三峽庫區蓄水前后土地利用變化對生態系統服務價值的影響

國洪磊,周啟剛

(重慶工商大學 旅游與國土資源學院,重慶 400067)

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三峽庫區蓄水前后土地利用變化對生態系統服務價值的影響

國洪磊,周啟剛

(重慶工商大學 旅游與國土資源學院,重慶 400067)

隨著三峽庫區蓄水完成以及城鎮化進程的推進，土地利用結構發生了明顯變化，其相應的生態系統服務價值也發生了改變。研究以三峽庫區2000年、2007年和2014年三期的TM影像數據為數據源，利用RS和GIS技術，提取各期土地利用現狀圖，分析了三峽庫區各期土地利用類型的數量、變化狀態、轉移趨勢以及土地利用動態度、土地利用程度的變化特征，研究了三峽庫區蓄水完成前后土地利用變化對生態系統服務價值的影響，最后利用敏感性指數模型驗證結果的準確性。結果表明：2000—2014年三峽庫區總體上呈現耕地、草地、林地和未利用地面積減少，建設用地、水域面積增加的趨勢；建設用地和水域土地利用動態度較大，草地、耕地和林地動態度較小；2000—2014年三峽庫區生態系統服務價值總體上呈現減少的趨勢，14 a間減少了0.63億元；三峽庫區所有土地利用類型的敏感性指數均小于1，生態系統服務價值對生態價值系數缺乏彈性，結果可信。研究結果有助于了解近14 a來三峽庫區的土地利用變化特征，從而為三峽庫區土地利用的結構調整和環境保護提供參考。

三峽庫區; 土地利用; 生態系統服務價值; 敏感性指數

生態系統服務是指人類以間接或直接的方式通過生態系統的結構、過程和功能從生態系統得到生態支持的產品和服務以獲取利益[1]。土地利用/覆被變化(LUCC)與人類生產活動有密切的聯系,也是全球氣候變化的重要組成部分和主要變化原因[2]。土地利用對于某一區域的生態環境有著至關重要的作用，近幾十年的土地利用活動已經改變了幾乎所有的地球景觀，并產生了諸多生態和環境問題[3]，因此生態系統服務價值也發生了相應的變化，土地利用變化與生態系統服務價值的關系也成為了熱點研究問題之一。隨著人口增長、經濟發展、城市化進程的加快以及生態環境問題的加劇，使得區域發展對土地需求不斷擴大，國內外對于土地利用變化與生態環境之間的關系也以氣候、水溫、土壤等單一要素的研究轉向整個生態系統[4-6]。1970年聯合國大學首次提出了生態系統服務功能的概念[7]；20世紀90年代Costanza估計了各種生態系統的各項生態系統服務價值[8]；2003年謝高地等[9]對于Costanza提出的生態系統服務價值估算的不足進行了修正；近年來國內多數學者對于重慶[10]、湖南[11]、長三角[12]等地區進行了生態系統服務價值的研究。目前關于三峽庫區的研究多集中于土地利用單方面或者三峽庫區重慶段土地利用變化與生態系統服務價值關系的響應特征[13-14]，對于整個三峽庫區土地利用變化與生態系統服務研究較少。

三峽庫區擁有獨特的生態系統，是我國重要的生態寶庫，當前和今后相當長的時期內三峽庫區的生態環境在經濟發展中始終占據著重要地位。近年來，隨著重慶市的直轄和三峽庫區蓄水完成，庫區的經濟發展伴隨著生態移民、城市發展、基礎設施建設等，使得土地資源發生了很大變化，從而與之密切相關的生態系統服務價值也發生了變化。研究將RS和GIS技術相結合，以Landsat TM影像為數據源建立三峽庫區2000—2014年土地利用數據庫，進而估算庫區生態系統服務總價值，并驗證結果的準確性，探討三峽庫區蓄水完成前后土地利用的變化與生態系統服務價值之間的關系，以期為庫區土地資源的合理優化配置及生態環境的保護提供參考依據。

