基于GIS的龙子湖东公园生态系统服务时空变化研究*

2020-03-08 08:09朱家明
关键词:土地利用林地公园

杨 鑫,朱家明

(安徽财经大学)

0 引言

生态系统服务(Ecological Services)是指生态系统所形成并对人类发挥作用的所有产品和服务[1-3],在建立绿色国民经济核算体系过程中产生着重要作用[4].绿色发展是构建现代化经济体系的必然要求,是解决污染问题的根本之策.由于土地利用规划对生态系统服务的影响具有长期性、综合性和复杂性,因此,需要对土地利用造成的生态系统服务价值变化进行科学研究,并把生态系统服务价值纳入土地利用的决策之中,以促进城市土地资源的持续、协调利用.

生态系统服务功能的形成是动态变化过程,与生态结构和生态功能密切相关[5],因此生态系统服务价值的变化也是伴随着时空的动态变化[6].潘韬等运用In VEST模型对三江源地区生态系统水源供给服务进行了时空变化研究[7];刘桂林等结合遥感技术对长三角1980~2010年的生态系统服务价值进行时空动态分析[8];张明阳等利用3S技术对喀斯特生态服务功能进行定量研究揭示其时空变化特点[9].该文结合谢高地等提出的当量因子生态系统服务价值法[10],结合GIS(Geographic Information System)与实际调研进行遥感解译,揭示了龙子湖东公园2010~2020年的土地利用时空动态对生态系统服务价值的影响.

1 研究区概况

龙子湖东公园位于安徽省蚌埠市东郊,占地73万m2,于2015年底建设完成,总投资5.4亿元,分为门户观光区、湖滨体验区和林鸟游憩区等三个功能区.蚌埠市地处淮河中游,为安徽省重要工业城市和重要交通枢纽,它位于秦岭——淮河气候分界线上,四季分明.龙子湖东公园为蚌埠市重要生态修复项目,于2017年获住房和城乡建设部颁发的中国人居环境奖.该研究选用生态修复项目为研究目标,直观展现维护良好生态环境对城市生态系统服务的作用.

2 数据源与处理

该研究遥感数据来源于图新地球及谷歌地球历史数据,运用ArcGIS Desktop 10.7软件对遥感进行解译,获得2010、2012、2015、2017和2019年共5期土地利用分类数据.同时根据中国国家标准化管理委员会发布的土地利用现状分类(GB/T 21010-2017)[11]进行并结合对研究区实地调研情况,采用监督分类法将土地利用类型划分为有林地、草地、耕地、水域、建设用地和未利用地6类见表1.

表1 龙子湖东公园土地利用类型

3 研究方法

3.1 土地利用类型动态度

运用土地利用类型动态度计算出土地利用类型变化的程度[12],其公式为:

(1)

其中,Vi表示i类土地利用类型的动态度;Sia表示研究起始点i类土地利用类型的面积;Sib研究终止点i类土地利用类型的面积;T为研究时长,即b-a.

土地利用类型动态度表示的是土地利用类型在一段时间内的变化程度,当Vi>0时,表示该时间段内研究区域该土地利用类型面积呈增加趋势;当Vi<0时,表示该时间段内研究区域该土地利用类型面积呈减少趋势,特殊的当Sia=0时,Vi值不存在,Vi不存在需分情况分析,当Sib≠0时,表示该研究区内,该段时间增加了一种土地利用类型;当Sib=0时,表示该研究区内,该段时间该土地利用类型未发生改变,始终为0.

3.2 基于社会经济因子调整的生态系统服务价值模型

谢高地等结合Costanza等提出了一种适用于计量中国生态系统服务的方法,运用当量因子法对生态系统服务进行评估,但由于谢高地研究基于全国平均水平,并不完全适合于对特定地区的研究[10,13].由于生态系统服务价值不仅受自身土地类型的影响,还和当地经济水平有关,对特定地区生态系统服务价值评估取决于人们对生态系统服务功能的认知,人们对其认知的不同会对支付能力与支付意愿产生较大影响[14].为使研究更具有针对性与推广性,该研究构建基于社会经济因子调整的生态系统服务价值模型,其模型为:

(2)

式中,ESV为该区域内生态系统服务总值;k为年份;n为研究区域内土地利用类型总数;m为该研究区域该类型所具有的生态系统服务功能总数;Ek为第k年该研究区域单位面积农田生态系统所能提供的食物生产服务所具有的经济价值的七分之一;指标Sik为第k年研究区域内第i类土地利用类型的面积;Tk为第k年社会经济因子系数;Dij表示第i类用地第j个生态系统服务功能所具有的当量因子.

