嘉興市土地利用時空變化與生態服務價值評估

虎陳霞，楊空，郭旭東，張衍毓

（1. 中國計量大學經濟與管理學院，浙江 杭州 310000；2. 中國土地勘測規劃院國土資源部土地利用重點實驗室，北京 100035）

土地生態服務功能是人類賴以生存和現代文明發展的基礎。長期以來，以土地為載體的生態（社會、經濟、環境）價值沒有被人們充分認識，在市場經濟條件下，人們更多的關注于環境與資源可實現的經濟價值，很少考慮其潛在的社會與環境價值[1]。20世紀90年代以來，隨著科學技術的快速進步和發展、全球環境問題的凸顯和人類需求的不斷擴張，生態系統服務功能成為生態學、土地科學等諸多相關學科和領域研究的熱點之一。

近年來，國內外眾多學者從不同角度圍繞生態系統服務功能及其價值開展了大量的理論和實證研究，其中最有影響力的是Costanza等[2]開展的全球生態系統服務價值評估研究，這項研究成果不僅引起了人們對生態資產和生態系統服務價值的關注，也成為眾多學者研究生態系統服務價值的基礎。我國生態系統服務功能評價研究開始于20世紀90年代初開展的森林資源價值核算[3-5]和中國陸地生態系統服務功能研究[6-7]。謝高地等[8-9]提出了中國生態系統單位面積生態服務價值當量表并進行了修訂，奠定了國內土地生態系統服務價值評估研究的基礎。進入新世紀以來，國內學者圍繞濕地生態系統[10-17]、城市生態系統[18-23]、農田生態系統[24]、森林生態系統[25]和流域生態系統[26-27]等領域開展了大量生態系統服務價值評估理論和方法研究，取得了較大的成就。

我國土地資源稀缺，城市土地資源配置不當現象嚴重，隨著我國經濟的快速發展和城市化進程的加快，耕地保護和城市空間擴展的矛盾日益加劇。因此，開展城市土地生態系統服務價值評估和優化研究，從價值量角度更加全面地探索城市生態系統與社會經濟系統之間的相互關系，有利于城市土地資源的有效開發利用和合理保護，促進快速城市化地區資源環境與社會經濟的和諧與持續發展。嘉興市作為長三角快速城市化發展地區之一，近年來隨著社會經濟的快速發展和城市空間的快速擴張，土地生態系統服務價值也隨之發生了較大的變化。盡管已有學者對嘉興市土地利用及其生態系統服務價值的動態變化開展了相關研究[28-30]，但針對嘉興市土地生態系統服務價值的空間分異規律及其與土地利用結構、格局的關系研究較少。因此，本文基于嘉興市土地利用現狀，對嘉興市土地生態服務價值的時間動態變化和空間分異規律進行分析，進而以提高嘉興市土地生態服務價值、促進嘉興市可持續發展為目標，提出嘉興市土地利用優化方案，以期為快速城市化地區的土地利用科學管理提供依據。

1 研究區域概況

嘉興市位于北緯 30°15'～31°02'，東經 120°20'～121°32'之間，地處浙江省東北部、長江三角洲杭嘉湖平原腹心地帶，背靠蘇錫常太湖流域水網，南部臨杭州灣，北鄰上海、蘇州，西南連杭州，是長江三角洲重要城市之一。嘉興市總面積4 216 km2，主要土地利用類型有耕地、林地、園地、草地、水域及水利設施用地和建設用地等。嘉興市北部為太湖沖積平原，南部為錢塘江沖積平原，該市平原地勢低平，海拔多在10 m以下。嘉興市河道縱橫，河道總長1.38萬 km，河道分布密度為 3.27 km/km2。嘉興市土壤類型以黃壤和紅壤為主，多分布在丘陵山地。2015年全市生產總值（GDP）3 517.06億元，位居全國第50位浙江省第6位，三次產業結構比重為4.0∶52.6∶43.4。截止2015年年末，嘉興市戶籍人口為341.60萬人。

2 研究方法

基于嘉興市2010年和2015年遙感解譯數據、《嘉興統計年鑒》和《浙江統計年鑒》，依據土地分類標準（GB/T 21010—2017），將嘉興市土地利用類型劃分為耕地、林地、園地、草地、水域、建設用地和其他土地等7個類型；運用土地利用動態度計算模型，計算嘉興市2010—2015年的土地利用動態度，分析其時間動態變化趨勢；并借助謝高地等[8]提出的生態系統服務價值評估方法，結合嘉興市實際狀況調整價值當量因子，評估2010—2015年嘉興市土地生態服務價值動態變化及其空間分布規律；基于土地利用結構信息熵理論，探索性分析嘉興市土地生態服務功能結構的空間變化規律；同時，利用多目標決策分析方法，對嘉興市土地利用結構進行了優化分析。

