土地利用变化作为自然环境和人类活动共同作用下的表现形式^[1], 对维持和改善区域生态平衡, 实现土地资源可持续开发利用具有重要意义^[2]。景观格局变化影响着生态系统的质量和演变过程, 通过景观格局分析和运用景观格局指数定量获取要素的空间分布特征, 为景观功能和格局动态变化研究提供基础信息^[3-4]。当前, 土地利用与景观格局研究主要集中在土地利用与景观格局的演化过程及特征^[5]、土地利用景观格局的稳定性评价^[6]、景观格局时空变化及驱动力因素^[7]、景观格局变化规律与尺度效应^[8]等方面。

生态系统服务主要包括供给服务、调节服务、支持服务和文化服务四个方面^[9-10]。人类所需生态系统服务数量和种类越来越多, 对自然资源的利用已超越生态系统本身提供限度, 造成对某一服务功能需求以牺牲其他服务功能为代价^[11-12]。为进一步提高研究区各生态系统服务功能协调发展, 明晰各功能之间关联特征, 实现各服务功能效益最大化, 优化生态系统服务管理政策, 保护当地生态系统的正常运行, 达到区域发展与生态保护“双赢”的目的, 有必要对生态系统服务进行集成研究^[13-15]。

南水北调中线工程是我国重要的跨流域调水工程, 旨在解决我国华北地区缺水困境, 缓解中、北部城市用水冲突, 实现水资源的合理布局和分配^[16]。丹江口市作为南水北调中线工程重要水源区, 对整个南水北调工程具有“水龙头”的作用。特别近15年间, 丹江口市作为全国生态功能区中极重要的生态保护地, 又历经丹江口大坝加高、南水北调中线工程, 但对当前丹江口市的土地利用变化、景观格局变化与生态系统服务价值研究却鲜有报道。目前丹江口市研究主要集聚在水文生态等方面, 王晓荣等^[17]、丁霞等^[18]对马尾松林(Pinus massoniana)水源涵养价值进行评价, 徐慧^[19]对调水前后的水源涵养和水质净化进行研究；部分学者对丹江口水源区生态系统价值的研究仅局限在某一种生态系统类型的单一生态服务价值^[20-21], 定量研究较少, 缺少时空差异, 未同时考虑到土地利用变化、景观格局变化对生态系统服务价值的影响。

鉴于此, 本文以丹江口市为研究区, 基于土地利用、景观生态学的相关理论与实验, 借鉴Costanza和谢高地团队的生态系统服务价值的研究成果, 研究在土地利用变化下丹江口市2003—2018年近15年景观格局以及生态系统服务价值的变化, 对丹江口市城市规划与库区上游提出合理保护建议, 保障南水北调中线工程的水量和水质, 提高丹江口市的生态系统服务价值。

1 研究区概况

丹江口市地处湖北省西北部, 汉江中上游, 是国家级重点生态功能区县。位于32°14′10″—32°58′10″N, 110°47′53″—110°34′47″E之间, 东西最大横距73 km, 南北最大纵距81 km；属于亚热带半湿润季风气候区, 气候温和, 四季分明, 光照时间长, 雨热同季且无霜期较长等特点, 年平均气温15.9 ℃, 年降雨量约800 mm, 年蒸发量为1979.1 mm；土壤以黄棕壤和黄壤为主, 成土母质由石灰岩、片麻岩等发育而成, 质地疏松；马尾松、栓皮栎(Quercus variabilis)、柏树(Cupressus funebris)、柑橘(Citrus reticulata Blanco)等在全市均有分布。

丹江口市是南水北调中线工程坝区、库区和移民主要安置区, 其中南水北调中线工程于2003年开工, 同年丹江口市开展移民搬迁工程；2008年后丹江口水库大坝加高工程基本竣工；2013年南水北调中线水源地工程完工开展调水实验, 同年移民搬迁工程圆满完成；截止2018年底丹江口库区累计供水222×10⁸ m³。丹江口市作为南水北调中线工程重要水源地, 不仅要保证水量充足与水质合格, 同时水土保持、优化生态环境、维持生物多样性等生态系统服务功能也极其重要。因此, 对丹江口库区湖北省丹江口市进行生态系统价值评估, 为自然资源的合理利用及管理决策提供科学依据, 做好水源区的生态建设及环境保护工作, 保证南水北调工程的实效性。