1　研究區概況

三峽庫區位于北緯29°—31°50′，東經106°20′—110°30′，總面積約5.7萬km2，位于四川盆地和長江中下游平原的結合部，北面和南部分別為大巴山和川鄂高原，地形復雜，多山谷。三峽庫區包含了重慶主城區(渝中區、江北區、北碚區、渝北區、巴南區、南岸區、沙坪壩區、九龍坡區和大渡口區)以及巫山縣、巫溪縣、奉節縣、云陽縣、開縣、忠縣、豐都縣、武隆縣、石柱縣、萬州區、涪陵區、長壽區、江津區和湖北省境內的宜昌縣、興山縣、秭歸縣、巴東縣；三峽庫區地處我國亞熱帶濕潤氣候區，夏季高溫多雨，冬季溫和濕潤，水熱資源具有優勢，垂直氣候帶明顯。三峽庫區蓄水完成歷經三個階段：2003年6月為第一階段，水位達到135 m；2006年9月為第二階段，蓄水位上升至156 m；2009年9月為第三階段蓄水完成，蓄水位為175 m。隨著三峽庫區的蓄水完成以及庫區內區縣的經濟發展，三峽庫區的土地利用結構和生態環境受到了較大影響，對其進行研究能夠了解到三峽庫區生態系統服務價值的變化情況，從而為三峽庫區的土地利用結構優化配置提供參考依據。本研究參照《土地利用現狀分類》(GB/T21010—2007)，結合三峽庫區實際情況，將其劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地6類。

2　數據來源與數據處理

2.1數據來源

本研究以三峽庫區2000年、2007年和2014年Landsat TM遙感影像為數據源，軌道號分別為125038，125039，126038，126039，126040，127038，127039，127040，128039，128040。所有影像數據采用ALBERS投影，中央經線采用東經110°，雙標準緯線分別為北緯25°和47°，其中TM影像數據1，2，3，4，5，7波段的空間分辨率均為30 m，第6波段分辨率為120 m，影像時段均為當年8—10月。

2.2數據處理

首先對遙感影像數據進行預處理，預處理方法主要包括對影像圖進行輻射校正、幾何校正和鑲嵌處理。運用Erdas 9.1軟件對三峽庫區2000年、2007年和2014年的Landsat TM遙感影像進行4，3，2波段組合，采用人機交互的解譯方法獲取研究區2000年，2007年，2014年三期Landsat TM 遙感影像的土地利用數據。為了保證判讀結果的精度要求，采取邊解譯邊檢驗的原則，組織經驗豐富的高級技術工程師和專家教授隨機檢驗判讀精度，同時借助土地利用現狀圖、地形圖及野外驗證結果保證遙感影像解譯的準確性。部分數據指標借助統計年鑒等相關資料經統計分析后所得。

3　研究方法

3.1土地利用動態度

土地利用動態度是用來分析研究土地利用的變化模式，表達了某一區域一定時間段內各類土地利用類型的數量變化和變化速度情況。土地利用動態度對比較土地利用變化的區域差異和預測未來土地利用變化趨勢具有積極的作用[15]。應用土地利用動態度指數可以真實表現研究區各土地利用類型的變化劇烈程度，其計算公式為：

(1)

式中：K表示研究時段內某一土地利用類型動態度；Ua，Ub表示研究期初及研究期末某一種土地利用類型的數量；T表示研究時段長度，當T的時段設定為年時，K的值就是該研究區某土地利用類型年變化率[16]。

3.2土地利用程度

土地利用程度主要反映土地利用的廣度和深度[17]，是一個區域土地利用程度的指標，表現為人類對土地系統的影響程度，以此來研究和預測土地利用的未來發展方向。土地利用程度指數越高，表示土地類型受到的人為干擾程度越大，從而向人為干擾程度較高的建設用地類型發展。根據劉紀遠先生等提出的土地利用程度的綜合分析方法[18]，將土地利用程度按照土地自然綜合體在社會因素影響下的自然平衡狀態分為若干級，并賦予分級指數，從而給出土地利用程度綜合指數及土地利用程度變化模型的定量化表達式[19]，土地利用程度指數公式為：

