宜賓市近20年土地利用變化及其生態系統服務價值的時空效應

何治學　王磊　羅君　劉輝　鄧青春　楊海青

摘 要：土地利用變化和生態系統服務價值一直是生態學研究的重點之一。本文基于2000、2010和2020年宜賓市遙感影像圖，采用GIS制圖和面積轉移矩陣等方法分析了2000—2020年宜賓市土地利用變化及其生態系統服務價值時空效應。結果表明：（1）近20年來，宜賓市土地利用類型轉換面積以耕地、林地和建設用地為主，建設用地面積增速呈現上升的趨勢，2000—2010年與2010—2020年土地利用綜合動態度分別為0.32%和0.31%；（2）生態系統服務價值在時間序列上呈現先降低后回升的趨勢，總價值從490.64×108元增長到491.24×108元，其中林地、耕地和水域的貢獻率最大；在空間分布上，單元格生態系統服務價值主要以中和較高等級區域為主，低等級區域主要集中于宜賓市主城區和南溪區（建設用地為主）。（3）生態系統服務價值聚類分布具有顯著正相關性，H-H聚類與H-L聚類的生態系統服務價值增值區域主要分布在耕地轉為林地的區域，L-L聚類與L-H聚類的減值區域則主要分布在林地轉為耕地與建設用地的區域。本研究通過直觀清晰的展現土地利用與生態系統服務價值的時空變化，有助于揭示兩種變化之間的關系，并為指導生態環境建設提供科學依據。

關鍵詞：宜賓市；土地利用變化；生態服務價值；時空效應；空間統計

中圖分類號：K903 文獻標志碼：A文章編號：1673-5072（2023）04-0350-08

土地利用和生態系統服務價值（Ecological Service Value，ESV）是對一個地區生態環境質量最為直觀的評估［1-3］。ESV的形成受到多種因素的影響，其時空動態變化過程與生態結構和功能密切相關［4-5］。

土地是人類活動最重要的載體，在進行ESV評估時，土地利用的變化可以直觀地表現人類活動的規模和強度［6］，是影響生態系統結構和功能最直接的驅動因素之一［3］。土地利用/覆被變化（Land-Use and Land-Cover Change，LUCC）會顯著影響區域ESV以及生態敏感性的波動［7-8］。同時，不同地區的地形、地貌和氣候等自然條件決定了地區的經濟發展和生態治理方向，從而直接影響ESV的變化［7-8］。Costanza等［9］基于16個生物群落估算出了17個生態系統服務的當前經濟價值并制定了生態服務價值化評估方法，但該評估方法過于廣泛，不同國家在直接運用時經常會出現低估或者忽視了某些ESV的情況，從而導致研究結果的誤差較大。于是，Xie等［10-11］在Costanza等［9］的基礎上，通過大量走訪和問卷調查得出了新的生態系統服務評估體系，并在中國得到了廣泛的應用［12-14］。部分研究人員充分考慮生態系統服務的空間異質性，采用InVEST模型進行各項生態系統服務估算［15-16］。土地利用和ESV研究作為生態學研究中的重要一環受到研究者們的廣泛關注。這類研究在國家［17］、流域［18］、城市群［19-20］等各尺度區域上成果豐富，但對于建設用地的生態作用研究往往受到了忽視，建設用地的ESV評估需要進一步深入。

由于特殊的地理區位，宜賓市成為國家“五縱七橫”交通規劃建設中長江東西軸線與南北干線的交匯點，是建設長江上游沿江經濟帶和川南經濟新增長極的重要支撐城市。本研究以宜賓市作為研究區，研究目的包括：（1）揭示2000—2020年宜賓市土地利用和ESV時空變化規律；（2）探究土地利用變化與ESV變化的空間可視化特征，尤其是建設用地變化與ESV的關系。本研究以期為生態文明城市的建設和發展提供科學的參考依據，為制定合理的區域生態環境管理政策奠定理論和實踐基礎。