2 研究方法 2.1 数据来源及处理

(1) 土地利用数据。根据研究区土地资源特征和野外考察结合, 原始遥感影像数据来源于美国地质调查局(http://www.usgs.gov/), 选择丹江口市2003年Landsat 7 ETM+、2008年Landsat-5 TM、2013年和2018年Landsat 8 OLI_TIRS影像, 时相以9—10月为主, 分辨率为30m, 云量均3%以下, 影像质量良好, 辅助数据丹江口市1:10万地形图；

(2) 遥感影像预处理。运用ENVI 5.3以Landsat 8 OLI为基准几何校正, 进行辐射定标、大气校正、图像增强等, 采用最大似然法^[22]进行监督分类, 依据《土地利用现状分类》国家标准(GB/T 21010—2007), 结合丹江口市土地利用现状, 将土地利用类型分为水域、林地、耕地、园地、建设用地和未利用地6种。

(3) 遥感影像精校正。利用谷歌地图获取4个时期的高清历史影像图, 通过野外调查数据和历史影像图建立样本区, 对监督分类解译的土地利用数据修正, 经检验4期影像图Kappa系数达到0.84、0.86、0.86、0.85, 解译结果符合精度要求。

(4) 分类后处理。丹江口市林地主要包括针叶林、阔叶林和混交林及林下植被, 园地主要以柑橘园为主, 建设用地主要包括城镇、农村用地以及道路工矿用地等, 未利用地主要包括丹江口库区河岸带裸地等。在ArcGIS 10.5软件支持下, 绘制丹江口市2003、2008、2013和2018年4个时期的土地利用分类图(图 2)；利用Frastats 4.2软件, 计算丹江口市2003—2018年4期景观格局指数。

2.2 土地利用动态变化研究

(1) 土地利用动态度计算

土地利用动态度指研究区域在某段时间内某土地利用类型和数量的变化情况, 可以反映区域土地利用/覆盖中土地利用类型的变化剧烈程度^[23]。

(1)

式中, R_i为研究时段内某一类型土地利用的动态度；T是某种土地利用类型变化年份；U_a、U_b分别为研究初期和末期某一土地利用类型面积。

(2) 土地利用程度变化分析

土地利用程度参数设定参考胡和兵等^[24]相关成果, 其中园地取林地和草地的均值；借鉴庄大方等^[25]土地利用程度的综合分析方法, 计算土地利用程度变化。土地利用综合指数模型表达式为:

(2)

式中, L为研究区土地利用程度综合指数；n为土地利用类型数量；A_i为第i类土地利用类型面积；A_T为研究区域总面积；P_i为不同类型的土地利用程度参数。

2.3 景观格局指数选取

景观格局指数可以反映其结构组成和空间配置等方面特征^[26], 一般是在斑块水平、斑块类型水平和景观水平3个层次上分析。由于斑块水平指数只作为其他景观指数的计算基础, 因此, 本文在参照前人的研究成果^[27], 结合研究实际需求, 主要从斑块类型和景观水平层次开展研究, 并选取表征面积、聚集度、形状和多样性测量等的景观格局指数进行计算。

景观面积度量指标选择斑块类型面积(CA)、斑块类型比(PLAND)、最大斑块指数(LPI)和景观面积(TA)^[28-29]。CA值的大小影响着斑块类型聚集地中的物种数量及丰度, PLAND指某一斑块类型占整个景观面积的相对比例, LPI主要表示某一景观类型最大斑块占整个景观面积的比例, 决定了景观优劣斑块, 反应景观变化受人类活动干扰程度；TA定义景观幅度, 是监测生态系统是否稳定的重要指标。

景观形状指标选择景观形状指数(LSI)^[30], 反映景观和斑块形状的分散和规则程度, 值越大说明景观形状越复杂。景观邻近度指标选择香农多样性指数(SHDI)^[31], 值越小斑块类型越少, 值增大说明斑块类型增加或各斑块类型在景观中呈均衡化趋势分布。

