上海市土地利用变化对生态系统服务价值的影响研究

摘 要：面对资源约束趋紧、环境污染严重、生态系统退化的严峻形势，建设生态文明是当前改善生态环境的迫切需要。研究土地利用变化对地区生态系统服务价值的影响，能够为土地资源的可持续利用与生态环境保护建设提供科学依据。本文以上海市（陆域）为研究对象，基于2010—2020 年土地利用变更数据，采用当量因子法和GIS 空间分析技术，分析上海市2010、2020 年两期的土地利用变化特征与生态系统服务价值时空变化的关系。结果表明：（1）2010—2020 年，上海市土地利用格局变化明显，除草地和林地的面积增长外，其他各类用地面积均有不同程度的减少，其中水域面积减少最多，林地面积增加最多。（2）2010—2020 年间上海市生态系统服务价值减少52.65 亿元，主要是因为水域面积减少所致。（3）在500 m×500 m 格网尺度下，上海市生态系统服务价值在空间上总体表现为高高、低低集聚，局部呈现高低、低高集聚的特点，人类活动是其主要驱动因素。

关键词：土地利用；生态系统；服务价值；空间分析；驱动因素

中图分类号：F293.22；X171.1 文献标志码：A 文章编号：2095-1329（2023）03-0079-06

生态系统服务是指生态系统与生态过程中所形成及所维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用。量化生态系统服务价值（ecosystem service value， ESV）有利于了解生态系统的供给情况与生态效益的大小。近年来，随着人类活动的不断加剧，土地不合理利用导致的生态环境、资源利用等严重问题不断涌现，也对生态系统服务价值产生了一系列影响。随着2001 年联合国组织千年生态系统评估项目的启动，国内外掀起了一股生态系统服务价值相关的研究热潮[1-3]。目前，国内外对于土地利用变化与生態系统服务价值的动态研究多从土地利用方式、类型、格局变化的响应角度出发[4]，各研究者之间仅研究尺度略有不同，从国家、流域到省市、县域[5-7]。在城市方面，有学者基于乐山市2010、2017 年遥感影像，探析乐山市土地利用变化对ESV 空间分布差异的影响，结果表明乐山市ESV 的变化呈现极化效应，需进一步加强区域生态管控[8]；一些学者发现在1 km×1 km 格网尺度下，南昌市ESV 在空间上表现为高高、低低集聚，自然资源禀赋与人类活动是其主要驱动因素[9]。对于上海市，有学者基于Costanza 的生态系统服务单价和我国国情，评估了上海中心城区1947—2006 年土地利用变化对区域生态系统服务功能的影响，结果表明60 年间生态系统服务功能呈现4 个发展阶段，除水域和耕地的生态系统服务功能显著下降外，其余地类均有上升[10]；另一些学者同样基于Costanza 模型，结合谢高地等的研究成果，计算了2003—2007 年间上海市ESV 的变化情况，结果显示ESV 对价值系数的变化是缺乏弹性的[11]。这两项针对上海市的研究均缺乏土地利用变化与ESV的空间对应研究，故本文以上海市（陆域）为研究对象，基于2010—2020年土地利用变更数据，采用当量因子法和GIS 空间分析技术，分析上海市2010、2020 年两期的土地利用变化特征与生态系统服务价值时空变化的关系，旨在为土地资源的可持续利用与生态环境保护建设提供科学依据。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

上海市位于中国华东地区，平均海拔高度2.19 m。上海市包括黄浦区、徐汇区、长宁区、静安区、普陀区、虹口区、杨浦区、闵行区、宝山区、嘉定区、浦东新区、金山区、松江区、青浦区、奉贤区、崇明区的16 个区，常住人口约为2475.89 万人。

1.2 数据来源

研究数据来源于上海市2010 年、2020 年土地利用变更数据，依据中国科学院土地利用/ 覆被分类标准，将各细分土地利用类型归并为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地6 种土地利用类型（图1）。社会经济数据主要来自《上海统计年鉴》（2011—2021 年）。

1.3 研究方法

（1）生态系统服务价值当量的确定

采用我国学者提出的中国生态系统价值系数[12]，结合上海市具体情况，依据上海市2010—2020 年粮食作物产值、粮食单产数据，综合相关文献和区域自然情况，采用一个标准生态服务当量子的经济价值等于研究区单位面积农田粮食产值的1/7 的中国生态系统服务系数修正方法[13]，得出上海市一个生态系统服务价值当量为2491.64元/hm2 。

