土地利用變化對生態系統服務價值的影響

摘要：利用遙感和GIS技術，以梅州高新技術產業園區為例，參照中國陸地生態系統單位面積生態服務價值表，研究小尺度區域的土地利用快速變化及其引起的生態系統服務價值變化。結果表明，2003-2013年研究區的建設用地快速增加，耕地和未利用地明顯減少，林地和水域稍有減少；生態系統服務總價值凈減少約2 295萬元，其中林地的生態系統服務價值減少最多，其次是耕地和水域；從生態系統各單項服務功能的價值量來看，土壤形成與保護功能價值減少最多，其次是水源涵養、氣體調節和生物多樣性保護。引入生態系統價值敏感性指數，驗證了研究區總的生態系統服務價值缺乏彈性，研究結果可信。

關鍵詞：土地利用變化；生態系統服務價值；評估；梅州高新區

中圖分類號：F301 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）10-2535-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.10.021

Abstract： Taking Meizhou high-tech Industrial Park as an example， the rapid change of land use and its effects on total ecosystem service value（ESV） in small scale region that were studied. Based on remote sensing and GIS technology， the study was conducted by referring to the ESV computing formula and ESV coefficients of the land ecosystems in China advanced by Xie Gaodi et al. The results show that，from 2003 to 2013， the construction land of the study area increased rapidly， while the farmland and unused land decreased obviously， and the forest land and water area decreased slightly. At the meantime， the net reduction of the total value of ecosystem services was about 22.95 millions， of which the ESV of forest decreased most， followed by arable land and water bodies. From the magnitude of ESV changes for different functions of Meizhou high-tech Industrial Park， the value of soil formation and protection was reduced the most， followed by water conservation， gas regulation and biological diversity protection. By introducing the sensitivity index of ESV， the value of ecosystem services in the studied area was vertified to be lacking in elasticity， and the results were credible.

Key words： land use change；ecosystem service value；assessment；Meizhou high-tech Industrial Park

1997年，Costanza等[1]發表了“全球生態系統服務與自然資本的價值估算”一文，在學術界引起了極大的反響，有力地推動了生態系統服務功能經濟價值評價研究。生態系統服務功能是指生態系統形成和所維持的人類賴以生存和發展的環境條件與效用，是人類賴以生存的基礎，與人類福祉息息相關[1-3]。國內外學者對土地利用變化對生態系統服務價值的影響展開了廣泛的研究和討論，大多數學者以省市級地區為研究對象，Polasky等[4]以美國明尼蘇達市為例，對該市的土地利用變化對生態系統服務、生物多樣性和土地所有者的影響進行了研究；劉永強等[5]以湖南省為研究對象，劉桂林等[6]以長三角地區為研究對象，高奇等[7]則是以晉城市為研究對象，他們研究了土地利用變化（轉型）對生態系統服務價值的影響。目前以小尺度區域為研究對象的土地利用快速變化對生態系統服務功能的影響研究較少，如李屹峰等[8]以密云水庫流域為例，李保杰等[9]以徐州市賈汪礦區為對象，研究了該區域的土地利用變化及其對生態系統服務價值的影響。

本研究選擇梅州高新技術產業園區（以下簡稱為梅州高新區）為研究對象，以2003、2013年2期遙感影像為主要數據源進行實證研究，分析梅州高新區土地利用變化及其引起的生態系統服務價值變化，探討其生態系統服務價值與土地利用結構之間的關系，為小尺度研究區的土地利用規劃、生態環境建設和可持續發展提供一定的參考價值。

