快速城市化背景下生態系統服務價值時空演變
——以南京市為例

孟 孟, 張 運, 支俊俊, 丁 玥, 王愛芳, 沈 豪

(1.安徽師范大學 地理與旅游學院, 安徽 蕪湖 241003;2.資源環境與地理學信息工程安徽省工程技術研究中心, 安徽 蕪湖 241003)

隨著城市化進程的不斷推進，人們的生產、生活和居住方式發生巨大的轉變，生態系統也受到了嚴重的影響，協調社會經濟和生態間的矛盾成為當前亟需解決的問題[1-2]。生態系統不僅能夠為人類提供各種商品,也在維持生命的支持系統和環境的動態平衡等方面發揮著重要作用[3]。生態系統服務是指通過生態系統維持和實現人類生活的一切條件和過程[4]。不僅為人類提供了各種各樣的生產生活原料，還維護著人類必需的生命系統，維持了自然界的生物地球化學循環與水文循環，有助于保持物種與遺傳多樣性，凈化環境、維持大氣化學的平衡和穩定性[5-7]。

在人類與自然進行緊密的交互的過程中，土地利用結構的變遷加速了生態系統服務功能的變化。目前，從價值量化的角度來評估土地利用變化引起的區域生態服務效應是生態學領域的研究熱點之一[8-10]。虎陳霞等[11]利用生態系統服務價值當量換算方法，研究了嘉興市30 a多來土地利用動態變化與生態系統服務價值之間的關系，發現土地利用類型和景觀格局的變動容易造成生態系統服務功能發生顯著變化。孫思琦等[12]結合GIS和RS技術，通過全國平均狀態下的生態系統服務單價系數修正，估算出巫山縣單位面積生態系統服務價值當量，表明探究城市化下土地利用/覆蓋及景觀格局的異質性對生態系統服務功能價值的影響對于促進區域土地資源合理利用和生態環境保護具有不可忽視的現實意義。由于生態系統本身所具有的特殊性、復雜性和多元性，不同調查和研究在定量計算時均存在參數選取與賦值等方面的差異。綜合分析來看，基于單位生態服務產品價格的當量因子法在進行生態系統服務價值核算時，考慮到了研究區內的作物產值，一般情況下得出的結果較為符合實際情況，但由于數據需求高、評價標準不統一、計算繁瑣[13-15]等問題難以實現廣泛而高效的應用。而基于標準單位面積價值當量因子的方法則相對簡單、易于應用。因此，本研究將以全國標準狀態下生態系統單位面積生態服務價值當量表為基礎，結合區域修正系數進行調整，以獲取更適用于研究區的生態系統服務價值評估指標體系。

作為長三角輻射帶動中西部地區發展的國家重要門戶城市，南京的新型城鎮化建設扎實推進，城鄉融合發展不斷深入，與此同時所面臨的生態環境壓力也與日俱增，區域生態系統功能遭到明顯削弱[16-18]。本文基于南京市1990—2018年4期的土地利用數據，定量地分析不同年份的土地利用面積和景觀格局變化情況，并結合國內外學者針對生態系統服務功能價值的估算方法，評估不同尺度下各種土地利用類型的生態系統服務價值，探討快速城市化背景下南京市生態系統服務價值時空變化特征，從人為因素和社會經濟因素等兩個方面綜合地分析南京市土地生態服務價值的驅動力影響，為科學地開展生態系統服務價值研究、生態保護與建設、城鄉空間布局優化以及土地可持續發展提供重要依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

南京市位于江蘇省西南部和長江下游中部，是江蘇省的省會城市。其地理坐標為31°14″—32°37″N，118°22″—119°14″E，包括了11個市轄區，全市總面積約6 587.02 km2，常住人口達8.50×106人，城鎮化率83.2%，是中國十大城市之一。南京地處寧鎮的丘陵地帶，地貌變化多樣，有環形山脈、條狀山脈和箕狀盆地。該地區年平均氣溫15～16 ℃，年平均降雨量約為1 106.5 mm，全市的森林覆蓋率約為22%，水域面積達11%以上，對南京市總的生態系統服務價值有較突出的貢獻。南京市地理區位條件優越，資源條件豐富，社會經濟發展迅速，已進入率先實現現代化、加快城市創新轉型的關鍵時期[19]。在快速城市化進程中，如何高效配置土地資源、最大限度地發揮生態系統服務功能等一系列問題逐漸引起了人們的關注。

