1990—2018年長(zhǎng)沙市土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響

彭 毅，王遠(yuǎn)超,高 陽(yáng)

(1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局長(zhǎng)沙自然資源綜合調(diào)查中心，湖南 長(zhǎng)沙 410000；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局應(yīng)用地質(zhì)研究中心，四川 成都 610036；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)土地科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100193；4.自然資源部農(nóng)用地質(zhì)量與監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193)

0 引言

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指在生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過程中形成并維持的、人類賴以生存的自然環(huán)境條件與效用[1-3]。土地是各類生態(tài)系統(tǒng)的載體，土地利用/覆蓋變化會(huì)直接影響生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能[4-6]，對(duì)維持生態(tài)系統(tǒng)功能起著決定性作用[7-8]。量化研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(Ecosystem Service Values，ESV)有利于衡量生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給潛力和生態(tài)效益大小，促進(jìn)土地利用優(yōu)化管控[9-14]。

1997年，Costanza等[15]首次對(duì)全球ESV進(jìn)行了評(píng)估，得出全球陸地生態(tài)系統(tǒng)平均每年的服務(wù)價(jià)值約為12萬(wàn)億美元，以濕地和森林的服務(wù)價(jià)值為主，分別占比40%和38%。國(guó)內(nèi)學(xué)者中，謝高地等[16]較早開展了ESV相關(guān)研究，并于2008年在Costanza等[15]研究的基礎(chǔ)上提出了一種適合中國(guó)國(guó)情的ESV量化方法[17]，在2015年進(jìn)一步構(gòu)建了基于單位面積價(jià)值當(dāng)量因子法的中國(guó)陸地ESV的動(dòng)態(tài)評(píng)估方法[18-19]。這一方法被廣泛應(yīng)用于不同尺度生態(tài)系統(tǒng)的價(jià)值評(píng)估[20-23]。其中，研究土地利用變化下區(qū)域ESV的變化對(duì)了解土地利用變化下的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)以及促進(jìn)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。伍星等[24]分析了土地利用變化對(duì)長(zhǎng)江上游ESV的影響，結(jié)果表明快速城市化和以經(jīng)濟(jì)利益為目的的發(fā)展模式給生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能和可持續(xù)發(fā)展帶來了巨大壓力。熊鷹等[25]探討了湖南省的ESV時(shí)空格局及其動(dòng)態(tài)演化，結(jié)果表明長(zhǎng)沙市及周邊區(qū)域因建設(shè)用地比例較高，為ESV低值區(qū)。

湖南省是我國(guó)內(nèi)陸開放的經(jīng)濟(jì)中心和長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶的重要支撐[26]，長(zhǎng)沙市是長(zhǎng)江中游城市群的核心城市，是中部崛起戰(zhàn)略的重要支點(diǎn)。改革開放以來，長(zhǎng)沙市進(jìn)入快速工業(yè)化、城鎮(zhèn)化發(fā)展階段，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及戰(zhàn)略政策的實(shí)施導(dǎo)致該地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，局部地區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)有持續(xù)惡化的趨勢(shì)[27]。本文基于ArcGIS軟件及當(dāng)量因子法，分析了長(zhǎng)沙市1990—2018年間的土地利用變化，并對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)當(dāng)量因子進(jìn)行本地化校正，進(jìn)而評(píng)估了長(zhǎng)沙市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間差異及演化特征，以期為長(zhǎng)沙市土地利用優(yōu)化配置和生態(tài)安全管控決策提供支撐。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

