2007-2015年東莞市土地利用及其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的時空演變

吳 攀， 楊木壯， 劉偉聰

(廣州大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 廣東 廣州， 510006)

人類的生產(chǎn)生活離不開生態(tài)系統(tǒng)所提供的生活環(huán)境和生活物質(zhì)，這種為人類提供便利和服務(wù)的能力，即生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[1-3]。20世紀(jì)90年代，Cosatanza等[2]發(fā)表了一篇關(guān)于全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值估算的文章，掀起了國內(nèi)外學(xué)者對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的研究興趣。針對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的價值評估，國內(nèi)學(xué)者劉飛[4]運用直接市場法、替代市場法、條件價值法等對南湖濕地進行價值評估，謝高地等[3]在Costanza的研究理論的基礎(chǔ)上建立了中國陸地生態(tài)系統(tǒng)價值當(dāng)量表，相比其他價值評估方法，當(dāng)量因子法因其簡便易用、評估全面、可靠性較高，而被國內(nèi)學(xué)者廣泛使用。

土地利用是指人類按照一定的社會、經(jīng)濟目的對地表進行開發(fā)利用的過程，是人類與自然之間聯(lián)系最緊密的環(huán)節(jié)[1]。土地利用對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值影響的研究一直是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究的重點之一，徐煖銀等[5]、劉亞茹等[6]、雷君成等[7]、劉永強等[8]、趙志剛等[9]以贛南地區(qū)、尋烏縣、商丘市、湖南省、鄱陽湖為例，從市縣到國家[10-11]，從林地、草地到流域，分析了土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響。從已有的研究來看，研究的尺度多集中在區(qū)域、省市縣、流域，以鎮(zhèn)為研究尺度分析空間上生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化的較少。為更好的對區(qū)域內(nèi)部的差異性進行分析，本研究以鎮(zhèn)為研究尺度，從時空變化的角度，對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進行分析。

本文通過2007，2011，2015年衛(wèi)星遙感影像解譯出東莞市的土地利用數(shù)據(jù)，對東莞市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進行估算，并在地理信息技術(shù)的支持下，對東莞市各鎮(zhèn)2007—2015年的土地利用數(shù)據(jù)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進行疊加分析，研究2007—2015年的土地利用和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的時空變化情況，以反映土地利用變化產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng),以期為區(qū)域土地資源可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境保護提供決策參考。

1 研究區(qū)概況

東莞市位于珠江三角洲中南部地區(qū)，北邊靠近廣州，南邊接近深圳，是珠三角城市群、粵港澳大灣區(qū)的重要城市之一。轄區(qū)面積2 465 km2，轄4個街道，28個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，東西長70.45 km，南北寬46.8 km。地勢東南高西北低，地形以丘陵、平原為主，東南部山體聳立，地勢起伏較大，中部、西北部地區(qū)以丘陵臺地、沖積平原為主。氣候是典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候宜人。東莞市毗鄰港澳，臨近廣州深圳，靠近珠江口岸，地理位置優(yōu)越，20世紀(jì)以來，東莞市承接產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，發(fā)展制造業(yè)，經(jīng)濟發(fā)展迅猛，城市人口增加迅速，城市用地增多，土地利用方式發(fā)生很大改變，原有的生態(tài)環(huán)境受到影響，生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)能力減弱。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文通過“地理空間數(shù)據(jù)云”獲取2007,2011,2015年3期東莞市的LandsatTM影像，經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理，在人機交互的方式下，運用Google Earth協(xié)助遙感圖像的解譯，對東莞市的影像進行監(jiān)督分類，提取出土地利用/覆被信息，參考土地利用現(xiàn)狀分類，將土地利用分為5類，建設(shè)用地、耕地、林地、草地、水域。社會與經(jīng)濟數(shù)據(jù)包括2007，2011，2015年平均糧食價格、糧食產(chǎn)量以及糧食播種面積，主要參考的是東莞市統(tǒng)計局發(fā)布的數(shù)據(jù)以及歷年的東莞市年鑒。

2.2 土地利用變化特征分析

運用ArcGIS軟件，對3期遙感影像土地利用類型進行分析，建立2007—2011年，2011—2015年兩個時間段的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，并計算時間段內(nèi)單一土地利用動態(tài)度。

單一土地利用動態(tài)度是反映一個地區(qū)一段時間內(nèi)某一土地利用的改變情況，能夠直觀的顯示該地區(qū)各土地利用類型在數(shù)量上的變化[12]。其表達式為：

(1)

