基于土地利用的杭州市生态系统服务价值时空动态*

孔 琳 苏世伟

(南京林业大学经济管理学院,江苏 南京 210037)

生态系统服务价值(ESV)是指自然界各生态系统及其物种互动作用而直接或间接提供给人类的服务价值。作为经济繁荣、社会发展的重要载体,土地利用情况对全球生境、生物多样性都有显著影响,是衡量生态文明建设程度的重要要素[1]。土地结构的改变牵动着生态系统及其内部生物作用的变化,继而影响其服务功能及价值[2-4]。因此,基于土地利用开展ESV研究,有利于掌握区域自然资源分布情况并直观展现其经济价值,为生态建设提供理论依据和参考。

ESV的研究方法分为两类,一类是功能价值法[5],主要利用模型指标估算生态系统服务的物质量,再将其进行货币化计量[6]；另一类是当量因子法,由COSTANZA等[7]10提出,后经谢高地等[8]1245修改,得到普遍认可。国内学者对特定土地类型的生态系统服务功能开展了很多研究工作,例如王德旺等[9]估算了辽河干流的ESV；吴素文等[10]对海洋生态系统服务功能的分类进行了改良。部分学者对某些地域的ESV进行了分析讨论,例如郑晓奇等[11]分析了环渤海地区的ESV动态；向勤等[12]探讨了乌鲁木齐市土地变化过程中ESV的演变。目前将城市ESV的变化和城市建设进程相互映照、精确比对的研究较少。

杭州市的新时代发展离不开良好的自然环境,然而,在加速推进城市化的进程中,杭州市土地管理职权分散,统计数据口径不一,对土地的系统性考虑欠妥,割裂了山水林田草的有机整体；此外,杭州市对自然资源的重视主要体现在对生产能力的保护,缺乏对生态系统整体性的维持。本研究选取杭州市2000—2020年5期遥感影像,对20年间土地利用情况进行分析,利用调整后的ESV当量因子,结合城市化建设进程,分析杭州市ESV时空动态并对其未来的可持续发展提出建议。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究区概况

杭州市位于浙江省北部,地处钱塘江下游,土地总面积16 850 km2,是长江三角洲经济发展速度最快的城市之一。杭州市地处亚热带季风区,全年平均气温18.3 ℃,雨水丰沛,平均湿度70%；夏季高温湿润,冬季低温干燥；东面地势平坦,水系稠密,湖水多,西面为丘陵地带,天目山是主峰。因山水湖河自然交融的环境,杭州市素有“人间天堂”的美名。2020年,杭州市人口达1 194万人,城镇化率近80%,地区生产总值达到16 106亿元。

1.2 数据来源与处理

研究所需2000、2005、2010、2015、2020年5期土地利用数据主要来自分辨率为30 m的Landsat系列卫星监测影像。利用ArcGIS 10.7裁剪研究区域影像,参考中国科学院提供的土地利用分类系统,将杭州市24种土地利用二级类型重分类为草地、耕地、建设用地、林地、水域、未利用地6大类,再将栅格影像转面后进行一级类融合,获取杭州市土地利用面积数据。农业经济相关数据来源于2000—2021年的杭州统计年鉴、中国农村统计年鉴、全国农产品成本收益资料汇编等。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用动态度

土地利用动态度代表研究区域某种土地类型在研究时段内面积的增加或减少速度,数值绝对值越大,代表其变化速率越快,计算方式为：

(1)

式中：K为某一土地类型的年动态度,%；Ua、Ub分别为此土地类型期初、期末的面积,hm2；T为研究时段,a。

1.3.2 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵能够以矩阵形式列出一段时间前后不同土地类型的转换关系,反映土地利用结构的改变情况,因此本研究选用土地利用转移矩阵研究不同土地类型之间的转化趋势及程度。

1.3.3 ESV计算

以COSTANZA等[7]10和谢高地等[8]1245的研究成果为基础,结合杭州市的经济发展情况进行修正,对杭州市不同类型的土地ESV进行计算,计算方式为：

(2)

(3)

