武汉市土地利用及生态系统服务价值的时空变化研究

陈倩倩

摘 要：通过研究2000—2020年武汉市土地利用变化、生态系统服务价值、土地利用动态度、生态贡献率等，揭示土地利用与生态系统服务价值的关系。结果表明：①武汉市土地利用结构变化明显，土地利用转移主要发生在水体、林地转向耕地，耕地大幅转向人造地表。耕地的占补平衡是人造地表占用水体、林地的过程。②20年间，武汉市土地利用综合动态度呈现加速趋势。③生态系统服务价值总量呈现下降趋势，水体、湿地、林地的生态服务价值减少引起总量的降低，三者也是生态贡献率主要因素。

关键词：武汉市；土地利用；生态系统服务价值；生态贡献度

中图法分类号：X171                                                文献标志码：A

生态系统服务价值是进行土地资源结构优化的主要指标[1-3]。研究土地利用变化对生态系统服务价值的影响，对剖析区域生态环境状况变化，提高地区土地利用水平具有重要意义。

1997年，Costanza等[4]研究提出了各类生态系统服务价值系数，奠定了生态系统服务价值的研究基础[5]。谢高地等[6-7]针对国内的情况作进一步研究，估算了我国生态系统服务价值。生态系统服务价值估算方法主要有两种：功能价值法和当量因子法，其中功能价值法计算复杂，有参数计算，其受主观影响较大；而当量因子法由于具有操作简单，综合评价，适应性强的优点，被普遍采用[8-11]。

近年来，武汉市经济发展飞速，土地利用格局在发生变化的同时，也带来了生态系统服务功能的变化。对武汉市20年来土地利用变化的时空演变特征进行分析，并根据当地生态系统服务价值当量，研究区域生态系统服务价值变化，可为区域国土资源优化配置和生态环境保护提供一定的科学参考。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区概况

武汉地处江汉平原，是中国中部中心城市，全市有15个区（含功能区），全域8 494.41 km2。武汉市中部平整，北面残丘，境内河流纵横，水域面积2 217.6 km2，覆盖率26.1%。截至2021年末，武汉市常住人口1 232.65万人，比2010年增加254.11萬人，增长25.97%，平均每年增长2.34%。选择武汉市为研究对象具有较高可操作性，其土地利用和生态系统两方面都具备足够且变化的水域及林地等地类，是探究二者时空变化的理想研究对象。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源与处理

基本数据是武汉市2000、2010、2020年空间分辨率为30 m的土地覆盖数据，该数据基于中国环境减灾卫星（HJ-1）多光谱影像和美国陆地资源卫星（Landsat OLI）的TM5、ETM+、OLI多光谱影像数据（网站：http：//globeland30.org/）生成，满足研究精度要求。GlobeLand30数据共包括10个一级类型，分别是：耕地、林地、草地、灌木地、湿地、水体、苔原、人造地表、裸地、冰川和永久积雪。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用变化分析

（1）土地利用动态度是研究土地利用变化的经典方法，表征的是研究区内特定时间段不同地类的变化速率。其表达式为：

式中：Ki值为某种土地利用类型年变化率；Ci为研究期内第i种地类的净变化量；Uia为研究初期第i种地类的面积；T为时长；综合土地利用动态度为各种地类Ki之和。

（2）土地利用转移矩阵是研究不同土地利用类型转移方向和数量变化的经典方法，可以直观地展现各地类格局的演化过程。其表达式为：

式中：Aij为研究初期第i种土地利用类型在研究期末转换成第j种土地利用类型的土地面积；i（i=1，2，…，n），j（j=1，2，…，m）分别表示研究期初和研究期末的地类；n代表土地利用类型数。

2.2.2 生态系统服务价值

（1）生态系统服务价值评估。参照谢高地等提出生态系统服务价值系数[6]，并根据其后期的改进，确定生态系统服务经济价值当量因子为3 613.36

元/hm2，生态系统服务价值当量赋值（见表1），计算式为：

式中：ESV为生态系统服务总价值（元）；Ak为研究区k种土地利用类型的面积（hm2）；VCk为第k种地类的单位面积生态价值（元/（hm2·a））；VCfk为第k种地类的单位面积的第f项生态系统服务价值；ESVf为第f项生态系统服务价值系数（元/（hm2·a））；f为生态系统服务价值的项数。

（2）生态贡献率是研究周期内不同地类的生态系统服务价值变化量占整个研究区总生态服务价值变化量的比例，能够揭示影响研究区生态服务价值变化的主要贡献因子。其计算式为：

式中：Si代表第i类土地利用类型在研究期内的生态服务贡献率；是第i类土地利用类型在研究期内的生态服务价值变化量；i为土地利用类型。

3 结果及分析

3.1 武汉市土地利用时空变化分析

3.1.1 土地利用结构变化

目前，武汉市主要地类为耕地，主要分布在人造地表的外围，随时间分布趋于破碎；其次为水体，以长江、汉江以及梁子湖、斧头湖、汤逊湖等大型湖泊为主；林地占9.8%，主要分布在黄陂区北部、新洲区东北部；人造地表占17.9%，主要分布在长江、汉江交汇处。2000—2020年武汉市土地利用变化见表2，土地利用类型分布见图1。可知，20年间，面积缩减的地类包括耕地、林地、湿地、水体，其中林地减少最多（445.1 km2），耕地和水体分别减少了50.4 km2、298.7 km2，人造地表净增加量最大（927.6 km2），比例由7.1%上升至17.9%。