（2）基于格网的ESV 空间表达

结合上海市地形特征、面积大小等因素，采用500m×500 m 格网作为评价单元，利用ArcGIS 10.6 软件确立覆盖上海市陆域的格网。格网确定后，以每个格网内土地利用类型数据为基础，计算出各个格网中的ESV：

式中：n E 是每一个格网单元内第n 类土地利用类型的生态系统服务价值；s E 是每一个格网单元内生态系统服务价值总量；mn A 为第m 个网格中第n 种土地利用类型的面积（hm2 ）；m LU 为第m 种土地利用类型的单位面积生态系统服务价值；k 为土地利用类型个数。

（3）空间自相关分析

本文中的全域空间自相关是利用Moran's I 指数来判断上海市ESV 在空间上是否有聚集特性存在，局域空间自相关是利用Anselin Local Moran's I 指数判断上海市ESV 在空间上的聚集空间单元及其空间自相关性的显著性。

2 土地利用结构变化

2.1 土地利用数量变化

表1 反映出2010—2020 年上海市主要土地利用类型一直是建设用地、耕地，2010 年、2020 年这两种地类总面积分别占上海市总面积的70.81%、66.82%。从变化量可知，林地和草地面积分别增加39270.09 hm2、17263.71hm2，林地增幅为57.29%，草地增长了10.52 倍；水域和耕地面积大幅减少，面积分别缩减28287.43 hm2、19245.35 hm2，降幅分别为21.61%、10.14%，建设用地面积缩减8474.49 hm2，降幅达2.81%。

2.2 土地利用转移分析

由表2 可知，2010—2020 年间上海市耕地的转出面积最多，转出67010.97 hm2，主要转变为林地、建设用地，面积分别为35686.95 hm2、21318.34 hm2；其次是建设用地，转出49405.24 hm2，主要转变为林地、耕地，面积分别为18502.13 hm2、14375.76 hm2；水域转出面积达45698.66 hm2，主要转变为耕地、建设用地、林地，面积分别为20202.66 hm2、10709.78 hm2、10407.45 hm2。林地的转入面积最多，为65164.72 hm2，主要由耕地、建设用地、水域转入，面积分别为35686.95 hm2、18502.13hm2、10407.45 hm2；其次是耕地，转入面积为47765.62hm2，主要由水域、建设用地、林地转入，面积分别为20202.66 hm2、14375.76 hm2、12512.20 hm2。其中，耕地—林地是永久基本农田划定过程中耕地从严判定的体现，建设用地—林地、耕地是上海市近5 年大力推进集建区外低效建设用地减量化，将低效建设用地转为农用或生态用地功能的行动结果，水域—耕地、林地多为沿海滩涂围垦造田、郊区以坑塘水面为代表的水域土地整治的结果，而耕地、水域—建设用地是上海市城市化进程中集建区建设开发的结果。

3 生态系统服务价值变化

3.1 生态系统服务价值数量变化

通过确立的上海市生态系统服务价值当量（2491.64元/hm2），由此计算出上海市6 种土地利用类型的单位面积生态系统服务价值（见表3）。

在确立各种土地利用类型的单位面积生态服务价值的基础上，采用生态系统服务价值计算公式，计算上海市土地生态系统服务价值：

式中：E 代表研究区生态系统服务价值总量；i VC 代表第i 类土地利用类型的单位面积生态系统服务价值（ 当量/hm2）；i A 代表第i 类土地利用类型的面积（hm2）；n 为研究区所有土地利用类型个数。

表4 反映的是2010—2020 年上海市土地利用的ESV变化情况。由表可知，10 年间ESV 共减少了52.65 亿元，降幅达12.54%。从土地利用类型上看，水域是上海市ESV 的主体，在2010 年ESV 达361.673 亿元，占总价值量的86.17%；其次是林地和耕地，2010 年ESV 分别为39.196 亿元、18.390 亿元，占比到达9.34%、4.38%。到了2020 年，六种土地利用类型中，林地和草地的ESV分别增长了22.455 亿元、4.917 亿元；水域和耕地的ESV分别减少了78.159 亿元、1.865 亿元。

比较不同生态系统服务类型的ESV 可知，水文调节的ESV 占比最高，2010、2020 年分别达到72.34%、67.24%。主要原因一是提供水文调节的水域基础当量远远大于其他地类，二是在上海市土地利用类型中水域面积较大（见表5）。

