南寧市土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響研究

陳藝妍, 覃 林

(廣西大學(xué) 林學(xué)院，廣西 南寧 530004)

1 引言

土地是一切生命賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)[1]。土地利用/覆被變化(Land Use Cover/Change，LUCC)是全球環(huán)境變化的主要驅(qū)動(dòng)因素[2]，同時(shí)也是當(dāng)前生態(tài)環(huán)境研究的熱點(diǎn)問題[3]。LUCC對(duì)水源涵養(yǎng)、氣候變化、生物多樣性等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能產(chǎn)生重要影響，對(duì)推動(dòng)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[4]。生態(tài)系統(tǒng)作為生物和環(huán)境的復(fù)合綜合體，其服務(wù)價(jià)值(Ecosystem Service Value，ESV)是指人類通過生態(tài)系統(tǒng)直接或間接的獲取生存與發(fā)展所有福利，是提高人類福祉的基礎(chǔ)性載體[3]。土地利用與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)既相互制約又相互影響，土地利用的劇烈變化導(dǎo)致各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值功能變化，進(jìn)而成為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值遭受削弱、損害的主要因素[5]。Costanza等[6]把全球生物圈劃分為16類生態(tài)系統(tǒng)和17種服務(wù)功能，并將各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的單位面積價(jià)值對(duì)應(yīng)成貨幣，該方法成為后來研究ESV的重要基礎(chǔ)。張志強(qiáng)等[7]、歐陽志云等[8]在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的概念和內(nèi)涵等方面做出了重要理論性工作。謝高地等[9]針對(duì)我國國情多次修改ESV當(dāng)量系數(shù)，目前各個(gè)學(xué)者根據(jù)自身研究區(qū)域?qū)χx高地等[9]所提出的價(jià)值當(dāng)量做出修正[10]，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，基于土地利用動(dòng)態(tài)變化產(chǎn)生的ESV評(píng)估結(jié)果對(duì)促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要作用[11]。

本文通過遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)對(duì)南寧市2005～2020年整體土地利用狀況進(jìn)行解析，并通過土地利用轉(zhuǎn)移矩陣進(jìn)一步探討其土地流轉(zhuǎn)特征，旨在通過定量探討該區(qū)域土地利用動(dòng)態(tài)變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響，并在此基礎(chǔ)上計(jì)算出調(diào)整生態(tài)價(jià)值系數(shù)后各生態(tài)系統(tǒng)敏感性指數(shù)，研究結(jié)果為南寧市生態(tài)環(huán)境保護(hù)和土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整提供科學(xué)依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

南寧市位于廣西壯族自治區(qū)西南部(108°22′E，22°48′N)，行政區(qū)劃為7區(qū)5縣，土地面積22127 km2，總?cè)丝诩s874.15萬人[12]。該地區(qū)地表河流眾多、水系豐富，邕江貫穿全市，地勢(shì)自東北向西南傾斜，土地資源豐富且類型齊全[13]。同時(shí)，南寧市是廣西壯族自治區(qū)的首府與政治經(jīng)濟(jì)文化中心，也是中國-東盟博覽會(huì)的永久性會(huì)址。隨著南寧市人地矛盾越來越尖銳，人類活動(dòng)給城市生態(tài)系統(tǒng)帶來巨大影響。

3 研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來源

研究所采用的南寧市土地利用數(shù)據(jù)來源于2005、2010、2015和2020年Landsat8 TM遙感數(shù)據(jù)(分辨率30m)，利用ENVI和Arcgis軟件進(jìn)行幾何糾正、大氣校正、配準(zhǔn)和圖像增強(qiáng)、研究區(qū)域裁剪等預(yù)處理；根據(jù)南寧市影像解譯情況，參照《土地利用現(xiàn)狀分類》[14]將南寧市土地利用類型劃分為：耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地等6種類型。

3.2 土地利用/覆被變化動(dòng)態(tài)度模型

土地利用動(dòng)態(tài)度是指在一定時(shí)間范圍內(nèi)，不同類型土地面積的變化率，可以反映土地利用類型的變化程度[15]，其測(cè)度公式[16]為：

(1)

