滇中城市群土地利用轉型及生態系統服務價值交叉敏感性分析

陳相標, 丁文榮, 李孝川

(1.云南師范大學 地理學部, 昆明 650500; 2.云南師范大學 教育學部, 昆明 650500)

土地是人類最基本的社會經濟活動和生態環境建設的空間載體[1]，對維持生態系統的結構、過程和功能起著決定作用[2]。隨著新型工業化和新型城鎮化發展持續推進，社會經濟發展進入深度轉型時期[3]，區域土地利用在深度與廣度上均發生激烈的動態轉型。土地利用轉型是土地利用變化綜合研究的新途徑[4]，指在經濟社會變化和革新的驅動下，一段時期內與經濟和社會發展階段轉型相對應的區域土地利用形態發生動態轉變的過程[5]。土地利用變化作為生態系統服務功能的主要驅動力[6]，引起了學術界的廣泛關注[7]。生態系統服務是指人類直接或間接從生態系統中獲得的各種惠益[8]，包括供給服務、調節服務、文化服務和支持服務等[9]。而生態系統服務價值(Ecosystem Services Value，ESV)作為生態系統服務功能的重要評估指標，其價值量變化在一定程度上表征人類活動對生態系統的影響程度[3]，生態系統服務價值的研究也成為國際地理學、生態學及相關學科研究的前沿和熱點[10-11]。

生態敏感性是指生態系統對各種自然和人類活動干擾的敏感程度，能有效反映區域生態系統遇到干擾時出現生態環境問題的可能性大小[12-13]，也是研究區域土地利用轉型與生態系統服務的重要手段[14]。但傳統的敏感性分析方法直接把Kreuter等[15]提出的敏感性系數作為判定當量因子系數的主要方法，忽略了各土地利用類型轉型的雙向性，不能完全表征土地利用凈轉型對生態系統服務價值的響應程度[13]。因此，有學者[16]提出了生態系統服務交叉敏感性的概念和計算模型，該研究仍處于基礎階段[17]，缺乏實例驗證研究。進入21世紀初期城市群成為國家參與全球競爭與國際分工的全新地域單元[18]，也是生態環境問題及生態系統服務沖突的高發區[19]。目前，對于城市群土地利用轉型與生態系統服務價值評估研究相對較多[20-21]，但很少有對城市群地區的生態系統服務功能進行敏感性分區研究。

滇中城市群是國家重點培育的19個城市群之一[22]，也是西部地區重要經濟增長極。近年來，隨著人類活動干擾進一步加劇，永久耕地和生態保護面臨的壓力持續增長。當前，對于滇中城市群的生態系統服務價值測算及生態敏感性分區鮮有研究，這在一定程度上阻礙滇中城市群的發展推進。因此，本文以滇中城市群為研究對象，基于遙感監測數據，對該區近20 a以來的土地利用轉型過程、生態系統服務價值時空演變特征及土地利用轉型對ESV的貢獻度進行測算評估，定量分析土地利用轉型對ESV的響應程度并劃定敏感性分區。以期為優化滇中城市群國土空間格局、保護生態環境提供科學依據和現實參考。

1 研究區概況

滇中城市群地處云貴高原中部(100°43′—104°49′E，24°58′—25°09′N)。為典型的高原山區城市，由昆明市、曲靖市、玉溪市、楚雄州和紅河州北部的7縣市(蒙自市、開遠市、彌勒市、個舊市、建水縣、瀘西縣、石屏縣)組成，共49個縣(市)區，總面積111 402 km2[22]，常住人口約為2 195萬人(2020年底)。地形以山地和山間盆地為主，年平均氣溫17.20℃，年均降水量約1 000.63 mm，屬低緯度高原山地季風氣候，植被以亞熱帶常綠闊葉林和灌叢草地為主。該區作為全國“兩橫三縱”城鎮化戰略格局的重要組成部分，在國家開發開放格局和生態文明建設中具有重要的戰略地位。近20年來，由于人類活動干擾加強，土地利用景觀格局發生了劇烈變化，經濟建設與生態保護、永久耕地的沖突日益突出。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源與處理

