王 杉 呂寅超 林靜雅 王麗萍 朱 穎

1 蘇州科技大學建筑與城市規(guī)劃學院 江蘇蘇州 215011 2 蘇州園林設計院有限公司 江蘇蘇州 215000

生態(tài)系統(tǒng)服務是指生態(tài)系統(tǒng)的結構、 功能以及經(jīng)過長時間發(fā)展所形成的維持人類賴以生存的環(huán)境條件和效用[1]， 生態(tài)系統(tǒng)服務價值(ecosystem service value， ESV) 評估不僅能夠定量掌握生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展變化， 更有利于生態(tài)環(huán)境資源的合理優(yōu)化和配置[2-3]。 土地利用是人類改造自然的主要方式， 土地利用變化能夠影響或改變生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能， 從而導致ESV 的變化， 進而影響區(qū)域生態(tài)健康。 由此， 基于土地利用視角， 定量評估ESV 成為相關學科關注的熱點。 學者們針對城市[4-7]、 湖泊濕地[8-11]、 森林[12-13]、 流域[14-15]等不同生態(tài)系統(tǒng)進行了生態(tài)服務價值的評估， 在此過程中生態(tài)與經(jīng)濟相結合的新經(jīng)濟范式[16]為地區(qū)可持續(xù)發(fā)展提供了可靠的科學依據(jù)。

本文以蘇州游湖地區(qū)為研究對象， 運用土地動態(tài)度、 ESV 評價和流向模型探究2005—2015 年土地利用變化對ESV 的影響。 研究結果不僅為蘇州游湖地區(qū)土地利用結構優(yōu)化提供科學依據(jù)， 也為相似區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護與建設提供決策支持。

1 研究區(qū)概況

蘇州游湖區(qū)域位于蘇州高新區(qū)鎮(zhèn)湖街道(31°19′12″—31°19′34″N， 120°21′1″—120°22′4″E)，與太湖水貫通相連， 總面積為1 472.8 hm2， 是蘇州市水系與太湖交匯的關鍵地帶， 孕育了多種類型的濕地， 也是蘇州物種資源最為豐富的地區(qū)之一。 2006 年之前， 圍墾后成為蘇州重要的水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)， 受地區(qū)快速城鎮(zhèn)化影響， 本地區(qū)建設用地規(guī)模不斷擴大。 為保護本地區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和物種多樣性， 2006 年在游湖地區(qū)核心地帶進行了太湖濕地公園的建設， 實施濕地生態(tài)保護與修復。 游湖區(qū)域周圍有近10 個行政村， 常住人口2 萬人， 城市化水平為75.8%。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文依據(jù)國家標準 《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T 21010-2017)， 結合蘇州市土地利用特點，將研究區(qū)土地利用類型分為8 類， 即， 耕地(水田、 水澆地和旱地)、 林地、 草地、 水域、 濕地、住宅用地、 建設用地(鎮(zhèn)村道路、 工業(yè)用地、 公共服務用地、 風景名勝及其他特殊用地等) 及其他用地(田坎、 設施農(nóng)用地等)。

土地利用數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云(http:/ /www.gscloud.cn/)， 以2005 年、 2015 年的Landsat 7 TM 數(shù)據(jù)為遙感數(shù)據(jù)源， 空間分辨率為30 m， 提取2 個時期各用地類型分布信息， 經(jīng)過大氣校正、幾何校正， 將影像附統(tǒng)一投影坐標信息: GCS＿WGS＿1984。 利用ENVI4.5， 通過監(jiān)督分類法進行解譯， 并在ArcGis10.2 中進行專題圖制作， 相關空間數(shù)據(jù) (面積、 斑塊數(shù)) 的計算主要通過ArcGis10.2 中的字段計算器工具和地理查詢工具實現(xiàn)， 以此獲得蘇州游湖區(qū)域2005 年和2015 年的土地利用變化數(shù)據(jù)。

ESV 的核算基礎數(shù)據(jù)涉及該地區(qū)的社會、 經(jīng)濟以及土地利用等相關數(shù)據(jù)。 本研究中涉及的社會、 經(jīng)濟等數(shù)據(jù)主要來源《蘇州統(tǒng)計年鑒2005—2015》、 《江蘇統(tǒng)計年鑒2005—2015》 和《中國統(tǒng)計年鑒2005—2015》 等。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用動態(tài)度

