海口城市邊緣區(qū)的土地生態(tài)服務價值

李 微，韓姝堯，王 菲，周 鵬

（海南大學 林學院，海口 570028）

在生態(tài)文明建設背景下，城市發(fā)展需要科學考慮區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)安全及生態(tài)系統(tǒng)服務功能完整性[1]。城市邊緣區(qū)是指在土地利用、社會經(jīng)濟、人口等方面同時受到市區(qū)和鄉(xiāng)村影響，經(jīng)濟發(fā)展不平衡、結構復雜化的城鄉(xiāng)間帶狀區(qū)域[2]。該區(qū)域土地利用活躍多樣，供需矛盾集中，是城市發(fā)展的前沿地帶。現(xiàn)階段，我國城市邊緣區(qū)的研究以城鄉(xiāng)規(guī)劃為主，缺乏生態(tài)保護和可持續(xù)發(fā)展研究[3]。十九大報告指出“人與自然是生命共同體”，城市生態(tài)用地保護和可持續(xù)發(fā)展逐漸成為探究熱點。

海南省是全面深化改革開放試驗區(qū)和國家生態(tài)文明試驗區(qū)的雙重試點省份，其省會海口市面臨協(xié)調區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)建設的任務艱巨，海口城市邊緣區(qū)更是成為海口市土地供需矛盾的集中點。目前，關于海口市生態(tài)用地的研究集中在時空變化[4-6]和格局優(yōu)化兩方面[7-9]，其中生態(tài)用地格局優(yōu)化多基于單一時相遙感影像，以最小耗費距離模型構建生態(tài)安全格局。如余宇晨等[7]采用2019 年遙感影像，以最小耗費距離模型和克里格差值法分析了海口市空間格局優(yōu)化途徑；陸禹等[8]采用拼接后的海口市秀英區(qū)遙感影像，以最小耗費距離模型和粒度反推法探討海口市秀英區(qū)生態(tài)格局的優(yōu)化措施；琚青青等[9]基于2017 年海口市遙感影像，以最小耗費距離模型構建海口市邊緣區(qū)生態(tài)安全格局。基于單一時相遙感影像和以生態(tài)優(yōu)化為單一結果導向的城市生態(tài)用地研究存在一刀切問題，缺乏考慮城市生態(tài)用地時空演變規(guī)律和土地政策對城市邊緣區(qū)空間形態(tài)的關鍵影響作用[10]。生態(tài)用地優(yōu)化的研究方法多樣，其中灰色線性規(guī)劃模型[11]更能克服生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)中存在著的很多不確定的、模糊因素，考慮到生態(tài)用地時空演變規(guī)律和土地政策等多種影響因素，更適用于目前處于政府引導階段[3]的城市邊緣區(qū)的國土空間規(guī)劃研究。現(xiàn)階段，關于ESV 的研究多側重于大尺度區(qū)域下的ESV 時空變化方面[12]，而通過對城市邊緣區(qū)的生態(tài)用地優(yōu)化提高ESV 的研究較少[3,11-12]。因此，研究處于土地政策影響下海口城市邊緣區(qū)生態(tài)用地和生態(tài)系統(tǒng)服務價值的變化及優(yōu)化對海口市可持續(xù)發(fā)展具有重要指導意義。

由于城市邊緣區(qū)具有的過渡性、模糊性、動態(tài)性和復雜性等特征[13]，城市邊緣區(qū)的界定無統(tǒng)一標準，遙感影像和模型評價法被廣泛應用于城市邊緣區(qū)范圍界定當中[3,13-14]。目前，我國城鎮(zhèn)化處于穩(wěn)定快速發(fā)展階段，城市空間不斷擴張，城市邊緣區(qū)范圍具明顯時效性，時間越久遠，范圍越小，市區(qū)特性越明顯，研究價值越低。琚青青等[14]以2017 年海口市遙感影像為基礎，選用不透水面指數(shù)構建模型，結合最大熵閾值法界定海口市城市邊緣區(qū)，范圍合理，邊緣區(qū)特征明顯。

