基于生態格局視角的三峽庫區土地生態系統服務價值

張 楊, 馬澤忠, 陳 丹

(1.重慶工商大學, 重慶 400067; 2.重慶市土地勘測規劃院, 重慶 400020; 3.重慶工商大學 融智學院， 重慶 400033)

土地利用變化/土地覆蓋變化(LUCC)是全球生態環境變化的重要原因和驅動力[1]，土地利用類型的轉變及其管理模式將對生態系統服務功能產生深遠影響[2]。對生態系統服務進行研究有利于優化土地利用的空間格局和完善其管理機制[3]。

目前，國外關于生態系統服務價值的研究較比國內的研究更為深入。國際上，對土地生態系統服務的研究始于Costanza等的“全球自然資本評估”[4]。此后，不斷有學者對生態系統服務的分類體系、價值測算方法、價值評估方式等方面內容進行深入研究[5-8]、并針對具體研究范圍，研究在不同空間尺度、不同地域類型上的生態系統服務價值的特征[9-10]，研究生態系統服務價值的空間分布[11]]，由于土地利用變化與城市擴展密切相關，其引起的生態系統服務功能變化受城市發展影響，因此，城市土地生態系統服務成為當下的研究熱點。國內學者更多地是在謝高地對Costanza的生態系統服務價值測算方法修正的基礎上[12-13]，對生態系統服務進行這幾方面的研究：(1) 從具有特殊地貌的區域如以高原地區、流域或喀斯特為研究單位[14-16];(2) 針對某一類用地進行生態系統服務價值研究，如研究森林、地表水、沼澤濕地、等特殊用地類型[17-19]；(3) 以及近年來對城市生態系統服務的興起，高速發展的城市與待發展的城市都是研究的重點，部分學者從景觀格局變化城市擴張對生態系統服務的影響[20]，也有學者從城市內部的森林、綠地、水體出發，探索更加適合城市的生態系統服務價值評估模型[21-22]。

三峽庫區重慶段包括重慶城區在內的22個區縣。近年來，隨人口與經濟的飛速增長，三峽庫區土地利用結構與空間分布發生較明顯的變化，隨之對生態系統服務造成顯著影響[23]。目前，相關文獻大都只是重視基于利用RS與GIS工具對生態系統服務進行定量分析研究，較少研究對其生態系統服務格局進行分析，忽略對生態系統服務價值的時空分布演變特征的研究。生態系統服務價值在時間以及空間上的演變特征是研究生態環境健康與否、城市擴展科學合理的重要指標。本文以三峽庫區為例，運用空間自相關分析分布對研究區生態系統服務價值的空間特征進行深入研究，揭示研究區內部的生態系統服務價值的異質特征，為三峽庫區生態環境保護、城市可持續發展提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 研究區概況

三峽庫區位于北緯28°31′—31°44′、東經105°49′—110°12′，地處四川盆地與長江中下游平原之間，丘陵地貌。庫區包含長江流域因三峽水利工程影響而被淹沒和三峽庫區人口遷移所涉及的重慶市以及湖北省部分區縣，本研究選取三峽庫區重慶段為研究區，目的是為了保持行政單位統一，降低由政策造成不同方向、類型的大范圍人為干預活動影響。幅員面積5 739 072.86 hm2。2015年三峽庫區年末常住人口為1 317.18萬人，其中城鎮人口為738 089萬人，城鎮化率為56.1%，同年區域生產總值6 206.9億元。本文選取的四期數據2000年、2005年、2010年、2015年，時間跨度較長。研究三峽庫區在經濟高速發展、城市快速擴展的背景下，生態系統服務價值的變化，并從區縣的尺度上分析其空間關系，為優化三峽庫區土地利用格局和借鑒和提高其生態系統服務提供數據參考和理論支撐。

