基于時空維度的國土空間生態服務功能評價研究

何佑勇，徐漢梁，石黃磊，虞舟魯，楊 山，洪夢佳，徐周瞬，陳 忠

（1.浙江省國土整治中心，浙江 杭州 310000；2.寧波市自然資源和規劃局，浙江 寧波 315000；3.浙江大學 環境與資源學院，浙江 杭州 310000；4.浙江數治空間規劃設計有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

生態退化是生態系統的一個逆向演替狀態，如章家恩等［1］認為生態退化是生態系統的一種逆向演替過程，是生態系統在物質、能量匹配上存在某一環節上的不協調或達到發生生態退變的臨界點，此時的生態系統處于一種不穩或失衡狀態；劉國華等［2］則認為，生態環境退化是指由于人類對自然資源過度以及不合理利用而造成的生態結構破壞、生態功能衰退、生物多樣性減少、生物生產力下降、土地生產潛力衰退及土地資源喪失等一系列生態環境惡化的現象。

湯潔等［3］以長嶺縣為例，建立了生態系統退化度評價指標體系，包括土地背景質量、生態環境現狀、經濟發展水平等15項指標，并運用RS、GIS和數據庫管理技術建立了生態系統退化度研究數據庫，采用層次分析法，開展了以鄉為單元的生態系統退化度評價；張明祥等［4］以三江平原、長江中游湖泊濕地等重點地區的濕地資源退化為例，評價了中國濕地資源的退化情況，并分析了目前濕地資源退化的主要原因；沈彥等［5］從濕地面積對調蓄能力、生物多樣性、濕地水質污染、土壤退化的影響等方面對洞庭湖濕地退化現狀進行了評價。

目前，現有研究更多關注的是對單一生態系統生態退化評價的研究，而針對區域多生態系統的研究相對缺乏，因此，本研究以寧波市陸域行政范圍為主要研究對象，基于“結構—功能—問題”的研究思路，構建以土地用地格局［6-9］、生態系統服務功能［10-14］為主要框架的研究內容，創新性地將地理學模型和生態學模型進行耦合，借助遙感監測［15-16］和土地利用現狀調查等多種途徑來提高研究的科學性和合理性，針對生態本底特征，分析遙感影像數據長時間序列植被覆蓋度變化、土地利用格局時空變化，全面分析區域用地的空間格局，了解其變化規律。在此基礎上，選取更高精度的遙感數據反演和運用InVEST模型計算，對生態系統服務功能（生境質量服務、生物多樣性服務、固碳服務、生產服務、土壤保持服務）開展分析，全面掌握寧波市生態環境近20 a生態系統演變情況，綜合評估生態系統服務功能，劃分生態系統服務下降區域，明確主要生態環境問題及特征，提出生態環境保護對策，為寧波市生態系統保護和修復夯實研究基礎，為浙江省生態文明建設與生態保護提供決策依據。

1 研究材料與方法

1.1 研究區概況

寧波市位于東海之濱，我國沿海中部，浙江省東部，長江三角洲南翼，東有舟山群島為天然屏障，北瀕杭州灣，西接紹興市的嵊州、新昌、上虞，南臨三門灣，并與臺州的三門、天臺相連。地理坐標位于120°55′~122°16′E，28°51′~30°33′N之間。全市陸域總面積9816.0 km2，其中市區面積為3730.0 km2，現轄6個區、2個縣、代管2個縣級市；海域總面積為8355.8 km2。

1.2 數據來源及處理

1.2.1 土地利用數據 本文結合從地理空間數據云平臺獲取的2000、2010、2020年遙感影像，分別基于2004年土地利用現狀數據、2009年第二次國土變更調查數據和2019年第三次國土變更調查數據，采用目視解譯的方法對地類進行校正，得到2000、2010、2020年的土地利用現狀數據。參照國家標準《土地利用現狀分類》（GB/T 21010—2017）將2000、2010、2020年寧波市土地利用現狀數據進行重分類，分為耕地、園地、林地、建設用地、水域、其他用地六類。

1.2.2 NPP數據 寧波市2000—2020年NPP數據來源于美國國家航空航天局（http://ladsweb.nascom.nasa.gov/）提供的MODIS 17A3HF數據產品，空間分辨率為500 m。

1.2.3 土壤數據 寧波市2000—2020年土壤數據來源于世界土壤數據庫（HWSD）中國土壤數據集。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用格局時空變化特征分析 以寧波市2000、2010、2020年3期土地利用現狀數據為基礎，在ArcGIS軟件的支持下利用其空間分析技術，從土地利用類型結構變化、土地利用面積轉移等方面對寧波市土地利用時空演變特征進行系統研究，探究其變化規律，分析寧波市土地利用變化的原因及變化過程。