景观聚集与分散度测量指标, 选取蔓延度指数(CONTAG)、散布与并列指数(IJI)、聚集度指数(AI)^[32]进行分析。CONTAG反映景观类型的聚集程度和延展程度, 高蔓延度值表明某种优势斑块类型具有良好的连通性；IJI反映斑块类型的隔离分布情况；AI是基于栅格数量来测度景观或者某种斑块类型的聚集程度。

2.4 生态系统服务价值计算

本研究基于货币的价值量评价法, 参考谢高地等^[33]对中国陆地生态系统单位面积生态服务当量表的研究, 设置丹江口市当量因子, 通过前人研究确定湖北省的耕地当量因子为全国耕地的1.27倍^[34], 园地取草地和林地的均值, 建设用地和未利用地当量因子参考李晓赛等^[35]研究成果进行设定。

不考虑价格波动因素, 统一选取2008年粮食平均价格1.8元/kg作为农作物的单价进行计算, 在无人力投入使用下, 自然生态系统的经济价值是现有单位面积耕地提供的食物生产服务价值的1/7^[33], 结合十堰市和丹江口市年鉴, 运用如下公式, 计算出丹江口市1个生态服务价值当量因子的经济价值量为2056元/hm²。

(3)

式中, E_a为单位面积农田生态系统提供生产服务价值, 元/hm²；i为作物种类；n为粮食种类；m_i为粮食播种面积；p_i为地i种粮食作物全国平均单价, 元/kg；q_i为单位面积产量, kg/ hm²；M为粮食作物总面积hm²。

利用丹江口市土里利用分类结果, 对2003—2018年的生态系统服务价值计算, 公式为：

(4)

式中, ESV为生态服务价值(元)；A_i为土地利用类型面积(hm²)；C_i为单位面积生态服务价值(元/hm²)。

3 结果与分析 3.1 土地利用变化分析

丹江口市2003—2018年不同土地利用类型变化情况(表 1)显示, 近15年土地利用类型变化明显, 其中耕地和园地面积均大幅减少, 耕地面积减少了约15677 hm², 园地面积减少了约29366 hm²；水域面积和林地面积均明显的增加趋势, 水域面积共增加了10516 hm², 林地面积增长了24.58%约31260 hm²；建设用地面积呈先减少又持续增加趋势, 新增面积约2553 hm², 未利用地面积近15年变化较缓慢, 基本保持持平状态。

从土地动态度变化来看, 丹江口市水域、林地、耕地、园地和建设用地面积变化较为剧烈, 特别是水域面积以每5年大于3%的动态度增长, 林地和耕地在前期(2003—2008年)变化较大, 其最大值为2.34%和3.87%；园地面积在中后期(2008—2013、2013—2018年)平均动态变化约3%, 建设用地在后期(2013—2018年)最高达3.80%；未利用地的面积变化不明显。

根据土地利用程度参数(表 2)计算得到丹江口市2003—2018年不同土地利用程度(表 3), 2003年土地利用程度达到25.01%, 显著高于其余年份; 其他3期土地利用程度均保持在23%左右; 2003年土地利用程度偏大可能与当时修建丹江口水库的移民搬迁等政府政策有关。

丹江口市近15年土地利用类型变化明显, 与南水北调中线工程建设和城市建设有关。由于工程建设, 丹江口市对水域和林地保护意识不断增强, 退耕还林政策的执行保证了有效持续性增长, 特别是“十八大”以来生态文明建设的贯彻执行, 以及“山水林田湖草”的践行, 进一步保障了丹江口市的水域和林地面积稳定增长；由于城市化的进程、武当山风景区的建设及各乡镇建设发展, 丹江口市建设用地也大幅度增加。

3.2 景观格局动态变化与驱动力分析

由丹江口市2003—2018年斑块类型水平的景观格局指数(表 4), 水域面积增加, 斑块类型比和最大斑块指数总体呈上升趋势, 水域占研究区面积的比例持续上升, 散布与并列指数减小, 景观形状指数和聚集度指数不断增加并趋于平稳, 与水域相邻的景观要素变少, 连通性增强, 但水域形状却在人类活动的影响下变得不规则。林地面积逐年增加, 占研究区面积的50.84%, 景观形状指数增大, 聚集度指数增加, 受人类活动影响林地分布趋于聚集, 连贯性增强形状更为规则。

