基于土地利用的南昌市生态系统服务价值时空变化分析

杨彦超,杨海成,李云涛,李茂森

(核工业航测遥感中心中核三维地理信息工程技术研究中心,河北 石家庄 050011)

生物群落与其周边环境中的非生物部分通过物质循环、能量流动紧密的结合在一起，互相作用、制约、影响而形成一个动态平衡的生态系统[1-2]，为人类提供赖以生存的物质和服务。人类在自然界活动过程中，通过生态系统获取的直接收益或者间接收益统称为生态系统服务(ecosystem serves)。相对于生态系统为人类提供的有形物质而言，生态系统服务虽然无形但与人类活动密切相关[3-7]。

近20年以来，南昌市城市建设保持高速发展的同时，对周边生态环境造成了严重破坏，鄱阳湖、赣江等多数水系的水质逐年下降，乱砍滥伐森林资源的现象屡禁不绝，水域面积和林地面积逐年降低，居民生活环境日益恶化。以此为背景，立足城市可持续发展，研究江西省南昌市生态系统服务价值的时空变化规律，对于促进生态环境保护、城市发展规划具有重要意义。

1 基础数据以及研究方法

1.1 基础数据

数据来自南昌市统计年鉴、政府公报以及南昌市2000年、2005年、2010年、2015年、2018年5期遥感影像数据,其中遥感影像数据来源于全国土地利用数据产品。Landsat TM/ETM/OLI遥感影像是全国土地利用数据产品的主要数据源,应用ENVI5.1遥感影像处理平台进行几何校正、图像配准、影像融合、匀光匀色、镶嵌裁切等影像处理后,根据土地利用类型分类,通过人机交互目视解译结合野外实测,提取耕地、林地、草地、水域、建设用地及未利用地6种土地类型。利用ArcGIS10.3生成500个随机点,分析南昌市土地利用变化特征,研究生态服务价值变化。

1.2 研究方法

统计南昌市5期土地利用数据，并研究分析南昌市土地利用分布特征、变化规律及发展趋势。在土地利用变化特征研究基础上，基于生态系统服务价值(ESV,ecosystem service value)评估模型，分析生态服务价值时间变化规律和空间分布特征。技术路线如图1所示。

确定单位面积生态系统服务价值(UESV,ecosystem service value per unit area)系数是估算ESV的基础。以耕地为例，耕地主要产出为粮食作物，粮食作物的经济价值代表了耕地生态系统的服务价值，单位面积耕地生态系统提供食物的价值量计算公式为

图1 技术路线Fig.1 Technology roadmap

(1)

其中:Ea为单位面积耕地生态系统服务价值;n为耕地产出粮食作物类别总数;i为耕地产出粮食作物种类数;qi为i类粮食作物的平均产量;pi为i类粮食作物的均价;mi为i类粮食作物的面积;M为粮食作物的总面积。

2000—2015年期间，南昌市的粮食作物产量的平均值为5 895.52 kg/hm2，2015年粮食价格的平均值为3.95元/kg，修正粮食价格和生态服务价值的区域系数可以计算得出生态服务价值当量因子的经济价值，即南昌市2018年生态服务价值当量因子的经济价值为3 340.13元[8-10]。根据南昌市实际情况，参照文献[11]中的中国陆地生态系统服务价值当量因子表，计算不同土地利用类型UESV系数(见表1),建设用地生态服务价值为0。

表1 南昌市单位面积生态系统服务价值系数

通过表1及2000—2018年南昌市土地利用类型的5期数据，分别计算得出不同土地类型的ESV。为了便于分析和对比南昌市不同土地类型的生态服务价值，消除南昌市因乡镇面积差异产生的影响，计算乡镇UESV这一指标,计算公式分别为

ESV=∑AiCi,

(2)

(3)

其中:ESV为生态系统服务价值;i为第i类土地利用类型;Ci为第i类土地单位面积的生态系统服务价值;Ai为第i类土地面积;S为乡镇面积之和。

2 南昌市生态系统服务价值变化分析

2.1 土地利用结构变化特征及分析

根据南昌市统计年鉴及卫星遥感影像解译数据，通过ArcGIS10.3统计分析2000—2018年南昌市土地利用类型变化情况(见表2)和空间分布特征(见图2)。由表2和图2可知,南昌市耕地分布范围最广，面积最大，占比均在50%以上；林地主要分布于研究区西北部和东南部；水域和未利用地主要分布于研究区北部、中部和西南部方向；草地在研究区内零星分布，建设用地主要分布在中心城区。

