基于LUCC的旅游型海島生態系統服務價值評估
——以大長山島為例

王 輝，彭 霞

(遼寧師范大學 地理科學學院，遼寧 大連 116029)

一、海島生態系統服務價值概況

海島是海洋中四周被海水包圍的陸地，具有地域構成相對簡單、環境容量有限、穩定性差等特點，是典型的生態環境脆弱區[1]，作為一個相對獨立完整的地域單元，在海島生物與自然環境的互相作用下形成了獨特的海島生態系統。土地利用是人類對大自然最直接的實踐活動，對維持生態系統服務功能有著重要作用[2]。旅游型海島在發展過程中，旅游開發建設等人類活動會改變土地利用結構和地表覆被，從而造成生態系統結構和功能的變化[3-5]。生態系統可以直接或間接為人類提供生存發展的環境空間和物質基礎，包括供給服務、調節服務、文化服務及支持服務[6]。因此，了解土地利用/覆被變化(Land use cover change, LUCC)及其導致的生態系統服務價值(Ecosystem services value, ESV)變化是旅游型海島開展生態保護和管理的重要前提和依據。

作為重要的生態系統，海島的土地利用/覆被變化和生態系統服務價值一直都是學者們關注的重點。趙江等、邵小云等基于遙感影像分析了金塘島[7]、冊子島[8]、普陀區海島[9]的土地利用變化，發現這些海島在城鎮化、工業化背景下，土地利用結構變化明顯。其中普陀區部分旅游型海島建設用地指標提前突破，土地資源供需矛盾突出，是生態系統服務價值下降的主要原因。無論是陸地生態系統還是海島生態系統，ESV都是衡量其生態系統變化的重要指標。Costanza[10]、Daily等提出的價值量計算[6]、謝高地等基于Costanza的當量表建立的符合中國國情的生態系統單位面積生態服務價值計算[11-12]，均是當前最受歡迎的ESV計算方法。生態系統服務價值的研究多用功能價值法[13-15]、能值法[16-19]、當量因子法進行評估；其中，當量因子法往往需結合土地利用變化[20-22]，適合研究小尺度區域。

大連市長海縣是中國北方海島休閑度假中心，旅游資源豐富，近年來開發強度大，導致海島生態系統發生較大變化。本文以大長山島為研究區，基于Landsat遙感影像，解譯土地利用分類，在分析LUCC的基礎上采用當量因子法評估海島生態系統服務價值。旨在探究旅游業興起發展背景下海島地區的生態系統服務價值變化，以期為海島土地資源利用和生態可持續發展提供一定的借鑒。

二、研究區概況

本文研究對象為大長山島，隸屬于遼寧大連市長海縣。該島位于遼東半島東南，長山群島中心，陸地面積3179 hm2，海岸線長94.4 km，海域面積65150 hm2，是長山群島中面積較大、經濟較發達的海島。海島因形狀狹長、島上群山綿延而被稱為大長山島。海島年平均氣溫10 ℃，屬暖溫帶半濕潤性季風氣候，季節特征明顯，是典型的北方島嶼。海島擁有良好的旅游資源，現已開發了兩個初具規模的海濱休閑度假區，是中國北方海島休閑度假中心，每年的5-10月是海島的旅游旺季。2009年，長山群島被列為遼寧沿海經濟帶重點發展區域，部分區域開始正式開放；2010年，成立長山群島旅游避暑度假區(海洋生態經濟區)[23]；2019年，大長山島年游客總量達到了七十五萬人次，旅游收入達到了九億元，占到所屬縣旅游收入的五成以上，這標志著旅游業已然是大長山島支柱產業。

三、數據來源和研究方法

1.數據來源和處理

本研究從地理空間數據云(http://www.gscloud.cn/)獲取2003、2008、2013、2018四年的Landsat影像，影像時間選擇5-10月，云量控制在5%以下，可以使影像數據更準確。在ENVI平臺解譯遙感數據，得到的總體分類精度都在90%以上，滿足研究的要求[24]。根據調研了解的研究區土地實況和研究目的，參考中科院資源環境數據云平臺的土地分類系統，將研究區土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、建設用地、水域(包括河流、水庫水面、湖泊及灘涂)和未利用地6類，借助ArcGIS軟件提取土地利用數據。糧食產量數據來源于相應年份的《中國統計年鑒》和長海統計公報。