1.3.2 生態系統服務功能 以生態系統分類結果以及遙感參量如地上生物量、植被覆蓋度等為基礎，結合地面調查數據與農業統計資料等，利用InVEST模型對寧波市生態系統的主要服務功能進行了定量評估，以明確其生態系統服務功能的時空變化特性，劃分生態系統服務強弱等級分區，為保護其生態系統的完整性及穩定性提供理論依據。主要服務功能計算方式為：

（1）生境質量服務。生境質量在空間上呈現出差異性，因此可以通過分析某一土地利用的覆蓋范圍及其對生態環境的威脅程度來計算。本文通過InVEST模型的生境質量模塊計算棲息地生態系統服務功能。

（2）生物多樣性服務。GLOBIO模型模擬人類對生物多樣性的影響，以平均物種豐度(MSA)來衡量。GLOBIO生物多樣性預測模型為：

式（1）中，MSAi是單個像素平均物種豐富度，MSALUi是土地利用現狀，MSAIi是基礎設施，MSAFi是森林質量破碎化程度。

（3）固碳服務。InVEST碳存儲模型是由4個基礎碳庫，即地上生物量碳庫、地下生物量碳庫、土壤碳庫和死亡有機物碳庫來決定。根據土地利用類型情況，分別統計了研究區內各類型的碳密度及其與地類面積相乘得到碳庫的存儲量，四大碳庫存儲量的和即為研究區的碳存儲總量。

式（2）中，Ctotal表示區域總碳存儲量，Cabove表示地上生物量的碳存儲量，Cbelow表示地下生物量中的碳存儲量，Csoil表示土壤的碳存儲量，Cdead表示死亡有機物如枯枝落葉等的碳存儲量。

（4）生產服務。以植被凈初級生產力(Net Primary Productivity，NPP)作為評估生態系統生產服務的指標，其能從整體上反映生態系統的生產能力。

（5）土壤保持服務。InVEST模型的土壤保持服務功能是將土壤保持量進行量化，該模塊中土壤保持量是由區域土壤潛在侵蝕量(RKLS)減去土壤實際侵蝕量(USLE)得到。土壤潛在侵蝕量和實際侵蝕量計算公式為：

式（3）、式（4）中，RKLS(x)、USLE(x)分別表示柵格x的土壤潛在侵蝕量和實際侵蝕量，R(x)表示柵格x的降雨侵蝕力因子，K(x)表示柵格x的土壤可侵蝕因子，LS(x)表示坡度—坡長因子，P(x)表示土壤保持措施因子。

2 結果與分析

2.1 土地利用時空變化分析

2.1.1 土地利用數量變化分析 從寧波市土地利用現狀（圖1）、土地利用類型特征（表1）來看，2000—2020年林地一直是寧波市的主要土地利用類型，分別占總面積的43.19%、42.32%、46.67%，主要分布在寧波市的西部和南部。近20 a來其面積有一定增加，從2000年的387495.08 hm2增加到2020年的418653.29 hm2，這主要是由于植樹造林、封山育林、退耕還林等措施的實施，使得林地面積持續增長。耕地主要分布在寧波市北部和中部，近20 a來其面積大幅減少，占比從2000年的26.02%下降到2020年的16.37%，面積減少了86556.12 hm2，降幅為37.08%，這主要是由于種植結構調整、國土綠化、耕地流失以及建設用地被侵占等現象的存在使得耕地面積持續減少。建設用地呈快速增加之勢，占比從2000年的13.00%增加到2020年的21.82%，面積增加了79153.71 hm2，增幅為67.87%，這主要是由于經濟發展、城市建設用地需求猛增等因素驅動。水域面積主要分布在寧波市的北部地區，少量分散于南部地區。2000—2020年寧波市水域面積持續減少，占比從2000年的9.49%下降到2020年的7.66%，這是由于城市擴張、圍海造地導致了部分水域被侵占。寧波市園地面積先減少后增加，由2000年的66360.06 hm2減少到2010年的47088.76 hm2，后又增加到2020年的67035.49 hm2，數量上整體保持穩定，但分布區域有所轉移，2000年園地主要集中在奉化區西南部、象山南部以及余慈零星分布；2020年奉化區園地面積大幅減少，其主要集中在象山南部和余姚、慈溪的北部。究其原因，奉化區近些年退園還耕、還林實施力度較大；象山縣主要由于紅美人的大量種植；余姚、慈溪兩市則因楊梅大量種植；這些舉措均使得園地面積增加。其他用地面積持續減少，面積從2000年的8128.22 hm2減少到2010年的124.98 hm2，總體來看，寧波市土地利用程度逐漸增加。

