基于LUCC的旅游型海岛生态系统服务价值评估——以大长山岛为例

王 辉，彭 霞

(辽宁师范大学 地理科学学院，辽宁 大连 116029)

一、海岛生态系统服务价值概况

海岛是海洋中四周被海水包围的陆地，具有地域构成相对简单、环境容量有限、稳定性差等特点，是典型的生态环境脆弱区[1]，作为一个相对独立完整的地域单元，在海岛生物与自然环境的互相作用下形成了独特的海岛生态系统。土地利用是人类对大自然最直接的实践活动，对维持生态系统服务功能有着重要作用[2]。旅游型海岛在发展过程中，旅游开发建设等人类活动会改变土地利用结构和地表覆被，从而造成生态系统结构和功能的变化[3-5]。生态系统可以直接或间接为人类提供生存发展的环境空间和物质基础，包括供给服务、调节服务、文化服务及支持服务[6]。因此，了解土地利用/覆被变化(Land use cover change, LUCC)及其导致的生态系统服务价值(Ecosystem services value, ESV)变化是旅游型海岛开展生态保护和管理的重要前提和依据。

作为重要的生态系统，海岛的土地利用/覆被变化和生态系统服务价值一直都是学者们关注的重点。赵江等、邵小云等基于遥感影像分析了金塘岛[7]、册子岛[8]、普陀区海岛[9]的土地利用变化，发现这些海岛在城镇化、工业化背景下，土地利用结构变化明显。其中普陀区部分旅游型海岛建设用地指标提前突破，土地资源供需矛盾突出，是生态系统服务价值下降的主要原因。无论是陆地生态系统还是海岛生态系统，ESV都是衡量其生态系统变化的重要指标。Costanza[10]、Daily等提出的价值量计算[6]、谢高地等基于Costanza的当量表建立的符合中国国情的生态系统单位面积生态服务价值计算[11-12]，均是当前最受欢迎的ESV计算方法。生态系统服务价值的研究多用功能价值法[13-15]、能值法[16-19]、当量因子法进行评估；其中，当量因子法往往需结合土地利用变化[20-22]，适合研究小尺度区域。

大连市长海县是中国北方海岛休闲度假中心，旅游资源丰富，近年来开发强度大，导致海岛生态系统发生较大变化。本文以大长山岛为研究区，基于Landsat遥感影像，解译土地利用分类，在分析LUCC的基础上采用当量因子法评估海岛生态系统服务价值。旨在探究旅游业兴起发展背景下海岛地区的生态系统服务价值变化，以期为海岛土地资源利用和生态可持续发展提供一定的借鉴。

二、研究区概况

本文研究对象为大长山岛，隶属于辽宁大连市长海县。该岛位于辽东半岛东南，长山群岛中心，陆地面积3179 hm2，海岸线长94.4 km，海域面积65150 hm2，是长山群岛中面积较大、经济较发达的海岛。海岛因形状狭长、岛上群山绵延而被称为大长山岛。海岛年平均气温10 ℃，属暖温带半湿润性季风气候，季节特征明显，是典型的北方岛屿。海岛拥有良好的旅游资源，现已开发了两个初具规模的海滨休闲度假区，是中国北方海岛休闲度假中心，每年的5-10月是海岛的旅游旺季。2009年，长山群岛被列为辽宁沿海经济带重点发展区域，部分区域开始正式开放；2010年，成立长山群岛旅游避暑度假区(海洋生态经济区)[23]；2019年，大长山岛年游客总量达到了七十五万人次，旅游收入达到了九亿元，占到所属县旅游收入的五成以上，这标志着旅游业已然是大长山岛支柱产业。

三、数据来源和研究方法

1.数据来源和处理

本研究从地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)获取2003、2008、2013、2018四年的Landsat影像，影像时间选择5-10月，云量控制在5%以下，可以使影像数据更准确。在ENVI平台解译遥感数据，得到的总体分类精度都在90%以上，满足研究的要求[24]。根据调研了解的研究区土地实况和研究目的，参考中科院资源环境数据云平台的土地分类系统，将研究区土地利用类型划分为耕地、林地、草地、建设用地、水域(包括河流、水库水面、湖泊及滩涂)和未利用地6类，借助ArcGIS软件提取土地利用数据。粮食产量数据来源于相应年份的《中国统计年鉴》和长海统计公报。