式中：E为总ESV,元；Vm为第m种土地类型单位面积提供的ESV,元/hm2；Am为第m种土地类型的面积,hm2；n为土地类型的种类；Ef为单项ESV中的第f项,元；Vm,f为第m种土地类型单位面积提供的第f项ESV,元/hm2。

以单位面积农田粮食作物经济价值的1/7作为一个当量因子的价值；研究区域主要粮食作物2000—2020年的平均产量为4 466.46 kg/hm2；根据2020年全国粮食平均收购价,消除年间价格变动影响,最后得到研究区一个当量因子的价值为2 099.68元/hm2。结合杭州市各生态系统二级分类的实际分布情况,以谢高地等[8]1245修正的中国ESV当量为基础,加权计算获取研究区域生态系统一级分类价值当量(见表1)；参考刘莹等[13]的研究,建设用地的服务价值暂不计算在内；最终获得调节后的杭州市ESV当量表(见表2),较为符合研究区域的实际情况。

表1 杭州市ESV当量取值调整Table 1 Adjustment of ESV equivalent in Hangzhou

表2 杭州市单位面积ESV当量Table 2 ESV equivalent per unit area in Hangzhou

1.3.4 生态贡献率

生态贡献率是指某土地类型在特定时间跨度内的ESV变化在总ESV变化量中的占比,可体现研究区ESV的主要贡献因子及敏感因素,计算方式为：

(4)

式中：Sm为第m种土地类型的生态贡献率,%；Em为第m种土地类型在一定时间内的ESV变化量,亿元。

2 结果与分析

2.1 杭州市土地利用变化

杭州市2000—2020年的土地利用情况如表3所示,研究期间林地为主要土地类型,占总面积的60%以上；其次是耕地,占总面积的20%左右,主要分布在东北部的原萧山区、原余杭区与原江干区,沿钱塘江流域连绵延伸,在其他区县零散分布；水域占5%左右,主要是原萧山区的钱塘江,经富春江、新安江流入淳安县的千岛湖；建设用地占比在3%以上,主要集中在东北部的原上城区、原下城区和原拱墅区,并破碎分布于杭州东南部,后期沿水域和耕地逐渐扩张；未利用地最少,占比不到1%。

表3 杭州市2000—2020年土地类型面积Table 3 Land use type area in Hangzhou from 2000 to 2020

从20年间的土地利用变化来看,杭州市总体林地面积、耕地面积呈下降趋势,水域面积先增后减,建设用地面积呈现增长趋势,草地和未利用地面积呈现波动变化。与2000年相比,2020年耕地面积从3 441.99 km2持续减少到2 900.63 km2,占比从20.43%降低到17.22%；建设用地面积从548.22 km2增加到1 259.59 km2,占比提高了4.23百分点,表现为显著提高；水域面积减少61.72 km2,林地面积减少117.94 km2；草地和未利用地的面积各增加了7.20、2.48 km2,波动较小。

分析土地利用动态度(见表4)可知,不同时期的耕地动态度均表现为负值,持续下降趋势至2020年未有扭转；林地和水域呈现轻微下降趋势；整体来看,土地利用变化速率为建设用地>未利用地>耕地>水域>草地>林地,且在各阶段统计数据中,建设用地土地利用动态度均为正值,代表杭州市在这20年间积极持续进行城市化建设；分期的分析结果表明,2000—2005年是杭州市土地利用变化最大的时期,综合动态度为24.47%,是20年内综合动态度的2倍、中国同期土地综合动态度(2.44%)的10倍[14],这主要是因为建设用地的动态变化,表明杭州市城市建设急剧加速。

表4 杭州市2000—2020年土地利用动态度Table 4 Dynamic degree of land use in Hangzhou from 2000 to 2020

