基于土地利用的邵陽市生態系統服務價值演變

趙莉莉 范勛承 馬文銀

摘要 土地利用變化通過改變地表覆蓋類型，影響著生態系統的結構、功能及過程，進而對生態系統服務的供應和人居環境質量產生影響。開展土地利用變化與生態系統服務功能量化評價，以期為邵陽市及周邊區域的生態安全提供借鑒。以邵陽市為研究案例，基于1993和2016年2期Landsat 5 TM/Landsat 8 OLI影像，統計了1993—2016年邵陽市土地利用面積變化、土地利用類型轉移矩陣和土地利用變化動態度，計量了23年間邵陽市生態系統服務價值演變特征。結果表明：①研究期間，林地是研究區的主要基質類型，耕地和未利用地不僅分別是面積增加和減少最多的用地類型，同時動態變化也最為劇烈，其動態度分別是0.77%和-2.76%。②1993—2016年邵陽市生態系統服務價值呈微弱下降趨勢，林地的生態系統服務功能價值占整個系統的80%以上，貢獻率最大。③各單項服務價值上，水源涵養、土壤形成與保護、生物多樣性保護和氣體調節等功能價值位居前列，相比之下，食物生產功能價值最低，說明邵陽市生態系統的服務性功能遠大于生產性功能。

關鍵詞 土地利用/覆被變化;面向對象分類;生態服務功能價值法;寶慶;湘西

中圖分類號 TP79 ?文獻標識碼 A ?文章編號 0517-6611（2020）19-0055-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.19.016

Abstract Land use change affects the structures， functions， and processes of ecosystems by changing the type of surface cover， which in turn affects the supply of ecosystem services and the quality of living environment. Carrying out quantitative research on land use change and ecosystem service functions can provide support for ensuring ecological security in Shaoyang City and surrounding areas. Taking Shaoyang City as a research case，we counts the transfer matrix of land use types and the land use change，and measures the evolution characteristics of its ecosystem service value （ESV） in Shaoyang City from 1993 to 2016. The results showed that：First， woodland was the main matrix type in the study area. During the study period， cultivated land and unused land were the types of land that had increased and decreased the most， respectively. Meanwhile， the changes in cultivated land and unused land were particularly intense， and the dynamic degree were 0.77% and -2.76%， respectively. Second， the land use changes of Shaoyang City as a whole continued to decrease during the study period. The value of ecosystem services on woodland accounts for more than 80% of the entire ecosystem. Third， the value of services such as water conservation， soil formation and protection， biodiversity conservation and gas regulation were higher within the value of each individual service. In contrast， services such as food production had the lowest value， indicating that the service function of Shaoyangs ecosystem was far greater than the productive function.

Key words Land use/cover change;Objectoriented method;Ecological service function value method;Baoqing;Xiangxi

基金項目 邵陽學院博士專項基金資助項目（17ZX03）;湖南省教育廳一般項目（19C1670）。

作者簡介 趙莉莉（1985—），女，黑龍江青岡人，助理研究員，博士，從事土地利用與景觀生態研究。*通信作者，講師，博士，從事土地利用與3S技術應用。

收稿日期 2020-04-25

土地利用是指人類為了生存與發展，根據土地的特點，對其采取不同的利用方式，從而獲取經濟效益[1-2]，同時原本是自然屬性的土地轉變成為了具有社會屬性的人工生態系統。土地利用類型是形態和狀態上變化多樣的自然或人工地表覆蓋物的綜合體，如各種建筑物、土壤、地表植被、河流、濕地等[3]。土地利用變化實質是土地利用類型面積和空間位置的改變[4]，即各種生態系統類型面積以及空間格局的變化。生態系統服務是指通過生態系統的結構、過程和功能直接或間接得到支持的生命產品和服務[5-6]。人類生活在生態系統之中，時刻享受著生態系統的饋贈，然而，人類活動造成的土地利用類型變化經常會引起生態系統物質流和能量流循環的失衡，導致生物多樣性急劇減少以及全球氣候變暖等不可逆的生態系統破壞，并最終反作用于人類[7]。因此，研究土地利用變化與生態系統服務價值變化的關系對保護和維持生態系統服務功能起到至關重要的作用。1997年，Costanza等[8]對全球生態系統服務價值進行研究后，生態系統服務開始成為生態學領域的熱門議題。學者謝高地等[9-10]在Costanza理論的基礎上結合我國國情，制定了陸地生態系統服務價值當量表，并得到了國內眾多學者的認可[11-14]。