武汉市各地类具有明显的时间变化特征。具体表现为：耕地总量在减少，2000—2010年耕地面积增加361 km2，2010—2020年大幅度减少411.3 km2，原因是前期武汉市政府积极推进高产农田建设，稳定提高耕地数量，为维持耕地数量平衡作出了一定的贡献。人造地表面积增加，净增927.6 km2，这和武汉市借助国内经济地理中心，发挥水陆空综合运输中心、汽车产业、长江经济带基础设施等功能关系密切。林地、水体面积大幅度减少；湿地、裸地和草地面积的绝对变化量较小。

武汉市土地利用转移主要由耕地转向人造地表。具体来看，耕地转化为人造地表（628.23 km2，占74%），空间上表现为人造地表由中间向四周扩张侵占耕地；其次，耕地的重要流向为林地（103.33 km2，

占12%），这主要是武汉市实施退耕还林工程，主要位于城区和梁子湖等湖区。林地转移到耕地

（282.27 km2），水体总量转化为耕地（355.95 km2）。

林地转向耕地、水体转向耕地的总量两者之和，与耕地转向人造地表总量保持相对一致，说明武汉市耕地数量的维持来源于占用林地和填补水体，人造地表来源于耕地指标的置换（见表3）。

3.1.2  土地利用动态度

土地利用动态度结果（见表4）表明：①武汉市20年土地利用综合动态度为15.90%，说明20年间，武汉市土地利用综合动态度呈现加速趋势。②从单项地类来看，人造地表的动态度（7.60%）远高于其他用地类型，表明城市建设活动处于活跃期，尤其是2010—2020年期间。从城镇化率来看，2020年武汉市城镇化率为62.89%，比2010年提高13.19%，也印证了这一规律。

3.2 武汉市生态系统服务价值变化

3.2.1 生态系统服务价值变化

20年来，武汉市生态系统服务价值减少，降低了21.23%。从2000年的67.03亿元减少至2020年的52.8亿元。从单项上看，水体是武汉市ESV的主体，约占40%，其次是耕地，约占30%。从各地类ESV变化看，耕地ESV变化量较小，表明20年来，武汉市耕地数量保持相对稳定的状态，2000—2020年间，建设项目占用耕地面积，同期补充相应的耕地面积，实现了耕地占补平衡的目标。综上，影响武汉市生态服务价值变化的关键因素不是耕地，而是水體、林地和湿地（见表5）。

从单项服务价值（见表6）来看，武汉市水文调节的价值在生态服务总价值始终占据一定规模，约占68%，其次是水资源供给，约占10%，这与武汉水系发达、水资源丰富的特征密切相关。随着武汉市水体面积的大幅减少，单项的水文调节、水资源供给功能价值总量下降，引起土壤保持、美学景观功能价值快速下降。

3.2.2  各地类对生态系统服务价值变化的生态贡献率

2000—2020年，水体对生态系统服务价值变化的贡献率最多，为42.75%，林地次之，贡献率为39.5%。水体、湿地、林地三者生态贡献率之和在98%左右，表明水体、湿地、林地的生态系统服务价值变化量对研究区总生态系统服务价值变化量影响较大（见表7）。

4  结论

（1）2000—2020年，土地利用结构发生显著变化，耕地、林地、水体大量减少，人造地表大幅增加。林地转向人造地表和耕地，水体转向耕地和人造地表，耕地转向人造地表和林地，表明武汉市耕地数量的平衡来源于占用林地和填补水体，人造地表大部分来源于耕地指标的置换。

（2）2000—2020年，土地利用动态度为15.9%，其中人造地表的土地利用动态度为7.62%，远超其他地类，表明城市建设活跃，尤其是2010—2020年是急剧加速时期，与此阶段城镇化率迅速提高13.19%相互印证。

（3）2000—2020年，武汉市生态系统服务价值呈现下降的特征，其构成主体为水体、林地及耕地；单项生态服务价值以水文调节和水资源供给为主。水体面积的减少，是武汉市生态系统服务总价值减少的主要原因。水体的生态贡献率最大，其次是林地、湿地，三者之和超过90%，是武汉市ESV变化的主要贡献因子和敏感因子。

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Temporal and Spatial Changes of Land Use and Ecosystem Service Value in Wuhan City from 2000 to 2020

Chen Qianqian

（Shanghai Investigation，Design & Research Institute Co.，Ltd.，Shanghai 200050，China）

Abstract：The relationship between land use and ecosystem service value are revealed by studying the land use change，ecosystem service value，land use dynamic degree and ecological contribution rate in Wuhan from 2000 to 2020. Results unveil that：1）The land use structure in Wuhan changed significantly，mainly reflected in the conversion from water bodies and woodlands to cultivated lands，and from cultivated lands to artificial surface remarkably. The requisition-compensation balance of cultivated land is a process of artificial surface occupying water bodies and woodlands. 2）In the past two decades，the comprehensive dynamic degree of land use in Wuhan showed an accelerating trend. 3）The total value of ecosystem services presented a downward trend resulted from the reduction of ecological service value of water body，wetland and woodland，which are also major factors of ecological contribution rate.

Key words：Wuhan City；land use；ecosystem service value；ecological contribution rate