近20年南充市土地利用與生態系統服務價值時空變化

摘 要：在城鎮化推進和退耕還林還草等政策影響下，南充市土地利用結構發生顯著改變，基于2000—2019年3個時期土地利用數據，運用價值當量因子和空間統計分析等方法，探索南充市土地利用與生態系統服務價值（ESV）的時空變化。結果表明：（1）耕地是南充市主要土地利用類型，占82%以上，2000—2019年耕地和灌木呈減少趨勢，而林地、水域、草地和建設用地呈增長趨勢，建設用地（109.44%）和水域（40.62%）增長最為顯著。（2）2000—2019年南充市ESV總量先急速增長后小幅回落，凈增加73.8億元，增長率為22.89%，耕地ESV占38%以上；單項ESV以水文調節和土壤保持為主，兩者占總ESV的44%以上；各縣（市、區）ESV總量和單位面積ESV呈北高南低的特點。（3）2000—2019年3個時期ESV及其變化的Moran’s I指數均大于0，具有顯著自相關性；ESV高值區和低值區不斷擴展，空間聚集性逐步增強；ESV減損區和變化冷點區集中于城鎮建設區域，增益區和變化熱點區集中于水域和林地覆蓋區域。研究結果可為南充市國土規劃和生態文明建設提供參考。

關鍵詞：生態系統服務價值；時空變化；政策驅動；價值當量因子法；空間統計分析

中圖分類號：X171.1;F301.2"" 文獻標志碼：A""" 文章編號：1673-5072（2023）02-0121-10

土地利用/覆被變化（Land-Use and Land-Cover Change，LUCC）是人類最基本的實踐活動［1］，對維持生態系統服務功能起決定作用［2］，是研究生態系統服務的關鍵切入點［3］。生態系統服務是人類賴以生存與發展的自然環境條件［4］，與人類福祉密切相關［5］，其可持續供給是社會可持續發展的基礎［6］。正確認識生態系統服務之間關系，是開展多方位生態系統服務可持續管理決策的前提［7-8］。隨著1997年Costanza等［9］提出生態系統服務價值（Ecosystem service value，ESV）的估算方法及謝高地等［10］結合中國實際提出并修改中國單位面積生態系統服務價值當量表以來，ESV已成為國內外土地利用變化與生態系統間相互影響的研究熱點。目前眾多研究［11-12］均采用謝高地等［10］提出的中國生態系統服務價值當量法進行ESV估算；部分學者則充分考慮生態系統服務的空間異質性，采用InVEST模型對各項生態系統服務估算［13-14］。價值當量法因具有數據需求量少［7］、操作簡單、結果易于比較［15］等特點，被廣大學者運用于流域［1］、島嶼［7］、城市群［16］、省［17］等各級區域尺度的研究，成果豐碩，但這些研究往往忽視建設用地的作用，缺乏對建設用地ESV的評估。

南充是國家重要的商品糧和農副產品生產基地，也是成渝經濟圈中心城市之一，在經濟建設和城鎮化的快速推進過程中，生態系統的健康發展尤為重要。本文以南充市為研究對象，基于單位面積價值當量因子法和空間統計分析，利用2000—2019年土地利用數據，從時空角度探索南充市土地利用和生態系統服務價值的動態變化特征，尤其是建設用地對生態系統服務價值的影響，以期為南充市生態文明建設和區域協同發展提供科學依據。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究區概況

南充市位于四川省東北部，嘉陵江中游，地理位置介于30°27′—31°51′N，105°26′—106°57′E，總面積為12 477.20 km2，占全省面積的2.57%，下轄9個縣級行政區（3市轄區、5縣、1縣級市）。南充屬中亞熱帶濕潤季風氣候區，四季分明，雨熱同期，降水集中于夏秋季節，年均溫為15.5～17.4 ℃，年均降水量為980～1 150 mm，地勢北高南低，北部為低山，南部為丘陵。南充2019年末常住人口為643.5萬人，地區生產總值（GDP）2 322.22億元，分別占四川省的7.68%和4.98%。21世紀以來，南充社會經濟增長迅速，城鎮面積快速擴張，土地利用變化加快，深刻影響著地區生態系統的結構和功能。