表1 寧波市土地利用類型結構

圖1 寧波市2000、2020年區域土地利用現狀

2.1.2 土地利用類型間的轉移變化 土地利用類型變化難以揭示各地類之間的相互關系，為了更具體地反映出各地類之間的轉換過程，構建了2000—2010年和2010—2020年的土地利用轉移矩陣，結果如表2、表3所示。

表2 2000—2010年間寧波市土地利用轉移矩陣 hm2

表3 2010—2020年間寧波市土地利用轉移矩陣 hm2

2000—2010年間，耕地轉換為建設用地的面積為24238.03 hm2，這客觀地反映了在城市化建設過程中，有大量的耕地被占用。園地轉換為耕地的面積為22298.44 hm2，在這一時期內，全省范圍內開展了大規模的土地整治和標準農田建設，創新性地實施折抵指標，優質的耕地后備資源通過土地整治成為了耕地。水域轉換為耕地和建設用地的面積分別為10541.25、7024.46 hm2，主要是由于圍海造地工作逐漸開展，造成了水域面積縮減。

2010—2020年間，耕地轉換為建設用地的面積為33886.07 hm2，說明建設用地擴張對耕地的占用進一步加劇。耕地轉換為園地的面積為31190.65 hm2，由于糧食經濟價值有限，較多耕地用于種植經濟作物，耕地“非糧化”程度加劇。耕地轉換為林地的面積為34369.13 hm2，因人們生態保護意識增強，退耕還林效果顯著。

2.2 生態系統服務功能評價

2.2.1 生境質量服務 生境質量是生物多樣性的重要反映，是環境提供適宜條件的能力，生境質量關系著人與自然和諧共生及人類社會的可持續發展［17］。生境質量評價結果是一個空間無量綱的得分值，即生境質量指數得分在0~1.0之間，按照低等（0.3~0.4）、較低等（0.4~0.6）、中等（0.6~0.8）、次高等（0.8~0.9）、高等（0.9~1.0）將評價結果分為5個等級。2000年生境質量低等占比為9.80%、較低等占比為24.61%、中等占比為14.38%、次高等占比為6.43%、高等占比為44.78%；2020年生境質量低等占比為8.81%、較低等占比為25.94%、中等占比為10.86%、次高等占比為12.35%、高等占比為42.04%（表4）。寧波市生境質量總體較好，中等以上占比高于60%，其中高等占比高于40%。這是因為寧波市森林覆蓋率接近50%，平原區林木綠化率達到20%以上，沿海防護林基本實現合攏。但2000—2020年，伴隨城鎮化的發展，人類對自然資源的需求與日俱增，開發建設導致高等生境質量所占比例有所下降，同時在生態文明體制改革背景下，一系列生態保護修復措施也使得中等、低等或較低等生境質量有所改善。

表4 2000—2020年寧波市生境質量占比統計

2.2.2 生物多樣性服務 對比近20 a寧波市域生物多樣性服務功能變化特征可知（圖2），部分區域2020年生物多樣性較2000年有所下降，主要變化為高值區域減少，較高值區域增加，主要因為基礎設施建設和人工干擾植被群落，導致連片的森林群落降低和森林質量部分下降，且人類活動強度增大也使得自然棲息地壓力越來越大，從而導致生物多樣性退化［18］。生物多樣性服務功能變化還體現在耕地、園地和林地面積逐步減少，城市建設用地、城市道路和農村居民點等逐漸被不透水面替代，植被覆蓋度下降嚴重，這都導致了自然環境的生態質量下降，生物多樣性減少。

圖2 寧波市2000、2020年生物多樣性服務功能空間變化特征

2.2.3 固碳服務 由圖3可知，寧波市總碳存儲量高值區相對集中在西部及西南部的山地，低值區主要分布在寧波市北部和中部沿海平原地帶。森林生態系統、灌叢生態系統、草地生態系統和濕地生態系統是具有固碳功能的主要生態系統類型。在空間分布上，總碳存儲量、固碳能力、固碳價值量也呈現出與之相契合的分布格局，集中于主要生態系統類型的分布區域。