比较生态系统服务价值变化量（见表2）可知，在土地利用转移过程中，耕地—水域、耕地—林地、建设用地—水域、建设用地—林地使得ESV 增加，分別增加23.317亿元、16.948 亿元、16.744 亿元、10.580 亿元，共占土地利用类型转移过程中ESV 增加量的86.57%；水域—耕地、水域—建设用地、水域—林地、水域—草地会导致ESV 减少，分别减少53.862 亿元、29.591 亿元、22.805亿元、10.837 亿元，减少量占土地利用类型转移过程中ESV 减少量的89.57%。可知，2010—2020 年间，上海市水域转向其他用地类型导致了ESV 的减少，而耕地、建设用地转向水域、林地导致了ESV 的增加，水域的转入转出是引起ESV 较大变化的主要原因。

3.2 生态系统服务价值空间分布变化

以500 m×500 m 的格网作为研究单元，计算每个格网的ESV，并按照自然断点法将上海市ESV 分为五个等级，一级最低，五级最高。图2 反映的是2010—2020 年上海市ESV 分布情况，由图可知：（1）2010 年上海市ESV 高值区主要分布于崇明岛的长江北港北支、北湖、东滩、东风西沙、青草沙，宝山区的陈行—宝钢水库、青浦区的淀山湖—金泽水库一带、浦东新区的南汇沿岸新围垦滩地、奉贤区的杭州湾北岸沿海滩涂以及黄埔江等水域占比高的沿河沿岸地区；2020 年ESV 高值区在南汇沿岸、崇明地区面积大量缩小，仅在东风西沙地区有所扩大。（2）2010 年较高值区除沿高值区外围分布外，主要集中分布于崇明岛、青浦以及奉贤等郊区中河流水面、坑塘水面密集分布的地区，2020 年较高值区在青浦、奉贤区范围缩小，在崇明岛内整体向岛内、东部转移。（3）中值区与较低值区交错分布，主要分布于郊区的城郊结合带地区，2020 年分布情况基本一致。（4）上海市ESV 低值区主要位于中心城区、郊区集建区等建设用地占比高的城镇化地区，2020 年上海市ESV 低值区范围进一步扩大，沿已有集建区外围扩张，低值区的增长主要集中在金山南部、浦东新区临港新城地区。

3.3 生态系统服务价值空间自相关变化分析

表6 反映的是上海市ESV 各年份Moran's I 统计值计算结果，由表可知：2010 年、2020 年上海市ESV 的Moran's I 值均大于0，P 值均小于0.001，表明上海市ESV 整体上呈显著的空间正相关关系；2020 年Moran's I值略小于2010 年，表明上海市近10 年来，生态系统服务价值集聚程度降低，相关性逐渐减弱，在空间上表现为整体较为分散、区域集聚程度降低的特点。

图3 是上海市生态系统服务价值LISA 分布图。由图可知：2010 年上海市ESV 高—高值聚集区除集中于ESV高值区（五级区）外，还分布于水网密集的横沙岛红星港—新民港地区、奉贤区东北部四团港—南大港—三团港地区以及东南部焦墩港—南门港—南横港（河）一带。低—低值聚集区基本与ESV 低值成片区分布一致，主要集中于中心城区、崇明岛城桥镇、长兴岛船舶制造基地（东、西块）、宝山区东部及蕴藻浜两岸地区、嘉定区南部、闵行区黄浦江西岸、松江区东北—中部地区、奉贤区上海化学工业区、金山区南部杭州湾沿岸、浦东新区西部黄浦江沿岸；2020 年上海市ESV 空间分布上高—高值聚集区范围大幅缩小，低—低值聚集区仅在浦东新区、闵行区及嘉定区范围有所缩小。

上海市2010—2020 的十年间ESV 聚集情况发生较大转变，主要有以下四种变化方式：

（1）非显著区转变成高—高值聚集区的ESV 增值区面积仅占上海市ESV 增加区总面积的2.06%，增加量占到了总增加量的10.44%。此类区域主要分布于崇明岛北湖与东滩东侧向岛地区、东风西沙沿江地区、黄浦江沿岸、奉贤—金山北杭州湾沿岸地区以及青浦环淀山湖水网密集区。崇明岛内主要以耕地转化为水域和林地为主；黄浦江沿岸土地多以建设用地转为水域、林地和草地为主；奉贤—金山北杭州湾沿岸地区多以建设用地转为水域、林地和草地为主；青浦环淀山湖水网密集区多以耕地、建设用地转化为水域和林地为主（图4a）。

