地為主導的景觀格局逐漸向城市景觀轉變。

（3）浙江省生態服務總價值呈先增后減趨勢，林地和耕地ESV損失量超過水域ESV增加量，共減少103.18億元。各二級服務功能僅水源涵養和廢物處理價值量呈增加趨勢，其他單項ESV均有所下降?？臻g上ESV呈連片狀布局、條帶狀延伸，等級差異明顯，高值區面積占比超50%，極高值和高值區面積減小，中值與低值區有所擴張。浙西南生境質量優，而浙北與東南沿海區域則較低，人類活動導致生產空間逐漸侵占生態空間。

（4）浙江省土地要素與覆被結構變化造成的斑塊破碎、多樣化及廊道環通度變化等對生態服務功能產生顯著影響。相關性檢驗發現，ESV總值與LPI、COHESION和AI呈顯著強正相關，而與NP、ENN_AM和SHDI呈強負相關，表明增加斑塊團聚度、優勢度和空間連通性以及降低斑塊破碎度和異質性有利于提高整體生態服務價值量。改變景觀斑塊的數量與形狀、廊道連通度與基質狀況類型等可作用于生態服務功能，如斑塊聚合與環通度增強，間隙減小、形狀不規則降低可加速生態系統能量流動與循環，提高食物鏈網穩定性，減弱氣體、氣候調節和水源涵養等生態服務對環境變化的敏感性，發揮森林、草地和水域等生態系統服務功效，并持續為人類生產生活提供供給、調節、支撐功能與文化服務需要等。

隨著人類活動影響持續加強，對區域自然景觀的干擾和破壞持續增加，如何既保持快速經濟發展又保護好生態環境，在快速城鎮化推進過程中維持并有效提高生態系統服務功能，是中國亟需解決的難題。因此應采取積極的生態保護措施，土地管控應盡量以空間上連片利用為重點，注重保護原始生態景觀，增強景觀優勢度和斑塊連通性。切實保護林地和耕地、優化調整城鎮建設用地，科學開發未利用地，監管采礦后的生境修復工作，減少大氣、土壤和水體污染帶來的負面影響。同時，城市規劃要規范景觀秩序，關注城市景觀格局演變引起的生態環境問題，協調好城市空間擴張與生態價值功能的平衡，最大限度提升生態系統功能和服務需求，實現區域土地景觀最優化利用和生態系統多項服務的協調發展。