基于圖譜分析的三亞市土地利用變化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值

紀(jì)珮瑤段璇瑜劉鐵冬龔文峰

(1.海南大學(xué)林學(xué)院，海南 海口 570228；2.海南大學(xué)智慧林業(yè)重點實驗室，海南 ?？?570228)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(Ecosystem Services，ES)指生態(tài)系統(tǒng)為人類提供的直接或間接性可得利益[1]，體現(xiàn)了生態(tài)系統(tǒng)的功能狀況[2]。定量評估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(ecosystem service value，ESV)，對地區(qū)生態(tài)建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展具有良好促進作用[3,4]。土地利用(Land use/cover change，LUCC)作為人-地作用的集中體現(xiàn)，能夠反映區(qū)域環(huán)境、經(jīng)濟、社會的發(fā)展情況[5,6]，在全球環(huán)境變化過程中扮演著非常重要的角色[7]。LUCC通過直接影響土地所承載的生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能等，從而影響ESV，同時ESV量化也是研究LUCC的有力指標(biāo)[8]。尤其是在濱海旅游發(fā)展快速的城市區(qū)域，明確LUCC及ESV變化，可以為深入研究ESV時空演變對LUCC響應(yīng)機制提供理論基礎(chǔ)，從而在土地利用優(yōu)化視角為ESV提升提供新的方法參考。

目前，ESV與LUCC集成是區(qū)域環(huán)境政策和生態(tài)系統(tǒng)管理等跨學(xué)科領(lǐng)域的熱點。由于LUCC受到環(huán)境和人為干擾雙重作用，因此對于改善生態(tài)環(huán)境，維持生態(tài)平衡，實現(xiàn)土地可持續(xù)利用有非常重要的意義。同時其變化也影響著生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量和演變過程。自1997年Costanza等[9]率先完成全球尺度ESV評估以來，國內(nèi)外學(xué)者掀起ESV量化研究熱潮，對各個尺度[9,10]ESV進行了量化評估，常用的評估方法有價值量評價法、物質(zhì)量評價法和能值分析法[11]?？傊甃UCC及ESV相關(guān)研究內(nèi)容已較為豐富，但目前關(guān)于LUCC與ESV的響應(yīng)研究較少，且鮮有針對濱海旅游城市中二者響應(yīng)的研究。本研究綜合考慮地區(qū)差異性和系數(shù)修正，探討濱海旅游城市LUCC和ESV響應(yīng)機制，以期為濱海旅游城市土地利用、城市規(guī)劃和生態(tài)旅游提供科學(xué)參考和理論依據(jù)。

三亞市作為我國唯一的熱帶濱海旅游城市，旅游業(yè)一直是經(jīng)濟發(fā)展的支柱性產(chǎn)業(yè)。近幾年，隨著三亞房地產(chǎn)行業(yè)繁榮、人口增長和旅游發(fā)展，使得城市迅速發(fā)展快速發(fā)展擴張，土地利用壓力巨大，自然生態(tài)系統(tǒng)被侵占，引發(fā)諸多環(huán)境問題，危及區(qū)域生態(tài)安全。因此，非常有必要從LUCC角度探究人為干擾對區(qū)域ESV時空動態(tài)及內(nèi)部差異性的影響。因此本文以三亞市為例，研究濱海旅游城市LUCC和ESV響應(yīng)，基于土地利用圖譜模型分析區(qū)域土地利用時空演變，利用ESV評估模型探究區(qū)域LUCC對ESV響應(yīng)機制，以期為此類濱海旅游城市土地規(guī)劃、城市建設(shè)和生態(tài)旅游提供科學(xué)參考和理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

