三峽庫區重慶段土地利用轉型及生態服務功能價值時空分異特征

鄒欣怡, 趙 偉, 蒲海霞

(1.重慶工商大學 環境與資源學院, 重慶 400067; 2.重慶工商大學 長江上游經濟研究中心, 重慶 400067)

土地是人類生存和發展的物質基礎，其類型在自然因素及人類活動的影響下不斷發生變化，土地利用轉型是造成陸地生態系統變化的重要原因[1]。生態系統服務是指生態環境通過其特性、結構等所帶來的各種功能效益如調節服務、供給服務、支持服務等。而土地利用轉型影響生態環境的結構特性，以及生態功能效益，進而影響人類的生存環境[2]。在生態保護的發展大背景下，研究土地利用轉型對生態系統服務價值的影響，將“綠水青山”量化為“金山銀山”，將生態系統服務價值核算引入到生態管理決策中，可推動生態環境系統與社會經濟系統協調發展，促進自然資源的合理開發和可持續利用。目前土地利用轉型及其生態系統服務價值動態變化已成為研究熱點之一。閱讀文獻發現，國內學者對土地利用轉型與生態系統服務價值研究已開展了不同尺度上的定量評價研究，但在土地利用研究上大多采用土地利用轉型凈值，未考慮土地利用上轉入轉出的雙向性；在生態服務價值研究中，多偏于景觀及敏感性等的靜態研究，對其時空特征動態變化以及空間聚集等仍是研究熱點方向[3-6]。

三峽庫區(重慶段)是長江上游重要的生態功能區，其生態系統服務功能的維持和改善對三峽庫區以及長江流域生態安全意義重大[7]。三峽庫區(重慶段)生態系統受人類經濟活動影響大，尤其是重慶直轄以后，城市化與工業化的快速推進，以及三峽工程以及移民等工作的開展，使得該區域土地利用轉型程度大。因此本文以三峽庫區(重慶段)為研究對象，充分考慮土地的空間信息，重點關注變化過程，并利用空間分析等方法探究生態系統服務價值空間動態變化特征及空間分異情況。不僅可識別土地利用轉型對生態系統產生的影響，也對三峽庫區生態系統的健康狀況有著重要參考，為生態資源利用的有效補償和促進自然生態系統持續發展提供科學的依據；另外以貨幣形式量化土地利用類型所提供的產品和服務，可為決策者進行區域土地資源優化配置提供更直觀有效的信息，進而對土地進行合理開發、實現生態管控與區域可持續發展具有重要的指導意義。

1 研究區概況

三峽庫區地處四川盆地與長江中下游平原結合部，跨越鄂中山區峽谷及川東嶺谷地帶，北屏大巴山，南依川鄂高原，范圍橫跨湖北省與重慶市部分地區，地處北緯28°28′—31°44′，東經105°49′—110°12′，庫區土地總面積約5.7萬km2，總人口3 000多萬人[8]。

三峽庫區(重慶段)位于長江上游末端，東南、東北與鄂西交界，西南與川黔接壤，西北與川陜相鄰，包括重慶市22個區縣，幅員面積4.62萬km2，占整個三峽庫區面積80%以上[2]。氣候類型屬于中亞熱帶濕潤季風氣候，受峽谷地形影響顯著，具有冬暖、春旱、夏熱、秋雨云霧多、霜雪少等特征。庫區植被類型多樣，主要以亞熱帶常綠闊葉林為主。

2 數據來源及研究方法

2.1 數據來源及預處理

以2005—2018年為研究時段，參照土地分類系統將土地利用分為6種類型：耕地、林地、草地、水域、建設用地以及未利用地，利用ArcGIS 10.1建立研究區土地利用數據庫，并以此作為生態系統服務價值研究基礎數據；另生態環境研究中所需數據主要來源于《重慶市統計年鑒》。為細化生態服務價值的空間分布情況，利用ArcGIS 10.1漁網工具將研究區劃分1 km×1 km正方形網格單元，共計47 416個，研究每個單元網格的土地利用類型及生態服務價值。

2.2 研究方法

為研究三峽庫區(重慶段)土地利用轉型及其生態系統服務價值時空分布特征，首先對研究區土地利用轉型進行分析，利用當量法定量核算生態服務價值，最后運用空間自相關理論對生態服務價值空間分異情況及土地利用系統與生態服務價值系統的空間相關性進行研究。

