大城市近郊區土地利用及景觀格局演變對生態服務價值的影響
——以成都市龍泉驛區為例

陳 丹， 蔣貴國， 鄧元杰， 潘洪義

(四川師范大學西南土地資源評價與監測教育部重點實驗室/四川師范大學地理與資源科學學院，四川成都 610068)

生態系統服務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，生態系統的結構、過程和功能直接或間接得到生命活動所需的產品和服務。具體又可分為4種不同的服務類型：供給服務、調節服務、文化服務和支持服務[1]。人類活動引起土地利用景觀格局的變化，土地利用景觀格局的變化改變著生態系統的結構和功能，影響生態系統提供服務的能力。1997年，Costanza等結合生態學和經濟學的觀點提出了各種土地生態系統生態服務價值的計算方法，并對全球的生態系統服務價值進行了量化[2]，自此，對生態系統服務價值(ESV)的研究逐漸成為熱點。我國學者謝高地等修正了Costanza等的生態服務價值系數，得到了符合我國陸地生態系統情況的單位面積ESV當量表，對我國的陸地生態系統情況作出了評估[3-5]。自此以后，我國眾多學者從不同角度和層次對區域ESV進行了研究，王成對我國西部城市重慶沙坪區土地利用的生態服務價值及其對土地利用景觀格局變化的響應進行了研究[6]；郭偉以生態服務價值最大為目標對北京地區的土地利用景觀格局進行了預測[7]；王水獻等[8]和何玲等[9]分別針對焉耆盆地綠洲區和濱海地區的土地利用變化對生態服務價值的影響進行了研究；張舟等分析了生態服務價值在土地利用變化研究中的應用[10]；丁偌楠等對近40年煙臺市近海土地利用變化與ESV的關系進行了研究[11]。上述研究表明，對ESV的研究不僅可以了解區域景觀及其變化的特征，而且可以更好地了解該區域生態服務價值的變化。

近年來，隨著社會經濟的快速發展，城市化發展迅速，城鎮建成區面積不斷外擴，大城市近郊區城市景觀不斷蔓延，人類活動影響加劇，造成區域土地利用景觀格局及其景觀格局指數的改變，這些改變都對區域ESV產生了重要的影響。龍泉驛區作為四川省成都市的9個市轄區之一，是成都市的東部副中心和向東擴張的主要承接地，處于城市和鄉村的結合部，屬于大城市近郊區的快速城市化地區，土地利用和景觀格局變化劇烈。鑒于此，本研究以龍泉驛區為研究區域，探究龍泉驛區土地利用變化及景觀格局演變，定量分析土地利用變化對景觀格局指數變化的影響、土地利用變化對龍泉驛區生態服務價值的影響以及龍泉驛區土地利用變化、景觀格局指數變化對生態服務價值的影響，以期為合理配置土地資源、構建和諧人地關系并最終實現區域可持續發展提供科學參考。

1 研究區概況

龍泉驛區(地理位置：97.347 493°～108.542 570°E、26.048 141°～34.315 239°N)位于四川省成都市中心城區東部偏南，龍泉山脈及其以西，北接新都區、青白江區，東與金堂縣相鄰，南部與簡陽市接壤。龍泉驛區地處成都平原東緣，地勢東高西低，東部為龍泉山，西部為平原地區，屬于中亞熱帶濕潤氣候，年均溫為16.5 ℃，最冷月氣溫高于0 ℃(圖1)。龍泉驛區總人口約91.3萬人(截至2013年年底)，人口城鎮化率達52.8%。龍泉驛區實現地區生產總值631.40億元，人均地區生產總值80 526元(2012年)。龍泉驛區是成都市的副中心，同時也是成都市向東向南擴張發展的主體區域和成都市經濟技術開發區所在地。以“中國水蜜桃之鄉”著稱的龍泉驛區，果園農業發達，且是重要的汽車制造基地，經濟發展迅速，經濟綜合實力位居全四川所有區(縣)的前十強。近年來，其作為成都市近郊區城市化快速發展的區(縣)之一，土地利用動態變化劇烈，土地利用景觀格局動態變化以及生態服務價值變化顯著。