本文所選用的3期土地利用遙感數據來源于地理空間數據云(http:∥www.gscloud.cn/)，空間分辨率為30 m×30 m。基于ENVI 5.3軟件對獲取的土地利用影像數據進行輻射校正、大氣校正、波段合成、影像拼接和裁剪等預處理，并按照《全國遙感監測土地利用/覆蓋分類體系》分類標準，采用最大似然法，并結合高分辨率歷史影像和人工目視判讀的方式，將該區土地利用類型劃分為：耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地6種類型；糧食單產數據來源于2000—2020年《云南省統計年鑒》；各行政單元界線、政府駐地、河流等數據均來自云南省地理信息公共服務平臺標準地圖(https:∥yunnan.tianditu.gov.cn)矢量化獲得。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用動態變化模型 土地利用動態度是定量評價土地利用數量和面積變化最常用的方法之一[23]。利用單一土地利用動態度(K)來表示滇中城市群在一定時間內不同土地利用類型數量的變化速度[24]，表達式為：

K=〔(Uit2-Uit1)/Uit1〕/T×100%

(1)

式中:K為i類土地利用類型在t1—t2時段內的動態度;Uit1和Uit2分別為t1和t2時段i類土地利用類型的數量;T為研究時長。

利用綜合土地利用動態度(LC)來刻畫滇中城市群在一定研究時段內綜合土地利用類型數量的速度變化[7]。表達式為：

(2)

式中:ΔLUi-j為研究時段地類i轉為地類j面積的絕對值;LUi為i類土地利用類型的面積;n為不同土地利用類型數量。

2.2.2 生態系統服務價值計算模型 基于Costanza等[9]提出的全球生態系統服務價值估算體系模型，以謝高地等[25]建立的中國陸地生態系統服務價值當量表為基礎，根據滇中城市群地區的社會經濟發展狀況，對單位面積農田糧食產量的經濟價值進行修正，通過云南省統計年鑒計算得出該區2000—2020年的年均糧食產量為4 629.70 kg/hm2，為消除貨幣通貨膨脹和糧食價格波動對評估結果的影響，統一與2020年的糧食平均單價(2.52元/kg)[26]為基價進行計算，依據“1個生態服務價值當量的經濟價值量等于當年全國平均糧食當產市場價值的1/7”[25]得到滇中城市群地區1個生態系統服務價值當量因子的經濟價值為1 666.69元/hm2，建設用地的價值系數參考前人研究結果[23]進行計算。根據上述信息計算得出滇中城市群地區各土地利用類型所對應的生態系統價值修正系數(表1)。

表1 滇中城市群單位面積生態系統服務價值修正系數 元/hm2

滇中城市群生態系統服務價值計算模型公式如下[27]：

(3)

(4)

(5)

式中:ESV為生態系統服務價值總量;LUCi為土地利用類型i的面積;VCi為土地利用類型i的生態系統服務價值修正系數;AESV為地均生態系統服務價值;AESVt1和AESVt2分別為t1和t2時地均生態系統服務價值;C是地均生態系統服務價值變化率。

2.2.3 土地利用轉型的生態貢獻度 土地利用轉型對生態系統服務價值的貢獻度是指i類土地利用類型轉型為j類土地利用類型所引起的生態系統服務價值的變化率[28]。其表達式為：

(6)

式中:ELi-j為土地利用轉型對生態系統服務價值的貢獻度;VCj和VCi分別為土地利用類型j和i的生態系統服務價值當量修正系數;LUCi-j為研究期間i類土地利用類型轉為j類土地利用類型的面積。

2.2.4 交叉敏感性系數 交叉敏感性系數(Coefficient of Cross-Sensitivity，CCS)是指當某土地利用類型向另一土地類型轉換時的單位面積變化率所引起的生態服務價值變化率[16]。交叉敏感性系數是不同土地利用類型的凈轉型狀態，并將相互轉型的兩個土地利用類型基期面積的平均值作為轉型率的基數。該系數需滿足：兩個地類發生凈轉型的同時，其余地類未發生地類轉型[2]。表達式為：

(7)

式中:CCS(j)kI為第j年k土地利用類型與I土地利用類型相互轉型的交叉敏感性系數;ΔES(j-1,j)為第(j-1)年至第j年ESV變化率;ΔCCL(k,I)為土地利用類型k和I的凈轉型率;IR(k,I)為k土地利用類型向I土地利用類型轉型的面積;TR(k,I)為I土地利用類型向k土地利用類型轉型的面積;Ak和AI分別為k類和I類土地利用類型的基期面積。若CCS(j)kI>0表明ESV增減變化與不同土地利用類型的凈轉型同方向變化;若CCS(j)kI<0表明ESV增減變化與不同土地利用類型的凈轉型反方向變化;|CCS(j)kI|越大,表明ESV對某兩類土地利用類型的凈轉型越敏感;反之,越不敏感。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化過程

