基于圖譜分析的三亞市土地利用變化與生態系統服務價值

紀珮瑤段璇瑜劉鐵冬龔文峰

(1.海南大學林學院，海南 海口 570228；2.海南大學智慧林業重點實驗室，海南 ?？?570228)

生態系統服務(Ecosystem Services，ES)指生態系統為人類提供的直接或間接性可得利益[1]，體現了生態系統的功能狀況[2]。定量評估生態系統服務價值(ecosystem service value，ESV)，對地區生態建設和可持續發展具有良好促進作用[3,4]。土地利用(Land use/cover change，LUCC)作為人-地作用的集中體現，能夠反映區域環境、經濟、社會的發展情況[5,6]，在全球環境變化過程中扮演著非常重要的角色[7]。LUCC通過直接影響土地所承載的生態系統的結構和功能等，從而影響ESV，同時ESV量化也是研究LUCC的有力指標[8]。尤其是在濱海旅游發展快速的城市區域，明確LUCC及ESV變化，可以為深入研究ESV時空演變對LUCC響應機制提供理論基礎，從而在土地利用優化視角為ESV提升提供新的方法參考。

目前，ESV與LUCC集成是區域環境政策和生態系統管理等跨學科領域的熱點。由于LUCC受到環境和人為干擾雙重作用，因此對于改善生態環境，維持生態平衡，實現土地可持續利用有非常重要的意義。同時其變化也影響著生態系統的質量和演變過程。自1997年Costanza等[9]率先完成全球尺度ESV評估以來，國內外學者掀起ESV量化研究熱潮，對各個尺度[9,10]ESV進行了量化評估，常用的評估方法有價值量評價法、物質量評價法和能值分析法[11]。總之LUCC及ESV相關研究內容已較為豐富，但目前關于LUCC與ESV的響應研究較少，且鮮有針對濱海旅游城市中二者響應的研究。本研究綜合考慮地區差異性和系數修正，探討濱海旅游城市LUCC和ESV響應機制，以期為濱海旅游城市土地利用、城市規劃和生態旅游提供科學參考和理論依據。

三亞市作為我國唯一的熱帶濱海旅游城市，旅游業一直是經濟發展的支柱性產業。近幾年，隨著三亞房地產行業繁榮、人口增長和旅游發展，使得城市迅速發展快速發展擴張，土地利用壓力巨大，自然生態系統被侵占，引發諸多環境問題，危及區域生態安全。因此，非常有必要從LUCC角度探究人為干擾對區域ESV時空動態及內部差異性的影響。因此本文以三亞市為例，研究濱海旅游城市LUCC和ESV響應，基于土地利用圖譜模型分析區域土地利用時空演變，利用ESV評估模型探究區域LUCC對ESV響應機制，以期為此類濱海旅游城市土地規劃、城市建設和生態旅游提供科學參考和理論依據。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

三亞市位于N18°09′34″～18°37′27″，E108°56′30″～109°48′28″，見圖1，地處海南島最南端，屬熱帶季風海洋性氣候區。地貌北高南低，北面環山南面臨海，全市形成“山-河-?！备窬置黠@的地貌特征。東西長91.6km，南北寬51.75km，陸地總面積1921.51km2，海域面積3500km2，下轄崖州、天涯、吉陽、海棠4個區。海岸線東起藤橋福灣，西至梅山角頭灣止，長209.1km，有19個港灣，大小島嶼40個。作為海南南部的交通樞紐，以及我國對外開放政策中東南沿海的重要口岸之一[12]，三亞已逐步發展成海南省南部的重要城市。旅游業作為三亞經濟發展的支柱性產業，為三亞區域經濟發展作出了重要貢獻[13]。

圖1 研究區地理位置

1.2 數據來源

通過地理空間數據云下載三亞市1980年、1990年、2000年、2010年、2020年5期Landsat遙感影像數據，使用MGE和ARCGIS軟件，對5期數據進行投影統一變換。使用波段融合、多光譜增強等方法對遙感影像進行矯正和增強。利用ENVI軟件進行裁剪得到三亞市地理圖件。根據我國土地利用分類體系，結合三亞市實際情況，將研究區土地類型分為林地、水域、濕地、草地、耕地、建設用地和未利用地7種。再根據各土地類型在圖像中的不同顏色、紋理、形狀和分布特征，以30m×30m為分辨率，對遙感影像進行解譯，從而獲得三亞市土地利用柵格數據。同時將1980—2020年三亞市的糧食總產量和糧食價格等資料整理作為數據來源。