邵陽市史稱“寶慶”，是溝通廣東、廣西和大西南的門戶，是湘、桂、黔3省區毗鄰地區的商品集散中心，有聯東結西的作用。2004年6月，湖南省委、省政府編制印發了《湘西地區開發總體規劃》，邵陽市成為湘西大開發的重要組成部分。另外，2010年起，洛湛鐵路、上瑞、衡邵、二廣等高速公路的建成通車，全方位打通了邵陽市與外界聯系的大門。隨著邵陽市區位優勢的逐漸凸顯，城市化進程不斷加快，對土地資源的開發和利用不斷增加。在此過程中勢必引起土地利用結構與空間格局模式的變化，進而造成生態系統服務價值的改變，并最終影響到邵陽市的人居環境和生態安全。因此，該研究利用1993和2016年2期遙感影像數據，研究23年來邵陽市土地利用變化對生態系統服務價值的影響，以期為該區土地資源的合理利用和生態環境的可持續提供有益參考。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況

邵陽市位于湘中偏西南，行政區地跨 109°49′～112°57′E、25°58′～27°40′N，轄3個城區8個縣市，代管1市（圖1），全市土地面積20 824 km2。屬典型的中亞熱帶濕潤季風氣候，雨量充沛，四季分明，年平均氣溫16.1～17.1 ℃，全年日照時數1 350～1 670 h，位于江南丘陵大地形區，以丘陵、山地為主，約占全市面積的2/3。截至2018年底，全市戶籍總人口828.28萬，完成地區生產總值1 782.65億元。

1.2 數據來源與處理

邵陽市1993年Landsat 5-TM和2016年Landsat 8-OLI衛星遙感數據，來源于中國科學院地理空間數據云平臺，分辨率為30 m。各期土地利用分類參考2007年發布的第二次全國土地調查分類標準[15]，并結合遙感影像的分辨率和已收集到的研究區基礎數據的情況，將研究區的土地利用類型劃分為林地、草地、耕地、建筑用地、水域和未利用地共6類。通過實地勘察并借助Google Earth軟件進行交互校驗，確立了基于Landsat RGB為5、4、3假彩色影像的土地利用解譯標志;基于ENVI 5.2軟件，采用面向對象的方法對研究區2期遙感影像進行土地利用分類，并利用ArcGIS的制圖功能輸出成圖，最終獲得研究區2期土地利用分類圖（圖2）。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用變化的研究方法。

該研究采用轉移矩陣和動態度等數學模型對研究區的土地利用變化進行研究。土地利用轉移矩陣因其可表達研究期間土地利用的結構特征和各地類的來源及組成而成為土地利用研究中的常用方法。土地利用轉移矩陣的數學公式為：

土地利用動態度模型是刻畫土地資源數量變化、反映土地利用變化劇烈程度的常用方法[13]，分為單一土地利用動態度和綜合土地利用動態度。單一土地利用動態度反映了某種土地利用類型在研究時間內的年均變化速率，綜合土地利用動態度表示綜合土地利用變化的年變化率[16-18]。該研究采用單一土地利用類型動態度模型來描述邵陽市土地利用變化情況。其數學表達式為：