2 數據來源及研究方法

2.1 數據來源與處理

本研究的數據主要包括龍泉驛區2002、2009、2014年3期土地利用數據、3期景觀格局指數數據以及部分社會經濟數據。具體來源如下：

土地利用數據：(1)土地利用數據主要由遙感解譯獲得，遙感影像數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺(http：//www.gscloud.cn)，本研究采用龍泉驛區2002年的Landsat 7 ETM(129/039)影像、2009年的Landsat5 TM(129/039)影像和2014年的Landsat 8 OLI(129/039)數據影像，均為單波段的原始數據，分辨率為30 m，云量均在3%以下，影像質量良好。(2)在對遙感影像的預處理階段，首先采用ENVI5.1遙感影像處理軟件，以Landsat8 OLI影像數據為基準進行幾何校正。其次進行輻射定標、大氣校正、圖像增強。最后采用ENVI軟件監督分類中的支持向量機方法，進行人機交互解譯，并參考中國科學院資源環境科學數據中心的土地利用分類標準，結合龍泉驛區實際情況，將土地利用類型分為耕地、林地、園地、水域和建設用地5類。(3)遙感影像解譯精度驗證階段，首先利用91衛圖助手軟件獲取的2002、2009、2014年3個歷史時間點的Google Earth高清影像對人機交互解譯的土地利用數據進行修正，接著運用ENVI軟件中的Kappa系數計算得出，經過解譯的3期影像精度均在0.85以上，說明解譯結果符合精度要求，可以用來對龍泉驛土地利用變化進行實證研究。(4)根據龍泉驛區實地情況進行分類后處理。其中建設用地包括城鎮用地、農村居民點及工礦等建設用地。接著在ArcGIS 10.2的支持下，繪制出龍泉驛區2002、2009、2014年的土地利用現狀圖(圖2)。

景觀格局指數數據：參考相關文獻后[12-17]，本研究選取景觀破碎度、平均斑塊面積、景觀多樣性指數、林地破碎度指數、林地平均斑塊面積、林地聚集度指數、耕地破碎度指數、耕地平均斑塊面積、耕地聚集度指數來衡量龍泉驛區的景觀格局。在軟件Fragstats 4.2的支持下，計算得出了龍泉驛區2002、2009、2014年3個不同時期的景觀格局指數。

本研究中的社會經濟數據主要來源于2003—2015年的《成都市統計年鑒》。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用動態度的計算 土地利用動態度指研究區域在某段時間內某土地利用類型數量的變化情況。土地利用動態度分析以土地利用動態度來研究土地利用動態變化情況，可以反映區域土地利用/覆蓋中土地利用類型的變化劇烈程度。

(1)

式中：Ri為某時間段內某一土地利用類型的動態度；Ub、Ua分別為研究時間段的初期和末期某類土地利用面積，hm2；T為研究時間段，年。

2.2.2 單位面積農田提供的食物生產服務價值的計算 由于本研究旨在分析土地利用變化對ESV的影響，故為消除農作物的價格波動對總價值的影響，本研究不考慮價格波動因素，統一選取2008年的糧食平均價格1.8元/kg作為農作物單價進行計算[18-19]。在沒有人力投入的情況下，自然生態系統的經濟價值是現有單位面積農田提供的食物生產服務價值的1/7[4]，結合龍泉驛區相關社會經濟統計數據，由此計算出龍泉驛區農田的自然糧食產量的價值為1 806元/hm2。計算公式如下：

(2)

式中：Ea為單位面積農田生態系統提供的生產服務價值，元/hm2；i為作物的種類；n為糧食種類；mi為糧食播種面積，hm2；pi為第i種糧食作物全國平均單價，元/kg；qi為糧食單位面積產量，kg/hm2；m為糧食作物總面積，hm2。

2.2.3 ESV系數修正 本研究對龍泉驛區的ESV系數修正主要由以下3步完成：

第1步：參考謝高地等最新改進過的ESV計算方法及其制定的我國陸地生態系統單位面積ESV當量表[3]。

第2步：運用公式(2)，參考謝高地等最新研究出的我國不同省份農田生態系統生物量的因子表[3]，根據《成都市統計年鑒》的相關數據，計算得出成都市農田的自然糧食產量經濟價值量。以此為基礎，結合成都市龍泉驛區的實際情況，參考謝高地等提出的不同區域生態服務價值的修正參數[5]，得出四川省成都市龍泉驛區耕地、園地、林地、水域的單位面積ESV。其中，龍泉驛區的園地對應森林和草地單位面積ESV當量的均值，耕地對應農田，林地對應闊葉林，因為龍泉驛區屬于中亞熱帶濕潤性氣候，地帶性植被為常綠闊葉林。