(2)

式中：L表示研究區域土地利用程度指數；Ai表示研究區域內第i級的土地利用程度分級指數；Ci表示研究區域內土地利用程度分級面積百分比；n表示土地利用程度的分級數。

本研究將三峽庫區劃分為4個等級：未利用地為1等，林地、草地和水域為2等，耕地為3等，建設用地為4等(表1)，

表1　土地利用程度分級賦值

3.3土地利用轉移模型

對三峽庫區2000年和2014年兩期的土地利用進行轉移矩陣運算，以得到不同時期不同用地類型之間的轉移變化關系，了解研究區域初期各土地利用類型的土地流向及研究末期各土地利用類型的來源構成，從而對土地利用的數量變化、轉移情況分析，其計算公式如下[20]：

(3)

3.4生態系統服務價值估算

本研究通過謝高地等[9]提出的我國生態系統服務的價值系數來計算三峽庫區生態系統服務價值。本研究結合三峽庫區實際情況，對生態系統服務價值當量因子表進行部分修正：耕地對應農田、林地對應森林，草地對應草地，因三峽庫區多河流水面，水域用地與水體對應，建設用地賦值為0，未利用地與荒漠對應，從而獲得三峽庫區生態系統單位面積生態服務價值當量表(表2)。以三峽庫區2000年、2007年、2014年三年的糧食平均產量(4 577 kg/hm2)以及平均價格(1.65元/kg)為研究區基準單產和價格基準，得出三峽庫區的生態系統服務價值當量因子為1 078.86元/hm2，進而利用所列公式(式4)計算出三峽庫區不同土地利用類型單位面積生態系統服務價值系數(表3)。

ESV=∑(Ak×VCk)

(4)

式中：ESV為生態系統服務價值；Ak為土地利用類型k的面積；VCk為生態系統價值系數。

表2　三峽庫區生態系統單位面積生態服務價值當量表

3.5敏感性分析

研究區域利用經濟學原理彈性系數中的敏感性指數(CS)來核實生態系統服務價值(ESV)隨著時間變化對生態系統價值系數(VC)的依賴程度，以此驗證選取價值系數的準確性。當CS>1時，表示ESV對VC是敏感富有彈性的，即1%的自變量變動將引起應變量大于1%的變動，則結果準確度差和可信度較低；如果CS<1,則說明ESV對VC是不敏感缺乏彈性的，其結果可信。公式如下[21]：

(5)

式中：CS為敏感性指數；ESVi為初始生態系統服務總價值；ESVj為調整后生態系統服務總價值；VCik為第k種土地利用類型的初始生態系統價值系數；VCjk為第k種土地利用類型調整后生態系統價值系數。

4　結果與分析

4.1土地利用變化分析

利用軟件ArcGIS 10.1對三峽庫區2000—2014年土地利用數據進行統計分析，計算各地類面積和比例，如表4所示。

表3　三峽庫區不同土地利用類型單位面積生態系統服務價值系數　元/hm2

表4　2000-2014年三峽庫區各土地利用類型面積統計

由表4可知，三峽庫區2000—2014年各土地利用類型面積的分布狀況。其中，林地和耕地分布最為廣泛，林地主要分布在三峽庫區的下游地段，耕地主要分布在三峽庫區的中上游地段。三峽庫區總體上呈現耕地、林地、草地和未利用地面積減少，水域和城鎮建設用地面積增加的趨勢，具體表現為：建設用地面積增幅最大，面積從127 361 hm2增加到186 199 hm2，增加了58 838 hm2，主要是重慶市直轄所帶來的機遇以及經濟的快速發展，導致城鎮建設用地需求不斷增加；耕地和林地面積一直處于下降狀態，分別減少50 053 hm2，26 526 hm2；受三峽庫區蓄水的影響，水域用地面積逐年增加，從132 305 hm2增加到151 344 hm2；由于草地和未利用地在三峽庫區所占面積比例本身比較小，因此草地和未利用地面積變化數量很小，草地也略有減少，而未利用地面積有所增加。2000—2014年，未利用地面積僅占三峽庫區總面積的0.03%,表明三峽庫區的土地開發利用程度較高，然而后備土地資源不足。