1.3.2 生態系統服務價值的選擇和計算。

該研究參考謝高地等[9-10]的研究成果，選取包括氣體調節、氣候調節、水源涵養、土壤形成與保護、廢物處理、生物多樣性保護、食物生產、原材料的供應以及娛樂文化等9類作為生態系統服務評價指標，并結合本文實際劃分的土地利用類型（林地、耕地、水域、未利用地、草地和建筑用地），制成了符合邵陽市的生態系統服務單位面積價值當量因子表，見表1。然而，在表1中并沒有加入建筑用地，這是由于生態系統服務是其功能效用，其效用大小是指滿足人類需求的程度，而建筑用地主其對自然生態環境的破壞較大，且其在不斷向環境排放污水、廢氣和固體廢棄物。基于以上的考慮，該研究未對建筑用地的生態系統服務價值進行核算。

2 結果與分析

2.1 土地利用類型的面積變化

結合圖2和表2可知，研究期間，林地的面積占邵陽市總面積約60%，是邵陽市分布最廣的土地利用類型。耕地、建筑用地和林地的面積均呈增加態勢，其中耕地面積在23年中增加最多，達到634.82 km2，占研究區總面積的比例由1993年的17.26%增至2016年的20.36%;然而，水域、草地和未利用地的面積則均呈減少趨勢，其中未利用地面積減少最多，達631.72 km2，占研究區總面積的比例也由1993年的4.77%減至2016年的1.75%。土地利用類型面積的變化受社會經濟和自然因素的雙重影響，尤其受社會經濟因素影響極大。邵陽市歷來人口眾多，在湖南省各市中名列前茅，人口的增長對糧食的需求量也不斷增加，導致更多的土地被開墾為耕地，致使研究區耕地面積猛增。與此同時，邵陽市委、市政府在落實“十一五”國家宏觀調控政策時，大力實施“興工強市”戰略，全面發展邵陽經濟，鐵路、高速公路等各方面基礎設施的完善，在促進了邵陽城市化發展的同時，不可避免地占用了未利用地、草地和水域，而使得建筑用地面積相對增加。

2.2 土地利用類型的轉移矩陣

在土地利用變化研究中，研究土地利用類型面積的增減無法細致地反映各地類間的轉換情況，而土地利用轉移矩陣則可對土地利用類型間的具體轉換情況給予有效揭示[11]。基于遙感分類結果（圖2），運用 ENVI classic 5.2的運算工具得到研究區土地利用轉移矩陣。由表3可以看出，林地在23年間的保持率最高，達到71.61%，同時其他地類向林地的轉入率均高于15%，使得林地在研究期間面積呈增加趨勢。相比之下，未利用地的保持率最低，僅為5.35%，轉出率高達94.65%，主要轉向耕地，轉入率達46.81%，同時其他4種用地類型的大量轉入，使得耕地面積成為研究期間面積增加最多的用地類型。

2.3 土地利用類型的動態度

根據公式（2）計算出研究區土地利用單一動態度，并制作了比較直觀的土地利用動態度比較圖（圖3）。由圖3可知，1993—2016年，動態度的變化趨勢與土地利用面積的變化相吻合，均呈“三負三正”趨勢。未利用地、草地和水域的動態度均為負值，其中未利用地的值最大，為-2.76%，說明23年中未利用地減少的速率最快，穩定性最差;耕地、建筑用地和林地的動態度均為正值，其中耕地的值最大，為0.77%，說明研究期間耕地的增加速度最快。

2.4 各土地利用類型的生態系統服務價值變化

邵陽市不同土地利用類型生態系統服務價值及貢獻率見表4和圖4。1993—2016年，研究區生態系統服務價值呈微弱減少趨勢，23年共減少了26.24萬元，年均減少1.14萬元。從各土地利用類型上看，林地生態系統功能價值增加最多，研究期間共增加1 357.70萬元，耕地次之，為1 236.81萬元。然而，水域、草地和未利用地的生態系統服務價值23年間呈下滑態勢，其中，水域生態系統服務價值降低最多，達922.52萬元。

引起各地類生態系統服務價值變化的直接原因是研究期間各地類面積發生了變化。

由圖4可知，在各土地利用類型中，林地對邵陽市生態系統服務總價值的貢獻率最大，均超過了80%，而其他土地利用類型的生態系統服務價值的貢獻率較低，均低于11%，其中草地和未利用地的服務價值貢獻率均不足2%。