三亞市位于N18°09′34″～18°37′27″，E108°56′30″～109°48′28″，見圖1，地處海南島最南端，屬熱帶季風(fēng)海洋性氣候區(qū)。地貌北高南低，北面環(huán)山南面臨海，全市形成“山-河-?！备窬置黠@的地貌特征。東西長91.6km，南北寬51.75km，陸地總面積1921.51km2，海域面積3500km2，下轄崖州、天涯、吉陽、海棠4個區(qū)。海岸線東起藤橋福灣，西至梅山角頭灣止，長209.1km，有19個港灣，大小島嶼40個。作為海南南部的交通樞紐，以及我國對外開放政策中東南沿海的重要口岸之一[12]，三亞已逐步發(fā)展成海南省南部的重要城市。旅游業(yè)作為三亞經(jīng)濟發(fā)展的支柱性產(chǎn)業(yè)，為三亞區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展作出了重要貢獻[13]。

圖1 研究區(qū)地理位置

1.2 數(shù)據(jù)來源

通過地理空間數(shù)據(jù)云下載三亞市1980年、1990年、2000年、2010年、2020年5期Landsat遙感影像數(shù)據(jù)，使用MGE和ARCGIS軟件，對5期數(shù)據(jù)進行投影統(tǒng)一變換。使用波段融合、多光譜增強等方法對遙感影像進行矯正和增強。利用ENVI軟件進行裁剪得到三亞市地理圖件。根據(jù)我國土地利用分類體系，結(jié)合三亞市實際情況，將研究區(qū)土地類型分為林地、水域、濕地、草地、耕地、建設(shè)用地和未利用地7種。再根據(jù)各土地類型在圖像中的不同顏色、紋理、形狀和分布特征，以30m×30m為分辨率，對遙感影像進行解譯，從而獲得三亞市土地利用柵格數(shù)據(jù)。同時將1980—2020年三亞市的糧食總產(chǎn)量和糧食價格等資料整理作為數(shù)據(jù)來源。

2 研究方法

2.1 圖譜分析法

土地利用圖譜可以同時反映區(qū)域LUCC空間格局和時序特征[14]，而其他常規(guī)LUCC分析方法只能反映區(qū)域LUCC時間或空間的單一特征。本文選取30m×30m分辨率作為圖譜基本空間單元，選取研究區(qū)1980年、1990年、2000年、2010年、2020年5期遙感影像數(shù)據(jù)，每2期作為1個圖譜時序單元。利用ArcGIS 10.6的疊加分析功能對2期遙感數(shù)據(jù)進行分析，得到土地利用圖譜單元類型的2位數(shù)編碼值，從而得到三亞市LUCC相應(yīng)圖譜。圖譜計算公式：

C=10A+B

式中，C為研究階段內(nèi)LUCC模式圖譜單元柵格屬性；A和B為研究初期和研究末期的對應(yīng)的LUCC圖譜柵格屬性。

2.2 ESV模型法

本文采用Costanza[9]等提出的全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值計算模型，計算各項生態(tài)服務(wù)提供的生態(tài)價值和區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值。公式[15]：

ESV=∑(Ak×VCk×Dt×Qt)

ESVf=∑(Ak×VCfk×Dt×Qt)

VCk=∑VCfk

式中，ESV為研究區(qū)總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，元；Ak為第k類土地利用類型的面積；VCk是第k類土地類型對應(yīng)的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)；ESVf表示生態(tài)系統(tǒng)第f項服務(wù)項目所提供的生態(tài)價值，元；VCfk為土地利用類型k擁有的第f項服務(wù)功能項目對應(yīng)的價值系數(shù)。

基于中國陸地ESV當(dāng)量表[16]，結(jié)合研究區(qū)實際，三亞市未利用地與荒漠類似，因此把中國荒漠當(dāng)量作為三亞市未利用地當(dāng)量，將建設(shè)用地當(dāng)量值視為0，得到三亞市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量表見表1。

表1 三亞市各土地利用類型的單位面積ESV當(dāng)量表

2.3 敏感性分析

敏感性系數(shù)CS(the coefficient of sensitivity)可以表示ESV對于ESV系數(shù)的依賴程度，指生態(tài)服務(wù)價值系數(shù)改變后對ESV造成的影響[17]。兩者之間彈性越小，相互影響越弱，說明計算結(jié)果更加可信，并且CS越接近于1，表明CS越具有參考價值。一般將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)±50%來計算敏感性系數(shù)，計算公式：

