摘 要:面對資源約束趨緊、環(huán)境污染嚴重、生態(tài)系統(tǒng)退化的嚴峻形勢,建設(shè)生態(tài)文明是當前改善生態(tài)環(huán)境的迫切需要。研究土地利用變化對地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響,能夠為土地資源的可持續(xù)利用與生態(tài)環(huán)境保護建設(shè)提供科學依據(jù)。本文以上海市(陸域)為研究對象,基于2010—2020 年土地利用變更數(shù)據(jù),采用當量因子法和GIS 空間分析技術(shù),分析上海市2010、2020 年兩期的土地利用變化特征與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時空變化的關(guān)系。結(jié)果表明:(1)2010—2020 年,上海市土地利用格局變化明顯,除草地和林地的面積增長外,其他各類用地面積均有不同程度的減少,其中水域面積減少最多,林地面積增加最多。(2)2010—2020 年間上海市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值減少52.65 億元,主要是因為水域面積減少所致。(3)在500 m×500 m 格網(wǎng)尺度下,上海市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值在空間上總體表現(xiàn)為高高、低低集聚,局部呈現(xiàn)高低、低高集聚的特點,人類活動是其主要驅(qū)動因素。
關(guān)鍵詞:土地利用;生態(tài)系統(tǒng);服務(wù)價值;空間分析;驅(qū)動因素
中圖分類號:F293.22;X171.1 文獻標志碼:A 文章編號:2095-1329(2023)03-0079-06
生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過程中所形成及所維持的人類賴以生存的自然環(huán)境條件與效用。量化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(ecosystem service value, ESV)有利于了解生態(tài)系統(tǒng)的供給情況與生態(tài)效益的大小。近年來,隨著人類活動的不斷加劇,土地不合理利用導致的生態(tài)環(huán)境、資源利用等嚴重問題不斷涌現(xiàn),也對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值產(chǎn)生了一系列影響。隨著2001 年聯(lián)合國組織千年生態(tài)系統(tǒng)評估項目的啟動,國內(nèi)外掀起了一股生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值相關(guān)的研究熱潮[1-3]。目前,國內(nèi)外對于土地利用變化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的動態(tài)研究多從土地利用方式、類型、格局變化的響應(yīng)角度出發(fā)[4],各研究者之間僅研究尺度略有不同,從國家、流域到省市、縣域[5-7]。在城市方面,有學者基于樂山市2010、2017 年遙感影像,探析樂山市土地利用變化對ESV 空間分布差異的影響,結(jié)果表明樂山市ESV 的變化呈現(xiàn)極化效應(yīng),需進一步加強區(qū)域生態(tài)管控[8];一些學者發(fā)現(xiàn)在1 km×1 km 格網(wǎng)尺度下,南昌市ESV 在空間上表現(xiàn)為高高、低低集聚,自然資源稟賦與人類活動是其主要驅(qū)動因素[9]。對于上海市,有學者基于Costanza 的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)單價和我國國情,評估了上海中心城區(qū)1947—2006 年土地利用變化對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響,結(jié)果表明60 年間生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能呈現(xiàn)4 個發(fā)展階段,除水域和耕地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能顯著下降外,其余地類均有上升[10];另一些學者同樣基于Costanza 模型,結(jié)合謝高地等的研究成果,計算了2003—2007 年間上海市ESV 的變化情況,結(jié)果顯示ESV 對價值系數(shù)的變化是缺乏彈性的[11]。這兩項針對上海市的研究均缺乏土地利用變化與ESV的空間對應(yīng)研究,故本文以上海市(陸域)為研究對象,基于2010—2020年土地利用變更數(shù)據(jù),采用當量因子法和GIS 空間分析技術(shù),分析上海市2010、2020 年兩期的土地利用變化特征與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時空變化的關(guān)系,旨在為土地資源的可持續(xù)利用與生態(tài)環(huán)境保護建設(shè)提供科學依據(jù)。