1.2 數據來源及處理

本文研究以2000年、2005年、2010年、和2015年美國陸地衛星Landast/TM遙感數據為基礎，基于ArcGIS 10.1人機結合解譯，得到三峽庫區四期數據。其他數據來源分別為2001年、2006年、2011年和2016年重慶統計年鑒、三峽公報以及其他相關文獻。

1.3 研究方法

1.3.1 地類劃分 結合參考相關生態系統服務價值關于不同價值的用地類型的劃分[24-25]，按照三峽庫區土地利用的實際情況及《土地利用現狀分類》(GB/T 21010—2007)，在ArcGIS 10.1中將27種二級地類合并土地類型后將三峽庫區用地類型分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地6類(表1)。

1.3.2 土地利用類型變化動態度 土地利用類型變化動態度是一定研究時間內，土地利用變化數量的變化量，可以體現土地利用類型轉變劇烈程度。

單一土地利用類型變化動態度公式

(1)

式中:K是單一土地利用類型變化動態度；Ua，Ub分別為某一土地利用類型研究期初和研究期末的面積；T是研究時長，當T的單位是年時，K為該研究區單一土地利用類型年變化率。

1.3.3 生態系統服務價值 生態系統服務價值系數是單位面積的生態服務價值量[26]，受區域環境及時間變化等多種因素影響[27]。結合謝高地等和Costanza的生態系統價值系數，參考重慶的生態系統服務價值系數[28]最終得到本文的三峽庫區單位面積生態系統服務價值系數(表2)。

表2 三峽庫區生態系統單位面積服務價值

生態系統服務價值(ESVf)計算公式

ESV=Ai×VCi

(3)

(4)

式中:ESV為研究區的生態系統服務價值；Ai表示研究區第i種土地利用類型的土地面積；VCi表示研究區第i種土地利用類型的單位面積生態系統服務價值。

1.3.4 空間統計分析方法 空間統計分析方法的核心是認識與地理位置相關的數據間的空間依賴關、空間關聯、空間自相關，本文使用全局Moran指數I表示空間鄰接或鄰近的區域單元屬性值的相似程度，通過空間聯系的局部指標(LISA)局部Moran指數Ii描述研究區內部各單元顯著的相似值單元的空間集聚程度。

(5)

(6)

式中:I為全局Moran指數；Ii為局部Moran指數；Xi與Xj分別代表i單元與j單位的值；n為空間單元個數；Wij為空間權重矩陣。Moran指數I的值域在[-1,1]，大于零表正向關，零表示不相關，小于零為負相關.

為直觀地展示三峽庫區重慶段內部各區縣的生態系統服務價值的空間分布，通過geoda軟件進行空間自相關分析得到Moran′sI指數散點圖與LISA圖，對2000—2015年的三峽庫區重慶段生態系統服務價值進行空間分析。

2 結果與分析

2.1 土地利用變化

基于遙感解譯可得到三峽庫區2000年、2005年、2010年以及2015年4個研究年的土地利用類型。可知研究區各類土地中林地面積占比最大，其次是耕地。耕地、林地、草地在庫區內廣泛分布，基本呈相間格局分布，水域主要是嘉陵江、長江貫穿，受西南地區多山多丘陵地形和交通條件的限制，建設用地主要分布在重慶主城區及周邊區縣，其次建設用地分布較多的是長江沿線，如長壽區、涪陵區、萬州區等的區縣，其他區縣的建設用地分布較為零星，未連篇，不聚集；未利用地主要集中渝東北(云陽、巫溪、奉節等縣)，分布也較為零散，主要是裸土以及石漠化的裸巖。