式中：Uβ，Uα為某一土地利用方式末期和初期的面積(hm2)；Tβ，Tα是相應(yīng)的年份。

2.3 土地利用程度指數(shù)

土地利用是人類和自然因素綜合作用的結(jié)果，本文根據(jù)劉正恩等[13-14]提出的土地利程度分析方法，按照人類對土地的利用的廣度和深度，對5種地類分別賦予分級指數(shù)。其表達式為：

(2)

式中：Sa為土地利用程度指數(shù)；Mi為第i級土地利用程度分級指數(shù)；Pi為第i級土地利用程度地類所占面積百分比(%)。

2.4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值計算

關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的定量評估，Costanza等[2]提出的全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估方法，并在全球得到了廣泛認(rèn)可。在此基礎(chǔ)上，中國學(xué)者謝高地等[3]根據(jù)中國生態(tài)系統(tǒng)的特點，對此方法進行了修正，制定了適合中國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估的價值當(dāng)量因子表。本文參考此方法對東莞市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進行了定量評估，并根據(jù)研究區(qū)的差異性，對數(shù)值進行了修正，根據(jù)公式3計算得到研究區(qū)1個單位生態(tài)系統(tǒng)的經(jīng)濟價值為870.93元/(hm2·a)。

(3)

式中：Ea為1個單位生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的經(jīng)濟價值(元/hm2);pi為第i種糧食作物全國平均價格(元/t)；qi為第i種糧食作物的產(chǎn)量(t)；M為n種糧食作物總面積(hm2)；

經(jīng)過修正后，參考中國的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量表，計算出單位面積的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，最終計算出生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的價值量(見表1)。

ESV=∑(Ai×VCi)

(4)

式中：ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值；Ai為單位面積上地類i的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值； VCi為研究區(qū)地類i的面積(hm2)。

2.5 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值損益模型

土地利用類型的變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)有著極大的影響，本文借鑒土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，分析各土地利用類型之間的面積的轉(zhuǎn)化造成的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的損益情況[7]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值損益模型如下：

Fmn=(VCm-VCn)×Amn

(5)

式中：Fmn為土地利用類型m和n轉(zhuǎn)化時所造成的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的價值損益； VCm為土地利用類型m的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值； VCn為土地利用類型n的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值；Amn為第m類土地利用類型向第n類土地利用類型轉(zhuǎn)化的面積(hm2)。

表1 東莞市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化特征

由表2可以看出，東莞市土地利用類型以建設(shè)用地為主，所占比重最大，達到了50%以上，林地次之，占總面積的20%左右。在動態(tài)變化方面，研究期內(nèi)，東莞市土地利用發(fā)生了顯著變化。總體上看，2007年至2015年間，建設(shè)用地呈現(xiàn)持續(xù)增長狀態(tài)，由51.16%增加到58.78%；耕地、林地、草地和水域減少，其中，耕地減少最多，面積比例從2007年的14.01%減少到2015年的8.67%；其次是草地、林地以及水域，面積比例分別從1.43%，23.26%，10.14%減少至0.39%，22.38%，9.79%，2007至2015年間，林地和水域面積先增加后減少，總體呈減少趨勢，面積增加的原因主要是受退耕還林還湖的影響。從土地利用動態(tài)度來看，2007至2011年間，草地和耕地的土地利用動態(tài)度為-14.93%，-8.55%，表明這一時期，草地和耕地的減少速度很快，其中，耕地面積的減少主要原因是退耕還林還湖的影響以及城市用地的擴張，建設(shè)用地動態(tài)度為0.81，表明城市用地仍處于增加趨勢；2011—2015年間，草地、耕地、林地、水域減少，其中，草地減少最快，動態(tài)度為-8.18%，接著是林地，動態(tài)度為-4.05%，建設(shè)用地增加，且增加速度較前一時期快，動態(tài)度為2.82%。

表2 2007-2015年東莞市土地利用及動態(tài)度變化

通過疊加分析，得到東莞市兩個時期的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(表3—4)。結(jié)果表明，2007—2011年間，耕地轉(zhuǎn)出的面積最多，主要是向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移，其次向是林地、水域轉(zhuǎn)移，分別占耕地轉(zhuǎn)出總面積的60%，37%，3%；林地轉(zhuǎn)出的面積中，主要是向建設(shè)用地和耕地轉(zhuǎn)移；水域的轉(zhuǎn)入面積大于轉(zhuǎn)出面積，轉(zhuǎn)入的面積以建設(shè)用地為主。2011—2015年間，轉(zhuǎn)出面積最多的是林地，轉(zhuǎn)移的方向是建設(shè)用地和耕地；建設(shè)用地的轉(zhuǎn)入以耕地和林地為主，分別轉(zhuǎn)入9 877 hm2，8 371 hm2，向外轉(zhuǎn)出的面積中，主要是向耕地轉(zhuǎn)移；水域轉(zhuǎn)出的面積主要流向了建設(shè)用地，且這一時期轉(zhuǎn)出的面積大于轉(zhuǎn)進的面積。

