基于土地利用的晉江流域生態(tài)系統(tǒng)服務價值時空變化

蔡耀欣 江怡萱 謝祥財

(福建農(nóng)林大學 風景園林與藝術學院，福建 福州 350002)

生態(tài)系統(tǒng)服務(Ecosystem Services，ES)是指生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過程中所產(chǎn)生的，保證人類生存的生命支撐產(chǎn)品和服務[1-2]。土地利用是人與自然互動最為密切的部分，土地利用變化(Land Use Change，LUC)是人類作用于自然環(huán)境的重要方式，它能夠影響生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)品與服務提供能力[3-4]。對土地利用變化進行評估，是評價生態(tài)系統(tǒng)服務價值(Ecosystem Services Value，ESV)的基礎，也是科學規(guī)劃生態(tài)環(huán)境建設的重要前提[5]。

自生態(tài)系統(tǒng)服務這一概念被提出以來，在生態(tài)系統(tǒng)服務概念及其分類、價值量化評估和應用等方面取得了一定的進展。1997年Costanza等構建了“全球生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量表”及“全球生態(tài)服務價值分析模型”，奠定了生態(tài)系統(tǒng)服務價值研究的理論基礎[6]。2003年謝高地等根據(jù)Costanza的方法構建了符合中國國情的當量因子表，并確立了中國單位面積價值當量及計算方法[7-8]。國內眾多學者據(jù)此當量表展開相關研究，如張敏等對各類生態(tài)服務價值間的權衡與協(xié)同關系進行研究[9]，劉玉卿及楊延成等從景觀格局演變角度分析對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響[10-11]等。2015年，謝高地等對當量因子表進行修訂和細分[12]，使更多學者能夠準確地通過土地利用變化評估我國生態(tài)系統(tǒng)服務功能的價值，如鄭舒瓊等以行政區(qū)域作為基本單元，研究土地利用對生態(tài)系統(tǒng)服務價值時空差異的影響[13]。相關研究均表明土地利用變化不僅影響著生態(tài)系統(tǒng)服務價值綜合水平，且對不同類別的生態(tài)系統(tǒng)服務影響程度也不同。

晉江流域是福建省經(jīng)濟快速增長的區(qū)域，是泉州市人口最密集、城鎮(zhèn)化水平最高的地區(qū)[14]。目前對于晉江流域的研究，多集中于水文調節(jié)[15]、水資源管理[16]以及水環(huán)境治理[17]等方面，加強對晉江流域生態(tài)系統(tǒng)服務價值的研究對流域內生態(tài)文明建設及社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要理論價值和現(xiàn)實意義。本文通過地理信息技術對晉江流域2000—2020年間土地利用狀況進行解譯，采用自相關分析、熱點分析等方法研究土地利用變化對流域生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響及二者間的相互關系，旨在為該區(qū)域土地資源開發(fā)利用和生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展與管理提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

晉江流域(見圖1)位于福建省泉州市。晉江是泉州市第一大河流，也是福建省內僅次于閩江、九龍江的第三大江，源頭至河口全長182 km，總體自西北向東南流，流經(jīng)永春縣、安溪縣、南安市、鯉城區(qū)、晉江市。晉江流域總面積5 629 km2，流域內年平均氣溫17-21℃，季風氣候顯著，降水豐沛[18]。晉江上游有東溪和西溪兩大支流。東溪流域面積1 917 km2，河長120 km，東溪中游有山美水庫，是流域內重要的水利樞紐工程。西溪流域面積3 101 km2，河長145 km。兩支流于南安市豐州鎮(zhèn)井兜村雙溪口匯合，并于豐澤區(qū)潯浦入海。

圖1 研究區(qū)示意圖

2 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究采用的晉江流域2000、2010和2020年的土地利用數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http://www.gscloud.cn)，空間分辨率為30m×30m，數(shù)據(jù)處理平臺為ArcGIS 10.6。晉江流域單個當量因子的經(jīng)濟價值量計算主要來自2010—2020年的《福建省統(tǒng)計年鑒》《泉州市統(tǒng)計年鑒》等，糧食價格數(shù)據(jù)來源于福建糧油局的公開數(shù)據(jù)。

3 研究方法

3.1 土地利用變化計算

土地利用轉移矩陣用于描述研究初期和末期區(qū)域內不同土地利用類型間的轉化情況，有助于發(fā)現(xiàn)土地使用種類之間的轉化方向[19]，表達式為:

(1)

式中：S為各地類面積，n為土地利用類型數(shù)，i、j分別為研究初期和末期的土地利用類型。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估方法

結合實際情況，對謝高地等2015年最新改進的基礎當量表進行調整，得出晉江流域單位面積ESV基礎當量表(見表1)。根據(jù)統(tǒng)計年鑒中2010—2020年福建省糧食作物平均單產(chǎn)為5 756.98kg/hm2、糧食平均價格為2.88元/kg，依據(jù)相關文獻，1個標準當量因子的ESV大約等于糧食單位產(chǎn)量價值的1/7[20]，計算得出研究區(qū)的單個當量因子的經(jīng)濟價值量為2 371.36元/hm2。最終根據(jù)修正后的基礎當量和各類型土地利用的面積計算晉江流域的ESV(見表2)。計算公式為：

表1 晉江流域單位面積ESV基礎當量

表2 晉江流域ESV系數(shù)表 單位：元/hm2·a

(2)

ESVj=∑(Ai×VCij)

(3)

式中：ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務的總價值，ESVj為 研究區(qū)第j項生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值；Ai為研究區(qū)第i種類型的土地面積，VCi為第i種類型土地的單位生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)，VCij為第i種土地利用類型的第j項生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值系數(shù)[12]。

3.3 ESV網(wǎng)格計算

根據(jù)相關公式[21]，將研究區(qū)劃分為23 078個互不重疊的正方形格網(wǎng)，并進行疊加分析計算每個格網(wǎng)的ESV，得出研究區(qū)2000、2010和2020年ESV值，生成ESV空間分布圖(見圖6)，并采用自然間斷點分級法將各格網(wǎng)ESV值劃分為5個等級，等級5對應最高值。

3.4 生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化特征分析

3.4.1 熱點分析

熱點分析可用于研究ESV空間變化是否具有高值聚集和低值聚集的現(xiàn)象，以及確定高值區(qū)和低值區(qū)在空間上發(fā)生聚類的位置，公式如下[22]:

(4)

(5)

(6)

3.4.2 生態(tài)貢獻率

生態(tài)貢獻率表示某一時間段內不同土地利用變化所產(chǎn)生的生態(tài)服務價值變化量對區(qū)域總服務價值變化量的影響大小和方向，可用來揭示影響區(qū)域生態(tài)服務價值變化的主要貢獻因子[23]。

(7)

式中：SKT為K類生態(tài)系統(tǒng)在時間段T的生態(tài)服務貢獻率，△ESVKT為K類生態(tài)系統(tǒng)在時間段T內的生態(tài)服務價值變化量。

4 結果與分析

4.1 土地利用變化分析

4.1.1 數(shù)量變化分析

通過對各用地類型的面積進行統(tǒng)計，得到晉江流域土地利用面積以及變化率(見表3)。從占比看，流域內林地面積最大，占整個研究區(qū)域的44.75%；其次是耕地，占比29.31%。從變化量看，耕地和建設用地的變化最為突出，其中建設用地大幅增加，面積擴大21 536.1hm2，增幅為48.64%；耕地面積大幅減少，面積縮減18 500.6hm2，減幅為10.12%；水體面積增幅僅次于建設用地，為22.26%。

表3 2000—2020年晉江流域土地利用面積和變化率 單位：hm2、%

4.1.2 空間變化分析

由圖2可以看出，晉江流域林地分布范圍最廣，主要聚集在北部的德化縣、永春縣以及南部的安溪縣。2000—2020年，晉江中下游河岸兩側的建設用地面積不斷增加，晉江入海口處建設用地持續(xù)擴張，這表明晉江對于推進城市化進程以及推動經(jīng)濟發(fā)展有著重要的作用。

圖2 晉江流域土地利用分布

4.1.3 土地利用轉移分析

由表4可以看出，晉江流域耕地的轉出面積最多，為39 522.60 hm2，主要轉出目標是建設用地，轉出22 970.34 hm2；其次為林地，轉出9 165.06 hm2。林地的轉入面積最多，為32 374.71 hm2，其中主要轉入源為草地，轉入面積為21 781.62 hm2。