鑒于此，本研究以2017 年海口城市邊緣區(qū)[14]為研究區(qū)，以2005、2009、2015 和2020 年遙感影像為數(shù)據(jù)源，以海口城市邊緣區(qū)生態(tài)用地時空演變規(guī)律、土地政策等因素為約束條件，構建灰色線性規(guī)劃模型，計算ESV 最大值，確定最優(yōu)解下的生態(tài)用地數(shù)量，探討海口城市邊緣區(qū)的生態(tài)用地優(yōu)化，探索海口城市邊緣區(qū)的保護與開發(fā)之路，以期為海口市可持續(xù)發(fā)展和空間規(guī)劃提供理論參考。

1 研究區(qū)概況

本研究基于數(shù)據(jù)的可獲取性，以2017 年海口城市邊緣區(qū)[14]為研究區(qū)（圖1）。研究區(qū)位于N19°31′～20°04′，E110°07′～110°42′，熱帶海洋氣候，以平原為主，總面積66 030 hm2。區(qū)內水資源豐富，物種多樣[15]，生態(tài)敏感度高，有南渡江、美舍河和五源河流經(jīng)境內，含玉龍泉濕地公園、五源河國家濕地公園等6 個濕地公園，同時，江東新區(qū)自貿(mào)港試驗區(qū)和國家高新技術產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)坐落于此。該區(qū)域是未來海口市國土空間規(guī)劃的重點區(qū)域，因此開展基于ESV 最大化下的海口城市邊緣區(qū)生態(tài)用地優(yōu)化研究尤為重要。

圖1 海口城市邊緣區(qū)范圍示意圖（來源：www.haikou.gov.cn）

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理（1）遙感數(shù)據(jù)。本研究采用研究區(qū)空間分辨率為30 m 的2 期Landsat5 ETM遙感影像（2005、2009）和2 期landsat8 TM 遙感影像（2015、2020）為數(shù)據(jù)源；運用ENVI5.3 軟件對影像進行輻射校正、大氣校正、裁剪等預處理。（2）生態(tài)用地分類。生態(tài)用地指以保護區(qū)域生態(tài)為目標，除人工硬化面外可提供生態(tài)系統(tǒng)服務的土地[16]，其劃分主要有土地覆被類型、土地利用程度和二者結合三種角度[17]，如張騫等[17]從土地利用角度將重慶市用地分為林地、農(nóng)地、水體、草地和未利用地5 類生態(tài)用地和建設用地。本研究基于研究區(qū)土地利用特點和《土地利用現(xiàn)狀系統(tǒng)GB/T 21010—2017》，參照相關學者的研究[16-18]，對遙感影像進行最大似然法監(jiān)督分類，將研究區(qū)用地劃分為林地、草地、耕地、水域、未利用地、濕地和建設用地7 類，得到4 期土地利用類型圖（圖2），其中林地、草地、耕地、水域、未利用地、濕地為生態(tài)用地。基于感興趣區(qū)（ROI）對分類結果評價，卡帕系數(shù)達0.9 以上，數(shù)據(jù)精度評價為優(yōu)。（3）糧食數(shù)據(jù)和社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)等。糧食數(shù)據(jù)和社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來源于2006—2019 年的《海口市統(tǒng)計年鑒》和《中國統(tǒng)計年鑒》，永久基本農(nóng)田數(shù)據(jù)來源于《海口市總體規(guī)劃（空間類2015—2030）》，其他相關數(shù)據(jù)來源于政府網(wǎng)站公開信息。

圖2 海口城市邊緣區(qū)土地利用類型分布圖

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估近年來關于ESV 的研究眾多，其中謝高地等[19]在Costanza等[20]研究基礎上構建的當量因子法，以貨幣形式量化了生態(tài)系統(tǒng)服務功能，是常用的ESV 評估技術之一[4,12,21]。

本研究以謝高地[21]構建的全國單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量表為依據(jù)，參照喻露露等[4]對海口市生物量因子調整系數(shù)的研究，確定研究區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)[22]和林地生態(tài)系統(tǒng)生物量因子調整系數(shù)[23]分別為0.72 和3.03，進而確定了研究區(qū)單位面積生態(tài)系服務價值當量（表1，2）。以2005—2018 年海口市單位面積糧食產(chǎn)量與全國單位面積糧食產(chǎn)量的比值作為逐年修訂系數(shù)[24]，計算出1 個標準當量因子為2 617.89 元·hm-2。根據(jù)修正后的標準當量因子和各生態(tài)系統(tǒng)面積計算出研究區(qū)ESV，其中建設用地賦值0。