1 研究區概況

宜賓市（103°36′—105°20′E，27°50′—29°16′N，圖1）位于四川盆地南緣，地處川、滇、黔三省交界處，因金沙江和岷江在此處匯合成長江，而被稱為“萬里長江第一城”。宜賓市總面積達13 283 km2，下轄3區7縣，總人口約551.5萬人［21］。該市海拔236～2 008 m，地形呈現西南高、東北低的態勢，地貌以中低山地和丘陵為主；水系以長江為主脈，支流共600余條；屬中亞熱帶濕潤季風氣候，年均氣溫18 ℃，年均降水量1 050～1 618 mm，雨季集中在5—10月，具有氣候溫和、雨量充沛、四季分明等特點。

2 數據與方法

2.1數據來源

宜賓市2000和2010年的土地利用類型數據來源于全國地理信息資源目錄服務系統（http：//www.webmap.cn）提供的30 m分辨率全球地表覆蓋數據，2020年土地利用數據來源于地理國情監測云平臺（http：//www.dsac.cn），根據該數據集的分類體系，通過重分類將數據集劃分為耕地、林地、灌木、草地、水域、未利用地和建設用地（圖1）。糧食播種面積及其凈利潤數據集來源于四川省糧食和物資儲備局（https：//lwj.sc.gov.cn/sclwj/index.shtml）和《中國統計年鑒》。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣全面具體地反映某一區域土地利用變化的結構特征［22］。本文基于宜賓市2000—2020年的土地利用類型變化數據，運用ENVI 5.3制作土地利用轉移矩陣［23］。

2.2.2 土地利用動態度

土地利用動態度是反應土地利用類型變化程度的指數，可分為單一動態度和綜合動態度。單一動態度指特定區域一定時間范圍內某種土地利用類型變化情況［24］，綜合動態度指整個區域內所用土地利用的年際變化［25］。

2.2.3 ESV核算

本研究參考謝高地等［26］所修訂的ESV當量因子表，將單位面積（1 hm2）的稻谷、小麥和玉米三大糧食的凈利潤作為1個標準當量因子的ESV量。根據宜賓市實際情況進行ESV系數修正，標準當量因子計算公式為［26］：D=Sr×Fr×Sw×Fw+Sc×Fc，式中，D為1個標準當量因子的ESV量（元·hm-2）；Sr、Sw、Sc分別為研究區稻谷、小麥和玉米播種面積占全國三種作物播種總面積百分比（%）；Fr、Fw、Fc分別為稻谷、小麥和玉米單位面積平均凈利潤（元·hm-2）。基于公式計算得到宜賓市2000—2020年的標準當量因子為2 524.1元·hm-2。VCk=D×Ek，式中，VCk為k類土地利用類型單位面積的ESV（元·hm-2）；Ek為k類土地利用類型單位面積ESV當量，各土地利用類型的值詳見文獻［26］的表1。通過以上公式，得到了宜賓市單位面積ESV表（表1）。

再運用表1進行ESV計算，公式為［27］：∑Ak×VCk，式中，ESV為生態系統服務價值（元）；Ak：第k類土地利用類型分布面積（hm2）。然后通過運用GIS軟件中的漁網工具，以2 km×2 km格網計算單元格ESV，并結合幾何間隔法和自然間斷點法將研究區ESV劃分成低［0，5×104］、較低（5×104，10×104］、中（10×104，15×104］、較高（15×104，30×104］、高（30×104，∞］5個等級，從而制成單元格ESV空間分布圖。

