基于土地利用變化的撫州市生態系統服務價值變化研究

萬見怡, 劉平輝, 朱傳民

（1.東華理工大學地球科學學院, 南昌 330013；2.江西省數字國土重點實驗室, 南昌 330013）

隨著近年來經濟飛速發展, 人地關系愈加緊張, 隨之帶來了許多生態環境問題, 阻礙了區域發展, 破壞了生態環境的完整性。生態系統服務價值是指將整個自然環境中生態系統給人類提供的功能與產品的價值通過經濟價值進行衡量[1］。通過測算生態系統服務價值來明確區域的生態環境狀況, 能夠為當地資源集約利用提供科學依據, 有利于區域的可持續發展。土地利用是指人類基于自身的需求, 遵循一定的經濟、社會目的, 對土地資源進行長期性或周期性的人工改造, 是將土地從自然資源轉換為人工資源的過程[2］。土地利用變化是人類活動直接影響自然環境的結果, 自然環境又包含了生態環境, 因此, 基于土地利用變化構建生態系統服務價值計算模型能夠有效且科學地反映當地的生態環境狀態。1970 年Wilson 等[3］第一次對 “生態環境服務” 的定義做出了正式的解釋。1977 年Westman[4］提出了生態系統服務功能的基本概念及如何評價一個地區的生態系統服務價值的重要問題。1997 年Costanza 等[5］第一次對全球整個不同生態功能進行劃分并對其價值進行計算, 并為生態系統服務價值的具體研究提供了更加科學合理的計算形式。為了能夠消除區域上的差異性, 謝高地等[6］對國外研究內容進行區域性修正, 基于大量研究工作以及問卷調查提出適用于中國的生態系統服務價值當量系數表。也有許多國內學者對土地利用變化與生態系統服務價值之間的關系進行了研究。張曉瑤等[7］在對深圳市土地利用以及生態系統服務價值的變化特征的研究基礎上, 運用FLUS 模型模擬處于不同保護情景下土地利用變化對生態系統服務價值的影響。羅繼文等[8］通過考慮區域性的社會因素以及不同生態系統含生物量的因素對生態系統服務價值計算模型進行優化改進, 不僅總結其土地利用變化規律, 且具體分析了土地利用變化特征對研究區的總體生態系統服務價值的影響因子, 結果表明生態系統服務價值減少的原因是由于建設用地大量占用了耕地與圍海填地。

撫州市作為國務院確定的海峽西岸經濟區內城市之一, 同時也是江西省的重要主體生態服務區, 森林覆蓋率達66.3%, 生態價值高, 但由于撫州市經濟的快速發展以及城市化的快速推進, 加劇了撫州市土地類型的變化, 如何平衡土地利用與生態環境保護之間的關系是現今急需解決的重要問題。本研究以撫州市2010—2020 年的國土調查數據以及中國生態系統服務價值系數表為基礎, 通過生物量修正系數以及社會經濟修正系數, 分析撫州市土地利用變化以及生態系統服務價值變化時間與空間的分異特征, 以期為撫州市的生態文明建設以及可持續發展提供更加科學以及精確化、量化的參考。

1 研究區概況

撫州市位于江西省東部, 地處北緯26°29′—28°30′、東經115°35′—117°18′, 下轄2 區9 縣。南北長約222 km, 東西寬約169 km, 總面積1.88 萬km2。地勢南高北低, 是典型的丘陵地貌, 降雨量較大, 光熱條件好, 一年四季氣候分明, 屬于典型的季風氣候區。2020 年撫州市國內生產總值達1 572.51 億元, 較2019 年增長了3.70%, 常住人口共361.53 萬人。

2 數據來源

選取2010 年和2020 年的土地利用現狀變更或國土調查變更數據作為本研究的土地利用數據源。由于撫州市境內存在大量果園, 結合這一特點將土地利用類型分為耕地、園地、林地、草地、濕地、水域、建設用地和未利用地8 種進行分析與討論。撫州市2010 年、2020 年的社會經濟數據來源于2011 年、2021 年的《撫州市統計年鑒》《江西統計年鑒》《江西省水資源公報》和《全國農產品成本收益資料匯編》。