分析土地利用转移矩阵可知(见表5),20年间杭州市向外流出的土地以耕地为主,610.69 km2转移为建设用地,占其总转出面积的81.33%,这证实了杭州市的城市化建设对耕地的侵占,且随着城市交通系统的推进,耕地在空间上也逐渐被割裂呈现破碎化态势。林地的变化方向主要是耕地,其转出值高于转入值,这是因为萧山、余杭两地由市改区后,内部大量林地被推平,随之进行了农田建设；而随着“旅游西进”战略的进一步推行,2003年杭州正式实施“退耕还林”政策,林地的减少趋势又有所遏制。草地的主要流转方向为林地,转入面积稍高；大量水域则流向耕地,转为耕地的面积为86.59 km2,高于水域其他转出面积之和,主要流入则源于耕地的47.85 km2；未利用地的变化量极小。

2.2 各土地类型的ESV

杭州市2000—2020年不同土地类型的ESV如表6所示。20年间杭州市土地的总ESV大幅减少,减少了20.706亿元,变化率为-2.983%。林地是ESV的主要贡献土地类型,占总ESV的70%左右,其次是水域和耕地,3种土地类型ESV整体呈减少趋势。水域的ESV变化量最大,减少了11.509亿元,这是由于水域的ESV当量较大,因而即使面积变动量不是最多,引发的ESV变动却最大；未利用地的ESV变化率达到了69.403%,这是因为未利用地最初的面积很小,轻微增长即呈现出最高的变化率。林地ESV占比最大是因为其面积所占比例始终稳定在最高。

2000—2020年,杭州市单项ESV以水文调节和气候调节为主,土壤保持、生物多样性次之(见表7)。20年间,单项ESV大体出现降低,降低最多的是水文调节,变化量为-9.380亿元,变化率为-4.263%,这主要是水域面积的减少所致；其次为气候调节(变化量为-2.142亿元)和土壤保持(变化量为-1.927亿元)；食物生产的变化量虽然不突出,但变化率(-8.040%)绝对值最大,与耕地面积持续减少的情况相对应。

表5 杭州市2000—2020年土地利用转移矩阵Table 5 Land use transfer matrix in Hangzhou from 2000 to 2020 km2

表6 杭州市2000—2020年各土地类型ESVTable 6 ESV of various types of land use in Hangzhou from 2000 to 2020

2.3 ESV空间变化

利用ArcGIS 10.7软件,采用自然间断点分级法将研究区域不同土地类型的ESV按照从低到高分为5个等级,并进行空间可视化呈现。如图1所示,2000—2020年,杭州市的ESV整体表现为由西南向东北逐渐降低。ESV的极高值和高值主要分布在千岛湖区域和钱塘江流域,水资源充裕,土壤肥沃,生物资源丰富；ESV的中值主要集中在富春江、新安江流域,江水流经富阳区、桐庐县、建德市,周边多围绕耕地和零碎的建设用地；中部区域ESV整体表现为低值,面积最大,该区域有较高的森林覆盖度,耕地、草地和建设用地破碎分布；ESV极低值主要在东北部,且存在扩大迹象。这部分区域主要集中在杭州市主城区和原余杭、原萧山两区,并向富阳区和桐庐县延伸,是工业和制造业发展的必要空间。

表7 杭州市2000—2020年单项ESVTable 7 Individual ESV in Hangzhou from 2000 to 2020

注：ESV由低到高5个等级依次称为极低值、低值、中值、高值、极高值。

从格局演变的角度观察,20年间,杭州市ESV整体降低,但其空间结构较为稳定。东北部边缘的ESV高值区域在2010年出现明显缩小,这主要是由于杭州市推进实施“一主三副六组团”方向的城市化建设,虽然未见对天然水体有明显损害,但原萧山区大量滩涂转为耕地和建设用地,同样造成了水域面积的减少,因而相应区域的ESV出现了明显的极高值转极低值。

2.4 生态贡献率

如图2所示,杭州市2000—2020年对ESV变化贡献最大的是水域(54.33%),林地(23.03%)和耕地(21.52%)次之；草地的生态贡献率为1.11%；未利用地的生态贡献率最低,为0.02%。从不同时期来看,水域在2005—2010年的生态贡献率最高(88.00%)；其次是2010—2015年耕地的生态贡献率(68.27%),这主要是耕地面积的降低造成的。由于林地、耕地、水域的流出和流入量都较多,且服务价值变动幅度较大,生态贡献率之和高达98.88%,故这3种土地类型是杭州市ESV变化的主要敏感因子。

