基于土地利用变化的抚州市生态系统服务价值变化研究

万见怡, 刘平辉, 朱传民

（1.东华理工大学地球科学学院, 南昌 330013；2.江西省数字国土重点实验室, 南昌 330013）

随着近年来经济飞速发展, 人地关系愈加紧张, 随之带来了许多生态环境问题, 阻碍了区域发展, 破坏了生态环境的完整性。生态系统服务价值是指将整个自然环境中生态系统给人类提供的功能与产品的价值通过经济价值进行衡量[1］。通过测算生态系统服务价值来明确区域的生态环境状况, 能够为当地资源集约利用提供科学依据, 有利于区域的可持续发展。土地利用是指人类基于自身的需求, 遵循一定的经济、社会目的, 对土地资源进行长期性或周期性的人工改造, 是将土地从自然资源转换为人工资源的过程[2］。土地利用变化是人类活动直接影响自然环境的结果, 自然环境又包含了生态环境, 因此, 基于土地利用变化构建生态系统服务价值计算模型能够有效且科学地反映当地的生态环境状态。1970 年Wilson 等[3］第一次对 “生态环境服务” 的定义做出了正式的解释。1977 年Westman[4］提出了生态系统服务功能的基本概念及如何评价一个地区的生态系统服务价值的重要问题。1997 年Costanza 等[5］第一次对全球整个不同生态功能进行划分并对其价值进行计算, 并为生态系统服务价值的具体研究提供了更加科学合理的计算形式。为了能够消除区域上的差异性, 谢高地等[6］对国外研究内容进行区域性修正, 基于大量研究工作以及问卷调查提出适用于中国的生态系统服务价值当量系数表。也有许多国内学者对土地利用变化与生态系统服务价值之间的关系进行了研究。张晓瑶等[7］在对深圳市土地利用以及生态系统服务价值的变化特征的研究基础上, 运用FLUS 模型模拟处于不同保护情景下土地利用变化对生态系统服务价值的影响。罗继文等[8］通过考虑区域性的社会因素以及不同生态系统含生物量的因素对生态系统服务价值计算模型进行优化改进, 不仅总结其土地利用变化规律, 且具体分析了土地利用变化特征对研究区的总体生态系统服务价值的影响因子, 结果表明生态系统服务价值减少的原因是由于建设用地大量占用了耕地与围海填地。

抚州市作为国务院确定的海峡西岸经济区内城市之一, 同时也是江西省的重要主体生态服务区, 森林覆盖率达66.3%, 生态价值高, 但由于抚州市经济的快速发展以及城市化的快速推进, 加剧了抚州市土地类型的变化, 如何平衡土地利用与生态环境保护之间的关系是现今急需解决的重要问题。本研究以抚州市2010—2020 年的国土调查数据以及中国生态系统服务价值系数表为基础, 通过生物量修正系数以及社会经济修正系数, 分析抚州市土地利用变化以及生态系统服务价值变化时间与空间的分异特征, 以期为抚州市的生态文明建设以及可持续发展提供更加科学以及精确化、量化的参考。

1 研究区概况

抚州市位于江西省东部, 地处北纬26°29′—28°30′、东经115°35′—117°18′, 下辖2 区9 县。南北长约222 km, 东西宽约169 km, 总面积1.88 万km2。地势南高北低, 是典型的丘陵地貌, 降雨量较大, 光热条件好, 一年四季气候分明, 属于典型的季风气候区。2020 年抚州市国内生产总值达1 572.51 亿元, 较2019 年增长了3.70%, 常住人口共361.53 万人。

2 数据来源

选取2010 年和2020 年的土地利用现状变更或国土调查变更数据作为本研究的土地利用数据源。由于抚州市境内存在大量果园, 结合这一特点将土地利用类型分为耕地、园地、林地、草地、湿地、水域、建设用地和未利用地8 种进行分析与讨论。抚州市2010 年、2020 年的社会经济数据来源于2011 年、2021 年的《抚州市统计年鉴》《江西统计年鉴》《江西省水资源公报》和《全国农产品成本收益资料汇编》。

