蘇州游湖地區土地利用變化對生態系統服務價值的影響*

王 杉 呂寅超 林靜雅 王麗萍 朱 穎

1 蘇州科技大學建筑與城市規劃學院 江蘇蘇州 215011 2 蘇州園林設計院有限公司 江蘇蘇州 215000

生態系統服務是指生態系統的結構、 功能以及經過長時間發展所形成的維持人類賴以生存的環境條件和效用[1]， 生態系統服務價值(ecosystem service value， ESV) 評估不僅能夠定量掌握生態系統現狀及發展變化， 更有利于生態環境資源的合理優化和配置[2-3]。 土地利用是人類改造自然的主要方式， 土地利用變化能夠影響或改變生態系統的結構和功能， 從而導致ESV 的變化， 進而影響區域生態健康。 由此， 基于土地利用視角， 定量評估ESV 成為相關學科關注的熱點。 學者們針對城市[4-7]、 湖泊濕地[8-11]、 森林[12-13]、 流域[14-15]等不同生態系統進行了生態服務價值的評估， 在此過程中生態與經濟相結合的新經濟范式[16]為地區可持續發展提供了可靠的科學依據。

本文以蘇州游湖地區為研究對象， 運用土地動態度、 ESV 評價和流向模型探究2005—2015 年土地利用變化對ESV 的影響。 研究結果不僅為蘇州游湖地區土地利用結構優化提供科學依據， 也為相似區域生態環境保護與建設提供決策支持。

1 研究區概況

蘇州游湖區域位于蘇州高新區鎮湖街道(31°19′12″—31°19′34″N， 120°21′1″—120°22′4″E)，與太湖水貫通相連， 總面積為1 472.8 hm2， 是蘇州市水系與太湖交匯的關鍵地帶， 孕育了多種類型的濕地， 也是蘇州物種資源最為豐富的地區之一。 2006 年之前， 圍墾后成為蘇州重要的水產養殖區， 受地區快速城鎮化影響， 本地區建設用地規模不斷擴大。 為保護本地區濕地生態系統的穩定性和物種多樣性， 2006 年在游湖地區核心地帶進行了太湖濕地公園的建設， 實施濕地生態保護與修復。 游湖區域周圍有近10 個行政村， 常住人口2 萬人， 城市化水平為75.8%。

2 數據來源及研究方法

2.1 數據來源

本文依據國家標準 《土地利用現狀分類》(GB/T 21010-2017)， 結合蘇州市土地利用特點，將研究區土地利用類型分為8 類， 即， 耕地(水田、 水澆地和旱地)、 林地、 草地、 水域、 濕地、住宅用地、 建設用地(鎮村道路、 工業用地、 公共服務用地、 風景名勝及其他特殊用地等) 及其他用地(田坎、 設施農用地等)。

土地利用數據來自地理空間數據云(http:/ /www.gscloud.cn/)， 以2005 年、 2015 年的Landsat 7 TM 數據為遙感數據源， 空間分辨率為30 m， 提取2 個時期各用地類型分布信息， 經過大氣校正、幾何校正， 將影像附統一投影坐標信息: GCS＿WGS＿1984。 利用ENVI4.5， 通過監督分類法進行解譯， 并在ArcGis10.2 中進行專題圖制作， 相關空間數據 (面積、 斑塊數) 的計算主要通過ArcGis10.2 中的字段計算器工具和地理查詢工具實現， 以此獲得蘇州游湖區域2005 年和2015 年的土地利用變化數據。

ESV 的核算基礎數據涉及該地區的社會、 經濟以及土地利用等相關數據。 本研究中涉及的社會、 經濟等數據主要來源《蘇州統計年鑒2005—2015》、 《江蘇統計年鑒2005—2015》 和《中國統計年鑒2005—2015》 等。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用動態度

土地利用動態度(K) 能夠表述某一時間范圍內不同土地利用類型變化的速度[17]， 通常用來分析土地利用變化差異、 并預測土地利用變化的發展趨勢[18]， 計算公式如式(1):

式(1) 中:K為某特定時間范圍內單一土地利用類型的土地利用動態度；Ua為研究初期土地利用類型的數量；Ub為研究末期土地利用類型的數量；T為時間范圍， 當時間單位為年，K就指研究區內單一土地利用類型數量變化的年變化率。

2.2.2 土地利用變化趨勢和狀態指數

本文運用土地利用變化趨勢和狀態指數反映游湖地區土地利用整體變化趨勢和狀態， 計算公式如式(2):

式(2) 中:Pt為區域內土地利用變化趨勢和狀態指數； ΔUin-i代表第i類土地利用類型最終轉入面積(hm2)； ΔUout-i代表第i類土地利用類型最終轉出面積(hm2)。 當0≤Pt≤0.25 時， 處于平衡狀態； 當0.25＜Pt≤0.50 時， 處于準平衡狀態； 當0.50 ＜Pt≤0.75 時， 處于不平衡狀態；當0.75＜Pt≤1 時， 處于極端平衡狀態[19]。