1 數(shù)據(jù)來源與研究方法
1.1 研究區(qū)概況
上海市位于中國華東地區(qū),平均海拔高度2.19 m。上海市包括黃浦區(qū)、徐匯區(qū)、長寧區(qū)、靜安區(qū)、普陀區(qū)、虹口區(qū)、楊浦區(qū)、閔行區(qū)、寶山區(qū)、嘉定區(qū)、浦東新區(qū)、金山區(qū)、松江區(qū)、青浦區(qū)、奉賢區(qū)、崇明區(qū)的16 個區(qū),常住人口約為2475.89 萬人。
1.2 數(shù)據(jù)來源
研究數(shù)據(jù)來源于上海市2010 年、2020 年土地利用變更數(shù)據(jù),依據(jù)中國科學院土地利用/ 覆被分類標準,將各細分土地利用類型歸并為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地6 種土地利用類型(圖1)。社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)主要來自《上海統(tǒng)計年鑒》(2011—2021 年)。
1.3 研究方法
(1)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當量的確定
采用我國學者提出的中國生態(tài)系統(tǒng)價值系數(shù)[12],結(jié)合上海市具體情況,依據(jù)上海市2010—2020 年糧食作物產(chǎn)值、糧食單產(chǎn)數(shù)據(jù),綜合相關(guān)文獻和區(qū)域自然情況,采用一個標準生態(tài)服務(wù)當量子的經(jīng)濟價值等于研究區(qū)單位面積農(nóng)田糧食產(chǎn)值的1/7 的中國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)系數(shù)修正方法[13],得出上海市一個生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當量為2491.64元/hm2 。
(2)基于格網(wǎng)的ESV 空間表達
結(jié)合上海市地形特征、面積大小等因素,采用500m×500 m 格網(wǎng)作為評價單元,利用ArcGIS 10.6 軟件確立覆蓋上海市陸域的格網(wǎng)。格網(wǎng)確定后,以每個格網(wǎng)內(nèi)土地利用類型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),計算出各個格網(wǎng)中的ESV:
式中:n E 是每一個格網(wǎng)單元內(nèi)第n 類土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值;s E 是每一個格網(wǎng)單元內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總量;mn A 為第m 個網(wǎng)格中第n 種土地利用類型的面積(hm2 );m LU 為第m 種土地利用類型的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值;k 為土地利用類型個數(shù)。
(3)空間自相關(guān)分析
本文中的全域空間自相關(guān)是利用Moran's I 指數(shù)來判斷上海市ESV 在空間上是否有聚集特性存在,局域空間自相關(guān)是利用Anselin Local Moran's I 指數(shù)判斷上海市ESV 在空間上的聚集空間單元及其空間自相關(guān)性的顯著性。
2 土地利用結(jié)構(gòu)變化
2.1 土地利用數(shù)量變化
表1 反映出2010—2020 年上海市主要土地利用類型一直是建設(shè)用地、耕地,2010 年、2020 年這兩種地類總面積分別占上海市總面積的70.81%、66.82%。從變化量可知,林地和草地面積分別增加39270.09 hm2、17263.71hm2,林地增幅為57.29%,草地增長了10.52 倍;水域和耕地面積大幅減少,面積分別縮減28287.43 hm2、19245.35 hm2,降幅分別為21.61%、10.14%,建設(shè)用地面積縮減8474.49 hm2,降幅達2.81%。
2.2 土地利用轉(zhuǎn)移分析
