宜宾市近20年土地利用变化及其生态系统服务价值的时空效应

何治学　王磊　罗君　刘辉　邓青春　杨海青

摘 要：土地利用变化和生态系统服务价值一直是生态学研究的重点之一。本文基于2000、2010和2020年宜宾市遥感影像图，采用GIS制图和面积转移矩陣等方法分析了2000—2020年宜宾市土地利用变化及其生态系统服务价值时空效应。结果表明：（1）近20年来，宜宾市土地利用类型转换面积以耕地、林地和建设用地为主，建设用地面积增速呈现上升的趋势，2000—2010年与2010—2020年土地利用综合动态度分别为0.32%和0.31%；（2）生态系统服务价值在时间序列上呈现先降低后回升的趋势，总价值从490.64×108元增长到491.24×108元，其中林地、耕地和水域的贡献率最大；在空间分布上，单元格生态系统服务价值主要以中和较高等级区域为主，低等级区域主要集中于宜宾市主城区和南溪区（建设用地为主）。（3）生态系统服务价值聚类分布具有显著正相关性，H-H聚类与H-L聚类的生态系统服务价值增值区域主要分布在耕地转为林地的区域，L-L聚类与L-H聚类的减值区域则主要分布在林地转为耕地与建设用地的区域。本研究通过直观清晰的展现土地利用与生态系统服务价值的时空变化，有助于揭示两种变化之间的关系，并为指导生态环境建设提供科学依据。

关键词：宜宾市；土地利用变化；生态服务价值；时空效应；空间统计

中图分类号：K903 文献标志码：A文章编号：1673-5072（2023）04-0350-08

土地利用和生态系统服务价值（Ecological Service Value，ESV）是对一个地区生态环境质量最为直观的评估［1-3］。ESV的形成受到多种因素的影响，其时空动态变化过程与生态结构和功能密切相关［4-5］。

土地是人类活动最重要的载体，在进行ESV评估时，土地利用的变化可以直观地表现人类活动的规模和强度［6］，是影响生态系统结构和功能最直接的驱动因素之一［3］。土地利用/覆被变化（Land-Use and Land-Cover Change，LUCC）会显著影响区域ESV以及生态敏感性的波动［7-8］。同时，不同地区的地形、地貌和气候等自然条件决定了地区的经济发展和生态治理方向，从而直接影响ESV的变化［7-8］。Costanza等［9］基于16个生物群落估算出了17个生态系统服务的当前经济价值并制定了生态服务价值化评估方法，但该评估方法过于广泛，不同国家在直接运用时经常会出现低估或者忽视了某些ESV的情况，从而导致研究结果的误差较大。于是，Xie等［10-11］在Costanza等［9］的基础上，通过大量走访和问卷调查得出了新的生态系统服务评估体系，并在中国得到了广泛的应用［12-14］。部分研究人员充分考虑生态系统服务的空间异质性，采用InVEST模型进行各项生态系统服务估算［15-16］。土地利用和ESV研究作为生态学研究中的重要一环受到研究者们的广泛关注。这类研究在国家［17］、流域［18］、城市群［19-20］等各尺度区域上成果丰富，但对于建设用地的生态作用研究往往受到了忽视，建设用地的ESV评估需要进一步深入。

由于特殊的地理区位，宜宾市成为国家“五纵七横”交通规划建设中长江东西轴线与南北干线的交汇点，是建设长江上游沿江经济带和川南经济新增长极的重要支撑城市。本研究以宜宾市作为研究区，研究目的包括：（1）揭示2000—2020年宜宾市土地利用和ESV时空变化规律；（2）探究土地利用变化与ESV变化的空间可视化特征，尤其是建设用地变化与ESV的关系。本研究以期为生态文明城市的建设和发展提供科学的参考依据，为制定合理的区域生态环境管理政策奠定理论和实践基础。

