武漢市土地利用變化及對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響

劉鳳蓮, 楊人懿

(1.云南財經(jīng)大學 國土資源與持續(xù)發(fā)展研究所, 昆明 650221; 2.云南財經(jīng)大學 精準扶貧與發(fā)展研究院, 昆明 650221)

土地利用變化是全球變化研究的熱點問題[1]，土地利用變化直接影響著全球環(huán)境和氣候變化[2-3]。土地利用變化影響生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、格局及功能[4]，是影響生態(tài)系統(tǒng)服務功能變化的重要因素[5-6]。生態(tài)系統(tǒng)服務功能是評估區(qū)域可持續(xù)發(fā)展情形的重要視角[6-7]，生態(tài)系統(tǒng)服務功能(ecosystem service values,ESV)衰退和喪失也會大大影響土地利用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和效率，影響人類的可持續(xù)發(fā)展[8]。研究土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響，對于剖析區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況變化，提高地區(qū)土地利用水平具有重要的現(xiàn)實意義[9]。近年來遙感技術(shù)(Remote Sensing,RS)和地理信息系統(tǒng)(Geographical Information System,GIS)技術(shù)的快速發(fā)展，RS和GIS技術(shù)在土地利用變化研究中的應用也逐漸增多[10-11]，應用RS和GIS技術(shù)研究區(qū)域土地利用變化，并進一步估算生態(tài)系統(tǒng)服務價值的變化，可為區(qū)域科學制定環(huán)境保護法規(guī)和生態(tài)補償方案以及區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展提供決策參考[12]。

1997年Costanza等提出了各類生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)，定量研究了生態(tài)系統(tǒng)服務價值，奠定了ESV研究基礎(chǔ)[7]。謝高地等展開了進一步研究，估算了我國生態(tài)系統(tǒng)服務價值[13-15]。國內(nèi)其他學者選擇了典型區(qū)域研究了土地利用結(jié)構(gòu)和格局變化對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響[6,11,16-18]。生態(tài)系統(tǒng)服務價值估算方法主要有兩種，功能價值法和當量因子法[19]。功能價值法計算復雜，有大量計算參數(shù)，且受主觀因素影響較大，而當量因子法由于具有操作簡單，綜合評價，適應性強的優(yōu)點，被普遍采用[20]。

武漢市地處長江中游，江漢平原東部，是我國中部地區(qū)的國家中心城市，無論在自然地理位置，還是在經(jīng)濟地理圈層，武漢市都處于優(yōu)越的中心位置，區(qū)位優(yōu)勢和交通優(yōu)勢顯著，有“中國經(jīng)濟地理中心”之稱。近年來，武漢市經(jīng)濟飛速發(fā)展，加之武漢市是兩型社會建設(shè)的核心城市，擁有得天獨厚的資源條件，是一座極具特色的濱江、濱湖城市。在經(jīng)濟飛速發(fā)展的同時，武漢市土地利用格局也發(fā)生了巨大改變，也必然會帶動生態(tài)服務功能的變化。在前人研究的基礎(chǔ)上，本研究選取武漢市近25 a來的六期遙感影像，綜合利用RS和GIS技術(shù)，運用遙感數(shù)據(jù)解譯、空間數(shù)據(jù)處理、海量數(shù)據(jù)建庫、集成分析等方法[21-22]，對武漢市近25 a來的土地利用變化的時空演變特征進行監(jiān)測分析，并根據(jù)當?shù)貙嶋H情況修正各生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量，研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化，為區(qū)域國土資源優(yōu)化配置和生態(tài)文明建設(shè)提供決策參考。