表1 海口城市邊緣區(qū)單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量

表2 海口城市邊緣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值的計算公式

2.3 灰色線性規(guī)劃模型目標函數(shù)的建立灰色線性規(guī)劃模型適用于系統(tǒng)動態(tài)變化隨機、指示數(shù)據(jù)不確定的情況，可實現(xiàn)在有限資源的情況下，取得最大效益。研究區(qū)深受城市發(fā)展和土地政策的影響，土地利用隨機易變且具有不確定性[25]。因此，本研究依據(jù)研究區(qū)2005、2009、2015 和2020 年生態(tài)用地數(shù)據(jù)（圖3）和相關形勢政策等，以2005 年為基礎年，2025 年為目標年，構建ESV 最大化下的灰色線性規(guī)劃模型目標函數(shù)，即以ESV 最大化時的生態(tài)用地數(shù)據(jù)作為研究生態(tài)用地最優(yōu)化結果。對應函數(shù)為：

圖3 研究區(qū)土地利用類型變化圖

式中，f（x）為研究區(qū)ESV，決策變量x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7分別對應為研究區(qū)耕地、林地、草地、水域、濕地、建設用地和未利用地的面積。

結合研究區(qū)土地利用情況、社會發(fā)展需求和相關政策等，對決策變量設置以下約束條件：

（1）土地總面積：研究區(qū)總面積不變，即S=66 030 hm2。

（2）耕地: 優(yōu)化后耕地面積等于永久基本農(nóng)田面積。根據(jù)《海口市總體規(guī)劃（空間類2015—2030）》，得到研究區(qū)永久基本農(nóng)田面積，即x1≥9 848.09 hm2。

（3）林地: 林地對于生態(tài)環(huán)境至關重要，優(yōu)化后林地不宜少于現(xiàn)有規(guī)模，即x2≥18 417.87 hm2。

（4）草地: 根據(jù)調研顯示，2005—2020 年間研究區(qū)增加草地主要為人工草地，因此，優(yōu)化后草地以2005 年面積為標準，即x3=494.64 hm2。

（5）水域: 考慮城市用地分配需要，優(yōu)化后水域面積宜在2005—2020 年4 期水域面積范圍內。2009 年海南省降水量比常年值偏多約30%，水域大幅度增多，不具參考性，即2 377.26 ≤x4≤3 273.30 hm2。

（6）濕地：根據(jù)《海口市濕地保護修復總體規(guī)劃（2017—2025 年）》，到2025 年海口市濕地面積增加2 825 hm2。按面積等比例分配濕地面積，得到2025 年研究區(qū)濕地面積，即x5＝4 853.52 hm2。

（7）建設用地: 基于4 期建設用地面積數(shù)據(jù)和灰色預測模型GM（1,1）[26]，對2025 年邊緣區(qū)建設用地面積進行預測，x6=29 875.89 hm2。

（8）未利用地: 4 期生態(tài)用地數(shù)據(jù)轉移矩陣顯示，研究區(qū)未轉移的未利用地面積為176.94 hm2，推斷到2025 年應至少保留相同規(guī)模，即x7≥176.94 hm2。

3 結果與分析

3.1 海口城市邊緣區(qū)生態(tài)用地變化分析分析土地利用數(shù)據(jù)（圖3）可知：研究區(qū)土地利用主體為耕地、林地生態(tài)用地和建設用地；建設用地和耕地是土地轉移變化的重點；建設用地逐年增加，2009—2015 年間增幅最大；耕地持續(xù)減少，但2009—2015 年間耕地面積近乎不變；林地面積先增后減，2015—2020 年間降幅明顯；2009 年水域面積暫增；濕地先減后增，2015—2020 年間出現(xiàn)爆發(fā)式增長，原有濕地保留占比低；其他生態(tài)用地變化小。

3.2 研究區(qū)ESV變化

3.2.1 ESV 時間變化計算4 期研究區(qū)各生態(tài)用地ESV，結果如圖4 所示：總ESV 先增后降，共增加9.30×106元；林地、草地、濕地和未利用地ESV 增加，耕地和水域ESV 降低；林地ESV 一直是研究區(qū)ESV 的主體，草地、耕地和未利用地ESV 占比較低。