基于土地利用遙感解譯數據的統計分析，得到滇中城市群各土地利用類型的面積變化情況(表2)。近20 a以來，滇中城市群土地利用變化較為明顯，林地、草地、耕地是該區主要的土地利用類型，占總面積的96%以上。建設用地規模不斷擴張，整個研究期間面積增加了1 850.67 km2，耕地、水域、未利用地持續減少，2000—2020年分別減少了10 830.49，228.34，87.93 km2；草地和林地呈“先減少后增加”的演變過程，前期(2000—2010年)面積分別減少了78.83，291.98 km2，后期(2010—2020年)由于退耕還林還草政策的大力推進以及耕地撂荒等[29]影響，二者面積分別增加了4 571.60，5 095.30 km2。

由公式(1)和(2)計算出研究區單一土地利用動態度和綜合土地利用動態度(表2)。從單一土地利用動態度來看，前期耕地、林地、草地、水域和未利用地均呈現出減少趨勢，其中未利用地的減少速度最快為3.48%，其次是草地減少速度為0.10%；建設用地面積持續增加，變化最為激烈，前期增速為3.87%，后期增速達7.60%。后期耕地、水域、未利用地面積均有所減少，減速分別為4.69%，1.62%，3.34%；林地、草地和建設用地增速分別為0.83%，1.68%，7.60%。從綜合土地利用動態度來看，前期土地利用變化相對遲緩，綜合動態度僅為0.04%，后期土地利用變化較為活躍，綜合土地利用動態度高達0.99%。

表2 2000-2020年滇中城市群各土地利用變化情況

3.2 生態系統服務價值時空變化特征

根據公式(3)的計算結果，滇中城市群生態系統服務功能總體呈現出“先減少后增加”的趨勢。從時間尺度看，2000年、2010年、2020年滇中城市群生態系統服務價值分別為5 028.81億元、5 011.60億元、5 360.93億元。前期，ESV減少了17.21億元，年均減少量為1.72億元；后期，ESV增加了349.34億元，主要由于退耕還林還草以及耕地撂荒等對該區生態系統的改善作用。近20 a以來，生態系統功能各項子系統中，食物生產呈現出持續減少的趨勢，主要由于該區新型城鎮化的不斷深入推進，建設用地大規模擴張占用耕地，導致食物生產功能持續下降；氣候調節價值量最高，3個時期的價值量分別為1 313.48億元、1 309.38億元、1 429.70億元，均占總價值的26%以上；維持養分循環功能價值最低，3個時期的價值量分別為47.80億元、47.65億元、49.08億元。

從空間尺度看，由公式(4)計算得到：2000—2020年滇中城市群縣域尺度地均生態系統服務價值空間分布(圖1)。在整個研究時段，滇中城市群地均ESV空間差異明顯，高值區〔(5.50～7.50)萬元/hm2〕主要分布在滇池、撫仙湖和星云湖三大高原湖泊流域，生態系統功能受湖泊調節影響較大；2000年，48.98%的縣(市)區地均ESV處于低值區〔(2.50～4.50)萬元/hm2〕，主要集中分布在曲靖市和昆明市，2010年低值區進一步向南擴大到57.14%的縣(市)區，特別是麒麟區、陸良縣和羅平縣最為突出，主要是由于該區屬于滇東喀斯特石漠化的典型區域，生態系統較為脆弱；2020年，低值區范圍明顯縮小至32.65%的縣(市)區，高值區的范圍有所擴大，生態系統服務功能明顯改善，元謀縣和官渡區出現局部退化。

圖1 2000-2020年滇中城市群地均ESV空間分布

由公式(5)計算得出該區地均生態系統服務價值變化率(圖2)，從圖中可以看出前期有69.39%的縣(市)區地均生態系統服務價值處于減少趨勢，其中石屏、建水、嵩明3個縣的減少幅度均超過了10%；后期地均ESV增加的縣(市)區高達85.71%，其中師宗縣、羅平縣、富源縣和華寧縣增幅均大于20%，永仁縣和官渡區降幅超過10%，這一時段增加的縣區數量較前期增加了30個；在整個研究期內，地均ESV增加幅度較大的區域主要集中分布于曲靖市，地均ESV變化率在0～10%的區域主要集中連片分布于玉溪市。

