苏州游湖地区土地利用变化对生态系统服务价值的影响*

王 杉 吕寅超 林静雅 王丽萍 朱 颖

1 苏州科技大学建筑与城市规划学院 江苏苏州 215011 2 苏州园林设计院有限公司 江苏苏州 215000

生态系统服务是指生态系统的结构、 功能以及经过长时间发展所形成的维持人类赖以生存的环境条件和效用[1]， 生态系统服务价值(ecosystem service value， ESV) 评估不仅能够定量掌握生态系统现状及发展变化， 更有利于生态环境资源的合理优化和配置[2-3]。 土地利用是人类改造自然的主要方式， 土地利用变化能够影响或改变生态系统的结构和功能， 从而导致ESV 的变化， 进而影响区域生态健康。 由此， 基于土地利用视角， 定量评估ESV 成为相关学科关注的热点。 学者们针对城市[4-7]、 湖泊湿地[8-11]、 森林[12-13]、 流域[14-15]等不同生态系统进行了生态服务价值的评估， 在此过程中生态与经济相结合的新经济范式[16]为地区可持续发展提供了可靠的科学依据。

本文以苏州游湖地区为研究对象， 运用土地动态度、 ESV 评价和流向模型探究2005—2015 年土地利用变化对ESV 的影响。 研究结果不仅为苏州游湖地区土地利用结构优化提供科学依据， 也为相似区域生态环境保护与建设提供决策支持。

1 研究区概况

苏州游湖区域位于苏州高新区镇湖街道(31°19′12″—31°19′34″N， 120°21′1″—120°22′4″E)，与太湖水贯通相连， 总面积为1 472.8 hm2， 是苏州市水系与太湖交汇的关键地带， 孕育了多种类型的湿地， 也是苏州物种资源最为丰富的地区之一。 2006 年之前， 围垦后成为苏州重要的水产养殖区， 受地区快速城镇化影响， 本地区建设用地规模不断扩大。 为保护本地区湿地生态系统的稳定性和物种多样性， 2006 年在游湖地区核心地带进行了太湖湿地公园的建设， 实施湿地生态保护与修复。 游湖区域周围有近10 个行政村， 常住人口2 万人， 城市化水平为75.8%。

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源

本文依据国家标准 《土地利用现状分类》(GB/T 21010-2017)， 结合苏州市土地利用特点，将研究区土地利用类型分为8 类， 即， 耕地(水田、 水浇地和旱地)、 林地、 草地、 水域、 湿地、住宅用地、 建设用地(镇村道路、 工业用地、 公共服务用地、 风景名胜及其他特殊用地等) 及其他用地(田坎、 设施农用地等)。

土地利用数据来自地理空间数据云(http:/ /www.gscloud.cn/)， 以2005 年、 2015 年的Landsat 7 TM 数据为遥感数据源， 空间分辨率为30 m， 提取2 个时期各用地类型分布信息， 经过大气校正、几何校正， 将影像附统一投影坐标信息: GCS＿WGS＿1984。 利用ENVI4.5， 通过监督分类法进行解译， 并在ArcGis10.2 中进行专题图制作， 相关空间数据 (面积、 斑块数) 的计算主要通过ArcGis10.2 中的字段计算器工具和地理查询工具实现， 以此获得苏州游湖区域2005 年和2015 年的土地利用变化数据。

ESV 的核算基础数据涉及该地区的社会、 经济以及土地利用等相关数据。 本研究中涉及的社会、 经济等数据主要来源《苏州统计年鉴2005—2015》、 《江苏统计年鉴2005—2015》 和《中国统计年鉴2005—2015》 等。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用动态度

土地利用动态度(K) 能够表述某一时间范围内不同土地利用类型变化的速度[17]， 通常用来分析土地利用变化差异、 并预测土地利用变化的发展趋势[18]， 计算公式如式(1):

式(1) 中:K为某特定时间范围内单一土地利用类型的土地利用动态度；Ua为研究初期土地利用类型的数量；Ub为研究末期土地利用类型的数量；T为时间范围， 当时间单位为年，K就指研究区内单一土地利用类型数量变化的年变化率。

2.2.2 土地利用变化趋势和状态指数

本文运用土地利用变化趋势和状态指数反映游湖地区土地利用整体变化趋势和状态， 计算公式如式(2):

式(2) 中:Pt为区域内土地利用变化趋势和状态指数； ΔUin-i代表第i类土地利用类型最终转入面积(hm2)； ΔUout-i代表第i类土地利用类型最终转出面积(hm2)。 当0≤Pt≤0.25 时， 处于平衡状态； 当0.25＜Pt≤0.50 时， 处于准平衡状态； 当0.50 ＜Pt≤0.75 时， 处于不平衡状态；当0.75＜Pt≤1 时， 处于极端平衡状态[19]。