表2 2000—2018年南昌市土地利用类型面积及所占比例

图2 2000—2018年南昌市土地利用类型分布特征Fig.2 Distribution map of land use types in Nanchang from 2000 to 2018

对比2000—2018年南昌市土地利用结构，具有明显的变化规律：耕地面积及占比快速下降，从2000年的404 342.38 hm2(占比55.02%)下降到2018年的374 267.42 hm2(占比50.98%)，面积下降了30 074.96 hm2，占比下降了4.04%；林地面积及占比呈逐年下降趋势，面积下降了7 386.88 hm2，占比下降了0.99%；草地面积及占比呈逐年下降趋势，面积下降了2 238.26 hm2，占比下降了0.30%；水域面积及占比同样呈逐年下降趋势，面积下降了7 803.86 hm2，占比下降了1.04%；建设用地呈现出大幅扩张的趋势，19年共增加了45 438.75 hm2，占比从4.18%增加到了10.38%；未利用地面积及占比呈现先升后降的趋势。由此可见，2000—2018年建设用地以侵蚀耕地为主，其次为水域、林地、草地，并且随着城镇化进程的不断加快，建设用地增速不断加大，生态环境进一步遭到破坏。

2.2 南昌市生态系统服务价值时空变化分析

(1) 生态系统服务价值随时间变化的特征 根据式(2)可计算得到南昌市2000—2018年各单项ESV值以及ESV总值(见表3)。由表3可知,2000—2018年水文调节和废物处理的单项生态服务价值贡献最大，远高于其他单项服务价值，说明水域面积是南昌市生态服务价值最为重要的影响因素；而食物生产和原料生产的单项生态服务价值贡献最小，对整体生态服务价值的影响最小，表明耕地面积的变化对南昌市生态服务价值影响较低。南昌市从2000—2018年无论是单项ESV值还是总ESV值均呈现逐步下降的趋势，其中水文调节和废物处理ESV值下降趋势最为明显，直观表现出近20年以来南昌市水域萎缩较为严重。

表3 2000—2018年南昌市各单项生态服务价值

(2) 生态系统服务价值空间分布变化特征 根据式(3)计算得到各乡镇UESV，并分析2000—2018年南昌市UESV空间分布特征(见图3)。由图3可见，南昌市UESV低值区集中分布于中心城区，2000—2015年无较大变化，2015—2018年快速向外扩张，表明南昌市自2015年开始高速发展城镇化建设；UESV高值区主要集中在南昌市东北部、东部地区，主要位于进贤县、新建县，2010—2015年期间西部地区亦有少量分布。近20年以来，新建县南矶乡、东湖区八一桥街道一直都是南昌市UESV最高的区域,其中南矶乡和八一桥街道分别位于鄱阳湖附近和赣江边缘，水域面积大，所占比例远高于其他乡镇。与其他土地利用类型相比，水域的气候调节和水文调节能力更强，娱乐文化功能更高，从而生态系统服务价值最高。整体来看，南昌市UESV中心城区低，周边乡镇高，呈现出“周边高值环绕中心低值”的分布格局，且中心低值区在快速扩大。

图3 2000—2018年南昌市各乡镇单位面积生态系统服务价值空间分布特征Fig.3 Spatial distribution of ecosystem service value per unit area of villages and towns in Nanchang from 2000 to 2018

3 结论

(1) 2000—2018年南昌市土地利用结构较为稳定,但是随着城镇化进程的加快,建设用地面积逐年向外扩张,耕地、水域、林地、草地面积呈现不同程度的萎缩;总ESV值呈逐年下降的趋势,从单项ESV来看,废物处理和水文调节的ESV值远远大于其余单项ESV值,降幅同样较大。

(2) 从UESV空间分布来看，南昌市UESV呈现“周边高值环绕中心低值”分布格局，低值区主要集中在中心城区，高值区主要沿鄱阳湖和赣江分布在东北部、东部，低值区有着逐年扩大的趋势。

(3) 遥感影像可以直观反映真实自然状态,利用多源信息进行生态系统服务价值分析,能够深度挖掘地表自然价值,揭示其时空变化规律,服务空间地理规划和生态环境保护。