海口城市边缘区的土地生态服务价值

李 微，韩姝尧，王 菲，周 鹏

（海南大学 林学院，海口 570028）

在生态文明建设背景下，城市发展需要科学考虑区域生态系统安全及生态系统服务功能完整性[1]。城市边缘区是指在土地利用、社会经济、人口等方面同时受到市区和乡村影响，经济发展不平衡、结构复杂化的城乡间带状区域[2]。该区域土地利用活跃多样，供需矛盾集中，是城市发展的前沿地带。现阶段，我国城市边缘区的研究以城乡规划为主，缺乏生态保护和可持续发展研究[3]。十九大报告指出“人与自然是生命共同体”，城市生态用地保护和可持续发展逐渐成为探究热点。

海南省是全面深化改革开放试验区和国家生态文明试验区的双重试点省份，其省会海口市面临协调区域经济发展和生态建设的任务艰巨，海口城市边缘区更是成为海口市土地供需矛盾的集中点。目前，关于海口市生态用地的研究集中在时空变化[4-6]和格局优化两方面[7-9]，其中生态用地格局优化多基于单一时相遥感影像，以最小耗费距离模型构建生态安全格局。如余宇晨等[7]采用2019 年遥感影像，以最小耗费距离模型和克里格差值法分析了海口市空间格局优化途径；陆禹等[8]采用拼接后的海口市秀英区遥感影像，以最小耗费距离模型和粒度反推法探讨海口市秀英区生态格局的优化措施；琚青青等[9]基于2017 年海口市遥感影像，以最小耗费距离模型构建海口市边缘区生态安全格局。基于单一时相遥感影像和以生态优化为单一结果导向的城市生态用地研究存在一刀切问题，缺乏考虑城市生态用地时空演变规律和土地政策对城市边缘区空间形态的关键影响作用[10]。生态用地优化的研究方法多样，其中灰色线性规划模型[11]更能克服生态环境系统中存在着的很多不确定的、模糊因素，考虑到生态用地时空演变规律和土地政策等多种影响因素，更适用于目前处于政府引导阶段[3]的城市边缘区的国土空间规划研究。现阶段，关于ESV 的研究多侧重于大尺度区域下的ESV 时空变化方面[12]，而通过对城市边缘区的生态用地优化提高ESV 的研究较少[3,11-12]。因此，研究处于土地政策影响下海口城市边缘区生态用地和生态系统服务价值的变化及优化对海口市可持续发展具有重要指导意义。

由于城市边缘区具有的过渡性、模糊性、动态性和复杂性等特征[13]，城市边缘区的界定无统一标准，遥感影像和模型评价法被广泛应用于城市边缘区范围界定当中[3,13-14]。目前，我国城镇化处于稳定快速发展阶段，城市空间不断扩张，城市边缘区范围具明显时效性，时间越久远，范围越小，市区特性越明显，研究价值越低。琚青青等[14]以2017 年海口市遥感影像为基础，选用不透水面指数构建模型，结合最大熵阈值法界定海口市城市边缘区，范围合理，边缘区特征明显。

鉴于此，本研究以2017 年海口城市边缘区[14]为研究区，以2005、2009、2015 和2020 年遥感影像为数据源，以海口城市边缘区生态用地时空演变规律、土地政策等因素为约束条件，构建灰色线性规划模型，计算ESV 最大值，确定最优解下的生态用地数量，探讨海口城市边缘区的生态用地优化，探索海口城市边缘区的保护与开发之路，以期为海口市可持续发展和空间规划提供理论参考。

1 研究区概况

本研究基于数据的可获取性，以2017 年海口城市边缘区[14]为研究区（图1）。研究区位于N19°31′～20°04′，E110°07′～110°42′，热带海洋气候，以平原为主，总面积66 030 hm²。区内水资源丰富，物种多样[15]，生态敏感度高，有南渡江、美舍河和五源河流经境内，含玉龙泉湿地公园、五源河国家湿地公园等6 个湿地公园，同时，江东新区自贸港试验区和国家高新技术产业开发区坐落于此。该区域是未来海口市国土空间规划的重点区域，因此开展基于ESV 最大化下的海口城市边缘区生态用地优化研究尤为重要。

