彭 毅，王遠超,高 陽

(1.中國地質調查局長沙自然資源綜合調查中心，湖南 長沙 410000；2.中國地質調查局應用地質研究中心，四川 成都 610036；3.中國農業(yè)大學土地科學與技術學院，北京 100193；4.自然資源部農用地質量與監(jiān)控重點實驗室，北京 100193)

0 引言

生態(tài)系統服務是指在生態(tài)系統與生態(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)系統的載體，土地利用/覆蓋變化會直接影響生態(tài)系統的結構和功能[4-6]，對維持生態(tài)系統功能起著決定性作用[7-8]。量化研究生態(tài)系統服務價值(Ecosystem Service Values，ESV)有利于衡量生態(tài)系統服務供給潛力和生態(tài)效益大小，促進土地利用優(yōu)化管控[9-14]。

1997年，Costanza等[15]首次對全球ESV進行了評估，得出全球陸地生態(tài)系統平均每年的服務價值約為12萬億美元，以濕地和森林的服務價值為主，分別占比40%和38%。國內學者中，謝高地等[16]較早開展了ESV相關研究，并于2008年在Costanza等[15]研究的基礎上提出了一種適合中國國情的ESV量化方法[17]，在2015年進一步構建了基于單位面積價值當量因子法的中國陸地ESV的動態(tài)評估方法[18-19]。這一方法被廣泛應用于不同尺度生態(tài)系統的價值評估[20-23]。其中，研究土地利用變化下區(qū)域ESV的變化對了解土地利用變化下的生態(tài)環(huán)境效應以及促進生態(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長江上游ESV的影響，結果表明快速城市化和以經濟利益為目的的發(fā)展模式給生態(tài)系統服務功能和可持續(xù)發(fā)展帶來了巨大壓力。熊鷹等[25]探討了湖南省的ESV時空格局及其動態(tài)演化，結果表明長沙市及周邊區(qū)域因建設用地比例較高，為ESV低值區(qū)。

湖南省是我國內陸開放的經濟中心和長江經濟帶的重要支撐[26]，長沙市是長江中游城市群的核心城市，是中部崛起戰(zhàn)略的重要支點。改革開放以來，長沙市進入快速工業(yè)化、城鎮(zhèn)化發(fā)展階段，社會經濟的發(fā)展及戰(zhàn)略政策的實施導致該地區(qū)土地利用結構發(fā)生顯著變化，局部地區(qū)生態(tài)風險有持續(xù)惡化的趨勢[27]。本文基于ArcGIS軟件及當量因子法，分析了長沙市1990—2018年間的土地利用變化，并對生態(tài)系統服務當量因子進行本地化校正，進而評估了長沙市生態(tài)系統服務空間差異及演化特征，以期為長沙市土地利用優(yōu)化配置和生態(tài)安全管控決策提供支撐。

1 研究區(qū)概況和數據來源

1.1 研究區(qū)概況

長沙市地處洞庭湖平原南端，是我國重要的糧食生產基地，全市下轄6個區(qū)、1個縣，代管2個縣級市，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，隨著國家中部崛起以及長江經濟帶發(fā)展等戰(zhàn)略的實施，長沙市經濟社會發(fā)展步入快車道，人口規(guī)模不斷擴大，對各用途建設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、水質惡化等生態(tài)環(huán)境負效應不斷加劇，生態(tài)系統服務功能衰退風險加大[28]。因此對長沙市進行ESV評估，研究其時空演變趨勢具有重要的現實意義。

1.2 數據來源

本文采用的1990、2000、2010和2018年4期土地利用遙感監(jiān)測數據(30 m×30 m)來源于中國科學院資源環(huán)境科學數據中心(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、建設用地和未利用土地6個一級類型及25個二級類型。社會、經濟數據來自中國物價年鑒(1991—2019年)、湖南省以及長沙市歷年統計年鑒等。

2 技術方法

2.1 土地利用變化分析

2.1.1 土地利用類型動態(tài)度

土地利用類型動態(tài)度指的是研究區(qū)一定時間范圍內土地利用類型的數量變化情況，反映了人類活動對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，可以預測其發(fā)展趨勢。土地利用類型動態(tài)度表達式為

(1)

式中：K為一定時間內某一土地利用類型動態(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為時間,a。

2.1.2 土地利用變化動態(tài)軌跡

一個給定像元在一定時間段所發(fā)生的土地利用類型變化過程，即構成其土地利用變化動態(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態(tài)軌跡。根據土地利用分類體系，將耕地、林地、草地、水域、建設用地、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年間的動態(tài)變化軌跡可用一個4位數編碼表示，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評估與分析

本文依據謝高地等[18]提出的基于單位面積價值的當量因子法，結合長沙市土地利用實際情況，對各項生態(tài)系統服務功能當量進行本地化校正，構建適合長沙市的ESV當量表(表1)。ESV當量因子的價值系數為該區(qū)域1 hm2耕地糧食產量市場價值的1/7[21]。計算公式為