1 研究区概况

宜宾市（103°36′—105°20′E，27°50′—29°16′N，图1）位于四川盆地南缘，地处川、滇、黔三省交界处，因金沙江和岷江在此处汇合成长江，而被称为“万里长江第一城”。宜宾市总面积达13 283 km2，下辖3区7县，总人口约551.5万人［21］。该市海拔236～2 008 m，地形呈现西南高、东北低的态势，地貌以中低山地和丘陵为主；水系以长江为主脉，支流共600余条；属中亚热带湿润季风气候，年均气温18 ℃，年均降水量1 050～1 618 mm，雨季集中在5—10月，具有气候温和、雨量充沛、四季分明等特点。

2 数据与方法

2.1数据来源

宜宾市2000和2010年的土地利用类型数据来源于全国地理信息资源目录服务系统（http：//www.webmap.cn）提供的30 m分辨率全球地表覆盖数据，2020年土地利用数据来源于地理国情监测云平台（http：//www.dsac.cn），根据该数据集的分类体系，通过重分类将数据集划分为耕地、林地、灌木、草地、水域、未利用地和建设用地（图1）。粮食播种面积及其净利润数据集来源于四川省粮食和物资储备局（https：//lwj.sc.gov.cn/sclwj/index.shtml）和《中国统计年鉴》。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵全面具体地反映某一区域土地利用变化的结构特征［22］。本文基于宜宾市2000—2020年的土地利用类型变化数据，运用ENVI 5.3制作土地利用转移矩阵［23］。

2.2.2 土地利用动态度

土地利用动态度是反应土地利用类型变化程度的指数，可分为单一动态度和综合动态度。单一动态度指特定区域一定时间范围内某种土地利用类型变化情况［24］，综合动态度指整个区域内所用土地利用的年际变化［25］。

2.2.3 ESV核算

本研究参考谢高地等［26］所修订的ESV当量因子表，将单位面积（1 hm2）的稻谷、小麦和玉米三大粮食的净利润作为1个标准当量因子的ESV量。根据宜宾市实际情况进行ESV系数修正，标准当量因子计算公式为［26］：D=Sr×Fr×Sw×Fw+Sc×Fc，式中，D为1个标准当量因子的ESV量（元·hm-2）；Sr、Sw、Sc分别为研究区稻谷、小麦和玉米播种面积占全国三种作物播种总面积百分比（%）；Fr、Fw、Fc分别为稻谷、小麦和玉米单位面积平均净利润（元·hm-2）。基于公式计算得到宜宾市2000—2020年的标准当量因子为2 524.1元·hm-2。VCk=D×Ek，式中，VCk为k类土地利用类型单位面积的ESV（元·hm-2）；Ek为k类土地利用类型单位面积ESV当量，各土地利用类型的值详见文献［26］的表1。通过以上公式，得到了宜宾市单位面积ESV表（表1）。

再运用表1进行ESV计算，公式为［27］：∑Ak×VCk，式中，ESV为生态系统服务价值（元）；Ak：第k类土地利用类型分布面积（hm2）。然后通过运用GIS软件中的渔网工具，以2 km×2 km格网计算单元格ESV，并结合几何间隔法和自然间断点法将研究区ESV划分成低［0，5×104］、较低（5×104，10×104］、中（10×104，15×104］、较高（15×104，30×104］、高（30×104，∞］5个等级，从而制成单元格ESV空间分布图。

2.3 空间自相关性分析

运用全局莫兰指数（I）［14］和局部莫兰指数（Ii）［14］描述宜宾市不同单元格ESV分布格局的空间自相关性。

3 结果与分析

3.1 土地利用类型变化特征

3.1.1 土地利用结构变化

2000—2020年宜宾市土地利用变化的统计结果图2所示。在这20年间，退耕还林还草和开垦工程同时进行，导致耕地和林地面积发生了巨大变化。耕地主要转出为林地（94 654.98 hm2）和建设用地（12 015.90 hm2），占耕地轉出总面积的85.71%。耕地的转入面积共107 957.97 hm2，主要源自林地（106 327.62 hm2），因为扶贫工作的大力开展，山区林地不断被开垦，变化区域以屏山县与筠连县为主；其次源自水域（1 383.66 hm2），只有少数来源于灌木、草地和建设用地，但草地转出占比最大的是耕地，占47.31%。