土地利用動態(tài)度(K) 能夠表述某一時間范圍內(nèi)不同土地利用類型變化的速度[17]， 通常用來分析土地利用變化差異、 并預測土地利用變化的發(fā)展趨勢[18]， 計算公式如式(1):

式(1) 中:K為某特定時間范圍內(nèi)單一土地利用類型的土地利用動態(tài)度；Ua為研究初期土地利用類型的數(shù)量；Ub為研究末期土地利用類型的數(shù)量；T為時間范圍， 當時間單位為年，K就指研究區(qū)內(nèi)單一土地利用類型數(shù)量變化的年變化率。

2.2.2 土地利用變化趨勢和狀態(tài)指數(shù)

本文運用土地利用變化趨勢和狀態(tài)指數(shù)反映游湖地區(qū)土地利用整體變化趨勢和狀態(tài)， 計算公式如式(2):

式(2) 中:Pt為區(qū)域內(nèi)土地利用變化趨勢和狀態(tài)指數(shù)； ΔUin-i代表第i類土地利用類型最終轉入面積(hm2)； ΔUout-i代表第i類土地利用類型最終轉出面積(hm2)。 當0≤Pt≤0.25 時， 處于平衡狀態(tài)； 當0.25＜Pt≤0.50 時， 處于準平衡狀態(tài)； 當0.50 ＜Pt≤0.75 時， 處于不平衡狀態(tài)；當0.75＜Pt≤1 時， 處于極端平衡狀態(tài)[19]。

2.2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)

參照謝高地等[20]提出的ESV 當量因子表， 以及蘇州游湖區(qū)域的社會、 經(jīng)濟統(tǒng)計資料， 蘇州市2005—2015 年平均糧食產(chǎn)量為7 001.91 kg/hm2?？紤]到糧食產(chǎn)物價格的偏差， 為使數(shù)據(jù)更為合理，參考相關文獻[21]， 統(tǒng)一按2005 年(全國糧食單價平均價格為1.26 元/kg[22]) 的價格計算， 得到蘇州游湖區(qū)域單個ESV 當量因子的經(jīng)濟價值為1 260.34 元。 為了符合具體數(shù)值計算， 林地參照森林、 耕地參照農(nóng)田、 水域參照水體、 其他用地作為未利用地參照荒漠進行簡化計算， 建設用地和住宅用地的ESV 為0， 不列入表內(nèi)， 最終得出蘇州游湖區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)(VC) (表1)。

表1 蘇州游湖地區(qū)不同土地利用類型單位面積的生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù) 元·hm-2·a-1

2.2.4 生態(tài)系統(tǒng)服務價值

根據(jù)研究區(qū)各類土地生態(tài)系統(tǒng)及單位面積價值， 計算出研究區(qū)總ESV， 計算公式如式(3):

式(3) 中: ESV 代表生態(tài)系統(tǒng)服務價值總量(元)；Ai代表第i 種土地利用類型的面積(hm2)；VCij代表第i種土地利用類型第j種ESV系數(shù)(元·hm-2·a-1)；i為土地利用類型，j為生態(tài)系統(tǒng)服務功能的類型。

2.2.5 敏感性指數(shù)分析

本文運用敏感性指數(shù)CS( Coefficient sensitivity ) 分析模型， 對ESV 系數(shù)上下調(diào)整50%后， 計算ESV 對生態(tài)價值系數(shù)變化的響應， 以此獲得ESV 對生態(tài)價值系數(shù)的依賴程度， 計算公式如式(4):

式(4) 中:CS為敏感性指數(shù)；VC為生態(tài)價值系數(shù)；i和j分別為原始價值和生態(tài)價值系數(shù)調(diào)整后價值；k為某種土地利用類型。 若CS＞1， 說明ESV 對于VC來說富有彈性， ESV 對VC敏感；若CS＜1， 說明ESV 相對VC缺乏彈性， ESV 對VC不敏感。 敏感性指數(shù)越大， 代表生態(tài)價值系數(shù)對總ESV 變化具有關鍵作用。

2.2.6 流向性分析

為了反映土地利用類型轉移對其ESV 損益情況的作用及影響， 本文采用流向性分析模型對ESV 進行有效性分析， 計算公式如式(5):

式(5) 中:PLij為原第i類土地利用類型轉移為最終第j類土地利用類型后生態(tài)服務價值的損益情況(萬元)；VCi、VCj分別為第i類、 第j類土地利用類型的生態(tài)服務價值系數(shù)；Aij為第i類土地利用類型轉移為第j類土地利用類型的面積(hm2)。