2.5 邵陽市生態系統單項服務價值的變化

由表5可知，1993—2016年，邵陽市生態系統水源涵養、廢物處理和娛樂文化等單項服務價值呈減少趨勢，分別減少了520.23、516.90和78.84萬元，其他6項服務價值均有所增加，其中土壤形成與保護功能的價值增加最多，達332.65萬元。從貢獻率上看，生態系統單項服務價值的貢獻率由大到小依次為水源涵養、土壤形成與保護、生物多樣性保護、氣體調節、氣候調節、廢物處理、原材料、娛樂文化、食物生產;研究期間，水源涵養、土壤形成與保護、生物多樣性保護和氣體調節4項服務價值的貢獻率之和均大于60%，主要原因是具有較高的水源涵養和土壤形成與保護等功能的林地面積占優（超過60%）所致。然而，食物生產貢獻率最低，均小于2%，說明邵陽市的生態系統服務性功能遠大于其生產性功能。

3 結論與建議

3.1 結論

以湖南省邵陽市為研究對象，基于1993和2016年2期土地利用遙感解譯數據，根據區域特點劃分6種土地利用類型，并對其23年間的土地利用狀況及與生態系統服務功能價值間的變化進行了定量分析，結果表明：

（1）研究期間，邵陽市主要土地利用類型為林地，其面積約占研究區總面積的60%。從面積變化上看，1993—2016年面積增加和減少最多的地類分別是耕地和未利用地。從轉移矩陣上看，林地的保持率最高，且其他地類向林地的轉入率都較大;未利用地轉出率最高，達94.65%，主要轉向耕地。

（2）1993—2016年邵陽市生態系統服務價值呈小幅降低趨勢，由1993年的95 156.97萬元，減少到2016年的95 130.72萬元，共減少了26.24萬元。從貢獻率上看，林地對總生態系統服務價值的貢獻率最大，而水域、草地和未利用地的貢獻率卻有所減少。

（3）1993—2016年，除水源涵養、廢物處理和娛樂文化功能價值有所降低外，其余各項價值均呈增加態勢。水源涵養、土壤形成與保護、生物多樣性保護和氣體調節等是生態系統服務的核心功能，占邵陽市生態系統服務價值的60%以上。然而，研究期間，食物生產的服務功能價值始終最低，說明邵陽市生態系統的服務功能遠大于其生產性功能。

3.2 建議

基于研究結果，提出保障邵陽市生態系統服務功能的土地利用優化建議。

3.2.1

實施土地利用結構優化。生態系統服務價值變化的直接原因是土地利用類型面積的改變，因此，因地制宜地對土地利用結構進行調整是提高生態系統服務價值的有效手段。由研究結果可知，1993—2016年研究區水域和草地的服務功能退化最為嚴重，在新一輪區域土地利用規劃中，要注意保護和適當增加水域和草地面積，在充分考慮邵陽市自然和社會經濟因素的基礎上，突出生態化的考量。

3.2.2

加強建筑用地的綠化。研究期間，邵陽市建筑用地面積快速擴張，不可避免對其他地類進行占用。隨著經濟的迅猛發展，建筑用地面積勢必進一步擴大，必須重視經濟與生態的協調發展，才能實現打造生態宜居城市的夢想。然而，生態宜居城市建設的核心內容之一即為綠地系統建設，因此，需要加強建筑用地中公園、綠地和水體的建設與保護，推進社區綠化、城郊綠化，構建城市和郊區一體化的城鎮綠化系統。

3.2.3

嚴守生態紅線，調整生態建設政策。對具有重要生態價值的區域需進行重點保護，如水域、林地和草地的單位面積服務價值均較高，因此，對其進行重點保護有利于生態系統服務價值的保持。另外，研究區分布著諸多保護區，例如黃桑國家級自然保護區，加大對保護區的建設有利于維持水源涵養、生物多樣性、娛樂文化等多種生態價值。

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