港口區域生態系統服務價值評估及驅動因子分析

刁 震，王文淵，彭 云，郭子堅

（大連理工大學 建設工程學部，遼寧 大連 116024）

引 言

生態系統服務功能是人類賴以生存的自然環境條件與功能[1]，生態系統服務價值評估有利于人類福祉并實現經濟可持續發展[2]。定量研究港口區域生態系統服務價值變化與土地利用轉換的關聯機制，分析港口區域生態環境與港口發展的關系，有助于港口區域土地的科學規劃利用，對促進港口區域生態建設、實現港口可持續發展具有重要意義。

1997年，Robert Costanza等[3]13位科學家對全球生態系統進行了分類與全面評估，引發了國內外眾多學者的相關研究，生態系統服務價值是其中的重點之一。歐陽志云等[4]分析了中國生態系統的服務功能，并估算了全國生態系統的間接經濟價值；謝高地等[5]基于 Costanza等[3]的研究成果，得到了中國陸地生態系統的單位面積生態系統服務價值表；王浩然[6]結合港口的特征，探討了港口生態系統的定義及其服務功能，將港口生態系統視為城市生態系統的子系統，研究了港口生態系統服務價值的計算方法。

生態系統服務價值評估的研究重點為某一區域的土地利用變化以及相對應的生態系統服務價值的評估[7-9]，分析生態系統服務價值變化對土地利用變化的響應[10-14]，探尋生態系統服務價值發生變化的驅動因素[15-16]，研究區域主要為海洋、森林、湖泊、流域等自然生態系統或者某一行政區域包括城市在內的復合生態系統[17-21]。很少有研究是針對港口生態系統開展的，而對港口生態系統服務價值變化及其與港口發展相關性的研究則更少。本文通過對港口區域的生態系統服務價值進行評估，定量分析港口區域土地利用變化引起的生態系統服務價值的改變，量化港口區域生態環境的保護狀況，為港口區域的生態環境保護評估提供較為直觀的參考指標。

1 研究區域概況

研究區域為大連港某港區的臨港區域。該港區位于大連市東北部，發展迅速，土地利用類型變化劇烈。從 1999年至今已建成數十個專業化集裝箱泊位，集裝箱吞吐量逐年增長，從1999年的74萬TEU增長到2013年的991萬TEU[22]，是我國東北地區最主要的外貿集裝箱運輸港。研究區域陸側以城鎮建設區域為邊界線，海側以海岸線為邊界線。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據采集與處理

選取從1999年到2013年每年的Landsat TM/ETM/OLI_TRIS遙感影像，以2013年的研究區域邊界線對遙感影像進行裁剪，然后以此為基礎對歷史遙感影像進行裁剪。在完成影像的土地利用類型分類之后，通過隨機取樣的方法利用Kappa系數對分類結果進行精度評價。精度評價結果顯示每年土地利用類型分類的Kappa系數都在0.9左右，說明土地分類精度較高。

2.2 研究方法

1）土地利用類型劃分

考慮港口生態系統的特征[6]，將港口區域劃分為林地、草地、水域以及建設用地四種土地利用類型，其中前三種為生態用地。

2）生態系統服務價值計算

基于中國陸地生態系統服務價值當量表[5]進行生態系統服務價值計算。假設建設用地的生態系統服務價值為 0。采用王浩然[6]提出的修正模型，從時間、空間和社會經濟發展水平等方面對該生態系統服務價值當量表進行修正。采用Costanza等[3]提出的公式計算港口生態系統服務價值：

式中：ESV為生態系統服務價值，元；Ak為土地利用類型k的土地面積，hm2；VCk為土地利用類型k生態系統服務價值系數，元/hm2。

3）生態系統服務價值變差貢獻率

生態系統服務價值變差貢獻率這一指標可以衡量某種土地利用類型的生態系統服務價值變化在總的生態系統服務價值變化中所占的比重，進而了解某種土地利用類型變化對生態系統服務價值變化的影響程度，由式（2）計算：

式中：ESVc為生態系統服務價值變差貢獻率；ESVib和ESVia分別為第i種土地利用類型的末期和初期生態系統服務價值，元；ESVb和ESVa分別為末期和初期生態系統服務總價值，元。

若ESVc＜0，則說明該種土地利用類型的生態系統服務價值變化趨勢與總的生態系統服務價值變化趨勢相反；若ESVc＞0，則說明該種土地利用類型的生態系統服務價值變化趨勢與總的生態系統服務價值變化趨勢相同。

4）相關性分析

采取Pearson相關系數來衡量生態系統服務價值和港口的集裝箱吞吐量以及泊位個數之間的相關關系。

3 結果分析

3.1 土地利用類型動態變化分析

各年份土地利用類型變化如圖1所示，以1999年、2004年、2009年和2013年為例，土地利用類型的分類結果如圖2所示。

圖1 各種土地利用類型的面積變化情況

圖2 部分年份的土地利用分類

從1999年到2013年，該區域的建設用地得到了顯著的增加，與之相對應的林地、草地和水域的面積卻逐漸減少。在該時間段內，與1999年相比，建設用地增加了大約360 %，草地減少了60 %左右，林地減少了52.5 %，水域面積減少了48.5 %。