图1 海口城市边缘区范围示意图（来源：www.haikou.gov.cn）

2 研究方法

2.1 数据来源与处理（1）遥感数据。本研究采用研究区空间分辨率为30 m 的2 期Landsat5 ETM遥感影像（2005、2009）和2 期landsat8 TM 遥感影像（2015、2020）为数据源；运用ENVI5.3 软件对影像进行辐射校正、大气校正、裁剪等预处理。（2）生态用地分类。生态用地指以保护区域生态为目标，除人工硬化面外可提供生态系统服务的土地[16]，其划分主要有土地覆被类型、土地利用程度和二者结合三种角度[17]，如张骞等[17]从土地利用角度将重庆市用地分为林地、农地、水体、草地和未利用地5 类生态用地和建设用地。本研究基于研究区土地利用特点和《土地利用现状系统GB/T 21010—2017》，参照相关学者的研究[16-18]，对遥感影像进行最大似然法监督分类，将研究区用地划分为林地、草地、耕地、水域、未利用地、湿地和建设用地7 类，得到4 期土地利用类型图（图2），其中林地、草地、耕地、水域、未利用地、湿地为生态用地。基于感兴趣区（ROI）对分类结果评价，卡帕系数达0.9 以上，数据精度评价为优。（3）粮食数据和社会经济数据等。粮食数据和社会经济数据来源于2006—2019 年的《海口市统计年鉴》和《中国统计年鉴》，永久基本农田数据来源于《海口市总体规划（空间类2015—2030）》，其他相关数据来源于政府网站公开信息。

图2 海口城市边缘区土地利用类型分布图

2.2 生态系统服务价值评估近年来关于ESV 的研究众多，其中谢高地等[19]在Costanza等[20]研究基础上构建的当量因子法，以货币形式量化了生态系统服务功能，是常用的ESV 评估技术之一[4,12,21]。

本研究以谢高地[21]构建的全国单位面积生态系统服务价值当量表为依据，参照喻露露等[4]对海口市生物量因子调整系数的研究，确定研究区农田生态系统[22]和林地生态系统生物量因子调整系数[23]分别为0.72 和3.03，进而确定了研究区单位面积生态系服务价值当量（表1，2）。以2005—2018 年海口市单位面积粮食产量与全国单位面积粮食产量的比值作为逐年修订系数[24]，计算出1 个标准当量因子为2 617.89 元·hm-²。根据修正后的标准当量因子和各生态系统面积计算出研究区ESV，其中建设用地赋值0。

表1 海口城市边缘区单位面积生态系统服务价值当量

表2 海口城市边缘区生态系统服务价值的计算公式

2.3 灰色线性规划模型目标函数的建立灰色线性规划模型适用于系统动态变化随机、指示数据不确定的情况，可实现在有限资源的情况下，取得最大效益。研究区深受城市发展和土地政策的影响，土地利用随机易变且具有不确定性[25]。因此，本研究依据研究区2005、2009、2015 和2020 年生态用地数据（图3）和相关形势政策等，以2005 年为基础年，2025 年为目标年，构建ESV 最大化下的灰色线性规划模型目标函数，即以ESV 最大化时的生态用地数据作为研究生态用地最优化结果。对应函数为：

图3 研究区土地利用类型变化图

式中，f（x）为研究区ESV，决策变量x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7分别对应为研究区耕地、林地、草地、水域、湿地、建设用地和未利用地的面积。

结合研究区土地利用情况、社会发展需求和相关政策等，对决策变量设置以下约束条件：

（1）土地总面积：研究区总面积不变，即S=66 030 hm2。

（2）耕地: 优化后耕地面积等于永久基本农田面积。根据《海口市总体规划（空间类2015—2030）》，得到研究区永久基本农田面积，即x1≥9 848.09 hm2。

（3）林地: 林地对于生态环境至关重要，优化后林地不宜少于现有规模，即x2≥18 417.87 hm2。

（4）草地: 根据调研显示，2005—2020 年间研究区增加草地主要为人工草地，因此，优化后草地以2005 年面积为标准，即x3=494.64 hm2。

（5）水域: 考虑城市用地分配需要，优化后水域面积宜在2005—2020 年4 期水域面积范围内。2009 年海南省降水量比常年值偏多约30%，水域大幅度增多，不具参考性，即2 377.26 ≤x4≤3 273.30 hm2。

