湘潭市城乡交错带土地利用变化及其对生态服务价值的影响

王俊璎，苏晓彤，王 琦，郝新仪

（湖南科技大学，湖南 湘潭 411100）

生态系统服务（Ecosystem services，ES）是指人类直接或间接从生态系统及生态过程中获取的产品或者服务[1-2]。土地利用/覆盖变化（Land-use and land cover change，LUCC）改变了生态系统的结构和功能，从而影响到生态系统服务[3-4]。城市化的不断推进，人口、社会和经济快速发展，导致土地利用结构和生态服务价值发生显著变化[5-6]，进而危及区域生态平衡。

湘潭市城乡交错带，作为乡村向城市的过渡地带，其土地利用类型变化显著，人地矛盾突出，是长株潭两型社会建设的关键区。文章主要以遥感解译数据为基础，深入分析湘潭市城乡交错带1988 年和2018 年土地利用格局的变化情况，并就其对生态服务价值（ESV）的影响进行了研究，以期为长株潭“两型社会”建设提供数据支持。

1 研究区概述

湘潭市城乡交错带，位于东经112°48′～113°01′，北纬27°44′～27°58′，区域呈环状，主要以湘莲大道、芙蓉大道、东二环路、九昭东路、九昭西路、金鹏东路、保税路、石码头路、107 省道、沪昆高速、许广高速、大鹏西路与香樟路为外环，以护潭路、建设北路、双拥南路、双拥中路和沁园路为内环；根据行政区界线该交错带又可划分为雨湖区、湘潭县及岳塘区城乡交错带（图1）。研究区属于典型的亚热带温湿气候区，四季分明，降水充沛，冬冷夏热。

图1 湘潭市城乡交错带示意图①湘潭市城乡交错带行政分区图来源：地理空间数据云下载的遥感影像，解译后根据行政区域划分所得。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

遥感数据从地理数据空间云选取1988 年、2018年云量少于10% 的Landsat 影像；生态系统服务价值核算中当量因子选取自谢高地等[7]发表的全国尺度“基础当量表”。部分社会经济发展数据，如粮食产量、GDP 等来自《湖南省统计年鉴》和湘潭市统计局的官方数据。

2.2 遥感数据预处理

由于测量值中包含太阳位置及角度条件、薄雾等大气条件所引起的失真，从遥感器得到的测量值与目标物的光谱反射率或光谱辐射亮度等物理量是不一致的[8]，为了获取目标地物的真实反射率，必须消除这些失真，研究通过ENVI5.3 软件对影像进行辐射校正（辐射定标和大气校正），并按WGS_1984_Albers 的投影原则统一影像，对增强后影像进行目视解译获取湘潭市城乡交错带1988 年及2018 年的土地利用类型图（图2）。

2.3 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵[1]来源于系统状态与状态转移的定量描述，可以直观地反映土地利用类型变化的转化量、结构特征及转移方向，其数学形式见公式（1）。

式中：Sij为研究初期i 类土地利用类型到研究末期转为j 类土地利用类型的面积（hm2），n 为土地利用类型。转移矩阵的每行数值总和表示研究初期该土地利用类型的总面积，代表该土地类型的转移去向和大小；每列数值总和表示研究末期该土地类型的总面积，代表该土地类型的所有转入类型及大小。

2.4 生态服务价值估算

文章采用谢高地等[7]提出的生态系统服务价值表及Costanza 等[9]提出的ESV 计算方法对湘潭市生态服务价值进行测算，见公式（2）～（4）。

式中：ESVk、ESVi、ESV（Ecosystem Service Value）分别代表第k 类型的服务价值、第i 项服务功能的价值和总服务价值（元/年），Ak代表第k 类型的土地面积（hm2），VCki（Value Coefficient，价值系数）代表第k 类型的第i 项服务功能单位面积的服务价值[元/（hm2·a）]。

2.5 敏感性指数

敏 感 性 指 数（Coefficient of sensitivity, CS）表征ESV 随时间变化对生态服务价值系数（Value Coefficient，VC）的依赖程度。根据相关文献，该研究将土地利用类型VC 分别增加或减少50%计算CS，见公式（5）。

式中：ESV 和VC 分别为生态服务价值和价值系数；i 和j 分别为最初的和调整后的指标；k 为某种土地利用类型。若CS ＞1，表明ESV 对VC 富有弹性，比值越大，CS 的准确性就越关键；CS ＜1，表明ESV 对VC 缺乏弹性，VC 适用于研究区域ESV 的估算[1-2]。