通過統計計算，整理得到研究區土地利用變化表(表3)，由表3可知，2000—2015年，各用地類型轉變以耕地、林地、草地向建設用地和水域的轉變占據主導，其中轉移量最大的是耕地，轉移量達38 846.1 hm2，其次是林地和草地；面積增加最多的是建設用地，15 a間共增加40 951.95 hm2，其動態度也高達2.51%，城區周邊的大量耕地向建設用地轉變，水域面積增加較為平均，未出現集聚增加的現象。在分區尺度上，主城區建設用地擴展速度及規模都遠高于其他區縣，其次是長壽區、涪陵區、和萬州區等區位上靠近主城區、城市化水平提升顯著，近年來經濟發展較為迅速的區縣，建設用地擴張規模較大、速度較快；水域面積的增加平緩，從渝西南到渝東北研究區水域面積的增加逐漸增大，長江下游河面逐漸擴寬，特別云陽縣、奉節縣長江江面有較明顯加寬，除大渡口區、沙坪壩區九龍坡區、北碚區水域面積有所降低外，渝中區水域面保持不變，其余各區縣水域面積變化均有所增加。

表3 三峽庫區2000-2015年土地利用變化

2.2 生態系統服務價值時序變化

通過生態系統服務價值的當量價值測算，計算得到三峽庫區重慶段各研究年的生態系統服務總價值(表4)，2000年、2005年、2010年、2015年總價值分別為652.96億元、654.78億元、657.02億元、655.87億元。

表4 2000-2015年三峽庫區土地利用系統生態系統服務價值 億元

2000—2015年，三峽庫區重慶段生態系統服務價值呈現先增加后降低態勢。這與研究區在研究期間耕地、林地面積逐年降低，水域面積變化先大幅增加后小波動增加，建設用地先少量增加后大幅增加的趨勢基本一致，土地利用類型的變化導致生態系統服務價值變化。2000—2010年，由于三峽庫區開始截流蓄水，耕地、林地、草地等地類都有不同程度的減少，水域面積增加，使得區域生態系統服務總價值增加，共計增加4.06億元；2010—2015年，由于人類干預活動加劇，城市化進展速度加快，建設用地面積增加，2015年生態系統服務總價值低于2010的服務價值，降低1.15億元。

總體而言，三峽庫區2000—2015年，生態系統服務價值增加，從2000年的652.96億元到2015年的655.87億元，共計增加2.91億元，造成這種現象的主要原因：(1) 生態系統服務價值比較低的耕地、草地面積減少較多；(2) 因建設用地面積增加而損失的生態服務總價值低于因水域面積增加的生態服務總價值。

2.3 生態系統服務價值空間分異演變

2.3.1 生態系統服務價值空間相關性研究 對三峽庫區2000年、2005年、2010年和2015年生態系統服務價值進行空間自相關分析，研究年的生態系統服務價值空間自相關Moran′sI指數均大于0.5，且呈逐年穩定增長的趨勢，表明研究區生態系統服務價值空間分布具有較強的正向相關性。

為直觀顯示三峽庫區生態系統服務價值的空間分布情況，通過geoda制作的LISA集聚圖(圖1)來表達其相關空間關系。2000—2010年三峽庫區的三峽庫區各區縣生態系統服務價值的聚集狀態基本保持不變，萬州、開州、石柱縣、巫山縣為高—高聚集區，長壽區、渝北區、北碚區、沙坪壩區、渝中區、九龍坡區和大渡口區屬于低—低聚集區，忠縣屬于低—高聚集區，江津和涪陵則屬于高—低聚集區；2015年三峽庫區各區縣生態系統服務價值空間分布，低—低聚集、低—高聚集、高—低聚集不變，高—高聚集區較之前多出奉節縣。渝東北地區生態系統服務價值遠高于西南片區，造成這種分布的主要原因是渝西南城市擴展快、規模大，以重慶主城區為中心，以山地城市的地形因素以及交通條件為限制，由城市邊界向交通便利，地勢較為平坦的周邊各方向，以狹長形態不斷向外圍擴張，大量農地、林地轉為建設用地，而建設用地割裂生態環境，建設用地會貢獻負的生態系統服務價值，該結果與前文土地利用變化分析中建設用地在主城九區及沿江區縣的結果基本一致三峽庫區城市發展是由城市邊界向交通便利，地勢較為平坦的周邊各方向，以狹長形態擴展。