3.3 龙子湖东公园土地利用类型基础当量分析

结合龙子湖东公园实际情况,可将其生态系统服务功能划分为物质生产、大气调节、气侯调节、环境净化、水资源涵养、土壤形成与侵蚀控制、生物多样性保护和景观多样性共8种功能[15],并将谢高地等提出的当量因子表进行汇总,得出龙子湖东公园土地利用类型基础当量表(见表2).

表2 龙子湖东公园土地利用类型基础当量分析

4 结果分析

4.1 龙子湖东公园土地利用类型时空变化

基于遥感图像进行解译,可以得到龙子湖东公园土地利用类型时空变化过程.从2010~2019年总体变化可分为两个阶段,2010~2015年为龙子湖东公园改造期(如图1所示),2015~2019年为龙子湖东公园建设提升期(如图2所示)示.龙子湖东公园改造过程,总体上可以归纳为将原有沿湖居民区改造为城市公园,其趋势为:耕地与建设用地减少,然后将草地作为过度,最终向林地改造的过程.

图1 2010~2015年龙子湖东公园土地利用类型对比图

图2 2017、2019年龙子湖东公园土地利用类型对比图

运用土地利用类型动态度计算出土地利用类型变化的程度,结果见表3.将其结果绘制龙子湖东公园土地利用类型百分比堆积柱状图(如图3所示),可知林地始终在龙子湖东公园土地利用类型中保持较高比例.

图3 龙子湖东公园土地利用类型百分比堆积柱状图

从表3龙子湖东公园的土地利用动态度可以看出2010~2012年建筑用地与未利用地呈增加趋势,其余用地均呈减少趋势,其中未利用地变化最大,动态度达199.13%,其次为水域动态度为-50.00%,建筑用地动态度小幅增加,耕地动态度变化较小为-2.28%.可以看出2010~2015年为龙子湖东公园建设开始时期,对林地进行改造,使其符合城市公园的功能,并逐步将不规则的水域进行改造.

表3 龙子湖东公园的土地利用动态度

2012~2015年,未利用地仍保持大幅增加趋势,同时耕地与建筑用地均呈现下降,其中未利用地变化度最高为147.47%,其次耕地与建筑用地分别以-33.33%和-22.73%的变化度,呈现较快变化趋势,林地变化度最小,仅为-0.80%.由变化度分析,2012~2015年为龙子湖东公园基础建设收尾期,此时已形成城市公园基本样貌,通过将沿岸居住区迁移,同时对林地进行园林规划,此时龙子湖东公园改造基本结束.

2015~2017年,建筑用地、林地与未利用地均呈增加趋势,但草地大幅减少.草地动态度最大为-42.31%,其次林地以25.07%的变化度次之,未利用地与建筑用地动态度保持较高动态度分别为7.63%和3.71%.此阶段,龙子湖东公园通过减少草地增加林地,并对公园景观设施进行规划,增加建筑用地面积.

2017~2019年,草地与林地均呈现增加趋势,未利用地与建筑用地呈下降趋势.其中草地动态度最大为14.94%,其次以未利用地-8.95%的动态度,建筑用地以-6.97%的自由度略低于未利用地的自由度,林地由于基数较大,所以动态度仅为1.66%.到达2019年龙子湖东公园基本建设完毕,以林地为主体的城市公园.

4.2 龙子湖东公园生态系统服务价值的时空变化

4.2.1 单位面积农田生态系统食物生产服务价值

该研究区域为安徽省蚌埠市,蚌埠市主要粮食作物为稻谷、小麦、玉米和大豆.以主要粮食作物产量乘以其所对应的市场价,即可算得单位面积农田生态系统食物生产功能价值,从而得到一个生态系统服务当量所对应的价值.为避免由不同时间价格指数变动从而导致价格水平不统一,所以该研究运用粮食总产值可比价除以当年粮食种植面积即可得到该年单位面积农田生态系统食物生产功能价值.

同时,根据谢高地等的研究为单位面积农田生态系统所能提供的食物生产服务所具有的经济价值的七分之一,即如式(3)所示:

(3)

式中,Ek表示第k年一个生态系统服务当量所对应的价值;n表示农作物的种类数,该研究取n=4;Mi展开表示第i种农作物所对应的产量;Pi第i种农作物所对应价格;Si表示第i种农作物的种植面积.

