基于时空维度的国土空间生态服务功能评价研究

何佑勇，徐汉梁，石黄磊，虞舟鲁，杨 山，洪梦佳，徐周瞬，陈 忠

（1.浙江省国土整治中心，浙江 杭州 310000；2.宁波市自然资源和规划局，浙江 宁波 315000；3.浙江大学 环境与资源学院，浙江 杭州 310000；4.浙江数治空间规划设计有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

生态退化是生态系统的一个逆向演替状态，如章家恩等［1］认为生态退化是生态系统的一种逆向演替过程，是生态系统在物质、能量匹配上存在某一环节上的不协调或达到发生生态退变的临界点，此时的生态系统处于一种不稳或失衡状态；刘国华等［2］则认为，生态环境退化是指由于人类对自然资源过度以及不合理利用而造成的生态结构破坏、生态功能衰退、生物多样性减少、生物生产力下降、土地生产潜力衰退及土地资源丧失等一系列生态环境恶化的现象。

汤洁等［3］以长岭县为例，建立了生态系统退化度评价指标体系，包括土地背景质量、生态环境现状、经济发展水平等15项指标，并运用RS、GIS和数据库管理技术建立了生态系统退化度研究数据库，采用层次分析法，开展了以乡为单元的生态系统退化度评价；张明祥等［4］以三江平原、长江中游湖泊湿地等重点地区的湿地资源退化为例，评价了中国湿地资源的退化情况，并分析了目前湿地资源退化的主要原因；沈彦等［5］从湿地面积对调蓄能力、生物多样性、湿地水质污染、土壤退化的影响等方面对洞庭湖湿地退化现状进行了评价。

目前，现有研究更多关注的是对单一生态系统生态退化评价的研究，而针对区域多生态系统的研究相对缺乏，因此，本研究以宁波市陆域行政范围为主要研究对象，基于“结构—功能—问题”的研究思路，构建以土地用地格局［6-9］、生态系统服务功能［10-14］为主要框架的研究内容，创新性地将地理学模型和生态学模型进行耦合，借助遥感监测［15-16］和土地利用现状调查等多种途径来提高研究的科学性和合理性，针对生态本底特征，分析遥感影像数据长时间序列植被覆盖度变化、土地利用格局时空变化，全面分析区域用地的空间格局，了解其变化规律。在此基础上，选取更高精度的遥感数据反演和运用InVEST模型计算，对生态系统服务功能（生境质量服务、生物多样性服务、固碳服务、生产服务、土壤保持服务）开展分析，全面掌握宁波市生态环境近20 a生态系统演变情况，综合评估生态系统服务功能，划分生态系统服务下降区域，明确主要生态环境问题及特征，提出生态环境保护对策，为宁波市生态系统保护和修复夯实研究基础，为浙江省生态文明建设与生态保护提供决策依据。

1 研究材料与方法

1.1 研究区概况

宁波市位于东海之滨，我国沿海中部，浙江省东部，长江三角洲南翼，东有舟山群岛为天然屏障，北濒杭州湾，西接绍兴市的嵊州、新昌、上虞，南临三门湾，并与台州的三门、天台相连。地理坐标位于120°55′~122°16′E，28°51′~30°33′N之间。全市陆域总面积9816.0 km2，其中市区面积为3730.0 km2，现辖6个区、2个县、代管2个县级市；海域总面积为8355.8 km2。

1.2 数据来源及处理

1.2.1 土地利用数据 本文结合从地理空间数据云平台获取的2000、2010、2020年遥感影像，分别基于2004年土地利用现状数据、2009年第二次国土变更调查数据和2019年第三次国土变更调查数据，采用目视解译的方法对地类进行校正，得到2000、2010、2020年的土地利用现状数据。参照国家标准《土地利用现状分类》（GB/T 21010—2017）将2000、2010、2020年宁波市土地利用现状数据进行重分类，分为耕地、园地、林地、建设用地、水域、其他用地六类。

1.2.2 NPP数据 宁波市2000—2020年NPP数据来源于美国国家航空航天局（http://ladsweb.nascom.nasa.gov/）提供的MODIS 17A3HF数据产品，空间分辨率为500 m。

1.2.3 土壤数据 宁波市2000—2020年土壤数据来源于世界土壤数据库（HWSD）中国土壤数据集。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用格局时空变化特征分析 以宁波市2000、2010、2020年3期土地利用现状数据为基础，在ArcGIS软件的支持下利用其空间分析技术，从土地利用类型结构变化、土地利用面积转移等方面对宁波市土地利用时空演变特征进行系统研究，探究其变化规律，分析宁波市土地利用变化的原因及变化过程。

