粵港澳大灣區土地利用及生態系統服務價值的變化
——以廣佛肇為例

肖紅克, 李洪忠, 王 莉, 陳勁松, 韓 宇

(1.中國科學院 深圳先進技術研究院, 廣東 深圳 518055; 2.深圳海洋環境信息大數據分析與應用工程實驗室,廣東 深圳 518055; 3.河南理工大學 測繪與國土信息工程學院, 河南 焦作 454003)

人類的生存與發展離不開土地資源，人類生存生活環境質量的好壞和人與自然能否和諧相處都是以合理并且有效地利用土地資源為前提[1]。作為地球環境變化中最突出的表現形式，土地利用變化情況間接影響著全球氣候變化、地球化學循環以及資源可再生利用等地表物質循環和生態過程[2]。進入21世紀之后，隨著全球人口持續的增長和人類經濟活動的快速發展，地球表面發生了深刻的變化，同時引發了環境污染、水土流失等生態方面的問題，此時人類先后開展了有關全球環境變化的研究工作[3]?；谕恋乩米兓尘?，研究一定區域范圍的生態服務價值變化對其土地利用類型變化的響應情況能夠了解人類開展的經濟活動對生態系統的影響，對協調人與自然之間的良好關系以及促進生態建設工作意義重大[4]。

生態系統服務是指通過生態系統的結構、過程和功能直接或間接得到的生命的支持產品和服務[5]，主要分為供給服務、調節服務和文化服務，以及維持其他類型服務所必須的支持服務，共4種類型[6]。人類的活動導致了土地利用類型的變化，一方面改變了地表的生態格局，另一方面引起了生態系統功能發生變化，從而致使生態系統所能提供的服務種類和價值大小發生了變化。對區域內的生態系統服務價值進行評估計算，已成為人類合理高效配置生態環境資源的基礎[7-8]。自20世紀末期以來，以Costanza[5]、歐陽志云[9]等為代表的國內外學者對全球生態系統服務與自然資本價值估算展開了研究，在生態系統服務價值理論和評價計算方法上取得了重要進展。其中國內研究學者謝高地[10-12]等結合中國的實際情況對生態系統服務價值的評估方法進行了多次修正，得出了適合中國國情的生態系統服務價值的基礎當量表，為我國區域生態系統服務價值的研究工作提供了計算的基礎，并在國內得到了廣泛應用[13-15]。

2019年2月隨著《粵港澳大灣區發展規劃綱要》的發布，廣州作為四大中心發展城市之一，而佛山和肇慶同時作為重要的節點城市，三市未來的發展和聯系會越來越緊密。廣佛肇三市(以下簡稱廣佛肇)人口聚集密度大、城鎮化和工業化水平高，導致整體的耕地面積不斷下降，人地矛盾突出，同時引發了一系列的生態問題。人類活動強度的加強導致用地結構發生了較大變化，勢必會對其內部生態系統服務價值產生重大的影響。近年來已有國內相關研究學者對廣州[16-19]、佛山[20-21]、肇慶[22]的土地利用變化和生態系統服務價值進行了分析，但對于廣佛肇整體長時間序列、大尺度探討土地利用變化對生態系統服務價值的影響研究較少，此外對該地區土地利用和生態系統服務價值的整體性變化特征研究也缺乏綜合考慮。因此本文旨在整體性地分析廣佛肇1990年、2000年、2010年、2015年的土地利用和生態服務價值變化規律，為促進該地區土地資源合理使用和生態建設工作平穩推進提供理論和方法支持，同時對推進粵港澳大灣區生態文明建設和加強環境保護具有重要的參考意義。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

廣佛肇整體位于粵港澳大灣區的西北部，其地理位置為東經111°21′—114°03′，北緯22°26′—24°24′(圖1)。廣佛肇的陸地總面積為26 232.1 km2，約占粵港澳大灣區總面積的46.4%。西江干流在廣佛肇境內流過，三市之間的河網和山脈緊密相連，使其在生態文明建設方面獨具優勢。廣佛肇以平原、丘陵和山地地貌為主，氣候屬亞熱帶季風性濕潤氣候，土地肥沃，氣候較溫和，一年四季有充足的雨量。廣佛肇經濟發達并且發展迅速，尤其是廣州市和佛山市在廣東省乃至國家經濟建設社會發展中具有重要的戰略地位。2015年廣佛肇共轄19個市轄區、4個縣、1個縣級市。常住人口約為2 446.69 萬，2015年生產總值約為28 074.34 億元[23]。

