1990—2020年洪澤湖環(huán)湖地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化

魏佳豪，鐘 威，張 穎，徐錦前，龔志軍，蔡永久

（1.中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，江蘇 南京 210008；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.上海海洋大學(xué)，上海 201306；4.江蘇省水利工程規(guī)劃辦公室，江蘇 南京 210029；5.安徽師范大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，安徽 蕪湖 241002）

1 概述

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值（Ecosystem Services Value,ESV）是人類從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的所有惠益，其中包括了供給價值、調(diào)節(jié)價值、支持價值和文化價值［1-2］。1997年Costanza等［3］在國際上首次提出了ESV估算的原理和方法，其后，謝高地等［4］又制定了符合中國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)實際情況的《生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量表》，這為我國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的評估提供了相對全面、客觀的方法。

在此背景下，洪澤湖作為江蘇北部水生態(tài)安全的重要保障區(qū)域，是維持地區(qū)生態(tài)安全的關(guān)鍵所在，對整個蘇北地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要意義。近年來，在人類干擾和自然演替等多重因素的影響下，洪澤湖環(huán)湖地區(qū)的土地利用已經(jīng)發(fā)生了較大的變化［5-6］。土地利用變化通過改變生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能影響生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價值，研究土地利用變化下的ESV變化對修復(fù)和保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能具有重要意義［7］。本研究旨在通過解譯遙感影像測算ESV的方法，分析近30年洪澤湖環(huán)湖地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化情況，以期為地區(qū)的生態(tài)保護(hù)、資源配置和可持續(xù)發(fā)展等決策提供一定參考依據(jù)。

2 研究區(qū)域概況

洪澤湖（33°06′-33°40′N，118°10′-118°52′E）位于江蘇省西北部淮安、宿遷2市境內(nèi)，是江蘇省第二大、全國第四大淡水湖泊［8］。洪澤湖作為淮河流域最大的防洪供水調(diào)蓄湖泊和南水北調(diào)東線工程的重要水源地，其具有防洪抗旱、調(diào)節(jié)氣候和保護(hù)生物多樣性等重要功能，對農(nóng)漁業(yè)、旅游業(yè)和航運(yùn)等產(chǎn)業(yè)發(fā)揮著巨大作用［9］。本研究以沿湖區(qū)縣以內(nèi)、洪澤湖以外的區(qū)域為基礎(chǔ)，綜合考慮行政區(qū)域完整性和水系結(jié)構(gòu)，確定了洪澤湖環(huán)湖地區(qū)的范圍，包括盱眙縣、洪澤區(qū)、泗洪縣全域，宿城區(qū)、泗陽縣、淮陰區(qū)、清江浦區(qū)京杭運(yùn)河中運(yùn)河段以南區(qū)域。

3 數(shù)據(jù)與方法

3.1 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

本研究選取了1990年、2000年、2010年、2020年4期Landsat系列衛(wèi)星遙感影像，影像數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云和美國地質(zhì)調(diào)查局官網(wǎng)。根據(jù)中國科學(xué)院土地利用覆蓋分類體系，并結(jié)合研究區(qū)域的實際情況建立了耕地、水域、林地、草地、建設(shè)用地、未利用地6個地類。利用ENVI軟件采用支持向量機(jī)法（SVM）進(jìn)行監(jiān)督分類，最終獲得4期研究區(qū)土地利用類型數(shù)據(jù)［10-12］。

3.2 研究方法

3.2.1 土地利用變化幅度

土地利用變化幅度是指土地利用類型在面積方面的變化幅度［13］，反映了各類土地利用類型在總面積上的變化量，其表達(dá)式為

式中，ΔV為研究區(qū)域的土地利用變化幅度，Va、Vb分別為研究地區(qū)初期和研究末期某種土地利用類型的面積。

3.2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值估算

基于單位面積價值當(dāng)量因子法，根據(jù)“一個生態(tài)服務(wù)價值當(dāng)量因子的經(jīng)濟(jì)價值量等于當(dāng)年平均糧食單產(chǎn)市場價值的1/7”的規(guī)則［14］，計算得到了基于2021年糧食單價的生態(tài)服務(wù)價值當(dāng)量因子為23.52萬元/km2·a，結(jié)合洪澤湖環(huán)湖地區(qū)實際情況進(jìn)行修正得到價值系數(shù)（表1）。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的計算公式如下：

表1 洪澤湖環(huán)湖地區(qū)各地類單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)

式中，VESV為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，萬元/a；i為土地利用類型，i=1，2，3，…，n；Ai為地類i的面積，km2；V C i為地類i的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值系數(shù)，萬元/（km2·a）。

3.2.3 生態(tài)貢獻(xiàn)率

生態(tài)貢獻(xiàn)率是一定時間段內(nèi)不同土地利用類型ESV變化量對總ESV變化量的影響大小，用來揭示影響區(qū)域ESV變化的主要貢獻(xiàn)因子［15］。計算公式如下：