3 研究方法

3.1 土地利用變化分析

3.1.1 土地利用單一動態度 采用土地利用單一動態度（R）[9］表示撫州市2010—2020 年的土地利用變化強度,R越大, 表示這一土地類型變化強度越大, 且R為正值時為正向增長趨勢, 為負值則為負向增長趨勢。具體表達式如式（1）所示。

式中,Sa、Sb分別為研究期基期以及末期某一種土地利用類型的面積；K代表研究時間長度, 以年為單位。

3.1.2 土地利用轉移矩陣 采用土地利用轉移矩陣從數量的變化上分析撫州市2010—2020 年的8 種土地利用類型相互之間的數量變化以及主要轉移方向[10］。具體表達式如式（2）所示。

式中,Sxy表示在2010 年第a種土地類型在2020年轉換為第b種土地利用類型的面積；a、b分別表示第a種或第b種土地利用類型。

3.2 生態系統服務價值測算

通過單位面積當量因子法、影響因子系數修正以及建設用地負向價值計算的研究方法對撫州市生態系統服務價值系數表進行調整修正, 根據土地利用類型的面積計算出不同土地利用類型、不同生態系統服務功能的生態系統服務價值, 具體計算見式（3）、式（4）。

式中,ESVi為撫州市第i種土地利用類型的生態系統服務總價值；Si為第i種土地利用類型的面積；Vi為第i種土地利用類型修正后的生態系統服務價值系數；ESVa為第a項服務功能的總價值；Va為第i種土地利用類型的第a項服務功能的價值[11］。

3.2.1 單位面積價值當量因子法 以謝高地等[6］改進后的中國單位面積生態系統服務價值當量表為撫州市不同土地利用類型標準當量因子的基礎, 根據撫州市土地利用特點, 參考文獻[12］增加園地地類, 以單個標準生態系統當量因子的經濟價值等于該研究區區域1/7 的單位面積耕地糧食產值[8］作為確定撫州市的標準當量因子的經濟價值的方法, 通過式（5）計算得出撫州市單個生態系統服務價值當量因子的經濟價值為1 823.90 元/hm2。

式中,E為一個標準當量因子經濟價值；P為撫州市平均糧食出售價格；Qi為撫州市第i年主要糧食的平均產量（取2010 年、2015 年、2020 年）；n為年份數。

3.2.2 生態系統服務價值影響因子修正 研究區域生態系統中的生物量以及社會經濟情況會影響到生態系統的生態功能價值[13］, 為了能夠讓研究結果更加貼合撫州市實際狀況, 本研究參考文獻[14］引入生物量因子以及社會經濟因子進行修正。其中, 生物量因子參考謝高地等[15］的研究, 其生物量因子修正系數為1.51。社會經濟因子修正系數可以在一定程度上表征當地的社會經濟因素對生態系統服務價值的影響, 由于撫州市經濟水平與全國平均水平有較大差異, 本研究對研究區區域支付能力系數以及支付意愿系數同時進行修正。

式中,Kn為第n年的社會經濟因子修正系數；Pn為撫州市第n年修正后的支付意愿系數,Rn為撫州市第n年修正后的支付能力系數；Wns為撫州市支付意愿參數；Wg為全國支付意愿參數；W為支付意愿參數；x為社會發展階段系數, 一般通過恩格爾系數進行表達；a、b取值為1；ELn為第n年的撫州市恩格爾系數；ELcn為研究區第n年的撫州市城市恩格爾系數；Pecn為撫州市第n年城市人口與區域總人口的比例；ELrn為撫州市第n年的農村恩格爾系數；Pern為第n年撫州市農村人口與區域總人口的比例；gdpn為撫州市第n年的生產總值；pon為撫州市第n年的總人口數量；GDPn為全國第n年的生產總值；Pon為全國第n年的總人口數量[8］。計算出的2010 年和2020 年撫州市社會經濟因子修正系數見表1。

表1 2010 年和2020 年撫州市社會經濟因子修正系數

建設用地作為人類對自然環境改造的結果, 對生態環境起著很大的負面影響作用, 特別體現在水文調節以及凈化環境生態系統服務功能上。參考文獻[12］使用替代成本法以及污染防止成本法對建設用地的負向價值進行計算, 通過統計年鑒以及《江西省水資源公報》獲取居民家庭用水量及平均水價、工業用水量及平均水價、工業固體廢物產生量、人均垃圾產生量、工業固體廢物處理價格以及居民生活垃圾處理價格, 結果分別除以建設用地面積, 得出撫州市水文調節價值為-7 469.68 元/hm2, 凈化環境價值為-5 010.62 元/hm2。