2.1 土地利用動態度的計算

土地利用類型動態度是指某研究區一定時間范圍內某種土地利用類型的數量變化情況。應用土地利用動態度分析土地利用類型的動態變化，可以真實反映區域土地利用類型的變化劇烈程度。土地利用動態度的計算公式為：

式中：k為研究時段內某種用地類型的動態度；va為研究期初某種用地類型的數量，vb為研究期末某種用地類型的數量；t為研究時長，當t單位為年時，則k代表研究時段內某種用地類型年變化率。

2.2 生態系統服務價值評估方法

生態系統服務價值估算基于謝高地等[8-9]的研究成果，結合嘉興市土地利用的實際情況和本文研究需要，對價值當量因子表進行了調整（表1）。嘉興市的園地主要是果園，其生物量介于草地和林地之間，本文將林地和草地當量因子的均值定為園地的當量因子。嘉興市的未利用地主要為設施農用地與裸地，其生物量大小與荒漠相似，故將其當量因子取荒漠的值。由于嘉興市的河流、湖泊水面、水庫水面、坑塘水面的生態服務功能相似，價值相差較小，故統一劃定為水域地類，其當量因子取“河流/湖泊”的值。生態系統服務價值是其功能效用，其效用大小反映了滿足人類需求的程度，在此只計算其對人類的正效用，而建設用地主要為交通運輸用地和城鎮村及工礦用地，其對自然生態環境的破壞較大，因此建設用地的生態系統服務價值不計入核算。根據謝高地等的研究，我國1個生態服務價值當量因子的經濟價值量為449.1元/hm2。嘉興市地處太湖流域，是全國著名的水稻高產區，產量可達12 000 kg/hm2左右，約是全國平均糧食單產的2倍。因此，將嘉興市1個生態服務價值當量因子的經濟價值量設定為900元/(hm2·a)。

根據各類土地利用類型面積、生態系統服務價值當量和單位當量的經濟價值，可計算區域總的服務價值為：

表1 嘉興市生態系統服務價值當量表Table 1 Ecosystem service value equivalent table of Jiaxing

式中：V為區域土地生態系統服務總價值；Ai為i型土地的面積；Pij為i型土地的j服務價值當量。

2.3 土地生態系統服務功能結構信息熵

假設某一個區域的土地利用總面積為A，由n種土地利用類型組成，每一種土地利用類型的面積為Ai（i= 1，2，…，n），則每一種土地利用類型在該區域中出現的概率為Pi=Ai/A，利用Shannon提出的信息熵公式，定義土地利用結構信息熵（H）為：

式中：H值反映區域土地利用的有序程度。H值越大，土地利用越無序；反之，H值越小，土地利用有序程度越高，結構性越強。根據信息熵又可以引伸出兩個相關概念[31]：均衡度（J）和優勢度（D）。

式中：J值反映區域土地利用的均衡程度。J值越大，不同土地利用類型分布越均衡；反之，J值越小，不同土地類型分布越不均衡。D值反映區域土地利用的集中程度，意義正好與J值相反。

胡喜生等[14]提出應用土地生態系統服務價值指標來替代面積指標計算土地空間結構信息熵，稱之為土地生態系統服務功能結構信息熵。假設某一個區域的土地生態系統服務總價值為E，且由n種土地利用類型組成，每一種土地利用類型的生態系統服務價值Ei，則每一種土地利用類型生態系統服務價值占該區域土地生態系統服務總價值的比例為Pi=Ei/E，信息熵公式仍然采用上述Shannon提出的公式（3），并將該信息熵定義為土地生態系統服務功能結構信息熵Hf，與之相對應的均衡度為Jf和優勢度為Df。

2.4 土地利用優化模型的建立

利用多目標決策分析方法，構建了嘉興市土地利用優化模型。

其中

根據嘉興市土地利用特點及土地利用規劃要求，共設置8個變量：耕地面積（X1）、園地面積（X2）、林地面積（X3）、草地面積（X4）、建設用地（X5）、水域面積（X6）、其他土地（X7），和目標變量Z，即嘉興市生態系統服務價值。

