滁州市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值分析及趨勢預(yù)測

劉玉嬋，汪光勝，胡 陽

(滁州學(xué)院安徽地理信息集成應(yīng)用協(xié)同創(chuàng)新中心，安徽滁州239000)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值（Ecosystem Service Value，ESV）是一種新型生態(tài)系統(tǒng)評價指標，最先于1997年由美國學(xué)者Costanza等[1]進行了系統(tǒng)性研究，并劃分了17個服務(wù)功能類別。國內(nèi)外學(xué)者在不同尺度上對ESV進行了研究，獲得了豐富的成果[1-5]。我國部分學(xué)者基于遙感影像解譯數(shù)據(jù)分析其變化情況[6-7]，進而研究了ESV的影響機制和驅(qū)動因子[8-9]，并利用預(yù)測模型進行預(yù)測[10-11]。在大尺度區(qū)域研究中，遙感是獲取土地利用類型及相關(guān)數(shù)據(jù)較為經(jīng)濟、高效的手段，為眾多學(xué)者所應(yīng)用[12-14]。土地利用/覆被變化對區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響是直接的，人類改造土地類型對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響最為顯著[15]。因此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，基于4期TM影像數(shù)據(jù)，分析了滁州市2000—2015年土地利用及ESV變化情況，并利用灰色GM(1,1)模型對研究區(qū)2015—2025年土地利用面積及ESV變化趨勢進行預(yù)測，并基于2015年實際值對其進行修正。通過對研究結(jié)果的分析，指出滁州市發(fā)展過程中土地利用存在的問題，并為滁州市今后幾年的發(fā)展提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源與處理

1.1 研究區(qū)概況

滁州市位于安徽省東部，臨近南京，背靠合肥，交通便利，區(qū)位優(yōu)越，是皖江城市帶的“橋頭堡”，同時處于“合肥經(jīng)濟圈”和“南京都市圈”之中，經(jīng)濟發(fā)展?jié)摿薮?。近些年來，滁州市?jīng)濟加速發(fā)展，15年間，人均GDP增長超過5倍；滁州市農(nóng)業(yè)用地面積超過總面積的65%，林、草、水面積占比在20%以上，生態(tài)環(huán)境相對較好。滁州市城鎮(zhèn)化發(fā)展較快，2015年滁州市人口城鎮(zhèn)化率達到49.02%。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

采用滁州市2000、2005、2010和2015年4期Landsat TM、ETM遙感影像數(shù)據(jù)，每期數(shù)據(jù)包含4幅影像，地面分辨率為30 m，影像獲取時間均為6月。使用ENVI軟件進行拼接、裁剪，再利用Arc-GIS10.0軟件，參照滁州市1:50 000地形圖，進行幾何校正，投影方式采用高斯—克呂格投影，校正方式采用二項式，配準精度均小于0.5個像元。依據(jù)《中科院LUCC分類體系》結(jié)合研究需要，采用人工目視解譯的方法，將滁州市土地利用類型劃分為林地、草地、水域、耕地、建設(shè)用地和未利用地六大類，并制作滁州市4期土地利用類型分類圖，如圖1所示，糧食產(chǎn)量等社會數(shù)據(jù)來源于同期的《安徽省統(tǒng)計年鑒》。

圖1 滁州市4期遙感影像解譯圖

2 研究方法

2.1 ESV評價標準

采用Costanza等學(xué)者制定的ESV的計算方法[1]，以中國各省份的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生物量因子表作為參照[17]，根據(jù)研究區(qū)域的實際情況，進行區(qū)域修正，安徽省修正系數(shù)為1.17。參考單位生態(tài)服務(wù)價值當量因子經(jīng)濟價值量的計算方法[17]，計算得到滁州市農(nóng)田自然糧食產(chǎn)量的經(jīng)濟價值約為1 542.08元/hm2，得出滁州市各生態(tài)系統(tǒng)的單位面積ESV，如表1所示。

表1 滁州市單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值表

2.2 ESV估算方法

利用滁州市各土地利用類型的面積數(shù)據(jù)，依據(jù)表1中單位面積ESV評估滁州市的ESV。其中的生態(tài)系統(tǒng)類型及價值：耕地參考農(nóng)田；林地參考森林；水體參考水域；未利用地參考荒漠；建設(shè)用地為零，不做考慮。其計算公式[16]如下：

式中：ESV是指生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值、ESVf是指單項的服務(wù)價值，單位均是元/a；VCi是指第i種土地類型每個單位面積的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值、VCfi表示第i種土地類型的單項服務(wù)價值，單位均為表示第 i種土地類型的面積（i=1，2，…，6，表示土地的利用類型），單位為hm2。

2.3 敏感性指數(shù)

