1990—2020年广西海岸带生态系统服务价值时空变化分析

蒙 静, 赵宏志

(1.广西信息职业技术学院 北斗学院, 南宁 530001; 2.广西开放大学 北斗学院, 南宁 530001;3.广西壮族自治区国土测绘院, 南宁 530001)

随着生态系统服务价值(ecosystem service value,ESV)的评价指标体系日趋成熟,以及人们对国家生态安全重要性的认识加深[1],区域土地利用变化对生态系统功能影响研究的重要性越显突出[2-4]。由于海岸带特有的生态系统结构,不同学科领域的学者关于滨海地区生态系统的研究热度有增不减,对近海域生态环境保护的意义重大。喻露露等[5]对海口市近30年生态系统服务价值变化进行了评估;易琳等[6]通过分析滨海域叶绿素a浓度变化,探究了深圳城市发展对滨海生态环境的影响;方静涛[7]通过分析近20年来辽宁省海岸带地质环境调查成果,对辽宁省海岸带6个城市的地质环境条件进行了评价;么旭阳[8]从土地利用变化的角度,分析了近25年辽宁省滨海区域生态系统结构变化特征;林巧莺等[9]采用地理信息系统(geographic information system,GIS)和遥感(remote sensing,RS)技术分析表明2010年上海市近海岸生态系统服务功能以调节服务功能为主;而韩然和叶长盛[10]、王静禹等[11]单独从基塘生态系统服务的角度研究,表明了基塘生态系统有物质生产、气候调节等多项服务功能,生态服务价值提供较高。

综合上述文献,大部分关于滨海区域研究均基于传统的土地分类标准进行生态系统服务价值评估,而忽视了基塘用地对生态系统服务提供的价值。基塘作为滨海地区自然生态环境的重要组成部分[10],其提供的生态系统服务是无法忽略的。现有关于将基塘单独作为一类生态系统类别的研究,却不能较完整地体现滨海区生态系统服务价值。因此,将基塘用地单独作为其中一类生态系统,融入滨海区生态系统服务价值评估中,对滨海区生态系统服务价值的分析以及生态环境保护是非常有意义的。以广西海岸带为研究区,结合土地利用现状,由农田、森林、草地、水域、荒漠、湿地和基塘7种生态系统类型构建了生态系统评价体系,采用当量价值评价等ESV评估方法,综合分析研究区1990—2020年近30年来土地利用结构变化、生态系统服务价值时空变化特征,并探究其变化驱动因素,可为广西海岸带的合理开发利用提供科学的理论依据。

1 研究区概况

广西海岸带位于我国大陆海岸线的西南端(107°53′～109°46′E,21°24′～22°2′N),岸线长超1 500 km。东起合浦县的洗米河口,西至中越交界的北仑河口,跨越防城港市、钦州市和北海市3市,地势西高东低,岸线曲折且类型复杂多样,河网错综发达,基塘密布,其中我国40%的红树林分布于此,地属亚热带季风气候区,气候温和宜居。研究区不仅是东盟经济开发区重要的物流基地与文化交流之地,同时也是白鹭、白豚、金花茶等珍稀濒危野生动植物赖以生存的栖息之地。随着社会经济发展,其土地景观格局发生了较大变化,生态环境随之改变。以海岸线向内陆延伸10 km的距离为研究范围(图1)。

图1 研究区示意图

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

研究所涉及的基础数据中,历年landsat卫星遥感影像下载于地理空间数据云;历年粮食产值、粮食价格、月降雨量、月蒸发量、地表水资源量、海水产品产量等基础数据下载于广西统计年鉴。研究年限为1990—2020年,5年为间隔期,由于1995年数据缺失,故将研究区分为1990年、2000年、2005年、2010年、2015年和2020年6期进行研究分析。其中,数据处理过程主要分为:①卫星遥感影像主要以Landsat TM遥感影像(空间分辨率30 m×30 m)为主,通过预处理后,获得拟分类影像数据。根据《土地利用分类千年年鉴》分类,结合研究区土地资源特征,将土地利用类型分为耕地、林地、草地、水域、建设用地、湿地和基塘用地7类,其中基塘数据来源于文献[12]。采用监督分类方法和结合人工校正方法获取1990年研究区土地资源现状,基于该期分类结果动态更新形成历年6期的土地资源现状数据。并根据Landsat TM遥感影像数据的波段特征,采用归一化植被指数计算公式,获得了研究区净第一生产力(net primary productivity,NPP)数据。②广西统计年鉴中,提取了历年6期钦北防三市的粮食作物总产量、粮食耕作面积、气候等统计数据。