1.2 數據來源

文中2000年、2010年和2019年土地利用數據來源于武漢大學遙感與信息工程學院黃昕教授團隊［18］基于Landsat衛星衍生的中國年度土地覆蓋產品（https：//doi.org/10.5281/zenodo.4417810），空間分辨率為30 m，按照該產品分類體系，南充市土地利用類型劃分為耕地、林地、灌木、草地、水域、裸地和建設用地。2010年南充市糧食產量和播種面積數據來源于四川省統計局公布的《2011年四川省統計年鑒》（https：//tjj.sc.gov.cn/scstjj/c105855/nj.shtml）。

1.3 土地利用動態度分析

土地利用動態度可反映一定時間內土地利用變化的區域差異［19］，采取土地利用動態度分析2000—2019年南充市各類土地利用類型的變化情況。

1.4 生態系統服務價值評估

以謝高地等［10］制定的生態系統服務價值當量表為基礎，確定了中國1個生態系統服務價值當量的經濟價值為3 406.50元·hm-2，同期全國和南充市糧食單產分別為4 973.24 kg·hm-2和5 589.00 kg·hm-2，即南充市1個生態系統服務價值當量為3 828.27元·hm-2。參考雷金睿等［7］在海南島和冉玉菊等［20］在滇中城市群的研究成果，結合研究區實際情況構建南充市單位面積生態系統服務價值系數表（表1），生態系統服務價值計算引用Costanza等［5］的生態系統服務價值系數法。

1.5 生態系統服務價值損益

結合土地利用轉移矩陣測算LUCC對ESV的影響，用1 km×1 km漁網計算并分析ESV的空間損益情況［21］。

1.6 生態系統服務價值空間統計分析

全局空間自相關可探索要素的整體空間分布狀況［22］，通常用Moran’s I指數與Z度量［17］，本文采用Moran’s I對南充市生態系統服務價值格網數據進行全局空間自相關檢驗。局部空間自相關旨在研究鄰近區域間對某屬性值的集聚程度［23］，可檢驗局部區域的空間關聯性和異質性，本文采用Moran’s Ii對南充市生態系統服務價值進行局部空間自相關檢驗。采用熱點分析 （Getis-Ord Gi*）探索ESV空間變化的聚集和分異特征［24］，即“冷點”和“熱點”分布格局。

2 結果與分析

2.1 南充市土地利用動態變化特征

2.1.1 土地利用面積變化

根據2000—2019年南充市土地利用類型變化情況來看（表2，圖1），南充市土地利用以耕地為主，主要分布于地勢較低平區域；其次是林地，主要分布于北部、西部和西南部山地；其余地類面積占比較少。從面積變化看，2000—2019年耕地面積變化量最大，累計減少97 070.57 hm2；其次為林地，增加77 632.09 hm2；建設用地和水域面積變化也較大，分別增加12 780.84 hm2和6 570.18 hm2；灌木、裸地和草地面積變化不大。從面積變化率看，2000—2019年建設用地增長109.44%，林地增長81.43%，水域增長40.62%，耕地減少8.63%，灌木、草地和裸地占比極低，變化率不予重點考慮。從面積時間變化來看，耕地面積持續減少，其中2000—2010年迅速下降；林地面積在2000—2010年急速增加，2010—2019年有所減少；建設用地和水域持續增加，其中建設用地在2010—2019年增加迅猛；其余土地利用類型面積變化不大。