2.3 空間自相關性分析

運用全局莫蘭指數（I）［14］和局部莫蘭指數（Ii）［14］描述宜賓市不同單元格ESV分布格局的空間自相關性。

3 結果與分析

3.1 土地利用類型變化特征

3.1.1 土地利用結構變化

2000—2020年宜賓市土地利用變化的統計結果圖2所示。在這20年間，退耕還林還草和開墾工程同時進行，導致耕地和林地面積發生了巨大變化。耕地主要轉出為林地（94 654.98 hm2）和建設用地（12 015.90 hm2），占耕地轉出總面積的85.71%。耕地的轉入面積共107 957.97 hm2，主要源自林地（106 327.62 hm2），因為扶貧工作的大力開展，山區林地不斷被開墾，變化區域以屏山縣與筠連縣為主；其次源自水域（1 383.66 hm2），只有少數來源于灌木、草地和建設用地，但草地轉出占比最大的是耕地，占47.31%。

3.1.2 土地利用動態度變化

由表2可以看出，2000—2010年，耕地變化量達42 216.84 hm2，林地達-48 456.72 hm2，土地利用單一動態度中最大的是灌木，達到61.53%，最小為水域，僅0.40%，綜合動態度為0.32%；2010—2020年。耕地變化量為-45 032.31 hm2，林地為36 398.70 hm2，土地利用單一動態度中最大的是草地，達23.40%，其次是灌木，達-7.59%，綜合動態度為0.31%。

3.2 ESV變化特征

3.2.1 ESV時空變化

由表3可知，2000—2020年宜賓市總ESV從490.64×108元增長到491.24×108元，增長率達到0.12%。2000—2010年，宜賓市開墾工程大規模進行，導致林地和草地面積大量減少，生態服務價值也隨之急劇降低了21.32×108元。2010—2020年，宜賓市主打退耕還林還草和長江流域沿岸生態修復戰略，促使生態環境得到了大幅度的恢復，ESV較2000年有一定的提升。

從不同土地利用類型來看，耕地和灌木的總ESV和各項服務的ESV皆呈現先增后減的趨勢，年均變化率分別是-0.02%和2.76%；林地和草地呈現先減后增的態勢，年均變化率分別為-0.10%和1.70%；水域總ESV持續增長，年均增長率為0.72%。從不同服務功能來看，ESV中占比最高的是調節服務，達到61.88%，最低的是文化服務，僅占3.90%。各項生態系統服務類型總價值皆呈現先減后增的趨勢，其中，調節服務和支持服務價值變化最明顯，年均變化率分別為0.04%和-0.07%。調節服務主要來源于林地，其次是水域，這說明調節服務在以林地和水域為主的宜賓市生態系統服務中占主導地位。

由圖 3可知，宜賓市單元格ESV主要以中和較高等級區域為主，面積占比達到60%以上。2000—2010年，中和較高等級面積比例減小，低和較低等級面積占比增加；2010—2020年，中、較高和高等級面積比例皆增加。西北部和南部的山區以及三江（長江、金沙江和岷江）流域沿岸地區的ESV較高，以較高和高等級區域為主；中等級區域主要分布在高縣、珙縣和興文縣；宜賓市主城區和南溪區是低等級的主要集中區域。

3.2.2 ESV空間自相關性

由表4可知，宜賓市2000—2020年各年份及年份差的ESV全局莫蘭指數均大于0（P<0.01），說明宜賓市ESV空間分布上具有顯著正相關性。2000—2020年莫蘭指數呈現持續下降的趨勢，說明2000—2020年宜賓市ESV的空間相關性在不斷減小。原因在于近年來宜賓市為提升自身的競爭力對土地利用的結構進行了整改，加快宜賓市區南岸、三江新區和南溪區的城市化建設進度以及羅龍工業園區的建設進度，調整了各土地利用類型的面積與分布格局，從而導致ESV分散化。

如圖4所示：總體來說，宜賓市以高-高值（H-H）和低-低值（L-L）聚類為主。H-H聚類主要分布在北部和西北部，以屏山縣境內金沙江流域和翠屏區為主；L-L聚類主要分布在南部和東部，以敘州區、高縣和珙縣行政區交界區域、筠連縣、長寧縣、江安縣和興文縣交界區域為主；高-低值（H-L）聚類零散分布在L-L聚類范圍中或附近；低-高值（L-H）聚類主要分布在H-H聚類范圍內，且以屏山縣為主。