圖1 2000-2015年三峽庫區各區縣生態系統服務價值LISA聚集圖

2.3.2 生態系統服務價值變化率空間相關性研究 對三峽庫區不同階段生態系統服務價值變化率進行空間自相關分析(圖2)，由圖可得：研究區內各區縣的生態系統服務價值變化率均為正，從a階段即2000—2005年的0.32，b階段即2005—2010年的0.41，增加到c階段即2010年到2015年間的0.51，Moran′sI的值逐年均勻增大，表明研究區各區縣的生態系統服務價值變化率的正向空間相關性逐漸增強，對應表現為2000—2015年城市發展以集聚為主，蔓延速率不斷加快，建設用地以城市為中心呈指數性擴張，水域面積沿長江流域和以庫區中心擴展；且對Moran′sI指數進行檢驗，檢驗結果均為顯著，表明2000—2015年，三峽庫區各區縣生態系統服務價值變化呈現空間集聚的特點。

圖2 2000-2015年三峽庫區生態系統服務價值變化差分LISA聚類圖

為直觀顯示三峽庫區不同階段生態系統變化率的空間分布情況，利用LISA聚集圖(圖2)表示其空間自相關關系，a階段，渝北區、九龍坡區、巴南區是生態系統服務價值率變化率高—高集聚區；奉節縣和云陽縣為低—低集聚區，開州、巫溪縣屬于高—低集聚區；b階段，渝北區、九龍坡區、巴南區、江北區、大渡口區、長壽區均屬于高—高集聚區，萬州、云陽縣及開州屬于低—低，巫溪縣、石柱縣屬于高—低；c階段，渝北區、巴南區、江北區、沙坪壩、北碚區、以及長壽區均屬于高—高集聚區，萬州區、開州、云陽、巫溪屬于低—低集聚，c階段無高—低集聚區，a，b，c、階段均無低—高集聚區。b，c階段，高高集聚和低低集聚的空間相關性不斷增強，且其重心在空間上都沒有發生移動，高高集聚區集中在渝西南片區，低低聚集區、高低集聚區主要分布在渝東北片區，此結果與前文中土地類型轉變中建設用地增加以城市為中心集聚擴展的結論基本一致。造成這種分布的主要原因：一是三峽庫區地類轉變中增量最大的建設用地沿重慶城區及其鄰近區縣擴展，江北區、巴南區、北碚區、長壽區、涪陵區等農林地轉為建設用地量較大，其生態系統服務價值變化率高，空間集聚性明顯；二是生態系統質量較高的渝東北片區，生態系統也較為穩定，各類用地轉移量小，價值的變化率低，空間集聚性也不明顯。渝東南地區生態系統服務價值較為穩定，渝東北地區主要屬于低聚類，云陽縣、奉節縣生態系統服務變化率低、且開州在a階段屬于高變化率，在b，c階段則屬于低變化率；巫溪在a，b階段屬于高變化率，但在c階段屬于低變化率，此變化符合各區縣各自的城市發展曲線，表明城市發展及建設用地的擴張及其擴張方向是影響生態系統服務價值變化及空間分布的主要原因。

2.4 生態系統服務價值剖面分析

為分析三峽庫區重慶段各區縣生態系統服務價值空間分布的差異，根據研究區的地形、交通條件、建設用地擴張的規模和方向，選擇東—西方向(A—A剖面)、東北—西南方向(B—B)2條剖面線通過創建剖面，分析2000—2015年三峽庫區重慶段生態系統服務價值的空間分布。

