湘潭市城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶土地利用變化及其對(duì)生態(tài)服務(wù)價(jià)值的影響

王俊瓔，蘇曉彤，王 琦，郝新儀

（湖南科技大學(xué)，湖南 湘潭 411100）

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)（Ecosystem services，ES）是指人類直接或間接從生態(tài)系統(tǒng)及生態(tài)過程中獲取的產(chǎn)品或者服務(wù)[1-2]。土地利用/覆蓋變化（Land-use and land cover change，LUCC）改變了生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，從而影響到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[3-4]。城市化的不斷推進(jìn)，人口、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，導(dǎo)致土地利用結(jié)構(gòu)和生態(tài)服務(wù)價(jià)值發(fā)生顯著變化[5-6]，進(jìn)而危及區(qū)域生態(tài)平衡。

湘潭市城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶，作為鄉(xiāng)村向城市的過渡地帶，其土地利用類型變化顯著，人地矛盾突出，是長株潭兩型社會(huì)建設(shè)的關(guān)鍵區(qū)。文章主要以遙感解譯數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，深入分析湘潭市城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶1988 年和2018 年土地利用格局的變化情況，并就其對(duì)生態(tài)服務(wù)價(jià)值（ESV）的影響進(jìn)行了研究，以期為長株潭“兩型社會(huì)”建設(shè)提供數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)概述

湘潭市城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶，位于東經(jīng)112°48′～113°01′，北緯27°44′～27°58′，區(qū)域呈環(huán)狀，主要以湘蓮大道、芙蓉大道、東二環(huán)路、九昭東路、九昭西路、金鵬東路、保稅路、石碼頭路、107 省道、滬昆高速、許廣高速、大鵬西路與香樟路為外環(huán)，以護(hù)潭路、建設(shè)北路、雙擁南路、雙擁中路和沁園路為內(nèi)環(huán)；根據(jù)行政區(qū)界線該交錯(cuò)帶又可劃分為雨湖區(qū)、湘潭縣及岳塘區(qū)城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶（圖1）。研究區(qū)屬于典型的亞熱帶溫濕氣候區(qū)，四季分明，降水充沛，冬冷夏熱。

圖1 湘潭市城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶示意圖①湘潭市城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶行政分區(qū)圖來源：地理空間數(shù)據(jù)云下載的遙感影像，解譯后根據(jù)行政區(qū)域劃分所得。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

遙感數(shù)據(jù)從地理數(shù)據(jù)空間云選取1988 年、2018年云量少于10% 的Landsat 影像；生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值核算中當(dāng)量因子選取自謝高地等[7]發(fā)表的全國尺度“基礎(chǔ)當(dāng)量表”。部分社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展數(shù)據(jù)，如糧食產(chǎn)量、GDP 等來自《湖南省統(tǒng)計(jì)年鑒》和湘潭市統(tǒng)計(jì)局的官方數(shù)據(jù)。

2.2 遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于測(cè)量值中包含太陽位置及角度條件、薄霧等大氣條件所引起的失真，從遙感器得到的測(cè)量值與目標(biāo)物的光譜反射率或光譜輻射亮度等物理量是不一致的[8]，為了獲取目標(biāo)地物的真實(shí)反射率，必須消除這些失真，研究通過ENVI5.3 軟件對(duì)影像進(jìn)行輻射校正（輻射定標(biāo)和大氣校正），并按WGS_1984_Albers 的投影原則統(tǒng)一影像，對(duì)增強(qiáng)后影像進(jìn)行目視解譯獲取湘潭市城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶1988 年及2018 年的土地利用類型圖（圖2）。

2.3 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣[1]來源于系統(tǒng)狀態(tài)與狀態(tài)轉(zhuǎn)移的定量描述，可以直觀地反映土地利用類型變化的轉(zhuǎn)化量、結(jié)構(gòu)特征及轉(zhuǎn)移方向，其數(shù)學(xué)形式見公式（1）。