3 結果與分析

3.1 土地利用時空動態(tài)變化

3.1.1 土地利用動態(tài)變化

根據(jù)2005—2015 年蘇州游湖區(qū)域土地利用類型變化結果(表2)， 濕地和水域是蘇州游湖區(qū)域最主要的土地利用方式， 兩個時期均近或超過總面積的1/4 以上。 濕地和水域面積分別增長了2.05%、 4.79%； 建設用地面積增長顯著， 增長了18.19%； 面積變化量最大的是耕地， 10 年間減少了51.3 hm2， 減少了16.25%； 林地、 草地等占比較低， 其變化率不做重點考慮。

表2 2005—2015 年蘇州游湖區(qū)域各土地類型的動態(tài)變化統(tǒng)計表

3.1.2 土地利用空間變化

從游湖區(qū)域2005—2015 年的土地利用轉移矩陣(表3) 看: 耕地面積轉出最多， 轉移為建設用地、 水域和住宅用地， 轉移量分別為17.50 hm2、12.85 hm2和12.83 hm2； 少量的草地和水域轉換為耕地； 建設用地所增加的面積中， 85%源于耕地的轉移， 而建設用地僅有0.5 hm2轉換為濕地；住宅用地面積的增加全部來源于耕地的轉移， 同時有部分居住用地轉移為濕地和建設用地； 水域增加的面積主要由耕地、 草地和其他用地轉移而來， 分別貢獻了12.85 hm2、 3.14 hm2和3.15 hm2，少量的水域轉移成濕地和耕地。 2005 年之后， 游湖地區(qū)水域、 濕地面積增加的同時伴隨著耕地面積的減少， 而建設用地的增長較為明顯。

表3 2005—2015 年蘇州游湖區(qū)域土地利用轉移矩陣 hm2

通過公式(2) 運算結果可知， 2005—2015年區(qū)域內(nèi)土地利用變化狀態(tài)指數(shù)和整體趨勢(Pt) 值為0.68， 表明蘇州游湖區(qū)域10 年間各類土地轉換趨勢屬于不平衡狀態(tài)， 主要體現(xiàn)在耕地和草地向水域、 建設用地、 住宅用地轉移。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值

3.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務價值估算

研究時段內(nèi)， 游湖地區(qū)耕地、 林地和草地生態(tài)系統(tǒng)服務價值量呈不同程度減少(表4)。 耕地生態(tài)系統(tǒng)服務價值減少了16.2%； 草地減少最多，達到27.6%； 濕地與水域生態(tài)系統(tǒng)服務價值均呈增長狀態(tài)， 年變化率分別為0.20%和0.48%， 但在2005 年、 2015 年， 濕地與水域價值量均超過ESV 總量的94.0%以上， 說明二者是蘇州游湖地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值的主要來源。 從整體上看，水域和濕地對蘇州游湖區(qū)域的發(fā)展具有重要意義，也在一定程度上反映了本地區(qū)濕地保護建設的成效。

表4 2005—2015 年蘇州游湖區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務價值及其變化

蘇州游湖地區(qū)ESV 從2005—2015 年凈增加了2.1%， 增長幅度較為緩慢， 但呈現(xiàn)出良好的趨勢。 結合本研究區(qū)在研究時段內(nèi)土地利用類型的動態(tài)變化可知， 年變化率較大的耕地、 草地沒有導致總體ESV 的減少； 建設用地的增加對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響沒有凸顯， 但若對建設用地規(guī)模及土地轉換速率缺乏控制， 必將會影響本地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務總價值和健康發(fā)展。

3.2.2 敏感性分析

通過公式 (4) 對生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)(VC) 上下調(diào)整50%， 計算得到蘇州游湖區(qū)域2005 年和2015 年的敏感度指數(shù)(CS)。 結果(表5) 表明， 各類型土地生態(tài)系統(tǒng)服務價值的敏感度指數(shù)均小于1， 說明蘇州游湖區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務價值缺乏彈性， 即ESV 對VC 不敏感， 采用的生態(tài)服務價值系數(shù)對地區(qū)生態(tài)服務價值影響不大，選用的生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)合理、 結果可靠。

表5 2005—2015 年蘇州游湖區(qū)域生態(tài)服務價值敏感度指數(shù)(CS)