第3步：修正建設用地的單位面積ESV系數。參考鄭江坤等得出的密云水庫集水區的不同地類單位面積ESV表[20]和該地區的ESV修正參數1.024，二者相除得到全國的建設用地單位面積ESV，再乘以四川省的ESV修正參數1.35，得到四川省建設用地生態服務價值，將此作為最新的四川省建設用地生態服務價值指標，由此得出四川省不同地類單位面積ESV表(表1)。龍泉驛區隸屬于四川省成都市，可用此表進行計算。

表1 四川省不同土地利用類型的ESV系數 元/(hm2·年)

2.2.4 ESV的計算 以龍泉驛區的土地分類結果為基礎，根據表1計算得出龍泉驛區2002、2009、2014年的ESV(表2)，計算公式如下：

(3)

式中：V是龍泉驛區土地ESV總值，元；Ai為第i類地類的面積，hm2；Pij為第i類地類第j種服務功能的單位面積系數，元/hm2。

2.2.5 景觀破碎度的計算 破碎度指景觀的破碎化程度，破碎度指數用于描述區域景觀的破碎化程度與復雜性。參考前人研究成果[12，16]，可以計算出龍泉驛區區域整體及各地類的景觀破碎度。計算公式如下：

Ft=(Nt-1)/Nc。

(4)

式(4)是從區域景觀整體出發的。式中：Nt為景觀的斑塊總數，個；Nc為研究區域的總面積域最小斑塊面積的比率；Ft為區域整體景觀的破碎度。

Fi=(Ni-1)/Mi。

(5)

式(5)是從景觀類型角度出發的。式中：Ni為第i類斑塊的數量，個；Mi為第i類斑塊的平均斑塊面積，hm2；Fi為區域第i類斑塊的破碎度。

2.2.6 Pearson相關系數分析法 Pearson相關系數計算公式如下：

(6)

式中：在計算土地利用變化與ESV相關系數時，r為土地利用變化與ESV變化的相關系數，X為土地利用變化量，Y為ESV變化量。在計算景觀格局變化與ESV相關系數時，r為土地利用變化與ESV變化的相關系數，X為景觀格局指數的變化量，Y為ESV變化量，N為樣本量。

3 結果與分析

3.1 龍泉驛區土地利用變化

以解譯的3期龍泉驛區土地利用數據為基礎(圖2)，借助ArcGIS中的面積統計工具，得到2002—2014年5種土地類型面積具體變化趨勢(表2)。結果表明，在2002—2014年，龍泉驛區各地類之間都實現了相互轉移，除水域外，各地類面積變化較明顯，主要以建設用地的增加和耕地的減少、林地的增加為主。從2002年到2014年，建設用地、林地面積分別增加58.05、40.15 km2，增幅分別達95.40%、24.89%，耕地、園地分別減少52.11、41.91 km2，減少幅度分別為21.94%、50.94%。龍泉驛區建設用地的動態度為 7.95%，其增加主要由耕地的減少轉化而來，這主要是由于在龍泉驛區經濟的快速發展和成都市向東擴展的經濟發展趨勢的背景下，城市化進程加快，龍泉建筑業發展迅速，房地產開發投資快速回升，而且龍泉驛區作為國家新型工業化產業基地，工礦業發展趨勢較好，鄉鎮土地被征用，建設用地面積呈上漲趨勢[21]。林地動態度為2.07%，這主要與龍泉驛區有關部門的綠地、林地保護、退耕還林政策有關。