式中：Sij為研究初期i 類土地利用類型到研究末期轉(zhuǎn)為j 類土地利用類型的面積（hm2），n 為土地利用類型。轉(zhuǎn)移矩陣的每行數(shù)值總和表示研究初期該土地利用類型的總面積，代表該土地類型的轉(zhuǎn)移去向和大??；每列數(shù)值總和表示研究末期該土地類型的總面積，代表該土地類型的所有轉(zhuǎn)入類型及大小。

2.4 生態(tài)服務(wù)價(jià)值估算

文章采用謝高地等[7]提出的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值表及Costanza 等[9]提出的ESV 計(jì)算方法對(duì)湘潭市生態(tài)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行測(cè)算，見公式（2）～（4）。

式中：ESVk、ESVi、ESV（Ecosystem Service Value）分別代表第k 類型的服務(wù)價(jià)值、第i 項(xiàng)服務(wù)功能的價(jià)值和總服務(wù)價(jià)值（元/年），Ak代表第k 類型的土地面積（hm2），VCki（Value Coefficient，價(jià)值系數(shù)）代表第k 類型的第i 項(xiàng)服務(wù)功能單位面積的服務(wù)價(jià)值[元/（hm2·a）]。

2.5 敏感性指數(shù)

敏 感 性 指 數(shù)（Coefficient of sensitivity, CS）表征ESV 隨時(shí)間變化對(duì)生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)（Value Coefficient，VC）的依賴程度。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，該研究將土地利用類型VC 分別增加或減少50%計(jì)算CS，見公式（5）。

式中：ESV 和VC 分別為生態(tài)服務(wù)價(jià)值和價(jià)值系數(shù)；i 和j 分別為最初的和調(diào)整后的指標(biāo)；k 為某種土地利用類型。若CS ＞1，表明ESV 對(duì)VC 富有彈性，比值越大，CS 的準(zhǔn)確性就越關(guān)鍵；CS ＜1，表明ESV 對(duì)VC 缺乏彈性，VC 適用于研究區(qū)域ESV 的估算[1-2]。

3 結(jié)果與分析

3.1 1988—2018 年研究區(qū)土地利用的時(shí)空變化分析

3.1.1 土地利用的空間變化 1988 年和2018 年湘潭市城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶土地利用分布如圖2 所示。由圖2 可知，1988 年，耕地是研究區(qū)主要土地利用類型，分布范圍最廣，主要沿湘江和漣水沿岸地區(qū)分布；居民地與獨(dú)立工礦集中分布在湘潭縣南部和九華的地勢(shì)平坦之處，在河流下游的分布多于在上游的分布；林地和園地分布在研究區(qū)的外圍，環(huán)繞著研究區(qū)。而到2018年，居民地與獨(dú)立工礦用地明顯增多，成為研究區(qū)的主導(dǎo)土地利用類型，雨湖區(qū)北部和湘潭縣南部的居民地與獨(dú)立工礦用地在原有的基礎(chǔ)上向外擴(kuò)展，岳塘區(qū)的居民地與獨(dú)立工礦用地分布變得更為密集；交通用地呈網(wǎng)狀穿插在居民地與獨(dú)立工礦用地之中，耕地和林地的面積明顯減少。由此可見，研究區(qū)土地利用率高，且城鎮(zhèn)建設(shè)不斷由中心向四周擴(kuò)散，人類活動(dòng)的范圍不斷擴(kuò)大。

圖2 湘潭市城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶土地利用類型及分布②湘潭市城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶土地利用類型及分布圖來源：地理空間數(shù)據(jù)云下載的遙感影像，并解譯所得；下同。