式中：Git為地類i在時間段t內(nèi)的生態(tài)貢獻(xiàn)率；ΔVESV,it為地類i在時間段t內(nèi)的ESV變化量。

4 結(jié)果與討論

4.1 土地利用變化特征

通過對各時期土地利用類型面積及面積占比進(jìn)行統(tǒng)計分析（表2），結(jié)果表明，2010年耕地面積及面積占比較2000年出現(xiàn)小幅下降，面積降至5 487.27 km2，面積占比為79.97%，與此同時水域（551.39 km2）和建設(shè)用地（522.20 km2）面積占比增加至8.04%和7.61%；2020年較2010年耕地面積占比進(jìn)一步減少至71.82%，水域面積占比增加至8.98%，建設(shè)用地面積出現(xiàn)較大幅度增長，面積達(dá)到866.27 km2，占比12.63%?？傮w來看，1990—2020年洪澤湖環(huán)湖地區(qū)土地利用總體格局基本一致，雖然耕地面積在此期間出現(xiàn)明顯下降，面積占比減少了9.45%，但是土地利用類型仍以耕地為主，其各年面積占比均超過了70%；在此期間，建設(shè)用地和水域面積均出現(xiàn)小幅增長，面積占比分別增加至12.63%和8.98%；林地、草地和未利用地的面積及面積占比未出現(xiàn)明顯變化。

表2 1990—2020年洪澤湖環(huán)湖地區(qū)各土地利用類型面積及占比

分析各土地利用類型的面積變化（圖1）。1990—2000年各地類面積變化幅度均較小，僅未利用地和草地面積出現(xiàn)37.64%和22.45%的減幅，建設(shè)用地增幅為18.32%；2000—2010年，建設(shè)用地面積出現(xiàn)顯著增加，增幅為40.01%，水域面積也出現(xiàn)了7.77%的增幅，草地、林地面積則分別出現(xiàn)了39.56%和22.27%的減幅；2010—2020年草地面積增幅為182.04%，其次是建設(shè)用地（65.89%）和林地（43.35%），僅未利用地和耕地面積出現(xiàn)減少，減幅為19.96%和10.19%?？傮w而言，1990—2020年建設(shè)用地的面積變化最為明顯，共增加553.28 km2，增幅為176.78%；其次是未利用地和草地，變化幅度分別為-53.40%和32.20%；水域面積增加了94.54 km2，增幅為18.13%；耕地作為研究區(qū)內(nèi)的主要土地利用類型，1990—2020年面積共計減少648.19 km2，減少幅度為11.62%。

圖1 1990—2020年洪澤湖環(huán)湖地區(qū)各土地利用變化幅度

近30年洪澤湖環(huán)湖地區(qū)的土地利用類型以耕地為主，除林地面積未出現(xiàn)明顯變化外，建設(shè)用地、草地和水域面積均出現(xiàn)了明顯增加，耕地和未利用地面積出現(xiàn)一定程度的減少。這與長期以來，洪澤湖周邊地區(qū)以農(nóng)業(yè)、漁業(yè)經(jīng)濟(jì)為主，鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)起步較晚具有一定關(guān)系。受人口快速增長和粗放式發(fā)展模式等因素的影響，洪澤湖環(huán)湖地區(qū)的圈圩開發(fā)、圍網(wǎng)養(yǎng)殖等問題較為嚴(yán)重［9］，進(jìn)入21世紀(jì)尤其是2010年之后，隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，環(huán)湖地區(qū)新農(nóng)村建設(shè)、旅游區(qū)開發(fā)、城鎮(zhèn)化等項目也陸續(xù)開展，這使得城鎮(zhèn)居住、工業(yè)、交通設(shè)施等建設(shè)用地的持續(xù)擴(kuò)張成為了必然的趨勢，導(dǎo)致2010—2020年建設(shè)用地增加幅度達(dá)65.89%。與此同時，在省、市各級政府部門提出并落實“退圩環(huán)湖”“生態(tài)復(fù)綠”等政策后，加上耕地開發(fā)轉(zhuǎn)變成圈圩養(yǎng)殖等原因，都導(dǎo)致了水域面積的擴(kuò)大，也是環(huán)湖地區(qū)耕地的不斷減少的主要原因。近年來，隨著南水北調(diào)東線工程的建成，其對洪澤湖周邊地區(qū)的生態(tài)環(huán)境提出了更高的要求，也深刻影響了洪澤湖環(huán)湖地區(qū)土地利用的結(jié)構(gòu)和方式，共同導(dǎo)致了其土地利用發(fā)生明顯變化。