1.2 數據來源與處理

采用數據源為USGS(http:∥glovis.usgs.gov)提供的廣州市、佛山市、肇慶市1990年、2000年、2010年的Landsat TM影像和2015年的Landsat OLI影像，成像時間為8—11月，分辨率為30 m。利用ENVI 5.3軟件對遙感影像進行預處理并采用監督分類的方法進行目視解譯，參考全國土地覆蓋數據分類體系與研究區實際情況，根據具體研究目標將廣佛肇的土地利用類型分為林地、草地、濕地、耕地、人工表面、其他用地6種土地利用類型，每期影像的總體分類精度在90%左右，分類結果可靠。借助于ArcGIS 10.2平臺進行影像處理和空間分析計算，最終得到研究區四期土地利用分類現狀圖(圖2)。社會經濟數據依據《廣東省統計年鑒》[24]和《中國統計年鑒》[25]，收集1990—2015年廣佛肇糧食作物的總產量、種植面積等資料，整理后作為生態系統服務價值計算的數據源。

圖1 研究區在粵港澳大灣區中的位置

圖2 1990-2015年廣佛肇土地利用分類

2 研究方法

2.1 土地利用類型變化動態度

單一土地利用動態度(K)是研究不同土地利用類型在一定時間段內的變化速度和幅度的常用指標，反映出人類活動對單一土地利用類型的影響情況[26]，計算公式如下：

(1)

式中：Ua,Ub為研究初期和末期某一土地利用類型的面積；T為研究時長。

2.2 土地利用變化轉移矩陣

土地利用轉移矩陣在土地利用變化研究中應用廣泛，其可以描述各種土地利用類型相互之間的轉換情況，反映出研究區域土地類型的具體流向與各種土地利用類型的轉入與轉出面積。利用土地利用轉移矩陣能夠詳細地分析區域內土地利用變化的數量結構特征與各用地類型變化的方向[27]。具體數學表達形式見式(2)。

(2)

式中：S代表土地利用面積；i,j分別代表研究初期和末期的土地利用類型；n代表土地利用類型數。

2.3 生態系統服務價值評價方法

2.3.1 生態系統服務價值系數修正 本文基于謝高地等[11]修訂的“中國生態系統單位面積生態系統服務價值當量”，結合廣佛肇的實際情況，糧食產量的修正采用徐麗芬等[28]“以農田為基準的地區修正”方法，對當量因子表進行市域尺度修正(見公式3，4)。參考公式5得出農田生態系統單位面積所提供食物生產服務的經濟價值，最終得出廣佛肇修正后的生態系統服務價值系數。具體修正過程如下：依據廣東省統計年鑒可以計算出廣佛肇1990—2015年糧食平均產量為5 321.49 kg/hm2，根據全國的農田單位面積糧食產量得到廣佛肇生態服務價值當量因子表的修正系數為1.14，最后根據華南糧網交易中心糧食價格統計數據，估算出2015年廣佛肇糧食收購價格為2.69元/kg。再將廣佛肇的各種土地類型與最接近的生態系統類型聯系起來。其中人工表面產生的生態服務價值暫不考慮，耕地與農田對應，林地與森林對應，其他用地取荒漠的對應值，乘以單位當量生態服務價值，得到適合研究區的生態系統服務價值系數表(表1)。

(3)

式中：Q為廣佛肇1 990-2015年各年單位面積平均糧食產量；Q0為全國年平均單位面積糧食產量；λ為當量因子修正系數。

Ei=λE0

(4)

式中：Ei為i類土地利用類型修正后的當量因子；E0為謝高地等確定的同類土地利用類型當量因子。

(5)

式中：Ea為1 hm2生態系統服務價值當量因子的經濟價值(元/hm2)；P為廣佛肇2015年糧食的平均價格(元/kg)；Q為廣佛肇糧食總產量(kg)；M為廣佛肇糧食種植總面積(hm2)。

表1 廣佛肇不同土地利用類型的生態系統服務價值系數 元/(hm2·a)

2.3.2 生態系統服務價值計算 利用Costanza等[5]提出的生態系統服務價值分析模型計算廣佛肇的生態系統服務價值和生態系統單項服務價值，其計算公式為：

ESV=∑(Ak×VCk)

(6)

ESVf=∑(Ak×VCjk)