式(1)中，K代表單一土地利用類型變化動(dòng)態(tài)度；Ub和Ua分別代表期末和期初的某一土地利用類型面積；T為研究時(shí)段。

綜合土地利用動(dòng)態(tài)度主要分析在一定時(shí)間范圍內(nèi)，整個(gè)研究區(qū)域土地利用類型轉(zhuǎn)化的劇烈程度[1]，其測(cè)度公式[17]為：

(2)

式(2)中，LC表示土地利用變化程度，其值越大，表征土地利用變化越劇烈，反之越弱；LU為研究初始各土地類型的總面積；ΔLUi-j為研究時(shí)段內(nèi)第i類土地類型轉(zhuǎn)為第j類土地類型總面積；n是土地利用類型數(shù)量；T為研究時(shí)間。

3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估方法

根據(jù)Costanza等[6]、謝高地等[9]的研究理論，并結(jié)合研究區(qū)域的實(shí)際生態(tài)情況，確定南寧市土地利用類型相對(duì)應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)類型和生態(tài)價(jià)值系數(shù)(表1)，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值估算公式[18]為：

(3)

式(3)中，ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值(元)；VCi為第i類土地利用類型單位面積的生態(tài)價(jià)值系數(shù)；Ai為第i類土地利用類型面積；n為土地利用類型數(shù)量。鑒于王鵬等[19]、趙志剛等[20]學(xué)者對(duì)于建設(shè)用地是否具有服務(wù)價(jià)值看法不一，所以本研究暫不對(duì)建設(shè)用地的ESV進(jìn)行分析。

表1 南寧市各土地利用類型生態(tài)價(jià)值系數(shù) 元/hm2

3.4 敏感指數(shù)分析方法

敏感性指數(shù)(coefficient of sensitivity，CS)是指價(jià)值系數(shù)變動(dòng)1%引起ESV的變化情況，對(duì)判斷修正結(jié)果是否與研究區(qū)各生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)功能相適宜具有檢驗(yàn)性作用[21]。若敏感性指數(shù)小于1，則ESV對(duì)價(jià)值系數(shù)是富有彈性的，說明評(píng)估結(jié)果可信度高；反之則說明ESV對(duì)價(jià)值系數(shù)缺乏彈性，評(píng)估結(jié)果可信度較低[22]。其測(cè)度公式[23]為：

(4)

式(4)中，ESVj為調(diào)整后的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值；ESVi為調(diào)整前的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值；VCjk為第k種土地利用類型調(diào)整后的價(jià)值系數(shù)；VCik為第k種土地利用類型調(diào)整前的價(jià)值系數(shù)。

4 結(jié)果與分析

4.1 南寧市土地利用變化特征

由表2可知，2005～2020年南寧市各類土地利用面積呈現(xiàn)不同程度的增減變化。2005～2020年，研究地區(qū)的主要土地利用類型以林地為主，平均面積為52%左右，其面積呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，且2015年時(shí)的面積最小。在研究時(shí)間范圍內(nèi)，耕地面積呈減少趨勢(shì)，從2015年的7573.85 km2減少到2020年的7395.05 km2，其比重保持在34%左右。草地面積也在持續(xù)下降，從2005年的1339.73 km2降到2020年的1302.51 km2。然而，在研究時(shí)期內(nèi)，建設(shè)用地面積持續(xù)增加，從2005年的871.96 km2上升至2020年的1162.61 km2，說明南寧市的城市發(fā)展迅速，在公共基礎(chǔ)設(shè)施及商業(yè)用地領(lǐng)域投入較大。同時(shí)，研究區(qū)水域呈減少趨勢(shì)，這可能是由于城市快速發(fā)展，導(dǎo)致水域用地被占用。另外，未利用地在2005年和2010年面積未發(fā)生變化，2015年和2020年有小幅度增加，分別為5.54 km2和4.05 km2，占比保持在0.01%左右。