1.3.2 生态系统服务功能 以生态系统分类结果以及遥感参量如地上生物量、植被覆盖度等为基础，结合地面调查数据与农业统计资料等，利用InVEST模型对宁波市生态系统的主要服务功能进行了定量评估，以明确其生态系统服务功能的时空变化特性，划分生态系统服务强弱等级分区，为保护其生态系统的完整性及稳定性提供理论依据。主要服务功能计算方式为：

（1）生境质量服务。生境质量在空间上呈现出差异性，因此可以通过分析某一土地利用的覆盖范围及其对生态环境的威胁程度来计算。本文通过InVEST模型的生境质量模块计算栖息地生态系统服务功能。

（2）生物多样性服务。GLOBIO模型模拟人类对生物多样性的影响，以平均物种丰度(MSA)来衡量。GLOBIO生物多样性预测模型为：

式（1）中，MSAi是单个像素平均物种丰富度，MSALUi是土地利用现状，MSAIi是基础设施，MSAFi是森林质量破碎化程度。

（3）固碳服务。InVEST碳存储模型是由4个基础碳库，即地上生物量碳库、地下生物量碳库、土壤碳库和死亡有机物碳库来决定。根据土地利用类型情况，分别统计了研究区内各类型的碳密度及其与地类面积相乘得到碳库的存储量，四大碳库存储量的和即为研究区的碳存储总量。

式（2）中，Ctotal表示区域总碳存储量，Cabove表示地上生物量的碳存储量，Cbelow表示地下生物量中的碳存储量，Csoil表示土壤的碳存储量，Cdead表示死亡有机物如枯枝落叶等的碳存储量。

（4）生产服务。以植被净初级生产力(Net Primary Productivity，NPP)作为评估生态系统生产服务的指标，其能从整体上反映生态系统的生产能力。

（5）土壤保持服务。InVEST模型的土壤保持服务功能是将土壤保持量进行量化，该模块中土壤保持量是由区域土壤潜在侵蚀量(RKLS)减去土壤实际侵蚀量(USLE)得到。土壤潜在侵蚀量和实际侵蚀量计算公式为：

式（3）、式（4）中，RKLS(x)、USLE(x)分别表示栅格x的土壤潜在侵蚀量和实际侵蚀量，R(x)表示栅格x的降雨侵蚀力因子，K(x)表示栅格x的土壤可侵蚀因子，LS(x)表示坡度—坡长因子，P(x)表示土壤保持措施因子。

2 结果与分析

2.1 土地利用时空变化分析

2.1.1 土地利用数量变化分析 从宁波市土地利用现状（图1）、土地利用类型特征（表1）来看，2000—2020年林地一直是宁波市的主要土地利用类型，分别占总面积的43.19%、42.32%、46.67%，主要分布在宁波市的西部和南部。近20 a来其面积有一定增加，从2000年的387495.08 hm2增加到2020年的418653.29 hm2，这主要是由于植树造林、封山育林、退耕还林等措施的实施，使得林地面积持续增长。耕地主要分布在宁波市北部和中部，近20 a来其面积大幅减少，占比从2000年的26.02%下降到2020年的16.37%，面积减少了86556.12 hm2，降幅为37.08%，这主要是由于种植结构调整、国土绿化、耕地流失以及建设用地被侵占等现象的存在使得耕地面积持续减少。建设用地呈快速增加之势，占比从2000年的13.00%增加到2020年的21.82%，面积增加了79153.71 hm2，增幅为67.87%，这主要是由于经济发展、城市建设用地需求猛增等因素驱动。水域面积主要分布在宁波市的北部地区，少量分散于南部地区。2000—2020年宁波市水域面积持续减少，占比从2000年的9.49%下降到2020年的7.66%，这是由于城市扩张、围海造地导致了部分水域被侵占。宁波市园地面积先减少后增加，由2000年的66360.06 hm2减少到2010年的47088.76 hm2，后又增加到2020年的67035.49 hm2，数量上整体保持稳定，但分布区域有所转移，2000年园地主要集中在奉化区西南部、象山南部以及余慈零星分布；2020年奉化区园地面积大幅减少，其主要集中在象山南部和余姚、慈溪的北部。究其原因，奉化区近些年退园还耕、还林实施力度较大；象山县主要由于红美人的大量种植；余姚、慈溪两市则因杨梅大量种植；这些举措均使得园地面积增加。其他用地面积持续减少，面积从2000年的8128.22 hm2减少到2010年的124.98 hm2，总体来看，宁波市土地利用程度逐渐增加。