1 研究區(qū)概況

武漢市地處長江中游，江漢平原東部，包括江岸區(qū)、江漢區(qū)、硚口區(qū)、漢陽區(qū)、武昌區(qū)、洪山區(qū)、青山區(qū)7個中心城區(qū)和東西湖區(qū)、蔡甸區(qū)、江夏區(qū)、黃陂區(qū)、新洲區(qū)、漢南區(qū)6個新城區(qū)，地理位置介于113°41′—115°05′E，29°58′—31°22′N，土地總面積8 549.09 km2。武漢市中部平整，北面丘陵林立，南面多崗地，境內(nèi)水網(wǎng)密集，水資源豐富，水域面積約占全市面積的1/4，擁有優(yōu)越的自然條件。氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L性濕潤氣候，雨量充沛、日照充足、四季分明，夏季濕熱，冬季涼爽濕潤，夏季長達135 d，初夏梅雨季節(jié)雨量較集中。2018年末常住人口1 108.1萬人，城鎮(zhèn)人口889.69萬人，城鎮(zhèn)化率達到80.29%，地區(qū)生產(chǎn)總值為14 847.29億元，近年來武漢市經(jīng)濟快速發(fā)展，土地利用也發(fā)生了很大變化。一方面建設(shè)用地快速擴張，為經(jīng)濟發(fā)展提供了有利支撐，另一方面也出現(xiàn)了一些不容忽視的環(huán)境問題，如土地利用綜合效益偏低[23-24]，生態(tài)環(huán)境下降[25-27]，土地資源供需失衡等[28-29]。因此，提高土地集約利用水平，調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)，優(yōu)化土地利用布局，成為武漢市亟待解決的問題。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究選取武漢市1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年的六期Landsat TM/OLI衛(wèi)星影像為數(shù)據(jù)源，影像從美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)網(wǎng)站(https:∥www.usgs.gov/)和地理空間數(shù)據(jù)云(https:∥www.gscloud.cn/)獲取，空間分辨率30 m，影像云量小于3%，便于解譯。覆蓋武漢市的每期遙感影像均采用3景遙感影像鑲嵌而成，3景影像的軌道號分別為123—038，123—039,122—039。借助ENVI5.3，以研究區(qū)1∶10 000地形圖為基準并結(jié)合GPS野外調(diào)查控制點對六期遙感影像進行多波段融合、幾何校正、影像鑲嵌和裁減等預處理工作。本文采用432的波段組合為標準假彩色圖像，在這種組合中，所有的植被都顯示為紅色，在植被、農(nóng)作物、土地利用和濕地分析的遙感方面，這是最常用的波段組合。

利用ENVI5.3和ArcGIS 10.5軟件，結(jié)合研究實際需求，首先建立土地利用信息提取標志(表1)，在整個研究區(qū)均勻選取訓練樣本，并對訓練樣本進行評價，然后選取“支持向量機”(Support Vector Machine Classification，SVM)的分類器進行監(jiān)督分類，最后對分類結(jié)果進行精度評價。各期遙感影像的的總分類精度分別為88.24%，87.56%，89.73%，85.48%，84.18%，88.52%，Kappa系數(shù)分別為0.83,0.82,0.86,0.84,0.79,0.85，滿足研究精度要求。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用變化分析

(1) 凈變化量是表征土地利用變化幅度的指標，用來計算某種地類在研究期內(nèi)的變化量。其計算公式為：

Ci=Uib-Uia

式中:Ci為研究期內(nèi)第i種地類的凈變化量；Uia和Uib分別為研究期初和研究期末第i種地類的面積。

表1 研究區(qū)假彩色影像土地利用信息提取標志

(2) 土地利用動態(tài)度是研究土地利用變化的經(jīng)典范式，其表征的是研究區(qū)內(nèi)特定時間段內(nèi)不同地類的變化速率。其計算公式為：

式中:Di為第i種地類的土地利用動態(tài)度;Ci為研究期內(nèi)第i種地類的凈變化量；Uia為研究期初第i種地類的面積；T為研究時長。綜合土地利用動態(tài)度為各種地類Di之和。

(3) 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是研究不同土地利用類型轉(zhuǎn)移方向和數(shù)量變化的經(jīng)典方法，可以直觀展現(xiàn)各地類格局的演化過程。其數(shù)學表達式為：

式中:Aij為研究期初為第i種土地利用類型在研究期末轉(zhuǎn)換成第j種土地利用類型的土地面積；i(i=1,2,…，n),j(j=1,2,…，n)分別表示研究期初和研究期末的地類；n代表土地利用類型數(shù)。

2.2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值

(1) 生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估。參照Costanza[30]和謝高地等[31]提出的生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)，結(jié)合謝高地[13]2015年對中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務當量因子的改進，為研究區(qū)各土地利用類型各項生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量賦值(表2)，建設(shè)用地的價值當量為0，并通過以下公式計算武漢市生態(tài)系統(tǒng)服務價值。