2.2.3 生態系統服務價值系數

參照謝高地等[20]提出的ESV 當量因子表， 以及蘇州游湖區域的社會、 經濟統計資料， 蘇州市2005—2015 年平均糧食產量為7 001.91 kg/hm2?？紤]到糧食產物價格的偏差， 為使數據更為合理，參考相關文獻[21]， 統一按2005 年(全國糧食單價平均價格為1.26 元/kg[22]) 的價格計算， 得到蘇州游湖區域單個ESV 當量因子的經濟價值為1 260.34 元。 為了符合具體數值計算， 林地參照森林、 耕地參照農田、 水域參照水體、 其他用地作為未利用地參照荒漠進行簡化計算， 建設用地和住宅用地的ESV 為0， 不列入表內， 最終得出蘇州游湖區域的生態系統服務價值系數(VC) (表1)。

表1 蘇州游湖地區不同土地利用類型單位面積的生態系統服務價值系數 元·hm-2·a-1

2.2.4 生態系統服務價值

根據研究區各類土地生態系統及單位面積價值， 計算出研究區總ESV， 計算公式如式(3):

式(3) 中: ESV 代表生態系統服務價值總量(元)；Ai代表第i 種土地利用類型的面積(hm2)；VCij代表第i種土地利用類型第j種ESV系數(元·hm-2·a-1)；i為土地利用類型，j為生態系統服務功能的類型。

2.2.5 敏感性指數分析

本文運用敏感性指數CS( Coefficient sensitivity ) 分析模型， 對ESV 系數上下調整50%后， 計算ESV 對生態價值系數變化的響應， 以此獲得ESV 對生態價值系數的依賴程度， 計算公式如式(4):

式(4) 中:CS為敏感性指數；VC為生態價值系數；i和j分別為原始價值和生態價值系數調整后價值；k為某種土地利用類型。 若CS＞1， 說明ESV 對于VC來說富有彈性， ESV 對VC敏感；若CS＜1， 說明ESV 相對VC缺乏彈性， ESV 對VC不敏感。 敏感性指數越大， 代表生態價值系數對總ESV 變化具有關鍵作用。

2.2.6 流向性分析

為了反映土地利用類型轉移對其ESV 損益情況的作用及影響， 本文采用流向性分析模型對ESV 進行有效性分析， 計算公式如式(5):

式(5) 中:PLij為原第i類土地利用類型轉移為最終第j類土地利用類型后生態服務價值的損益情況(萬元)；VCi、VCj分別為第i類、 第j類土地利用類型的生態服務價值系數；Aij為第i類土地利用類型轉移為第j類土地利用類型的面積(hm2)。

3 結果與分析

3.1 土地利用時空動態變化

3.1.1 土地利用動態變化

根據2005—2015 年蘇州游湖區域土地利用類型變化結果(表2)， 濕地和水域是蘇州游湖區域最主要的土地利用方式， 兩個時期均近或超過總面積的1/4 以上。 濕地和水域面積分別增長了2.05%、 4.79%； 建設用地面積增長顯著， 增長了18.19%； 面積變化量最大的是耕地， 10 年間減少了51.3 hm2， 減少了16.25%； 林地、 草地等占比較低， 其變化率不做重點考慮。

表2 2005—2015 年蘇州游湖區域各土地類型的動態變化統計表

3.1.2 土地利用空間變化

從游湖區域2005—2015 年的土地利用轉移矩陣(表3) 看: 耕地面積轉出最多， 轉移為建設用地、 水域和住宅用地， 轉移量分別為17.50 hm2、12.85 hm2和12.83 hm2； 少量的草地和水域轉換為耕地； 建設用地所增加的面積中， 85%源于耕地的轉移， 而建設用地僅有0.5 hm2轉換為濕地；住宅用地面積的增加全部來源于耕地的轉移， 同時有部分居住用地轉移為濕地和建設用地； 水域增加的面積主要由耕地、 草地和其他用地轉移而來， 分別貢獻了12.85 hm2、 3.14 hm2和3.15 hm2，少量的水域轉移成濕地和耕地。 2005 年之后， 游湖地區水域、 濕地面積增加的同時伴隨著耕地面積的減少， 而建設用地的增長較為明顯。

表3 2005—2015 年蘇州游湖區域土地利用轉移矩陣 hm2

通過公式(2) 運算結果可知， 2005—2015年區域內土地利用變化狀態指數和整體趨勢(Pt) 值為0.68， 表明蘇州游湖區域10 年間各類土地轉換趨勢屬于不平衡狀態， 主要體現在耕地和草地向水域、 建設用地、 住宅用地轉移。

3.2 生態系統服務價值

3.2.1 生態系統服務價值估算

研究時段內， 游湖地區耕地、 林地和草地生態系統服務價值量呈不同程度減少(表4)。 耕地生態系統服務價值減少了16.2%； 草地減少最多，達到27.6%； 濕地與水域生態系統服務價值均呈增長狀態， 年變化率分別為0.20%和0.48%， 但在2005 年、 2015 年， 濕地與水域價值量均超過ESV 總量的94.0%以上， 說明二者是蘇州游湖地區生態系統服務價值的主要來源。 從整體上看，水域和濕地對蘇州游湖區域的發展具有重要意義，也在一定程度上反映了本地區濕地保護建設的成效。