耕地与园地面积逐渐减少, 且斑块类型比和最大斑块指数总体呈下降趋势。2003—2018年耕地的景观形状指数增大, 耕地趋于分散, 形状不规则；园地景观形状指数逐年减小, 园地相对集中且形状规则。耕地的散布与并列指数总体增幅较小, 聚集度指数总体呈增大趋势, 说明耕地的斑块聚集程度越来越高；园地的散布与并列指数总体呈减小趋势, 聚集度指数总体变化不明显。

建设用地在2008—2018年近10年增长明显, 不合理的土地利用规划, 致使建设用地聚集程度提高但形状越来越不规则。特别是乡镇、村的发展, 移民搬迁政策的执行, 使得建设用地聚集程度高, 乡村用地受地形地势影响相对分散。未利用地主要包括裸地, 近15年来未出现明显的变化趋势, 裸地斑块趋于集中, 说明相邻的斑块类型变多；香农多样性指数整体呈现下降趋势, 表明土地利用集中。在经济建设过程中, 合理开发利用裸地资源, 将成为下一阶段的重点经济建设和林地增加的首选目标。

由表 5景观水平的景观格局指数发现, 2003—2018年间丹江口市景观形状指数呈现先减后增又减趋势, 各类景观趋于离散, 且形状越来越不规则；蔓延度指数先增加后减小, 总体呈增大趋势, 各景观之间连通性较好；散布与并列指数呈增加趋势，且类型的破碎化变小丰富度变低；香农多样性指数在2013—2018年间增加了0.035, 各斑块类型呈均衡趋势分布, 土地利用类型越来越丰富；聚集度指数在2003—2008年增加了3.71, 整体呈上升趋势, 说明各土地利用类型聚集程度逐步提升。

人为因素和自然因素是影响丹江口土地利用和景观格局变化的重要因素。研究区土地利用与景观格局变化主要受制于人类活动和政策的施行。2003—2008年, 水域面积与林地面积增加, 与当时丹江口库区建设密切相关, 为保护水域退耕还林；特别是移民搬迁政策, 使原本分散的聚居地转为城镇、移民新村等, 整体上建设用地面积减少, 但聚集度提升；人口增长和社会需求也加速了土地利用程度的变化。2008—2018年, 为保护丹江口库区水质和南水北调中线工程的开通, 加大了林业管理, 林地面积有所增加；当地政府加大生态文明建设, 响应“山水林田湖草”口号, 进一步保障了丹江口市水域面积和林地面积稳定增长；随着2008年丹江口水库大坝的增高, 库区蓄水能力也逐渐增强。

由于丹江口市每年降水量较为均衡, 考虑到自然因素主要是小气候带来的影响, 在库区周边存在地面热容量差异, 容易形成局部小气候带来部分降雨, 使部分地区降水可能会有所增加, 但整体影响较小。

3.3 生态系统服务价值

将计算得到的1个生态服务价值当量因子的经济价值量代入丹江口市不同土地类型单位面积生态服务价值当量表。

依据表 7, 丹江口市2003—2018年生态系统服务价值呈增长趋势, 总价值从2003年105.31×10⁸元增长至2018年116.99×10⁸元, 共增长了8.98%, 水域和林地服务价值增加最显著。林地、园地和水域是丹江口市生态系统服务价值的主要贡献类型, 林地均保持在50%以上的贡献率；在2003—2008年间园地贡献量大于水域, 在2013—2018年间, 随着水域面积不断增加, 水域的贡献已达到总价值的20.83%。随着经济发展, 建设用地不断扩增, 耕地面积逐渐减少, 耕地生态服务总价值逐渐降低, 建设用地带来的生态系统服务负面价值越来越明显。

由图 3, 丹江口市2003—2018年各项生态系统服务价值中水源涵养、土壤形成与保护、维持生物多样性(2008年及前)和废物处理(2013年及后)占比最高。从整体上来看, 丹江口市水源涵养和土壤形成与保护的价值最高, 原材料生产、美学景观和食物生产占比较低。随着林地和水域面积增加, 应当在保护的基础上适时增设自然景观如湿地公园、环湖公园等, 既保护当地生态又可提高美学景观价值；结合当地实际情况栽种绿色无污染的农作物以及发展无污染水产品加工, 增加食品生产和原材料生产的价值。