2 研究方法

2.1 圖譜分析法

土地利用圖譜可以同時反映區域LUCC空間格局和時序特征[14]，而其他常規LUCC分析方法只能反映區域LUCC時間或空間的單一特征。本文選取30m×30m分辨率作為圖譜基本空間單元，選取研究區1980年、1990年、2000年、2010年、2020年5期遙感影像數據，每2期作為1個圖譜時序單元。利用ArcGIS 10.6的疊加分析功能對2期遙感數據進行分析，得到土地利用圖譜單元類型的2位數編碼值，從而得到三亞市LUCC相應圖譜。圖譜計算公式：

C=10A+B

式中，C為研究階段內LUCC模式圖譜單元柵格屬性；A和B為研究初期和研究末期的對應的LUCC圖譜柵格屬性。

2.2 ESV模型法

本文采用Costanza[9]等提出的全球生態系統服務價值計算模型，計算各項生態服務提供的生態價值和區域生態系統服務總價值。公式[15]：

ESV=∑(Ak×VCk×Dt×Qt)

ESVf=∑(Ak×VCfk×Dt×Qt)

VCk=∑VCfk

式中，ESV為研究區總生態系統服務價值，元；Ak為第k類土地利用類型的面積；VCk是第k類土地類型對應的單位面積生態系統服務價值系數；ESVf表示生態系統第f項服務項目所提供的生態價值，元；VCfk為土地利用類型k擁有的第f項服務功能項目對應的價值系數。

基于中國陸地ESV當量表[16]，結合研究區實際，三亞市未利用地與荒漠類似，因此把中國荒漠當量作為三亞市未利用地當量，將建設用地當量值視為0，得到三亞市生態系統服務價值當量表見表1。

表1 三亞市各土地利用類型的單位面積ESV當量表

2.3 敏感性分析

敏感性系數CS(the coefficient of sensitivity)可以表示ESV對于ESV系數的依賴程度，指生態服務價值系數改變后對ESV造成的影響[17]。兩者之間彈性越小，相互影響越弱，說明計算結果更加可信，并且CS越接近于1，表明CS越具有參考價值。一般將生態系統服務價值系數±50%來計算敏感性系數，計算公式：

式中，ESVi表示價值系數調整50%前的區域價值總量；ESVj表示價值系數調整50%后的區域價值總量；VCik為k類土地利用調整前的生態價值系數；VCjk為k類土地利用類型調整后的生態價值系數。如果CS>1，表明ESV與VC之間富有彈性，結果可信度較低；如果CS<1，表明ESV與VC之間缺乏彈性，結果可信度高。

3 結果分析

3.1 三亞市土地利用變化分析

3.1.1 三亞市土地利用時空格局分析

由圖2可知，三亞市土地利用主要是林地、草地和耕地，三者面積比例始終維持在75%、3%和13%～15%，期間林地面積略增，草地面積下降，耕地面積大幅降低；值得注意的是，建設用地擴張十分明顯，從1990年占比1.70%提高到2020年占比7.25%，由此三亞市土地利用需求進入了一個更加繁榮活躍的時期。從土地利用變化階段來看，2000年后三亞市建設用地擴張速度飛升，對土地利用類型產生嚴重影響：1980—2000年和2000—2020年，建設用地分別增加8.245hm2和97.934hm2，林地分別減少8.717hm2和58.082hm2，耕地分別減少15.769hm2和44.075hm2。由此可見，21世紀我國城鎮化戰略調整，同時在國際旅游島建設時代背景下，2000—2020年土地利用變化的程度遠大于1980—2000年，其建設用地加速擴張，耕地面積大幅減少，水體擴張速度放緩。總體而言,隨著三亞市城市化推進和國際旅游島建設，建設用地持續擴張；相比之下林地、草地和耕地占有率下降，土地結構不斷調整；林地作為三亞市最重要的土地利用形式，占有率在短時間內不會有太大改變。

圖2 1980—2020年三亞市土地利用圖譜

3.1.2 三亞市土地利用漲落勢圖譜分析

在ARCGIS中對每2次柵格數據進行疊加分析，根據土地利用轉入和轉出對疊加后的數據進行重分類，得到三亞市2個時序單元的漲落勢圖譜，見圖3。1980—1990年林地新增面積10.760hm2，占新增總面積48.03%，主要位于崖州和天涯區；新增水域0.61hm2，主要位于海棠區；新增建筑用地0.53hm2，主要位于天涯和吉陽區。1990—2000年建設用地新增77.346hm2，占新增總面積88.16%，主要位于吉陽和天涯區；新增水域5.596hm2，主要位于天涯區。2000—2010年與2010—2020年土地變化劇烈，變化面積分別為91.799hm2、70.785hm2，建設用地分別增加46.967hm2、54.087hm2，主要集中在靠近海岸線的區域，不同的是，2000—2010年天涯區因興建水庫新增大量水域，由此可以看出，2000—2020年天涯區與吉陽區作為發展重心，其濱海建筑業發展給當地生態環境帶來不小沖擊。