运用公式(3)计算得到蚌埠市2010~2019年一个标准当量所对应经济价值,见表4.

表4 蚌埠市2010~2019年一个标准当量所对应经济价值

4.2.2 社会经济因子计算

由于谢高地等研究为基于全国水平的研究,该研究所选取的龙子湖东公园具有面积较小、经济水平与全国平均水平有差异等,所以应根据研究区域进行修正.该文运用经济因子对生态系统服务价值进行修正,因为在城市建设中受环境因素等导致计算差异较小,所以进行经济因素修正即可.社会经济因子可计算为(4)式:

Tk=Wk×Ck

(4)

其中,Tk表示第k年的社会经济因子,Wk表示第k年的支付意愿修正因子,Ck表示第k年的支付能力修正因子.

(1)支付意愿系数修正

生态系统服务的需求随着社会发展不断增加,当社会处于低发展水平时,对生态系统服务的需求较低;而当社会处于高发展水平时,对生态系统服务的需求变高.当社会达到最高发展水平时,这种需求趋于饱和水平.一些学者运用社会发展阶段系数来解决支付意愿变动带来的生态系统服务价值变化[16-17],计算方法如式(5)[18]:

ECk=ECuk×c+ECvk×CRk

(5)

其中,l为社会发展阶段系数,L为最高发展水平时的支付意愿(通常取为1);ECk为研究区域的第k年的总的恩格尔系数;ECuk为研究区域的第k年城镇居民家庭恩格尔系数;ECvk为研究区域的第k年农村居民家庭恩格尔系数;URk为第k年末城镇人口占常住人口比;CRk为第k年末乡村人口占常住人口比.

由于各地薪酬与物价水平存在差异,仅通过恩格尔系数进行支付意愿系数修正存在差异[19].为更好的对当量因子进行修正,该研究引入城镇化率来改进社会发展阶段系数,计算方法如(6)式:

(6)

其中,P支付意愿系数;Ur为研究区域的城镇化率;Un为全国城镇化率,计算结果见表5.

表5 2010~2019年全国与蚌埠社会发展阶段系数

将同年的社会发展阶段系数,研究区域与全国对比即得到第k年的支付意愿因子如式(7):

(7)

其中,Wk表示第k年的支付意愿修正因子;Prk表示第k年研究区域的平均支付意愿因子;Pnk表示第k年全国的平均支付意愿因子,计算结果见表6.

表6 2010~2019年龙子湖东公园支付意愿修正因子

(2)支付能力系数修正

对生态系统服务价值进行评估不仅要考虑支付意愿,而且要对研究区域的支付能力进行考察,支付能力是对支付意愿的补充,只有既有支付意愿并于支付能力才能价值的表现.该研究以人均国内生产总值(Real GDP per capita)作为调整因子测算,计算公式如式(8):

(8)

其中,Ck表示第k年的支付能力修正因子;pgdpk表示研究区域第k年的人均国内生产总值;pGDPk表示全国第k年的人均国内生产总值.根据公式(8)进行计算,得到数值见表7.

表7 2010~2019年龙子湖东公园支付能力修正因子

4.2.3 龙子湖东公园单位面积生态系统服务功能价值

基于上述模型,分别求得龙子湖东公园2010、2012、2015、2017和2019年共4年的单位面积生态系统服务功能价值,将所求值代入各年及其所对应的土地利用类型面积即求得该年该土地利用类型的生态系统服务价值.

可以求得龙子湖东公园2010~2019年生态系统服务价值及总值变化见表8,从中可以看出2010~2019年龙子湖东公园生态系统服务总价值呈现上涨趋势,从2010年的952351.67元,增加到2019年的1625497.63元,增加了70.68%.2010~2012年,龙子湖东公园生态系统服务总价值增加了235304.65元,约升高24.71%;2012~2015年,龙子湖东公园生态系统服务总价值增加约76.34%,增加906623.93元;2015~2017年,龙子湖东公园生态系统服务总价值下降约22.17%;2017~2019年,变化较小下降约0.27%.