綜上得出2010 年和2020 年撫州市生態系統服務價值系數（表2、表3）。

表2 2010 年撫州市生態系統服務價值系數 （單位：元/hm2）

表3 2020 年撫州市生態系統服務價值系數 （單位：元/hm2）

3.2.3 生態系統服務價值貢獻率計算 為了能夠更加清楚地表達各類土地利用類型對撫州市區域內生態系統服務價值做出的貢獻大小, 通過式（12）計算不同土地利用類型的貢獻率。

式中,Rit為撫州市在第a年至第b年第i種土地利用類型對總生態系統服務價值的貢獻程度；ESVia與ESVib分別為第a年、第b年第i類土地利用類型的生態系統服務價值。若Rit＞0, 則表示該項生態系統服務功能價值的變化方向與撫州市總生態系統服務價值的方向一致, 若Rit＜0, 則反之[8］。

3.2.4 生態系統服務價值熱點分析 通過找到撫州市研究期內不同研究時間段生態系統服務價值變化的冷熱點區域, 可以看出受到不同土地利用類型變化影響的生態系統服務價值的變化強度, 通過Arc-GIS 中的熱點分析工具進行處理, 得出撫州市的生態系統服務價值增值熱點區以及損失冷點區, 具體公式如下。

式中,Gi*為某個網格與周圍網格的生態系統服務價值變化量高值或低值在空間上發生聚類的顯著性變化值；xi為要素i的屬性值；wij為要素i和j之間的空間權重（相鄰為1, 不相鄰為0）；n為取樣的樣品數；x為要素的平均值；S為標準差。Gi*為正, 表示該單元網格為生態系統服務價值變化量的增值熱點區, 且Gi*越大, 增幅越大；Gi*為負, 表示該單元網格為生態系統服務價值變化量的損失冷點區,Gi*越小, 減幅越大；Gi*為0, 表示關聯性不顯著區域[11］。

3.2.5 生態系統服務價值聚類與異常值分析 通過對生態系統服務價值變化值的聚類與異常值分析來彌補冷熱點在空間上分析的不足, 可以從空間上分析撫州市生態系統服務價值變化值的聚集特征[11］, 通過ArcGIS 中聚類與異常值分析工具得到撫州市生態系統服務價值變化高值區與低值區的空間位置上的邊界以及變化值異常的位置, 具體公式如下。

式中,LISAi為i網格中的生態系統服務價值變化量與周圍網格變化量的相似性以及在空間上的集聚程度的分值；Wij為單元i與單元j之間的空間權重矩陣；xi為單元i的屬性值；x為所有屬性值的平均值；n為區域單元的總數。LISA為正, 表示該單元網格與周圍網格的變化值均為高值或低值, 分別代表HH、LL 空間聚集類型；LISA為負, 表示該單元網格變化值與周圍網格的變化值相反, 也稱為具有統計顯著性的空間數據異常值, 若低值圍繞高值則為HL空間聚集類型, 反之為LH 空間聚集類型；LISA為0表示區域關聯性不顯著[11］。

4 結果與分析

4.1 土地利用變化

4.1.1 土地利用面積變化分析 由表4 可知, 撫州市2010 年土地利用類型現狀面積占比由大到小依次為林地、耕地、園地、建設用地、水域、草地、濕地、未利用地；2020 年建設用地面積超過園地, 排在第三。2010 年、2020 年撫州市林地與耕地面積占比最大, 面積占比之和超過80%, 未利用地占比最小, 均小于0.3%。2010—2020 年撫州市耕地面積減少量最大, 期間共減少了74 047.05 hm2, 單一動態度為-1.95%/年, 未利用地、草地和濕地面積均呈下降趨勢, 單一動態度分別為-8.60%/年、-7.73%/年、-6.58%/年；建設用地面積增加最多, 新增面積為44 591.87 hm2, 單一動態度達5.56%/年, 水域、園地和林地面積呈增長趨勢, 單一動態度分別為5.02%/年、2.52%/年、0.11%/年。總體來說, 隨著撫州市社會經濟迅速發展, 設立了國家級經濟開發區, 吸引了大量人口與企業, 對建設用地的需求量劇增。從圖1 可以看出, 分布在撫州市各區縣的城鎮中心區域的建設用地范圍明顯向外擴張, 耕地范圍逐漸縮小并且呈現破碎化特征。