2.土地利用變化特征分析

建立2003-2008年、2008-2013年、2013-2018年三個時間段的土地利用轉移矩陣，并計算三個時間段內的單一土地利用動態度。單一土地利用動態度(K)反映了某地類在一定時間范圍內的數量變化速度和變化幅度[25]。其計算公式如下：

(1)

式中：Si、Sj分別為研究期始、末某土地利用類型的面積(hm2)；T為研究時段。

土地利用轉移矩陣以矩陣的形式列出土地利用類型轉移面積，直觀反映研究期內各類土地的轉入來源、轉出去向及轉移前后的結構特征[26]。其表達式為：

(2)

式中：S為土地利用面積；i、j分別為研究初和研究末的土地利用類型；m為土地利用的類型數。

3.土地利用程度分析

采用土地利用程度綜合指數來衡量人類對土地開發利用的廣度和深度，借鑒有關學者的研究結果[27]，將土地利用程度劃分成4級，分級情況如表1所示。通過計算對其進行定量化表達，可以直觀體現土地資源的開發利用狀況。計算公式為：

表1 土地利用程度分級賦值表

(3)

其中：La為土地利用程度綜合指數；Bi為第i級的土地利用程度分級指數；Ci為第i級土地利用程度分級面積百分比。

4.生態系統服務價值評估

海島與大陸環境不同，農產品產量也存在差異，因此需要對價值當量進行修正。本研究采用大長山島所在長海縣糧食產量與全國糧食產量的比值作為修訂系數。借鑒謝高地等的研究成果[28]，確定1個生態系統價值當量的經濟價值是3406.50元[12]。根據對應時期長海縣糧食單產量(1140.05 kg/hm2)與全國糧食單產量(5621.55 kg/hm2)的比率，計算得地區修訂系數為0.202 8，因而確定大長山島1個標準當量因子的生態系統服務價值量為690.84元/hm2，據此建立生態系統服務價值當量表和當量系數表，如表2、表3所示。

表2 大長山島單位面積生態服務價值當量

表3 生態系統服務價值系數表

生態系統服務價值的計算公式為：

ESV=∑(Ap×Vc)

(4)

式中p為生態系統類型，Ap為生態系統類型p的面積，Vc是生態系統服務價值系數，ESV是研究區生態系統服務總價值。

5.敏感性分析

敏感性指數可以度量生態系統服務價值對生態系統服務價值系數的依賴程度[29]。計算公式如下：

式中，CS指敏感性指數，ESVi和ESVj分別代表調整前、調整后的生態系統服務價值，VCi和VCj為對應的生態系統服務價值系數，p為各類土地類型。如果敏感性指數小于1，那么就表明價值系數對該地區生態服務價值影響并不顯著，則研究結果具有一定的可靠性；相反，如果敏感性指數大于1，則表明研究結果不具備可靠性。

三、結果與分析

1. 海島土地利用變化

(1)土地利用數量與結構。大長山島土地利用類型以林地和耕地為主，二者面積之和占海島總面積的一半以上，其中林地主要分布在海島西部，耕地主要分布于海島東部。2003-2018年大長山島的土地利用變化表現為林地和耕地面積減少，分別減少了270.04 hm2和78.16 hm2，其中海島東部耕地明顯減少，建設用地不斷增加，且多分布在海濱浴場附近，這與大長山島為適應游客市場興建了許多度假酒店、休閑度假山莊的情況相吻合。其余土地類型面積都為增加，草地和建設用地面積增幅最大，分別增加了164.51hm2和156.78hm2，水域和未利用地面積增幅不大；從面積變化率來看，2003-2018年草地面積變化幅度最大，達到117.93%，建設用地、林地、水域和未利用地的面積變化率分別為37.60%、-31.69%、25.65%、23.31%，變化幅度較大，耕地面積變化率最小，為-7.44%。具體見表4。