3 结果与分析

3.1 1988—2018 年研究区土地利用的时空变化分析

3.1.1 土地利用的空间变化 1988 年和2018 年湘潭市城乡交错带土地利用分布如图2 所示。由图2 可知，1988 年，耕地是研究区主要土地利用类型，分布范围最广，主要沿湘江和涟水沿岸地区分布；居民地与独立工矿集中分布在湘潭县南部和九华的地势平坦之处，在河流下游的分布多于在上游的分布；林地和园地分布在研究区的外围，环绕着研究区。而到2018年，居民地与独立工矿用地明显增多，成为研究区的主导土地利用类型，雨湖区北部和湘潭县南部的居民地与独立工矿用地在原有的基础上向外扩展，岳塘区的居民地与独立工矿用地分布变得更为密集；交通用地呈网状穿插在居民地与独立工矿用地之中，耕地和林地的面积明显减少。由此可见，研究区土地利用率高，且城镇建设不断由中心向四周扩散，人类活动的范围不断扩大。

图2 湘潭市城乡交错带土地利用类型及分布②湘潭市城乡交错带土地利用类型及分布图来源：地理空间数据云下载的遥感影像，并解译所得；下同。

3.1.2 土地利用的时间变化 1988 年和2018 年湘潭市城乡交错带各类型土地的面积如表1 所示。由表1可知，无论是1988 年，还是2018 年，耕地、居民地与独立工矿、水域、林地始终是湘潭市城乡交错带的主要土地利用类型，但是研究区内各土地利用类型变化存在明显差异。其中，未利用地虽然在研究区中占比最小，但是从1988—2018 年其面积降幅最大，为37.19%，说明研究区集约用地意识增强；其次是耕地和园地，从1988—2018 年面积分别减少33.72%和28.79%；交通用地、居民地与独立工矿的用地面积变化趋势正好相反，呈大幅度上升趋势，与1988 年相比，2018 年期面积分别增加了85.34%和68.52%。

表1 1988 年与2018 年湘潭市城乡交错带各类型土地的面积 （hm2）

从3 个行政区域来看，各区的土地利用类型变化趋势与整体变化大致相同，耕地、林地、水域、未利用地的面积均呈下降趋势，但也存在一定差异。对于耕地而言，岳塘区下降得最为明显，为45.80%；湘潭县的林地面积降幅最大，为23.13%，而其他2 个区的林地面积降幅低于5%；水域的变化趋势在各区都比较平缓，变化趋势相似；居民地与独立工矿、交通用地的面积均呈上升趋势，雨湖区和岳塘区的交通用地面积远远大于湘潭县的，但与1988 年相比，2018 年湘潭县的交通用地面积增加最为显著，增幅达195.83%；对于园地而言，3 个行政区域的变化趋势不一，雨湖区和湘潭县的面积呈增长趋势，分别增加了26.19%和22.43%，而岳塘区的变化趋势与之相反，下降了63.37%。

3.1.3 土地利用转移分析 基于ArcGIS 构建了1988—2018 年研究区土地利用类型的转移矩阵，其结果如图3 和表2 所示。由图3 可知，总体上，湘潭市城乡交错带的土地利用类型发生转化的面积较大，在空间上具有明显的聚集性分布，主要集中在雨湖区的北部、湘潭县的南部和岳塘区。其中，雨湖区的北部区域变化得最为明显。

图3 1988—2018 年湘潭市城乡交错带土地利用变化空间分布

由表2 可知，从1988 年到2018 年，研究区各土地利用类型间变化较多，不仅体现在土地利用类型大类间的转化，也体现在某一土地利用类型内部系统的转化。从各类间转化来看，居民地与独立工矿的面积增加的最多，主要由耕地、林地、水域转化而来，转化面积依次为2 900.78、1 145.59 和417.00 hm2；其次交通用地的面积增加幅度也较大，主要由耕地、居民地与独立工矿、林地转化而来；其他用地的面积变化均呈下降趋势，其中，耕地的面积减少得最多，除了城镇建设外，耕地也向林地和水域转化，转化面积分别为543.72 和184.68 hm2。从同一土地利用类型的内部转化来看，其面积变化比较小，其中比较突出的是，居民地与独立工矿（农村居民点向独立工矿转化，转化面积为311.84 hm2）、林地（有林地向迹地转化，转化面积为123.16 hm2）；未成林造林地向有林地转化，转化面积为62.11 hm2）和耕地（灌溉水田向菜地转化，转化面积为67.62 hm2）。1988 年以来，研究区内的城镇用地规模不断外延，面积不断增加。特别是随着城乡经济和人口数量的快速增长，湘潭市城乡交错带内城市化进程不断加快，城镇建设等人类活动加速了其他土地类型面积的萎缩。

表2 1988—2018 年湘潭市城乡交错带土地利用转移矩阵 （hm2）

3.2 1988—2018 年研究区生态服务价值效应分析

根据构建的生态系统服务价值评估模型、《湘潭市统计年鉴》及相关文献数据，得到湘潭市城乡交错带1988—2018 年各项生态系统服务价值量（表3）。基于ArcGIS 得出湘潭市城乡交错带生态服务价值变化空间分布图（图4）。根据生态服务价值系数和各土地利用类型的面积变化数据，计算出30 a 间研究区的生态服务价值增减情况，由此划分出7 个等级。从图4 中可知，生态服务价值不变的区域面积比重较大，主要集中在雨湖区南部、湘潭县北部和岳塘区北部；其次分布较广的是生态服务价值受损区，下降数值主要集中在“-250 000～0 元”区间，主要因为高ESV值的耕地、林地、水域转化为低ESV 值的建设用地；而生态服务价值增值区仅有零星分布，且多集中在“0～250 000 元”区间，主要因为耕地转化为林地、水域，在一定程度上提高了研究区的生态服务价值总量。