2.2.3 生态系统服务价值系数

参照谢高地等[20]提出的ESV 当量因子表， 以及苏州游湖区域的社会、 经济统计资料， 苏州市2005—2015 年平均粮食产量为7 001.91 kg/hm2。考虑到粮食产物价格的偏差， 为使数据更为合理，参考相关文献[21]， 统一按2005 年(全国粮食单价平均价格为1.26 元/kg[22]) 的价格计算， 得到苏州游湖区域单个ESV 当量因子的经济价值为1 260.34 元。 为了符合具体数值计算， 林地参照森林、 耕地参照农田、 水域参照水体、 其他用地作为未利用地参照荒漠进行简化计算， 建设用地和住宅用地的ESV 为0， 不列入表内， 最终得出苏州游湖区域的生态系统服务价值系数(VC) (表1)。

表1 苏州游湖地区不同土地利用类型单位面积的生态系统服务价值系数 元·hm-2·a-1

2.2.4 生态系统服务价值

根据研究区各类土地生态系统及单位面积价值， 计算出研究区总ESV， 计算公式如式(3):

式(3) 中: ESV 代表生态系统服务价值总量(元)；Ai代表第i 种土地利用类型的面积(hm2)；VCij代表第i种土地利用类型第j种ESV系数(元·hm-2·a-1)；i为土地利用类型，j为生态系统服务功能的类型。

2.2.5 敏感性指数分析

本文运用敏感性指数CS( Coefficient sensitivity ) 分析模型， 对ESV 系数上下调整50%后， 计算ESV 对生态价值系数变化的响应， 以此获得ESV 对生态价值系数的依赖程度， 计算公式如式(4):

式(4) 中:CS为敏感性指数；VC为生态价值系数；i和j分别为原始价值和生态价值系数调整后价值；k为某种土地利用类型。 若CS＞1， 说明ESV 对于VC来说富有弹性， ESV 对VC敏感；若CS＜1， 说明ESV 相对VC缺乏弹性， ESV 对VC不敏感。 敏感性指数越大， 代表生态价值系数对总ESV 变化具有关键作用。

2.2.6 流向性分析

为了反映土地利用类型转移对其ESV 损益情况的作用及影响， 本文采用流向性分析模型对ESV 进行有效性分析， 计算公式如式(5):

式(5) 中:PLij为原第i类土地利用类型转移为最终第j类土地利用类型后生态服务价值的损益情况(万元)；VCi、VCj分别为第i类、 第j类土地利用类型的生态服务价值系数；Aij为第i类土地利用类型转移为第j类土地利用类型的面积(hm2)。

3 结果与分析

3.1 土地利用时空动态变化

3.1.1 土地利用动态变化

根据2005—2015 年苏州游湖区域土地利用类型变化结果(表2)， 湿地和水域是苏州游湖区域最主要的土地利用方式， 两个时期均近或超过总面积的1/4 以上。 湿地和水域面积分别增长了2.05%、 4.79%； 建设用地面积增长显著， 增长了18.19%； 面积变化量最大的是耕地， 10 年间减少了51.3 hm2， 减少了16.25%； 林地、 草地等占比较低， 其变化率不做重点考虑。

表2 2005—2015 年苏州游湖区域各土地类型的动态变化统计表

3.1.2 土地利用空间变化

从游湖区域2005—2015 年的土地利用转移矩阵(表3) 看: 耕地面积转出最多， 转移为建设用地、 水域和住宅用地， 转移量分别为17.50 hm2、12.85 hm2和12.83 hm2； 少量的草地和水域转换为耕地； 建设用地所增加的面积中， 85%源于耕地的转移， 而建设用地仅有0.5 hm2转换为湿地；住宅用地面积的增加全部来源于耕地的转移， 同时有部分居住用地转移为湿地和建设用地； 水域增加的面积主要由耕地、 草地和其他用地转移而来， 分别贡献了12.85 hm2、 3.14 hm2和3.15 hm2，少量的水域转移成湿地和耕地。 2005 年之后， 游湖地区水域、 湿地面积增加的同时伴随着耕地面积的减少， 而建设用地的增长较为明显。

表3 2005—2015 年苏州游湖区域土地利用转移矩阵 hm2

通过公式(2) 运算结果可知， 2005—2015年区域内土地利用变化状态指数和整体趋势(Pt) 值为0.68， 表明苏州游湖区域10 年间各类土地转换趋势属于不平衡状态， 主要体现在耕地和草地向水域、 建设用地、 住宅用地转移。

3.2 生态系统服务价值

3.2.1 生态系统服务价值估算

研究时段内， 游湖地区耕地、 林地和草地生态系统服务价值量呈不同程度减少(表4)。 耕地生态系统服务价值减少了16.2%； 草地减少最多，达到27.6%； 湿地与水域生态系统服务价值均呈增长状态， 年变化率分别为0.20%和0.48%， 但在2005 年、 2015 年， 湿地与水域价值量均超过ESV 总量的94.0%以上， 说明二者是苏州游湖地区生态系统服务价值的主要来源。 从整体上看，水域和湿地对苏州游湖区域的发展具有重要意义，也在一定程度上反映了本地区湿地保护建设的成效。