式中:ESV是研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值;VCi是第i種地類的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值；Ai是第i種地類的面積;i為土地利用類型;ESVf是第f項生態(tài)系統(tǒng)服務價值;VCfi是第i種地類的單位面積的第f項生態(tài)系統(tǒng)服務價值;f為生態(tài)系統(tǒng)服務價值的項數(shù);ECf是某種地類第f項生態(tài)系統(tǒng)服務的價值當量;Ea為1個標準當量生態(tài)系統(tǒng)服務價值。謝高地等[13-14]確定的中國1個陸地生態(tài)系統(tǒng)價值當量的經(jīng)濟價值為3 406.50元/hm2,本文選取研究區(qū)2015年單位面積糧食產(chǎn)量和當年全國單位面積糧食產(chǎn)量的比值作為修正系數(shù),計算出研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務經(jīng)濟價值當量因子為3 613.36元/hm2。

表2 武漢市單位面積生態(tài)服務價值當量

(2) 生態(tài)貢獻率。生態(tài)貢獻率是研究周期內(nèi)不同地類的生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化量占整個研究區(qū)總生態(tài)服務價值變化量的比例，能夠揭示影響研究區(qū)生態(tài)服務價值變化的主要貢獻因子和敏感因素。其數(shù)學表達式為：

式中:Si為第i類土地利用類型在研究期內(nèi)的生態(tài)服務貢獻率；ΔESVi是第i類土地利用類型在研究期內(nèi)的生態(tài)服務價值變化量；i為土地利用類型。

3 結(jié)果與分析

3.1 武漢市土地利用時空變化

3.1.1 土地利用結(jié)構(gòu)變化 根據(jù)遙感解譯分類結(jié)果(附圖1)可以看出，武漢市主要地類為耕地，占土地總面積的一半以上，主要分布在在建設(shè)用地的外圍，在遠城區(qū)連綿成片，隨著建設(shè)用地的擴張，耕地分布趨于破碎；其次為水域，占總面積的1/5左右，以長江和漢水以及湯遜湖、東湖和嚴西湖等數(shù)百個湖泊為主；林地占9%以上，主要分布在黃陂區(qū)和新洲區(qū)；建設(shè)用地占6%以上，主要分布在長江兩側(cè)的濱水平原；其他土地利用類型占比較少。

近25 a間，武漢市面積縮減的地類包括耕地、林地和未利用地，其中耕地減少最多，凈減少量為811.02 km2，林地和未利用地分別減少了22.12，22.93 km2。建設(shè)用地凈增加量最大，凈增加量為720.08 km2，建設(shè)用地比例由6.45%上升到14.87%，其次為水域，增加了138.41 km2。分階段來看，2005—2010年建設(shè)用地、耕地、水域、林地的凈變化量均比其他時段大，顯示武漢市在這個時段土地利用發(fā)生劇烈變化。從具體地類來看，林地1995—2000年增加，其他時段減少，這和武漢市1998年洪災之后政府全面實施封山育林、退耕還林有關(guān)。

研究期內(nèi)武漢市各地類具有明顯的時間變化特征(圖1)。具體表現(xiàn)為：耕地面積大幅度縮減，尤其是2005—2010年耕地面積急劇減少，凈減少量為347.66 km2，是整個研究周期減少速率最快的時段；建設(shè)用地面積不斷擴大，且增長速度越來越快，研究期內(nèi)凈增加量為720.08 km2，建設(shè)用地的增加量和耕地的減少量基本相當；林地面積總體上呈減少趨勢，但是2010—2015年變化趨于平緩；未利用地和草地變化率較大，但面積的絕對變化量較小；水域面積有所增加。

圖1 1990-2015年武漢市各類土地利用面積變化

利用ArcGIS的空間分析功能對兩個不同年份的土地利用數(shù)據(jù)疊加分析，得到土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(表4)。

表3 1990-2015年武漢市土地利用變化

表4 1990-2015年武漢市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 km2

分析可知，武漢市土地利用的主要轉(zhuǎn)移發(fā)生在耕地向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)移。具體來看，耕地總轉(zhuǎn)化量(1 413.09 km2)的一半(730.71 km2))轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，這主要發(fā)生在城市邊緣區(qū)以及原有的農(nóng)村居民點附近，建設(shè)用地擴張大量侵占耕地；其次耕地的重要流向為水域(477.26 km2,33.77%)，這主要發(fā)生在湖泊周圍，得益于武漢市大力推行退耕還湖政策；耕地向林地轉(zhuǎn)移了154.84 km2，約占耕地總轉(zhuǎn)移量的10.96%，主要發(fā)生在山丘與平原的交錯地帶。水域的總轉(zhuǎn)移量里也有相當大的部分轉(zhuǎn)化為耕地(303.09 km2,61.49%)和建設(shè)用地(131.63 km2,26.7%)。耕地和水域的雙向轉(zhuǎn)移主要發(fā)生在坑塘和湖泊周圍。這表明武漢市的城市建設(shè)由于山水相間的自然地形格局的約束，城市建設(shè)用地擴張主要通過占用耕地和填埋水域來完成。