（2）低—低值聚集区转变成非显著区中的ESV 增值区面积占ESV 增加区总面积的8.31%，增加量占总增加量的12.20%。从图4b 可知，上述区域集中成片区基本与近10 年上海市重要生态空间建成区重合。浦东新区东北角沿上海绕城高速沿线—上海浦东国际机场西侧、浦东新区外环高速三林—康桥沿线出现的低—低值聚集区转变成非显著区主要是建设用地转化成林地、草地，建成了环城绿带、近郊绿环区；宝山江杨北路—泰和路—铁峰路—兰岗路合围区以建设用地转为转成林地、水域为主，形成吴淞楔形绿地；川杨河、申嘉湖、赵家沟地区形成的聚集区主要是建设用地转化成林地、水域，形成郊区骨干河道两侧建设生态林带；宝山罗店美兰湖、嘉定远香湖公园及浦东新区森兰公园附近均以建设用地转成水域、草地与林地为主，成为主要城市公园。

（3）非显著区转变成低—低值聚集区中ESV 值降值区占此类区域总面积的71.25%，成片分布于工业园的建设区、大型居住社区新建区和市政大型工程建设区（ 图4c），其中工业园区有依托临港发展的临港重装备产业基地—临港物流园区（奉贤园区）—海港综合开发区、上海化学工业区奉贤分区（基地）杭州湾沿岸、松江工业区东区、嘉定工业园区（北区）；大型居住社区新建区有浦东新区航头镇航三路—航海路—航浦路—沪南公路合围区、闵行区吴泾镇申嘉湖高速—樱桃河—淡水河—剑川路合围区、滴水湖临港大道—申港大道地区；市政大型工程建设区主要在浦东机场东侧临海区。工业园的建设区以林地、耕地转化为建设用地为主，大型居住社区新建区多以耕地、水域转化为建设用地为主，浦东机场东侧临海区多以耕地、水域转化为草地、林地为主。

（4）高—高值聚集区转变成非显著区中的ESV 降值区域面积仅占上海市ESV 减少区总面积的6.73%，而ESV 值减少量占总减少量的30.99%。主要分布于崇明岛的长江北港北支與东滩地区、浦东新区的南汇沿岸新围垦滩地、青浦区南部、松江区西南部以及奉贤区南部地区。其中，崇明岛的长江北港北支与东滩地区、浦东新区的南汇沿岸地区均以水域转成耕地为主，青浦、松江及奉贤区内多以水域转成耕地、林地为主（图4d）。

4 结论

本文基于2010—2020 年土地利用变更数据，采用当量因子法和GIS 空间分析技术，分析了上海市（陆域）2010、2020 年两期的土地利用变化及其ESV 的转换矩阵、ESV 时空变化的关系。结果表明：

（1）2010—2020 年间，上海市土地利用格局变化明显，林地、草地面积增加，而水域、耕地和建设用地面积减少，反映了上海市近10 年城市化进程背景下，构建“双环、九廊、十区”市域生态空间结构，以保障城市生态安全，提升城市生态环境品质的建设结果。期间上海市ESV 减少52.65 亿元，主要是因为水域面积减少所致。

（2）在500 m×500 m 格网尺度下，上海市生态系统服务价值在空间上总体表现为高高、低低集聚，局部呈现高低、低高集聚，上海市ESV 高值区主要集中于崇明岛、淀山湖、杭州湾、南汇边滩等大片生态红线保护区域；ESV 低值区主要集中于市中心城区。

（3）崇明岛长江北港北支与东滩地区、浦东新区的南汇沿岸地区的围垦造田和近郊青浦、松江及奉贤区的土地整治以及工业园区、城镇化大型居住社区、市政重大工程的重大城市建设是近10 年间上海市ESV 下降的重要因素；近10 年间崇明岛（退耕还湿还林工程）、杭州湾（恢复生态用地工程）、淀山湖（湖泊生态治理工程）为代表的重要生态保护区—上海市域环城绿带、近郊绿带—连接两者的楔形绿地—骨干河道生态带（滨水生态空间建设工程）—区级公园不同层级生态空间建设的重要成效区，使上海市ESV 有一定的提升，表明上海市现有生态整治工程和手段效果明显。人类活动是上海市ESV 变化的主要驱动因素。

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