3.3 土地利用變化與ESV變化聚類的疊加特征

將宜賓市2000—2020年土地利用變化（圖1）與ESV變化聚類（圖4）結合分析，結果如圖5所示：HH聚類與HL聚類的ESV增值區域具有相似的分布情況，主要分布在耕地轉為林地的區域。ESV的增長主要來源于耕地轉為林地，增長了45.59×108元；其次來源于耕地轉為水域，增長了10.55×108萬元，水域面積的增加對生態系統服務功能起到極大的改善作用，僅耕地和林地轉為水域就促進ESV增長了11.02×108元。該區域具有優質的生態環境質量，應減少進行規劃建設活動，合理控制退耕還林還草工程的推行進度，促使ESV保持穩定的增長速度。

LL聚類與LH聚類的ESV減值區域主要分布在林地轉為耕地和建設用地的區域。ESV的減少主要來源于林地轉為耕地，減少了51.21×108元；其次來源于水域轉為耕地，減少了4.25×108元，建設用地面積的增加以及除建設用地外的其他土地利用類型轉為耕地時則會造成生態系統服務功能的降低。該區域生態環

境質量處于持續劣化的階段，應盡快控制因城市化進度過快而導致建設用地面積迅速增長的情況，大力開展植樹造林等活動，推動生態修復工程的進行。

4 討 論

近年來，宜賓市人口迅速增長、鄉村振興、退耕還林還草和城市化戰略大力推進等社會經濟因素共同造成了土地利用類型的極速變化［4］。2000—2020年宜賓市土地利用類型的變化主要集中在耕地、林地和建設用地，平均土地利用綜合動態度為0.32%。2000—2020年宜賓市ESV整體呈現先降低后上升的趨勢，ESV增長了6.12×107元，林地、水域和耕地的貢獻率占主要地位，總計在80%以上。ESV的變化與耕地、林地、水域和建設用地面積變化具有顯著的相關關系，林地面積的增加是推動ESV上升的主要動力［19，27］。雖然林地和水域面積的增加促使ESV的上升，但同時也導致建筑和耕地等土地類型面積受到了擠壓，導致被擠壓區域生態環境受到更嚴重的破壞，使得宜賓市生態環境的平衡性受到了沖擊，不利于生態環境的可持續發展，從而形成ESV的空間異質性［20］。因此，應該注重建設用地與各土地類型的協調發展［28］，充分考慮建設用地對ESV的積極和消極作用，和諧各土地類型間的相互影響，減緩宜賓市生態環境受到的沖擊，從而有效的改善宜賓市生態環境，提高ESV，推動生態文明城市建設進程。

從ESV時空分布圖可以看出，在空間分布上，宜賓市ESV在2000—2010年呈現東北部和南部地區降低的趨勢，在2010—2020年呈現全市上升的態勢，且西部和南部地區增長量最大。在時間序列上，ESV高值區域面積先減少后增加。因此，在制定生態保護政策時需根據各區域實際情況因地制宜，把握各區域政策力度，從而最大限度提升各區域生態環境質量。且宜賓市ESV在空間聚類分布上表現出以僅增加或僅減少為主，導致宜賓市生態環境的穩定性在城市發展過程中受到了沖擊，ESV主要源于調節服務和支持服務，貢獻率總計70%以上，各項服務功能間存在著重要的相互作用力［2，8］。因此，后續研究應進一步探究各項服務功能之間的關系，促進各項服務間協調可持續發展，從而保護和維持生態環境的穩定性。

參考文獻：

［1］ 魏慧，趙文武，張驍，等.基于土地利用變化的區域生態系統服務價值評價：以山東省德州市為例［J］.生態學報，2017，37（11）：3830-3839.

［2］ 嚴恩萍，林輝，王廣興，等.1990—2011年三峽庫區生態系統服務價值演變及驅動力［J］.生態學報，2014，34（20）：5962-5973.