表8 龙子湖东公园2010~2019年生态系统服务价值及总值变化

其中,2010~2012年,林地生态服务价值变化最多,增加约245357.74元;在2012~2015年林地生态服务价值仍保持增加趋势,增长约41.57%;而且在2015~2017年,林地生态服务价值增长约4.84%,使龙子湖东公园林地生态服务总价值达到1561789.40元,其后一直略微下降,总体呈现持续上升趋势.未利用地生态服务价值与其类似,2010~2012年,未利用地生态服务价值以近6倍的速度增加;2012~2015年增长速度超过2010~2012年,达到686.73%;2015~2017年和2017~2019年分别下降19.51%和21.51%,但总体趋势仍为上升.草地生态服务价值波动性较强,2015年前龙子湖东公园无草地生态利用类型,2012~2015年间由于草地生态服务的加入,使生态服务价值直接增加599953.06元;而2015~2017年,草地生态服务价值下降约89.26%;但2017~2019年,草地生态服务价值又上涨约24.15%.耕地与水域这两种土地利用类型,被其他生态系统取代.

4.2.4 单项生态系统服务总价值变化

就单项生态服务而言,2010~2019年所有生态系统服务功能均呈增加趋势,见表9,其中生态系统服务功能中生物多样性保护价值增加最多,提高约92.45%.

表9 2010~2019年龙子湖东公园生态系统服务价值结构变化

将生态系统服务功能价值,用三维曲面图表示如图4所示,可以直观看出单项生态系统服务功能价值中,龙子湖东公园气侯调节功能价值与2015年为最高值,并且气侯调节功能价值在龙子湖东公园所有生态系统服务功能价值占比最大.各项生态系统服务功能价值,均在2015年达到最高点.

图4 2010~2019年龙子湖东公园生态系统服务价值结构三维曲面图

从生态系统服务价值结构上分析,气侯调节、水资源涵养与土壤形成与侵蚀控制是龙子湖东公园生态系统服务中的重要组成部分.2010~2015年,该生态系统服务功能均占比超过该时期的10%,并且三者之和占比超过50%.龙子湖东公园的改造不断增加林地面积占比,林地相对于建筑用地对生态环境调节起着更好的作用,由林地不断增加对大气调节、气侯调节水资源涵养、土壤形成与侵蚀控制和生物多样性保护均起着正向作用.

5 结论与展望

5.1 结论

该研究以2010、2012、2015、2017和2019年共5期的高分遥感数据,对龙子湖东公园改造过程中的土地利用类型的时空特征进行分析;然后基于国内外多位学者的研究,结合龙子湖东公园的特点对传统模型进行改进,得出适用于龙子湖东公园的生态系统服务价值评估模型.

(1)土地利用类型时空变化

龙子湖东公园土地利用类型变化,从2010~2019年土地利用类型由以林地、建设用地和耕地为主,转化为以林地为最主要部分未利用地与草地为次要的土地利用结构.2010~2012年,通过将少量林地改造为建筑用地;2012~2015年期间以耕地向草地,建筑用地向未利用地转变为主;2015年后不断增加林地占比.

(2)生态系统服务价值变化

从2010~2019年,十年间龙子湖东公园生态系统服务总值,呈上升趋势;各项生态系统服务功能价值也均呈上升趋势.龙子湖东公园生态系统服务总值从2010年的952351.67元,增加到2019年的1625497.63元,增加了70.68%,实现了生态系统服务价值的增长.土地利用分类中,以林地生态系统服务价值增长735666.81元为最多;单项生态系统服务功能价值以气侯调节作用带来的总值变化最多达224340元,生物多样性保护增长速度最快.各项价值的增长,体现了人们对生态环境重视程度的不断加深,以及城市管理者们在城市规划中开始注重环境保护的重要性.龙子湖东公园作为蚌埠市重要的生态修复项目,充分证明了蚌埠政府决策的正确性.

5.2 展望

(1)该研究运用遥感数据,基于GIS理论对土地利用的生态系统服务进行评价,并综合谢高地和Costanza等的理论研究,结合城市发展中土地利用面积较小的特点,运用社会经济因子调整的生态系统服务价值模型,降低由小面积带来的误差,具有更好推广性.在当前,城市土地利用类型不断改变的过程中,城市规划者需要考虑生态系统变化带来的价值变化.

(2)由于土地利用类型所对应的生态系统服务以及提供的服务可能有差别,所有在生态系统服务评估过程中,应注重实地考察的重要性.并且由于不同价值评估方法往往会存在差距,所以在价值评估过程中应注重多种方法的综合与对比,使结果更加全面准确.

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