4.2 南寧市土地利用空間分布格局

結(jié)合南寧市2005～2020年四期土地利用格局來看(圖1)，林地主要分布在該市中部和北部，分布范圍廣；耕地位于南寧市中部地區(qū)，而西北部和西南部也有零散分布；草地主要零星分布在南寧市的北部和南部的邊緣地帶，北部呈林地和草地復(fù)合格局，南部呈水域和草地復(fù)合格局；建設(shè)用地主要分布在南寧市區(qū)，在西鄉(xiāng)塘區(qū)、興寧區(qū)和青秀區(qū)交界處，隨著城鎮(zhèn)化的高速發(fā)展，近年來由中心城區(qū)向外部擴(kuò)張趨勢(shì)越來越明顯，尤其是賓陽縣、橫縣和武鳴區(qū)，零星分布在耕地周圍；南寧市水域主要為邕江、右江和武鳴河及其支流，15年間面積變化較小，未利用地面積波動(dòng)較小，主要分布在南寧市東部邊緣地帶。

表2 2005～2020年南寧市土地利用結(jié)構(gòu)特征

圖1 2005～2020年南寧市土地利用類型

4.3 南寧市土地利用類型動(dòng)態(tài)度變化

南寧市各個(gè)土地利用類型的動(dòng)態(tài)度見表3。耕地的總體動(dòng)態(tài)度為-0.16%，其中，2005～2010年、2010～2015年、2015～2020年的動(dòng)態(tài)度分別為-0.04%、-0.19%和-0.24%；耕地面積的不斷減少的主要原因可能是由于退耕還林還草政策帶來耕地轉(zhuǎn)化為林地、草地及城鎮(zhèn)擴(kuò)張的擠占效應(yīng)。林地的總體動(dòng)態(tài)度為-0.02%，波動(dòng)幅度較小，其面積呈先減少后增加的態(tài)勢(shì)，2015～2020年林地面積增加0.17%；可見，在國家退耕還林及生態(tài)功能區(qū)建設(shè)的政策干預(yù)下，林地保護(hù)成效明顯。草地的總體動(dòng)態(tài)度為-0.19%，減少幅度較為緩慢；草地面積的不斷減少的主要原因可能是城鎮(zhèn)的不斷擴(kuò)張導(dǎo)致其范圍不斷被侵蝕縮小。水域的總體動(dòng)態(tài)度為-0.34%，其面積呈先增加后減少的態(tài)勢(shì)，整體減少速度較慢，其原因可能是城鎮(zhèn)化速率加快，導(dǎo)致部分水域被建筑用地占用。建設(shè)用地總體動(dòng)態(tài)度為2.22%，在2005～2020年間面積不斷增加，尤其是2010～2015年增速較快，充分說明人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。未利用地變化的波動(dòng)性較強(qiáng)，其中2010～2015年其面積增加幅度最大，為28.17%。但由于未利用地面積太小，所以對(duì)整體幾乎沒有影響。

4.4 南寧市土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣

運(yùn)用ArcGIS軟件的柵格計(jì)算器功能，計(jì)算土地利用類型轉(zhuǎn)移面積。從表4可以看出，2005～2020年間，南寧市土地利用變化總面積約1094.42 km2， 約占南寧市總面積的4.94%。對(duì)于耕地，其面積凈減少為178.80 km2，主要轉(zhuǎn)出地類包括建筑用地、林地和草地，其中建筑用地在總轉(zhuǎn)出面積中占比最大，約占48.87%。對(duì)于林地，其面積減少約42.90km2，主要轉(zhuǎn)出地類是耕地、建設(shè)用地和草地，其中耕地在轉(zhuǎn)出面積中占比最大，約占54.89%。對(duì)于草地，其面積減少約37.22 km2，主要轉(zhuǎn)化為林地和建設(shè)用地。對(duì)于水域，其總面積減少約33.48 km2，主要轉(zhuǎn)出地類是耕地和林地。對(duì)于建設(shè)用地，其面積大幅增加，凈增加約290.65 km2，主要是耕地、林地和草地的轉(zhuǎn)入，說明2005～2020年間南寧市城市建設(shè)速度較快，需要在推進(jìn)其經(jīng)濟(jì)建設(shè)的過程中加強(qiáng)對(duì)耕地和林地的保護(hù)，從而保障人類生存的物質(zhì)基礎(chǔ)和糧食安全。對(duì)于未利用地，其面積增加約1.75 km2，主要由水域和耕地轉(zhuǎn)入，說明南寧市應(yīng)加強(qiáng)對(duì)未利用地的開發(fā)和治理。