表4 2000—2020年晉江流域土地利用和生態(tài)系統(tǒng)服務價值轉移矩陣 單位：hm2、萬元

4.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值分析

4.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務價值數(shù)量變化

由表5以及圖3可知，2000—2020年晉江流域ESV呈現(xiàn)先減后增的趨勢，前10年共減少了1.95億元，后10年共增加了1.59億元，20年間共減少了0.37億元，增幅為-0.18%。從土地利用類型來看，林地是構成晉江流域生態(tài)系統(tǒng)服務價值的主體，在2020年達到137.41億元，占總ESV的69.46%；其次是草地和水體，分別占13.64%和9.11%。從土地利用ESV20年的變化來看，只有水體的ESV呈上升趨勢，增加了3.35億元，增長率為22.86%；耕地的ESV減少最多，減少了1.73億元。

表5 2000—2020年晉江流域土地利用ESV變化情況 單位：億元、%

圖3 2000—2020年晉江流域生態(tài)系統(tǒng)服務價值總量變化

由圖4可知，晉江流域生態(tài)貢獻率總和為-5.16%，導致ESV減少的地類有耕地、林地、草地、濕地、未利用地，生態(tài)貢獻率之和為-52.58%，耕地是流域主要的負向貢獻因子，生態(tài)貢獻率為-24.50%；水體是晉江流域ESV唯一的正向貢獻因子，生態(tài)貢獻率為47.42%。

圖4 2000—2020年晉江流域生態(tài)貢獻率

從不同服務類型看(見表6、圖5)，氣候調節(jié)和水文調節(jié)占比最高，分別占25.84%和23.57%，原因在于提供氣候調節(jié)最多的林地面積最大，以及水體提供的水文調節(jié)基礎當量遠遠大于其他地類。所有服務類型中，僅有水資源供給與水文調節(jié)的ESV在20年間總體處于增加的趨勢，其中水資源供給增加了18.60%，水文調節(jié)增加了1.82%。

表6 2000—2020年晉江流域生態(tài)系統(tǒng)服務ESV變化情況 單位：億元、%

圖5 2000—2020年晉江流域生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值

4.2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值空間變化分析

由圖6可以看出，ESV高值區(qū)(等級4、等級5)主要分布于晉江中下游水域、山美水庫區(qū)域以及安溪、永春、德化山區(qū)等林地密集區(qū)；中值區(qū)(等級3)主要分布于中部及北部草地覆蓋率高的丘陵地帶；低值區(qū)(等級1、等級2)主要分布于晉江沿岸城鎮(zhèn)化水平較高的城市和鄉(xiāng)村聚落。由表7可知，晉江流域2000—2020年的ESV全局Moran’s I值均大于0、P值均小于0.001，表明流域內ESV的空間分布具有明顯的空間正相關性，在空間上呈現(xiàn)顯著聚集性分布。由圖7可知，高聚集區(qū)主要分布在晉江中下游和山美水庫區(qū)域，以及北部與西南部的山區(qū)林地；低聚集區(qū)主要聚集在晉江下游的南安市、豐澤區(qū)、鯉城區(qū)等城鎮(zhèn)化水平較高、人口較為密集的區(qū)域。

表7 2000—2020年晉江流域ESV全局空間自相關顯著性檢驗

圖6 晉江流域ESV空間分布

圖7 晉江流域生態(tài)系統(tǒng)服務價值LISA分布

由圖8可知，2000—2020年，晉江流域大部分區(qū)域的ESV處于變化非顯著的狀態(tài)，前10年損失冷點區(qū)多于增值熱點區(qū)，主要分布在晉江中下游的城鎮(zhèn)或聚落周圍；后10年增值熱點區(qū)多于損失冷點區(qū)，且明顯地分布于西溪支流與胡洋溪至山美水庫的區(qū)域，說明了自“十二五”規(guī)劃以來，泉州市實施的重點江河流域生態(tài)修復工程取得了顯著的成效。

圖8 晉江流域ESV變化熱點區(qū)域空間分布

5 討論與結論

5.1 討論

本文采用的謝高地等改進后的當量因子法，數(shù)據(jù)需求少，可行性高且評價內容較為全面。但由于數(shù)據(jù)獲取的方法局限，選用2010—2020年福建省糧食產(chǎn)量與糧食價格數(shù)據(jù)也在一定程度上影響了價值評估的準確性。其次，本文主要以土地利用變化這一要素作為研究對象，未考慮其他方面的影響因素，如人口、經(jīng)濟、生物等，后期研究中應更多考慮整合諸多因素。