3 研究方法

3.1 土地利用变化分析

3.1.1 土地利用单一动态度 采用土地利用单一动态度（R）[9］表示抚州市2010—2020 年的土地利用变化强度,R越大, 表示这一土地类型变化强度越大, 且R为正值时为正向增长趋势, 为负值则为负向增长趋势。具体表达式如式（1）所示。

式中,Sa、Sb分别为研究期基期以及末期某一种土地利用类型的面积；K代表研究时间长度, 以年为单位。

3.1.2 土地利用转移矩阵 采用土地利用转移矩阵从数量的变化上分析抚州市2010—2020 年的8 种土地利用类型相互之间的数量变化以及主要转移方向[10］。具体表达式如式（2）所示。

式中,Sxy表示在2010 年第a种土地类型在2020年转换为第b种土地利用类型的面积；a、b分别表示第a种或第b种土地利用类型。

3.2 生态系统服务价值测算

通过单位面积当量因子法、影响因子系数修正以及建设用地负向价值计算的研究方法对抚州市生态系统服务价值系数表进行调整修正, 根据土地利用类型的面积计算出不同土地利用类型、不同生态系统服务功能的生态系统服务价值, 具体计算见式（3）、式（4）。

式中,ESVi为抚州市第i种土地利用类型的生态系统服务总价值；Si为第i种土地利用类型的面积；Vi为第i种土地利用类型修正后的生态系统服务价值系数；ESVa为第a项服务功能的总价值；Va为第i种土地利用类型的第a项服务功能的价值[11］。

3.2.1 单位面积价值当量因子法 以谢高地等[6］改进后的中国单位面积生态系统服务价值当量表为抚州市不同土地利用类型标准当量因子的基础, 根据抚州市土地利用特点, 参考文献[12］增加园地地类, 以单个标准生态系统当量因子的经济价值等于该研究区区域1/7 的单位面积耕地粮食产值[8］作为确定抚州市的标准当量因子的经济价值的方法, 通过式（5）计算得出抚州市单个生态系统服务价值当量因子的经济价值为1 823.90 元/hm2。

式中,E为一个标准当量因子经济价值；P为抚州市平均粮食出售价格；Qi为抚州市第i年主要粮食的平均产量（取2010 年、2015 年、2020 年）；n为年份数。

3.2.2 生态系统服务价值影响因子修正 研究区域生态系统中的生物量以及社会经济情况会影响到生态系统的生态功能价值[13］, 为了能够让研究结果更加贴合抚州市实际状况, 本研究参考文献[14］引入生物量因子以及社会经济因子进行修正。其中, 生物量因子参考谢高地等[15］的研究, 其生物量因子修正系数为1.51。社会经济因子修正系数可以在一定程度上表征当地的社会经济因素对生态系统服务价值的影响, 由于抚州市经济水平与全国平均水平有较大差异, 本研究对研究区区域支付能力系数以及支付意愿系数同时进行修正。

式中,Kn为第n年的社会经济因子修正系数；Pn为抚州市第n年修正后的支付意愿系数,Rn为抚州市第n年修正后的支付能力系数；Wns为抚州市支付意愿参数；Wg为全国支付意愿参数；W为支付意愿参数；x为社会发展阶段系数, 一般通过恩格尔系数进行表达；a、b取值为1；ELn为第n年的抚州市恩格尔系数；ELcn为研究区第n年的抚州市城市恩格尔系数；Pecn为抚州市第n年城市人口与区域总人口的比例；ELrn为抚州市第n年的农村恩格尔系数；Pern为第n年抚州市农村人口与区域总人口的比例；gdpn为抚州市第n年的生产总值；pon为抚州市第n年的总人口数量；GDPn为全国第n年的生产总值；Pon为全国第n年的总人口数量[8］。计算出的2010 年和2020 年抚州市社会经济因子修正系数见表1。

表1 2010 年和2020 年抚州市社会经济因子修正系数

建设用地作为人类对自然环境改造的结果, 对生态环境起着很大的负面影响作用, 特别体现在水文调节以及净化环境生态系统服务功能上。参考文献[12］使用替代成本法以及污染防止成本法对建设用地的负向价值进行计算, 通过统计年鉴以及《江西省水资源公报》获取居民家庭用水量及平均水价、工业用水量及平均水价、工业固体废物产生量、人均垃圾产生量、工业固体废物处理价格以及居民生活垃圾处理价格, 结果分别除以建设用地面积, 得出抚州市水文调节价值为-7 469.68 元/hm2, 净化环境价值为-5 010.62 元/hm2。