(7)

式中：ESV表示生態系統服務價值；Ak表示研究區k種土地利用類型的面積；VCk表示生態服務功能價值系數；ESVf表示第f種類型生態系統服務功能的總價值；VCfk表示第f種類型的第k種生態系統服務功能的價值。

2.4 敏感性分析

采用敏感性指數(coefficient sensitive，CS)研究廣佛肇ESV隨時間的變化對于價值指數的依賴程度。敏感性指數是指生態服務價值系數變動1%引起ESV的變化情況。如果CS<1，表明ESV相對于VC是缺乏彈性的，即生態服務價值對價值系數不敏感，其準確度較高，研究結果可信；反之，如果CS>1，表明ESV相對于VC是富有彈性的，其準確度低，結果可信度低。本文將研究區各類土地利用類型的價值指數分別上下調整50%，揭示ESV對VC的敏感程度[29-30]。計算公式為：

(8)

式中：VCik和VCjk代表調整前后的第K類生態系統單位面積生態服務價值系數；ESVi和ESVj分別代表調整前后的生態服務總價值。CS為研究區各生態系統服務價值系數的敏感度。

3 結果與分析

3.1 廣佛肇土地利用變化分析

3.1.1 土地利用面積變化分析 從廣佛肇1990—2015年土地利用總體情況來看(表2)，林地和耕地是廣佛肇最主要的土地利用類型，兩者之和占研究區總面積的77%以上；而草地和其他用地所占比例均低于1%。1990—2015年廣佛肇的土地利用類型發生了不同程度的變化，主要表現在林地和耕地面積持續減少，人工表面持續增加，草地先減少后增加，濕地先增加后減少，其他用地變化相對復雜，呈現出先緩慢增加后急速下降最后又急速上升的變化趨勢。從不同地類變化情況來看，林地由1990年的15 966.41 km2減少到2015年的15 724.39 km2，共減少了242.02 km2。林地持續減少，一方面由于該地區經濟的快速發展和城鎮化的不斷推進，導致一部分林地轉化為工業廠房用地、居住用地；另一方面由于人口的增多，需要更多的耕地，再加上對林地的違法使用都導致了林地的面積持續下降；耕地25 a來共減少1 562.74 km2，3個階段中1990—2000年耕地面積減少最多，為922.36 km2。耕地持續減少主要是因為在25 a間廣佛肇城鎮建設用地的擴張和基礎設施的修建(包括水利設施、交通設施等)占用了大量耕地，同時由于退耕還林政策的實施，都從一定程度上導致了耕地面積的快速下降；草地在1990—2000年十年間草地減少最多，2010—2015年草地出現緩慢增加。草地由于總量比較小，所以總體上變化不是很大；濕地在1990—2000年濕地面積變化最大，增加了465.32 km2。濕地的增加主要是由于南方降雨較多，加上一些人工水利設施的修建，增加了濕地的面積，后期緩慢減少主要轉變成了人工表面；人工表面25 a來共增加了1 425.92 km2。人工表面的增加主要是因為廣佛肇地區經濟的高速發展，其他類型的用地多往建設用地方向發展；其他用地在2010—2015年面積變化最大。2000—2010年其他用地面積出現了下降，共減少了47.51 km2。其他用地主要包括裸土和裸巖，而南方地區裸巖相對比較少，主要是林地轉化為其他用地。2000—2010年，其他用地主要用于建設用地的擴張。而2010—2015年由于林地等用地類型的減少，導致暫時轉化為了其他用地?？傮w來說25 a來其他用地的面積在增加。

表2 1990-2015年廣佛肇地類面積及所占比重

3.1.2 土地利用變化動態度分析 根據公式(1)計算得出廣佛肇的土地利用變化動態度(表3)。1990—2015年，動態度最大的是人工表面，其次是其他用地。25 a來廣佛肇由于人類活動強度的加大，導致城市建設用地不斷地增加，人工表面處在不斷地動態變化之中。從3個時期來看，1990—2000年人工表面的動態度最大，濕地和草地的動態度次之。2000—2010年其他用地的動態度最大，人工表面和草地的動態度均超過了2%。2010—2015年其他用地的動態度最大，達到了36.02%，林地和濕地的動態度最小，均低于1%。