表4 2010—2020 年撫州市土地利用類型面積變化

圖1 2010—2020 年撫州市土地利用現狀變化

4.1.2 土地利用面積轉移矩陣分析 通過ArcGIS軟件將2010 年和2020 年土地利用數據進行相交分析得出撫州市2010—2020 年的土地利用轉移矩陣（表5）。土地轉移方向主要以草地和耕地轉為林地、耕地和林地轉為建設用地為主。整個研究期內撫州市耕地的轉出面積最大, 面積為103 462.90 hm2, 耕地主要轉出為林地、水域、建設用地和園地。耕地轉為林地的原因之一是受 “退耕還林” 的國家政策的影響, 許多質量低、種糧條件差、坡度較高的耕地被恢復為森林植被；二是撫州市南豐縣有 “世界橘都” 之稱, 百姓大量種植橘樹并以此作為主要經濟來源, 導致許多耕地改為種植橘樹, 耕地大量轉為園地以及林地。大量耕地轉為水域的原因是由于撫州市近年來正在建設以廖坊水利樞紐工程為代表的大小水利工程項目, 占用了水庫周圍的耕地, 同時隨著撫州市土地結構的優化以及土地開發整理工作的推進與完善, 溝渠面積也大量增加。大量耕地轉為建設用地是因為十二五、十三五期間撫州市經濟迅速發展, 加快融入大南昌都市圈速度, 加快建設南昌大都市副中心城市, 期間新設立了國家級高新技術產業開發區, 加大撫州市開發建設力度, 大量耕地轉為建設用地。建設用地轉出面積為15 994.58 hm2, 以村莊與采礦用地轉為林地或耕地為主, 主要原因是為盤活村莊附近存在大量閑置建設用地以及廢棄的磚瓦窯等采礦用地, 將其恢復為耕地以及林地, 可以提高撫州市土地利用效率；建設用地轉入面積為60 586.45 hm2, 林地與耕地為最主要的轉入地類, 撫州市林地面積占比大, 在建設用地的擴張過程中無法避免會被占用。

表5 撫州市2010—2020 年土地利用轉移矩陣 （單位：hm2）

4.2 生態系統服務價值的變化

4.2.1 不同土地利用類型ESV變化 根據撫州市2010 年和2020 年兩期的土地利用數據, 從不同土地利用類型的生態系統服務價值出發, 通過式（3）和式（4）得出撫州市2010 年、2020 年各土地利用類型生態系統服務價值, 分析其變化規律及以及不同土地利用類型對整個撫州市生態系統服務價值的貢獻情況。由表6 可知, 2010—2020 年撫州市的生態系統服務價值總體為正向增長, 共增值136.68 億元, 林地以及水域是主要增值來源, 分別貢獻了72.69 億、67.11 億元, 貢獻率分別為53.18%、49.10%。建設用地、草地以及濕地是主要減值來源, 分別減少5.56億、4.03 億、1.31 億元。雖然耕地等正向生態系統服務價值的地類大面積減少, 但水域與林地的單位面積生態系統服務價值系數高且面積增量較大, 遠遠超過了減少的生態系統服務價值。

表6 2010—2020 年撫州市各土地利用類型生態系統服務價值

4.2.2 不同生態系統服務功能ESV變化 從不同生態服務功能角度分析撫州市2010—2020 年生態系統服務價值（表7）, 4 個一級功能的ESV均呈增長趨勢, 主要以調節服務為主, 占總價值的比例均超過70%, 變差貢獻率達76.59%, 最少的為美學景觀服務功能, 占總價值的比例均未超過5%。整個研究期內生態系統服務價值增值的主要來源為調節功能, 共增加104.69 億元, 這是由于撫州市林地和水域面積較大, 這兩種地類在生態系統中主要以調節服務為主, 對撫州市生態系統服務總價值起重要作用。