(2)

式中：VC0為ESV當量因子的價值系數,元/hm2/a；P為全國平均糧食價格,元/kg；Qi為研究區(qū)平均糧食產量,kg/hm2；n為年份數。

ESV的計算公式為

ESV=∑(Ak×VCk)，

(3)

ESVf=∑(Ak×VCfk)。

(4)

式中：ESV為生態(tài)系統服務價值；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)系統服務系數,元/hm2/a；ESVf為生態(tài)系統第f單項服務功能價值;VCfk是土地利用類型k的第f項生態(tài)系統服務系數,元/hm2/a。

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

3 結果與分析

3.1 長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)測數據產品，分析了長沙市土地利用的時空動態(tài)變化(圖1)。1990—2018年長沙市各土地利用類型的面積依次為：林地>耕地>建設用地>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年長沙市土地利用結構Fig.2 Land use structures of Changsha City from 1990 to 2018

1990—2018年長沙市土地利用變化的總體趨勢為耕地、林地、草地面積減少，水域、建設用地、未利用土地面積增加，區(qū)內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，但基數較小；其次是建設用地，變化率達257.97%。從變化趨勢上看，建設用地不斷增加，林地和耕地呈減少趨勢，其他土地利用類型的變化存在波動。其中水域在1990—2000年呈減少趨勢，之后開始增加并保持增長趨勢；草地在1990—2000年呈增長趨勢，隨后則處于減少趨勢，且減少幅度不斷加大。

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

3.1.2 土地利用動態(tài)度

根據1990—2018年長沙市4個時期的土地利用遙感監(jiān)測數據，結合公式(1)計算各類土地利用動態(tài)度和綜合土地利用動態(tài)度(表3)?？傮w上長沙市1990—2018年間的綜合土地利用動態(tài)度均為正值，且變化較大，主要受建設用地變化的影響。1990—2000年，長沙市的綜合土地利用動態(tài)度較小，僅為1.93%；2000—2010年，隨著城鎮(zhèn)化進程的啟動，建設用地持續(xù)侵占耕地、林地、草地等，綜合土地利用動態(tài)度達到4.67%；2010—2018年，隨著城市擴張不斷加快，綜合土地利用動態(tài)度高達11.20%。

表3 1990—2018年長沙市各時段土地利用動態(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沙市近30 a來的土地利用動態(tài)變化過程可分為穩(wěn)定型、單一型和波動型3種(表4)。統計時，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)定建設用地等軌跡，單一型和波動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計Tab.4 Statistical results of land use trajectories

(1)穩(wěn)定型。在城市擴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)展的影響相對較小(圖3(a))。

(2)單一型。城市擴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移以及建設用地對耕地、林地的侵占。其中，林地與耕地互相轉移的占比較為接近，且空間分布較為分散平均，表明在一定時期內這種轉移十分普遍，指示了毀林開荒、過度砍伐與生態(tài)意識覺醒后植樹造林、退耕還林等因素的疊加影響；建設用地對耕地和林地的侵占主要分布在城市中心區(qū)域，表明城市的擴張侵占了大量的林地和耕地(圖3(b))。

(3)波動型。城市擴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 長沙市ESV變化

3.2.1 總生態(tài)系統服務價值變化

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

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

3.2.2 各類生態(tài)服務價值變化特征

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

表6 1990—2018年長沙市各類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年長沙市11類單項ESV中僅水資源供給的價值呈增加趨勢，其余10項均持續(xù)減少。其中，食物生產和維持養(yǎng)分循環(huán)的價值下降較快，主要是受耕地、林地、草地面積減少的影響；水資源供給的價值有明顯提升，一方面由于水資源的供給隨著水域面積擴張而增加，另一方面則因為耕地面積的減少使水資源的消耗也相應降低。

3.3 政策因素對長沙市ESV的影響

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

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

4 結論

本文基于土地利用現狀的遙感數據，利用ArcGIS軟件和經本地化校正的當量因子法，分析了長沙市1990—2018年土地利用變化及其對ESV的影響，研究結果可為長沙市調整土地結構、優(yōu)化土地配置提供參考。主要結論如下：

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

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

(3)城市快速擴張引起的土地利用變化勢必會導致ESV不斷下降，“退耕還林”“退田還湖”等政策的實施可在一定程度上減緩ESV的下降趨勢。在調整研究區(qū)土地結構，優(yōu)化土地配置時應充分重視水體、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當量因子主要基于湖南省統一修改系數。然而，湖南省不同區(qū)域內生態(tài)系統差異較為明顯，長沙市作為快速工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的省會城市，其生態(tài)系統質量與全省狀況也存在差異，因此采用此系數在一定程度上會影響ESV的評估精度。此外，建設用地對生態(tài)系統服務的影響不容忽視[31]，由于建設用地對大氣、氣候等環(huán)境因素的影響具有累積效應，難以界定其影響范圍和程度，目前對建設用地ESV的評估方法尚不明確，本文暫時未將建設用地ESV納入評估體系。