3.1.3 土地利用轉移分析 通過ArcGIS軟件疊加得出1990—2015年廣佛肇土地利用類型轉移矩陣(表4)。根據土地利用轉移矩陣可以看出，耕地轉出的面積最多，達到了1 698.73 km2，耕地主要轉換成人工表面、濕地和林地；人工表面轉入的面積最多，25 a間共轉入了1 437.45 km2，主要轉入來源是耕地，其次是林地。1990—2015年林地主要轉向人工表面、其他用地和耕地。而其他用地主要轉向林地和人工表面。其他用地主要是裸土，一部分又重新發展成林地，另一部分主要發展成為人類開發的建設用地。

表3 1990-2015年廣佛肇土地利用變化動態度

表4 研究區1990-2015年土地利用轉移矩陣 km2

3.2 廣佛肇生態系統服務價值變化

3.2.1 不同土地利用類型的ESV變化分析 廣佛肇1990年、2000年、2010年和2015年的生態服務價值分別為1 402.68億元，1 440.98億元，1 413.88億元，1 399.09億元?？傮w上呈現出先增加后逐年減少的趨勢，1990—2000年增加了38.3億元，2000—2010年減少了27.10億元，2010—2015年減少了14.79億元，25 a間廣佛肇生態系統服務總價值共減少了3.59億元(表5)。由于林地和耕地的面積25 a間持續下降，導致林地和耕地的生態價值持續減少，1990—2015年林地和耕地各減少了15.86億元和28.76億元；草地的生態服務價值從1990—2010年呈現出緩慢下降趨勢，20 a間減少了0.27億元，到了2015年，草地的生態服務價值增加到了0.46億元，總的來說草地25 a間減少了0.19億元；濕地的生態價值呈現出先增加后減少的趨勢，1990—2000年濕地的生態服務價值實現了較大程度上的增長，這主要與這10 a間濕地的面積增加有關。2000—2015年濕地的生態價值出現緩慢下降趨勢，但是總的來說1990—2015年濕地的生態服務價值還是增加了，共增加40.98億元；其他用地在1900—2000年生態服務價值基本上無變化，從2000—2010年減少了0.17億元，到2015年總的生態服務價值增加到0.64億元。濕地和其他用地25 a間的生態服務價值增加量小于林地、耕地和草地的生態服務價值減少量，同時由于人工表面不會增加生態系統服務價值，所以1990—2015年廣佛肇生態服務價值總體呈減小趨勢。1990—2015年廣佛肇土地利用類型結構的變化對區域內部生態系統服務總價值的變化影響值較大，按價值變化大小排序依次為濕地>耕地>林地>其他>草地。根據廣佛肇生態系統服務價值的構成及占比來看，林地產生的生態服務價值最大，這主要是與廣佛肇地區林地面積所占的比例比較大有關。其次是濕地，其主要原因是與濕地的單位面積生態服務價值當量大有關。林地和濕地的生態服務價值總量在4個時期所占的比例都超過了92%，說明林地和濕地的生態價值在研究區生態系服務總價值中占據突出地位。耕地產生的生態價值在4個時期所占的比例都超過了5%，但因耕地面積不斷下降促使耕地的生態系統服務價值呈下降趨勢。草地和其他用地由于面積較少，所產生的生態服務價值較低，在各個時期所占總價值的比例都非常低，并且所占比例基本處在一個相對穩定的狀態。廣佛肇林地和耕地的生態系統服務價值不斷下降，濕地的生態價值又呈現出緩慢下降趨勢，促使區域內生態服務功能逐步下降。

表5 1990-2015年廣佛肇生態服務價值

3.2.2 生態系統單項服務價值變化 通過計算得到1 990 年、2000年、2010年與2015年各單項生態服務功能價值(表6)，可知廣佛肇25 a來各單項生態服務價值總量及結構變化不大。從各單項功能服務價值貢獻率高低排序來看，氣候調節>水文調節>維持生物多樣性>氣體調節>保持土壤>廢物處理>原材料生產>提供美學景觀>食物生產。氣候調節和水文調節功能價值貢獻率最大，說明研究區調節功能服務的價值最大。從單項服務價值排序可以看出，廣佛肇調節功能和支持功能生態服務價值遠大于供給功能和文化功能服務價值之和。從1990—2015年各單項生態服務功能價值變化來看，保持土壤、食物生產與原材料生產的服務價值明顯減少，其余單項生態服務功能價值都是先增加后減少。其中保持土壤的服務價值下降最明顯。耕地面積的減少是保持土壤價值下降最直接的原因。