2.1.2 土地利用變化動態度

深入分析2000—2019年南充市土地利用動態度（表3），從時間段來看，2000—2010年林地、灌木、草地和水域動態度在4%以上，增長較快，耕地和裸地動態度小于0，建設用地動態度為1.82%；2010—2019年耕地、林地、灌木動態度小于0，草地、裸地和建設用地動態度在3%以上，其中建設用地擴張迅速，達7.71%；從2000—2019年整體來看，除耕地和灌木動態度小于0外，其余地類動態度均呈增長趨勢，其中林地、草地、

水域和建設用地動態度分別為4.29%、6.47%、2.14%和5.76%。從主要地類面積變化動態度來看，耕地動態度均小于0，其面積先迅速減少后減幅變緩；2000—2010年和2010—2019年林地動態度分別為8.81%和-0.35%，林地先迅猛增加后小幅減少；2000—2010年和2010—2019年水域動態度分別為4.03%和0.03%，水域先快速增加后緩慢擴張；2000—2010年和2010—2019年建設用地動態度分別為1.82%和7.71%， 2010—2019年建設用地快速擴張。

2.1.3 土地利用轉移矩陣

從南充市2000—2019年土地利用轉移矩陣來看（表4），耕地轉出面積最大，轉為林地、建設用地和水域的面積分別為99 351.14 hm2、16 681.78 hm2和3 881.07 hm2；林地有21 965.10 hm2轉為耕地，建設用地有4 068.35 hm2轉為水域，水域有913.22 hm2轉為耕地，其余地類面積轉出不大。從轉入情況來看，林地轉入面積主要來自耕地和水域；耕地主要由林地和水域轉入；建設用地主要由耕地和水域轉入；水域則主要由建設用地和耕地轉入；灌木、草地和水域轉入面積較小。

從土地利用轉移空間分布來看（圖2），2000—2019年南充市土地利用轉變集中于嘉陵江流域、區縣城區周邊和山地地區，其中區縣城區周邊因城鎮建設導致土地利用變化迅速，主要表現為耕地轉為建設用地，市轄三區尤為劇烈。嘉陵江流域因生態建設的推進，導致大量建設用地轉為水域和林地，山地地區則因退耕還林而促使大面積耕地轉為林地。

2.2 南充市生態系統服務價值動態變化特征

2.2.1 不同土地利用生態系統服務價值變化

2000—2019年，南充市ESV先急速增長后有所回落（表5），累計增長738 004.79萬元，增長率達22.89%。從各地類ESV來看，林地、水域、草地和裸地ESV呈增長趨勢，與其面積變化一致，其中水域和林地ESV分別增長315 939.57萬元和629 462.52萬元，分別增長40.62%和81.43%；耕地和建設用地分別減少149 016.45萬元和58 763.12萬元，變化率分別為-8.63%和109.44%。林地和水域面積增加是2000—2019年南充市ESV總體增加的主要原因，建設用地的擴張則使2010—2019年ESV有所回落。

2.2.2 單項生態系統服務價值變化

從南充市單項生態系統服務價值可看出（表6），3個時期中水文調節占比均最大，約30%左右，土壤保持約為15%。2000—2019年，單項ESV變化量最大的為水文調節，增加36.19億元，增長率達40.65%；氣候調節增加17.67億元，增長率為44.69%。僅食物生產和水資源供給ESV呈下降趨勢，分別減少2.15億元和0.68億元，增長率為-5.65%和-17.76%。水文調節和氣候調節價值量增加推動南充市ESV總體增長，得益于水域和林地面積的增長，而過快的城鎮建設導致水資源供給價值量下降，對ESV增長起阻礙作用。

2.2.3 生態系統服務價值空間分布和損益變化

為深入分析南充市ESV及其損益的空間分布，運用自然斷點法制作2000—2019年南充市ESV及其損益的空間分布圖（圖3）。

從2000年和2019年ESV分布圖來看，南充市嘉陵江和升鐘水庫等水體區域ESV極高以及區縣城鎮用地周邊極低外，呈現出中部低邊緣高的特點，這與南充市耕地和林地分布情況極為契合，即中部地區地勢較和緩，耕地面積廣，ESV較低，邊遠地區地勢起伏較大，林地多，ESV較高。從2000—2019年ESV空間變化來看，高值區不斷擴張，低值區逐漸萎縮，但區縣城區周邊隨建設用地的迅速增長，ESV極低值范圍在快速擴展。