4.2土地利用動態度分析

研究區域利用2000—2014年三峽庫區土地利用現狀矢量數據，統計出各土地利用類型的年變化量，同時根據土地利用動態度方法計算出各土地利用單一動態度指數。由表5可知，2000—2014年年變化量最多的是建設用地，年均增加4 202.72 hm2，其次是耕地和林地，年均減少分別為3 575.21，1 894.74 hm2；年變化量最小的是未利用地，年均減少0.77 hm2。三峽庫區蓄水完成前(2000—2007年)，耕地和林地減少面積較小，僅為2 018，901 hm2，隨著三峽庫區蓄水完成之后(2007—2014年)以及城鎮化的快速推進，耕地和林地面積迅速減少，分別達到5 132.43，2 888.48 hm2。土地利用動態度方面，2000—2014年三峽庫區建設用地和水域增速最快，達到0.033 0，0.010 3；耕地、林地、草地和未利用地動態度指數均為負數，表明各地類均在減少，其中耕地動態度值為-0.001 6，減少速度最快。

4.3土地利用程度分析

根據土地利用程度指數模型得到三峽庫區各土地利用類型的土地利用程度指數。由表6可知2000—2014年三峽庫區土地利用程度呈現增加的趨勢，由2000年的242.5%上升到243.63%，說明三峽庫區土地利用處于發展上升期。土地利用程度的水平主要由耕地和林地決定，其土地利用程度指數均在100%以上，尤以耕地最高；耕地和林地土地利用動態度指數總體呈下降趨勢，然而建設用地利用程度指數增加明顯，由8.88%增加到12.96%，因此三峽庫區土地利用綜合程度也上升；三峽庫區蓄水之前利用程度最低僅為4.62%，隨著庫區的逐次蓄水，其土地利用程度指數在2014年也達到最高值為5.26%；草地和未利用地的土地利用程度變化并不明顯。

表5　三峽庫區2000—2014年各類型土地利用動態度

表6　三峽庫區2000-2014年各類土地利用程度綜合指數　%

4.4土地利用轉移分析

通過ArcGIS 10.1對三峽庫區2000年和2014年兩期土地利用圖進行疊置分析從而獲得土地利用轉移矩陣，見表7。從三峽庫區不同土地利用類型的轉移情況來看，主要表現為建設用地的增加和耕地、林地的減少。城鎮建設用地面積的增加主要來源于耕地和林地，其中耕地面積為41 192 hm2，林地面積為17 916 hm2；2009年9月三峽庫區蓄水完成，蓄水位達到175 m，同時伴隨著城市化水平提高，大量耕地被占用，使得耕地轉向水域和建設用地的面積分別達到10 632 hm2，41 192 hm2，同期向耕地轉入的多為林地和草地，轉化面積分別為3 842 hm2，635 hm2；草地的變化主要表現為向林地和水域的轉出，轉出面積分別為1 057 hm2，850 hm2，而林地和耕地的轉入面積分別為988 hm2，630 hm2；而未利用地在轉出和轉入方面均較小。由此可知，2000—2014年，三峽庫區耕地和林地是最易受人類干擾的土地類型，多數耕地和林地向城鎮建設用地轉變。

表7　2000-2014年三峽庫區土地利用轉移矩陣　hm2

4.5生態系統服務價值計算分析

由表8可知，14 a來，三峽庫區的生態系統服務總價值總體上呈現減少趨勢，從2000年的979.58億元下降到978.95億元，減少了0.06%，總體變化較小。其中2000—2007年三峽庫區生態系統服務價值從979.58億元增加到982.45億元，主要原因是由于2000—2007年，耕地、林地面積減少速度較慢，同期三峽庫區蓄水使得水位上漲，水域面積增大，且水域用地的生態系統服務價值系數最高，因此生態系統服務總價值增加；2007—2014年三峽庫區生態系統服務價值又減少到978.95億元，是由于這一時間段內建設用地增加較快，且多為耕地和林地向建設用地轉化，而庫區蓄水完成，水位處在較為平穩的狀態，使得庫區內的生態系統服務總價值又有所下降。