3.1.2 土地利用的時(shí)間變化 1988 年和2018 年湘潭市城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶各類型土地的面積如表1 所示。由表1可知，無論是1988 年，還是2018 年，耕地、居民地與獨(dú)立工礦、水域、林地始終是湘潭市城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶的主要土地利用類型，但是研究區(qū)內(nèi)各土地利用類型變化存在明顯差異。其中，未利用地雖然在研究區(qū)中占比最小，但是從1988—2018 年其面積降幅最大，為37.19%，說明研究區(qū)集約用地意識(shí)增強(qiáng)；其次是耕地和園地，從1988—2018 年面積分別減少33.72%和28.79%；交通用地、居民地與獨(dú)立工礦的用地面積變化趨勢(shì)正好相反，呈大幅度上升趨勢(shì)，與1988 年相比，2018 年期面積分別增加了85.34%和68.52%。

表1 1988 年與2018 年湘潭市城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶各類型土地的面積 （hm2）

從3 個(gè)行政區(qū)域來看，各區(qū)的土地利用類型變化趨勢(shì)與整體變化大致相同，耕地、林地、水域、未利用地的面積均呈下降趨勢(shì)，但也存在一定差異。對(duì)于耕地而言，岳塘區(qū)下降得最為明顯，為45.80%；湘潭縣的林地面積降幅最大，為23.13%，而其他2 個(gè)區(qū)的林地面積降幅低于5%；水域的變化趨勢(shì)在各區(qū)都比較平緩，變化趨勢(shì)相似；居民地與獨(dú)立工礦、交通用地的面積均呈上升趨勢(shì)，雨湖區(qū)和岳塘區(qū)的交通用地面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于湘潭縣的，但與1988 年相比，2018 年湘潭縣的交通用地面積增加最為顯著，增幅達(dá)195.83%；對(duì)于園地而言，3 個(gè)行政區(qū)域的變化趨勢(shì)不一，雨湖區(qū)和湘潭縣的面積呈增長趨勢(shì)，分別增加了26.19%和22.43%，而岳塘區(qū)的變化趨勢(shì)與之相反，下降了63.37%。

3.1.3 土地利用轉(zhuǎn)移分析 基于ArcGIS 構(gòu)建了1988—2018 年研究區(qū)土地利用類型的轉(zhuǎn)移矩陣，其結(jié)果如圖3 和表2 所示。由圖3 可知，總體上，湘潭市城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶的土地利用類型發(fā)生轉(zhuǎn)化的面積較大，在空間上具有明顯的聚集性分布，主要集中在雨湖區(qū)的北部、湘潭縣的南部和岳塘區(qū)。其中，雨湖區(qū)的北部區(qū)域變化得最為明顯。

圖3 1988—2018 年湘潭市城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶土地利用變化空間分布

由表2 可知，從1988 年到2018 年，研究區(qū)各土地利用類型間變化較多，不僅體現(xiàn)在土地利用類型大類間的轉(zhuǎn)化，也體現(xiàn)在某一土地利用類型內(nèi)部系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化。從各類間轉(zhuǎn)化來看，居民地與獨(dú)立工礦的面積增加的最多，主要由耕地、林地、水域轉(zhuǎn)化而來，轉(zhuǎn)化面積依次為2 900.78、1 145.59 和417.00 hm2；其次交通用地的面積增加幅度也較大，主要由耕地、居民地與獨(dú)立工礦、林地轉(zhuǎn)化而來；其他用地的面積變化均呈下降趨勢(shì)，其中，耕地的面積減少得最多，除了城鎮(zhèn)建設(shè)外，耕地也向林地和水域轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化面積分別為543.72 和184.68 hm2。從同一土地利用類型的內(nèi)部轉(zhuǎn)化來看，其面積變化比較小，其中比較突出的是，居民地與獨(dú)立工礦（農(nóng)村居民點(diǎn)向獨(dú)立工礦轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化面積為311.84 hm2）、林地（有林地向跡地轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化面積為123.16 hm2）；未成林造林地向有林地轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化面積為62.11 hm2）和耕地（灌溉水田向菜地轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化面積為67.62 hm2）。1988 年以來，研究區(qū)內(nèi)的城鎮(zhèn)用地規(guī)模不斷外延，面積不斷增加。特別是隨著城鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)和人口數(shù)量的快速增長，湘潭市城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶內(nèi)城市化進(jìn)程不斷加快，城鎮(zhèn)建設(shè)等人類活動(dòng)加速了其他土地類型面積的萎縮。