表7 2010—2020 年撫州市各服務功能的生態系統服務價值

4.2.3 生態系統服務價值時空分異特征 通過Arc-GIS 中的漁網工具將撫州市分為1 km×1 km 的網格進行計算分析, 分別算出單個網格的生態系統服務價值后使用自然斷點法進行分級, 其中一級最高、五級最低。從圖2 可以看出, 2010 年生態系統服務價值等級為四級分布最廣, 高值區主要集中在撫河流域以及臨川區、南城縣、黎川縣以及資溪縣水庫附近, 低值區主要集中在撫州市各區縣的中心城區范圍；2020 年較2010 年生態系統服務價值大幅上升, 以三級生態系統服務價值區域大面積增加為主, 差異大的區域面積減少, 生態環境質量差距縮小, 以三級、四級生態系統服務價值為主, 高值區仍處于撫河流域以及水庫附近, 呈現向外擴大的趨勢, 低值區集中于各縣的中心城區。

4.2.4 生態系統服務價值冷熱點 以圖2 的網格為基礎計算2010—2020 年的生態系統服務價值變化量, 通過ArcGIS 中的熱點分析獲得變化熱點圖（圖3）。由圖3 可知, 整個研究期間以增值熱點區為主, 主要分布在崇仁縣, 臨川區、金溪縣與南城縣的交界處, 南城縣與黎川縣的交界處, 主要原因是水庫水域面積的增加, 周邊的生態環境受到較好的保護；損失冷點區主要集中在以臨川區、東鄉區為代表的各區縣的中心城區范圍內, 原因是臨川區與東鄉區是撫州市的中心城區, 經濟處于快速發展階段, 對自然環境的破壞程度較高。

圖3 2010—2020 年撫州市生態系統服務價值變化熱點分布

4.2.5 生態系統服務價值變化聚類與異常值 以圖2 的網格為基礎計算2010—2020 年的生態系統服務價值變化量, 通過ArcGIS 中的聚類與異常值分析獲得變化值的空間分布（圖4）。圖4 中HH、HL、LL、LH 分別代表生態系統服務價值高-高聚類、高-低聚類、低-低聚類以及低-高聚類。整個研究期內撫州市生態系統服務價值變化主要以HH 聚類以及LL聚類為主, 分布面積較廣, 生態系統服務價值增加劇烈, 其中HH 聚類主要位于臨川區、東鄉區、崇仁縣、金溪縣、南城縣以及黎川縣, 且大面積處于行政邊界交界處；LL 聚類主要位于臨川區和東鄉區中心城區范圍內；HL、LH 分布面積少且分散。從以上生態系統服務價值變化值的分布特點能看出撫州市生態環境質量在發展過程中存在不平衡性, 大面積的生態系統服務價值劇烈上升以及劇烈下降。

圖2 2010—2020 年撫州市生態系統服務價值空間分異

圖4 2010—2020 年撫州市生態系統服務價值變化聚類與異常值分布

5 小結

1）撫州市土地利用類型以林地和耕地為主。2010—2020 年水域與建設用地正向增長幅度最高、面積增量最大, 未利用地、草地和濕地的負向增長幅度較大, 耕地減少面積最大。以草地、耕地轉為林地, 耕地、林地轉為建設用地的土地轉移方向為主。

2）撫州市2010—2020 年生態系統服務價值呈上升趨勢, 總體增值136.68 億元。生態系統服務價值增值熱點區與損失冷點區空間分布上存在集聚性, 且以HH、LL 聚類為主, 變化強度較大。

3）本研究使用國土調查數據作為研究區域土地利用變化的基礎, 并通過撫州市的社會經濟因子修正系數以及生物量因子修正系數優化生態系統服務價值計算模型, 同時增加建設用地部分生態功能的負向生態系統服務價值系數, 使研究結果更加準確。

綜上, 雖然撫州市整體的生態系統服務價值呈上升趨勢, 但增值區與減值區在空間上分布不均勻, 整個生態環境的協調性與平衡性依然受到了消極影響, 因此需要加強生態功能管控以及完善相關生態環境建設補償政策, 縮小撫州市區域上的生態質量差距, 注重具有高生態系統服務價值地類的保護, 在現今生態環境基礎上合理規劃城鄉發展方向以及建設用地面積, 保證生態環境與土地利用之間的和諧發展。