基于LUCC的生態(tài)服務價值動態(tài)分析及預測
——以徐州市區(qū)為例

譚 敏, 褚克堅, 華祖林, 郝 明, 張滿滿

(1.河海大學 環(huán)境學院, 南京 210098; 2.中國礦業(yè)大學 環(huán)境與測繪學院, 江蘇 徐州221116)

基于LUCC的生態(tài)服務價值動態(tài)分析及預測
——以徐州市區(qū)為例

譚 敏1, 褚克堅1, 華祖林1, 郝 明2, 張滿滿2

(1.河海大學 環(huán)境學院, 南京 210098; 2.中國礦業(yè)大學 環(huán)境與測繪學院, 江蘇 徐州221116)

為城市生態(tài)文明建設提供參考，基于5期遙感數(shù)據(jù)分類的土地覆蓋/利用信息，對徐州市城區(qū)生態(tài)服務價值進行動態(tài)分析，并利用馬爾科夫模型對其進行穩(wěn)態(tài)預測。結果表明：1995—2010年間土地利用方式發(fā)生很大變化，1995年鼓樓區(qū)、云龍區(qū)、泉山區(qū)農田占地53.5%，69.02%，40.04%，2010年分別下降為34.4%，46.18%，26.27%。生態(tài)服務價值相應的由1995年的2.92億元、1.75億元、1.51億元減少到2010年的1.55億元、1.06億元、1.26億元。達到穩(wěn)定狀態(tài)時，建筑用地面積大幅下降，農田、林地和水域面積顯著增加，鼓樓區(qū)、云龍區(qū)、泉山區(qū)生態(tài)服務價值分別上升為2.99億元、1.64億元、1.47億元。研究結果表明，控制農田、林地和水域等向建筑物用地轉移，對加強城市生態(tài)文明建設具有重要意義。

土地覆蓋/利用; 生態(tài)服務價值; 馬爾科夫模型

生態(tài)系統(tǒng)服務價值是指生態(tài)系統(tǒng)及生態(tài)過程中直接或間接提供人類賴以生存和發(fā)展的生命支持的價值。對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的核算可客觀、科學地反映人類生活和生產質量[1]，也較為全面地反映了自然資源價值和生態(tài)環(huán)境質量，因此具有較為重要的現(xiàn)實意義與科學價值。土地利用/覆蓋變化是人類活動與生態(tài)環(huán)境相互作用的集中體現(xiàn)，它的變化直接影響生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能[2]，從而影響生態(tài)系統(tǒng)服務價值。近年來國內外學者從不同角度不同層次對其進行了相關研究與分析[3-5]，也取得了較大進展。段瑞娟等[6]利用經(jīng)濟學模型對償付意愿法進行修正，核算北京單位生態(tài)系統(tǒng)服務價值，并分析土地利用方式變化與生態(tài)系統(tǒng)服務變化之間的相關性；熊鷹[7]應用Costanza[8]提出的生態(tài)服務價值計算方法，并參照中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位服務價值系數(shù)，研究紅壤丘陵區(qū)土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務功能的影響；黃鳳等[9]估算新疆生態(tài)系統(tǒng)服務價值，構建生態(tài)系統(tǒng)服務價值與環(huán)境質量指數(shù)計算體系，并分析了新疆生態(tài)變化情況及原因；韓鵬等[10]分別利用當量法、市場價值法和影子工程法計算生態(tài)系統(tǒng)服務功能，得到了各方法適用范圍；謝高地等[11-12]通過對700位專家的問卷調查形成了一個獨立的生態(tài)服務價值評價體系，對青藏高原生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行評價；鄭江坤等[13]利用土地利用數(shù)據(jù)對潮白河流域森林生態(tài)系統(tǒng)服務價值動態(tài)變化進行評估與預測；張蓉珍等[14]對西安市土地利用變化及其生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行了研究。

本文在國內外相關研究的基礎上，通過遙感技術分析徐州市鼓樓區(qū)、云龍區(qū)和泉山區(qū)1995年、2000年、2004年、2007年和2010年土地利用狀況，結合生態(tài)學和經(jīng)濟學知識，對該區(qū)生態(tài)服務價值進行定量評價，并進行驅動力分析。在此基礎之上，運用時空馬爾科夫鏈的時空遍歷性預測其達到穩(wěn)態(tài)時土地利用類型的分布概率，以期為徐州市土地資源利用狀況和生態(tài)環(huán)境保護措施提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