综上得出2010 年和2020 年抚州市生态系统服务价值系数（表2、表3）。

表2 2010 年抚州市生态系统服务价值系数 （单位：元/hm2）

表3 2020 年抚州市生态系统服务价值系数 （单位：元/hm2）

3.2.3 生态系统服务价值贡献率计算 为了能够更加清楚地表达各类土地利用类型对抚州市区域内生态系统服务价值做出的贡献大小, 通过式（12）计算不同土地利用类型的贡献率。

式中,Rit为抚州市在第a年至第b年第i种土地利用类型对总生态系统服务价值的贡献程度；ESVia与ESVib分别为第a年、第b年第i类土地利用类型的生态系统服务价值。若Rit＞0, 则表示该项生态系统服务功能价值的变化方向与抚州市总生态系统服务价值的方向一致, 若Rit＜0, 则反之[8］。

3.2.4 生态系统服务价值热点分析 通过找到抚州市研究期内不同研究时间段生态系统服务价值变化的冷热点区域, 可以看出受到不同土地利用类型变化影响的生态系统服务价值的变化强度, 通过Arc-GIS 中的热点分析工具进行处理, 得出抚州市的生态系统服务价值增值热点区以及损失冷点区, 具体公式如下。

式中,Gi*为某个网格与周围网格的生态系统服务价值变化量高值或低值在空间上发生聚类的显著性变化值；xi为要素i的属性值；wij为要素i和j之间的空间权重（相邻为1, 不相邻为0）；n为取样的样品数；x为要素的平均值；S为标准差。Gi*为正, 表示该单元网格为生态系统服务价值变化量的增值热点区, 且Gi*越大, 增幅越大；Gi*为负, 表示该单元网格为生态系统服务价值变化量的损失冷点区,Gi*越小, 减幅越大；Gi*为0, 表示关联性不显著区域[11］。

3.2.5 生态系统服务价值聚类与异常值分析 通过对生态系统服务价值变化值的聚类与异常值分析来弥补冷热点在空间上分析的不足, 可以从空间上分析抚州市生态系统服务价值变化值的聚集特征[11］, 通过ArcGIS 中聚类与异常值分析工具得到抚州市生态系统服务价值变化高值区与低值区的空间位置上的边界以及变化值异常的位置, 具体公式如下。

式中,LISAi为i网格中的生态系统服务价值变化量与周围网格变化量的相似性以及在空间上的集聚程度的分值；Wij为单元i与单元j之间的空间权重矩阵；xi为单元i的属性值；x为所有属性值的平均值；n为区域单元的总数。LISA为正, 表示该单元网格与周围网格的变化值均为高值或低值, 分别代表HH、LL 空间聚集类型；LISA为负, 表示该单元网格变化值与周围网格的变化值相反, 也称为具有统计显著性的空间数据异常值, 若低值围绕高值则为HL空间聚集类型, 反之为LH 空间聚集类型；LISA为0表示区域关联性不显著[11］。

4 结果与分析

4.1 土地利用变化

4.1.1 土地利用面积变化分析 由表4 可知, 抚州市2010 年土地利用类型现状面积占比由大到小依次为林地、耕地、园地、建设用地、水域、草地、湿地、未利用地；2020 年建设用地面积超过园地, 排在第三。2010 年、2020 年抚州市林地与耕地面积占比最大, 面积占比之和超过80%, 未利用地占比最小, 均小于0.3%。2010—2020 年抚州市耕地面积减少量最大, 期间共减少了74 047.05 hm2, 单一动态度为-1.95%/年, 未利用地、草地和湿地面积均呈下降趋势, 单一动态度分别为-8.60%/年、-7.73%/年、-6.58%/年；建设用地面积增加最多, 新增面积为44 591.87 hm2, 单一动态度达5.56%/年, 水域、园地和林地面积呈增长趋势, 单一动态度分别为5.02%/年、2.52%/年、0.11%/年。总体来说, 随着抚州市社会经济迅速发展, 设立了国家级经济开发区, 吸引了大量人口与企业, 对建设用地的需求量剧增。从图1 可以看出, 分布在抚州市各区县的城镇中心区域的建设用地范围明显向外扩张, 耕地范围逐渐缩小并且呈现破碎化特征。