1 研究區概況

2003年4月，廣東省人民政府批準設立梅州經濟技術開發區，2004年更名為梅州高新技術產業園區，2005年7月開始在梅縣畬江鎮籌建開發。園區位于梅州市區西南部30 km，地處梅州市區、梅縣區、興寧市、五華縣、豐順縣5個城區的幾何中心位置，緊鄰畬江中心鎮鎮區；梅揭、興畬兩條高速公路及廣梅汕、梅坎兩條鐵路在園區交匯，206國道穿園而過，分別距梅州機場和潮汕國際機場約30和50 min車程。梅州高新區以“生態園區、工業新城”的發展定位進行高標準規劃，總規劃面積約47.7 km2[10]。2008年以來，在廣東省委、省政府“雙轉移”發展戰略下，經過廣州和梅州兩市政府多次規劃，在梅州高新區劃出約13 km2的范圍建立廣州（梅州）產業轉移工業園，在多次獲得廣東省產業轉移競爭性扶持資金資助下，不斷加大基礎設施的投入，并集合了先進制造業、電子信息產業、新醫藥產業以及生物食品工程產業等四大產業。

2 數據來源與計算方法

2.1 數據源及處理

本研究主要采用的數據有2003年Landsat TM影像和2013年Landsat ETM影像數據，為方便對比研究，研究范圍以提取的梅州高新區總體規劃邊界為參考。參考中國科學院遙感解譯土地利用分類系統，將該區域土地利用類型分為林地、耕地、建設用地、水域和未利用土地5類。2003和2013年的遙感影像數據主要處理流程如下：①提取邊界。利用ArcGIS軟件，提取研究區范圍的邊界，并轉換為面狀要素。②提取研究范圍。利用ArcGIS軟件的影像處理功能，先將2013年的影像數據進行波段組合（經過多次波段組合比對，最后選擇波段7、5、3的組合），然后利用已提取好的邊界文件，裁剪出所需的研究范圍。③監督分類。利用ArcGIS軟件的“影像分類”工具，建立各個土地利用類型的訓練樣本，然后進行交互式監督分類，直到對分類結果滿意為止。由于2003與2013年的數據來源不同，源文件格式也不同，所以兩期數據的處理方法也有所不同。2003年的影像數據是先在ENVI軟件中完成預處理、波段組合等操作，然后再在ArcGIS軟件中完成研究范圍提取、監督分類等操作，得到2003年土地利用分類結果。

2.2 生態系統服務價值計算模型

每個區域都有多個不同類型的生態系統，各個生態系統在維持區域生態平衡中有著不同的生態系統服務功能。謝高地等[11]制定的中國陸地生態系統單位面積生態服務價值表已被多位專家學者認可，并根據各自研究區域的實情，對這些服務功能價值進行調整。研究區地處亞熱帶地區，林地以亞熱帶常綠闊葉林為主，耕地以水田和菜地為主，因此，參考謝高地等[11]和葉長盛等[12]的研究成果，結合本地實況修訂，單位林地生態服務價值系數約為全國平均價值的1.45倍，單位耕地生態服務價值系數為全國平均值的2倍（表1）。生態系統服務價值估算公式為[12]：

式中，ESV為研究區生態系統服務總價值（元）；VCi為第i類土地利用類型單位面積的生態功能總服務價值系數（元/hm2）；Ai為研究區內第i類土地利用類型面積（hm2）；n為土地利用類型的數量。

2.3 敏感性指數

王宗明等[13]通過引入生態系統價值敏感性指數（CS），驗證生態系統類型對于土地利用類型的代表性以及生態價值系數的準確性。該指數通過計算ESV對生態價值單價變化的響應來度量ESV對生態價值系數的敏感程度。CS是指VC變動1%引起ESV的變化情況，CS>1，說明ESV對VC是敏感的、富有彈性的；CS<1，則說明ESV對VC是缺乏彈性的。比值越大，表明VC的準確性對估算的ESV就越關鍵。本研究將各種土地利用類型的生態價值系數分別上調和下調50%，計算CS，從而分析ESV對VC的敏感程度。計算公式如下[13]：

式中，ESV為生態服務總價值；VC為生態服務價值系數，i和j為最初價值系數和調整后價值系數；k為某種土地利用類型；CS為生態服務價值敏感度。

3 結果與分析

3.1 土地利用結構變化

利用ArcGIS軟件，將2003年和2013年的分類結果進行布局設計，得到兩期梅州高新區所在地土地利用現狀圖（圖1），總面積均約為4 772.5 hm2。在近10年間，該區域土地利用變化較大，主要表現在建設用地快速增加，耕地和未利用地明顯減少，林地和水域稍有減少。由表2可知，建設用地由2003年的951.2 hm2迅速增加到2013年的2 106.9 hm2，增加了121.50%；耕地從2003年的774.6 hm2減少到2013年的463.0 hm2，減少了40.23%（表2）；未利用地則全部轉換為其他土地類型。建設用地的快速增加，這主要是因為該研究范圍獲得省委省政府批準設立梅州高新區，多方籌措資金，園區建設項目迅速開展，在2013年12月底前，完成園區首期基礎設施建設。