徐州市位于江蘇省西北部，華北平原的東南部，東經(jīng)116°22′—118°40′、北緯33°43′—34°58′，東西長約210 km，南北寬約140 km，總面積11 258 km2，占江蘇省總面積的11%。徐州是典型的礦業(yè)城市[15]，江蘇省重要的能源基地。近年來，徐州經(jīng)濟實力迅速增強，城市空間大幅拓展，大量農田、林地在城區(qū)擴建中消失。本文著重研究徐州市城區(qū)，包括城區(qū)北部的鼓樓區(qū)、西南部的泉山區(qū)和西北部的云龍區(qū)。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)處理

采用1995年、2000年、2004年、2007年和2010年分辨率為30 m的徐州市Thematic Mapper(TM)影像，對徐州市城區(qū)范圍鼓樓區(qū)、泉山區(qū)、云龍區(qū)土地利用狀況進行研究。利用ENVI軟件中二次多項式糾正對其進行配準，將配準精度控制在0.5個像素以內。在此基礎之上,利用最大似然分類法,將影像分為林地、農田、水域和建設用地四類土地利用類型。利用目視解譯對分類結果進行評估,并進行精度檢驗，5期土地利用圖Kappa系數(shù)均達到為0.83以上。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值評價

根據(jù)得到的研究區(qū)內土地利覆蓋/利用類型，利用Constanza等[8]生態(tài)系統(tǒng)制定的服務價值估算原理和謝高地等[12]制定的我國生態(tài)系統(tǒng)服務價格當量因子表，進行不同時期生態(tài)系統(tǒng)服務價值評價。生態(tài)服務被劃分為食物生產、原材料生產、氣體調節(jié)、氣候調節(jié)、水源涵養(yǎng)、土壤形成與保護、廢物處理、生物多樣性維持、休閑娛樂等，該表定義1 hm2全國農田平均糧食產量的經(jīng)濟價值為1，其他生態(tài)系統(tǒng)服務價值以此為參考[11]。針對徐州具體情況，以該區(qū)2009年平均糧食產量6 205.5 kg/hm2為基準單產，糧食單價按2008年全國糧食平均收購價格1.69元/kg作為研究時段平均價格。此外，確定1個生態(tài)服務價值當量因子的經(jīng)濟價值量等于平均糧食單產市場價值的1/7[12]，計算出徐州的生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量因子為1 498.19元，以此為基礎按當量因子測算出該區(qū)其他土地利用類型各項生態(tài)服務價值。該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)如表1所示。

結合表1數(shù)據(jù)并根據(jù)公式(1)，(2)計算鼓樓區(qū)、云龍區(qū)、泉山區(qū)各土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務價值、各項生態(tài)服務價值。

(1)

(2)

式中：ESV——生態(tài)系統(tǒng)服務價值；ESVj——生態(tài)系統(tǒng)第j項服務價值；Ai——研究區(qū)第i種土地利用/覆蓋類型分布面積；VCij——第i種土地利用類型第j類服務功能價值系數(shù)。

2.3 馬爾科夫模型預測

經(jīng)濟建設與生態(tài)建設同步發(fā)展是我們共同的目標，城市經(jīng)濟的發(fā)展和生態(tài)文明的建設必然能達到平衡的狀態(tài)，對土地利用方式的規(guī)劃也將達到最優(yōu)化的穩(wěn)定狀態(tài)。目前對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的研究多集中在生態(tài)服務價值對土地利用現(xiàn)狀的響應方面[16]，缺少此方面的預測，尤其是達到穩(wěn)態(tài)時土地利用類型的分布。

馬爾科夫模型可以有效地預測土地利用變化情況，從而預測生態(tài)服務價值的變化[13]。較高空間階的時空馬爾科夫鏈也具有遍歷性[17]，遍歷態(tài)的馬爾科夫鏈極限分布即是其平穩(wěn)分布。土地利用類型轉移矩陣每行元素進行歸一化處理就相當于轉移概率矩陣，本文采用時空馬爾科夫模型，結合土地利用類型轉移概率矩陣，考慮時間要素，求出土地利用類型的多時段加權轉移概率矩陣M，其計算公式如下