由表2 可知,2010—2020 年間上海市耕地的轉(zhuǎn)出面積最多,轉(zhuǎn)出67010.97 hm2,主要轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?、建設(shè)用地,面積分別為35686.95 hm2、21318.34 hm2;其次是建設(shè)用地,轉(zhuǎn)出49405.24 hm2,主要轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?、耕地,面積分別為18502.13 hm2、14375.76 hm2;水域轉(zhuǎn)出面積達45698.66 hm2,主要轉(zhuǎn)變?yōu)楦?、建設(shè)用地、林地,面積分別為20202.66 hm2、10709.78 hm2、10407.45 hm2。林地的轉(zhuǎn)入面積最多,為65164.72 hm2,主要由耕地、建設(shè)用地、水域轉(zhuǎn)入,面積分別為35686.95 hm2、18502.13hm2、10407.45 hm2;其次是耕地,轉(zhuǎn)入面積為47765.62hm2,主要由水域、建設(shè)用地、林地轉(zhuǎn)入,面積分別為20202.66 hm2、14375.76 hm2、12512.20 hm2。其中,耕地—林地是永久基本農(nóng)田劃定過程中耕地從嚴判定的體現(xiàn),建設(shè)用地—林地、耕地是上海市近5 年大力推進集建區(qū)外低效建設(shè)用地減量化,將低效建設(shè)用地轉(zhuǎn)為農(nóng)用或生態(tài)用地功能的行動結(jié)果,水域—耕地、林地多為沿海灘涂圍墾造田、郊區(qū)以坑塘水面為代表的水域土地整治的結(jié)果,而耕地、水域—建設(shè)用地是上海市城市化進程中集建區(qū)建設(shè)開發(fā)的結(jié)果。
3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化
3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值數(shù)量變化
通過確立的上海市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當量(2491.64元/hm2),由此計算出上海市6 種土地利用類型的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(見表3)。
在確立各種土地利用類型的單位面積生態(tài)服務(wù)價值的基礎(chǔ)上,采用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值計算公式,計算上海市土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值:
式中:E 代表研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總量;i VC 代表第i 類土地利用類型的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值( 當量/hm2);i A 代表第i 類土地利用類型的面積(hm2);n 為研究區(qū)所有土地利用類型個數(shù)。
表4 反映的是2010—2020 年上海市土地利用的ESV變化情況。由表可知,10 年間ESV 共減少了52.65 億元,降幅達12.54%。從土地利用類型上看,水域是上海市ESV 的主體,在2010 年ESV 達361.673 億元,占總價值量的86.17%;其次是林地和耕地,2010 年ESV 分別為39.196 億元、18.390 億元,占比到達9.34%、4.38%。到了2020 年,六種土地利用類型中,林地和草地的ESV分別增長了22.455 億元、4.917 億元;水域和耕地的ESV分別減少了78.159 億元、1.865 億元。
比較不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型的ESV 可知,水文調(diào)節(jié)的ESV 占比最高,2010、2020 年分別達到72.34%、67.24%。主要原因一是提供水文調(diào)節(jié)的水域基礎(chǔ)當量遠遠大于其他地類,二是在上海市土地利用類型中水域面積較大(見表5)。
比較生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化量(見表2)可知,在土地利用轉(zhuǎn)移過程中,耕地—水域、耕地—林地、建設(shè)用地—水域、建設(shè)用地—林地使得ESV 增加,分別增加23.317億元、16.948 億元、16.744 億元、10.580 億元,共占土地利用類型轉(zhuǎn)移過程中ESV 增加量的86.57%;水域—耕地、水域—建設(shè)用地、水域—林地、水域—草地會導致ESV 減少,分別減少53.862 億元、29.591 億元、22.805億元、10.837 億元,減少量占土地利用類型轉(zhuǎn)移過程中ESV 減少量的89.57%??芍?,2010—2020 年間,上海市水域轉(zhuǎn)向其他用地類型導致了ESV 的減少,而耕地、建設(shè)用地轉(zhuǎn)向水域、林地導致了ESV 的增加,水域的轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出是引起ESV 較大變化的主要原因。
3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值空間分布變化