表3 2005～2020年南寧市各時(shí)期土地利用類型動(dòng)態(tài)度

表4 2005～2020年南寧市土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣 km2

4.5 南寧市土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響

南寧市2005、2010、2015和2020年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值量見表5。由表5可知，2005～2020年南寧市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值總體呈下降趨勢(shì)。從價(jià)值構(gòu)成來看，林地的生態(tài)價(jià)值最高，基本保持在55%左右，其次是水域和耕地的生態(tài)價(jià)值，這15年間有小幅度增加，但基本保持在19%以上。2005～2010年、2010～2015年和2015～2020年3個(gè)時(shí)期中，林地、耕地和水域的生態(tài)價(jià)值之和均占總價(jià)值比例的95%以上，充分說明林地、耕地和水域的變化對(duì)南寧市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值影響尤為顯著。具體而言，2005～2020年，林地面積減少了42.9 km2，致使生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值損失10.55億元；草地面積減少了37.22 km2，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值損失0.98億元；水域面積減少了33.48 km2，使得生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值損失了10.43億元。綜上所述， 2005～2020年林地、耕地和水域的面積減少是導(dǎo)致南寧市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值降低的主要原因。因此，南寧市在未來的土地利用中應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)林地、耕地和水域的重視和保護(hù)，減少填湖造陸和亂砍亂伐帶來的生態(tài)環(huán)境問題，采取有助于林地、耕地和水域可持續(xù)利用的策略促進(jìn)生態(tài)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展。

4.6 敏感性分析

將各土地利用類型的生態(tài)價(jià)值系數(shù)(VC)增加50%，計(jì)算出2005年、2010年、2015年和2020年南寧市生態(tài)服務(wù)價(jià)值敏感系數(shù)如表6所示。由表6可知，研究區(qū)內(nèi)ESV值敏感性指數(shù)均小于1，代表南寧市ESV值的測(cè)度結(jié)果對(duì)其價(jià)值系數(shù)缺乏彈性，研究結(jié)果可信[24]。敏感性指數(shù)從高到低依次為林地、水域、耕地和建筑用地，表征系數(shù)的改變對(duì)地類ESV值影響最大的為林地，最小的是建設(shè)用地。就不同年份來看，林地、耕地的敏感性指數(shù)在增加，表明隨著時(shí)間的增長，林地和耕地的變化對(duì)南寧市ESV值的影響逐漸變大。水域和草地敏感性指數(shù)下降，說明水域和草地價(jià)值系數(shù)的變化對(duì)南寧市ESV值的影響逐漸變小。

表6 基于價(jià)值系數(shù)增加50%的2005～2020年南寧市各土地類型的生態(tài)價(jià)值敏感系數(shù)

5 結(jié)論

(1)南寧市在2005～2020年間，耕地、林地、草地和水域均減少，建設(shè)用地和未利用地均增加。這種土地利用結(jié)構(gòu)變化與南寧市城市化進(jìn)程加快，人口增多等社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素相關(guān)。

(2)通過2005～2020年南寧市土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣可以看出，由于南寧市經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，建設(shè)用地面積增加了290.65 km2，其中66.59%和19.74%分別由耕地和林地轉(zhuǎn)換而來。林地面積減少42.9 km2，其中耕地在林地轉(zhuǎn)出面積中占比最大。

(3)2005～2020年土地利用結(jié)構(gòu)變化使南寧市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值減少25.24億元。其中林地在南寧市總生態(tài)服務(wù)價(jià)值中發(fā)揮著重要作用，表明增加林地覆蓋面積可以顯著提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，因此政府部門應(yīng)該注重對(duì)林地的保護(hù)。

(4)本文對(duì)南寧市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值結(jié)果進(jìn)行了科學(xué)的敏感性評(píng)估，數(shù)據(jù)表明研究區(qū)內(nèi)ESV值敏感性指數(shù)均小于1，表征南寧市ESV值的測(cè)度結(jié)果對(duì)其價(jià)值系數(shù)缺乏彈性，說明本文所采用的價(jià)值系數(shù)是較為合理的。