花溪区土地利用/覆被变化对生态系统服务价值的影响分析

杨家芳，兰良鸿，周文龙

(1.贵州省山地资源研究所，贵州 贵阳 550001；2.贵州省山地资源研究所有限公司，贵州 贵阳 550001)

花溪区土地利用/覆被变化对生态系统服务价值的影响分析

杨家芳1，兰良鸿2，周文龙1

(1.贵州省山地资源研究所，贵州 贵阳 550001；2.贵州省山地资源研究所有限公司，贵州 贵阳 550001)

摘要：以花溪区遥感影像为数据源，通过影像解译获得了不同年份花溪区土地利用类型面积，对花溪区生态系统服务价值进行了估算。通过土地系统和生态系统二者的耦合变化关系，探讨了LUCC对生态系统服务的影响过程。研究结果表明：①花溪区14年间林地、建设用地、其他用地均增加，耕地、草地、水域均减少；②生态系统服务总价值(ESV)增长了9 253.95万元，主要原因是生态服务价值较高的林地面积的增加；③土地利用/覆盖变化(LUCC)对生态系统服务影响具有差异性；④花溪区生态服务废物处理项目和食物生产项目的ESV总体减少，主要原因是水域及耕地面积的减少，其中水域是具有废物处理生态服务价值最高的土地类型，耕地是具有食物生产生态服务价值最高的土地类型；⑤敏感性分析表明花溪区内的ESV对VC是缺乏弹性的，林地敏感性系数最大。

关键词：土地利用/覆被变化；生态系统服务价值；花溪区

收稿日期：2015-08-17

基金项目：国家自然科学基金(编号：41261038)资助

作者简介：杨家芳(1987—)，女，贵州惠水人，布依族，研究实习员，主要从事土地利用数据分析与土地利用信息系统研究。

通讯作者：周文龙(1984—)，男，湖北鄂州人，助理研究员，主要从事遥感与生态治理等方面的研究。

中图分类号：X171

文献标识码：A

文章编号：：1674-9944(2015)10-0008-05

1引言

土地利用/覆盖变化(Land use and land cover change，简称LUCC)是全球环境研究的热点和前沿问题，是人与自然交叉最为密切的环节。LUCC对大气化学性质及过程、土壤、生态多样性、人口承载力等产生重要的影响，能够引起许多生态过程和自然现象的变化，对维持生态系统服务功能起着决定性的作用[1]。生态系统服务功能又称生态系统服务(Ecosystem Services)，包括自然生态系统，也包括人类改造的生态系统[2]。生态系统服务功能是指生态系统与生态过程所形成及所维持的人类赖以生存的自然环境的条件与效用[3]。对于生态系统服务功能，国内外有许多不同的分类体系。Costanza等将全球生物圈分为16大类，26小类，将生态系统服务功能划分为17种功能，并以此对全球生态系统的服务价值进行估算[2，3]。在Costanza的研究中存在对耕地的估算过高，湿地的估算过低等情况，基于上述原因，谢高地等学者结合我国土壤类型、地形特点，对Constanza的生态系统单价进行了修正得出的《我国不同生态系统单位面积生态服务价值表》(表1)[4，5]。

我国是世界上脆弱生态类型最多、生态脆弱区分布面积最大、生态脆弱性表现最明显的国家之一。我国生态脆弱区主要分布在西南山区、青藏高原等地区[7，8]。本文研究区域花溪区位于我国西南山区，是喀斯特石灰岩岩溶山地区域，该区域生态环境脆弱性表现为全年降水量大，融水侵蚀严重，而且岩溶山地土层薄，成土过程缓慢，所以该区域生态环境一旦遭到破坏而形成大面积的岩石裸地，将很难再进行恢复。综上可见，对花溪区LUCC动态度和生态价值评估意义重大。本文采用土地利用动态度分析花溪区的LUCC，通过土地系统和生态系统二者的耦合变化关系探讨LUCC对生态系统服务的影响过程。根据《我国不同生态系统单位面积生态服务价值表》[4]，对花溪区生态系统服务价值进行估算。本研究可以为花溪区相关部门开展生态环境保护工作提供决策支持，对确保花溪区持续为贵阳市提供安全水源供应及喀斯特地貌的土地源可持续利用发展具有一定的意义。