式中，ESVi表示價值系數(shù)調(diào)整50%前的區(qū)域價值總量；ESVj表示價值系數(shù)調(diào)整50%后的區(qū)域價值總量；VCik為k類土地利用調(diào)整前的生態(tài)價值系數(shù)；VCjk為k類土地利用類型調(diào)整后的生態(tài)價值系數(shù)。如果CS>1，表明ESV與VC之間富有彈性，結(jié)果可信度較低；如果CS<1，表明ESV與VC之間缺乏彈性，結(jié)果可信度高。

3 結(jié)果分析

3.1 三亞市土地利用變化分析

3.1.1 三亞市土地利用時空格局分析

由圖2可知，三亞市土地利用主要是林地、草地和耕地，三者面積比例始終維持在75%、3%和13%～15%，期間林地面積略增，草地面積下降，耕地面積大幅降低；值得注意的是，建設(shè)用地擴張十分明顯，從1990年占比1.70%提高到2020年占比7.25%，由此三亞市土地利用需求進入了一個更加繁榮活躍的時期。從土地利用變化階段來看，2000年后三亞市建設(shè)用地擴張速度飛升，對土地利用類型產(chǎn)生嚴(yán)重影響：1980—2000年和2000—2020年，建設(shè)用地分別增加8.245hm2和97.934hm2，林地分別減少8.717hm2和58.082hm2，耕地分別減少15.769hm2和44.075hm2。由此可見，21世紀(jì)我國城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略調(diào)整，同時在國際旅游島建設(shè)時代背景下，2000—2020年土地利用變化的程度遠(yuǎn)大于1980—2000年，其建設(shè)用地加速擴張，耕地面積大幅減少，水體擴張速度放緩?？傮w而言,隨著三亞市城市化推進和國際旅游島建設(shè)，建設(shè)用地持續(xù)擴張；相比之下林地、草地和耕地占有率下降，土地結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整；林地作為三亞市最重要的土地利用形式，占有率在短時間內(nèi)不會有太大改變。

圖2 1980—2020年三亞市土地利用圖譜

3.1.2 三亞市土地利用漲落勢圖譜分析

在ARCGIS中對每2次柵格數(shù)據(jù)進行疊加分析，根據(jù)土地利用轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出對疊加后的數(shù)據(jù)進行重分類，得到三亞市2個時序單元的漲落勢圖譜，見圖3。1980—1990年林地新增面積10.760hm2，占新增總面積48.03%，主要位于崖州和天涯區(qū)；新增水域0.61hm2，主要位于海棠區(qū)；新增建筑用地0.53hm2，主要位于天涯和吉陽區(qū)。1990—2000年建設(shè)用地新增77.346hm2，占新增總面積88.16%，主要位于吉陽和天涯區(qū)；新增水域5.596hm2，主要位于天涯區(qū)。2000—2010年與2010—2020年土地變化劇烈，變化面積分別為91.799hm2、70.785hm2，建設(shè)用地分別增加46.967hm2、54.087hm2，主要集中在靠近海岸線的區(qū)域，不同的是，2000—2010年天涯區(qū)因興建水庫新增大量水域，由此可以看出，2000—2020年天涯區(qū)與吉陽區(qū)作為發(fā)展重心，其濱海建筑業(yè)發(fā)展給當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境帶來不小沖擊。

從圖3可以看出，1980—1990年耕地萎縮面積最大，為5.159hm2，占總萎縮面積42.27%，主要位于崖州區(qū)，用于退耕還林。1990—2000年耕地萎縮面積最大，共11.895hm2，占總萎縮73.87%，主要位于天涯和吉陽區(qū)，本時期耕地主要轉(zhuǎn)化為建筑用地與水域。2000—2010年與2010—2020年林地分別萎縮35.744hm2、32.828hm2，耕地分別萎縮34.314hm2、22.997hm2，二者均大量向建設(shè)用地轉(zhuǎn)入，主要集中在天涯和吉陽區(qū)。說明2000年后，三亞城市化進程加快，城市建設(shè)規(guī)模擴大。耕地作為主要的作物和糧食來源，其持續(xù)萎縮必定會影響當(dāng)?shù)丶Z作物食產(chǎn)量，給城鎮(zhèn)居民帶來不良影響。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值分析