表4 2003-2018大長山島土地利用變化

(2)土地利用動態度。總體來看，2003-2018年間海島各類型土地利用動態度存在差異，其中耕地、林地和建設用地動態度為負值，其余用地動態度為正值。具體來看，各地類在不同的時間段動態度表現不同。建設用地在2003-2008年間變化最大，增加了10.29%，草地在2008-2013年間變化最大，動態度為109.57%，這一時期內草地面積快速增長；2013-2018年間耕地、未利用地分別減少了7.49%、11.57%，具體如圖1所示。

圖1 2003-2018大長山島土地動態度變化

(3)土地利用轉移矩陣。以五年為間隔，劃分2003-2008年、2008-2013年、2013-2018年3個階段，通過ArcGIS疊加分析得到3個階段土地利用類型的轉移矩。2003-2008年林地轉出面積最大，轉出總量為236.52 hm2，主要轉出為耕地和建設用地，轉出面積分別為218.52 hm2、14.67 hm2。從轉入來看，轉入面積最大的是耕地，轉入面積達395.64 hm2，主要來自于林地、草地和建設用地，面積分別為218.52 hm2、114.75 hm2和60.84 hm2；其次是建設用地，有185.58 hm2的耕地轉入；其他土地利用類型轉變的面積較小。這一時期耕地的轉入面積遠大于轉出面積，海島對耕地保護較好。2008-2013年，從轉出看，耕地面積轉出最大，共計425.97 hm2耕地轉出為除水域外其他各類用地，主要轉為林地210.87 hm2、草地110.79 hm2、建設用地103.05 hm2；從轉入看，林地轉入面積最大，210.87 hm2耕地轉入為林地，這說明這一時期海島比較好的落實了退耕還林政策。其次是建設用地，103.05 hm2耕地和58.41 hm2未利用地轉為建設用地。2013-2018年，耕地轉出面積最大，分別轉為建設用地150.39 hm2、草地79.47 hm2、林地41.31 hm2；轉入方面，耕地、草地的轉入來源主要是林地。在三個階段，耕地都是建設用地的主要轉入來源。

表5 2003-2008年大長山島土地利用轉移矩陣

表6 2008-2013年大長山島土地利用轉移矩陣

表7 2013-2018年大長山島土地利用轉移矩陣

(4)土地利用程度。依據土地利用程度分級賦值表(表1)以及相應計算公式(公式3)，得到大長山島各用地類型的土地利用綜合指數。研究期內耕地土地利用指數最高；2018年耕地以及林地利用指數相較于2003下降，其余用地類型土地利用指數上升。土地利用程度綜合指數的數值區間為[100,400]，2003年、2008年、2013年和2018年大長山島土地利用程度綜合指數分別為272.77、294.18、284.57和281.7，屬于中等偏上水平，說明在研究時段內，人類對海島土地的開發利用程度較高。

表8 大長山島2003-2018年土地利用程度綜合指數

2.海島生態系統服務價值變化

(1)生態系統服務總價值變化。根據公式(4)計算研究區生態系統服務價值。從表9可知，2003-2018年生態系統服務總價值表現為波動減少的變化過程，2003年到2008年間生態系統服務價值由2785.71萬元減少到2476.65萬元，變化幅度較大；從不同土地利用類型來看，草地的ESV增加量最大，2003-2018年間共增加132.63萬元，增長率達117.92%；其次為水域、建設用地和未利用地ESV分別增加97.06萬元、24.59萬元和0.09萬元，變化率分別為25.65%、37.61%和25.71%。林地和耕地ESV分別降低524.77萬元和42.66萬元，變化率為-31.70%和-7.44%，林地的ESV減少最多；從土地利用程度來看，耕地、林地土地利用程度下降，其他地類土地利用程度增加，林地在海島面積占比大、對ESV貢獻高，所以導致生態系統服務價值最終表現為減少。由此可知，生態系統價值變化趨勢大體與林地面積變化相同。