1.2 數據來源

改革開放以來，中國走上了快速城市化的道路，統計資料顯示中國城市化率從1990年的26.41%增長到2019年的60.60%，尤其在黨的十四大以后，我國的城市化進程加速。1991年，南京市政府開始著手修編總體規劃，首次提出了“南京都市圈”的概念，并提出加快外圍城鎮發展，將城市建設重點向外圍城鎮轉移。從人口統計數據和產業數據來看，南京市自90年代以來起，人口每年都呈現出一定的增長趨勢，3個產業的年增長速率超過100%，成為了改革開放以來的快速增長時期。鑒于此，本文采用了南京市1990，2000，2010，2018年土地利用數據為基礎數據源，根據土地資源及其利用屬性，緊密結合全國縣級土地利用現狀分類系統，將土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地等6個一級類，在本次研究過程中建設用地未被納入生態系統服務價值估算的范疇。根據南京市統計年鑒，收集1990—2018年糧食作物單產等農業指標，以及人口、社會經濟指標等資料，收集整理后作為數據源。本研究中土地利用數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http:∥www.resdc.cn)。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用景觀格局 由于景觀指數能夠有效概括景觀格局狀況，反映土地利用結構和空間配置等[20]，本文利用ArcGIS10.1和Fragstats 4.2，結合1990—2018年南京市土地利用數據，計算出南京市整體情況下的景觀指數以及耕地和水域的斑塊密度和分離度指數[21]，研究中所使用到的各景觀指數及意義如表1所示。

表1 研究中用到的景觀指數及其意義

1.3.2 生態系統服務價值評估方法 為了改進Costanza等[4]提出的生態系統服務價值評估方法在中國應用時存在的缺陷，謝高地等[22]人在此基礎之上，構建了一種基于專家知識的生態系統服務評估單價體系。該方法根據中國民眾和決策者對生態服務的理解程度,將生態服務重新劃分為食物生產、原材料生產、美學景觀、氣體調節、氣候調節、水源涵養、土壤保持、廢物處理、生物多樣性維持共9種類型。本研究參照國內學者研究[23-26]提出的生態系統服務價值估算方法，得到2010年標準生態系統生態服務價值當量因子經濟價值量的值為3 406.50元/ hm2。根據南京市統計年鑒，南京市2010年單位面積糧食產量為6 868 kg/hm2，而同期全國單位面積糧食產量分別為 4 973.58 kg/hm2，修正后得到南京市一個生態系統服務價值當量因子為4 704.38 kg/ hm2。根據謝高地等[22]針對農田、森林、草地、濕地、荒漠和水域這6類生態系統所建立的中國生態系統服務價值當量因子表[27]，經過計算得出南京市不同生態系統單位面積的服務價值系數(表2)，計算公式[28]如下：

表2 南京市不同土地利用類型的生態系統服務價值系數 元/(hm2·a)

ESV=∑(Ak×VCk)

ESVf=∑(Ak×VCfk)

(1)

式中：ESV代表生態系統功能服務價值量;Ak表示土地利用類型k類型的面積; VCk表示生態系統服務價值系數; ESVf表示生態系統第f項服務功能價值; VCfk代表土地利用類型k類型的第f項生態系統服務功能價值系數。

1.3.3 人為影響綜合指數計算 人的社會活動是影響景觀格局變動的重要因素之一，自然生態系統的原始特性相對減弱，不同的土地利用類型代表著不同的人類開發利用強度[8]。本文采用人為影響綜合指數來描述各景觀單元內受影響強度的大小，具體的計算公式[29]為：

(2)

式中：HAI表示人為影響綜合指數；N代表研究地區內土地利用類型的數量；Ai代表第i種土地利用類型的面積；Si表示第i種土地利用的人為影響強度系數；TA表示總面積。本文將以相關學者的研究成果[30-32]確定人為影響強度系數Si(表3)。

表3 不同土地類型人為影響強度系數

1.3.4 生態系統服務價值時空差異驅動分析 相關研究表明，生態系統功能服務價值在短時間內主要受到人為因素方面的干擾[33]。本研究建立在國內學者已有研究[34]的基礎之上，并結合數據的可獲取性，選取人口、經濟、居民生活狀況、旅游和城市化率[35]等19個指標在SPSS軟件中標準化處理后進行分析，以此確定研究區域生態系統服務價值時空變化的主要驅動因素。

2 結果與分析

2.1 南京市土地利用變化

1990—2018年南京市土地利用類型發生明顯變化，尤其是中部地區(圖1，表4)。耕地面積28 a內減少了871.09 km2，建設用地則增加了882.17 km2。表明自1990年起，南京市土地利用變化以耕地向建設用地轉化為主，其余用地變化幅度相對較小。說明南京市城市化進程持續推進，高強度開發使建設用地不斷增加，以耕地為主的大量生產生態用地[10]受到侵占。