表2 2002—2014年龍泉驛區土地利用類型面積及其變化

3.2 龍泉驛區土地利用景觀格局變化

景觀格局指數高度濃縮了景觀格局信息[22]，是定量描述景觀格局演變及生態過程影響的重要方法[23]。本研究選取景觀破碎度、板塊平均面積、景觀多樣性指數以及林地和耕地的破碎度、平均斑塊面積、聚集度指數進行分析。根據遙感解譯得到的龍泉驛區2002、2009和2014年3期的土地利用現狀圖，運用Arcgis 10.2和Fragstats 4.2軟件，計算得出上述選取的龍泉驛區土地利用景觀格局的相關指數。計算結果表明，2002—2009年，龍泉驛區景觀破碎度由 0.578 下降到0.172；2009—2014年，景觀破碎度又上升到了0.357，但總體呈下降趨勢。景觀的破碎化程度降低，主要是受退耕還林等生態保護政策的影響。但耕地的破碎度指數較高，由2002年的0.410增加到2014年的0.803，龍泉山上主要發展休閑農業與果園農業，耕地用途轉變，主要轉變為果園，農家樂發展迅速，人類活動的影響加劇，耕地景觀趨于破碎化。

3.3 龍泉驛區土地生態系統服務價值變化

根據修正后的龍泉驛區土地生態系統單位面積生態服務價值當量和2002—2014年土地利用數據，計算得到龍泉驛區2002—2014年的土地生態服務價值(表3)。結果表明，2002—2014年間龍泉驛區土地生態服務價值呈小幅下降的趨勢。2002—2009年，土地生態服務價值總量基本不變。雖然隨著林地面積由161.29 km2減少到145.59 km2，林地生態服務價值有所減少，但是園地面積在2002年的基礎上增加了5.36%，其生態服務價值也有所增加。2009—2014年，土地生態服務價值總量由87.781億元減少到82.986億元，林地的生態服務價值的增量小于園地、水域、耕地和建設用地生態服務價值總和的減少量。

由表3可知，水域、園地和林地生態系統為龍泉驛區生態服務價值的主要貢獻者。其中，水域生態系統在2002—2009年對生態服務價值的貢獻最大，其貢獻水平均處于80%以上。2002—2014年，水域面積由315.69 km2減少到 311.51 km2，其生態服務價值相應地由71.615億元減少到70.667億元，但是由于研究期間龍泉驛區的生態服務價值總量減少，所以水域的貢獻量反而有所增加。林地的生態服務價值在研究期間先減后增，園地先增后減。2002—2009年，林地減少15.70 km2，耕地減少14.94 km2，與林地和耕地的減少相對應的是園地增加4.41 km2和建設用地增加 23.43 km2。這是因為隨著成都市經濟的快速發展，城區向東擴展，且隨著生活水平提高，龍泉山上休閑農業快速發展，以桃樹為主的果園面積增加，以滿足人們的休閑娛樂。由于園地灌溉的需要，所以在研究期間水域面積無太大變化，增加2.81 km2，所以其生態服務價值量變化較小。耕地面積減少，建設用地面積增加，耕地向建設用地轉移。2002—2014年間，耕地面積共減少52.11 km2，其中2002—2009年減少 14.94 km2，年均減少2.13 km2，2009—2014年減少 37.17 km2，年均減少7.43 km2；建設用地在研究期間面積擴展了58.05 km2，其中2002—2009年增加23.43 km2，年均增加3.35 km2，2009—2014年增加34.62 km2，年均增加 6.92 km2。研究表明，2009—2014年比2002—2009年的城市化進程更快，城區附近的耕地轉為建設用地的速度加快，建設用地的生態價值為負，生態服務價值降低。雖然林地面積有所增加，但這并不能改變龍泉驛區生態服務價值減少的局面。

表3 龍泉驛區2002—2014年的土地生態系統服務價值

由表4可知，龍泉驛區2002—2014年土地生態系統服務價值構成狀況無明顯變化，2002、2009、2014年的各項生態服務價值排序情況相同，前5名分別為水文調節、氣候調節、水資源供給、凈化環境和生物多樣性，其中，水文調節功能的生態服務價值最大。在研究期間，水文調節生態服務價值由61.39億元減少到59.47億元，占比由69.97%上升到 71.66%，是因為2014年生態服務價值總量減少。2002年至2009年的生態服務價值變化不明顯，2009—2014年生態服務價值降低，供給、調節、支持、文化服務各項功能也相應降低，其主要原因為城市化進程使得各地類之間轉移，主要是耕地向建設用地的轉移。