2基础数据来源与研究方法简介

2.1　研究区概况

花溪区位于黔中腹地，距贵阳市市中心17 km。全区地貌以山地和丘陵为主，地处东经106°27′～106°52′，北纬26°11′～26°34′。区域土地总面积976.84 km2。森林覆盖率达到41.53%。花溪区年均气温14.9℃。平均年降雨量1 100～1 200 mm。花溪区处于长江、珠江分水岭和南明河上游，有大小河流55条、总长390 km。拥有松柏山水库、花溪水库两座中型水库，总库容达7 140万m3。

2.2　基础数据来源

本文以遥感数据为主要来源，遥感数据包括1993年11月的TM影像(分别率30 m)，2001年4月(分辨率30 m)、2007年6月的是中巴资源卫星影像(分辨率19.5 m)。在进行几何纠正，大气校正，配准和图像增强，研究区域剪切等处理后，采用机助目视判读的方法，提取出土地利用/覆被信息。以《贵阳市花溪区统计年鉴》为参考，校对提取出的土地利用数据。根据花溪区影像解译情况，参照国家土地利用分类系统，将花溪区的土地利用类型划分为耕地、草地、林地、建设用地、水域、其他用地六种类型[9]。

2.3　土地利用/覆被变化动态表达

土地利用动态变化包括土地利用类型的数量、质量、组合方式随时间的变化等[10]。土地利用动态度定量地描述了土地利用的变化速度，即研究区一定时间范围内某种土地利用类型的数量的变化情况。计算公式[10]为：

(1)

式(1)中：K为某土地利用类型的年变化率；T为研究时段，单位为年；Ua、Ub分别为研究初期、末期某一种土地利用类型的面积。

为了反映各类土地变化对区域土地利用变化影响的大小，采用研究区各类土地变化值占所有土地利用类型变化总绝对值的比例进行分析, 计算公式[10]为:

(2)

式(2)中：KiT为研究区在T时段内，第i类土地类型的面积变化值占所有土地利用类型面积变化绝对值之和的比例；n为土地利用类型数量；i为某土地利用类型(i=1,2,…,n)；△UiT为某类土地在T时段内的面化量。

2.4　生态系统服务功能价值评估方法

根据花溪区的实际情况，将花溪区的生态系统的服务功能分为气候调节、气体调节、土壤形成与保护、水源涵养、废物处理、食物生产、生物多样性保护、原材料、娱乐休闲9项[4]。

生态系统服务价值的计算公式[7，8]为:

ESV=∑VCk×Ak

(3)

ESVf=∑VCfk×Ak

(4)

式(3)、(4)中：ESV为生态系统服务总价值(元)，ESVf为生态系统单项服务总价值(元)，VCk为生态价值系数(元/hm2·a)，VCfk为单项服务功能价值系数(元/hm2·a)；Ak则为研究区域内K种土地利用类型的分布面积(hm2)。

2.5　敏感性分析方法

敏感性指数(coefficient of sensitivity，简称CS)是指生态价值系数(VC)变动1%引起ESV的变化情况[10，11]。如果CS<1，说明ESV对VC缺乏弹性，反之CS>1，则说明ESV对VC是富有弹性的。计算公式[5]如下：

(5)