圖1 1990-2018年南京市土地利用變化

表4 1990-2018年南京市各土地利用類型面積變化

2.2 南京市土地利用景觀格局變化

從近30 a來南京市景觀指數變化(表5)可以看出，斑塊密度指數從1990年的0.589 0下降至2018年的0.512 5，表明南京市土地利用景觀破碎化程度有所降低。香農多樣性指數在某種程度上反映研究區土地類型分布的異質性，類型越多，多樣性指數就越高[36]。研究期內南京市的香農多樣性呈現出逐年緩慢遞增的趨勢，南京市不同土地利用景觀類型分布較為均衡。從整體上看，1990—2018年南京市土地利用的蔓延度指數和分布聚合性指數均呈現出遞減的趨勢(圖2)，平均斑塊面積逐漸增大，平均斑塊分維數均接近于1，說明在城市化快速發展的關鍵期，南京市各景觀類型斑塊的集中程度有所提高，各斑塊形狀較為簡單，人為干擾因素對生態系統影響較為顯著。耕地生態系統的斑塊密度連年攀升，水域生態系統的分離度指數呈現出先減后增的趨勢，造成該趨勢的原因可能由于城市化開發和水產養殖業的發展等因素[37]，使耕地破碎度增加，水域趨于離散化。

表5 1990-2010年南京市土地利用景觀指數變化

注：PD為斑塊密度； SHDI為香農多樣性指數； CONTAG為蔓延度指數； AI為聚集度指數； SPLTT為分離度指數。

2.3 南京市土地生態系統服務價值的時空變化

1990—2018年，南京市土地生態系統功能服務價值整體呈下降的趨勢(表6)。在2000—2018年，南京市土地生態系統服務價值減少了3.05×109元，尤其以水域生態系統服務價值下降最為明顯(表7)。隨著城市化進程不斷推進，可提供服務價值的生態用地明顯減少，生態環境的穩定性有所下降。張騫等[38]研究發現，生態用地結構變化導致生態系統服務價值變化，而生態系統服務價值的變化則影響整個區域的生態效益，造成城市建設用地與生態用地新結構的形成。通過對比可知，耕地和水域是南京市生態系統功能服務的主要提供者，耕地和水域為南京市提供的生態系統服務價值最高占比分別為40.79%和47.02%，自2010年起水域成為南京市生態系統服務價值的最高提供者。

表6 1990-2018年南京市各土地利用類型生態系統服務價值估算

表7 1990-2018年南京市各土地利用類型生態系統服務價值變化

城市化水平和城市建設用地之間具有顯著的相關性，建設用地擴張是城市化發展的必然結果[39]。從時間尺度上，1990—2018年南京耕地面積逐年減少而建設用地面積不斷增加，生態系統服務功能較強的耕地變成了無法提供生態服務功能的建設用地，因此南京市生態服務功能遭到削弱。另一方面，從空間尺度上，隨著南京市區域城市化的建設與發展，農業人口逐漸向城區遷移，人口對生態系統的干擾性增強，越來越多的農田被建設用地占用，在一定程度上造成本地的生態系統服務功能降低。

從1990—2018年南京市生態系統服務功能的價值構成來看(表8)，南京市不同土地利用類型的各項生態服務價值貢獻依次為：廢物處理>水文調節>保持土壤>維持生物多樣性>氣候調節>氣體調節>食物生產>提供美學景觀>原材料生產。其中自1990—2000年，南京市生態系統服務功能價值總體上有所減少，但單項生態系統服務功能沒有發生明顯變化。2000—2010年各項服務功能價值變化趨勢較為顯著，主要表現在水文調節功能由8.20×109元上升到9.34×109元，廢物處理功能由8.98×109元上升到9.68×109元，提供美學景觀功能由1.71×109元上升到1.98×108元，其他生態服務功能則呈現出下降的趨勢且變化幅度不大。

表8 1990-2018年南京市各項生態系統服務價值估算

由于2000—2010年水域面積增長了22.80%，而水域生態系統具有較強的水文調節功能和廢物處理功能，因此相應的生態系統服務價值有所上漲，共增長了3.06×109元。結合表4中分析可知，2010—2018年由于南京市水域面積減少了17.54%，水域生態系統服務的優勢減弱，南京市整體生態系統服務價值有所降低。