東—西走向A—A剖面，此剖面涉及重慶城區，剖面價值變化呈波動上升，表征三峽庫區生態服務的價值由東至西逐漸增加。服務價值較高的是石柱縣、涪陵區，其原因是能提供更高生態系同服務的水域與森林較多，貢獻的生態系統服務價值較多，而重慶城區服務建設用地量大，林地、水域、農地面積較少，相應的，其生態系統服務價值也較低；A—A剖面反映2000—2015年剖面線所涉及的三峽庫區各區縣生態系統服務價值均有所下降，重慶城區及周邊區縣降低量大于其他區縣的降低量，這是由于城市沿原城市邊界擴展，水域、林地及農地被侵占導致生態系統服務價值快速降低。A—A剖面線價值變化呈波動性上升，表明西南部城區生態系統服務價值較低，但其余區縣生態系統服務價值較高，同時服務價值的差距逐漸擴大，空間分布也朝著更加集聚、不均衡的方向發展，空間分布異質程度高，且這種空間異質性的程度有提高的趨勢。

B—B剖面，此剖面線貫穿研究區的東北—西南，與長江走向基本一致，是研究區的長軸，2000—2015年，B—B剖面線波動較A—A剖面線起伏更大，波動頻率更快，但始終走向向下，表征三峽庫區生態系統服務價值自東北方向西南方向逐漸降低。生態系統服務價值最高的始終是巫溪縣，主要是因為其林地面積占比高達74.5%，建設用地占比不到0.01%，服務價值在在忠縣及巴南出現兩個低谷，表明服務價值在忠縣及巴南出現萎縮。B—B剖面線反映2000—2015年剖面線所涉及的三峽庫區各區縣生態系統服務價值總體是呈增加趨勢，且越往東北方向，服務價值的增量越大，價值的波動變化與研究區的地形條件有直接影響，渝東北片區，多山地形，整體海拔較西南片區高，林地、水體更偏向原生形態，生態系統服務價值也就保持在相對較高水平，而渝西南片區，由于歷史及交通因素，更易發展城市，建設用地的轉變相對簡單，擴張迅速，服務價值降低明顯。原位于高峰峰頂的涪陵區、豐都縣等地出現高峰逐漸萎縮的現象，生態系統服務價值降低，與東北片區的差距逐漸擴大，并出現與西南片區出現同化的現象。

3 結 論

(1) 2000—2015年三峽庫區重慶段土地利用變化情況出現“三增三減”。各用地類型轉變以耕地、林地、草地向建設用地和水域的轉變占據主導，其擴展方向沿重慶城區及長江沿岸；重慶城區周邊建設用地擴展速度及規模都遠高于其他區縣。研究期間，研究區生態系統服務價值呈先增后減的趨勢，從2000—2010年，服務價值增加4.06億元，在2010—2015年減少了1.15億元，研究期間共計增加2.91億元。

(2) 從區縣層面上看，2000—2015年生態系統服務價值的空間相關性逐漸增強，而服務價值變化率的空間相關性也逐漸增加，集聚效應明顯。從未來發展的趨勢出發，各區縣的生態系統服務價值總量和服務價值變化的空間相關性都在增強，表明三峽庫區重慶段的發展集聚，城市發展也由城市邊界向交通便利，地勢較為平坦的周邊各方向，以狹長形態集聚擴展。

(3) 三峽庫區重慶段生態系統服務價值空間分布特征；三峽庫區生態系統服務價值的空間分布：北部地區高于南部，東部高于西部，即生態系統服務價值從最低的西南部重慶城區開始向東，向北逐漸增加，同時服務價值的差距在西南、東北兩方向不斷擴大，空間分布異質程度不斷提高，這種變化與重慶城區、城市化水平高的區縣的城市擴展、建設用地增加的趨勢一致。

(4) 綜上，研究三峽庫區重慶段15 a土地生態系統服務價值演變規律，對三峽庫區生態環境建設、重慶城市擴展具有重要參考意義。三峽庫區生態系統服務價值逐年增加，生態系統服務的功能性也不斷增強，但空間分布集聚，城區人口高密度區域服務價值降低，因此應加強優化國土空間布局，科學規劃城市發展，堅持合理與適度開發。