2007—2015年間，3期的土地利用程度指數(shù)分別為316，315，326，指數(shù)均在300以上，且整體呈現(xiàn)上升趨勢，表明這一時期，東莞的土地利用程度已經(jīng)達到了較高水平，且還有進一步上升的趨勢，也反映了東莞市土地開發(fā)利用的廣度和深度已經(jīng)到了很高的程度。

表3 2007-2011年東莞市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

表4 2011-2015年東莞市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時空演變

3.2.1 東莞市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時間變化 如表5所示，2007—2015年間，東莞市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值先增加后減少，呈現(xiàn)波動式下降的趨勢。從不同土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值占比看，水域的比例最大，平均占比為68.1%，其次是林地，平均占比為29.4%，這表明水域和林地為東莞市提供了絕大部分的產(chǎn)品和服務(wù)，它們的變化很大程度上影響著東莞市整體的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平。研究期間，林地和水域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值呈現(xiàn)先上升后下降的情況，而草地和耕地整體都處于下降趨勢，其中，水域的服務(wù)價值減少最多，為9.64×107元，耕地和林地次之，分別減少4.48×107元，4.39×107元。研究期間，東莞市經(jīng)濟發(fā)展快速，主要得益于第二產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，第一產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展，第三產(chǎn)業(yè)的興起，與之相應(yīng)的，城市建設(shè)用地增多，耕地、林地、草地、水域變更為城市用地，生態(tài)用地減少，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總體呈現(xiàn)下降趨勢。

表5 2007-2015年東莞市各地類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值

3.2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值損益變化分析 通過建立生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值損益矩陣(表6—7)，可以分析各土地利用類型之間生態(tài)價值的流動方向。因為各土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)大小不一，因此，不同地類間進行價值轉(zhuǎn)移時，生態(tài)價值可能出現(xiàn)增益或損失，具體在表中的表現(xiàn)是數(shù)值的正負。價值轉(zhuǎn)移的損失發(fā)生在林地、水域向草地轉(zhuǎn)移，草地、耕地、林地、水域向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)移，草地、林地、水域向耕地的轉(zhuǎn)移，水域向林地的轉(zhuǎn)移，除此以外的轉(zhuǎn)移都是對價值的增益。

表6 2007-2011生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值損益矩陣 106元

2007—2011年間，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的轉(zhuǎn)移主要是從建設(shè)用地向水域、林地的轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移價值分別是4.08×108元，1.15×108元，耕地轉(zhuǎn)林地，轉(zhuǎn)移價值是1.30×108元，且都是價值的增益；價值的損失主要發(fā)生在水域、林地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移價值分別為-2.35×108元，-7.96×107元；2011—2015年間，價值的轉(zhuǎn)移主要發(fā)生在水域、林地向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移價值分別為-5.07×108元，-1.67×108元，表現(xiàn)為價值的流失，建設(shè)用地向水域的轉(zhuǎn)移，林地向水域的轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移價值分別為1.44×108元，9.39×107元，呈現(xiàn)為價值的增益。

2007至2015年間，一方面，東莞市承接產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，制造業(yè)發(fā)展迅速，相應(yīng)的建設(shè)用地增加，大量其他用地變更為建設(shè)用地，在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值損益上表現(xiàn)為價值的損失；另一方面，東莞市基塘農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)持續(xù)發(fā)展，沿海、沿湖及沿河地區(qū)，利用建設(shè)用地(一般為閑置地)，充分發(fā)揮土地效益，發(fā)展基塘農(nóng)業(yè)或養(yǎng)殖業(yè)，獲得了較大的經(jīng)濟、生態(tài)效益，生態(tài)系統(tǒng)提供服務(wù)的能力提高，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值增加。