表9 生態系統服務總價值變化表

(2)生態系統單項服務價值變化。2003-2018年，大長山島土地單項服務價值除廢物處理和文化娛樂價值增加外，其他服務價值均為減少。各項價值中，水文調節服務占比最大；服務價值下降幅度最大的是氣體調節，十五年內下降了近66.7萬元；維持生物多樣性下降了約61萬，氣候調節下降了57.6萬，保持土壤下降了56.6萬，原材料生產價值下降了約52.9萬；文娛價值隨著建設用地增加而增加。具體見表10所示。

表10 單項生態系統服務價值變化表

(3)敏感性分析。根據公式(5)將各土地利用類型的生態系統服務價值系數(VC)上下調整50%，計算2003年、2008年、2013年和2018年大長山島各土地類型的敏感性指數(CS)，探討ESV對單項生態系統服務價值系數(VC)的敏感程度。從表11可知，2003-2018年大長山島各類型用地敏感性指數都在0到1區間內，表明研究結果具備一定的參考性。林地的敏感性指數最高，說明林地對ESV的貢獻最大，其次是耕地，未利用地敏感性指數最低。

表11 2003-2018年大長山島各土地類型敏感性指數

四、結 語

本文以大長山島為研究區，解譯2003-2018年的遙感影像，運用土地利用轉移矩陣、土地利用綜合指數、價值當量因子等方法，分析土地利用及其生態系統服務價值的變化特征。得出主要結論如下：(1)大長山島的土地利用以耕地和林地為主。2003-2018年間，各類土地呈不規則波動變化，但總體表現為耕地和林地面積減少，其他類型用地中草地、建筑用地增長明顯；從土地利用布局來看，海島海濱浴場附近建設用地增加，這與海島旅游業的興起發展有一定的關系；從土地轉移來看，建設用地的轉入來源以耕地為主；海島土地利用程度較高，研究期內耕地以及林地利用指數下降，其余用地類型土地利用指數上升。(2)2003-2018年間，研究區的生態系統服務總價值表現為波動減少的變化過程。就不同地類來說，林地ESV減少最多，耕地ESV次之，其他地類服務價值則不同程度增加；林地ESV對總價值貢獻最大，接近一半；單項ESV減少最多的是氣體調節，這與林地面積大幅減少相對應；文化娛樂價值隨著建設用地的增加而增加。總體來說，林地在海島面積占比大、對ESV貢獻高，生態系統服務價值變化趨勢大體與林地變化相同。(3)2003-2018年大長山島各類型用地敏感性指數都在0到1區間內，表明研究結果具備一定的參考性。研究期內大長山島生態系統服務價值下降，對比其他學者對金塘島、冊子島的研究發現，在人類活動干擾下(城市化、工業化)，這些較小的海島生態環境幾乎都遭到破壞，生態系統服務價值下降。在自然因素和人為活動的雙重影響下，海島生態系統呈現脆弱性，不合理的資源開發將對海島生態造成極大的破壞，并且短期內無法恢復。針對海島土地利用現狀和生態系統服務現狀，為了海島生態保護和可持續發展，大長山島作為海洋生態經濟區和知名旅游地，應當因地制宜的調整土地利用方向，兼顧旅游開發建設和生態保護；加強對耕地的保護力度，嚴格執行建設用地占用耕地標準；注重對林地的保護，構建島嶼生態安全格局；遵守因地制宜原則，盡可能不破壞原有的生態環境，引導土地利用向ESV保值或增值方向變動；落實《大連2049城市愿景規劃》，以生態文明為導向，打造具有景觀魅力、便捷性和可靠性的海島旅游產業。

考慮海島與陸地耕地質量差異，本文利用長海縣地區糧食產量對價值當量進行修訂，可以使計算結果更加準確；利用遙感影像，從較長時間序列上基于土地利用變化對海島生態系統服務價值進行動態研究。在以后的研究中，可嘗試針對海島生態環境特點(如森林量)進行當量修訂，也可從空間角度對生態系統服務價值進行探討，使研究更加深入。