3.2 生態系統服務價值變化

根據公式（1）可計算出梅州高新區各時段生態系統服務的總價值，結果（表3）表明，構成梅州高新區生態系統服務價值的主要土地利用類型是林地，其次是耕地和水域；在10年間，總ESV凈減少2 294.81萬元，變化率為-24.8%，即減少了約四分之一的總值。從各土地利用類型對總ESV的貢獻來看，土地利用變化對總ESV產生的影響較大。2003-2013年間，林地是面積減少最多的類型，其損失的ESV為1 706.73萬元；耕地面積減少了311.6 hm2，損失的ESV為381.05萬元；水域減少的面積約為耕地減少面積的1/6，但因其生態系統單位面積生態服務價值較高，其損失的ESV卻超過耕地的一半，達200.12萬元。

從表4生態系統各單項服務功能的價值量來看，梅州高新區生態系統主要服務功能為水源涵養、土壤形成與保護、氣體調節和生物多樣性保護，四者價值之和占總ESV六成以上。在2003-2013年間，各項服務功能價值都出現了不同程度的減少，其中土壤形成與保護功能價值減少最多，其次是水源涵養、氣體調節和生物多樣性保護。

3.3 生態系統價值敏感性分析

根據前文所述的公式（2），將耕地、林地和水域的生態價值系數分別上、下調整了50%，應用調整后的生態價值系數對研究區2003和2013年總服務價值進行了估算，變化結果及敏感性指數如表5所示（由于未利用地的敏感性指數小于或等于0.000 75，其生態價值系數的變化對生態系統服務總價值的影響不大，因此本研究暫不展開討論）。由表5可知，各種情況下，價值系數的敏感性指數CS均小于1，最低值為0.08，即當耕地生態價值系數增加1%時，總價值只增加0.08%；最高值為0.80～0.82，即當林地的生態價值系數增加1%時，總價值增加0.80～0.82個百分點。上述結論表明，相對于生態系統服務價值系數（VC）來說，梅州高新區總的生態系統服務價值是缺乏彈性的，研究結果可信。

從不同年份來看，林地敏感性指數CS略微增大，表明林地生態價值系數的變化會對總價值產生放大作用；耕地的敏感性指數則呈下降態勢，表明其對生態系統服務總價值的影響在逐漸降低；水域的敏感性指數未變化或變化甚微，表明其生態價值系數的變化對生態系統服務總價值的影響不大。

4 小結與討論

2003-2013年，梅州高新區土地利用發生了明顯的變化，建設用地由2003年的951.2 hm2迅速增加到2013年的2 106.9 hm2，增加了121.5%；耕地從2003年的774.6 hm2減少到2013年的463.0 hm2，減少了約四成。這主要是因為工業園區的批準建設，快速城市化，導致城鎮等建設用地快速擴展，占用了周邊的林地、耕地、水域和未利用地等。梅州高新區生態服務功能的主要支撐者是林地、耕地和水域，由于林地和耕地不斷地被建設用地擠占，給該區的水源涵養、土壤形成與保護、氣體調節和生物多樣性保護等生態功能造成了一定的損失，在10年間，總ESV凈減少2 294.8萬元，變化率為-24.8%，即減少了約四分之一的總值。由此可見，即使是小尺度的區域，也容易受強烈的人類活動的影響，造成生態系統服務功能的下降。因此，建議優化土地利用結構，節約集約利用土地，控制建設用地規模，努力提高林地比重和質量，保護好自然環境，培育生態系統服務功能，確保生態環境建設和可持續發展共同實現。

參考文獻：

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