(3)

(4)

式中：Pij——從土地利用類型i到j的概率；M——初始狀態(tài)的轉移概率矩陣；Tl——第l個間隔時段內土地利用數(shù)據(jù)的間隔時間；Ml——第l個間隔時段內土地利用類型轉移概率矩陣；m——總的時間間隔數(shù)。

遍歷態(tài)馬爾科夫鏈具有平穩(wěn)分布特征，經(jīng)過多次概率轉移之后，土地利用類型進入固定狀態(tài)，當繼續(xù)增大概率轉移次數(shù)時，不會再發(fā)生變化，即在一定精度上轉移過程收斂于固定狀態(tài)，與初始土地利用狀態(tài)無關，只是收斂速度有所不同而已，故用來預測未來土地利用類型穩(wěn)定分布，具體公式如下：

(5)

式中：p1，p2，pk——穩(wěn)定狀態(tài)時各土地利用類型所占面積比例，即各土地利用類型所占比例經(jīng)過轉移矩陣M之后不會發(fā)生變化即是達到穩(wěn)態(tài)，符合平穩(wěn)分布的特征。

3 結果與分析

3.1 土地利用結構動態(tài)變化

鼓樓區(qū)總面積23 851 hm2，土地利用方式在1995—2010年的15 a發(fā)生很大變化。1995年，農田分布面積最大，占到總面積的53.5%，建設用地面積占到24.86%，而林地和水體所占的面積則相對較小。1995—2000年間，農田和建設用地面積增加，林地和水體面積則減小。2000—2004年間，在人類活動的影響下，鼓樓區(qū)土地利用變化復雜而迅速。2004—2007年間，面積變化較大的是建設用地和農田，農田面積減少了1 874.88 hm2，建設用地面積增加了2 361.78hm2。2007—2010年間，由于區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展迅速和新城區(qū)的規(guī)劃建設，建設用地面積持續(xù)增加，占總面積的52.57%(表2)。

與1995年相比，2000年、2004年、2007年、2010年云龍區(qū)農田面積分別減少了449.1，1 493.82，3 059.29，2 734.74 hm2；林地面積分別減少75.8%，37.8%，77.0%，70.1%；水體面積分別增加20.3%，8.1%，11.9%，21.9%；建設用地面積分別增加69.4%，96.7%，198.2%，176.8%，變化較迅速。

在研究時間內，與鼓樓區(qū)和云龍區(qū)相比，泉山區(qū)土地利用方式變化相對較小。與1995年相比，2000年、2004年、2007年和2010年林地面積分別減少了28.5%，39.4%，50.1%，34.7%；水體面積不斷增加，建設用地面積分別增加了4.2%，25.7%，53.1%，42.4%；而農田在2000年增加了0.5%，在2004年、2007年和2010年分別減少了13.8%，41.3%，34.4%。經(jīng)比較，2004—2007年，土地利用方式發(fā)生變化較大，尤其發(fā)生在林地和建設用地方面。

表2 1995-2010年徐州城區(qū)土地利用類型面積變化

3.2 生態(tài)服務價值動態(tài)變化

生態(tài)系統(tǒng)服務價值與土地利用/覆蓋類型的變化密切相關，土地覆蓋類型的變化在不同程度上對生態(tài)系統(tǒng)服務價值產生影響。1995—2010年間，土地利用方式發(fā)生很大變化，生態(tài)系統(tǒng)服務價值也表現(xiàn)出復雜的變化趨勢，如表3所示。1995年，鼓樓區(qū)生態(tài)服務價值為2.92億元；到2000年，由于鼓樓區(qū)建筑用地面積的增加，生態(tài)服務價值下降到2.25億元，并且隨著社會的發(fā)展和城市規(guī)劃的逐步加快，鼓樓區(qū)生態(tài)服務價值呈現(xiàn)出持續(xù)減少的趨勢。1995—2000年間，云龍區(qū)生態(tài)服務價值由1.75下降到1.30億元，2000—2004年間，由于林地和水體面積的增加，導致生態(tài)服務價值快速增加，而在2004—2010年間，生態(tài)服務價值呈現(xiàn)出先減少后增加的趨勢。相比較鼓樓區(qū)和云龍區(qū)，泉山區(qū)的生態(tài)服務價值變化較小，到2004年后相對穩(wěn)定。