圖3 三亞市土地利用漲落勢圖

3.2.1 各地類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值

基于三亞市各土地類型面積及對應(yīng)的生態(tài)價值系數(shù)，計算得出1980—2020年三亞市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，見表2?？芍?980—2020年三亞市ESV總體呈減少趨勢，共減少125.27萬元。林地、草地、耕地、濕地、未利用地ESV整體減少，分別減少了125.45萬元、5.15萬元、48.09萬元、57.91萬元、0.03萬元；水域ESV增加了111.36萬元。從各地類角度，林地ESV占比最大，占比保持80%以上；其次是水域和耕地，二者總占比多年超10%。從變化量角度，1980—2000年ESV持續(xù)增長，共增長35.19萬元，其中水域和林地ESV增長27.21和22.15萬元，貢獻率為50.74%、41.30%，其次為濕地增加4.27萬元；耕地減少量最大共12.68萬元，貢獻率68.76%，其次為草地減少5.76萬元。2000—2020年ESV顯著下降，共下降160.46萬元，其中水域ESV增加84.15萬元，貢獻率99.29%；林地ESV減少147.6萬元，貢獻率60.19%，其次濕地減少62.18萬元，貢獻率25.36%。林地與濕地作為高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值地類，二者ESV變化幅度最大下降了34%，說明三亞市森林和濕地生態(tài)系統(tǒng)侵占嚴(yán)重且疏于保護，將對研究區(qū)生物多樣性造成嚴(yán)重影響，隨著國際旅游島建設(shè)、土地消耗和城市化進程，三亞將面臨巨大環(huán)境資源壓力。

3.2.2 敏感性分析

通過將當(dāng)量因子±50%來實現(xiàn)ESV系數(shù)變更，采用傳統(tǒng)敏感性指數(shù)CS來評估ESV系數(shù)變化對ESV影響程度，即ESV對系數(shù)依賴程度。計算得到的敏感性指數(shù)都小于1，見表3，由此可知，三亞市ESV對單位面積ESV當(dāng)量變化不敏感，表明研究結(jié)果具有較高的可信度。

表2 1980—2020年三亞市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值

表3 三亞市各土地利用類型當(dāng)量因子與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總量敏感性分析

4 結(jié)論與討論

三亞市作為海南省旅游核心城市和國際重點旅游城市，針對其生態(tài)系統(tǒng)研究有助于濱海城市規(guī)劃，補充關(guān)于典型濱海旅游城市的研究空白。本研究基于1980—2020年5期土地利用數(shù)據(jù)進行了ESV評估和敏感性分析，結(jié)果表明：40a間土地類型以林地、草地和耕地為主，建筑用地不斷擴張，林地、耕地不斷減少，2000年后城市擴張速度明顯增加，對土地利用變化產(chǎn)生巨大沖擊；40a間三亞市ESV總體趨勢先升后降，整體減少了125.27萬元，上升主要源于研究區(qū)域內(nèi)水域面積增加，而林、耕地萎縮是造成研究區(qū)ESV降低的重要原因；經(jīng)調(diào)整后的景觀類型價值系數(shù)，敏感指數(shù)均小于1，研究具有較高的可信度。

研究表明，三亞市城市擴張、房地產(chǎn)開發(fā)和旅游業(yè)發(fā)展造成一定程度的生態(tài)服務(wù)價值惡化。尤其是旅游開發(fā)，盡管能提供一定的娛樂文化價值，但存在生態(tài)系統(tǒng)破壞問題，整體依舊提供負(fù)價值[18]。因此在未來生態(tài)文明建設(shè)中，三亞市應(yīng)當(dāng)加大城市擴張控制力度，加強熱帶雨林和自然水域保護，大力推進生態(tài)旅游建設(shè)，以期合理規(guī)劃土地，注重人類活動和生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。