2.土地利用变化特征分析

建立2003-2008年、2008-2013年、2013-2018年三个时间段的土地利用转移矩阵，并计算三个时间段内的单一土地利用动态度。单一土地利用动态度(K)反映了某地类在一定时间范围内的数量变化速度和变化幅度[25]。其计算公式如下：

(1)

式中：Si、Sj分别为研究期始、末某土地利用类型的面积(hm2)；T为研究时段。

土地利用转移矩阵以矩阵的形式列出土地利用类型转移面积，直观反映研究期内各类土地的转入来源、转出去向及转移前后的结构特征[26]。其表达式为：

(2)

式中：S为土地利用面积；i、j分别为研究初和研究末的土地利用类型；m为土地利用的类型数。

3.土地利用程度分析

采用土地利用程度综合指数来衡量人类对土地开发利用的广度和深度，借鉴有关学者的研究结果[27]，将土地利用程度划分成4级，分级情况如表1所示。通过计算对其进行定量化表达，可以直观体现土地资源的开发利用状况。计算公式为：

表1 土地利用程度分级赋值表

(3)

其中：La为土地利用程度综合指数；Bi为第i级的土地利用程度分级指数；Ci为第i级土地利用程度分级面积百分比。

4.生态系统服务价值评估

海岛与大陆环境不同，农产品产量也存在差异，因此需要对价值当量进行修正。本研究采用大长山岛所在长海县粮食产量与全国粮食产量的比值作为修订系数。借鉴谢高地等的研究成果[28]，确定1个生态系统价值当量的经济价值是3406.50元[12]。根据对应时期长海县粮食单产量(1140.05 kg/hm2)与全国粮食单产量(5621.55 kg/hm2)的比率，计算得地区修订系数为0.202 8，因而确定大长山岛1个标准当量因子的生态系统服务价值量为690.84元/hm2，据此建立生态系统服务价值当量表和当量系数表，如表2、表3所示。

表2 大长山岛单位面积生态服务价值当量

表3 生态系统服务价值系数表

生态系统服务价值的计算公式为：

ESV=∑(Ap×Vc)

(4)

式中p为生态系统类型，Ap为生态系统类型p的面积，Vc是生态系统服务价值系数，ESV是研究区生态系统服务总价值。

5.敏感性分析

敏感性指数可以度量生态系统服务价值对生态系统服务价值系数的依赖程度[29]。计算公式如下：

式中，CS指敏感性指数，ESVi和ESVj分别代表调整前、调整后的生态系统服务价值，VCi和VCj为对应的生态系统服务价值系数，p为各类土地类型。如果敏感性指数小于1，那么就表明价值系数对该地区生态服务价值影响并不显著，则研究结果具有一定的可靠性；相反，如果敏感性指数大于1，则表明研究结果不具备可靠性。

三、结果与分析

1. 海岛土地利用变化

(1)土地利用数量与结构。大长山岛土地利用类型以林地和耕地为主，二者面积之和占海岛总面积的一半以上，其中林地主要分布在海岛西部，耕地主要分布于海岛东部。2003-2018年大长山岛的土地利用变化表现为林地和耕地面积减少，分别减少了270.04 hm2和78.16 hm2，其中海岛东部耕地明显减少，建设用地不断增加，且多分布在海滨浴场附近，这与大长山岛为适应游客市场兴建了许多度假酒店、休闲度假山庄的情况相吻合。其余土地类型面积都为增加，草地和建设用地面积增幅最大，分别增加了164.51hm2和156.78hm2，水域和未利用地面积增幅不大；从面积变化率来看，2003-2018年草地面积变化幅度最大，达到117.93%，建设用地、林地、水域和未利用地的面积变化率分别为37.60%、-31.69%、25.65%、23.31%，变化幅度较大，耕地面积变化率最小，为-7.44%。具体见表4。