圖4 海口城市邊緣區(qū)各類生態(tài)用地生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化

計算4 期研究區(qū)各生態(tài)用地中單項ESV，結果如圖5 所示：單項ESV 中，調節(jié)服務ESV 是總ESV 的結構主體，占比達70%以上，水文調節(jié)ESV 貢獻率最大；水資源供給ESV 變化最快，變化率達83.74%。

圖5 海口城市邊緣區(qū)各生態(tài)系統(tǒng)單項服務價值變化

3.2.2 ESV 空間變化利用GIS 軟件將研究區(qū)ESV 值從低到高劃分為3 個等級，得到時空分布圖（圖6），第一等級為0～30 949.07 的低值區(qū)，由建設用地、耕地和未利用地ESV 構成；第二等級為30 949.07 ～156 034.87 元的中值區(qū)，由濕地和草地ESV 構成；第三等級為156 034.87～328 83元的高值區(qū)，由林地和水域ESV 構成。從空間上看，ESV 分布分異界限較明顯，高值區(qū)呈塊、線狀分布，中值呈點狀散布，低值區(qū)呈點塊狀集聚分布；最高ESV 值主要集中在西北部榮山河、中部南渡江、龍泉鎮(zhèn)和龍橋鎮(zhèn)大部分區(qū)域。從時間階段性來看，各等級ESV 分異界限逐漸模糊，空間分布由塊狀逐漸轉向點狀散布，高ESV 值區(qū)逐漸破碎化。

圖6 研究區(qū)ESV 變化空間分布圖

3.3 優(yōu)化前后ESV變化通過Lingo8.0 軟件，對灰色線性規(guī)劃模型求解，得到2025 年研究區(qū)ESV 最大化下的不同生態(tài)用地數(shù)據(jù)（表3）和優(yōu)化前后ESV 變化數(shù)據(jù)（圖7）。結果表明，與2005 年相比，優(yōu)化后：（1）研究區(qū)ESV 為4 457.18×106元，增長1.73%。（2）建設用地、林地是土地利用的主體，未利用地面積最少。（3）建設用地、濕地、林地面積依次增加，耕地、未利用地、水域、面積依次減少，未利用地減幅最大，草地面積近無變化。（4）林地、水域和濕地ESV 是主體；濕地對ESV 增長貢獻最高。（5）單項水文調節(jié)、食物生產(chǎn)ESV明顯減少，單項水資源供給、氣候調節(jié)、生物多樣性ESV 顯著增加。

表3 優(yōu)化前后海口市邊緣區(qū)土地利用及生態(tài)價值變化

圖7 優(yōu)化前后各單項生態(tài)系統(tǒng)服務價值對比

4 討論與結論

4.1 討 論

4.1.1 生態(tài)用地變化根據(jù)4 期土地利用數(shù)據(jù)可知，海口城市邊緣區(qū)生態(tài)用地類型多樣，生態(tài)用地變化活躍，且深受土地政策的影響。2009 年國土資源部提出“保耕地紅線”行動，2009—2015 年，研究區(qū)耕地面積基本保持不變。2014 年國家提出在保障永久基本農(nóng)田不變動的基礎上，允許耕地“占補平衡”，可跨區(qū)域調節(jié)耕地；2015—2020 年，研究區(qū)耕地面積減少，建設用地面積增加。2017 年海口市政府印發(fā)《海口市濕地保護與修復工作實施方案》，2015—2020 年，濕地面積出現(xiàn)爆發(fā)式增長。

4.1.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值時空變化參照相關研究，將研究區(qū)ESV 與之對比。一方面，歐陽志云等[27]認為熱帶森林對海南島生態(tài)環(huán)境重要；隋磊等[28]發(fā)現(xiàn)海南島森林生態(tài)系統(tǒng)是最主要的生態(tài)系統(tǒng)類型。本研究中林地是研究區(qū)ESV 的主體，與歐陽志云和隋磊等的研究結論一致。另一方面，雷金睿等[24]對海南島ESV 評估后發(fā)現(xiàn)，1980—2018 年間海南島ESV 總體表現(xiàn)為增長，單項水文調節(jié)、氣候調節(jié)ESV 占比最高，本文中研究區(qū)ESV 近無增長，單項水文調節(jié)ESV 明顯高于其余各單項ESV。由此表明，研究區(qū)水文調節(jié)占比高的水域、林地、濕地面積之和高于海南島平均水平，水文調節(jié)占比低的耕地面積低于海南島平均水平，研究區(qū)ESV 與海南省ESV 差異明顯，研究海口城市邊緣區(qū)生態(tài)用地和ESV 優(yōu)化十分必要。