2.4 南京市生態系統服務價值時空差異驅動力

從前面的分析結果來看，1990—2018年南京市生態系統功能服務價值總體呈現出先減少后增加再減少的趨勢，其中2000—2010年南京市生態環境狀況有所改善，生態系統服務價值增長趨勢顯著。Yang等[40]，孫洪波等[41]研究表明，人為干擾及社會經濟等因素會導致區域土地利用類型結構變化，從而改變生態系統物種組成和結構，并進一步影響研究地區生態系統的各項服務功能效果。為進一步探索南京市生態系統服務價值演變的主要原因，本文從人為干擾和社會經濟因素兩方面分析了生態系統服務價值變化的驅動因素。

2.4.1 人為影響因素驅動力 本研究采用網格取樣法，對每個樣本(網格)的人為影響強度進行加權計算，把獲得的綜合指數作為樣本中心點的值。一般認為，景觀樣本的面積應當為斑塊平均面積的2～5倍,才能夠綜合反映采樣區周圍景觀的格局信息[42]。

本文依據前人學者關于人為影響指數計算的研究[29-31]，在保證試驗結果的精確性和可靠性的情況下，將研究區劃分為若干個500 m×500 m的網格單元，分別計算各個景觀單元的人為影響綜合指數(HAI)，利用ArcGIS軟件進行Kriging插值得到1990，2000，2010，2018年這4個時期的人為干擾程度對比(圖3)。

圖3 1990-2018年南京市人為干擾綜合強度分布特征

由圖3可知，南京市生態系統人為綜合干擾強度的空間分布主要有以下特征：北部以較高影響為主；中部以高影響為主；南部以低影響和較高影響為主，其中六合地區持續以較高影響為主，棲霞區、鼓樓區和玄武區均以高影響為主。從空間變化范圍上看，在2000—2018年，南京地區中部的人為影響綜合強度進一步增加，呈現出由中部向四周擴散的趨勢，江寧區、溧水區的部分區域由較高影響發展為高影響。高淳區西南方向部分區域由低影響轉變為中高影響。將此結果結合南京市1990—2018年土地利用分布(圖1)可知，耕地和建設用地區域的人為干擾程度較高，且高影響強度區域與建設用地擴張范圍存在一致性，表明城市化的快速發展使人為干擾對生態系統服務的影響逐漸增強。

2.4.2 社會經濟因素驅動力 本文利用SPSS軟件對19組變量進行相關性分析和主成分分析，同時依據特征值來選定主成分(表9)。由表9可知第一主成分的特征值為17.745，其貢獻率為93.393%,第二主成分特征值為1.15，其解釋了總變異的6.054%，第一、二主成分累積貢獻率超過99.9%，表明能夠充分表達19組變量的信息，進而符合分析需求。由表10可知，總人口、人口密度、全部工業總產值、第一產業值、城鎮居民人均可支配收入、農村居民人均純收入、實際利用外資額和第一主成分呈較強的正相關關系，農業人口、撫養比、人均糧食產量和第一主成分具有高度的負相關關系。第二主成分則與接待入境旅游人數具有相對較高的相關性。整體上來看，1990—2018年南京市生態系統功能服務價值時空演變的驅動因素主要表現為人口、經濟狀況和居民生活水平。

表9 1990-2018年南京市社會經濟因素驅動力特征值及主成分貢獻率

表10 1990-2018年南京市社會經濟因素驅動力主成分載荷矩陣

3 結 論

本文以快速城市化地區南京市為例，基于4期土地利用分類數據，研究了1990—2018年該地區土地利用的變化，估算了研究時段南京市的生態系統服務價值，從人為因素和社會經濟因素兩個角度評估了生態系統服務價值時空演變驅動力因素。主要結論如下：

(1) 1990—2018年，南京市建設用地和耕地變化幅度較大，建設用地面積增加了105.67%，耕地面積減少了19.93%。總體來看，研究時段內南京市土地利用景觀集中程度有所提高，多樣性不斷增強。

(2) 研究期內南京市生態系統服務價值總體呈下降趨勢，水域是南京市生態服務價值最高的土地利用類型。其中，2000—2010年南京市總的生態系統功能服務價值隨著水域面積增加而有所提高，其中廢物處理、水文調節和土壤保持等功能方面表現突出。

(3) 從驅動力分析來看，人為干擾因素使得耕地、建設用地以及水域受到了高影響和較高影響。隨著南京市社會經濟發展，人口對于生態系統服務價值時空變化的影響高于經濟因素，人口因素日益成為影響南京市生態系統服務的主要驅動力。

(4) 快速城市化背景下南京市水域的面積發生顯著變化，未來發展應注重保持現有的景觀優勢，優化城鄉發展空間布局和城鎮體系結構，提高水域的生態效益，維持生態系統的多樣性，提升南京市總體生態系統服務功能價值。