4.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化特征

洪澤湖環(huán)湖地區(qū)ESV計算結(jié)果表明（表3），1990—2020年研究區(qū)ESV總體呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，共增加22.21億元。ESV總體組成中水域ESV所占比重最大，1990—2020年占比均超過68%；其次是耕地ESV，1990—2020年占比均超過了18%；林地ESV占比各年均超過了5%，其余主要地類ESV占比均小于1%。1990—2000年總ESV呈現(xiàn)減少的趨勢，主要原因是水域和林地面積出現(xiàn)減少，ESV下降；2000—2020年總ESV呈現(xiàn)持續(xù)增加的趨勢，共增加了27.53億元，其中水域、林地和草地的ESV分別從151.15億元、16.47億元和1.35億元增加至181.98億元、18.35億元和2.30億元，耕地ESV減少了6.13億元?？傮w而言，1990—2020年ESV增加幅度達(dá)到9.82%，主要來源于水域和草地的貢獻(xiàn)，二者ESV分別增加了18.13%和32.20%，耕地、林地和未利用地ESV均出現(xiàn)不同程度減少，減少幅度分別為11.62%、1.40%和53.40%，這一變化趨勢與土地利用的變化趨勢相似。

1990—2020年洪澤湖環(huán)湖地區(qū)四類一級ESV與總ESV變化趨勢一致（表3～4），總體均呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。在一級生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中，調(diào)節(jié)服務(wù)各年占比均超過83%；在調(diào)節(jié)服務(wù)中，水文調(diào)節(jié)服務(wù)各年占比均為80%左右。1990—2020年研究區(qū)域二級ESV中水資源供給服務(wù)價值減幅最大，為57.81%，其次是食物生產(chǎn)和維持養(yǎng)分循環(huán)，降幅分別為9.55%和9.47%；在此期間，水文調(diào)節(jié)和凈化環(huán)境ESV出現(xiàn)較大增長，增幅分別為13.78%和10.21%，其次是生物多樣性和美學(xué)景觀，增幅分別為4.50%、7.51%。

表3 1990—2020年洪澤湖環(huán)湖地區(qū)各地類ESV變化

表4 1990—2020洪澤湖環(huán)湖地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)一級和二級服務(wù)價值變化

分析不同地類對ESV變化的貢獻(xiàn)率（表5）結(jié)果表明，1990—2020年洪澤湖環(huán)湖地區(qū)內(nèi)水域和耕地的生態(tài)貢獻(xiàn)率最大，分別為80.33%和17.32%。1990—2000年，水域和林地的生態(tài)貢獻(xiàn)率分別為52.31%和38.66%；2000—2010年生態(tài)貢獻(xiàn)率的整體格局與1990—2000年相似，均為水域和林地占比較大，而耕地、草地和未利用地三者占比之和小于10%；2010—2020年的生態(tài)貢獻(xiàn)率較2000—2010年出現(xiàn)了較大變化，水域和林地的生態(tài)貢獻(xiàn)率分別下降了8.66%和4.00%，而耕地的生態(tài)貢獻(xiàn)率則增加了11.07%。綜合來看，水域和耕地對ESV變化的貢獻(xiàn)率最大，是近30年洪澤湖環(huán)湖地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化的主要貢獻(xiàn)因子。

表5 1990—2020年洪澤湖環(huán)湖地區(qū)不同地類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化的貢獻(xiàn)率

綜上所述，1990—2020年洪澤湖環(huán)湖地區(qū)ESV從226.21億元增加至248.42億元，共計增加22.21億元，主要來源于水域ESV的貢獻(xiàn)。結(jié)合水域和耕地對該地區(qū)ESV變化的貢獻(xiàn)率和3.1中土地利用的變化特征，分析可能原因是省、市各級政府部門對“退圩還湖”“生態(tài)復(fù)綠”等政策落實到位，加之耕地開發(fā)轉(zhuǎn)變成圈圩養(yǎng)殖等因素的影響，導(dǎo)致了減少的耕地面積大量轉(zhuǎn)入到水域面積中，造成了水域面積的持續(xù)擴(kuò)大。本研究中土地利用變化趨勢和各類ESV變化趨勢相似，這與其他學(xué)者得出的結(jié)論相似［16］，但也應(yīng)當(dāng)注意到，土地利用變化雖然是影響ESV變化的重要因素，但是不同土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)對ESV的影響也不容忽視的［17］。水域以小于10%的面積占比貢獻(xiàn)了緩沖帶超過68%的ESV，這主要是因為水域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)遠(yuǎn)高于其他地類，這會對水域ESV在總ESV中的占比造成重要影響，但同時也一定程度上證明了水域?qū)Νh(huán)湖地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)具有重要的價值意義。

5 結(jié)論

（1）近30年洪澤湖環(huán)湖地區(qū)土地利用類型以耕地為主，建設(shè)用地、草地和水域面積增加明顯，增加幅度分別為176.78%、32.20%和18.13%；未利用地和耕地下降幅度為53.40%和11.62%。

（2）1990—2020年，洪澤湖環(huán)湖地區(qū)ESV總體均呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，共計增加22.21億元，ESV變化的主要貢獻(xiàn)因子為水域和耕地的ESV變化，因而保護(hù)環(huán)湖地區(qū)的水域?qū)闈珊鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能具有重要作用。