表8　三峽庫區2000-2014年生態系統服務價值　億元

土地利用結構的變化對生態系統服務總價值的影響較大。研究期間三峽庫區耕地、林地和草地的生態系統服務價值都呈下降趨勢，由于林地生態系統價值系數僅次于水域，且林地面積減少了26 526 hm2，林地損失價值最多，減少了6.25億元；耕地損失價值由162.59億元減少到158.86億元，減少約2.29%；草地減少0.08億元；由于水域的生態系統價值系數最大，水域面積的增加使得水域生態系統服務價值增加了9.44億元，增加約14.39%；未利用的生態系統服務總值沒有發生變化。

在ArcGIS 10.1中利用feature to raster 功能，將三峽庫區土地利用三期矢量數據轉換為柵格，基于1 km ×1 km網格分析三峽庫區三個時段生態系統服務價值的空間分布差異，并根據劉桂林等[12]對各土地利用類型生態系統服務價值進行重新分類：極低(<0.1萬/hm2)、低(0.1～1萬元/hm2)、中(1～3萬元/hm2)、高(>3萬元/hm2)。2000—2014年，三峽庫區生態系統服務價值極低區域主要分布在三峽庫區各區縣建成區，其中隨著城市化進程的加速，重慶主城區分布最為密集顯著，且呈現出向四周擴展的趨勢；低生態系統服務價值分布與耕地、草地相吻合；由于林地本身基數較大，所占比例較高，2000—2014年林地所代表的中生態系統服務價值區域在空間變化上表現不明顯；生態系統服務價值高的區域與水域流向分布一致，且向兩岸擴大。2000—2014年，較低生態系統服務價值和高生態系統服務價值增加明顯，生態系統服務價值低區域和中區域在空間分布上基本保持不變，變化趨勢不明顯。

4.6敏感性分析

利用前文所述的敏感度指數模型，將耕地、林地、草地、水域和未利用地的的生態價值系數分別上下調整50%，分別得到調整后研究區2000年、2007年、2014年的生態系統服務總價值，根據公式(5)得到不同年份之間的敏感性指數。

由表9可知，2000年、2007年、2014年三峽庫區所有土地利用類型的敏感性指數均小于1，敏感性指數由高到低排序為林地>耕地>水域>草地>未利用地。由于三峽庫區林地面積所占比重最大，且林地單位面積生態系統服務價值較高，因此敏感度最高的是林地為0.757 3，即當林地的生態價值系數增加1%時，三峽庫區生態系統服務總價值將增加0.757 3%；敏感度最小的是未利用地，僅為0.000 007，表明未利用地對三峽庫區的生態系統服務總價值影響較小。因此研究所選取的生態系統價值系數對三峽庫區生態系統服務價值影響不大，生態系統服務價值對價值系數缺乏彈性，研究結果具有可靠性。

表9　三峽庫區2000—2014年生態系統服務價值敏感性指數

從時間序列上來看，2000—2014年三峽庫區林地和耕地的敏感性指數有所降低，主要是由于林地和耕地面積減少，表明生態系統服務總價值受耕地和林地單位面積生態價值系數的影響在減少，但由于耕地和林地本身基數比較大的原因，相對應的敏感性指數仍然較高；隨著水域面積的增加，三峽庫區水域敏感性指數同期從0.067 0上升到0.076 7，表明水域的生態系統價值系數對三峽庫區生態系統服務總價值的增加有所上升；草地和未利用地變化較小，即草地和未利用地生態價值系數對生態系統價值影響較小。