以500 m×500 m 的格網(wǎng)作為研究單元,計算每個格網(wǎng)的ESV,并按照自然斷點法將上海市ESV 分為五個等級,一級最低,五級最高。圖2 反映的是2010—2020 年上海市ESV 分布情況,由圖可知:(1)2010 年上海市ESV 高值區(qū)主要分布于崇明島的長江北港北支、北湖、東灘、東風西沙、青草沙,寶山區(qū)的陳行—寶鋼水庫、青浦區(qū)的淀山湖—金澤水庫一帶、浦東新區(qū)的南匯沿岸新圍墾灘地、奉賢區(qū)的杭州灣北岸沿海灘涂以及黃埔江等水域占比高的沿河沿岸地區(qū);2020 年ESV 高值區(qū)在南匯沿岸、崇明地區(qū)面積大量縮小,僅在東風西沙地區(qū)有所擴大。(2)2010 年較高值區(qū)除沿高值區(qū)外圍分布外,主要集中分布于崇明島、青浦以及奉賢等郊區(qū)中河流水面、坑塘水面密集分布的地區(qū),2020 年較高值區(qū)在青浦、奉賢區(qū)范圍縮小,在崇明島內(nèi)整體向島內(nèi)、東部轉(zhuǎn)移。(3)中值區(qū)與較低值區(qū)交錯分布,主要分布于郊區(qū)的城郊結(jié)合帶地區(qū),2020 年分布情況基本一致。(4)上海市ESV 低值區(qū)主要位于中心城區(qū)、郊區(qū)集建區(qū)等建設(shè)用地占比高的城鎮(zhèn)化地區(qū),2020 年上海市ESV 低值區(qū)范圍進一步擴大,沿已有集建區(qū)外圍擴張,低值區(qū)的增長主要集中在金山南部、浦東新區(qū)臨港新城地區(qū)。
3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值空間自相關(guān)變化分析
表6 反映的是上海市ESV 各年份Moran's I 統(tǒng)計值計算結(jié)果,由表可知:2010 年、2020 年上海市ESV 的Moran's I 值均大于0,P 值均小于0.001,表明上海市ESV 整體上呈顯著的空間正相關(guān)關(guān)系;2020 年Moran's I值略小于2010 年,表明上海市近10 年來,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值集聚程度降低,相關(guān)性逐漸減弱,在空間上表現(xiàn)為整體較為分散、區(qū)域集聚程度降低的特點。
圖3 是上海市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值LISA 分布圖。由圖可知:2010 年上海市ESV 高—高值聚集區(qū)除集中于ESV高值區(qū)(五級區(qū))外,還分布于水網(wǎng)密集的橫沙島紅星港—新民港地區(qū)、奉賢區(qū)東北部四團港—南大港—三團港地區(qū)以及東南部焦墩港—南門港—南橫港(河)一帶。低—低值聚集區(qū)基本與ESV 低值成片區(qū)分布一致,主要集中于中心城區(qū)、崇明島城橋鎮(zhèn)、長興島船舶制造基地(東、西塊)、寶山區(qū)東部及蘊藻浜兩岸地區(qū)、嘉定區(qū)南部、閔行區(qū)黃浦江西岸、松江區(qū)東北—中部地區(qū)、奉賢區(qū)上海化學工業(yè)區(qū)、金山區(qū)南部杭州灣沿岸、浦東新區(qū)西部黃浦江沿岸;2020 年上海市ESV 空間分布上高—高值聚集區(qū)范圍大幅縮小,低—低值聚集區(qū)僅在浦東新區(qū)、閔行區(qū)及嘉定區(qū)范圍有所縮小。
上海市2010—2020 的十年間ESV 聚集情況發(fā)生較大轉(zhuǎn)變,主要有以下四種變化方式:
(1)非顯著區(qū)轉(zhuǎn)變成高—高值聚集區(qū)的ESV 增值區(qū)面積僅占上海市ESV 增加區(qū)總面積的2.06%,增加量占到了總增加量的10.44%。此類區(qū)域主要分布于崇明島北湖與東灘東側(cè)向島地區(qū)、東風西沙沿江地區(qū)、黃浦江沿岸、奉賢—金山北杭州灣沿岸地區(qū)以及青浦環(huán)淀山湖水網(wǎng)密集區(qū)。崇明島內(nèi)主要以耕地轉(zhuǎn)化為水域和林地為主;黃浦江沿岸土地多以建設(shè)用地轉(zhuǎn)為水域、林地和草地為主;奉賢—金山北杭州灣沿岸地區(qū)多以建設(shè)用地轉(zhuǎn)為水域、林地和草地為主;青浦環(huán)淀山湖水網(wǎng)密集區(qū)多以耕地、建設(shè)用地轉(zhuǎn)化為水域和林地為主(圖4a)。
(2)低—低值聚集區(qū)轉(zhuǎn)變成非顯著區(qū)中的ESV 增值區(qū)面積占ESV 增加區(qū)總面積的8.31%,增加量占總增加量的12.20%。從圖4b 可知,上述區(qū)域集中成片區(qū)基本與近10 年上海市重要生態(tài)空間建成區(qū)重合。浦東新區(qū)東北角沿上海繞城高速沿線—上海浦東國際機場西側(cè)、浦東新區(qū)外環(huán)高速三林—康橋沿線出現(xiàn)的低—低值聚集區(qū)轉(zhuǎn)變成非顯著區(qū)主要是建設(shè)用地轉(zhuǎn)化成林地、草地,建成了環(huán)城綠帶、近郊綠環(huán)區(qū);寶山江楊北路—泰和路—鐵峰路—蘭崗路合圍區(qū)以建設(shè)用地轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)成林地、水域為主,形成吳淞楔形綠地;川楊河、申嘉湖、趙家溝地區(qū)形成的聚集區(qū)主要是建設(shè)用地轉(zhuǎn)化成林地、水域,形成郊區(qū)骨干河道兩側(cè)建設(shè)生態(tài)林帶;寶山羅店美蘭湖、嘉定遠香湖公園及浦東新區(qū)森蘭公園附近均以建設(shè)用地轉(zhuǎn)成水域、草地與林地為主,成為主要城市公園。