式(5)中：i表示调整前生态服务价值系数，j表示调整后生态服务价值系数。

3结果分析

3.1　土地利用/覆盖变化

本文以2001年为界，将研究区分为两个时期，即前一时期(1993～2001年)和后一时期(2001～2007年)。由表2及表3可以看出：在研究区间内花溪区各类土地利用面积随时间推移呈不同程度的增减变化，耕地、草地、水域总体上有所减少，林地、建设用地、未利用地总体上有所增加。14年间各类土地利用类型变化情况具体如下：耕地持续减少了9.978×103hm2，后一时期的土地利用减少速率较前一时期土地利用的减少速度缓慢，K为-1.43%，KiT为-43.11%。林地呈持续增长了8.944×103hm2，K为1.74%，KiT为38.64%，三个研究时间点中林地面积占土地总面积比例均居35%以上。据国内外有关资料[11，12]，要使岩溶山区的生态环境处于良好循环，森林覆盖率至少要达30%。由此可见，三个研究时间点中，花溪区生态系统处于良好循环状态。草地则呈先增加后减少趋势，减少了1.327×103hm2，前一时期草地土地利用的增加速度为2.33%，后一时期减少速率为3.65%，K为-1.14%，KiT为-5.73%。水域续减少了2.66×102hm2，后一时期土地利用减少速率较前一时期缓慢，K为-1.67%，KiT为-1.15%。建设用地持续增加了2.518×103hm2，动态度最大，为10.99 %，KiT为10.88%。

除此之外，花溪区在前一时期中耕地面积的减少，林地、草地面积的增加，与国家1998年颁布的实施“天然林保护工程”和“退耕还林还草”政策实施有关。

表2　花溪区各土地利用类型面积及结构变化

3.2　花溪区土地利用转移矩阵

本文利用ArcGIS软件中的空间叠加分析(Spacial Overlap Analysis)功能，对土地利用类型结构和演化规律做进一步分析，得出1993～2007年间花溪区土地利用类型转移矩阵(表4)。

表3　花溪区各土地利用类型动态度　%

表4　1993～2007年间花溪区土地利用类型转移矩阵　km2

表4可以得出：从1993～2007年，花溪区土地利用类型之间的相互转化主要是：耕地、林地、草地和建设用地。耕地主要转换为林地、草地和建设用地，其中耕地38.56%转换为了林地，4.83%转换成了草地，4.57%转换成了建设用地；林地主要转换为耕地、草地和建设用地，其中林地26.11%转换成了耕地，9.79%转换成了草地，1.77%转换成了建设用地；上述分析得出：建设用地主要来源于耕地。

3.3　土地利用/覆被变化的空间体现

从图1：1993年花溪区土地利用现状图、图2：2001年花溪区土地利用现状图、图3：2007年花溪区土地利用现状图中分别可以直观地看出各土地利用类型的空间分布状态。与此同时，对图1、图2、图3各地类土地利用/覆盖状况作对比分析，大体上可以直观看出：花溪区西北、西南面林地有所增加，中部花溪乡建设用地有所增加等。

表5　花溪区生态系统服务总价值及其价值构成变化

3.4　生态系统服务总价值变化

根据生态系统服务价值的计算公式(3)和表2研究区三个阶段各土地利用类型的面积，计算土地生态系统服务总价值(表4)。从价值构成来看，林地的生态价值最高，呈持续增长的状态，比重一直处于60%以上。其次是耕地的生态价值，呈持续减少状态，比重一直处于20%以上。三个阶段中，林地和耕地的生态价值之和均占总价值比例的90%以上。综上得出：林地和耕地是该区域生态系统服务价值的主体。此外，从表4可以看出：1993年ESV为111 320.44万元，2001年ESV为113 615.80万元，2007年为120 574.39万元，14年间ESV增长了9 253.95万元，主要是因为生态服务价值较高的林地面积的增加所致。

3.5　区域生态系统单项服务功能价值变化

从表6可知，生态服务项目中除了废物处理和食物生产ESV总体上有所减少外，其他的ESV都有所增加。废物处理ESV总体上有所减少的原因是具有废物处理生态服务价值最高的水域面积总体上有所减少。食物生产ESV的减少主要原因是具有食物生产生态服务价值最高的耕地面积的减少。从生态服务项目所占生态服务价值比重看出：土壤形成与保护所占比重居首位占18%以上，其次是水源涵养占14%以上。