表2 1988—2018 年湘潭市城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 （hm2）

3.2 1988—2018 年研究區(qū)生態(tài)服務(wù)價(jià)值效應(yīng)分析

根據(jù)構(gòu)建的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估模型、《湘潭市統(tǒng)計(jì)年鑒》及相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，得到湘潭市城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶1988—2018 年各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量（表3）。基于ArcGIS 得出湘潭市城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶生態(tài)服務(wù)價(jià)值變化空間分布圖（圖4）。根據(jù)生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)和各土地利用類型的面積變化數(shù)據(jù)，計(jì)算出30 a 間研究區(qū)的生態(tài)服務(wù)價(jià)值增減情況，由此劃分出7 個(gè)等級(jí)。從圖4 中可知，生態(tài)服務(wù)價(jià)值不變的區(qū)域面積比重較大，主要集中在雨湖區(qū)南部、湘潭縣北部和岳塘區(qū)北部；其次分布較廣的是生態(tài)服務(wù)價(jià)值受損區(qū)，下降數(shù)值主要集中在“-250 000～0 元”區(qū)間，主要因?yàn)楦逧SV值的耕地、林地、水域轉(zhuǎn)化為低ESV 值的建設(shè)用地；而生態(tài)服務(wù)價(jià)值增值區(qū)僅有零星分布，且多集中在“0～250 000 元”區(qū)間，主要因?yàn)楦剞D(zhuǎn)化為林地、水域，在一定程度上提高了研究區(qū)的生態(tài)服務(wù)價(jià)值總量。

圖4 1988—2018 年湘潭市城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶生態(tài)服務(wù)價(jià)值變化

從表3 中可以看出，研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總量由1988 年的7.73 億元減少到2018 年的6.70 億元，減少了13.32%。從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值構(gòu)成來看，供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、文化服務(wù)和支持服務(wù)的變化率分別為-22.11%、-14.56%、-8.20%和-18.54%。1988 年，調(diào)節(jié)服務(wù)的價(jià)值量最高，為5.46 億元，占總價(jià)值量的70.64%，隨后依次為支持服務(wù)、文化服務(wù)和供給服務(wù)。30 a 間，耕地、林地不斷地轉(zhuǎn)化為居民地與獨(dú)立工礦、交通用地等。盡管農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)效率不斷提高，但是耕種面積減少，農(nóng)副產(chǎn)品總產(chǎn)量減少，導(dǎo)致供給服務(wù)價(jià)值大幅度下降；調(diào)節(jié)服務(wù)價(jià)值呈下降趨勢(shì)，但是由于供給服務(wù)價(jià)值的減少，其占總服務(wù)價(jià)值的比例略有增加。從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的子類別來看，水源涵養(yǎng)和廢物處理的價(jià)值較高，其次是生物多樣性保護(hù)和土壤形成與保護(hù)，再次是娛樂文化和氣候調(diào)節(jié)。

表3 1988—2018 年湘潭市城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)（元）

3.3 1988—2018 年研究區(qū)生態(tài)服務(wù)價(jià)值的敏感性分析

在所有土地利用類型中，各土地類型敏感性指數(shù)各異。其中，水域CS 最高，從1988 年的0.579 上升至2018 年的0.617；林地與水域的CS 均呈上升趨勢(shì)，耕地的CS 則在下降，從1988 的0.197 下降到2018年的0.150，說明水域和林地的VC 變化對(duì)交錯(cuò)帶土地生態(tài)服務(wù)總價(jià)值具有放大效應(yīng)，耕地的VC 變化對(duì)交錯(cuò)帶土地生態(tài)服務(wù)總價(jià)值則具有縮小效應(yīng)。園地和未利用地的CS 值基本不變，說明二者的VC 變化對(duì)區(qū)域的ESV 沒有明顯影響。1988—2018 年湘潭市城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶各類型用地的CS 均小于1，說明研究區(qū)ESV 對(duì)該研究采用的VC 缺乏彈性，采取的VC 適用于該研究區(qū)，由此計(jì)算的ESV 是可信的。