從2000—2019年ESV的損益來看，各縣市區城鎮建設區ESV減損較大，市轄三區形成連片極高損失區，源于水域和耕地大面積轉為建設用地；山地和水域覆蓋地區因林地和水域面積增加，成為ESV增益區，東河、西河與嘉陵江交匯處和高坪區北部嘉陵江河段等水域形成極高增益區，源于水域面積的增長。

2.2.4 各縣（市、區）生態系統服務價值變化

從行政單位尺度對南充市ESV進行分析，從空間分布來看（圖4），各縣（市、區）ESV呈北高南低的特點；閬中、南部、儀隴、營山4地所轄面積較大，林地面積較多，2000—2019年ESV貢獻率達64%以上；市轄三區面積較小且建設用地集中，ESV總量較低。從時間變化來看，2000—2010年，各地ESV均明顯增加，閬中、南部增長迅猛；2010—2019年，閬中、南部、西充、儀隴4地有所回落，其中閬中ESV減少最多。

采用自然斷點法進一步分析南充市各縣（市、區）單位面積ESV及其時空變化情況（圖5），從空間分布來看，2000—2019年南充市單位面積ESV分布大體呈北高南低的特點，閬中和南部為高值區域，西充和順慶為低值區域。從時間變化來看，2000—2010年嘉陵、高坪、蓬安、營山、儀隴5地單位面積ESV整體偏低，ESV上升速率低于整體水平；2010—2019年高坪、蓬安2地單位面積ESV有所上漲，生態改善明顯；整體而言，2010—2019年各地單位面積ESV均隨ESV增加而不同程度上升，生態在逐步改善。

2.3 南充市生態系統服務價值空間自相關分析

2.3.1 全局空間自相關分析

從南充市ESV全局自相關檢驗結果來看（表7），2000—2019年3個時期Moran’s I均大于0，P值均小于0.001，說明南充市ESV空間分布具有較強的正相關性，空間上具有極顯著的聚集性。 I值先增后降，表明ESV的空間自相關性先增強后減弱，說明2000—2010年退耕還林等宏觀政策促使ESV空間聚集性增強，2010—2019年在城鎮建設等經濟活動影響下，ESV聚集性有所回落。從2000—2010年和2010—2019年ESV動態變化的空間自相關性來看，全局Moran’s I呈下降趨勢，但也具有顯著的空間聚集性，說明南充市ESV動態變化過程的空間聚集性在減弱，2000—2019年ESV總體動態變化的I值為0.199（P＜0.001），具有極顯著空間聚集效應。

2.3.2 局部空間自相關分析

從南充市ESV局部自相關檢驗來看（圖6），2000—2019年ESV高值聚集區主要分布于嘉陵江沿岸、升鐘水庫等水域和邊緣山區，其范圍逐漸擴張；ESV低值區分布于城鎮建設密集區，隨著城市化推進，低值區范圍在不斷變大，ESV空間分異加劇。

2.3.3 熱點分析

從南充市ESV變化熱點圖來看（圖7），2000—2010年ESV增值熱點集中于市轄三區嘉陵江河段、蓬安縣西北部—閬中市東北部嘉陵江河段、升鐘水庫，退耕區域也有零星分布，主要由于耕地和建設用地轉化為水域和林地，局部ESV升高；ESV損失冷點區域分散于城鎮建設和林地退化區域，冷點面積小于熱點區。2010—2019年ESV增值熱點集中分布于閬中東北部解元水庫、北部嘉陵江河段、高坪區北部和順慶區東部嘉陵江河段、儀隴縣北部前進水庫、同盟水庫等，水庫修建或生態建設推動水域面積擴張區域；ESV損失冷點則分布于各地城鎮建設區域。從2000—2019年整體變化來看，與南充市土地利用轉移情況較為一致，ESV增值熱點分布于新修水庫庫區、水域面積擴張河段和退耕區域等水域、林地面積增長地區；ESV損失冷點分布于城鎮化加速推進，建設用地增加和林地減少的地區；ESV損失冷點面積小于增值熱點，印證了南充市土地利用的總體ESV在增加。