5　結 論

(1)隨著三峽庫區經濟的發展和城鎮化的快速推進，2000—2014年大量耕地、林地被占用且向建設用地轉化，致使建設用地面積增幅較大，使得生態系統服務總價值減少了0.63億元；而三峽庫區在歷經三個階段的蓄水完成后，水域面積增加并且趨于平穩，彌補了耕地和林地面積減少所帶來的生態系統服務價值的損失；草地和未利用地面積雖有所下降但變化并不明顯。林地和耕地的生態系統服務價值有所下降，但在三峽庫區整個生態系統服務總價值中仍然占據著主導地位，尤以林地最高。

(2)空間分布上生態系統服務價值較低區域和高區域呈現擴展趨勢，較低區域主要集中在三峽庫區重慶主城建成區和其他區縣建成區域，高區域的增加則與三峽庫區的蓄水使得水域面積擴大有關；生態系統服務價值較低的區域主要分布在三峽庫區的中上游段，而生態系統服務價值中值區域則主要分布在三峽庫區的下游段和重慶都市區的4條平行山脈(縉云山、中梁山、銅鑼山和明月山)。

(3)通過對各土地利用類型的敏感度分析得出敏感性指數均小于1，其中林地值最高，未利用地最小，水域敏感性指數升高，與三峽庫區土地利用結構轉化以及生態系統服務總價值的變化相契合，研究所選生態價值系數較為合理，結果可信。

雖然14 a間三峽庫區體生態系統服務價值僅減少了0.63億元，土地利用結構調整總體表現較為合理，但仍然反映了單項生態系統服務價值的減弱，這與林地和耕地面積的減少有關。在經濟發展和城鎮化快速推進的進程下，三峽庫區應加強對林地和耕地的保護，合理控制建設用地的擴張，確保生態系統服務價值的可持續狀態。

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Effect of Land Use Change on Ecosystem Service Value Pre and Post the Water Storage in the Three Gorges Reservoir Area

GUO Honglei,ZHOU Qigang

(Tourism and Land Resources School of Chongqing Technology and Business University,Chongqing 400067)

With the completion of water storage and the progress of urbanization in the Three Gorges Reservoir Area,the land use structure has changed significantly,and the corresponding ecosystem service value has changed.Taking three periods TM images of the Three Gorges Reservoir Area as the data source,this paper uses the RS and GIS technology to extract the land use map of each period,analyze the quantity,change state,transfer tendency of the type of land use and the characteristics of land use degree,study the effect of land use change on ecosystem service value pre and post the water storage in the Three Gorges Reservoir Area.The accuracy of the results is verified by the sensitivity index model in the study.The results indicate that the quantity of cultivated land,grass land,forest land,unused land decreased and construction land,water area increased from 2000 to 2014.At the same time,the land use dynamic degree were different of each land class,construction land and water area dynamic degree were high,while the grass land,cultivated land and forest land dynamic degree were very low.During 2000—2014,the value of ecosystem services in Three Gorges Reservoir Area shows a trend of decreasing,the ecosystem service value have increased 0.63 billion yuan.All of the land use sensitivity index are less than 1.The value of ecosystem services in the study area lack of flexibility on the ecological value coefficient.The results are credible.Research results are helpful to understand the characteristics of land use changes in recent 13 years,and the results could provide reference value for the adjustment of land use structure and environmental protection in the Three Gorges Reservoir area.

Three Gorges Reservoir area; land use; ecosystem service value; sensitivity index

2016-01-15

2016-02-03

國家自然科學基金(41101503);國家社科基金重大項目(11&ZD161);重慶工商大學融智學院科研項目(20157002)

國洪磊(1991—),男,山東菏澤人,碩士研究生,主要研究方向:土地資源管理。E-mail:ghl124@126.com

周啟剛(1976—),男,重慶銅梁人,教授,博士,碩士生導師，主要從事3S理論與應用以及土地利用與規劃研究。E-mail:zqg1050@126.com

F301.24

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1005-3409(2016)05-0222-07