長(zhǎng)沙市地處洞庭湖平原南端，是我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地，全市下轄6個(gè)區(qū)、1個(gè)縣，代管2個(gè)縣級(jí)市，總面積11 819 km2，建成區(qū)567.32 km2，2018年常住人口城鎮(zhèn)化率為79.12%。近年來，隨著國(guó)家中部崛起以及長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展等戰(zhàn)略的實(shí)施，長(zhǎng)沙市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展步入快車道，人口規(guī)模不斷擴(kuò)大，對(duì)各用途建設(shè)用地的需求顯著增加，隨之而來的水土流失、耕地侵占、湖泊萎縮、水質(zhì)惡化等生態(tài)環(huán)境負(fù)效應(yīng)不斷加劇，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能衰退風(fēng)險(xiǎn)加大[28]。因此對(duì)長(zhǎng)沙市進(jìn)行ESV評(píng)估，研究其時(shí)空演變趨勢(shì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文采用的1990、2000、2010和2018年4期土地利用遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(30 m×30 m)來源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)，借助ArcGIS軟件將土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用土地6個(gè)一級(jí)類型及25個(gè)二級(jí)類型。社會(huì)、經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來自中國(guó)物價(jià)年鑒(1991—2019年)、湖南省以及長(zhǎng)沙市歷年統(tǒng)計(jì)年鑒等。

2 技術(shù)方法

2.1 土地利用變化分析

2.1.1 土地利用類型動(dòng)態(tài)度

土地利用類型動(dòng)態(tài)度指的是研究區(qū)一定時(shí)間范圍內(nèi)土地利用類型的數(shù)量變化情況，反映了人類活動(dòng)對(duì)土地利用類型的影響程度[29]。通過定量描述土地利用變化速度，可以預(yù)測(cè)其發(fā)展趨勢(shì)。土地利用類型動(dòng)態(tài)度表達(dá)式為

(1)

式中：K為一定時(shí)間內(nèi)某一土地利用類型動(dòng)態(tài)度；Ua、Ub分別為研究初期和末期某土地利用類型的面積,hm2；T為時(shí)間,a。

2.1.2 土地利用變化動(dòng)態(tài)軌跡

一個(gè)給定像元在一定時(shí)間段所發(fā)生的土地利用類型變化過程，即構(gòu)成其土地利用變化動(dòng)態(tài)軌跡[30]。借助ArcGIS軟件的空間分析功能將1990—2018年4期土地利用遙感影像合并，從而建立像元尺度的土地利用變化動(dòng)態(tài)軌跡。根據(jù)土地利用分類體系，將耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用土地分別用代碼1～6代替，不同土地利用類型在1990—2018年間的動(dòng)態(tài)變化軌跡可用一個(gè)4位數(shù)編碼表示，例如編碼“1221”的軌跡代表“耕地(1990)→林地(2000)→林地(2010)→耕地(2018)。

2.2 ESV評(píng)估與分析

本文依據(jù)謝高地等[18]提出的基于單位面積價(jià)值的當(dāng)量因子法，結(jié)合長(zhǎng)沙市土地利用實(shí)際情況，對(duì)各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能當(dāng)量進(jìn)行本地化校正，構(gòu)建適合長(zhǎng)沙市的ESV當(dāng)量表(表1)。ESV當(dāng)量因子的價(jià)值系數(shù)為該區(qū)域1 hm2耕地糧食產(chǎn)量市場(chǎng)價(jià)值的1/7[21]。計(jì)算公式為

(2)

式中：VC0為ESV當(dāng)量因子的價(jià)值系數(shù),元/hm2/a；P為全國(guó)平均糧食價(jià)格,元/kg；Qi為研究區(qū)平均糧食產(chǎn)量,kg/hm2；n為年份數(shù)。

ESV的計(jì)算公式為

ESV=∑(Ak×VCk)，

(3)

ESVf=∑(Ak×VCfk)。

(4)

式中：ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值；Ak是土地利用類型k的面積,hm2；VCk是土地利用類型k的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)系數(shù),元/hm2/a；ESVf為生態(tài)系統(tǒng)第f單項(xiàng)服務(wù)功能價(jià)值;VCfk是土地利用類型k的第f項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)系數(shù),元/hm2/a。

表1 長(zhǎng)沙市各土地利用類型單位面積ESV當(dāng)量及校正Tab.1 Ecosystem service equivalent value and corrections in per unit area of different land use types in Changsha City