圖3 寧波市2000、2020年總碳存儲量空間變化特征

如圖4所示，2020年寧波市的固碳能力總體上強于2000年的，從高到低依次為寧海縣、奉化區、象山縣、余姚市、鄞州區、海曙區、北侖區、慈溪市、鎮海區、江北區。相較于2000年，2020年慈溪市的固碳能力略微下降，結合土地利用變化情況分析，主要原因為翠屏山區塊有3013 hm2的林地轉變為果園用地，而灌木林地的固碳能力弱于喬木林地的。

圖4 寧波市2000—2020年各市區縣固碳能力變化情況

2.2.4 生產服務 植物生長形成的有機碳即凈初級生產力可轉換為凈生態系統生產力，增加生態系統植被覆蓋有利于有機碳的儲存，因此NPP的高、低值區也表現為固碳價值量的高、低值區。由圖5可知，寧波市生產服務能力呈現出東北沿海平原向西南山地丘陵遞增的空間分布特征。2011—2020年寧波市生產服務能力總體上高于2000—2010年的，高值區主要集中在象山港區域等森林生態系統，且城鎮周邊區域也存在一定程度的下降趨勢。

圖5 寧波市2000、2020年生產服務空間變化特征

2.2.5 土壤保持服務 由圖6可知，2000—2020年間寧波市土壤保持價值量略有增長，年均增長率為0.54%，除了寧波市北部的沿海區域有增加外，其他區域土壤保持價值量的空間格局整體不變，說明寧波市的土壤功能有一定的向好趨勢。

圖6 寧波市2000、2020年土壤保持服務空間變化特征

全市土壤保持功能區域特征明顯，總體呈南高北低的分布態勢，高值集中分布于西南部和東南部生境質量高、森林覆蓋率大的林地區域，低值集中分布于中部和沿海平原，多為水域、灘涂、耕地或城鎮建設用地區域。近20 a來，由于政府在注重發展經濟的同時也加大了生態文明建設，土壤保持功能時空變化明顯，主要表現在城鎮擴張導致的土地開發強度增大，土壤保持功能下降明顯。另外，伴隨風景名勝區和自然保護區生態修復力度的加強，森林結構去單一化，覆蓋率進一步提高，土壤保持功能有所提升。

3 討論與結論

（1）近20 a寧波市林地面積穩步提升，生態保護意識在逐漸加強，但同時為了城市建設和經濟發展，耕地面積大幅減少。2000—2020年，土地利用變化在很大程度上表現為耕地、林地、園地、建設用地間相互轉化，尤其是耕地向林地、建設用地的轉化，以及各類土地類型向建設用地的轉化，建設用地近20 a增長了67.87%。

（2）寧波市棲息地質量總體較好，近20 a寧波市生境質量中等以上占比高于60%，其中高等占比高于40%；城鎮發展在一定程度上壓縮了生物棲息地空間。2020年寧波市生物多樣性較2000年有所下降，主要由于基礎設施建設和人工干擾植被群落，導致連片的森林群落降低及森林質量部分下降，影響了生物生活環境。2020年寧波市的固碳能力和生產服務總體上強于2000年的，較高區縣為寧海縣、奉化區、象山縣、余姚市、鄞州區，說明森林質量總體上往好的方向發展，未來需持續關注森林結構優化和森林資源保護。全市土壤保持功能區域特征明顯，高值集中分布于西南部和東南部地區生境質量高、森林覆蓋率大的林地區域，低值集中分布于中部和沿海平原的水域、灘涂、耕地或城鎮建設用地區域。

（3）2000—2020年，隨著森林面積的增加，植被覆蓋指數總體呈增長趨勢，固碳能力明顯改善，水土保持略有增加。這表明近20 a特別是在生態文明體制改革后，一系列生態修復工程總體上改善了植被覆蓋度和大部分生態系統服務功能。但與此同時，伴隨經濟的快速發展和資源的低效利用，部分生態修復工程的效益被抵消，甚至導致了一些區域生態系統服務功能的下降，主要因工業發展、城市擴張和人口導入引起的部分區域生態系統棲息地質量降低，進而導致生物多樣性下降、固碳減少量大于生態修復工程引起的固碳增加量等。

（4）依據生態損害評估結果，識別生態退化重點區域，選擇適宜的生態修復手段改善生態系統質量和服務功能，未來主要考慮從增加植被覆蓋度、提高農業集約化、構建生態廊道和生物多樣性保護網絡、開展森林精準撫育，改善森林固碳能力、完善環境基礎設施，推進農業農村環境綜合整治等方面布局生態系統修復和保護工程。