长汀县土地利用及生态系统服务价值变化

何泽雁，林惠花b*，武国胜b

(福建师范大学 a.地理科学学院，b.地理研究所，福州 350007)

土地利用是生态系统服务价值(ESV)的重要体现，是人地关系的指示剂。土地利用变化关系着自然、社会经济和生态多方面的发展变化，其时空格局变异及其对ESV的影响备受国内外学者的高度关注[1-2]。动态监测区域土地利用变化，并以此为基础估算其ESV，对促进社会经济和生态环境协调发展具有重要意义[3]。当前已有研究中，关于土地利用变化及ESV估算的研究主要以大中尺度为主[4-6]，小尺度范围的研究相对较少。本研究从县域研究入手，以福建省长汀县为研究区域，以2005—2020年为研究时段，基于区域土地利用变化评估其ESV变化，分析土地利用与ESV的协同发展状况及时空变化差异，以期为区域生态经济可持续发展研究提供参考。长汀县曾是历史上有名的典型水土流失区，生态环境状况差，经过长时间坚持不懈的治理，如今的长汀县土地已彻底改头换面，成为国家生态文明示范县，选取长汀县为研究区，有利于为区域检验土地问题整治成效，尤其是水土流失治理成果提供示例。

1 研究区概况

长汀县位于福建省西部山区，隶属于福建省龙岩市。其地理位置位于116°02′E～116°40′E，25°04′N～26°02′N，总面积3 104.24 km2，共有18个乡镇。全县地形复杂，以中低山、丘陵为主，是典型的“八山一水一分田”山区县。气候类型为亚热带季风气候，夏季高温多雨，冬季温和少雨。县内河流众多，包括韩江、闽江和赣江水系，汀江是长汀县内最大的水系。土壤以花岗岩发育的红壤为主，在高温湿润的亚热带地区易被风化侵蚀。植被为中亚热带常绿阔叶林，但由于长期受人为活动影响，原始植被基本被次生森林植被所代替，常见的为针叶林、次生常绿阔叶林、灌木林以及其他森林植被。长汀县降雨集中且强度大、地质构造运动频繁，节理裂隙发育、土壤抗冲抗蚀性能差、植被破坏严重等自然因素决定了其生态环境的脆弱性。再加上长汀曾经战争不断、人们砍伐烧材以获取能源等社会历史因素造成其水土流失严重，形成典型的红壤水土流失区[7-8]。经过多年坚持不懈的治理，如今的长汀县在社会经济、生态环境方面皆有巨大改变。生态方面，长汀县山清水秀，2017年成为首批国家生态文明建设示范县和第一批“绿水青山就是金山银山”实践创新基地。经济方面，2017—2020年连续4年荣膺福建省“县域经济发展十佳县”称号，实现由贫困县到GDP总量全市第三，成功摘掉贫困县的帽子。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

选取2005、2010、2015、2020年4个年份为研究时间点，所需数据包括遥感影像数据和社会经济统计数据。遥感影像来源于地理空间数据云，4期遥感影像分别为2005年、2010年landsat 5 TM影像，2015年、2020年landsat 8 OLI影像，经过辐射定标、大气校正等预处理后进行监督分类，分类体系参照《土地利用现状分类》(GB/T 21010-2017)，并根据长汀县实际土地利用使用情况，分为耕地、园地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地共7种地类，分类后经Kappa系数和Google Earth 检验，解译结果较为理想。统计数据来源于《福建统计年鉴》《龙岩统计年鉴》《长汀统计年鉴》、福建省粮食和物资储备局官方网站、国家粮食与物资储备局官方网站等。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用动态度

单一土地利用动态度是指在一定时间段内，各个土地利用类型向其他地类转换的速度和幅度，反映某种地类在某时间段内的变化[9-11]。

(1)

式(1)中：K指单一土地利用动态度；Ua、Ub分别指研究初期、末期某一种土地利用类型的面积；T指研究时段时长。

综合土地利用动态度表示的是一段时间内区域中所有土地利用的变化速度和幅度，反映区域在某个时段地类变化的剧烈程度[12-14]。

(2)