3.1.2 土地利用動態(tài)度 土地利用動態(tài)度表征地類變化速度的快慢，代表著某個時期內(nèi)人類活動對土地利用覆被變化影響的大小。根據(jù)武漢市土地利用數(shù)據(jù)，計算土地利用動態(tài)度(表5)。參考全國和武漢市的土地利用變化數(shù)據(jù)，可以看出如下特點：(1) 從總體情況來看，武漢市1990—2015年土地利用綜合動態(tài)度為8.84%，為同時期全國水平(1.90%)的4倍多，說明武漢市作為中國中部地區(qū)最大都市，社會經(jīng)濟快速發(fā)展引起的土地利用覆被變化活躍程度和變化速度遠超過全國平均水平。(2) 從各種土地利用類型來看，建設(shè)用地的動態(tài)度遠高于其他用地類型，為5.23%，排在第二位的未利用地為2.04%，耕地的動態(tài)度是0.61%，說明近25 a間，武漢市城市化建設(shè)活動處于活躍期。(3) 從分階段來看，武漢市2005—2010年土地利用動態(tài)度最高(12.91%)，是研究期內(nèi)的低值(1990—1995年，5.35%)的2倍多。(4) 分階段分地類的動態(tài)度分析結(jié)果顯示，研究期內(nèi)武漢市的城市建設(shè)活動處于增速，尤其是2005—2010年，城市建設(shè)處于急劇加速時期。從城鎮(zhèn)化率來看，2015年末武漢市城鎮(zhèn)化率為79.77%，遠高于同期全國城鎮(zhèn)化率水平56.1%，表明武漢市城市化發(fā)展迅速。

表5 1990-2015年武漢市土地利用動態(tài)度 %

3.2 武漢市生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化

3.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化 近25 a來，武漢市生態(tài)系統(tǒng)服務價值有所增加，從1990年的1 006.00億元增加到2015年的1 040.32億元，增加了3.41%(表6)。水域是武漢市生態(tài)系統(tǒng)服務價值構(gòu)成的主體，占了全市ESV的3/4以上，其次為耕地和林地?？傮w上來看，水域和草地的ESV有所增加，耕地、林地和未利用地的ESV減少，這和各土地利用類型面積的變化是一致的。從近25 a間武漢市各地類生態(tài)系統(tǒng)服務價值的變化可以看出，耕地面積減少引起的耕地生態(tài)系統(tǒng)服務價值減少是武漢市生態(tài)系統(tǒng)服務價值減少的主要原因，水域面積增加引起的水域生態(tài)系統(tǒng)服務價值增加是武漢市生態(tài)系統(tǒng)服務價值增加的主要原因，耕地和水域不僅是武漢市土地利用構(gòu)成的主要部分，也是影響武漢市生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化的重要原因。

表6 1990-2015年武漢市各地類生態(tài)系統(tǒng)服務價值

武漢市各類生態(tài)系統(tǒng)服務價值中(表7)，以水文調(diào)節(jié)和水資源供給為主，其次為氣候調(diào)節(jié)和凈化環(huán)境等。近25 a間，單項ESV變化最大的是水文調(diào)節(jié)，增加42.81億元，增長了6.26%；其次是供給服務中的食物生產(chǎn)，減少3.60億元，變化率達到了-11.24%；水資源供給減少3.59億元，變化率為-3.52%；調(diào)節(jié)服務中的氣體調(diào)節(jié)減少3.03億元，變化率為-9.20%；凈化環(huán)境功能增加2.11億元，變化率為4.93%。水域的ESV系數(shù)中水文調(diào)節(jié)、水資源供給和凈化環(huán)境等系數(shù)較大，水域面積在研究期內(nèi)增加，直接影響了研究區(qū)總體生態(tài)系統(tǒng)服務價值的增加；耕地的各項ESV系數(shù)中水文調(diào)節(jié)、水資源供給、食物生產(chǎn)和氣體調(diào)節(jié)等系數(shù)較大，耕地面積在研究期內(nèi)的大量減少，是研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值減少的重要原因。由于武漢市對水域的良好保護，使得水域面積不減反增，這對于武漢市維持生態(tài)系統(tǒng)服務價值穩(wěn)定起到了積極的正向作用。