(3)非顯著區(qū)轉(zhuǎn)變成低—低值聚集區(qū)中ESV 值降值區(qū)占此類區(qū)域總面積的71.25%,成片分布于工業(yè)園的建設(shè)區(qū)、大型居住社區(qū)新建區(qū)和市政大型工程建設(shè)區(qū)( 圖4c),其中工業(yè)園區(qū)有依托臨港發(fā)展的臨港重裝備產(chǎn)業(yè)基地—臨港物流園區(qū)(奉賢園區(qū))—海港綜合開發(fā)區(qū)、上?;瘜W工業(yè)區(qū)奉賢分區(qū)(基地)杭州灣沿岸、松江工業(yè)區(qū)東區(qū)、嘉定工業(yè)園區(qū)(北區(qū));大型居住社區(qū)新建區(qū)有浦東新區(qū)航頭鎮(zhèn)航三路—航海路—航浦路—滬南公路合圍區(qū)、閔行區(qū)吳涇鎮(zhèn)申嘉湖高速—櫻桃河—淡水河—劍川路合圍區(qū)、滴水湖臨港大道—申港大道地區(qū);市政大型工程建設(shè)區(qū)主要在浦東機場東側(cè)臨海區(qū)。工業(yè)園的建設(shè)區(qū)以林地、耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地為主,大型居住社區(qū)新建區(qū)多以耕地、水域轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地為主,浦東機場東側(cè)臨海區(qū)多以耕地、水域轉(zhuǎn)化為草地、林地為主。
(4)高—高值聚集區(qū)轉(zhuǎn)變成非顯著區(qū)中的ESV 降值區(qū)域面積僅占上海市ESV 減少區(qū)總面積的6.73%,而ESV 值減少量占總減少量的30.99%。主要分布于崇明島的長江北港北支與東灘地區(qū)、浦東新區(qū)的南匯沿岸新圍墾灘地、青浦區(qū)南部、松江區(qū)西南部以及奉賢區(qū)南部地區(qū)。其中,崇明島的長江北港北支與東灘地區(qū)、浦東新區(qū)的南匯沿岸地區(qū)均以水域轉(zhuǎn)成耕地為主,青浦、松江及奉賢區(qū)內(nèi)多以水域轉(zhuǎn)成耕地、林地為主(圖4d)。
4 結(jié)論
本文基于2010—2020 年土地利用變更數(shù)據(jù),采用當量因子法和GIS 空間分析技術(shù),分析了上海市(陸域)2010、2020 年兩期的土地利用變化及其ESV 的轉(zhuǎn)換矩陣、ESV 時空變化的關(guān)系。結(jié)果表明:
(1)2010—2020 年間,上海市土地利用格局變化明顯,林地、草地面積增加,而水域、耕地和建設(shè)用地面積減少,反映了上海市近10 年城市化進程背景下,構(gòu)建“雙環(huán)、九廊、十區(qū)”市域生態(tài)空間結(jié)構(gòu),以保障城市生態(tài)安全,提升城市生態(tài)環(huán)境品質(zhì)的建設(shè)結(jié)果。期間上海市ESV 減少52.65 億元,主要是因為水域面積減少所致。
(2)在500 m×500 m 格網(wǎng)尺度下,上海市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值在空間上總體表現(xiàn)為高高、低低集聚,局部呈現(xiàn)高低、低高集聚,上海市ESV 高值區(qū)主要集中于崇明島、淀山湖、杭州灣、南匯邊灘等大片生態(tài)紅線保護區(qū)域;ESV 低值區(qū)主要集中于市中心城區(qū)。
(3)崇明島長江北港北支與東灘地區(qū)、浦東新區(qū)的南匯沿岸地區(qū)的圍墾造田和近郊青浦、松江及奉賢區(qū)的土地整治以及工業(yè)園區(qū)、城鎮(zhèn)化大型居住社區(qū)、市政重大工程的重大城市建設(shè)是近10 年間上海市ESV 下降的重要因素;近10 年間崇明島(退耕還濕還林工程)、杭州灣(恢復(fù)生態(tài)用地工程)、淀山湖(湖泊生態(tài)治理工程)為代表的重要生態(tài)保護區(qū)—上海市域環(huán)城綠帶、近郊綠帶—連接兩者的楔形綠地—骨干河道生態(tài)帶(濱水生態(tài)空間建設(shè)工程)—區(qū)級公園不同層級生態(tài)空間建設(shè)的重要成效區(qū),使上海市ESV 有一定的提升,表明上海市現(xiàn)有生態(tài)整治工程和手段效果明顯。人類活動是上海市ESV 變化的主要驅(qū)動因素。
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