（6）湿地：根据《海口市湿地保护修复总体规划（2017—2025 年）》，到2025 年海口市湿地面积增加2 825 hm2。按面积等比例分配湿地面积，得到2025 年研究区湿地面积，即x5＝4 853.52 hm2。

（7）建设用地: 基于4 期建设用地面积数据和灰色预测模型GM（1,1）[26]，对2025 年边缘区建设用地面积进行预测，x6=29 875.89 hm2。

（8）未利用地: 4 期生态用地数据转移矩阵显示，研究区未转移的未利用地面积为176.94 hm2，推断到2025 年应至少保留相同规模，即x7≥176.94 hm2。

3 结果与分析

3.1 海口城市边缘区生态用地变化分析分析土地利用数据（图3）可知：研究区土地利用主体为耕地、林地生态用地和建设用地；建设用地和耕地是土地转移变化的重点；建设用地逐年增加，2009—2015 年间增幅最大；耕地持续减少，但2009—2015 年间耕地面积近乎不变；林地面积先增后减，2015—2020 年间降幅明显；2009 年水域面积暂增；湿地先减后增，2015—2020 年间出现爆发式增长，原有湿地保留占比低；其他生态用地变化小。

3.2 研究区ESV变化

3.2.1 ESV 时间变化计算4 期研究区各生态用地ESV，结果如图4 所示：总ESV 先增后降，共增加9.30×106元；林地、草地、湿地和未利用地ESV 增加，耕地和水域ESV 降低；林地ESV 一直是研究区ESV 的主体，草地、耕地和未利用地ESV 占比较低。

图4 海口城市边缘区各类生态用地生态系统服务价值变化

计算4 期研究区各生态用地中单项ESV，结果如图5 所示：单项ESV 中，调节服务ESV 是总ESV 的结构主体，占比达70%以上，水文调节ESV 贡献率最大；水资源供给ESV 变化最快，变化率达83.74%。

图5 海口城市边缘区各生态系统单项服务价值变化

3.2.2 ESV 空间变化利用GIS 软件将研究区ESV 值从低到高划分为3 个等级，得到时空分布图（图6），第一等级为0～30 949.07 的低值区，由建设用地、耕地和未利用地ESV 构成；第二等级为30 949.07 ～156 034.87 元的中值区，由湿地和草地ESV 构成；第三等级为156 034.87～328 83元的高值区，由林地和水域ESV 构成。从空间上看，ESV 分布分异界限较明显，高值区呈块、线状分布，中值呈点状散布，低值区呈点块状集聚分布；最高ESV 值主要集中在西北部荣山河、中部南渡江、龙泉镇和龙桥镇大部分区域。从时间阶段性来看，各等级ESV 分异界限逐渐模糊，空间分布由块状逐渐转向点状散布，高ESV 值区逐渐破碎化。

图6 研究区ESV 变化空间分布图

3.3 优化前后ESV变化通过Lingo8.0 软件，对灰色线性规划模型求解，得到2025 年研究区ESV 最大化下的不同生态用地数据（表3）和优化前后ESV 变化数据（图7）。结果表明，与2005 年相比，优化后：（1）研究区ESV 为4 457.18×106元，增长1.73%。（2）建设用地、林地是土地利用的主体，未利用地面积最少。（3）建设用地、湿地、林地面积依次增加，耕地、未利用地、水域、面积依次减少，未利用地减幅最大，草地面积近无变化。（4）林地、水域和湿地ESV 是主体；湿地对ESV 增长贡献最高。（5）单项水文调节、食物生产ESV明显减少，单项水资源供给、气候调节、生物多样性ESV 显著增加。

表3 优化前后海口市边缘区土地利用及生态价值变化

图7 优化前后各单项生态系统服务价值对比

4 讨论与结论

4.1 讨 论

4.1.1 生态用地变化根据4 期土地利用数据可知，海口城市边缘区生态用地类型多样，生态用地变化活跃，且深受土地政策的影响。2009 年国土资源部提出“保耕地红线”行动，2009—2015 年，研究区耕地面积基本保持不变。2014 年国家提出在保障永久基本农田不变动的基础上，允许耕地“占补平衡”，可跨区域调节耕地；2015—2020 年，研究区耕地面积减少，建设用地面积增加。2017 年海口市政府印发《海口市湿地保护与修复工作实施方案》，2015—2020 年，湿地面积出现爆发式增长。