表4 2003-2018大长山岛土地利用变化

(2)土地利用动态度。总体来看，2003-2018年间海岛各类型土地利用动态度存在差异，其中耕地、林地和建设用地动态度为负值，其余用地动态度为正值。具体来看，各地类在不同的时间段动态度表现不同。建设用地在2003-2008年间变化最大，增加了10.29%，草地在2008-2013年间变化最大，动态度为109.57%，这一时期内草地面积快速增长；2013-2018年间耕地、未利用地分别减少了7.49%、11.57%，具体如图1所示。

图1 2003-2018大长山岛土地动态度变化

(3)土地利用转移矩阵。以五年为间隔，划分2003-2008年、2008-2013年、2013-2018年3个阶段，通过ArcGIS叠加分析得到3个阶段土地利用类型的转移矩。2003-2008年林地转出面积最大，转出总量为236.52 hm2，主要转出为耕地和建设用地，转出面积分别为218.52 hm2、14.67 hm2。从转入来看，转入面积最大的是耕地，转入面积达395.64 hm2，主要来自于林地、草地和建设用地，面积分别为218.52 hm2、114.75 hm2和60.84 hm2；其次是建设用地，有185.58 hm2的耕地转入；其他土地利用类型转变的面积较小。这一时期耕地的转入面积远大于转出面积，海岛对耕地保护较好。2008-2013年，从转出看，耕地面积转出最大，共计425.97 hm2耕地转出为除水域外其他各类用地，主要转为林地210.87 hm2、草地110.79 hm2、建设用地103.05 hm2；从转入看，林地转入面积最大，210.87 hm2耕地转入为林地，这说明这一时期海岛比较好的落实了退耕还林政策。其次是建设用地，103.05 hm2耕地和58.41 hm2未利用地转为建设用地。2013-2018年，耕地转出面积最大，分别转为建设用地150.39 hm2、草地79.47 hm2、林地41.31 hm2；转入方面，耕地、草地的转入来源主要是林地。在三个阶段，耕地都是建设用地的主要转入来源。

表5 2003-2008年大长山岛土地利用转移矩阵

表6 2008-2013年大长山岛土地利用转移矩阵

表7 2013-2018年大长山岛土地利用转移矩阵

(4)土地利用程度。依据土地利用程度分级赋值表(表1)以及相应计算公式(公式3)，得到大长山岛各用地类型的土地利用综合指数。研究期内耕地土地利用指数最高；2018年耕地以及林地利用指数相较于2003下降，其余用地类型土地利用指数上升。土地利用程度综合指数的数值区间为[100,400]，2003年、2008年、2013年和2018年大长山岛土地利用程度综合指数分别为272.77、294.18、284.57和281.7，属于中等偏上水平，说明在研究时段内，人类对海岛土地的开发利用程度较高。

表8 大长山岛2003-2018年土地利用程度综合指数

2.海岛生态系统服务价值变化

(1)生态系统服务总价值变化。根据公式(4)计算研究区生态系统服务价值。从表9可知，2003-2018年生态系统服务总价值表现为波动减少的变化过程，2003年到2008年间生态系统服务价值由2785.71万元减少到2476.65万元，变化幅度较大；从不同土地利用类型来看，草地的ESV增加量最大，2003-2018年间共增加132.63万元，增长率达117.92%；其次为水域、建设用地和未利用地ESV分别增加97.06万元、24.59万元和0.09万元，变化率分别为25.65%、37.61%和25.71%。林地和耕地ESV分别降低524.77万元和42.66万元，变化率为-31.70%和-7.44%，林地的ESV减少最多；从土地利用程度来看，耕地、林地土地利用程度下降，其他地类土地利用程度增加，林地在海岛面积占比大、对ESV贡献高，所以导致生态系统服务价值最终表现为减少。由此可知，生态系统价值变化趋势大体与林地面积变化相同。