隨著社會經濟的不斷發展，港口的建設用地不斷擴大，一方面通過填海造陸不斷向海域發展，另一方面通過占用林地和草地來實現港口區域的陸側擴張。草地相比林地，其面積變化率更大，主要原因是草地的開發難度較小，林地大多分布在該區域的山丘上，開發難度較大，且由于當地對山林的保護政策，山丘區域的林地得到了較好的保護。

3.2 生態系統服務價值變化

表1 港口生態系統單位面積生態系統服務價值

根據《大連統計年鑒—2014》[23]計算出單位面積農田生態系統的食物生產服務功能價值，從而得到港口生態系統單位面積服務價值，如表1。

根據表1中的單位面積生態系統服務價值，結合土地類型分類的結果，利用公式（1）計算該區域的生態系統服務價值，得到各單項生態服務的價值的變化情況如表 2，港口生態系統總服務價值變化情況如圖3所示。

表2 各單項生態服務價值變化情況

圖3 研究區域生態系統服務價值變化情況

從表2中可以看出，在1999年到2013年這段研究期間內各項生態服務價值均在減少，其中變化量最大的前三項分別為：水源涵養、廢物處理和氣候調節，這與它們自身的生態服務系數較大有著密切關系。各單項生態服務價值的變化率差別不大，均在50 %左右。

從圖3中可以看出，從1999年到2013年，該港口區域的生態系統服務總價值逐年減少，林地、草地、水域等生態用地的服務價值總體變化趨勢也為逐漸減少，其中，草地的服務價值改變率最大，接下來依次是水域和林地。與研究期起始相比，研究末期的總生態系統服務價值減少了52.11 %。

3.3 生態系統服務價值變差貢獻率

從表3中可以看出，對于生態用地，變差貢獻率均為正值，與總生態系統服務價值的變化趨勢均在減少，說明它們對生態系統服務價值的變化貢獻均為負，即這些土地利用類型的服務價值的減少導致了生態系統服務價值的減少。水域的貢獻率最大，為48.02 %，林地次之，為16.99 %，這與它們的生態服務價值系數較大有著密不可分的聯系，草地的面積變化雖然最大，但是由于草地的生態服務價值較小，因此其貢獻率最小。

表3 港口生態系統總服務價值變化情況

3.4 相關性分析

在得到該港區每年的總生態系統服務價值之后，進一步分析其與該港口區域的泊位建設個數、集裝箱吞吐量兩個指標的相關性。生態系統服務價值隨港口發展的變化情況的相關性分析的結果如表4所示。

表4 生態系統服務價值與港口發展指標的相關性

從相關性分析可以看出，生態系統服務價值與港口的泊位個數和集裝箱吞吐量之間存在著顯著的負相關性，說明隨著港口區域不斷擴張，土地利用類型的變化趨勢為從生態用地向建設用地發展，區域的生態系統服務總價值不斷減少。

圖4 生態系統服務價值與泊位數量的相關趨勢

從圖4中可以看出，隨著泊位數量的增加，港口區域的生態系統服務價值在不斷地減少，說明港口泊位數量的增加對生態系統服務價值有著明顯的負面影響港口的擴張在一定程度上降低了生態環境的質量。

圖5 生態系統服務價值與集裝箱吞吐量的相關趨勢

從圖5中可以看出，該港口區域的生態系統服務價值隨集裝箱吞吐量的增加有著不斷減少的趨勢。分析這兩個變量的變化趨勢可以進一步發現，隨著港口的不斷發展，港口處理貨物數量的增加，港口需要更多的堆場，更長的碼頭前沿線等。與此同時，貨物處理量的增加也帶動著周邊臨港區域的不斷發展，吸引大量物流業、制造業聚集于此，改變臨港區域的生態系統服務價值。隨著集裝箱吞吐量的增加，生態系統服務價值雖然在不斷減少，但是其變化趨勢卻越來越緩，隨著港口處理貨物效率的提升，集裝箱吞吐量增加引起的生態系統服務價值的減少量也會越來越小。

4 結 語

本文選取的樣本時間跨度較大，且包含每年的遙感影像，較好地還原了 15年間研究區域生態用地的變化情況，并在此基礎上定量評估了該區域生態系統服務價值的變化情況及驅動因素。主要得出以下結論：

1）在研究期間，該區域的建設用地顯著增加，與之相對應的林地、草地和水域的面積卻逐漸減少。建設用地呈現出沿海岸線以及垂直海岸線的擴張趨勢；

2）從1999年到2013年，研究區域的各項生態服務價值均減少50 %左右，變化量最大的前三項分別為：水源涵養、廢物處理和氣候調節；

3）對于林地、草地、水域等各種生態用地，變差貢獻率均為正值，與總生態系統服務價值的變化趨勢是一致的，其生態服務價值均在減少，說明它們對生態系統服務價值的變化貢獻均為負，即這些土地利用類型的服務價值的減少導致了生態系統服務價值的減少；

4）隨著港口泊位數量和集裝箱吞吐量的增加，港口區域的土地利用結構發生改變，生態系統服務價值不斷減少。研究區域生態系統服務價值與港口的泊位數量、集裝箱吞吐量有著顯著的負相關性。