表6　花溪区单项服务功能生态系统服务价值变化

3.6　敏感性分析

本文借用敏感性指数是为了验证生态价值系数的准确性及花溪区ESV随时间变化对VC变化的依赖程度。为了计算方便，本文将土地利用类型的生态价值系数VC分别上下调整50%，并结合公式(5)分析某类土地利用类型生态价值系数VC的变化对整体生态系统服务价值变化的重要程度，从而来分析ESV对VC的敏感程度。计算出各类土地的生态价值敏感指数见表7。计算结果表明：研究区内的ESV对VC的敏感性系数小于1，说明ESV对VC是缺乏弹性的，研究结果可信。敏感性系数从大到小依次为林地、耕地、草地、水域，最大值为 0.64～0.73。

表7　各土地类型的生态价值敏感指数

4结论

(1)花溪区14年间林地、建设用地、其他用地均增加，耕地、草地、水域均减少，LUCC的变化引起生态服务总价值(ESV)增长了9253.95万元，主要是因为生态服务价值较低的土地利用类型转向了生态服务价值较高的林地。

(2)花溪区生态服务废物处理项目和食物生产项目的ESV总体减少，主要原因是水域及耕地面积的减少，其中水域是具有废物处理生态服务价值最高的土地类型，耕地是具有食物生产生态服务价值最高的土地类型。

(3)敏感性分析说明研究区内的ESV对VC缺乏弹性。

综上研究结果得出，花溪区LUCC的变化虽然引起总生态价值(ESV)增长，与此同时也导致耕地、草地及水域面积的减少。花溪区是国家级生态示范区, 也是贵阳市重要的水源保护区。针对水域面积减少的情况，花溪区相关部门应实施相应措施加强水域的保护，以确保花溪区持续为贵阳市提供安全水源供应及喀斯特地貌的土地资源可持续利用发展。

本研究也存在以下两点不足，需要进一步完善：

(1)本文未对建设用地生态系统服务价值作估算，原因是目前还没有更科学更准确的方法来评价建设用地生态服务价值，故本文花溪区生态系统服务价值的存在一定的误差。

(2)本文根据《我国不同生态系统单位面积生态服务价值表》[4]对花溪区生态系统服务价值进行评估，对生态系统空间差异性等因素考虑不够，不能完全客观地反映特定区域的生态服务价值，有待开展进一步深入的研究。

参考文献：

[1]樊宏,张建平.岷江上游半干旱河谷土地利用/土地覆盖研究[J].中国沙漠,2002,22(3)：273～278.

[2]李文华.生态系统服务功能价值评估的理论、方法与应用[M].北京：中国人民大学出版社,2008.

[3]Costanza R, D’Arge R, De Groot R,et a1. The Value of the World’s Ecosystem Services and Natural Capital[J].Nature,1997,38(7)：253～260.

[4]谢高地,鲁春霞,冷允法,等.青藏高原生态资产的价值评估[J].自然资源学报,2003,18(2):180～196.

[5]喻建华,高中贵,张露,等.昆山市生态系统服务价值变化研究[J].长江流域资源与环境,2005,14(2):213～217.

[6]孙东琪,张京祥,朱传耿,等.在中国生态环境质量变化态势及其空间分异分析[J].地理学报,2012，62(12):1 599～1 610.

[7]环境保护部.全国生态脆弱区保护规划纲要 环发[2008]92号[R]北京：环境保护部，2008.

[8]覃小群，蒋忠诚．广西岩溶县的生态环境脆弱性评价[J].地球与环境，2005，33(2)：45～51．

[9]朱会义,李秀彬.关于区域土地利用变化指数模型方法的讨论[J].地理学报,2003,58(5)：643～650.

[10]王亚娟,刘小鹏,赵大磊.基于生态系统服务价值的固原市市辖区土地利用规划环境影响评价[J].水土保持研究,2010,17(3).

[11]罗俊,王克林,陈洪松.喀斯特地区土地利用变化的生态服务功能价值响应[J].水土保持通报,2008,28(1)：19～24.

[12]广西壮族自治区地方志编纂委员会.广西通志.岩溶志[M].桂林：广西人民出版社，2000