圖2 2000-2020年滇中城市群地均ESV變化率空間分布

3.3 土地利用轉型對生系統服務價值的貢獻度

由公式(6)計算得出2000—2020年滇中城市群各土地利用轉型對生態系統服務價值的貢獻度(表3)。前期，草地轉型為林地和耕地轉為林地、草地、水域對滇中城市群生態系統服務功能改善的貢獻度分別為21.31%，28.32%，表明植樹造林和退耕還林、還草、還湖對該區生態系統服務功能起到了改善作用，毀林開荒、圍湖造田是導致滇中城市群生態系統服務功能退化的重要影響因素，占到了53.06%的貢獻度。后期，草地轉為林地和耕地轉為林地、草地、水域對研究區生態系統服務功能改善的貢獻度分別為33.69%，50.12%，林地向草地、耕地的轉型和草地向耕地的轉型導致生態系統服務功能降低，貢獻度分別為42.93%，5.87%。近20 a來，草地轉為林地和耕地轉為林地、草地、水域對生態系統服務功能的貢獻度分別為32.02%，49.10%，林地向草地、耕地的轉型和草地、水域向耕地的轉型導致生態系統服務功能惡化的貢獻度分別為41.32%，7.69%。

表3 2000-2020年滇中城市群各土地利用轉型對生態系統服務價值的貢獻度

3.4 生態系統服務交叉敏感性分析

3.4.1 生態服務價值對土地利用轉型的交叉敏感性響應 由公式(7)計算滇中城市群前后兩個時段6種地類15種土地利用轉型對ESV變化的交叉敏感性響應矩陣(表4)。分析表明，耕地、林地、草地、水域向其他土地利用類型轉型較為敏感，其中林地向草地、水域、建設用地的轉型以及耕地向水域、草地向水域、水域向建設用地等6種土地利用類型間的轉型最為敏感，耕地向草地和建設用地的轉型缺乏敏感性。

表4 滇中城市群生態服務價值對土地利用轉型的交叉敏感性響應矩陣

(1) 耕地與其他地類轉型的交叉敏感性：耕地與林地、草地的凈轉型，前期均呈現耕地減少，林地和草地增加，引起ESV增加，后期不同地類的凈轉型出現逆轉，且敏感性降低，表明ESV的變化與該地類轉型方向相反；耕地與水域的轉型前后兩期均表現為耕地增加水域減少，敏感性顯著增強；耕地與建設用地間的轉型，前后兩期均表現為耕地向建設用地的凈轉入，導致ESV減少，ESV變化方向與該地類轉型方向相反，后期較前期敏感性增強。

(2) 林地向其他地類轉型的交叉敏感性：前期林地向水域和建設用地凈轉入，導致林地減少，水域和建設用地增加，引起ESV減少，較后期敏感性均有明顯增強；林地向草地凈轉入，均導致前后兩期草地減少林地增加，引起ESV增加，但敏感性系數由前期的7.76%下降至后期的1.92%。

(3) 草地向其他地類轉型的交叉敏感性：前期草地向水域、建設用地凈轉入，導致草地減少，相應地類增加，草地向水域和建設用地凈轉型引起ESV減少，后期敏感性增加，建設用敏感性變化最為明顯，敏感性系數由前期的0.49%增加到后期的20.26%。

(4) 水域向其他地類轉型的交叉敏感性：前后兩個時段水域向建設用地凈轉入，均導致水域減少，建設用地增加，引起ESV減少；水域向未利用地凈轉入均導致水域面積增加，未利用地減少，引起ESV增加，敏感性系數由前期的1.64%增加到后期的33.60%。

(5) 建設用地與其他地類轉型的交叉敏感性：建設用地向未利用地凈轉型，導致未利用地減少，引起ESV0.18%的增加，建設用地與耕地、林地、草地和水域的轉型，均引起ESV減少，后期各地類的敏感系數均大于前期，表明建設用地不斷擴張占用其他土地導致態系統服務功能不斷減弱。

3.4.2 生態系統服務功能交叉敏感性分區 基于上文ESV與土地利用轉型的交叉敏感性響應分析和各地類在縣域尺度的轉型面積，選取交叉敏感性較高和面積分布較廣的6種土地利用類型，利用ArcGIS 10.2中的自然斷點法將敏感性等級劃分為5級，從而得出該區不同土地利用轉型的交叉敏感性空間等級分布圖(圖3)和各分級面積(表5)。

表5 滇中城市群土地利用轉型交叉敏感性等級分區面積

圖3 滇中城市群土地利用轉型的交叉敏感性等級分區

(1) 耕地與林地的相互轉型主要表現為耕地向林地的凈轉型，耕地與林地轉型的較低敏感區和缺乏敏感區分布最廣，分別占總面積的58.06%，15.95%，兩者范圍占比達74.01%，主要分布于楚雄、玉溪、昆明和曲靖等海拔相對較高的山區，較高敏感區和極敏感區占總面積的6.29%，主要分布于耕地面積較集中的馬龍、陸良、羅平和元謀等壩區。