通過前文分析，2000—2020年晉江流域生態(tài)系統(tǒng)服務總價值呈先下降后上升的趨勢；在用地類型中，水體的ESV呈增長趨勢，其余地類均呈減少趨勢；在服務類型中，水資源供給與水文調節(jié)呈增長趨勢，其余服務類型均呈減少趨勢，由此可見水體及其所提供的生態(tài)系統(tǒng)服務是晉江流域生態(tài)系統(tǒng)服務價值的重要正向驅動因子。大量耕地和草地變成了建設用地，是導致晉江河岸周圍建成區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值降低的主要原因；河岸周圍耕地轉變?yōu)樗w和林地，是導致晉江流域庫區(qū)以及下游周圍生態(tài)系統(tǒng)服務價值升高的主要原因。

從空間上看，晉江流域生態(tài)系統(tǒng)服務價值的改變都集中于晉江的中下游部分，經(jīng)分析原因有二：(1)晉江中下游地形多為起伏較小的平原，城鎮(zhèn)化水平高，村落聚集、人口密集，是城市發(fā)展的核心區(qū)域，建設用地的不斷擴張導致了2000—2010年ESV的急劇減少；位于晉江上游的地形多為丘陵，城鎮(zhèn)化水平較低，聚落分散、人口稀少，常年保持著耕作的傳統(tǒng)生產(chǎn)方式，用地性質改變程度不高，因此對于ESV的影響較不顯著。(2)由于政策的影響，城市對流域水生態(tài)環(huán)境的保護逐見成效——從“十二五”規(guī)劃時期開始，泉州開始實施重點江河流域生態(tài)修復工程，積極推進河岸生態(tài)緩沖帶修復，促進生態(tài)良性循環(huán)，促使山美水庫區(qū)域以及晉江西溪流域的ESV在2010—2020年得到了顯著提高。

5.2 結論

(1)土地利用變化層面，2000—2020年晉江流域耕地面積減少最多，共減少了18 500.6 hm2，建設用地和水體面積不斷增加，分別增加21 536.1 hm2和1 126.26 hm2。從土地利用轉移上看，耕地轉換為建設用地的面積最大，林地與草地之間的轉換次之。

(2)生態(tài)系統(tǒng)服務價值層面，2000—2020年晉江流域總ESV整體呈下降趨勢，細分之后前10年為下降趨勢，后10年為上升趨勢。林地是晉江流域ESV最主要的組成部分，且20年來占比保持在70%左右。在空間分布上，ESV高值區(qū)主要分布在晉江上游森林覆蓋率高的山區(qū)以及晉江水體區(qū)域，低值區(qū)主要分布在晉江中下游的城鎮(zhèn)聚集區(qū)。從時間變化來看，晉江干流以及西溪流域的ESV上升明顯，形成了增值熱點區(qū)；而城鎮(zhèn)面積的不斷擴張與人口的不斷聚集，造成了晉江下游周圍形成了斑塊狀的損失冷點區(qū)。

(3)土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務價值影響層面，土地利用的變化影響了生態(tài)要素在晉江流域的分布，進而影響生態(tài)系統(tǒng)服務的分布和構成。從數(shù)量變化上看，水體是唯一對晉江流域ESV提供正向貢獻的用地類型，大量耕地轉換成為水體促使水文調節(jié)功能大幅提升，從而造成ESV在2010年后顯著增加。從空間變化上看，研究期間晉江水域附近的耕地轉換為水體形成了ESV增值區(qū);建成區(qū)附近的耕地以及水域周圍草地轉換為建設用地形成ESV損失區(qū)。

研究表明，晉江流域水體生態(tài)效益的增加是促進流域ESV升高的主要原因。僅占流域總面積1.08%的水體，主導著流域生態(tài)系統(tǒng)服務價值的變化，表明水體應該成為晉江流域環(huán)境保護和生態(tài)建設的重心，因此，提高區(qū)域內河流的水生態(tài)環(huán)境將有益于提升流域的總體生態(tài)環(huán)境。今后應加強水源涵養(yǎng)林建設與保護和河岸生態(tài)治理，選取本地優(yōu)勢樹種在河道兩側建設植被緩沖帶和隔離帶；加快流域及山美水庫等水源涵養(yǎng)林和水土保持林修復；對河道水利設施建設等造成的河道破壞地區(qū)，開展植樹造林，恢復河道自然生境；推進泉州灣河口濕地省級自然保護區(qū)“退養(yǎng)還灘”。