多数研究表明建设用地对生态环境产生的负效应远大于正效应,故对其ESV不做评估。因此,研究区生态系统由农田、森林、草地、荒漠、水域、湿地和基塘7种类型结构组成。

2.2 生态系统服务价值评估方法

由谢高地等[13]构建的中国当量因子的生态系统服务价值评价方法在国内得到了广泛的应用。因此,采用该方法作为研究区ESV的主要评估方法,公式为

(1)

式中:ESV为研究区的ESV总值;En为第n年单位农田生态系统提供的食物生产服务价值;Ain为第n年第i类生态系统的面积;Dij为第i类生态系统的第j类生态服务的价值当量因子;Bi为第i类农田生态系统的生物量因子调整系数[13]。地理位置的不同,各地的自然资源具有较大差异,在对研究区进行生态系统服务价值评估前,需对研究区的ESV评估方法进行修正。

1)对生态系统生态服务价值1个当量因子的取值进行修正[14]。由于研究区包括防城港市、钦州市和北海市3市,为剔除粮食价格波动的影响,故将研究区粮食作物总产量、粮食耕作面积取值为3市的平均值,并以2005年修正后的粮食作物平均价格(2.5元/kg)作为基准价格。

(2)

式中:En为第n年1个当量因子的经济价值量;Qn为第n年研究区所有粮食作物的总产量均值;Mn为第n年研究区所有粮食作物的总面积均值;P为所有粮食作物的平均价格。

2)一般来说,生物量越大,其生态系统服务功能的效用越大。假设生物量与生态系统服务价值呈线性关系。由于我国各地自然地理环境差异显著,其生物量差异性明显。植物的净第一生产力(NPP)反映了植物群落在自然环境条件下的生产能力,可体现各土地类型的生态服务高低[13]。故利用研究区的NPP值对代表全国平均水平的生态服务价值当量因子表进行了生物量因子修订,生物量因子调整系数计算公式为

Bi=(bi/bio)/Bf

(3)

式中:bi为广西沿海单位面积i类生态系统一年的NPP;bio为全国单位面积i类生态系统一年的NPP;Bf为广西农田生态系统的生物量因子调整系数(Bf=0.98)。

3)北部湾森林植被类型为亚热带常绿阔叶林,结合赵同谦等[15]的研究成果,研究区森林生态系统的调整系数为1.96;参照张美玲[16]的研究成果,研究区草地生态系统的调整系数其值为1.665。由于其他数据的获取局限性,其他当量因子不进行调整。调整后,得到研究区生态系统单位面积生态服务价值当量(表1)。

表1 广西海岸带生态系统服务价值当量

由于基塘生态系统的特殊性,谢高地等[13]提出的生态系统服务价值评估方法并不适用于对基塘生态系统服务功能的评价,故需采用其他的评价方法对基塘ESV进行单独评估。通过调研发现,广西滨海区域基塘用地大部分以养殖对虾、鱼类为主,基面基本处于撂荒现象,可知研究区基塘生态系统服务主要提供源于塘内。结合研究区现状,将基塘生态系统服务分为支持、供给、调节和文化4大功能,借鉴韩然和叶长盛[10]关于基塘ESV评估方法的研究,采用市场价格法、替代成本法、影子工程法等用于ESV评估较为广泛应用的方法。其中供给类、调节类功能评估采用文献[10]中对调节类功能的计算方法,涉及的蒸发量计算则采用文献[17]中计算的方法;支持类、文化类功能评估采用谢高地等[13]提出的方法。