3.2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值空間差異性分析 運用ArcGIS的疊加分析和相交工具得到了東莞市各鎮(zhèn)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(見圖1)，從總體上看，東莞市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值分布不均衡，高值區(qū)域分布在東莞市的東、西、南3個部位，低值區(qū)域集中在中北部區(qū)域，生態(tài)價值的最高值出現(xiàn)在西部的虎門，主要原因是虎門的水域面積較大，提供的生態(tài)服務(wù)價值大，最低值出現(xiàn)在北部的莞城，莞城作為東莞市的老城區(qū)，城市發(fā)展的水平高，土地利用類型以建設(shè)用地為主，生態(tài)用地相對較少，相應(yīng)的生態(tài)服務(wù)價值也較低。

表7 2011-2015生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值損益矩陣 106元

圖1 2007-2015年東莞市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的空間分布

從東莞市各鎮(zhèn)的生態(tài)服務(wù)價值變化(見圖2)來看，2007—2015年間，雖然東莞市總體的生態(tài)價值是呈下降趨勢，但東莞市內(nèi)部、各鄉(xiāng)鎮(zhèn)之間又有著顯著的差異。

圖2 2007-2015年東莞市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值損益值空間分布

主要表現(xiàn)為一部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)生態(tài)價值增加，一部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)生態(tài)價值減少，增加的部分大部分集中在東莞市的東南部區(qū)域以及主城區(qū)，包括樟木頭、樟木頭林場、清溪、黃江、塘廈、鳳崗以及主城區(qū)附近的石碣、莞城、東城、南城、大齡山、厚街等等，其中，增長第一高的是東城，1.72×107元，第二高是厚街，1.65×107元；減少部分主要集中在東莞市的西部地區(qū)以及主城區(qū)以東地區(qū)，包括麻涌、沙田、虎門、長安以及主城區(qū)以東地區(qū)的寮步、茶山、松山湖、大郎等等，其中，減少最多的是沙田，-4.89×107元，其次是長安，-4.24×107元。

綜合以上分析，本文發(fā)現(xiàn)，東莞市可以劃分成3個區(qū)域：中部地區(qū)，中部以西地區(qū)，中部以東地區(qū)，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值以中部地區(qū)為中心，向東西延伸至中部以東地區(qū)和以西地區(qū)，形成了“高—低—高“的空間分布格局，與劉亞茹等[6]、張艷軍等[15]、李全等[16]的研究成果有較高的契合度。

4 結(jié) 論

本文從LandsatTM獲取2007，2011，2015共3期遙感影像，利用地理信息技術(shù)以及遙感技術(shù)對其進行分析研究，得到了研究時間段內(nèi)東莞市的土地利用和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的時空演變情況。經(jīng)過分析，得出以下結(jié)論。

(1) 2007—2015年間，東莞市土地利用發(fā)生了顯著改變。從土地利用結(jié)構(gòu)看，東莞市的土地利用以建設(shè)用地為主，其次是林地、水域和耕地，草地面積較小。從土地利用的動態(tài)變化看，建設(shè)用地持續(xù)增加，且速度有加快趨勢，轉(zhuǎn)入的土地類型主要是耕地和林地；林地和水域呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，總面積分別減少2 192，881 hm2；草地和耕地在研究期間持續(xù)減少，其中，耕地的轉(zhuǎn)出面積最多，減少的面積也最多。3個時期的土地利用程度指數(shù)都在300以上，表明東莞市的土地開發(fā)利用程度高，且處于上升的趨勢。

(2) 在研究時段內(nèi)，東莞市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值下降了1.97×108元，整體呈波動下降的趨勢。水域與林地對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的貢獻最大，價值變化也相對較大，其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值先增加后減少，相比2007年，2015年水域和林地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值分別減少了9.64×107元，4.38×107元。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的在各地類之間轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移的過程中，存在著價值的增益或損失，價值轉(zhuǎn)移的損失主要發(fā)生在草地、耕地、林地、水域向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)移，價值的增益主要發(fā)生在建設(shè)用地向其他土地利用類型的轉(zhuǎn)移，其中，水域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)大，轉(zhuǎn)移過程中價值的變化量也更大，其次是林地的價值。2007—2015年間，東莞市土地利用的變化導(dǎo)致東莞市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的水平和能力有所下降，特別是水域、林地面積的減少。

(3) 東莞市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值具有空間異質(zhì)性，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值分布不均衡，以中部地區(qū)為中心，向東西延伸，形成了“高—低—高”的空間分布格局。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的最低值出現(xiàn)在主城區(qū)莞城，最高值在虎門。東莞市中心地區(qū)的價值變化較小，東西兩邊變化較大，價值的增長集中在東莞市的東南部以及主城區(qū)，價值的減少集中在東莞市的西部地區(qū)以及主城區(qū)以東區(qū)域。