式(2)中：LC指综合土地利用动态度；LUa是研究初期第a类土地利用类型的数量；△LU(a-b)是指研究区内第a类土地利用类型变为其他地类的绝对数量；n指的是土地利用类型；T指研究时段时长。

2.2.2 土地利用程度

土地利用程度是反映土地利用广度和深度的指标。根据刘纪远等学者提出的综合分析方法[15]，将土地利用程度按照土地自然综合体在社会因素影响下的自然平衡状态分为若干级，并赋予分级指数，计算得出土地利用程度定量化结果[16]。本研究分级见表1。表达式为：

表1 土地利用程度分级

(3)

式(3)中：L指土地利用程度；Ai指第i种土地利用程度分级指数；Pi指研究区内第i种土地利用程度分级面积百分比。

2.2.3 生态系统服务价值(ESV)

以生态系统服务单位面积价值当量因子法为基础，参照Costanza[17]和谢高地[18]提出的生态系统服务价值系数，结合长汀县实际情况，修改生态系统服务价值当量因子。长汀县大部分耕地为水田，且区域内降水丰富，因此参照Costanza的方法，视水田为供水类型。水资源供给服务系数取正值[19]。研究区的林地大多为亚热带、中亚热带常绿阔叶林，林地对应森林中的阔叶林；长汀的草地多为草丛，对应草地中的灌草丛；园地取林地和草地的平均值，水域对应水域中的水系；未利用地为裸地，对应荒漠中的裸地。建设用地较为复杂且生态价值低，本研究中不予考虑。由此，获得长汀县生态系统服务价值系数(表2)。将单位面积粮食产值的1/7作为1个生态系统服务价值标准当量因子[20]，根据统计数据计算得出，长汀县1个生态系统服务价值标准当量因子为3 503.65元/hm2。表达式为：

表2 长汀县单位面积生态服务价值

ESV=∑(Aj×VCj)

(4)

ESVf=∑(Aj×VCfj)

(5)

式(4～5)中：ESV指生态系统服务价值；Aj指第j种土地利用类型面积；VCj指第j种土地利用类型的生态系统服务价值系数；ESVf指生态系统第f项服务功能价值；VCfj指土地利用类型j的第f项服务功能价值系数。

3 结果与分析

3.1 土地利用

3.1.1 土地利用现状

2005—2020年长汀县土地利用情况如图1和表3所示，长汀县的主要土地利用类型是林地。林地占全县面积比例高达83.59%～84.20%，是长汀县面积最多、分布最广的土地利用类型。耕地是长汀县面积第二大的土地利用类型，面积占比8.82%～9.24%，研究期间面积逐年下降，2005—2020年总共下降了0.42%。除耕地外，研究期间呈现减少态势的只有未利用地，且减少比率位居所有地类首位。建设用地是长汀县第三大土地利用类型，也是研究期间表现增加幅度最大的地类，总共增加了0.81%。水域、草地和园地面积占比较小且研究期间变化幅度不大，皆呈现略微上升的态势。

表3 2005—2020年各地类面积占比/%

图1 2005—2020年长汀县土地利用类型分布

在空间分布上，耕地主要分布在山间盆谷地带，尤其是河田镇、三洲乡、濯田镇等县域中部，汀州镇耕地面积极少。2005年全县耕地面积为28 667.97 hm2，2020年仅有27 376.68 hm2。耕地面积的减少主要有两方面原因，一方面是随着经济建设活动的不断加强，耕地被建设用地等其他地类占用;另一方面是因为近年来粮食作物的经济效益较低，农业产业结构调整，耕地转换为园地、林地等其他地类。园地的分布与耕地较为一致，主要分布在山间盆谷地带，但其面积比例小，在乡镇分布上较为分散，主要分布在河田镇、三洲乡、南山镇和馆前镇。长汀的园地类型主要为果园和茶园，研究期间园地略有增加，而耕地减少，说明长汀县农业经营方式逐渐呈多样化发展。林地是长汀的主要用地类型，分布广泛，在各个乡镇都占据重要地位。林地以乔木林为主，占森林比例达81.22%以上。研究期间，林地面积有所波动，主要是在近年来生态修复工作中，调整树种和林相，推进森林结构优化，大量竹林、马尾松、杉木等经济林调整为其他林种。草地主要为草丛，在山地上零星分布，在各乡镇分布较为广泛，以县域西北部和东南部更为集中。研究期间长汀县草地面积占比略有增加，这侧面说明了长汀县生态环境向好发展。水域是较稳定的一种土地利用类型，研究期间长汀县水域面积占比仅增加0.04%，县域内的水域主要为河流，包括汀江、陈连河、童坊河、古城河等。汀江是长汀县最大的水系，由北向南纵贯长汀县中部。建设用地集中分布在县域中部的盆谷地带，2005年建设用地面积8 715.69 hm2，占比2.81%，2020年已经增长至11 242.52 hm2，占比3.62%，增幅28.99%,且研究期间建设用地呈不断增长趋势。这表明，长汀县经济发展迅速，建设用地处于较快增长阶段，对生态环境造成一定压力。未利用地指裸地，主要分布在汀州镇、策武乡、河田镇、三洲镇、濯田镇等人类活动较为频繁的地方，同时也是长汀县水土流失严重的区域。研究期间，未利用地面积由3 427.38 hm2下降为747.33 hm2，占比由1.10%减少到0.24%，减幅78.20%；且减少的未利用地大部分向林地转移，表明长汀土地利用向好的方向发展。