利用敏感性指數(shù)（CS）的計算方法確定ESV對生態(tài)價值系數(shù)（VC）的敏感程度。若CS＜l，則說明 ESV對VC彈性不足；若CS＞1，則說明ESV對VC彈性充裕。公式如下：

式中：ESVq表示生態(tài)價值系數(shù)調(diào)整前的價值，ESVp表示調(diào)整后的價值；VCqi表示第i類地類生態(tài)價值系數(shù)調(diào)整前價值的生態(tài)價值系數(shù)，VCpi表示第i類地類生態(tài)價值系數(shù)調(diào)整后價值的生態(tài)價值系數(shù)。

2.4 灰色模型預(yù)測

通過灰色模型GM(1,1)，對研究區(qū)域2015—2025年各類型土地的面積和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進行預(yù)測，并由此計算出2015—2025年滁州市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的總價值，灰色模型[16]為

式中：a和u都是常數(shù)；t（t=1，2，…，n）表示時間，以年為單位。

3 結(jié)果與分析

3.1 ESV計算

由（1）式和（2）式分別計算出2000—2015年滁州市ESV的變化情況（表2）和生態(tài)系統(tǒng)單項的服務(wù)功能價值變化情況（表3）。

表2 滁州市地區(qū)ESV變化

由表2可看出，15年間，滁州市ESV總體減 少了7.7×107元。從變化量來看，減少最多的是耕地，減少了1.18×109元；草地次之，減少了1.00×106元；未利用地的ESV減少數(shù)量最小，減少了3.00×105元。從相對變化角度看，減少幅度最大的是未利用地，為49.47%；耕地次之，為9.65%。而水域和林地ESV增加，水域增加了1.089×109元，變化率為18.26%；林地增加了1.6×107元，變化率為0.38%。

水、林的單位面積ESV最高，而水、林用地類型占比在21%左右，僅次于農(nóng)業(yè)用地。因此，注重對水域和林地的保護，對于ESV的總體提升具有積極意義。耕地單位面積ESV僅次于水域和林地，且耕地面積占比在65%以上，因而耕地的ESV超過滁州市整體ESV的49%，遠高于其他地類。

由表3可以看出，在2000—2015年間生態(tài)系統(tǒng)單項服務(wù)價值總體減少了7.7×107元，2000—2005年增加了4.40×108元，但2005—2015年間，生態(tài)系統(tǒng)單項服務(wù)價值總體呈現(xiàn)連續(xù)減少的趨勢。其中減少量最大的是廢物處理，減少量達1.8×108元，占減少總量的34.88%；其次是土壤形成與保護，減少量為1.54×108元，占減少總量的29.84%。

3.2 ESV空間分異規(guī)律

以滁州市各縣市區(qū)為單位，計算和比較研究區(qū)域ESV的變化量及變化率，見表4。

表3 滁州市地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)單項服務(wù)功能價值變化

表4 2000-2015年滁州市各縣ESV空間分異

由表4可看出，滁州市4個時間點各縣市區(qū)ESV由高到低依次均為明光市、定遠縣、鳳陽縣、天長市、市轄區(qū)、全椒縣、來安縣。15年間，市轄區(qū)、來安縣、天長市的ESV凈減少：其中市轄區(qū)減少量最多，達1.88×108元；其次依次為來安縣、天長市，分別減少了5.3×107元、3.7×107元。定遠縣、鳳陽縣、來安縣、天長市ESV凈增加：其中全椒增長最多，達1.06×108元；鳳陽縣次之，增長量為5.4×107元；明光市增長量較少，增長了4.00×106元。

從變化幅度方面來看，2000—2010年ESV上升變化最快的是全椒縣，達9.53%；其次是鳳陽縣、定遠縣；上升變化最小的是明光市，僅為0.2%。下降變化率最快的是市轄區(qū)，達-15.53%；其次是來安縣。這從側(cè)面表明市轄區(qū)ESV發(fā)展的負面變化最快，對ESV較高的土地利用類型的侵占較為嚴重，而明光市變化較為平穩(wěn)。

3.3 敏感性分析

依據(jù)（3）式敏感性指數(shù)（CS）計算方法，將生態(tài)系統(tǒng)價值系數(shù)（VC）分別上、下調(diào)整50%，計算出滁州市4個時期各地類的CS，結(jié)果見表5。

由表5可知，ESV對VC的敏感性指數(shù)均小于1，其中，最高的是耕地，為0.501 61，這說明研究區(qū)內(nèi)的ESV對VC彈性不足。因此，從這個角度來看，本研究具有較高的可信性度。