3 討 論

進入新世紀以來，在國家退耕還林還草政策全面實施、成渝雙城經濟圈建設推進、人口流失等因素影響下，南充市土地利用結構顯著變化，進而引起生態系統服務價值的變化。林地和水域能創造極高的生態服務價值［22］，得益于水域和林地面積的增加，2000—2019年南充市ESV增加738 004.79萬元，此結果與羅芳等［17］對四川省生態系統服務價值的研究結論相符，應鞏固退耕成果，推動南充市林草資源穩步增長，加強對嘉陵江流域和升鐘水庫等水域的管理，改善水域生態結構。建設用地雖對ESV起一定促進作用［25］，但對于水資源調節、氣體調節和凈化環境等起阻礙作用，今后需科學規劃城市建設并整治違建濫建等現象，切實保護耕地和水域資源。總體而言，南充生態環境在持續改善，仍需落實生態文明建設，優化土地利用結構，促進生態系統可持續健康發展。

除土地利用變化外，人口分布、經濟發展水平、氣候條件和產業結構布局等自然和社會經濟因素也影響區域ESV。本文僅從土地利用變化來探討南充市ESV的時空變化具有一定局限性，今后開展相關研究時需重點關注自然和社會經濟因子對ESV時空變化的影響、ESV的模型估算及預測模擬研究，以提高ESV估算的準確性。

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Spatio-temporal Changes of Land Use and Ecosystem Service Valueof Nanchong City in Recent 20 Years

ZHOU Jian-wei1ac，2，WANG Lei1bc，2，YANG Hai-qing1bc，2，DENG Qing-chun1bc，2，LIU Hui1bc，2，LUO Jun1bc，2

（1.a.College of Life Science，b.School of Geographical Sciences，c.Sichuan Provincial Engineering Laboratory of Monitoring and

Control for Soil Erosion on Dry Valleys，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：Under the policy influence of urbanization promotion and returning farmland to forest and grassland，the land use structure of Nanchong has changed significantly.Based on the land use data of three periods from 2000 to 2019，the methods of value equivalent factor and spatial statistical analysis are employed to explore the spatio-temporal changes of land use and ecosystem service value （ESV） of Nanchong.The results show as follows：（1） the main land use type of Nanchong is cultivated land，accounting for more than 82%；the cultivated land and shrub had shown a decreasing trend from 2000 to 2019 whereas woodland，water area，grassland and construction land had shown an increasing trend，among which the growth rates of construction land （109.44%） and water area（40.62%） was the most significant；（2） from 2000 to 2019，the total ESV of Nanchong had increased rapidly at first and then decreased slightly，with a net increase of 7.38 billion yuan，a growth rate of 22.89%；the ESV of cultivated land had accounted for more than 38%； hydrological regulation and soil conservation were dominant in single ESV，accounting for more than 44% of the total ESV；the total ESV and ESV per unit area of each county （city，district） were high in the north and low in the south；（3） ESV and its changes of Moran’s I index in the three periods from 2000 to 2019 were significantly autocorrelated； the high value region and low value region of ESV had continued to expand，and the spatial aggregation was gradually enhanced；ESV loss area and variation cold spot area were concentrated in the urban construction area，while gain area and variation hot spot area were centralized in water area and woodland covered area.The research results have provided references for the land planning and ecological civilization construction in Nanchong.

Keywords：ecosystem service value；spatio-temporal changes；policy driving；value equivalent factor method； spatial statistical analysis