表9 生态系统服务总价值变化表

(2)生态系统单项服务价值变化。2003-2018年，大长山岛土地单项服务价值除废物处理和文化娱乐价值增加外，其他服务价值均为减少。各项价值中，水文调节服务占比最大；服务价值下降幅度最大的是气体调节，十五年内下降了近66.7万元；维持生物多样性下降了约61万，气候调节下降了57.6万，保持土壤下降了56.6万，原材料生产价值下降了约52.9万；文娱价值随着建设用地增加而增加。具体见表10所示。

表10 单项生态系统服务价值变化表

(3)敏感性分析。根据公式(5)将各土地利用类型的生态系统服务价值系数(VC)上下调整50%，计算2003年、2008年、2013年和2018年大长山岛各土地类型的敏感性指数(CS)，探讨ESV对单项生态系统服务价值系数(VC)的敏感程度。从表11可知，2003-2018年大长山岛各类型用地敏感性指数都在0到1区间内，表明研究结果具备一定的参考性。林地的敏感性指数最高，说明林地对ESV的贡献最大，其次是耕地，未利用地敏感性指数最低。

表11 2003-2018年大长山岛各土地类型敏感性指数

四、结 语

本文以大长山岛为研究区，解译2003-2018年的遥感影像，运用土地利用转移矩阵、土地利用综合指数、价值当量因子等方法，分析土地利用及其生态系统服务价值的变化特征。得出主要结论如下：(1)大长山岛的土地利用以耕地和林地为主。2003-2018年间，各类土地呈不规则波动变化，但总体表现为耕地和林地面积减少，其他类型用地中草地、建筑用地增长明显；从土地利用布局来看，海岛海滨浴场附近建设用地增加，这与海岛旅游业的兴起发展有一定的关系；从土地转移来看，建设用地的转入来源以耕地为主；海岛土地利用程度较高，研究期内耕地以及林地利用指数下降，其余用地类型土地利用指数上升。(2)2003-2018年间，研究区的生态系统服务总价值表现为波动减少的变化过程。就不同地类来说，林地ESV减少最多，耕地ESV次之，其他地类服务价值则不同程度增加；林地ESV对总价值贡献最大，接近一半；单项ESV减少最多的是气体调节，这与林地面积大幅减少相对应；文化娱乐价值随着建设用地的增加而增加。总体来说，林地在海岛面积占比大、对ESV贡献高，生态系统服务价值变化趋势大体与林地变化相同。(3)2003-2018年大长山岛各类型用地敏感性指数都在0到1区间内，表明研究结果具备一定的参考性。研究期内大长山岛生态系统服务价值下降，对比其他学者对金塘岛、册子岛的研究发现，在人类活动干扰下(城市化、工业化)，这些较小的海岛生态环境几乎都遭到破坏，生态系统服务价值下降。在自然因素和人为活动的双重影响下，海岛生态系统呈现脆弱性，不合理的资源开发将对海岛生态造成极大的破坏，并且短期内无法恢复。针对海岛土地利用现状和生态系统服务现状，为了海岛生态保护和可持续发展，大长山岛作为海洋生态经济区和知名旅游地，应当因地制宜的调整土地利用方向，兼顾旅游开发建设和生态保护；加强对耕地的保护力度，严格执行建设用地占用耕地标准；注重对林地的保护，构建岛屿生态安全格局；遵守因地制宜原则，尽可能不破坏原有的生态环境，引导土地利用向ESV保值或增值方向变动；落实《大连2049城市愿景规划》，以生态文明为导向，打造具有景观魅力、便捷性和可靠性的海岛旅游产业。

考虑海岛与陆地耕地质量差异，本文利用长海县地区粮食产量对价值当量进行修订，可以使计算结果更加准确；利用遥感影像，从较长时间序列上基于土地利用变化对海岛生态系统服务价值进行动态研究。在以后的研究中，可尝试针对海岛生态环境特点(如森林量)进行当量修订，也可从空间角度对生态系统服务价值进行探讨，使研究更加深入。