3.1.2 土地利用动态度

2005—2020年长汀县土地利用类型之间转换较为频繁，且变化特征各不一致，主要以未利用地、建设用地的增减变化为主(表4)。未利用地在各个时段中减少趋势和增加趋势都最明显，2005—2015年，未利用地处于不断减少的趋势，且减少幅度较大，动态度分别为-14.08%和-11.97%；2015—2020年未利用地面积和比例上升，动态度为16.68%；综合2005—2020年，未利用地面积整体下降，动态度为-23.91%。建设用地是持续增长的土地利用类型，动态度均为正值(表4)，2005—2010年增长最快，2010—2015年增长最慢。此外，2005—2020年期间，园地和水域也处于不断增长中，且皆在2005—2010年增长最快。而耕地处于不断减少中，减少速度和幅度下降。林地、草地在研究期间面积先增后减，总体呈现略微增加趋势，2005—2020年的单一动态度分别为0.03%和0.11%。从综合土地利用动态度看，2005—2010年动态度最大，为0.17%，说明2005—2010年是研究期间地类转换最频繁的时期；而2005—2020年的综合动态度非常小，仅0.000 84%，说明2005—2020年各地类之间转换变化趋于平衡，变化很小。

表4 2005—2020年土地利用动态度/%

3.1.3 土地利用程度

研究区2005、2010、2015、2020年4个研究年份的土地利用程度综合指数分别为214.56、206.05、216.48和216.70，呈现逐年上升的趋势，且2005—2010期间增长明显。这一变化与2005—2010年间土地利用动态度较大相一致。在这期间，土地利用程度等级较低的耕地、林地、草地和未利用地大量向等级较高的建设用地转移，使得土地利用程度指数增加明显。该变化说明这一期间的经济建设、城镇建设步伐较快，人类对土地施加的非生态、不可逆转的活动频繁。2010—2020年土地利用程度指数增长幅度小，体现在这10年间土地利用方式平缓，趋于稳定。

在空间分布上，全县大部分区域的土地利用程度分级指数属于2级。1级分级指数主要分布在县域中部，尤其是策武乡、河田镇和三洲镇；根据图2可以看出，土地利用程度属于1级的区域在2005年分布较广，在2010、2015、2020年分布很少。这是由于2005年的未利用面积较大，而2010—2020年未利用地面积减少，占区域面积比例很小。3级分级指数主要分布在县域中、东部，研究期间3级分级指数面积有所下降，分布区域变小，且部分区域转化为4级分级指数。4级分级指数集中于县域中部，尤其是县城所在地汀州镇以及河田镇、三洲镇等人口较为集中、社会经济较为发达的区域，研究期间4级分级指数增长明显，且主要是原有4级指数区域向周边扩展。

图2 2005—2020年长汀县土地利用程度

3.2 生态系统服务价值(ESV)