由表3可知，在城市快速發(fā)展過程中，大量農田和林地被占用，建設用地的需求不斷增加，引起生態(tài)服務價值的降低。1995—2010年間，城區(qū)道路的修建，新城區(qū)的規(guī)劃和建設，工業(yè)的快速發(fā)展，都是引起生態(tài)服務價值降低的根本原因。

表3 1995-2010年徐州城區(qū)各土地利用類型生態(tài)服務價值變化

3.3 馬爾科夫模型預測

運用馬爾科夫過程預測徐州城區(qū)未來土地利用方式的穩(wěn)定分布，并以此計算研究區(qū)域內生態(tài)服務價值，如表4所示。預測結果表明，達到穩(wěn)定狀態(tài)時，鼓樓區(qū)農田面積14 403 hm2，占總面積的60.39%，生態(tài)服務價值2.99億元，較2010年生態(tài)服務價值1.55億元增長了1.45億元；云龍區(qū)農田面積為8 067.75 hm2，生態(tài)服務價值1.64億元；泉山區(qū)建設用地4 021.67 hm2，所占比重最大，達到40.19%，生態(tài)服務價值1.47億元，比2010年增加0.27億元。

表4 徐州城區(qū)各土地利用類型的穩(wěn)定分布

4 結 論

(1) 1995—2010年間，研究區(qū)域土地利用類型發(fā)生很大變化，主要受到城區(qū)規(guī)劃和人類活動的影響，使農田面積大量減少，建設用地面積顯著增加。

(2) 在研究時段內，研究區(qū)域生態(tài)服務價值發(fā)生復雜的變化過程，主要呈現(xiàn)下降趨勢。主要因為農田是生態(tài)服務價值構成中貢獻較大的土地利用類型，新城區(qū)的開發(fā)建設和城市化的快速發(fā)展造成農田大量減少，從而使生態(tài)服務總價值降低。

(3) 根據(jù)時空馬爾科夫遍歷態(tài)分布特性，預測達到穩(wěn)定狀態(tài)各土地利用類型所占比重，預測結果顯示建設用地面積會逐漸減少，從而生態(tài)服務價值顯著增加。但由于土地利用變化受到土地利用政策、自然災害等的共同影響，導致土地利用的不確定性增加，且本文從生態(tài)的角度切入，對經(jīng)濟發(fā)展等相關因素未做任何考量，對未來土地利用類型的穩(wěn)態(tài)預測較為理想化，對城市土地利用類型優(yōu)化的研究仍需進一步完善。

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AssessmentandPredictionofEcosystemServiceValueBasedonLandUseandCoverChange—ACaseStudyofXuzhouCity,JiangsuProvince

TAN Min1, CHU Ke-jian1, HUA Zu-lin1, HAO Ming2, ZHANG Man-man2

(1.CollegeofEnvironmental,HohaiUniversity,Nanjing210098,China; 2.SchoolofEnvironmentScienceandSpatialInformatics,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou,Jiangsu221116,China)

To supply consultation to the city eco-civilization, the ecological service value of Xuzhou City was evaluated and predicted dynamically by using the Markov chain model based on the five periods of land use information of remote sensing images. The results show that the land use changed greatly from 1995 to 2010. Specially，the farmland area of Gulou, Yunlong and Quanshan districts decreased from 53.5%, 69.02% and 40.04% to 34.4%, 46.18% and 26.27%, as a result, the total ecosystem service value also decreased from 292, 175 and 151 million yuan to 155, 106 and 126 million yuan. When the steady state of ecology was reached, the ecosystem service values of Gulou, Yunlong and Quanshan districts grew to 299, 164 and 147 million yuan due to the increase of farmland, forest and water areas. Results indicate that it is very important for ecological civilization to control the transformation of farmland, woodland and waters to building sites.

land cover/use; ecosystem value; Markov model

2013-08-03

：2013-09-13

國家自然科學基金資助項目(51179052,50979026,51009048);國家科技支撐計劃(2012BAB03B04);江蘇省2013年度普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃項目(CXZZ13_0271)

譚敏(1988—),女,安徽淮北人,碩士,主要從事環(huán)境遙感及遙感影像變化檢測研究。E-mail:xiaotanmin@126.com

F301.2;P962

：A

：1005-3409(2014)02-0297-05