(2) 耕地與建設用地轉型的缺乏敏感區和較低敏感區分布范圍最大，分別占總面積的46.70%，26.01%，主要分布于以昆明為核心的城市建成區以及南部地區，因建成區形成人工生態系統后，土地利用方式較為穩定，成為較低敏感區；中度敏感區、高度敏感區和極高敏感區三者占總面積的27.29%，主要集中分布于曲靖、楚雄以及昆明的祿勸和富民縣等。

(3) 林地與草地的轉型主要表現為草地向林地凈轉型，占總縣的44.90%，主要分布于曲靖、玉溪和楚雄南部等地區；有27個縣(市)區表現為林地向草地凈轉型，林地與草地相互轉型缺乏敏感性的面積占到了47.66%，其次是較低敏感區，占總面積的46.52%，主要分布于曲靖；極敏感區所占面積較小，主要是分布在彌勒和官渡。

(4) 林地與建設用地主要表現為林地向建設用地的凈轉型，僅有元謀、武定、盤龍和五華表現為建設用地向林地轉型，林地向建設用地轉型缺乏敏感區面積最大，占總面積的67.25%，主要從東北向西南呈條帶狀分布，城市建成區人工生態系統對林地向建設用地的轉型缺乏敏感；較低敏感區和中度敏感區分別占總面積的11.96%，11.33%，極敏感區所占面積最小，僅為3.92%，主要分布在牟定縣。

(5) 林地與水域的轉型主要是以水域向林地的凈轉型，有21個縣(市)區呈現出林地向水域凈轉型，主要呈“T”字形分布，林地向水域的轉型缺乏敏感區的分布范圍最廣，占總面積的72.33%，其次是較低敏感區，占總面積的15.76%，極敏感區面積僅為1 600 hm2，主要分布于會澤和富源。

(6) 草地與建設用地相互轉型缺乏敏感區面積最大，占總面積的61.35%，主要集中連片分布于昆明、玉溪和紅河，其次為較低敏感區，較高敏感區和極高敏感區占總面積的16.49%，極高敏感區主要分布在富源、會澤和祿豐。

4 結 論

(1) 2000—2020年滇中城市群土地利用類型主要以林地、草地、耕地為主，比重約占總面積的96%以上，耕地、水域、未利用地呈現出持續減少的趨勢，年均減少量速率分別為2.35%，0.84%，2.83%，建設用地擴張較為明顯，20 a間面積增加了1 850.67 km2，草地和林地均呈現出先減少后增加的趨勢；整個研究時段的綜合變化率維持在0.50%。

(2) 滇中城市群生態系統服務價值總體呈現出“先減少后增加”的趨勢，2000年、2010年、2020年ESV分別為5 028.81億元、5 011.60億元、5 360.93億元；近20 a來，各子系統中食物生產呈現出持續減少的趨勢，氣候調節功能最高，占總價值的26%以上；研究區地均ESV高值區主要分布在滇池、撫仙湖和星云湖三大高原湖泊流域，生態系統功能受湖泊調節影響較大。2000—2010年有75.51%的縣(市)區地均ESV處于減少趨勢，2010—2020年地均ESV增加的縣(市)區高達85.71%。

(3) 草地轉為林地對該區生態系統服務價值增加的貢獻度均超過32%。2000—2010年和2010—2020年，耕地轉為林地、草地和水域對生態系統服務功能改善的貢獻度分別為28.32%，50.12%，林地、草地和水域轉為耕地是導致該區生態系統服務功能惡化的重要原因，在整個研究時段內，毀林開荒、圍湖造田對林地、草地和水域的占用導致生態系統服務價值減少約2.65億元。

(4) 耕地、林地、草地、水域地向其他土地利用類型轉型較為敏感，其中水域向其他地類的轉型前后兩期敏感系數均大于1，耕地向草地、建設用地的轉型缺乏敏感性。耕地與林地轉型的較低敏感區和缺乏敏感區分布最廣，分別占總面積的58.06%，15.95%，主要分布于楚雄、玉溪、昆明和曲靖等海拔相對較高的山區，耕地、林地、草地與建設用地間轉型的較高和極高生態敏感區集中在曲靖市和楚雄州，林地向草地和水域轉型主要與缺乏敏感區和較低敏感區為主。