［3］ 陳佑啟，楊鵬.國際上土地利用/土地覆蓋變化研究的新進展［J］.經濟地理，2001，21（1）：95-100.

［4］ 劉桂林，張落成，張倩.長三角地區土地利用時空變化對生態系統服務價值的影響［J］.生態學報，2014，34（12）：3311-3319．

［5］ LI Z G，SUN Z S，TIAN Y J.Impact of land use/cover change on Yangtze River delta urban agglomeration ecosystem services value：temporal-spatial patterns and cold/hot spots ecosystem services value change brought by urbanization［J］.International Journal of Environmental Research and Public Health，2019，16（1）：123-123.

［6］ TASSER E，SCHURPKE U，ZODERER B M，et al.Towards an integrative assessment of land-use type values from the perspective of ecosystem services［J］.Ecosystem Services，2020，42：101082.

［7］ 吳后建，王學雷，寧龍梅，等.土地利用變化對生態系統服務價值的影響：以武漢市為例［J］.長江流域資源與環境，2006，15（2）：185-190.

［8］ 唐啟琳，劉方，劉秀明等.基于LUCC的喀斯特山區生態系統服務價值評價［J］.環境科學與技術，2019，42（1）：170-177.

［9］ COSTANZA R，ARGE R ，GROOT R D，et al.The value of the world's ecosystem services and natural capital［J］.Nature，1997，387：253-260.

［10］XIE G D，LU C X，LENG Y F，et al.Ecological assets valuation of the Tibetan Plateau［J］.Journal of Natural Resources，2003，18（2）：189-196.

［11］XIE G D，ZHEN L，LU C X，et al.Expert knowledge based valuation method of ecosystem services in China［J］.Journal of Natural Resources，2008，23（5）：911-919.

［12］WANG W J，GUO H C，CHUAI X W，et al.The impact of land use change on the temporospatial variations of ecosystemsservices value in China and an optimized land use solution ［J］.Environmental Science & Policy，2014，44：62-72.

［13］趙永華，張玲玲，王曉峰.陜西省生態系統服務價值評估及時空差異［J］.應用生態學報，2011，22（10）：2662-2672.

［14］幸贊品，顏長珍，馮坤，等.1975—2015年甘肅省白龍江流域自然保護區生態系統服務價值及其時空差異［J］.中國沙漠，2019，39（3）：172-182.

［15］李婷，劉康，胡勝，等.基于InVEST模型的秦嶺山地土壤流失及土壤保持生態效益評價［J］.長江流域資源與環境，2014，23（9）：1242-1250.

［16］黃博強，黃金良，李迅，等.基于GIS和InVEST模型的海岸帶生態系統服務價值時空動態變化分析：以龍海市為例［J］.海洋環境科學，2015，34（6）：916-924.

［17］王兵，魯紹偉.中國經濟林生態系統服務價值評估［J］.應用生態學報，2009，20（2）：417-425.

［18］粟曉玲，康紹忠，佟玲.內陸河流域生態系統服務價值的動態估算方法與應用：以甘肅河西走廊石羊河流域為例［J］.生態學報，2006，26（6）：2011-2019.

［19］劉桂林，張落成，張倩.長三角地區土地利用時空變化對生態系統服務價值的影響［J］.生態學報，2014，34（12）：3311-3319.

［20］楊青，劉耕源.濕地生態系統服務價值能值評估：以珠江三角洲城市群為例［J］.環境科學學報，2018，38（11）：4527-4538.

［21］宜賓市年鑒編纂委員會.宜賓市年鑒［M］.成都：四川科學技術出版社，2017.

［22］周書貴，邵全琴，曹巍．近20年黃土高原土地利用/覆被變化特征分析［J］.地球信息科學學報，2016，18（2）：190-199．

［23］吳琳娜，楊勝天，劉曉燕，等.1976年以來北洛河流域土地利用變化對人類活動程度的響應［J］.地理學報，2014，69（1）：54-63.