表4 2010—2020 年抚州市土地利用类型面积变化

图1 2010—2020 年抚州市土地利用现状变化

4.1.2 土地利用面积转移矩阵分析 通过ArcGIS软件将2010 年和2020 年土地利用数据进行相交分析得出抚州市2010—2020 年的土地利用转移矩阵（表5）。土地转移方向主要以草地和耕地转为林地、耕地和林地转为建设用地为主。整个研究期内抚州市耕地的转出面积最大, 面积为103 462.90 hm2, 耕地主要转出为林地、水域、建设用地和园地。耕地转为林地的原因之一是受 “退耕还林” 的国家政策的影响, 许多质量低、种粮条件差、坡度较高的耕地被恢复为森林植被；二是抚州市南丰县有 “世界橘都” 之称, 百姓大量种植橘树并以此作为主要经济来源, 导致许多耕地改为种植橘树, 耕地大量转为园地以及林地。大量耕地转为水域的原因是由于抚州市近年来正在建设以廖坊水利枢纽工程为代表的大小水利工程项目, 占用了水库周围的耕地, 同时随着抚州市土地结构的优化以及土地开发整理工作的推进与完善, 沟渠面积也大量增加。大量耕地转为建设用地是因为十二五、十三五期间抚州市经济迅速发展, 加快融入大南昌都市圈速度, 加快建设南昌大都市副中心城市, 期间新设立了国家级高新技术产业开发区, 加大抚州市开发建设力度, 大量耕地转为建设用地。建设用地转出面积为15 994.58 hm2, 以村庄与采矿用地转为林地或耕地为主, 主要原因是为盘活村庄附近存在大量闲置建设用地以及废弃的砖瓦窑等采矿用地, 将其恢复为耕地以及林地, 可以提高抚州市土地利用效率；建设用地转入面积为60 586.45 hm2, 林地与耕地为最主要的转入地类, 抚州市林地面积占比大, 在建设用地的扩张过程中无法避免会被占用。

表5 抚州市2010—2020 年土地利用转移矩阵 （单位：hm2）

4.2 生态系统服务价值的变化

4.2.1 不同土地利用类型ESV变化 根据抚州市2010 年和2020 年两期的土地利用数据, 从不同土地利用类型的生态系统服务价值出发, 通过式（3）和式（4）得出抚州市2010 年、2020 年各土地利用类型生态系统服务价值, 分析其变化规律及以及不同土地利用类型对整个抚州市生态系统服务价值的贡献情况。由表6 可知, 2010—2020 年抚州市的生态系统服务价值总体为正向增长, 共增值136.68 亿元, 林地以及水域是主要增值来源, 分别贡献了72.69 亿、67.11 亿元, 贡献率分别为53.18%、49.10%。建设用地、草地以及湿地是主要减值来源, 分别减少5.56亿、4.03 亿、1.31 亿元。虽然耕地等正向生态系统服务价值的地类大面积减少, 但水域与林地的单位面积生态系统服务价值系数高且面积增量较大, 远远超过了减少的生态系统服务价值。

表6 2010—2020 年抚州市各土地利用类型生态系统服务价值

4.2.2 不同生态系统服务功能ESV变化 从不同生态服务功能角度分析抚州市2010—2020 年生态系统服务价值（表7）, 4 个一级功能的ESV均呈增长趋势, 主要以调节服务为主, 占总价值的比例均超过70%, 变差贡献率达76.59%, 最少的为美学景观服务功能, 占总价值的比例均未超过5%。整个研究期内生态系统服务价值增值的主要来源为调节功能, 共增加104.69 亿元, 这是由于抚州市林地和水域面积较大, 这两种地类在生态系统中主要以调节服务为主, 对抚州市生态系统服务总价值起重要作用。