表4 龍泉驛區2002—2014年各項生態服務價值

3.4 龍泉驛區土地利用和景觀格局變化對生態系統服務價值的影響

對土地利用類型面積變化和景觀格局指數作相關分析(表5)，結果表明，龍泉驛區耕地面積變化與林地聚集度指數和耕地破碎度指數呈顯著負相關，表明隨著人類活動影響的加劇，大量耕地趨于破碎化，這也影響了林地的聚集度，趨于分散。耕地面積增加，林地聚集度呈現下降趨勢，耕地主要由林地轉化而來。林地與景觀多樣性指數也呈顯著負相關，表明龍泉驛區的林地面積變化對其土地利用景觀格局影響較大。

表5 土地利用變化對景觀格局變化的影響

對龍泉驛區地類面積變化與生態服務價值變化量進行分析(表6)，結果表明，水域與各項生態服務價值和總價值均呈顯著正相關關系，相關系數均在0.940以上。園地與供給服務、調節服務和生態服務總價值也呈顯著正相關關系。耕地與支持服務生態價值呈顯著正相關關系，這與耕地的土壤保持、維持養分循環功能是分不開的。

表6 土地利用變化對生態服務價值的影響

對龍泉驛區2002—2014年土地利用景觀格局指數的變化對生態服務價值的影響進行相關分析(表7)，結果表明，耕地聚集度指數對龍泉驛區生態服務價值總量呈顯著正相關關系，說明耕地的聚集程度對生態服務價值總量有明顯影響，這與龍泉驛區耕地總量大也有緊密的關系，雖然龍泉驛區耕地總量在2002—2014年有明顯減少，但截至2014年，耕地總量還是在所有地類中保持21.61%的占有量。相反地，耕地破碎度指數與供給服務的生態服務價值呈顯著負相關關系。由此，應切實保護耕地的完整性，保障耕地的聚集度，盡量避免因人為活動的影響而導致耕地聚集度指數的降低。

4 結論與討論

本研究以龍泉驛區為例，探討了大城市近郊區土地利用變化及景觀格局變化對生態服務價值的影響，結果表明：(1)龍泉驛區土地生態服務價值總體呈下降趨勢，這主要是由于土地利用變化及景觀格局的變化。(2)2002—2009年，龍泉驛區景觀破碎度處于下降趨勢，說明在此期間政府的退耕還林政策效果顯著； 2009—2014年，景觀破碎度又上升，這主要是由于人類活動影響的加劇，大量耕地趨于破碎化。在各單項生態服務價值中，水域、林地、園地對生態服務總價值的貢獻較大，大城市近郊區在快速城市化的今天，也要保護水域、林地、園地面積在土地總面積中的相對份額不變，保證土地的生態服務總價值不下降，使土地得以可持續利用。水域和園地與生態服務價值呈正相關，由此應保護水域和園地，避免二者向其他地類的轉移。在龍泉驛區，園地主要在龍泉山上，龍泉驛區在發展休閑農業的同時，也要注意規范游客的行為，避免肆意破壞果園的行為發生。(3)相關分析表明，景觀破碎度與生態服務價值呈負相關。土地的開發速度與方式對土地生態服務價值的影響大，特別是對于龍泉驛區這樣處于大城市近郊區的地區來說。當下，城鎮化快速發展，由于人口城鎮化的發展，城市土地向外圍擴展的速度加快，人類活動對土地景觀格局的影響加大，土地景觀趨于破碎化，土地的生態服務總價值下降。在成都市東擴的總體規劃中，應嚴格執行生態守護的控制規劃，保護城市近郊區特別是東部屏障龍泉山的生態環境。實行責任制度，將好山好水與政府、企業的責任掛鉤，建立懲罰機制。

表7 景觀格局變化對生態服務價值的影響

本研究采用了最新改進的謝高地等的研究成果[3]，即采用改進后的基于單位面積價值當量因子的生態系統服務價值化的方法，在對建設用地的ESV系數進行修正時，明確了建設用地的生態服務價值系數不等于0，但是在前期進行土地利用分類時，由于數據獲取的限制，遙感影像數據的分辨率只能達到30 m，這對后期得到的ESV結果的精度有一定影響，且社會經濟數據時間跨度較短，這對研究結果有一定影響。