图4 1988—2018 年湘潭市城乡交错带生态服务价值变化

从表3 中可以看出，研究区的生态系统服务价值总量由1988 年的7.73 亿元减少到2018 年的6.70 亿元，减少了13.32%。从生态系统服务价值构成来看，供给服务、调节服务、文化服务和支持服务的变化率分别为-22.11%、-14.56%、-8.20%和-18.54%。1988 年，调节服务的价值量最高，为5.46 亿元，占总价值量的70.64%，随后依次为支持服务、文化服务和供给服务。30 a 间，耕地、林地不断地转化为居民地与独立工矿、交通用地等。尽管农林业生产效率不断提高，但是耕种面积减少，农副产品总产量减少，导致供给服务价值大幅度下降；调节服务价值呈下降趋势，但是由于供给服务价值的减少，其占总服务价值的比例略有增加。从生态系统服务的子类别来看，水源涵养和废物处理的价值较高，其次是生物多样性保护和土壤形成与保护，再次是娱乐文化和气候调节。

表3 1988—2018 年湘潭市城乡交错带生态系统服务价（元）

3.3 1988—2018 年研究区生态服务价值的敏感性分析

在所有土地利用类型中，各土地类型敏感性指数各异。其中，水域CS 最高，从1988 年的0.579 上升至2018 年的0.617；林地与水域的CS 均呈上升趋势，耕地的CS 则在下降，从1988 的0.197 下降到2018年的0.150，说明水域和林地的VC 变化对交错带土地生态服务总价值具有放大效应，耕地的VC 变化对交错带土地生态服务总价值则具有缩小效应。园地和未利用地的CS 值基本不变，说明二者的VC 变化对区域的ESV 没有明显影响。1988—2018 年湘潭市城乡交错带各类型用地的CS 均小于1，说明研究区ESV 对该研究采用的VC 缺乏弹性，采取的VC 适用于该研究区，由此计算的ESV 是可信的。

表4 湘潭市城乡交错带1988、2018 年各土地利用类型生态服务灵敏度

4 结论与讨论

1988—2018 年，湘潭市城乡交错地带的耕地、园地、林地、水域、未利用地面积均呈下降趋势，耕地面积减少最多，达3 812.35 hm2，其次是水域，减少380.92 hm2，而居民地与独立工矿、交通用地面积大幅增涨，分别增加4 146.47、553.44 hm2，城市扩张明显。雨湖区、岳塘区、湘潭县的土地利用类型变化趋势与整体大致相同，其中，耕地面积下降最明显的为岳塘区，降幅达45.80%，林地面积下降最明显为湘潭县，降幅达23.13%，雨湖区和湘潭县的园地面积分别增加了26.19%和22.43%。

1988—2018 年湘潭市城乡交错带总ESV 呈下降趋势，由1988 年的7.73 亿元减少到2018 年的6.70 亿元。其中，土地生态系统的供给服务、调节服务、文化服务和支持服务均呈下降态势，分别下降22.11%、14.56%、8.20%和18.54%。其原因在于高ESV 的耕地、林地、水域转化为低ESV 的居民地和交通用地。通过计算，得出湘潭市城乡交错带各类型用地的CS 均小于1，说明研究区ESV 对该研究采用的VC 缺乏弹性，由此得出ESV 是可信的。

该研究基于土地利用变化评价了湘潭市城乡交错带生态系统服务价值损益的时空动态，为未来区域土地资源的合理规划及有效利用提供了科学依据，对保护生态环境和维持区域经济社会发展具有现实的指导意义。城乡交错带是农村向城镇发展的过渡地带，合理优化区域的空间布局可有效推动城市化进程，并加强对环境的保护[10]。根据研究结果，可从以下4 个方面优化湘潭市城乡交错带未来空间布局：（1）作为主要经济中心的雨湖区北部、湘潭县南部和岳塘区，应提高已有建设用地的利用强度，避免无效扩张而占用了原本高ESV 值的耕地、林地和水域；（2）研究区主要应向第三产业、绿色产业发展，促进产业结构调整，以避免重型工业对环境的严重污染；（3）有些地区有退耕还林、退耕还湖的现象，因此对于一些土地肥沃度不够、有环境保护需要的地区，可以适当得将土地回归自然；（4）由于耕地面积持续减少会导致食物生产服务的减弱，因此需要严守耕地红线，采用科学的耕作栽培技术提高粮食产量，保障粮食安全，实现人地和谐。