武漢市土地利用及生態系統服務價值的時空變化研究

陳倩倩

摘 要：通過研究2000—2020年武漢市土地利用變化、生態系統服務價值、土地利用動態度、生態貢獻率等，揭示土地利用與生態系統服務價值的關系。結果表明：①武漢市土地利用結構變化明顯，土地利用轉移主要發生在水體、林地轉向耕地，耕地大幅轉向人造地表。耕地的占補平衡是人造地表占用水體、林地的過程。②20年間，武漢市土地利用綜合動態度呈現加速趨勢。③生態系統服務價值總量呈現下降趨勢，水體、濕地、林地的生態服務價值減少引起總量的降低，三者也是生態貢獻率主要因素。

關鍵詞：武漢市；土地利用；生態系統服務價值；生態貢獻度

中圖法分類號：X171? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

生態系統服務價值是進行土地資源結構優化的主要指標[1-3]。研究土地利用變化對生態系統服務價值的影響，對剖析區域生態環境狀況變化，提高地區土地利用水平具有重要意義。

1997年，Costanza等[4]研究提出了各類生態系統服務價值系數，奠定了生態系統服務價值的研究基礎[5]。謝高地等[6-7]針對國內的情況作進一步研究，估算了我國生態系統服務價值。生態系統服務價值估算方法主要有兩種：功能價值法和當量因子法，其中功能價值法計算復雜，有參數計算，其受主觀影響較大；而當量因子法由于具有操作簡單，綜合評價，適應性強的優點，被普遍采用[8-11]。

近年來，武漢市經濟發展飛速，土地利用格局在發生變化的同時，也帶來了生態系統服務功能的變化。對武漢市20年來土地利用變化的時空演變特征進行分析，并根據當地生態系統服務價值當量，研究區域生態系統服務價值變化，可為區域國土資源優化配置和生態環境保護提供一定的科學參考。

1 研究區域與研究方法

1.1 研究區概況

武漢地處江漢平原，是中國中部中心城市，全市有15個區（含功能區），全域8 494.41 km2。武漢市中部平整，北面殘丘，境內河流縱橫，水域面積2 217.6 km2，覆蓋率26.1%。截至2021年末，武漢市常住人口1 232.65萬人，比2010年增加254.11萬人，增長25.97%，平均每年增長2.34%。選擇武漢市為研究對象具有較高可操作性，其土地利用和生態系統兩方面都具備足夠且變化的水域及林地等地類，是探究二者時空變化的理想研究對象。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源與處理

基本數據是武漢市2000、2010、2020年空間分辨率為30 m的土地覆蓋數據，該數據基于中國環境減災衛星（HJ-1）多光譜影像和美國陸地資源衛星（Landsat OLI）的TM5、ETM+、OLI多光譜影像數據（網站：http：//globeland30.org/）生成，滿足研究精度要求。GlobeLand30數據共包括10個一級類型，分別是：耕地、林地、草地、灌木地、濕地、水體、苔原、人造地表、裸地、冰川和永久積雪。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用變化分析

（1）土地利用動態度是研究土地利用變化的經典方法，表征的是研究區內特定時間段不同地類的變化速率。其表達式為：

式中：Ki值為某種土地利用類型年變化率；Ci為研究期內第i種地類的凈變化量；Uia為研究初期第i種地類的面積；T為時長；綜合土地利用動態度為各種地類Ki之和。

（2）土地利用轉移矩陣是研究不同土地利用類型轉移方向和數量變化的經典方法，可以直觀地展現各地類格局的演化過程。其表達式為：

式中：Aij為研究初期第i種土地利用類型在研究期末轉換成第j種土地利用類型的土地面積；i（i=1，2，…，n），j（j=1，2，…，m）分別表示研究期初和研究期末的地類；n代表土地利用類型數。

2.2.2 生態系統服務價值

（1）生態系統服務價值評估。參照謝高地等提出生態系統服務價值系數[6]，并根據其后期的改進，確定生態系統服務經濟價值當量因子為3 613.36

元/hm2，生態系統服務價值當量賦值（見表1），計算式為：

式中：ESV為生態系統服務總價值（元）；Ak為研究區k種土地利用類型的面積（hm2）；VCk為第k種地類的單位面積生態價值（元/（hm2·a））；VCfk為第k種地類的單位面積的第f項生態系統服務價值；ESVf為第f項生態系統服務價值系數（元/（hm2·a））；f為生態系統服務價值的項數。

（2）生態貢獻率是研究周期內不同地類的生態系統服務價值變化量占整個研究區總生態服務價值變化量的比例，能夠揭示影響研究區生態服務價值變化的主要貢獻因子。其計算式為：

式中：Si代表第i類土地利用類型在研究期內的生態服務貢獻率；是第i類土地利用類型在研究期內的生態服務價值變化量；i為土地利用類型。

3 結果及分析

3.1 武漢市土地利用時空變化分析

3.1.1 土地利用結構變化

目前，武漢市主要地類為耕地，主要分布在人造地表的外圍，隨時間分布趨于破碎；其次為水體，以長江、漢江以及梁子湖、斧頭湖、湯遜湖等大型湖泊為主；林地占9.8%，主要分布在黃陂區北部、新洲區東北部；人造地表占17.9%，主要分布在長江、漢江交匯處。2000—2020年武漢市土地利用變化見表2，土地利用類型分布見圖1。可知，20年間，面積縮減的地類包括耕地、林地、濕地、水體，其中林地減少最多（445.1 km2），耕地和水體分別減少了50.4 km2、298.7 km2，人造地表凈增加量最大（927.6 km2），比例由7.1%上升至17.9%。