［24］王秀蘭，包玉海.土地利用動態變化研究方法探討［J］.地理科學進展，1999，18（1）：83-89.

［25］宋開山，劉殿偉，王宗明，等.1954年以來三江平原土地利用變化及驅動力［J］.地理學報，2008，63（1）：93-104.

［26］謝高地，張彩霞，張雷明，等.基于單位面積價值當量因子的生態系統服務價值化方法改進［J］.自然資源學報，2015，30（8）：1243-1254.

［27］彭文甫，周介銘，羅懷良，等.城市土地利用變化對生態系統服務價值損益估算：以成都市為例［J］.水土保持研究，2011，18（4）：43-51+27.

［28］羅繼文，周禧，黃亞南，等.南沙區土地利用變化對生態系統服務價值的影響［J］.華南師范大學學報（自然科學版），2022，54（3）：100-110.

Spatial-temporal Effects of Land Use Change and Ecosystem Service Valueof Yibin City in Recent 20 Years

HE Zhi-xue1a，2 WANG Lei1bc，2，LUO Jun1bc，2，LIU Hui1bc，2，DENG Qing-chun1bc，2，YANG Hai-qing1c，2

（1.a.College of Life Science，b.Sichuan Provincial Engineering Laboratory of Monitoring and Control for Soil Erosion onDry Valleys，c.School of Geographical Sciences，China West Normal University，Nanchong Sichuan 637009，China；2.Liangshan Soil Erosion and Ecological Restoration in Dry Valleys Observation and Research Station，Xide Sichuan 616753，China）

Abstract：Land use change and ecosystem service value have always been one of the ecological research focuses.In this paper，the spatial-temporal effects of land use change and ecosystem service value in Yibin city from 2000 to 2020 are analyzed by GIS mapping and area transfer matrix，which is based on remote sensing images of Yibin city in 2000，2010 and 2020.The results are as follows：（1）In the past 20 years，the transfer area of land use type in Yibin city has been dominated by cropland，forestland and construction land，with the growth rate of construction land showing an upward trend；the comprehensive dynamic values of land use from 2000 to 2010 and from 2010 to 2020 were 0.32% and 0.31%，respectively；（2） The value of ecosystem service has presented a trend of decteasing first and then increasing in the time series；the total value has increased from 490.64 × 108 yuan to 491.24 × 108 yuan，to which the forest land，water area and cultivated land have contributed the most；in the spatial distribution，the ecosystem service value of the unit is mostly centered on the middle and the higher grade areas and the low-grade areas are mainly concentrated in the main urban areas of Yibin and Nanxi District （mainly construction land）；（3） The cluster distribution of ecosystem service value has a significant positive correlation；the value-added areas of H-H Cluster and H-L Cluster are mainly distributed in the areas transfered from cropland to forestland，while the value-decreased areas of L-L cluster and L-H cluster are mainly distributed in the areas transfered from forestland to cropland and construction land.The visual and clear presentation of the temporal and spatial changes in this study is helpful to reveal the relationship between land use and ecosystem service value，and provide scientific basis for guiding the construction of ecological environment.

Keywords：Yinbin city；land use change；ecological service value；spatial-temporal effects；spatial statistics

收稿日期：2022-06-09基金項目：西華師范大學科研啟動項目（18Q020，18Q033）

作者簡介：何治學（1997—），男，碩士研究生，主要從事水土保持與荒漠化防治研究。

通信作者：羅君（1987—），男，博士，講師，主要從事水土保持與荒漠化防治研究。Email：luojunxmx@126.com

引文格式：何治學，王磊，羅君，等.宜賓市近20年土地利用變化及其生態系統服務價值的時空效應［J］.西華師范大學學報（自然科學版），2023，44（4）：350-357.［HE Z X，WANG L，LUO J，et al.Spatial-temporal effects of land use change and ecosystem service value of Yibin city in recent 20 years［J］.Journal of China West Normal University （Natural Sciences），2023，44（4）：350-357.］