3.2.1 ESV的时间变化

2005—2020年长汀县ESV变化幅度很小，基本保持稳定(表5)。2005—2015年研究区ESV略微上升，从2005年的236.04亿元增加到2015年的237.74亿元，2015—2020年研究区ESV略微下降，2020年研究区的ESV为237.25。与2005年相比，2010年的ESV上升主要是因为除耕地和未利用地外，其他地类的ESV均上升；2015年变化原因与2010年相似，不同的是其耕地下降幅度变小，而水域由上升变为下降；2020年由于耕地、林地的ESV下降，导致整体水平下降；由此可见，耕地和林地ESV的变化是影响整个研究时段ESV变化的主要因素。在所有地类中，林地是长汀县生态系统服务价值构成的主体，其生态系统服务价值占全县的88.29%以上；其次是水域，大约占全县ESV的5.55%；ESV位居第三位的是耕地，占比约3.84%，其余地类的ESV占比很小。研究期间，耕地、未利用地的ESV有所下降，而园地、林地、草地和水域的ESV整体上有所上升，这一变化与土地利用变化状况相吻合。

表5 2005—2020年长汀县各土地利用类型生态系统服务价值/亿元

从各类生态系统服务价值类型来看(表6)，长汀县的生态系统服务价值以气候调节和水文调节为主，分别占区域总价值的28.5%和24.36%；最少的服务是维持养分循环和食物生产，仅占区域总价值的0.87%和1.74%。15年间，单项ESV变化率最大的是食物生产，减少0.04亿元，减幅为1.05%；其次是水文调节，单项ESV增加了0.58亿元，增幅为1.01%，同时水文调节也是价值量增加最多的服务。水文调节服务中，水域提供的价值系数远远大于其他土地利用类型，研究期间水域面积稳定中略有增加，且系数较大的园地和林地面积也有所增加，因此水文调节服务增加量较大，增长幅度较大。只有两个单项ESV下降，分别是食物生产和水资源供给，皆为耕地面积减少的结果。整体而言，水域与林地是ESV的主要提供者，长汀县水资源丰富、流域面积稳定，高比例的森林覆盖率及注重生态环境保护的理念，较好地维持了区域ESV的稳定。

表6 2005—2020年长汀县各项生态系统服务价值/亿元

3.2.2 ESV的空间分布

以乡镇为单位计算2020年各乡镇的生态系统服务价值及单位面积价值(图3)。研究期间，四都镇、灈田镇是ESV最高的2个镇，分别为27.29亿元和24.44亿元；南山镇、河田镇、童坊镇、大同镇、古城镇和红山乡的ESV较高；涂坊乡、馆前镇、新桥镇、策武乡的ESV在研究区域中处于居中地位；ESV较低的乡镇为庵杰乡、铁长乡、三洲乡、羊牯乡；最低的是汀州镇，ESV仅为0.21亿元，约为四都镇的1/130。从单位面积价值量来看，单位面积价值量较高的乡镇是三洲乡、羊牯镇、四都镇和红山镇，每公顷价值量大于8万元；汀州镇单位面积价值最低，仅为4.28 hm2。从图3a与图3b比对结果可以得出：四都镇在生态系统服务价值和单位面积价值都为高值，说明四都镇的生态用地较多，生态状况很好。一方面四都镇是长汀重点林区，林地面积为30 694.38 hm2，占全镇面积的91.41%；综合考虑生态效益、经济效益、社会效益，重视封山育林、绝对造林，建立羊古岭、红都村约1 540 hm2农田水源涵养林，陂下、高峰、坪埔电站库区约2 700 hm2水土保持林，规模种植1 900 hm2居民后山生态林，并且采取多种形式广筹资金，对低产林进行改造采伐和迹地更新。另一方面，四都镇水域面积大，而根据表2，水域的生态系统服务价值高，因此四都镇ESV和单位面积生态系统服务价值都较高。汀州镇的ESV和单位面积生态系统服务价值皆处在全县末位；汀州镇为全县面积最小的乡镇，同时也是“福建省历史文化名城”，长汀县的政治、经济和文化中心，开发历史悠久，人口密集，建设用地占比大，为60.66%，生态用地比例相对较小。