3 結(jié)果與分析

3.1 長(zhǎng)沙市土地利用類型變化特征

3.1.1 土地利用演化特征

本文基于土地利用遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，分析了長(zhǎng)沙市土地利用的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化(圖1)。1990—2018年長(zhǎng)沙市各土地利用類型的面積依次為：林地>耕地>建設(shè)用地>水域>草地>未利用土地(圖2)，其中林地占比最高，其次為耕地，兩者占土地利用總面積的比例達(dá)90%左右，其他土地利用類型占比較少。

(a)1990年 (b)2000年

(a)1990年 (b)2000年 (c)2010年 (d)2018年圖2 1990—2018年長(zhǎng)沙市土地利用結(jié)構(gòu)Fig.2 Land use structures of Changsha City from 1990 to 2018

1990—2018年長(zhǎng)沙市土地利用變化的總體趨勢(shì)為耕地、林地、草地面積減少，水域、建設(shè)用地、未利用土地面積增加，區(qū)內(nèi)各土地利用類型的變化率差異明顯(表2)，未利用土地面積的變化率最大，但基數(shù)較??；其次是建設(shè)用地，變化率達(dá)257.97%。從變化趨勢(shì)上看，建設(shè)用地不斷增加，林地和耕地呈減少趨勢(shì)，其他土地利用類型的變化存在波動(dòng)。其中水域在1990—2000年呈減少趨勢(shì)，之后開始增加并保持增長(zhǎng)趨勢(shì)；草地在1990—2000年呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，隨后則處于減少趨勢(shì)，且減少幅度不斷加大。

表2 1990—2018年長(zhǎng)沙市土地利用變化Tab.2 Land use type changes of Changsha City from 1990 to 2018

3.1.2 土地利用動(dòng)態(tài)度

根據(jù)1990—2018年長(zhǎng)沙市4個(gè)時(shí)期的土地利用遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合公式(1)計(jì)算各類土地利用動(dòng)態(tài)度和綜合土地利用動(dòng)態(tài)度(表3)?？傮w上長(zhǎng)沙市1990—2018年間的綜合土地利用動(dòng)態(tài)度均為正值，且變化較大，主要受建設(shè)用地變化的影響。1990—2000年，長(zhǎng)沙市的綜合土地利用動(dòng)態(tài)度較小，僅為1.93%；2000—2010年，隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的啟動(dòng)，建設(shè)用地持續(xù)侵占耕地、林地、草地等，綜合土地利用動(dòng)態(tài)度達(dá)到4.67%；2010—2018年，隨著城市擴(kuò)張不斷加快，綜合土地利用動(dòng)態(tài)度高達(dá)11.20%。

表3 1990—2018年長(zhǎng)沙市各時(shí)段土地利用動(dòng)態(tài)度Tab.3 Land use dynamic degree of Changsha City from 1990 to 2018 (%)

3.1.3 土地利用變化軌跡分析

土地利用變化軌跡顯示長(zhǎng)沙市近30 a來的土地利用動(dòng)態(tài)變化過程可分為穩(wěn)定型、單一型和波動(dòng)型3種(表4)。統(tǒng)計(jì)時(shí)，穩(wěn)定型選取穩(wěn)定耕地、穩(wěn)定林地、穩(wěn)定草地、穩(wěn)定水域和穩(wěn)定建設(shè)用地等軌跡，單一型和波動(dòng)型分別選取面積占比前十的軌跡。

表4 土地利用變化軌跡統(tǒng)計(jì)Tab.4 Statistical results of land use trajectories

(1)穩(wěn)定型。在城市擴(kuò)張過程中土地利用類型未發(fā)生變化的地塊占總面積的78.47%，超過長(zhǎng)沙市1990—2018年土地利用變化的20%。穩(wěn)定型土地利用類型空間分布主要在城市遠(yuǎn)郊區(qū)及下屬縣(市)郊區(qū)，這些區(qū)域受城鎮(zhèn)化發(fā)展的影響相對(duì)較小(圖3(a))。