3.1.2 土地利用动态度变化

由表2可以看出，2000—2010年，耕地变化量达42 216.84 hm2，林地达-48 456.72 hm2，土地利用单一动态度中最大的是灌木，达到61.53%，最小为水域，仅0.40%，综合动态度为0.32%；2010—2020年。耕地变化量为-45 032.31 hm2，林地为36 398.70 hm2，土地利用单一动态度中最大的是草地，达23.40%，其次是灌木，达-7.59%，综合动态度为0.31%。

3.2 ESV变化特征

3.2.1 ESV时空变化

由表3可知，2000—2020年宜宾市总ESV从490.64×108元增长到491.24×108元，增长率达到0.12%。2000—2010年，宜宾市开垦工程大规模进行，导致林地和草地面积大量减少，生态服务价值也随之急剧降低了21.32×108元。2010—2020年，宜宾市主打退耕还林还草和长江流域沿岸生态修复战略，促使生态环境得到了大幅度的恢复，ESV较2000年有一定的提升。

从不同土地利用类型来看，耕地和灌木的总ESV和各项服务的ESV皆呈现先增后减的趋势，年均变化率分别是-0.02%和2.76%；林地和草地呈现先减后增的态势，年均变化率分别为-0.10%和1.70%；水域总ESV持续增长，年均增长率为0.72%。从不同服务功能来看，ESV中占比最高的是调节服务，达到61.88%，最低的是文化服务，仅占3.90%。各项生态系统服务类型总价值皆呈现先减后增的趋势，其中，调节服务和支持服务价值变化最明显，年均变化率分别为0.04%和-0.07%。调节服务主要来源于林地，其次是水域，这说明调节服务在以林地和水域为主的宜宾市生态系统服务中占主导地位。

由图 3可知，宜宾市单元格ESV主要以中和较高等级区域为主，面积占比达到60%以上。2000—2010年，中和较高等级面积比例减小，低和较低等级面积占比增加；2010—2020年，中、较高和高等级面积比例皆增加。西北部和南部的山区以及三江（长江、金沙江和岷江）流域沿岸地区的ESV较高，以较高和高等级区域为主；中等级区域主要分布在高县、珙县和兴文县；宜宾市主城区和南溪区是低等级的主要集中区域。

3.2.2 ESV空间自相关性

由表4可知，宜宾市2000—2020年各年份及年份差的ESV全局莫兰指数均大于0（P<0.01），说明宜宾市ESV空间分布上具有显著正相关性。2000—2020年莫兰指数呈现持续下降的趋势，说明2000—2020年宜宾市ESV的空间相关性在不断减小。原因在于近年来宜宾市为提升自身的竞争力对土地利用的结构进行了整改，加快宜宾市区南岸、三江新区和南溪区的城市化建设进度以及罗龙工业园区的建设进度，调整了各土地利用类型的面积与分布格局，从而导致ESV分散化。

如图4所示：总体来说，宜宾市以高-高值（H-H）和低-低值（L-L）聚类为主。H-H聚类主要分布在北部和西北部，以屏山县境内金沙江流域和翠屏区为主；L-L聚类主要分布在南部和东部，以叙州区、高县和珙县行政区交界区域、筠连县、长宁县、江安县和兴文县交界区域为主；高-低值（H-L）聚类零散分布在L-L聚类范围中或附近；低-高值（L-H）聚类主要分布在H-H聚类范围内，且以屏山县为主。