3.4 土地利用類型的面積及其ESV預(yù)測

根據(jù)（4）式和（5）式，使用DPS2006軟件中的灰色GM(1,1)模型功能進行預(yù)測，通過計算相對誤差來對預(yù)測模型進行精度檢驗，當相對誤差在±3%之間時，模型精度被認為是非常高的[16]。根據(jù)滁州市預(yù)測模型結(jié)果，各種土地類型的相對誤差都在±3%之間，其中，預(yù)測模型相對誤差絕對值最大的是耕地，為2.06%，說明預(yù)測模型具有相當高的可信度。由預(yù)測模型對滁州市2015—2025年各土地利用類型的面積進行預(yù)測，進而得到對于年份ESV預(yù)測值，并根據(jù)2015年實際值對2020年和2025年的預(yù)測值進行修正，見表6。

由表6可知，2015—2025年僅林地和未利用地的ESV呈現(xiàn)上升趨勢，耕地的ESV減少最多，占總減少量的91.49%。到2025年區(qū)域ESV將減少到2.175 6×1010元，ESV系數(shù)相對較高的農(nóng)用地轉(zhuǎn)為其他生態(tài)價值較低的地類是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值受損的主要原因。

表5 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值敏感性指數(shù)變化表

表6 2015-2025年滁州市地區(qū)不同類型土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值預(yù)測值

4 討論

本文基于滁州市4期遙感影像的土地利用解譯數(shù)據(jù)，采用文獻[17]中關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的相關(guān)研究方法，研究了滁州市4期生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化情況。根據(jù)各地類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值和生態(tài)系統(tǒng)單項服務(wù)功能價值的研究結(jié)果可以初步了解滁州市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的總體變化情況，為進一步了解各地類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化與生態(tài)系統(tǒng)單項服務(wù)功能價值之間的關(guān)系，分別計算了滁州市各地類的4期生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值量與生態(tài)系統(tǒng)單項服務(wù)功能價值量的相關(guān)系數(shù)，計算結(jié)果見圖2，圖中橫坐標軸1至9依次對應(yīng)表3中的生態(tài)系統(tǒng)單項服務(wù)功能。

圖2 生態(tài)系統(tǒng)單項服務(wù)功能價值相關(guān)系數(shù)

由圖2可知，耕地、草地和未利用地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值與生態(tài)系統(tǒng)單項服務(wù)功能價值的相關(guān)性趨勢一致，均與氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、土壤形成與保護、生物多樣性保護、食物生產(chǎn)和原材料有較好的正相關(guān)性。其中，未利用地與其他生態(tài)系統(tǒng)單項服務(wù)功能的相關(guān)系數(shù)均相對較低，說明未利用地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值較低，可通過開發(fā)未利用地提升生態(tài)系統(tǒng)單項服務(wù)功能價值。

水域和林地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值與生態(tài)系統(tǒng)單項服務(wù)功能價值的相關(guān)性趨勢一致，均與水源涵養(yǎng)、廢物處理和娛樂文化有較好的正相關(guān)性。土壤形成與保護功能與食物生產(chǎn)功能的減少量最大，這主要是由于耕地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值大幅減少。在圖2中，存在負相關(guān)系數(shù)，但是根據(jù)簡單的機理分析，這些負相關(guān)系數(shù)并不說明土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化與生態(tài)系統(tǒng)單項服務(wù)功能價值之間存在負相關(guān)關(guān)系，特別是廢物處理與各地類的相關(guān)性均較低，屬于異常值。但是圖2可以說明耕地、草地和未利用地對氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、土壤形成與保護、生物多樣性保護、食物生產(chǎn)和原材料等生態(tài)系統(tǒng)單項服務(wù)功能價值的影響高于水域和林地，而水域和林地對水源涵養(yǎng)和娛樂文化等生態(tài)系統(tǒng)單項服務(wù)功能價值的影響高于耕地、草地和未利用地，這與各地類實際影響的生態(tài)功能相一致。

根據(jù)《安徽省主體功能區(qū)規(guī)劃》，滁州市市轄區(qū)（瑯琊區(qū)、南譙區(qū)）為國家重點開發(fā)區(qū)域，其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值持續(xù)下降，且下降幅度最大。來安縣、全椒縣、定遠縣、鳳陽縣、明光市、天長市為限制開發(fā)區(qū)域，除來安縣和天長市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值有一定量的下降，其他縣市均有提升。表明滁州市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化與主體功能區(qū)劃較為一致。

本研究是基于土地利用類型的面積數(shù)據(jù)進行的估算與預(yù)測，其結(jié)果可在一定程度上反映滁州市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化情況。但同一地類可能存在一定的內(nèi)部差異，例如林地中會有幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林和過熟林之分，它們的單位面積價值是否存在差異與差異量的大小未做考慮。對同一地類內(nèi)部差異進行研究，進行更加細致的生態(tài)價值計算，將有利于提高研究的科學(xué)性。本文僅以滁州市4期影像解譯數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)量有限，可以增加數(shù)據(jù)量，提高研究的可靠性。此外對驅(qū)動力機制的研究，也可以使研究具有更高的實用價值。