表4 2005—2015 年蘇州游湖區域生態系統服務價值及其變化

蘇州游湖地區ESV 從2005—2015 年凈增加了2.1%， 增長幅度較為緩慢， 但呈現出良好的趨勢。 結合本研究區在研究時段內土地利用類型的動態變化可知， 年變化率較大的耕地、 草地沒有導致總體ESV 的減少； 建設用地的增加對生態系統服務價值的影響沒有凸顯， 但若對建設用地規模及土地轉換速率缺乏控制， 必將會影響本地區生態系統服務總價值和健康發展。

3.2.2 敏感性分析

通過公式 (4) 對生態系統服務價值系數(VC) 上下調整50%， 計算得到蘇州游湖區域2005 年和2015 年的敏感度指數(CS)。 結果(表5) 表明， 各類型土地生態系統服務價值的敏感度指數均小于1， 說明蘇州游湖區域生態系統服務價值缺乏彈性， 即ESV 對VC 不敏感， 采用的生態服務價值系數對地區生態服務價值影響不大，選用的生態系統服務價值系數合理、 結果可靠。

表5 2005—2015 年蘇州游湖區域生態服務價值敏感度指數(CS)

3.2.3 流向性分析

運用公式(5) 獲得游湖地區土地利用類型變化的生態系統服務價值損益。 由表6 可知，2005—2015 年， 蘇州游湖地區生態系統服務價值增加， 主要源于耕地、 草地和其他用地的生態系統服務價值流向了水域生態系統服務價值， 三者占據總體生態系統服務價值的95%。 耕地轉為水域產生最高的生態系統服務價值， 增長幅度達63.25%； 其次耕地及其他用地的生態系統服務價值流向濕地， 也為本地區生態系統服務總價值的增加起到了一定的作用； 草地和其他用地轉移為水域， 減少了水域轉為其他用地土地類型帶來的經濟損失； 水域的價值轉移為耕地和濕地， 損益情況基本持平。

表6 2005—2015 年蘇州游湖區域土地利用變化的生態服務價值流向分析 萬元

由表6 還可看出， 各類土地利用類型的轉移最終并不是都有利于ESV 增加方向， 部分耕地、草地、 水域面積的減少， 造成價值負向流失， 因此本地區需加強對水域、 濕地、 耕地和草地的保護， 促使地區生態服務價值增長。

4 討論

本研究中ESV 評估多采用Costanza 等[2]提供的價值系數或謝高地等[20]優化的價值系數， 其中，土地面積指標具有關鍵作用， 土地利用變化與ESV緊密相關， 影響土地利用變化的各類因素也影響區域生態系統服務價值。 通過價值系數的方法雖然只能獲得相對靜態的ESV 價值， 但是其變化趨勢能夠對地區生態保護決策提供依據[23-24]。

蘇州游湖地區2005—2015 年土地利用變化明顯受城鎮化快速發展及生態保護等兩種作用力的推動。 研究時段內， 游湖地區各地類中， 建設用地的增長和耕地面積的減少， 在一定程度上減緩了地區總ESV 的提升， 但濕地與水域的緩慢增加， 依然促進了地區ESV 的增長。 由此也說明濕地和水域是促進游湖地區ESV 提升的關鍵地類， 同時也表明“退田還湖” “退田還濕” 等生態保護工程的實施對于提高ESV 具有積極的促進作用， 這與朱穎等[25]對太湖流域生態系統服務價值研究結果具有一致性。 由于濕地或水域生態修復具有長期性、 復雜性， 其生態功能的發揮仍需進一步關注。

5 結論

1) 蘇州游湖區域在2005—2015 年土地利用變化較為明顯。 10 年間， 耕地、 草地、 林地面積減少， 尤其是耕地面積減少明顯； 水域、 濕地、建設用地面積呈增長狀態， 尤其是建設用地面積增長明顯； 住宅用地和其他用地也呈增長狀態。

2) 研究時段內， 本地區各類土地轉換趨勢屬于不平衡狀態。 耕地大部分轉移為建設用地、 水域和住宅用地； 建設用地增加的85%、 全部增加的住宅用地均來源于耕地的轉移； 水域增加的面積主要由耕地、 草地和其他用地轉移而來。 2005年之后， 隨著太湖濕地公園的建設， 水域、 濕地面積增加的同時伴隨耕地面積的減少， 此時建設用地的呈現較為明顯的增長。

3) 研究時段內， 蘇州游湖地區生態系統服務價值增加主要是因為耕地、 草地和其他用地的生態系統服務價值流向了水域生態系統服務價值。蘇州游湖地區生態系統服務總價值(ESV) 凈增加了2.1%， 年變化率較大的耕地、 草地以及建設用地對本地區生態系統服務總價值的影響不明顯。

4) 研究時段內， 濕地和水域是蘇州游湖區域最主要的土地利用方式。 蘇州游湖地區總生態系統服務價值隨著濕地、 水域面積的增長而提升。