4 结论与讨论 4.1 讨论

本文基于土地利用动态变化, 对丹江口市景观格局与生态系统服务价值进行研究。当前土地利用动态变化模型主要有资源数量变化模型、资源生态背景质量变化模型、土地利用程度变化模型、土地利用变化区域差异模型、土地利用空间变化模型、土地需求量预测模型等^[23], 本研究选取土地资源数量变化模型和土地利用程度变化模型进行计算, 得到丹江口市2003—2018年土地利用动态度和土地利用程度, 土地利用动态变化趋势与秦钰莉等^[36]对丹江口库周土地利用变化研究结果相似, 其动态变化与政策的实施及城市建设发展密切相关。

景观格局在生态环境效应、景观生态安全等方面已做大量研究^[37-39], 本文参考前人研究结合丹江口市土地利用变化数据, 选取了斑块类型水平和景观水平12个指数计算分析, 结果显示丹江口市景观格局趋于离散, 形状越来越不规则, 相邻斑块类型变多, 土地利用类型的破碎化变小丰富度变低, 聚集程度提升, 这与秦钰莉等^[36]、刘海等^[40]研究结果相似, 城乡发展建设, 水库蓄水、移民搬迁、退耕还林和生态文明建设等政策的实施是推动了丹江口市景观格局的变化的重要因素。

对丹江口市生态系统服务价值评估主要采用Costanza与谢高地提出的方法, 结合土地利用类型面积, 计算出2003—2018年生态系统服务价值。15年间生态系统服务价值增长了11.68×10⁸元, 林地和水域生态系统服务价值高达71.16×10⁸元、26.15×10⁸元。从各生态系统服务指标来看, 丹江口市水源涵养和土壤形成与保护生态价值最高, 研究结果与刘海等^[40]对丹江口库区研究相同, 同闵捷等^[41]对武汉研究结果相似, 比德州市^[42]、嘉兴市^[43]研究结果偏高, 这可能与丹江口市独特的地域性有关。

另外, 本文仅选取2008年农田生产价值对单位面积生态服务价值当量进行了系数修正, 随着粮食价格的波动和上升, 导致生态系统总价值量的研究可能偏小；在耕地和园地的生态系统服务价值研究中未直接对农药、化肥的使用进行计算, 进而可能对水源涵养服务价值带来影响；生态系统服务价值研究中未把生态系统健康程度^[44-45]带来的影响纳入计算, 需下一步继续深入研究。

4.2 结论

(1) 丹江口市2003—2018年土地利用类型变化显著, 水域面积和林地面积、建设用地面积分别增加10516、31260、2553 hm², 耕地面积和园地面积分别减少了29366、15677 hm², 水域、林地、耕地、园地和建设用地面积变化较为剧烈；研究区4期土地利用程度均保持在23%左右, 2003年土地利用程度高于其他年份, 与当年移民搬迁政策有关。

(2) 景观空间格局变化明显, 市域范围内各斑块类型趋于规则呈均衡趋势分布, 斑块类型间形成了良好的连接性, 景观聚集程度逐渐提升, 空间分布趋向集中。究其原因, 景观格局变化主要受制于人为因素和自然因素, 水库蓄水、移民搬迁、退耕还林和生态文明建设等政策的实施, 都加速了土地利用与景观格局的变化。

(3) 丹江口市近15年生态系统服务价值呈增长趋势, 总价值从2003年105.31×10⁸元增长至2018年116.99×10⁸元。林地、园地和水域是丹江口市生态系统服务价值的主要贡献类型；从各生态系统服务指标来看, 水源涵养和土壤形成与保护生态价值最高, 原材料生产、美学景观和食物生产生态价值占比较低。

(4) 在未来生态文明建设中, 可适宜增设自然景观如湿地公园、环湖公园等, 既保护生态又提高美学景观价值；栽种绿色无污染的农作物, 发展无污染水产品加工, 水库周边多种植耐水淹、生长周期短的农作物, 增加食品生产和原材料生产的生态系统价值；加大对林地和水域保护力度, 保证南水北调中线工程的水量和水质, 相关部门在制定发展政策时, 要特别注重土地利用和生态环境之间协调发展, 合理规划城乡建设用地, 在保证生态系统稳定性的同时稳步提升生态系统服务价值。