2.3 土地利用变化评价方法

采用土地利用变化重要性指数[18]筛选出研究区各时期土地利用变化的主要类型,同时利用土地利用变化面积比重[18]揭示研究区土地利用变化的剧烈程度。

Ci=(Ai/A)×100%

(4)

式中:Ci为第i种变化类型的土地利用变化重要性指数,取值0～1;Ai为第i类土地变化面积,km2;A为研究区各类土地变化面积之和,km2。Ci越大,表示第i类土地变化越占主导。

D=(A/S)×100%

(5)

式中:D为研究区土地利用变化面积的比重,值域为0～1;A为研究区各类土地变化面积之和,km2;S为研究区的面积,km2。D为越大,说明研究区的土地利用变化越剧烈。

3 结果与分析

3.1 土地利用现状变化分析

由图2可知,研究区土地利用类型以农田和林地为主,其次是湿地。1990年,研究区农田、森林、草地、水域、建设用地、荒漠、湿地和基塘用地面积分别为151 561.55、147 910.09、22 102.86、25 917.56、33 600.98、1 288.93、101 238.24、9 051.40 hm2,至2020年其面积分别增减了-36 929.56、-20 559.00、-3 204.40、1 324.43、46 377.96、2 194.32、-19 239.17、30 035.43 hm2。可知经过30年的发展,研究区建设用地面积逐年递增且增加面积最大,增加面积占原面积的138.03%;其次是基塘用地,增加面积占原面积的331.83%;农田用地面积呈逐年递减且变化面积最大,减少面积占原面积的24.37%。林地、湿地减少面积分别占原面积的13.90%、19%。

图2 1990—2020年研究区土地利用类型面积变化情况

由表2可知,1990—2020年,建设用地面积变化最大,Ci达到29.01%,其次是农田、基塘,Ci分别为23.10%、18.79%。各时期变化如下:1990—2000年,以耕地、湿地和基塘面积变化为主,Ci均达到20%以上;2000—2005年,以农田、基塘面积变化为主,Ci分别为21.23%、31.61%;2005—2015年,以建设用地面积变化为主。2010—2015年,其Ci达到45.68%;2015—2020年,以林地和建设用地面积变化为主,Ci均达到30%以上。表明,2010年前研究区土地变更以农业发展为主,由耕地变更为基塘用地为主;2010年后,逐渐转变为以开发建设用地为主。

表2 1990—2020年研究区各时期各土地类型土地利用变化重要性指数

通过计算可知,研究区各时期内的土地利用变化面积占比值范围为7%～11%,可知研究区各时期内土地利用类型变化相对较为稳定。其中2015—2020年,研究区土地利用类型变化最为剧烈,D为10.72%。

3.2 ESV变化分析

由图3可知,研究区ESV变化显著,由1990年的374.09亿元增加至2020年的1 136.13亿元,增幅达3.04倍。其变化特征分为两个阶段:一是1990—2015年为增加期。其值由374.09亿元增至1 142.80亿元,增达2.05倍;二是2015—2020年为减少期,减少了6.67亿元。在增加期,主要以基塘ESV增涨为主,占总增长值的94.42%。各类生态系统增减变化具有差异特征。在2000年前ESV均呈增长趋势,而后ESV呈增减变化。在减少期,以森林ESV减少为主。进一步分析,基塘生态系统对研究区ESV的贡献值最大(图4),占当年ESV总值的47%以上,其次是林地、湿地生态系统。3类生态系统结构变化特征为:基塘ESV占比逐年扩增,由1990年占ESV总值的47.53%增至2020年占ESV总值的80.52%;森林、湿地ESV占比逐年递减,分别由1990年占ESV总值的25.92%、17.63%递减至2020年占ESV总值的9.75%、6.24%;其他生态系统ESV占比逐年递减,占比值变化较小。