2020年嘉興市生態系統服務價值總量的目標函數為：

其中：目標函數系數為各變量的單位生態系統服務價值。

設置約束條件：

1）約束嘉興市土地總面積為421 640 hm2：

2）人口的總量約束。根據2010—2015嘉興市統計公報中人口數據，采用GM (1，1)灰色預測方法，得到人口總量P預測公式：

其中：t為相對年份。根據計算公式預測出在2020年嘉興市的人口總數為483.39萬人，由人數所需的土地類型承載數量可以得到約束條件如下：

式中：P為人口的總數，0.7和23.1是分別是農用地和城鎮用地的人口承載力指數，均通過GM (1, 1)模型計算所得。

3）耕地的總量約束。根據嘉興市“十三五”土地利用規劃得到2020年嘉興市耕地面積不低于199 873 hm2，以此控制指標作為約束條件，即：

4）建設用地約束。根據嘉興市“十三五”土地利用規劃，2020年嘉興市建設用地面積應介于99 927 hm2和100 927 hm2，即：

5）變量非負的約束條件：所有變量的值不能小于0，即：

其中：i代表7個自變量。

3 結果與分析

3.1 嘉興市土地利用現狀

基于2010年和2015年嘉興市遙感解譯數據和土地利用類型分類原則，統計了嘉興市7種土地利用類型的面積。2015年嘉興市土地總面積為42.16萬hm2，其中耕地占土地總面積的52.41%，建設用地占土地總面積的26.95%，水域占13.47%，園地、林地、草地分別占土地總面積的5.38%、0.66%、和0.88% （表2）?？梢?，嘉興市土地利用以耕地、建設用地和水域為主，約占嘉興市總面積的90%，土地利用以農業和漁業為主。

表2 2015年嘉興市土地利用現狀與分布（hm2）Table 2 Land use in Jiaxing in 2015 (hm2)

3.2 嘉興市土地利用變化與土地利用動態度

基于2010年和2015年嘉興市土地利用現狀數據，對嘉興市2010—2015年土地利用變化趨勢進行分析，并計算了2010—2015年嘉興市土地利用動態度（表3）?？梢园l現，2010年到2015年嘉興市土地利用總體變化呈現“四增二減一穩定”的特征，耕地、建設用地、水域和其他用地面積增加，園地和草地面積減少，林地面積基本保持穩定的趨勢。從土地利用類型的年度變化率來看，嘉興市5年來土地利用變化速度較快，年變化率介于-3.15%～2.36%。其中園地和草地的變化最劇烈，年變化率均為-3.15%；建設用地和其他土地的變化也比較顯著，分別為1.05%和2.36%；水域及水利設施用地的動態度為1.15%。

3.3 嘉興市土地生態系統服務價值的時空動態變化

基于嘉興市生態系統服務價值當量表（表1）和嘉興市土地利用現狀數據（表2），運用生態系統服務價值估算方法，對嘉興市2010年和2015年的土地生態系統服務價值進行了估算。結果表明，嘉興市2015年生態系統服務價值較2010年提高約9 515萬元（表4），其中耕地和水域的生態服務價值增加較多，園地、林地、草地的生態服務價值均有所減少。2015年耕地的生態服務價值占總生態服務價值的35.67%，比2010年稍有增長，園地占9.22%，比2010年減少15.74%，林地占1.56%，草地占0.89%，林地和草地的生態服務價值較2010年均有所下降，水域及水利設施用地占52.63%，比2010年增長5.77%，其他土地占0.03%，與2010年基本持平。嘉興市土地生態系統服務價值的增加與嘉興市不斷優化城鄉建設格局密不可分。近5年，嘉興市高起點謀劃全市空間發展戰略，調整優化村莊布點，完成環境功能區劃、地下空間開發等一批專項規劃編制。深化土地節約集約利用，新增建設用地1 067 hm2，盤活存量建設用地593 hm2，農村土地綜合整治1 000 hm2，獲評全國第三屆國土資源節約集約模范市。

表3 2010—2015年嘉興市土地利用變化動態度Table 3 Land use changes in Jiaxing City between 2010 and 2015

表4 2010—2015年嘉興市生態系統服務價值動態變化Table 4 Changes of the ecosystem service values in Jiaxing from 2010 to 2015

2015年嘉興市下轄各區土地生態系統服務價值見表5，可以看出，嘉興市下轄各區土地生態系統服務價值由大到小排序為：海寧市>海鹽縣>桐鄉市>秀洲區>嘉善縣>平湖市>南湖區。其中，南湖區土地生態系統服務價值占全市總價值7.70%，秀洲區占13.39%，嘉善縣11.87%，海鹽縣15.71%，海寧市25.82%，平湖市11.30%，桐鄉市14.20%。受水域面積的影響，海寧市和海鹽縣的土地生態系統服務價值最高，分別占總價值的25.82%和15.71%。同時海寧市和海鹽縣土地生態系統服務價值也最高，分別為1.32萬元/hm2和1.19萬元/hm2。就不同土地利用類型生態服務價值的空間分布來看，桐鄉市耕地和園地的生態服務價值為全市最高，海鹽縣林地和草地的生態服務價值為全市最高，海寧市水域生態服務價值居于全市首位。

表5 2015年嘉興市土地生態系統服務價值的區域分布（×106元）Table 5 Land ecosystem service value in Jiaxing City in 2015 (×106 yuan)