表4 湘潭市城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶1988、2018 年各土地利用類型生態(tài)服務(wù)靈敏度

4 結(jié)論與討論

1988—2018 年，湘潭市城鄉(xiāng)交錯(cuò)地帶的耕地、園地、林地、水域、未利用地面積均呈下降趨勢(shì)，耕地面積減少最多，達(dá)3 812.35 hm2，其次是水域，減少380.92 hm2，而居民地與獨(dú)立工礦、交通用地面積大幅增漲，分別增加4 146.47、553.44 hm2，城市擴(kuò)張明顯。雨湖區(qū)、岳塘區(qū)、湘潭縣的土地利用類型變化趨勢(shì)與整體大致相同，其中，耕地面積下降最明顯的為岳塘區(qū)，降幅達(dá)45.80%，林地面積下降最明顯為湘潭縣，降幅達(dá)23.13%，雨湖區(qū)和湘潭縣的園地面積分別增加了26.19%和22.43%。

1988—2018 年湘潭市城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶總ESV 呈下降趨勢(shì)，由1988 年的7.73 億元減少到2018 年的6.70 億元。其中，土地生態(tài)系統(tǒng)的供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、文化服務(wù)和支持服務(wù)均呈下降態(tài)勢(shì)，分別下降22.11%、14.56%、8.20%和18.54%。其原因在于高ESV 的耕地、林地、水域轉(zhuǎn)化為低ESV 的居民地和交通用地。通過計(jì)算，得出湘潭市城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶各類型用地的CS 均小于1，說明研究區(qū)ESV 對(duì)該研究采用的VC 缺乏彈性，由此得出ESV 是可信的。

該研究基于土地利用變化評(píng)價(jià)了湘潭市城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值損益的時(shí)空動(dòng)態(tài)，為未來區(qū)域土地資源的合理規(guī)劃及有效利用提供了科學(xué)依據(jù)，對(duì)保護(hù)生態(tài)環(huán)境和維持區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶是農(nóng)村向城鎮(zhèn)發(fā)展的過渡地帶，合理優(yōu)化區(qū)域的空間布局可有效推動(dòng)城市化進(jìn)程，并加強(qiáng)對(duì)環(huán)境的保護(hù)[10]。根據(jù)研究結(jié)果，可從以下4 個(gè)方面優(yōu)化湘潭市城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶未來空間布局：（1）作為主要經(jīng)濟(jì)中心的雨湖區(qū)北部、湘潭縣南部和岳塘區(qū)，應(yīng)提高已有建設(shè)用地的利用強(qiáng)度，避免無效擴(kuò)張而占用了原本高ESV 值的耕地、林地和水域；（2）研究區(qū)主要應(yīng)向第三產(chǎn)業(yè)、綠色產(chǎn)業(yè)發(fā)展，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，以避免重型工業(yè)對(duì)環(huán)境的嚴(yán)重污染；（3）有些地區(qū)有退耕還林、退耕還湖的現(xiàn)象，因此對(duì)于一些土地肥沃度不夠、有環(huán)境保護(hù)需要的地區(qū)，可以適當(dāng)?shù)脤⑼恋鼗貧w自然；（4）由于耕地面積持續(xù)減少會(huì)導(dǎo)致食物生產(chǎn)服務(wù)的減弱，因此需要嚴(yán)守耕地紅線，采用科學(xué)的耕作栽培技術(shù)提高糧食產(chǎn)量，保障糧食安全，實(shí)現(xiàn)人地和諧。