图2 杭州市2000—2020年各土地类型生态贡献率Fig.2 Ecological contribution rate of various types of land use in Hangzhou from 2000 to 2020

3 讨 论

杭州市因运河而繁荣,以西湖为唯一中心集聚发展,但市区面积狭小,丰富的山水资源反而成为了经济增长的障碍[15]。为解决发展难题,杭州市在2001年进行了一次行政区划的重大调整,萧山、余杭由市改区,市区面积增加为原来的四倍多,人口增加一倍以上；以钱塘江作为轴线,多个中心组团建设,成功由“西湖时代”迈进了“钱塘江时代”；江东工业园区、前进工业园区、临江工业园区的筹建依次开始,这也是2000—2005年大量耕地流失的主要原因；2005—2010年,经批复,大江东产业集聚区正式成型,工业和新制造业有了更广阔的发展空间,钱塘江流域的滩涂面积却因此遭到侵蚀,部分水域转为耕地和建设用地,耕地则被交通线路进一步割裂破碎,导致2005—2010年的水域ESV和总ESV出现大幅下降；2010—2015年,撤销富阳市,设立富阳区,杭州综合交通系统基本建成,除耕地持续转为建设用地外,其他土地类型变化不大,ESV减少2.023亿元；2015—2020年,为保护耕地,杭州市开展了永久基本农田划定工作,开始“田长制”试点,健全了耕地保护补偿机制；然而临安撤市设区,大江东产业集聚区联合经济技术开发区合并为钱塘新区,杭州市区总面积和人口持续增加,耕地仍持续转为建设用地，相比2010—2015年,耕地减少趋势虽有些许减缓,但仍未真正得以扭转,ESV持续下降。

本次研究仍存在一定的不足,如单位面积价值当量的选取存在较大主观性,尚未有一套标准、全面的参数体系可供利用,因而研究虽能体现区域的纵向动态,却难以借此进行精确的横向对比。此外,研究中的ESV主要考虑当量因子和粮食市场,缺少对人们支付意愿和社会因素的考量；建设用地的扩建应当也会对生态系统造成一定影响,研究尚未能对此进行准确衡量,存在一定局限性。

4 结 语

(1) 2000—2020年,杭州市土地结构发生显著改变,建设用地面积增加一倍多,严重压迫耕地空间；水域、林地面积下滑,草地、未利用地波动较小。2000—2005年土地利用综合动态度最大,是杭州市城市化建设最快的时期。

(2) 2000—2020年,杭州市ESV大幅下降了20.706亿元,其中水域的贡献占50%以上,林地、耕地次之。单项ESV以水文调节和气候调节为主,反映出水域水土调节能力的重要性。为了在建设用地的挤压下保证粮食产出,耕地侵占水域、林地,不仅造成水文调节服务价值的急剧下滑(变化量为-9.380亿元),也未能维持其应有的食物生产服务价值(变化率为-8.040%)。

(3) 2000—2020年,杭州市的ESV在空间上整体表现为由西南向东北逐渐降低。高值集中在西南和东北的水域区域,中值分布在中部的林地区域,低值长期聚集在东北城区,且有扩大趋势。

(4) 研究期内,杭州市行政区划多次发生巨变,建设用地迅速增加,侵蚀耕地和水域空间,生态环境的整体服务价值不断下滑。建议杭州市在未来迈向现代化国际大都市的同时,更加重视其得天独厚的自然山水资源,遏制城市无序发展,提高资源优化配置能力,加强对水源地和生物多样性的保护,恢复水文调节能力；严守耕地底线,大力宣传推行耕地补偿措施,扭转耕地减少的趋势,促进破碎耕地的集中成片经营[16],提高耕地的单位产出效率[17]。生态服务功能是现代文明发展的基石,如何在维持生态文明可持续发展的前提下,快速推进城市工业化发展,是值得城市长远考虑的问题。