(2)單一型。城市擴(kuò)張過程中土地利用類型發(fā)生過一次變化的地塊占總面積的12.46%，主要為耕地與林地的互相轉(zhuǎn)移以及建設(shè)用地對(duì)耕地、林地的侵占。其中，林地與耕地互相轉(zhuǎn)移的占比較為接近，且空間分布較為分散平均，表明在一定時(shí)期內(nèi)這種轉(zhuǎn)移十分普遍，指示了毀林開荒、過度砍伐與生態(tài)意識(shí)覺醒后植樹造林、退耕還林等因素的疊加影響；建設(shè)用地對(duì)耕地和林地的侵占主要分布在城市中心區(qū)域，表明城市的擴(kuò)張侵占了大量的林地和耕地(圖3(b))。

(3)波動(dòng)型。城市擴(kuò)張過程中土地利用類型交替變化、極不穩(wěn)定的地塊占比為5.99%，主要為耕地與林地的交替變化。此外，還有耕地→林地→建筑用地、耕地→水域、林地→水域和林地→草地等類型的交替變化。其空間分布主要為城市建設(shè)開發(fā)十分活躍的快速城鎮(zhèn)化區(qū)域，這些區(qū)域受人類活動(dòng)干擾較大，土地利用類型不穩(wěn)定(圖3(c))。

(a) 穩(wěn)定型

3.2 長(zhǎng)沙市ESV變化

3.2.1 總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化

1990—2018年長(zhǎng)沙市總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值呈減少趨勢(shì)(表5)。這期間除水域和未利用土地的服務(wù)價(jià)值略有增加，其余土地利用類型服務(wù)價(jià)值均有不同程度的減少。從ESV構(gòu)成來看，林地服務(wù)價(jià)值是ESV的主要來源，其次是水域服務(wù)價(jià)值，結(jié)合長(zhǎng)沙市土地利用類型面積占比情況，水域面積僅占比2%，卻貢獻(xiàn)了超過10%的ESV。1990—2018年長(zhǎng)沙市ESV下降的主要原因是林地、耕地、草地服務(wù)價(jià)值的減少，這3類土地服務(wù)價(jià)值的減少值是水域服務(wù)價(jià)值增加值的近20倍，水域和未利用土地增加的服務(wù)價(jià)值遠(yuǎn)不及因林地、耕地、草地面積減少所損失的服務(wù)價(jià)值。

表5 1990—2018年長(zhǎng)沙市各類土地的ESVTab.5 Changes of ESV of various land types in Changsha City from 1990 to 2018

3.2.2 各類生態(tài)服務(wù)價(jià)值變化特征

長(zhǎng)沙市11類單項(xiàng)ESV所占比例的大小依次為：水文調(diào)節(jié)>氣候調(diào)節(jié)>土壤保持>氣體調(diào)節(jié)>生物多樣性>凈化環(huán)境>美學(xué)景觀>食物生產(chǎn)>原料生產(chǎn)>維持養(yǎng)分循環(huán)>水資源供給(表6)。其中水文調(diào)節(jié)的價(jià)值最大，其次是氣候調(diào)節(jié)，其他占比較多的還有土壤保持、氣體調(diào)節(jié)和生物多樣性的價(jià)值，排名前五的單項(xiàng)生態(tài)服務(wù)價(jià)值約占總ESV的83%。

表6 1990—2018年長(zhǎng)沙市各類ESV變化Tab.6 ESV changes for each service function of Changsha City from 1990 to 2018

從表6可以看出，1990—2018年長(zhǎng)沙市11類單項(xiàng)ESV中僅水資源供給的價(jià)值呈增加趨勢(shì)，其余10項(xiàng)均持續(xù)減少。其中，食物生產(chǎn)和維持養(yǎng)分循環(huán)的價(jià)值下降較快，主要是受耕地、林地、草地面積減少的影響；水資源供給的價(jià)值有明顯提升，一方面由于水資源的供給隨著水域面積擴(kuò)張而增加，另一方面則因?yàn)楦孛娣e的減少使水資源的消耗也相應(yīng)降低。