表7 2010—2020 年抚州市各服务功能的生态系统服务价值

4.2.3 生态系统服务价值时空分异特征 通过Arc-GIS 中的渔网工具将抚州市分为1 km×1 km 的网格进行计算分析, 分别算出单个网格的生态系统服务价值后使用自然断点法进行分级, 其中一级最高、五级最低。从图2 可以看出, 2010 年生态系统服务价值等级为四级分布最广, 高值区主要集中在抚河流域以及临川区、南城县、黎川县以及资溪县水库附近, 低值区主要集中在抚州市各区县的中心城区范围；2020 年较2010 年生态系统服务价值大幅上升, 以三级生态系统服务价值区域大面积增加为主, 差异大的区域面积减少, 生态环境质量差距缩小, 以三级、四级生态系统服务价值为主, 高值区仍处于抚河流域以及水库附近, 呈现向外扩大的趋势, 低值区集中于各县的中心城区。

4.2.4 生态系统服务价值冷热点 以图2 的网格为基础计算2010—2020 年的生态系统服务价值变化量, 通过ArcGIS 中的热点分析获得变化热点图（图3）。由图3 可知, 整个研究期间以增值热点区为主, 主要分布在崇仁县, 临川区、金溪县与南城县的交界处, 南城县与黎川县的交界处, 主要原因是水库水域面积的增加, 周边的生态环境受到较好的保护；损失冷点区主要集中在以临川区、东乡区为代表的各区县的中心城区范围内, 原因是临川区与东乡区是抚州市的中心城区, 经济处于快速发展阶段, 对自然环境的破坏程度较高。

图3 2010—2020 年抚州市生态系统服务价值变化热点分布

4.2.5 生态系统服务价值变化聚类与异常值 以图2 的网格为基础计算2010—2020 年的生态系统服务价值变化量, 通过ArcGIS 中的聚类与异常值分析获得变化值的空间分布（图4）。图4 中HH、HL、LL、LH 分别代表生态系统服务价值高-高聚类、高-低聚类、低-低聚类以及低-高聚类。整个研究期内抚州市生态系统服务价值变化主要以HH 聚类以及LL聚类为主, 分布面积较广, 生态系统服务价值增加剧烈, 其中HH 聚类主要位于临川区、东乡区、崇仁县、金溪县、南城县以及黎川县, 且大面积处于行政边界交界处；LL 聚类主要位于临川区和东乡区中心城区范围内；HL、LH 分布面积少且分散。从以上生态系统服务价值变化值的分布特点能看出抚州市生态环境质量在发展过程中存在不平衡性, 大面积的生态系统服务价值剧烈上升以及剧烈下降。

图2 2010—2020 年抚州市生态系统服务价值空间分异

图4 2010—2020 年抚州市生态系统服务价值变化聚类与异常值分布

5 小结

1）抚州市土地利用类型以林地和耕地为主。2010—2020 年水域与建设用地正向增长幅度最高、面积增量最大, 未利用地、草地和湿地的负向增长幅度较大, 耕地减少面积最大。以草地、耕地转为林地, 耕地、林地转为建设用地的土地转移方向为主。

2）抚州市2010—2020 年生态系统服务价值呈上升趋势, 总体增值136.68 亿元。生态系统服务价值增值热点区与损失冷点区空间分布上存在集聚性, 且以HH、LL 聚类为主, 变化强度较大。

3）本研究使用国土调查数据作为研究区域土地利用变化的基础, 并通过抚州市的社会经济因子修正系数以及生物量因子修正系数优化生态系统服务价值计算模型, 同时增加建设用地部分生态功能的负向生态系统服务价值系数, 使研究结果更加准确。

综上, 虽然抚州市整体的生态系统服务价值呈上升趋势, 但增值区与减值区在空间上分布不均匀, 整个生态环境的协调性与平衡性依然受到了消极影响, 因此需要加强生态功能管控以及完善相关生态环境建设补偿政策, 缩小抚州市区域上的生态质量差距, 注重具有高生态系统服务价值地类的保护, 在现今生态环境基础上合理规划城乡发展方向以及建设用地面积, 保证生态环境与土地利用之间的和谐发展。