表1 宁波市土地利用类型结构

图1 宁波市2000、2020年区域土地利用现状

2.1.2 土地利用类型间的转移变化 土地利用类型变化难以揭示各地类之间的相互关系，为了更具体地反映出各地类之间的转换过程，构建了2000—2010年和2010—2020年的土地利用转移矩阵，结果如表2、表3所示。

表2 2000—2010年间宁波市土地利用转移矩阵 hm2

表3 2010—2020年间宁波市土地利用转移矩阵 hm2

2000—2010年间，耕地转换为建设用地的面积为24238.03 hm2，这客观地反映了在城市化建设过程中，有大量的耕地被占用。园地转换为耕地的面积为22298.44 hm2，在这一时期内，全省范围内开展了大规模的土地整治和标准农田建设，创新性地实施折抵指标，优质的耕地后备资源通过土地整治成为了耕地。水域转换为耕地和建设用地的面积分别为10541.25、7024.46 hm2，主要是由于围海造地工作逐渐开展，造成了水域面积缩减。

2010—2020年间，耕地转换为建设用地的面积为33886.07 hm2，说明建设用地扩张对耕地的占用进一步加剧。耕地转换为园地的面积为31190.65 hm2，由于粮食经济价值有限，较多耕地用于种植经济作物，耕地“非粮化”程度加剧。耕地转换为林地的面积为34369.13 hm2，因人们生态保护意识增强，退耕还林效果显著。

2.2 生态系统服务功能评价

2.2.1 生境质量服务 生境质量是生物多样性的重要反映，是环境提供适宜条件的能力，生境质量关系着人与自然和谐共生及人类社会的可持续发展［17］。生境质量评价结果是一个空间无量纲的得分值，即生境质量指数得分在0~1.0之间，按照低等（0.3~0.4）、较低等（0.4~0.6）、中等（0.6~0.8）、次高等（0.8~0.9）、高等（0.9~1.0）将评价结果分为5个等级。2000年生境质量低等占比为9.80%、较低等占比为24.61%、中等占比为14.38%、次高等占比为6.43%、高等占比为44.78%；2020年生境质量低等占比为8.81%、较低等占比为25.94%、中等占比为10.86%、次高等占比为12.35%、高等占比为42.04%（表4）。宁波市生境质量总体较好，中等以上占比高于60%，其中高等占比高于40%。这是因为宁波市森林覆盖率接近50%，平原区林木绿化率达到20%以上，沿海防护林基本实现合拢。但2000—2020年，伴随城镇化的发展，人类对自然资源的需求与日俱增，开发建设导致高等生境质量所占比例有所下降，同时在生态文明体制改革背景下，一系列生态保护修复措施也使得中等、低等或较低等生境质量有所改善。

表4 2000—2020年宁波市生境质量占比统计

2.2.2 生物多样性服务 对比近20 a宁波市域生物多样性服务功能变化特征可知（图2），部分区域2020年生物多样性较2000年有所下降，主要变化为高值区域减少，较高值区域增加，主要因为基础设施建设和人工干扰植被群落，导致连片的森林群落降低和森林质量部分下降，且人类活动强度增大也使得自然栖息地压力越来越大，从而导致生物多样性退化［18］。生物多样性服务功能变化还体现在耕地、园地和林地面积逐步减少，城市建设用地、城市道路和农村居民点等逐渐被不透水面替代，植被覆盖度下降严重，这都导致了自然环境的生态质量下降，生物多样性减少。

图2 宁波市2000、2020年生物多样性服务功能空间变化特征

2.2.3 固碳服务 由图3可知，宁波市总碳存储量高值区相对集中在西部及西南部的山地，低值区主要分布在宁波市北部和中部沿海平原地带。森林生态系统、灌丛生态系统、草地生态系统和湿地生态系统是具有固碳功能的主要生态系统类型。在空间分布上，总碳存储量、固碳能力、固碳价值量也呈现出与之相契合的分布格局，集中于主要生态系统类型的分布区域。