武漢市各地類具有明顯的時間變化特征。具體表現為：耕地總量在減少，2000—2010年耕地面積增加361 km2，2010—2020年大幅度減少411.3 km2，原因是前期武漢市政府積極推進高產農田建設，穩定提高耕地數量，為維持耕地數量平衡作出了一定的貢獻。人造地表面積增加，凈增927.6 km2，這和武漢市借助國內經濟地理中心，發揮水陸空綜合運輸中心、汽車產業、長江經濟帶基礎設施等功能關系密切。林地、水體面積大幅度減少；濕地、裸地和草地面積的絕對變化量較小。

武漢市土地利用轉移主要由耕地轉向人造地表。具體來看，耕地轉化為人造地表（628.23 km2，占74%），空間上表現為人造地表由中間向四周擴張侵占耕地；其次，耕地的重要流向為林地（103.33 km2，

占12%），這主要是武漢市實施退耕還林工程，主要位于城區和梁子湖等湖區。林地轉移到耕地

（282.27 km2），水體總量轉化為耕地（355.95 km2）。

林地轉向耕地、水體轉向耕地的總量兩者之和，與耕地轉向人造地表總量保持相對一致，說明武漢市耕地數量的維持來源于占用林地和填補水體，人造地表來源于耕地指標的置換（見表3）。

3.1.2? 土地利用動態度

土地利用動態度結果（見表4）表明：①武漢市20年土地利用綜合動態度為15.90%，說明20年間，武漢市土地利用綜合動態度呈現加速趨勢。②從單項地類來看，人造地表的動態度（7.60%）遠高于其他用地類型，表明城市建設活動處于活躍期，尤其是2010—2020年期間。從城鎮化率來看，2020年武漢市城鎮化率為62.89%，比2010年提高13.19%，也印證了這一規律。

3.2 武漢市生態系統服務價值變化

3.2.1 生態系統服務價值變化

20年來，武漢市生態系統服務價值減少，降低了21.23%。從2000年的67.03億元減少至2020年的52.8億元。從單項上看，水體是武漢市ESV的主體，約占40%，其次是耕地，約占30%。從各地類ESV變化看，耕地ESV變化量較小，表明20年來，武漢市耕地數量保持相對穩定的狀態，2000—2020年間，建設項目占用耕地面積，同期補充相應的耕地面積，實現了耕地占補平衡的目標。綜上，影響武漢市生態服務價值變化的關鍵因素不是耕地，而是水體、林地和濕地（見表5）。

從單項服務價值（見表6）來看，武漢市水文調節的價值在生態服務總價值始終占據一定規模，約占68%，其次是水資源供給，約占10%，這與武漢水系發達、水資源豐富的特征密切相關。隨著武漢市水體面積的大幅減少，單項的水文調節、水資源供給功能價值總量下降，引起土壤保持、美學景觀功能價值快速下降。

3.2.2? 各地類對生態系統服務價值變化的生態貢獻率

2000—2020年，水體對生態系統服務價值變化的貢獻率最多，為42.75%，林地次之，貢獻率為39.5%。水體、濕地、林地三者生態貢獻率之和在98%左右，表明水體、濕地、林地的生態系統服務價值變化量對研究區總生態系統服務價值變化量影響較大（見表7）。

4? 結論

（1）2000—2020年，土地利用結構發生顯著變化，耕地、林地、水體大量減少，人造地表大幅增加。林地轉向人造地表和耕地，水體轉向耕地和人造地表，耕地轉向人造地表和林地，表明武漢市耕地數量的平衡來源于占用林地和填補水體，人造地表大部分來源于耕地指標的置換。

（2）2000—2020年，土地利用動態度為15.9%，其中人造地表的土地利用動態度為7.62%，遠超其他地類，表明城市建設活躍，尤其是2010—2020年是急劇加速時期，與此階段城鎮化率迅速提高13.19%相互印證。

（3）2000—2020年，武漢市生態系統服務價值呈現下降的特征，其構成主體為水體、林地及耕地；單項生態服務價值以水文調節和水資源供給為主。水體面積的減少，是武漢市生態系統服務總價值減少的主要原因。水體的生態貢獻率最大，其次是林地、濕地，三者之和超過90%，是武漢市ESV變化的主要貢獻因子和敏感因子。

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Temporal and Spatial Changes of Land Use and Ecosystem Service Value in Wuhan City from 2000 to 2020

Chen Qianqian

（Shanghai Investigation，Design & Research Institute Co.，Ltd.，Shanghai 200050，China）

Abstract：The relationship between land use and ecosystem service value are revealed by studying the land use change，ecosystem service value，land use dynamic degree and ecological contribution rate in Wuhan from 2000 to 2020. Results unveil that：1）The land use structure in Wuhan changed significantly，mainly reflected in the conversion from water bodies and woodlands to cultivated lands，and from cultivated lands to artificial surface remarkably. The requisition-compensation balance of cultivated land is a process of artificial surface occupying water bodies and woodlands. 2）In the past two decades，the comprehensive dynamic degree of land use in Wuhan showed an accelerating trend. 3）The total value of ecosystem services presented a downward trend resulted from the reduction of ecological service value of water body，wetland and woodland，which are also major factors of ecological contribution rate.

Key words：Wuhan City；land use；ecosystem service value；ecological contribution rate