3.2.3 流向性分析

運用公式(5) 獲得游湖地區(qū)土地利用類型變化的生態(tài)系統(tǒng)服務價值損益。 由表6 可知，2005—2015 年， 蘇州游湖地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值增加， 主要源于耕地、 草地和其他用地的生態(tài)系統(tǒng)服務價值流向了水域生態(tài)系統(tǒng)服務價值， 三者占據(jù)總體生態(tài)系統(tǒng)服務價值的95%。 耕地轉為水域產(chǎn)生最高的生態(tài)系統(tǒng)服務價值， 增長幅度達63.25%； 其次耕地及其他用地的生態(tài)系統(tǒng)服務價值流向濕地， 也為本地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務總價值的增加起到了一定的作用； 草地和其他用地轉移為水域， 減少了水域轉為其他用地土地類型帶來的經(jīng)濟損失； 水域的價值轉移為耕地和濕地， 損益情況基本持平。

表6 2005—2015 年蘇州游湖區(qū)域土地利用變化的生態(tài)服務價值流向分析 萬元

由表6 還可看出， 各類土地利用類型的轉移最終并不是都有利于ESV 增加方向， 部分耕地、草地、 水域面積的減少， 造成價值負向流失， 因此本地區(qū)需加強對水域、 濕地、 耕地和草地的保護， 促使地區(qū)生態(tài)服務價值增長。

4 討論

本研究中ESV 評估多采用Costanza 等[2]提供的價值系數(shù)或謝高地等[20]優(yōu)化的價值系數(shù)， 其中，土地面積指標具有關鍵作用， 土地利用變化與ESV緊密相關， 影響土地利用變化的各類因素也影響區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務價值。 通過價值系數(shù)的方法雖然只能獲得相對靜態(tài)的ESV 價值， 但是其變化趨勢能夠對地區(qū)生態(tài)保護決策提供依據(jù)[23-24]。

蘇州游湖地區(qū)2005—2015 年土地利用變化明顯受城鎮(zhèn)化快速發(fā)展及生態(tài)保護等兩種作用力的推動。 研究時段內(nèi)， 游湖地區(qū)各地類中， 建設用地的增長和耕地面積的減少， 在一定程度上減緩了地區(qū)總ESV 的提升， 但濕地與水域的緩慢增加， 依然促進了地區(qū)ESV 的增長。 由此也說明濕地和水域是促進游湖地區(qū)ESV 提升的關鍵地類， 同時也表明“退田還湖” “退田還濕” 等生態(tài)保護工程的實施對于提高ESV 具有積極的促進作用， 這與朱穎等[25]對太湖流域生態(tài)系統(tǒng)服務價值研究結果具有一致性。 由于濕地或水域生態(tài)修復具有長期性、 復雜性， 其生態(tài)功能的發(fā)揮仍需進一步關注。

5 結論

1) 蘇州游湖區(qū)域在2005—2015 年土地利用變化較為明顯。 10 年間， 耕地、 草地、 林地面積減少， 尤其是耕地面積減少明顯； 水域、 濕地、建設用地面積呈增長狀態(tài)， 尤其是建設用地面積增長明顯； 住宅用地和其他用地也呈增長狀態(tài)。

2) 研究時段內(nèi)， 本地區(qū)各類土地轉換趨勢屬于不平衡狀態(tài)。 耕地大部分轉移為建設用地、 水域和住宅用地； 建設用地增加的85%、 全部增加的住宅用地均來源于耕地的轉移； 水域增加的面積主要由耕地、 草地和其他用地轉移而來。 2005年之后， 隨著太湖濕地公園的建設， 水域、 濕地面積增加的同時伴隨耕地面積的減少， 此時建設用地的呈現(xiàn)較為明顯的增長。

3) 研究時段內(nèi)， 蘇州游湖地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值增加主要是因為耕地、 草地和其他用地的生態(tài)系統(tǒng)服務價值流向了水域生態(tài)系統(tǒng)服務價值。蘇州游湖地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務總價值(ESV) 凈增加了2.1%， 年變化率較大的耕地、 草地以及建設用地對本地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務總價值的影響不明顯。

4) 研究時段內(nèi)， 濕地和水域是蘇州游湖區(qū)域最主要的土地利用方式。 蘇州游湖地區(qū)總生態(tài)系統(tǒng)服務價值隨著濕地、 水域面積的增長而提升。