4.1.2 生态系统服务价值时空变化参照相关研究，将研究区ESV 与之对比。一方面，欧阳志云等[27]认为热带森林对海南岛生态环境重要；隋磊等[28]发现海南岛森林生态系统是最主要的生态系统类型。本研究中林地是研究区ESV 的主体，与欧阳志云和隋磊等的研究结论一致。另一方面，雷金睿等[24]对海南岛ESV 评估后发现，1980—2018 年间海南岛ESV 总体表现为增长，单项水文调节、气候调节ESV 占比最高，本文中研究区ESV 近无增长，单项水文调节ESV 明显高于其余各单项ESV。由此表明，研究区水文调节占比高的水域、林地、湿地面积之和高于海南岛平均水平，水文调节占比低的耕地面积低于海南岛平均水平，研究区ESV 与海南省ESV 差异明显，研究海口城市边缘区生态用地和ESV 优化十分必要。

利用GIS 软件，处理2005 年和2020 年ESV变化时空分异图，得到ESV 转移变化图（图8）。根据ESV 转移变化的不同，分类讨论保护措施：（1）中、高ESV 保持不变的区域(中-中、高-高)。原有生态系统保护良好，建议采取不开发、不干扰、长久保护策略，实时监测，定期评估。（2） 高ESV 转为中ESV(高-中)和低ESV 转为中或高ESV（低-中、低-高）的区域，主要是耕地转为湿地、草地、水域或林地和林地转为湿地或草地的区域，经调研，此区域多为范围广的林田交织或水田交织区域。建议限制人为活动，适当采取人为干预，优化生态系统，加强生态修复，定期评估。

图8 生态系统服务价值转移变化图

4.1.3 土地利用优化优化后：研究区ESV 增加1.73%，耕地满足永久基本农田保护线要求；未利用地面积减少；建设用地明显增加，促进土地集约利用，积极响应海口市发展建设要求；水域和湿地大幅增加，提高环境承载力。在响应“山水林田湖草”[29]整体统筹布局前提下，基于ESV 最大化下的生态用地优化使得研究区ESV 和土地利用程度共增长，找到了开发与保护相协调的平衡点。

根据优化结果，笔者建议海口城市边缘区继续开展生态文明建设，基于ESV 时空变化的基础上，实施分类保护，差别化管控措施；在生态用地优化的基础上，创新集约用地新模式，合理配置国土资源；建立以ESV 评估为主的评估体系，建立全域监测体系。

4.2 结 论（1）耕地、林地和建设用地是海口城市边缘区主要生态用地类型；较2005 年，2020 年海口市的建设用地、林地、草地、湿地和未利用地增加，耕地和水域面积降低，原有湿地保留占比低。海口城市边缘区深受土地政策的影响，其生态用地优化应在满足相关政策要求下进行。（2）较2005 年，2020 年的边缘区总ESV 近无变化，林地ESV 是研究区ESV 的结构主体，单项水文调节ESV 最高。海口城市边缘区ESV 变化与海南省ESV 差异明显。（3）在空间分布上，研究区不同等级的ESV 分异界限明显但逐渐趋于模糊，高值区破碎化问题严重，不同等级的ESV 转移变化明显。（4）优化后研究区ESV 增加1.73%；湿地决定性地提高了ESV；土地利用程度提高。在保证建设用地面积增长的基础上，研究实现了海口城市边缘区ESV 增长，实现了保护与开发齐发展的目标。

本研究运用当量因子法评估了海口城市边缘区ESV，借助灰色线性规划模型，以ESV 最大化为目标进行生态用地优化。研究仍存在不足，研究所采用的谢高地当量因子法适用于区域尺度的ESV 评估，不同地区需采用不同的修正系数来提高评估精度，且同一生态用地的差异难以被表现。尽管当量因子法不够精确，但不影响在同一地区的不同时间评估结果对比分析[24]，亦可以反应ESV 的变化趋势。但如何更科学、更精准和更快速地对小尺度ESV 评估应当是今后重点研究方向之一。