3.4 嘉興市土地生態系統服務功能結構信息熵

基于嘉興市土地生態服務價值評估結果，計算得到嘉興市7個區的土地生態系統服務功能結構信息熵值（表6）。從2010年和2015年嘉興市各區土地生態系統服務功能結構信息熵的空間變化來看，7個區的土地生態服務價值存在明顯的空間差異和動態變化，2010年信息熵由大到小依次為：海寧市>海鹽縣>桐鄉市>南湖區>平湖市>嘉善縣>秀洲區，而2015年信息熵由大到小依次為：海寧市>海鹽縣>桐鄉市>南湖區>秀洲區>平湖市>嘉善縣；均衡度的研究結果與信息熵相同，優勢度的結果與信息熵相反。

表6 2010—2015年嘉興市土地生態系統服務價值信息熵、均衡度和優勢度Table 6 Information entropy of land ecosystem service value in Jiaxing City from 2010 to 2015

根據嘉興市土地生態系統服務功能結構信息熵的空間分布規律，將嘉興市7個區劃分為3種不同熵值區：信息熵高值區（Hf>1.3）、信息熵中值區（1.1＜Hf＜1.3）和信息熵低值區（Hf＜1.1）。2010—2015年海寧市和海鹽縣均屬于信息熵高值區，表明土地利用結構有序度較低，桐鄉市、南湖區和平湖市均屬于信息熵中值區，嘉善縣和秀洲區徘徊于信息熵低值區和中值區，表明土地利用結構有序度相對較高。由此可見，從嘉興市區到遠郊區，生態系統服務功能結構信息熵呈現升高的趨勢，說明嘉興市區相對于遠郊區，土地利用的有序程度較高，結構性較強。

總體來看，2015年嘉興市土地生態系統服務功能結構信息熵較2010年有所下降，說明近5年嘉興市的土地利用有序程度和結構性趨于增加。其中嘉興市秀洲區的信息熵在各區中排名由2010年的第7位上升至2015年的第5位，從信息熵低值區進入信息熵中值區，說明其土地利用有序程度和結構性有所降低。

3.5 嘉興市土地利用結構優化

基于多目標決策分析方法，對2020年嘉興市土地利用結構和生態系統服務價值進行了優化預測（表7和表8）。結果表明經過優化以后，2020年嘉興市耕地、林地、草地和水域面積將有所增加，而園地、建設用地和其他用地面積將減少。其中水域及水利設施用地面積增加最多，增長率達27.90%，園地、建設用地和其他土地分別減少39.87%、10.08%和24.18%。從嘉興市土地利用結構優化以后的生態系統服務價值來看，優化以后的嘉興市土地生態系統服務價值將有明顯的增加，比2015年增加約12%，年均增長約2.5%?？梢?，優化城市土地利用結構是提高城市生態系統服務價值和促進城市可持續發展的主要途徑。

表7 嘉興市2015—2020年土地利用結構優化Table 7 Optimization of land use structure in Jiaxing from 2015 to 2020

表8 嘉興市2010—2020年土地生態系統服務價值（×106元）Table 8 Ecosystem service value of Jiaxing from 2010 to 2020 (×106 yuan)

4 結論

2010—2015年間，隨著嘉興市社會經濟的快速發展和城市化進程的加速，嘉興市土地利用總體呈現出“四增二減一穩定”的特征，土地利用動態度介于-3.15%～2.36%，土地利用變化速度較快。受土地利用變化的影響，嘉興市土地生態系統服務價值呈現出上升的趨勢，從2010年的43.09億元增加為2015年的44.04億元，共增加了約9 515萬元。近5年來，隨著嘉興市生態文明建設力度的加大和浙江省“五水共治”工作的進一步深化，嘉興市水域及水利設施用地面積不斷增加，促進了嘉興市生態服務價值的增長。

受土地利用空間異質性的影響，嘉興市土地生態服務價值也呈現出明顯的空間差異。嘉興市下轄的7個區中，海寧市土地生態服務價值最高，南湖區土地生態服務價值最低。桐鄉市耕地和園地的生態服務價值最高，海鹽縣林地和草地的生態服務價值最高，海寧市水域生態服務價值居于首位。從嘉興市區到遠郊區，土地生態系統服務功能結構信息熵呈現逐漸升高的趨勢，說明嘉興市區相比于遠郊區，土地利用有序程度較高，結構性較強。進一步優化城鄉建設格局，調整城市空間發展戰略，深化美麗鄉村建設是促進嘉興市提高生態服務價值的主要途徑。

對嘉興市土地利用多目標決策優化分析表明，隨著嘉興市社會經濟的快速發展和“十三五”規劃的順利實施，到2020年嘉興市土地生態服務價值將比2015年增長約12%。未來一段時期，嘉興市土地利用結構調整的重點在于嚴格實行數量、質量、生態三位一體的耕地保護戰略、進一步控制和盤活建設用地、加強濕地和水域資源的保護，促進嘉興市經濟、社會和生態的可持續發展。

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