3.3 土地利用变化与ESV变化聚类的叠加特征

将宜宾市2000—2020年土地利用变化（图1）与ESV变化聚类（图4）结合分析，结果如图5所示：HH聚类与HL聚类的ESV增值区域具有相似的分布情况，主要分布在耕地转为林地的区域。ESV的增长主要来源于耕地转为林地，增长了45.59×108元；其次来源于耕地转为水域，增长了10.55×108万元，水域面积的增加对生态系统服务功能起到极大的改善作用，仅耕地和林地转为水域就促进ESV增长了11.02×108元。该区域具有优质的生态环境质量，应减少进行规划建设活动，合理控制退耕还林还草工程的推行进度，促使ESV保持稳定的增长速度。

LL聚类与LH聚类的ESV减值区域主要分布在林地转为耕地和建设用地的区域。ESV的减少主要来源于林地转为耕地，减少了51.21×108元；其次来源于水域转为耕地，减少了4.25×108元，建设用地面积的增加以及除建设用地外的其他土地利用类型转为耕地时则会造成生态系统服务功能的降低。该区域生态环

境質量处于持续劣化的阶段，应尽快控制因城市化进度过快而导致建设用地面积迅速增长的情况，大力开展植树造林等活动，推动生态修复工程的进行。

4 讨 论

近年来，宜宾市人口迅速增长、乡村振兴、退耕还林还草和城市化战略大力推进等社会经济因素共同造成了土地利用类型的极速变化［4］。2000—2020年宜宾市土地利用类型的变化主要集中在耕地、林地和建设用地，平均土地利用综合动态度为0.32%。2000—2020年宜宾市ESV整体呈现先降低后上升的趋势，ESV增长了6.12×107元，林地、水域和耕地的贡献率占主要地位，总计在80%以上。ESV的变化与耕地、林地、水域和建设用地面积变化具有显著的相关关系，林地面积的增加是推动ESV上升的主要动力［19，27］。虽然林地和水域面积的增加促使ESV的上升，但同时也导致建筑和耕地等土地类型面积受到了挤压，导致被挤压区域生态环境受到更严重的破坏，使得宜宾市生态环境的平衡性受到了冲击，不利于生态环境的可持续发展，从而形成ESV的空间异质性［20］。因此，应该注重建设用地与各土地类型的协调发展［28］，充分考虑建设用地对ESV的积极和消极作用，和谐各土地类型间的相互影响，减缓宜宾市生态环境受到的冲击，从而有效的改善宜宾市生态环境，提高ESV，推动生态文明城市建设进程。

从ESV时空分布图可以看出，在空间分布上，宜宾市ESV在2000—2010年呈现东北部和南部地区降低的趋势，在2010—2020年呈现全市上升的态势，且西部和南部地区增长量最大。在时间序列上，ESV高值区域面积先减少后增加。因此，在制定生态保护政策时需根据各区域实际情况因地制宜，把握各区域政策力度，从而最大限度提升各区域生态环境质量。且宜宾市ESV在空间聚类分布上表现出以仅增加或仅减少为主，导致宜宾市生态环境的稳定性在城市发展过程中受到了冲击，ESV主要源于调节服务和支持服务，贡献率总计70%以上，各项服务功能间存在着重要的相互作用力［2，8］。因此，后续研究应进一步探究各项服务功能之间的关系，促进各项服务间协调可持续发展，从而保护和维持生态环境的稳定性。

参考文献：

［1］ 魏慧，赵文武，张骁，等.基于土地利用变化的区域生态系统服务价值评价：以山东省德州市为例［J］.生态学报，2017，37（11）：3830-3839.

［2］ 严恩萍，林辉，王广兴，等.1990—2011年三峡库区生态系统服务价值演变及驱动力［J］.生态学报，2014，34（20）：5962-5973.

［3］ 陈佑启，杨鹏.国际上土地利用/土地覆盖变化研究的新进展［J］.经济地理，2001，21（1）：95-100.