表6 1990-2015年廣佛肇各項生態服務功能價值變化

3.3 廣佛肇生態系統服務價值敏感性指數變化分析

本研究將各土地類型的生態價值系數上下調整50%，得出廣佛肇1990—2015年各土地類型的敏感性指數(表7)。結果表明，不同時期不同土地利用類型的敏感性系數均小于1，說明廣佛肇生態服務總價值對其生態服務價值系數缺乏彈性，經過修正的生態服務價值系數適用于廣佛肇地區，間接證明了本研究計算的生態系統服務價值結果是真實可信的。1990—2015年耕地的敏感性系數呈現出下降趨勢，說明了25 a來耕地生態系統價值系數變化對廣佛肇生態系統服務總價值產生了縮小的作用。林地在1990—2000年生態敏感性指數呈現出下降趨勢，2000—2015年又呈現出上升趨勢，說明林地對廣佛肇生態服務總價值的貢獻是先減小后緩慢增加的。而濕地正好與林地相反，在1990—2000年敏感性指數先從0.177 3上升到0.213 8，到了2015年又緩慢下降為0.207 0。說明濕地對廣佛肇生態服務總價值的貢獻是先增加后緩慢減小的。草地和其他用地敏感性指數變化不大，說明草地與其他用地對廣佛肇生態服務總價值影響較小。敏感性指數值由大到小排序依次為林地>濕地>耕地>草地>其他。敏感性指數最大值為林地，為0.723 5～0.746 0，說明林地對服務價值的貢獻率最大，當林地生態系統價值系數增加1%時，生態系統服務價值增加0.723 5%～0.746 0%，由于林地面積占比比較多又加上生態服務價值系數比較大，導致林地是影響廣佛肇生態價值變化的一種主要的生態用地類型。

表7 廣佛肇生態系統服務價值的敏感性

4 結論與討論

(1) 研究區在1990—2015年，林地和耕地面積持續減少，人工表面用地面積逐漸增加，草地先減少后增加，濕地先增加后減少，其他用地呈現出先緩慢增加后急速下降最后又急速上升的變化趨勢。25 a間，人工表面的動態度最大，其次是其他用地。耕地的轉出量最大，主要轉換成人工表面、濕地和林地；人工表面轉入的面積最多，25 a間共轉入了1 437.45 km2，主要轉入來源是耕地，其次是林地。經濟的發展和城鎮化進程的推進不應以破壞林地和耕地為前提，廣佛肇應加強對林地和耕地的保護，嚴格控制人工表面的擴張，確保土地利用向可持續性方向發展。

(2) 廣佛肇在1990—2015年，土地利用的生態系統服務價值總體上呈現出先增加后逐年減少的趨勢，25 a間共減少了3.59億元。林地和耕地的生態服務價值持續減少，濕地的生態價值呈現出先增加后減少的趨勢。林地和濕地的生態價值在研究區生態系服務總價值中占據突出地位，林地和耕地面積的減少是廣佛肇生態服務價值減少的主要原因；從單項服務價值排序可以看出，廣佛肇調節功能和支持功能生態服價值遠大于供給功能和文化功能服務價值之和。耕地面積的下降使保持土壤的服務價值下降最明顯。土地利用變化帶來的生態系統服務價值減少問題，值得引起當地政府的重視。

(3) 廣佛肇在不同時期不同土地利用類型的敏感性系數均小于1，說明廣佛肇整體的生態服務總價值對其生態服務價值系數缺乏彈性，經過修正的生態服務價值系數適用于廣佛肇。敏感性指數值由大到小排序依次為林地>濕地>耕地>草地>其他，研究期間林地對廣佛肇生態系統服務價值的貢獻率最大。

本文在研究廣佛肇整體的生態系統服務價值時，沒有考慮人工表面的生態價值計算，而人工表面主要包括工礦用地、交通用地、居民地等，它對水文調節等單項功能會產生一定的負面效益，但有關人工表面的生態服務價值計算目前研究評價方法不一，因此關于人工表面的生態服務價值核算將是下一步的研究重點。生態系統服務價值受多種因素的影響，本研究雖然對生態系統服務功能評價的方法進行了局部修正，得出的結果具有一定的參考價值。但修正時考慮的因素較少，會對最后的分析結果造成一定的影響，后續將會考慮其他影響生態系統服務價值的因素，以便使估算結果更加準確。