表7 1990-2015年武漢市土地生態(tài)系統(tǒng)單項服務價值

水域、耕地和林地是武漢市生態(tài)系統(tǒng)服務價值的最重要的組成部分，未來的城市建設(shè)工作，應重點加強水域、林地和耕地等生態(tài)用地的保護，加快推進區(qū)域生態(tài)保護紅線劃定工作，重視城市的合理開發(fā)和有序建設(shè)，盤活城市的存量用地，避免“攤大餅”式的過度膨脹導致的生態(tài)系統(tǒng)失衡甚至崩潰。

3.2.2 各地類對生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化的生態(tài)貢獻率 從整體上看，在近25 a的研究期內(nèi)，水域?qū)ι鷳B(tài)系統(tǒng)服務價值變化的貢獻率最多，其生態(tài)貢獻率為68.41%；耕地次之，耕地的生態(tài)貢獻率為29.19%；林地的生態(tài)貢獻率為1.99%，草地(0.27%)和未利用地(0.13%)較小。分階段來看，在2000—2005年耕地的生態(tài)貢獻率最高，達到了59.49%，這個時間段也是林地在整個研究周期生態(tài)貢獻率最高的階段，林地的生態(tài)貢獻率為6.13%。由于水域和耕地在地類轉(zhuǎn)移里雙向流動較多，所以水域和耕地的生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化較大，其生態(tài)貢獻率變化也較大，最大變化分別是44.49%，47.33%。水域、耕地和林地三者生態(tài)貢獻率之和在98%以上，水域、耕地和林地的生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化量對研究區(qū)總生態(tài)系統(tǒng)服務價值量變化影響較大，因此是主要貢獻因子和敏感因子(表8)。

表8 1990-2015年武漢市各地類對ESV變化的生態(tài)貢獻率 %

4 結(jié) 論

(1) 1990—2015年，耕地和水域是研究區(qū)主體土地利用類型，土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著的變化，建設(shè)用地大量增加，增加量為720.08 km2；耕地顯著減少，減少量為811.02 km2；水域增加了138.41 km2，林地和未利用地變化不大。土地利用轉(zhuǎn)移主要發(fā)生在耕地向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)移，建設(shè)用地擴張主要通過占用耕地和填埋水域來實現(xiàn)。

(2) 1990—2015年，研究區(qū)土地利用綜合動態(tài)度是同時期全國水平的4倍多，土地利用覆被變化活躍程度和變化速度遠超全國平均水平。建設(shè)用地的動態(tài)度為5.23%，遠超其他地類，城市建設(shè)活躍。尤其是2005—2010年，土地利用動態(tài)度最高，土地利用變化加快，2010—2015年土地利用動態(tài)度變緩，土地利用趨于穩(wěn)定。

(3) 1990—2015年，研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值呈增加趨勢，增加了34.32億元，3.41%。其中水域、耕地和林地是武漢市生態(tài)系統(tǒng)服務價值構(gòu)成的主體。單項生態(tài)服務價值以水文調(diào)節(jié)和水資源供給為主，其次是氣候調(diào)節(jié)和凈化環(huán)境，單項ESV變化最大的是水文調(diào)節(jié)，增加42.81億元，增長了6.26%。武漢市水域面積在研究期內(nèi)增加，使得水文調(diào)節(jié)和水資源供給等單項生態(tài)系統(tǒng)服務價值增加，這也是研究區(qū)總生態(tài)系統(tǒng)服務價值增加的主要原因。

(4) 1990—2015年，水域?qū)SV變化的貢獻率最大，其生態(tài)貢獻率為68.41%，耕地以29.19%的生態(tài)貢獻率居第二位，第三是林地。水域、耕地和林地的生態(tài)貢獻率之和超過了98%，是ESV變化的主要貢獻因子和敏感因子。

研究期內(nèi)武漢市建設(shè)用地大量增加，耕地大量減少，土地利用發(fā)生變化活躍。將來的土地利用規(guī)劃中，應重點加強水域、林地和耕地等生態(tài)用地的保護，注重土地利用空間格局的優(yōu)化調(diào)控，及時劃定生態(tài)保護紅線，保證生態(tài)用地維持在一定數(shù)量。區(qū)域協(xié)調(diào)快速城市化發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，是未來值得重視的問題。