表4 2005—2015 年苏州游湖区域生态系统服务价值及其变化

苏州游湖地区ESV 从2005—2015 年净增加了2.1%， 增长幅度较为缓慢， 但呈现出良好的趋势。 结合本研究区在研究时段内土地利用类型的动态变化可知， 年变化率较大的耕地、 草地没有导致总体ESV 的减少； 建设用地的增加对生态系统服务价值的影响没有凸显， 但若对建设用地规模及土地转换速率缺乏控制， 必将会影响本地区生态系统服务总价值和健康发展。

3.2.2 敏感性分析

通过公式 (4) 对生态系统服务价值系数(VC) 上下调整50%， 计算得到苏州游湖区域2005 年和2015 年的敏感度指数(CS)。 结果(表5) 表明， 各类型土地生态系统服务价值的敏感度指数均小于1， 说明苏州游湖区域生态系统服务价值缺乏弹性， 即ESV 对VC 不敏感， 采用的生态服务价值系数对地区生态服务价值影响不大，选用的生态系统服务价值系数合理、 结果可靠。

表5 2005—2015 年苏州游湖区域生态服务价值敏感度指数(CS)

3.2.3 流向性分析

运用公式(5) 获得游湖地区土地利用类型变化的生态系统服务价值损益。 由表6 可知，2005—2015 年， 苏州游湖地区生态系统服务价值增加， 主要源于耕地、 草地和其他用地的生态系统服务价值流向了水域生态系统服务价值， 三者占据总体生态系统服务价值的95%。 耕地转为水域产生最高的生态系统服务价值， 增长幅度达63.25%； 其次耕地及其他用地的生态系统服务价值流向湿地， 也为本地区生态系统服务总价值的增加起到了一定的作用； 草地和其他用地转移为水域， 减少了水域转为其他用地土地类型带来的经济损失； 水域的价值转移为耕地和湿地， 损益情况基本持平。

表6 2005—2015 年苏州游湖区域土地利用变化的生态服务价值流向分析 万元

由表6 还可看出， 各类土地利用类型的转移最终并不是都有利于ESV 增加方向， 部分耕地、草地、 水域面积的减少， 造成价值负向流失， 因此本地区需加强对水域、 湿地、 耕地和草地的保护， 促使地区生态服务价值增长。

4 讨论

本研究中ESV 评估多采用Costanza 等[2]提供的价值系数或谢高地等[20]优化的价值系数， 其中，土地面积指标具有关键作用， 土地利用变化与ESV紧密相关， 影响土地利用变化的各类因素也影响区域生态系统服务价值。 通过价值系数的方法虽然只能获得相对静态的ESV 价值， 但是其变化趋势能够对地区生态保护决策提供依据[23-24]。

苏州游湖地区2005—2015 年土地利用变化明显受城镇化快速发展及生态保护等两种作用力的推动。 研究时段内， 游湖地区各地类中， 建设用地的增长和耕地面积的减少， 在一定程度上减缓了地区总ESV 的提升， 但湿地与水域的缓慢增加， 依然促进了地区ESV 的增长。 由此也说明湿地和水域是促进游湖地区ESV 提升的关键地类， 同时也表明“退田还湖” “退田还湿” 等生态保护工程的实施对于提高ESV 具有积极的促进作用， 这与朱颖等[25]对太湖流域生态系统服务价值研究结果具有一致性。 由于湿地或水域生态修复具有长期性、 复杂性， 其生态功能的发挥仍需进一步关注。

5 结论

1) 苏州游湖区域在2005—2015 年土地利用变化较为明显。 10 年间， 耕地、 草地、 林地面积减少， 尤其是耕地面积减少明显； 水域、 湿地、建设用地面积呈增长状态， 尤其是建设用地面积增长明显； 住宅用地和其他用地也呈增长状态。

2) 研究时段内， 本地区各类土地转换趋势属于不平衡状态。 耕地大部分转移为建设用地、 水域和住宅用地； 建设用地增加的85%、 全部增加的住宅用地均来源于耕地的转移； 水域增加的面积主要由耕地、 草地和其他用地转移而来。 2005年之后， 随着太湖湿地公园的建设， 水域、 湿地面积增加的同时伴随耕地面积的减少， 此时建设用地的呈现较为明显的增长。

3) 研究时段内， 苏州游湖地区生态系统服务价值增加主要是因为耕地、 草地和其他用地的生态系统服务价值流向了水域生态系统服务价值。苏州游湖地区生态系统服务总价值(ESV) 净增加了2.1%， 年变化率较大的耕地、 草地以及建设用地对本地区生态系统服务总价值的影响不明显。

4) 研究时段内， 湿地和水域是苏州游湖区域最主要的土地利用方式。 苏州游湖地区总生态系统服务价值随着湿地、 水域面积的增长而提升。