图3 2020年各乡镇生态系统服务价值分布

以ArcGIS自然断点法划分长汀县2005—2020年ESV变化(图4)。2005—2010年，区域整体ESV呈增加趋势，增加最多的是三洲乡和河田镇，少数几个乡镇呈减少趋势，减少较多的为古城镇和童坊镇。2010—2015年，区域各乡镇间的变化差异较大，大同镇和策武乡ESV减少量最大，而三洲乡和新桥镇增加明显，濯田镇、馆前镇、童坊镇和古城镇增加较多。河田镇和三洲镇原是全国有名的水土流失区，素有“火焰山”之称，这一时期水土流失治理效果明显，大部分未利用地转化为林地、草地、水域等生态用地，生态用地明显改善。2015—2020年，大部分乡镇呈现价值大量下降趋势，大同镇、濯田镇变化最大，分别下降了1 220.67万元和1 197.80万元。除新桥镇、馆前镇和南山镇价值量上升外，其余乡镇均有不同程度的下降，由多到少排序为：策武乡、四都镇、古城镇、童坊镇、铁长乡、河田镇、羊牯乡、宣城乡、红山乡、庵杰乡、三洲乡、涂坊乡和汀州镇。这一时期社会经济快速发展、城镇化进程加快，建设用地大面积增加，且这一期间林种结构优化、生态用地调整，ESV变化剧烈，尤其是西部的乡镇下降幅度大。综合2005—2020年这15年来看，河田镇增长量最大，其次是三洲乡和新桥镇，而大同镇是价值量下降最多的乡镇，其次是策武乡。其余乡镇变化皆较小，15年间价值量总体变化在±100万元以内。

图4 2005—2020年长汀县生态系统服务价值变化

3.2.3 ESV与土地利用程度的关系

从土地利用程度与ESV的研究方法及变化情况来看，二者大致呈负相关关系，土地利用程度指数最高的建设用地的ESV较低，在本研究中不予考虑；ESV最高的土地利用类型为林地和水域且研究期间皆处于增加状态，而这2种地类在土地利用程度中属于自然生态用地，综合指数为2，土地利用程度综合指数降低。在空间分布上，汀州镇、河田镇、三洲镇为土地利用程度综合指数较高的乡镇，同时也是ESV较低的乡镇。因此，ESV与土地利用程度呈反方向变化，但二者的变化所指示的意义一致，都表明了长汀县土地利用结构朝着较好的方向发展。

4 结论与讨论

4.1 结论

1)2005—2020年，林地是长汀县主要的土地利用类型，其次是耕地。研究期间，各地类转换频繁，以未利用地和建设用地的变化最明显，未利用地是土地利用动态度最小的地类，减少幅度最大；建设用地是土地利用动态度最大的地类，增加幅度最大；综合土地利用动态度最大的是2005—2010年。

2)土地利用程度综合指数呈逐年上升的趋势，且2005—2010年期间增长明显。全县大部分区域的土地利用程度分级指数属于2级，但4级指数区域处于不断扩张的过程中。

3)2005—2020年期间，长汀县ESV变化幅度很小，基本保持稳定；全县的生态系统服务以气候调节和水文调节为主；水域与林地是ESV的主要提供者；空间分布上，ESV最高的是四都镇和灈田镇，单位面积ESV最高的是三洲乡、羊牯镇、四都镇和红山镇，区域ESV和单位面积ESV最低的是汀州镇。研究期间，ESV增加最多的是河田镇，减少最多的是大同镇。

4)2005—2020年期间，长汀县土地利用程度综合指数与ESV变化方向相反，但二者所指示的意义一致。

4.2 讨论

长汀县森林覆盖率高，生态用地比例大，生态状况较为良好。但在研究期内，建设用地不断增加，耕地减少，土地利用转换较为活跃。今后的土地利用过程中，应继续调整土地利用结构，保持有利于提高生态系统服务价值和维护生态稳定发展的土地利用方式，如优化林种结构、进行林下地类的套种、继续治理水土流失区域以及加强林草水等生态用地的保护。本研究还存在一些不足，研究期末期，长汀处于林种结构优化和农业种植结构调整中，一级地类变化很小，更多的是二级地类的变化，而本研究在生态系统服务估算过程中，以土地利用的一级地类进行测算，精细程度不够，今后应进一步研究各种二级地类的各项生态系统服务功能和作用，进行详细地类的赋值，获得更加准确、精度更高的生态系统服务价值结果。