利用GIS 軟件，處理2005 年和2020 年ESV變化時空分異圖，得到ESV 轉移變化圖（圖8）。根據(jù)ESV 轉移變化的不同，分類討論保護措施：（1）中、高ESV 保持不變的區(qū)域(中-中、高-高)。原有生態(tài)系統(tǒng)保護良好，建議采取不開發(fā)、不干擾、長久保護策略，實時監(jiān)測，定期評估。（2） 高ESV 轉為中ESV(高-中)和低ESV 轉為中或高ESV（低-中、低-高）的區(qū)域，主要是耕地轉為濕地、草地、水域或林地和林地轉為濕地或草地的區(qū)域，經(jīng)調研，此區(qū)域多為范圍廣的林田交織或水田交織區(qū)域。建議限制人為活動，適當采取人為干預，優(yōu)化生態(tài)系統(tǒng)，加強生態(tài)修復，定期評估。

圖8 生態(tài)系統(tǒng)服務價值轉移變化圖

4.1.3 土地利用優(yōu)化優(yōu)化后：研究區(qū)ESV 增加1.73%，耕地滿足永久基本農(nóng)田保護線要求；未利用地面積減少；建設用地明顯增加，促進土地集約利用，積極響應海口市發(fā)展建設要求；水域和濕地大幅增加，提高環(huán)境承載力。在響應“山水林田湖草”[29]整體統(tǒng)籌布局前提下，基于ESV 最大化下的生態(tài)用地優(yōu)化使得研究區(qū)ESV 和土地利用程度共增長，找到了開發(fā)與保護相協(xié)調的平衡點。

根據(jù)優(yōu)化結果，筆者建議海口城市邊緣區(qū)繼續(xù)開展生態(tài)文明建設，基于ESV 時空變化的基礎上，實施分類保護，差別化管控措施；在生態(tài)用地優(yōu)化的基礎上，創(chuàng)新集約用地新模式，合理配置國土資源；建立以ESV 評估為主的評估體系，建立全域監(jiān)測體系。

4.2 結 論（1）耕地、林地和建設用地是海口城市邊緣區(qū)主要生態(tài)用地類型；較2005 年，2020 年海口市的建設用地、林地、草地、濕地和未利用地增加，耕地和水域面積降低，原有濕地保留占比低。海口城市邊緣區(qū)深受土地政策的影響，其生態(tài)用地優(yōu)化應在滿足相關政策要求下進行。（2）較2005 年，2020 年的邊緣區(qū)總ESV 近無變化，林地ESV 是研究區(qū)ESV 的結構主體，單項水文調節(jié)ESV 最高。海口城市邊緣區(qū)ESV 變化與海南省ESV 差異明顯。（3）在空間分布上，研究區(qū)不同等級的ESV 分異界限明顯但逐漸趨于模糊，高值區(qū)破碎化問題嚴重，不同等級的ESV 轉移變化明顯。（4）優(yōu)化后研究區(qū)ESV 增加1.73%；濕地決定性地提高了ESV；土地利用程度提高。在保證建設用地面積增長的基礎上，研究實現(xiàn)了海口城市邊緣區(qū)ESV 增長，實現(xiàn)了保護與開發(fā)齊發(fā)展的目標。

本研究運用當量因子法評估了海口城市邊緣區(qū)ESV，借助灰色線性規(guī)劃模型，以ESV 最大化為目標進行生態(tài)用地優(yōu)化。研究仍存在不足，研究所采用的謝高地當量因子法適用于區(qū)域尺度的ESV 評估，不同地區(qū)需采用不同的修正系數(shù)來提高評估精度，且同一生態(tài)用地的差異難以被表現(xiàn)。盡管當量因子法不夠精確，但不影響在同一地區(qū)的不同時間評估結果對比分析[24]，亦可以反應ESV 的變化趨勢。但如何更科學、更精準和更快速地對小尺度ESV 評估應當是今后重點研究方向之一。