图3 宁波市2000、2020年总碳存储量空间变化特征

如图4所示，2020年宁波市的固碳能力总体上强于2000年的，从高到低依次为宁海县、奉化区、象山县、余姚市、鄞州区、海曙区、北仑区、慈溪市、镇海区、江北区。相较于2000年，2020年慈溪市的固碳能力略微下降，结合土地利用变化情况分析，主要原因为翠屏山区块有3013 hm2的林地转变为果园用地，而灌木林地的固碳能力弱于乔木林地的。

图4 宁波市2000—2020年各市区县固碳能力变化情况

2.2.4 生产服务 植物生长形成的有机碳即净初级生产力可转换为净生态系统生产力，增加生态系统植被覆盖有利于有机碳的储存，因此NPP的高、低值区也表现为固碳价值量的高、低值区。由图5可知，宁波市生产服务能力呈现出东北沿海平原向西南山地丘陵递增的空间分布特征。2011—2020年宁波市生产服务能力总体上高于2000—2010年的，高值区主要集中在象山港区域等森林生态系统，且城镇周边区域也存在一定程度的下降趋势。

图5 宁波市2000、2020年生产服务空间变化特征

2.2.5 土壤保持服务 由图6可知，2000—2020年间宁波市土壤保持价值量略有增长，年均增长率为0.54%，除了宁波市北部的沿海区域有增加外，其他区域土壤保持价值量的空间格局整体不变，说明宁波市的土壤功能有一定的向好趋势。

图6 宁波市2000、2020年土壤保持服务空间变化特征

全市土壤保持功能区域特征明显，总体呈南高北低的分布态势，高值集中分布于西南部和东南部生境质量高、森林覆盖率大的林地区域，低值集中分布于中部和沿海平原，多为水域、滩涂、耕地或城镇建设用地区域。近20 a来，由于政府在注重发展经济的同时也加大了生态文明建设，土壤保持功能时空变化明显，主要表现在城镇扩张导致的土地开发强度增大，土壤保持功能下降明显。另外，伴随风景名胜区和自然保护区生态修复力度的加强，森林结构去单一化，覆盖率进一步提高，土壤保持功能有所提升。

3 讨论与结论

（1）近20 a宁波市林地面积稳步提升，生态保护意识在逐渐加强，但同时为了城市建设和经济发展，耕地面积大幅减少。2000—2020年，土地利用变化在很大程度上表现为耕地、林地、园地、建设用地间相互转化，尤其是耕地向林地、建设用地的转化，以及各类土地类型向建设用地的转化，建设用地近20 a增长了67.87%。

（2）宁波市栖息地质量总体较好，近20 a宁波市生境质量中等以上占比高于60%，其中高等占比高于40%；城镇发展在一定程度上压缩了生物栖息地空间。2020年宁波市生物多样性较2000年有所下降，主要由于基础设施建设和人工干扰植被群落，导致连片的森林群落降低及森林质量部分下降，影响了生物生活环境。2020年宁波市的固碳能力和生产服务总体上强于2000年的，较高区县为宁海县、奉化区、象山县、余姚市、鄞州区，说明森林质量总体上往好的方向发展，未来需持续关注森林结构优化和森林资源保护。全市土壤保持功能区域特征明显，高值集中分布于西南部和东南部地区生境质量高、森林覆盖率大的林地区域，低值集中分布于中部和沿海平原的水域、滩涂、耕地或城镇建设用地区域。

（3）2000—2020年，随着森林面积的增加，植被覆盖指数总体呈增长趋势，固碳能力明显改善，水土保持略有增加。这表明近20 a特别是在生态文明体制改革后，一系列生态修复工程总体上改善了植被覆盖度和大部分生态系统服务功能。但与此同时，伴随经济的快速发展和资源的低效利用，部分生态修复工程的效益被抵消，甚至导致了一些区域生态系统服务功能的下降，主要因工业发展、城市扩张和人口导入引起的部分区域生态系统栖息地质量降低，进而导致生物多样性下降、固碳减少量大于生态修复工程引起的固碳增加量等。

（4）依据生态损害评估结果，识别生态退化重点区域，选择适宜的生态修复手段改善生态系统质量和服务功能，未来主要考虑从增加植被覆盖度、提高农业集约化、构建生态廊道和生物多样性保护网络、开展森林精准抚育，改善森林固碳能力、完善环境基础设施，推进农业农村环境综合整治等方面布局生态系统修复和保护工程。