［4］ 刘桂林，张落成，张倩.长三角地区土地利用时空变化对生态系统服务价值的影响［J］.生态学报，2014，34（12）：3311-3319．

［5］ LI Z G，SUN Z S，TIAN Y J.Impact of land use/cover change on Yangtze River delta urban agglomeration ecosystem services value：temporal-spatial patterns and cold/hot spots ecosystem services value change brought by urbanization［J］.International Journal of Environmental Research and Public Health，2019，16（1）：123-123.

［6］ TASSER E，SCHURPKE U，ZODERER B M，et al.Towards an integrative assessment of land-use type values from the perspective of ecosystem services［J］.Ecosystem Services，2020，42：101082.

［7］ 吴后建，王学雷，宁龙梅，等.土地利用变化对生态系统服务价值的影响：以武汉市为例［J］.长江流域资源与环境，2006，15（2）：185-190.

［8］ 唐启琳，刘方，刘秀明等.基于LUCC的喀斯特山区生态系统服务价值评价［J］.环境科学与技术，2019，42（1）：170-177.

［9］ COSTANZA R，ARGE R ，GROOT R D，et al.The value of the world's ecosystem services and natural capital［J］.Nature，1997，387：253-260.

［10］XIE G D，LU C X，LENG Y F，et al.Ecological assets valuation of the Tibetan Plateau［J］.Journal of Natural Resources，2003，18（2）：189-196.

［11］XIE G D，ZHEN L，LU C X，et al.Expert knowledge based valuation method of ecosystem services in China［J］.Journal of Natural Resources，2008，23（5）：911-919.

［12］WANG W J，GUO H C，CHUAI X W，et al.The impact of land use change on the temporospatial variations of ecosystemsservices value in China and an optimized land use solution ［J］.Environmental Science & Policy，2014，44：62-72.

［13］赵永华，张玲玲，王晓峰.陕西省生态系统服务价值评估及时空差异［J］.应用生态学报，2011，22（10）：2662-2672.

［14］幸赞品，颜长珍，冯坤，等.1975—2015年甘肃省白龙江流域自然保护区生态系统服务价值及其时空差异［J］.中国沙漠，2019，39（3）：172-182.

［15］李婷，刘康，胡胜，等.基于InVEST模型的秦岭山地土壤流失及土壤保持生态效益评价［J］.长江流域资源与环境，2014，23（9）：1242-1250.

［16］黄博强，黄金良，李迅，等.基于GIS和InVEST模型的海岸带生态系统服务价值时空动态变化分析：以龙海市为例［J］.海洋环境科学，2015，34（6）：916-924.

［17］王兵，魯绍伟.中国经济林生态系统服务价值评估［J］.应用生态学报，2009，20（2）：417-425.

［18］粟晓玲，康绍忠，佟玲.内陆河流域生态系统服务价值的动态估算方法与应用：以甘肃河西走廊石羊河流域为例［J］.生态学报，2006，26（6）：2011-2019.

［19］刘桂林，张落成，张倩.长三角地区土地利用时空变化对生态系统服务价值的影响［J］.生态学报，2014，34（12）：3311-3319.

［20］杨青，刘耕源.湿地生态系统服务价值能值评估：以珠江三角洲城市群为例［J］.环境科学学报，2018，38（11）：4527-4538.

［21］宜宾市年鉴编纂委员会.宜宾市年鉴［M］.成都：四川科学技术出版社，2017.

［22］周书贵，邵全琴，曹巍．近20年黄土高原土地利用/覆被变化特征分析［J］.地球信息科学学报，2016，18（2）：190-199．

［23］吴琳娜，杨胜天，刘晓燕，等.1976年以来北洛河流域土地利用变化对人类活动程度的响应［J］.地理学报，2014，69（1）：54-63.

［24］王秀兰，包玉海.土地利用动态变化研究方法探讨［J］.地理科学进展，1999，18（1）：83-89.