3.3 政策因素對(duì)長(zhǎng)沙市ESV的影響

國(guó)家和地方政府實(shí)施的一系列政策與規(guī)劃對(duì)長(zhǎng)沙市ESV的變化具有重要影響(圖4)。1990—2000年期間，長(zhǎng)沙市各類用地需求較少，其綜合土地利用動(dòng)態(tài)度及ESV減少幅度較低。2000—2010年是長(zhǎng)沙市的快速發(fā)展期，2000年湖南省啟動(dòng)“退耕還林”“退田還湖”等生態(tài)修復(fù)工程，在這些政策的影響下，長(zhǎng)沙市水域面積減少的趨勢(shì)得到遏制并逐漸轉(zhuǎn)為持續(xù)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，墾林開荒、亂砍亂伐現(xiàn)象也得到有效遏止。此外，2001年長(zhǎng)沙市提出實(shí)施“興工強(qiáng)市”戰(zhàn)略，全市工業(yè)化步入了加速發(fā)展時(shí)期，各類建設(shè)用地需求激增，導(dǎo)致綜合土地利用動(dòng)態(tài)度較大，ESV減少的幅度增大。2010—2018年期間，長(zhǎng)沙市在工業(yè)化快速發(fā)展的同時(shí)加快了城市化進(jìn)程，城市建成區(qū)快速擴(kuò)張，建設(shè)用地成倍增加并不斷侵占耕地、林地等，導(dǎo)致綜合土地利用動(dòng)態(tài)度快速增加，ESV降低幅度再次加大。

圖4 政策與規(guī)劃對(duì)長(zhǎng)沙市ESV的影響Fig.4 Policy and planning influence on ESV of Changsha City from 1990 to 2018

4 結(jié)論

本文基于土地利用現(xiàn)狀的遙感數(shù)據(jù)，利用ArcGIS軟件和經(jīng)本地化校正的當(dāng)量因子法，分析了長(zhǎng)沙市1990—2018年土地利用變化及其對(duì)ESV的影響，研究結(jié)果可為長(zhǎng)沙市調(diào)整土地結(jié)構(gòu)、優(yōu)化土地配置提供參考。主要結(jié)論如下：

(1)1990—2018年長(zhǎng)沙市土地利用變化顯著，總體趨勢(shì)為：林地、耕地、草地面積減少，水域、建設(shè)用地、未利用土地的面積增加；其中建設(shè)用地變化幅度最大且呈持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，變化率達(dá)257.97%；林地和耕地持續(xù)減少；其他土地利用類型呈波動(dòng)變化，不同時(shí)期各土地利用類型的變化幅度存在差異。

(2)1990—2018年長(zhǎng)沙市的ESV呈持續(xù)減少的趨勢(shì)，林地和水域的生態(tài)價(jià)值在長(zhǎng)沙市ESV中起主導(dǎo)作用。ESV減少的主要原因是城市擴(kuò)張導(dǎo)致林地、耕地面積的減少。生態(tài)系統(tǒng)各類服務(wù)功能中水文調(diào)節(jié)的價(jià)值最大；后面依次是氣候調(diào)節(jié)、土壤保持、氣體調(diào)節(jié)和生物多樣性；排名前五的單項(xiàng)服務(wù)功能價(jià)值占總ESV的比例約為83%。

(3)城市快速擴(kuò)張引起的土地利用變化勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致ESV不斷下降，“退耕還林”“退田還湖”等政策的實(shí)施可在一定程度上減緩ESV的下降趨勢(shì)。在調(diào)整研究區(qū)土地結(jié)構(gòu)，優(yōu)化土地配置時(shí)應(yīng)充分重視水體、林地等ESV較高的土地利用類型。

需要說明的是，本文采用的ESV當(dāng)量因子主要基于湖南省統(tǒng)一修改系數(shù)。然而，湖南省不同區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)差異較為明顯，長(zhǎng)沙市作為快速工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的省會(huì)城市，其生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量與全省狀況也存在差異，因此采用此系數(shù)在一定程度上會(huì)影響ESV的評(píng)估精度。此外，建設(shè)用地對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響不容忽視[31]，由于建設(shè)用地對(duì)大氣、氣候等環(huán)境因素的影響具有累積效應(yīng)，難以界定其影響范圍和程度，目前對(duì)建設(shè)用地ESV的評(píng)估方法尚不明確，本文暫時(shí)未將建設(shè)用地ESV納入評(píng)估體系。