從圖3可以看出，1980—1990年耕地萎縮面積最大，為5.159hm2，占總萎縮面積42.27%，主要位于崖州區，用于退耕還林。1990—2000年耕地萎縮面積最大，共11.895hm2，占總萎縮73.87%，主要位于天涯和吉陽區，本時期耕地主要轉化為建筑用地與水域。2000—2010年與2010—2020年林地分別萎縮35.744hm2、32.828hm2，耕地分別萎縮34.314hm2、22.997hm2，二者均大量向建設用地轉入，主要集中在天涯和吉陽區。說明2000年后，三亞城市化進程加快，城市建設規模擴大。耕地作為主要的作物和糧食來源，其持續萎縮必定會影響當地糧作物食產量，給城鎮居民帶來不良影響。

3.2 生態系統服務價值分析

圖3 三亞市土地利用漲落勢圖

3.2.1 各地類生態系統服務價值

基于三亞市各土地類型面積及對應的生態價值系數，計算得出1980—2020年三亞市生態系統服務價值，見表2?？芍?980—2020年三亞市ESV總體呈減少趨勢，共減少125.27萬元。林地、草地、耕地、濕地、未利用地ESV整體減少，分別減少了125.45萬元、5.15萬元、48.09萬元、57.91萬元、0.03萬元；水域ESV增加了111.36萬元。從各地類角度，林地ESV占比最大，占比保持80%以上；其次是水域和耕地，二者總占比多年超10%。從變化量角度，1980—2000年ESV持續增長，共增長35.19萬元，其中水域和林地ESV增長27.21和22.15萬元，貢獻率為50.74%、41.30%，其次為濕地增加4.27萬元；耕地減少量最大共12.68萬元，貢獻率68.76%，其次為草地減少5.76萬元。2000—2020年ESV顯著下降，共下降160.46萬元，其中水域ESV增加84.15萬元，貢獻率99.29%；林地ESV減少147.6萬元，貢獻率60.19%，其次濕地減少62.18萬元，貢獻率25.36%。林地與濕地作為高生態系統服務價值地類，二者ESV變化幅度最大下降了34%，說明三亞市森林和濕地生態系統侵占嚴重且疏于保護，將對研究區生物多樣性造成嚴重影響，隨著國際旅游島建設、土地消耗和城市化進程，三亞將面臨巨大環境資源壓力。

3.2.2 敏感性分析

通過將當量因子±50%來實現ESV系數變更，采用傳統敏感性指數CS來評估ESV系數變化對ESV影響程度，即ESV對系數依賴程度。計算得到的敏感性指數都小于1，見表3，由此可知，三亞市ESV對單位面積ESV當量變化不敏感，表明研究結果具有較高的可信度。

表2 1980—2020年三亞市生態系統服務價值

表3 三亞市各土地利用類型當量因子與生態系統服務價值總量敏感性分析

4 結論與討論

三亞市作為海南省旅游核心城市和國際重點旅游城市，針對其生態系統研究有助于濱海城市規劃，補充關于典型濱海旅游城市的研究空白。本研究基于1980—2020年5期土地利用數據進行了ESV評估和敏感性分析，結果表明：40a間土地類型以林地、草地和耕地為主，建筑用地不斷擴張，林地、耕地不斷減少，2000年后城市擴張速度明顯增加，對土地利用變化產生巨大沖擊；40a間三亞市ESV總體趨勢先升后降，整體減少了125.27萬元，上升主要源于研究區域內水域面積增加，而林、耕地萎縮是造成研究區ESV降低的重要原因；經調整后的景觀類型價值系數，敏感指數均小于1，研究具有較高的可信度。

研究表明，三亞市城市擴張、房地產開發和旅游業發展造成一定程度的生態服務價值惡化。尤其是旅游開發，盡管能提供一定的娛樂文化價值，但存在生態系統破壞問題，整體依舊提供負價值[18]。因此在未來生態文明建設中，三亞市應當加大城市擴張控制力度，加強熱帶雨林和自然水域保護，大力推進生態旅游建設，以期合理規劃土地，注重人類活動和生態環境協調發展。