图3 1990—2020年研究区的ESV

图4 1990—2020年研究区的ESV增减值

由图5可知,研究区ESV功能以调节服务为主,占比约70%,依次是供给服务、支持服务、文化服务。4类服务功能变化特征为:调节服务功能呈先增后减,由1990年的294.57亿元逐渐增至2015年的822.03亿元,增达1.79倍,而到2022年减少了-43.85亿元;供给服务功能呈递增趋势,由1990年的19.81亿元,增至2020年的285.59亿元,增达13.42倍;支持服务功能为先增后减,由1990年的44.35亿元增至2000的62.68亿元,而后逐年递减,至2020年共减少了9.98亿元;文化服务功能为先增后减,由1990年的15.36亿元增至2010年的22.21亿元,而后逐年递减至2020年的19.67亿元,增减幅度缓慢。

图5 1990—2020年研究区4大功能的ESV

研究表明,土地利用变化对研究区生态环境的影响有着直接联系。其中,基塘用地对广西海岸带生态系统的影响显著,是重要的组成部分,依次是林地、湿地。整体上,广西海岸带生态系统以调节服务功能为主,而后分别是供给服务、支持服务、文化服务。当地生态系统在空气和水净化、废弃物无害化和分解、气候调节等方面具有较强的调节功能。近30年来,研究区生态系统在粮食生产等供给服务功能呈现递增趋势,但在土壤形成和保持、生物多样性维持等支持服务功能在2000年后呈递减趋势。

3.3 ESV时空变化分析

利用GIS技术对ESV进行空间化(空间分辨率为50 m×50 m),并将ESV分为低、中、中高、高和较高5个等级(图6)。由图6可知,研究区ESV值域范围集中在低、中、中高等级。在空间分布上,ESV低值集中分布于北海市;ESV中、中高值集中分布区于钦州、防城港市;ESV较高值区域主要分布于北海市海陆交界区域,是基塘用地集中分布区。在时间变化上,1990—2000年,ESV由中值区域转变为中高值等级;2000年后,ESV变化区域主要发生在海岸线沿线,尤以南流江入海处变化显著,ESV由低值等级逐年扩大面积变为较高等级,其次是钦州湾入海处;2010年开始,钦州湾、娘子港湾ESV由中高值变为低值的区域面积逐渐扩大。ESV值域在空间分布上的变化与区域自然地理环境、社会经济发展直接相关。1990—2010年,研究区以农业发展为主,因地势优势,南流江区域滨海养殖业的扩张迅速;2010年后,随着“广西北部湾经济区发展规划”的推进落实,研究区社会经济发展的重心由农业发展转变为以重化工业发展,尤以在钦州湾、娘子湾等区域,新建了大量的港口码头等工业物流用地,产生的环境负面影响直接且显著。

图6 1990—2020年研究区生态系统服务价值空间分布

4 结论

研究表明,近30年来广西北部湾海岸带总体上生态系统环境保护较好,尤其基塘对当地生态系统的影响极为显著,是重要的组成部分。在服务功能类型上,研究区生态系统以空气和水净化、气候调节、涵养等调节服务功能为主,供给服务、支持服务为辅。但在2000年后,研究区生态系统对土壤形成和保持、养分循环、生物多样性维持等支持服务功能呈逐年减弱趋势。土地利用变化对研究区生态系统服务功能强弱影响有着直接联系。研究期内,研究区ESV变化特征分为两个阶段:1990—2015年为增加期,以基塘ESV增涨为主,主要位于南流江入海口区域;2015—2020年为减少期,以森林ESV减少为主,变化区域主要位于钦州湾、娘子湾入海口区域。随着广西北部湾经济区发展规划措施的推进落实,2015年后,尤其对钦州湾、娘子湾等区域的土地开发利用,使该区域生态环境受到破坏,生态系统服务功能退化显著。

在未来发展中,在保持广西海岸带生态系统调节服务功能为主的基础上,应重视水土保持、维持生物多样性、养分循环等,从而增强研究区生态系统支持服务功能。同时,对局域进行土地利用开发建设前,应先进行生态环境效应评价,探究土地变更对生态环境退化的影响程度,以期达到人与自然和谐共生,这对海岸带生态环境保护与可持续发展有着重要的作用。