［25］宋开山，刘殿伟，王宗明，等.1954年以来三江平原土地利用变化及驱动力［J］.地理学报，2008，63（1）：93-104.

［26］谢高地，张彩霞，张雷明，等.基于单位面积价值当量因子的生态系统服务价值化方法改进［J］.自然资源学报，2015，30（8）：1243-1254.

［27］彭文甫，周介铭，罗怀良，等.城市土地利用变化对生态系统服务价值损益估算：以成都市为例［J］.水土保持研究，2011，18（4）：43-51+27.

［28］罗继文，周禧，黄亚南，等.南沙区土地利用变化对生态系统服务价值的影响［J］.华南师范大学学报（自然科学版），2022，54（3）：100-110.

Spatial-temporal Effects of Land Use Change and Ecosystem Service Valueof Yibin City in Recent 20 Years

HE Zhi-xue1a，2 WANG Lei1bc，2，LUO Jun1bc，2，LIU Hui1bc，2，DENG Qing-chun1bc，2，YANG Hai-qing1c，2

（1.a.College of Life Science，b.Sichuan Provincial Engineering Laboratory of Monitoring and Control for Soil Erosion onDry Valleys，c.School of Geographical Sciences，China West Normal University，Nanchong Sichuan 637009，China；2.Liangshan Soil Erosion and Ecological Restoration in Dry Valleys Observation and Research Station，Xide Sichuan 616753，China）

Abstract：Land use change and ecosystem service value have always been one of the ecological research focuses.In this paper，the spatial-temporal effects of land use change and ecosystem service value in Yibin city from 2000 to 2020 are analyzed by GIS mapping and area transfer matrix，which is based on remote sensing images of Yibin city in 2000，2010 and 2020.The results are as follows：（1）In the past 20 years，the transfer area of land use type in Yibin city has been dominated by cropland，forestland and construction land，with the growth rate of construction land showing an upward trend；the comprehensive dynamic values of land use from 2000 to 2010 and from 2010 to 2020 were 0.32% and 0.31%，respectively；（2） The value of ecosystem service has presented a trend of decteasing first and then increasing in the time series；the total value has increased from 490.64 × 108 yuan to 491.24 × 108 yuan，to which the forest land，water area and cultivated land have contributed the most；in the spatial distribution，the ecosystem service value of the unit is mostly centered on the middle and the higher grade areas and the low-grade areas are mainly concentrated in the main urban areas of Yibin and Nanxi District （mainly construction land）；（3） The cluster distribution of ecosystem service value has a significant positive correlation；the value-added areas of H-H Cluster and H-L Cluster are mainly distributed in the areas transfered from cropland to forestland，while the value-decreased areas of L-L cluster and L-H cluster are mainly distributed in the areas transfered from forestland to cropland and construction land.The visual and clear presentation of the temporal and spatial changes in this study is helpful to reveal the relationship between land use and ecosystem service value，and provide scientific basis for guiding the construction of ecological environment.

Keywords：Yinbin city；land use change；ecological service value；spatial-temporal effects；spatial statistics

收稿日期：2022-06-09基金项目：西华师范大学科研启动项目（18Q020，18Q033）

作者简介：何治学（1997—），男，硕士研究生，主要从事水土保持与荒漠化防治研究。

通信作者：罗君（1987—），男，博士，讲师，主要从事水土保持与荒漠化防治研究。Email：luojunxmx@126.com

引文格式：何治学，王磊，罗君，等.宜宾市近20年土地利用变化及其生态系统服务价值的时空效应［J］.西华师范大学学报（自然科学版），2023，44（4）：350-357.［HE Z X，WANG L，LUO J，et al.Spatial-temporal effects of land use change and ecosystem service value of Yibin city in recent 20 years［J］.Journal of China West Normal University （Natural Sciences），2023，44（4）：350-357.］