(1) 土地利用類型轉移矩陣。結合地理信息系統(GIS)技術，獲取三峽庫區重慶段土地利用顯性轉型動態信息，建立數據庫獲取土地利用轉型類型面積以及空間分布數據，精準識別土地利用轉型時空特征。利用土地利用轉型矩陣刻畫土地顯性轉型特征，轉移矩陣數學形式為：

(1)

式中:S為面積;n為土地利用的類型數;i,j分別為研究初期與末期的土地利用類型。

(2) 年綜合土地利用變化率。基于GIS的空間分析模型，重點關注土地利用轉型過程，識別并考慮轉移與新增這一對方向相逆的變化過程，可彌補單一增加量或是減少量的局限性，考慮了土地利用類型的空間置換，能將增減量較大但相互抵消區域與增減變化相對較小的區域相區分，測算和比較區域土地利用轉型的總體或綜合活躍程度，并且可以探測土地利用變化的熱點區域[9-10]。并結合土地利用轉移矩陣，更明確地展示土地利用不同類型相互轉型的具體情況。相關公式為：

(T2-T1)×100%=TRLi+IRLi

(2)

式中:TRi為總年綜合土地利用變化率,為i種土地利用類型在該時期內的轉移速率TRLi與新增速率IRLi之和;t1,t2分別為期初與期末;LAi為i種地類的面積;ULAi為該時段中同一空間位置未發生地類轉變的面積;n為區域內土地利用類型的分類數；i∈(1,n)[11]。

(3) 土地利用程度指數。土地利用程度在一定程度上反映了人類活動導致土地利用變化的程度。參考多位學者提出的數量化土地利用程度分析方法，將土地利用程度分級賦予指數，分為未利用地，林地、草地和水體，耕地以及建設用地4級，并依次將土地利用程度參數賦值為1～4，來表征土地利用程度[12-14]。相關方式為：

(3)

式中:L為區域土地利用程度綜合指數;A為土地利用類型的面積;i表示不同的土地利用類型;At為研究區域總面積；n為土地利用類型的數量;P為土地利用程度參數[15]。

(4) 生態系統服務價值評估法。利用當量法，依據Costanza的研究原理，參考謝高地等[16]提出制定的中國陸地生態系統單位面積服務價值當量表，以平均糧食單產市場價值的1/7來確定1個生態服務價值當量因子的經濟價值量。以研究區22個區縣2005年、2010年、2015年及2018年4 a平均糧食單位面積產量4 739 kg/hm2為基準糧食單位產量，選取研究時間段中間點2010年重慶糧食平均收購價格2.06元/kg為基準價格[7]，計算出三峽庫區(重慶段)單位面積農田生態系統提供糧食生產服務的經濟價值，進而估算研究區生態系統服務價值。另為消除研究區邊緣不完整網格的價值高低差異，利用價值強度對每個網格價值高低進行表征。具體公式如下：

(4)

(5)

(6)

(7)

(5) 空間自相關分析。空間自相關分析主要用于判斷要素空間分布特征，是否具有空間聚集性等，包括全局空間自相關分析和局部空間自相關分析[17]。另為了揭示多個變量之間的空間相關性，Anselin提出雙變量空間自相關，揭示空間單元屬性值與鄰近空間上其他屬性值的相關性[18]。

全局莫蘭指數Moran′sI值可以反映要素與鄰近單元要素間的空間聯系，是應用較廣的全局自相關統計量，計算公式為：

(8)

局部空間自相關指標(Local Indicators of Spatial Association)可以識別局部空間要素單元的空特性，常采用局部Moran′sI統計量進行度量，綜合其Z值、p值，以及LISA分布圖，可在全局自相關的基礎上進一步判斷局部分宜特征[19]，計算公式為：

(9)

(10)

3 結果與分析

3.1 三峽庫區(重慶段)土地利用轉型分析

3.1.1 三峽庫區(重慶段)土地利用基本情況 三峽庫區(重慶段)2005—2018年土地利用類型整體上來看：耕地為地類組成結構中的重要組成成分，多年占比達42%以上，但耕地最易受人類社會活動影響，數量及占比均呈歷年下降趨勢，面積減少近6.5萬hm2；林地占比40%左右，受人類活動以及政策因素的影響，占比及面積均先上升后小幅度下降，總體為上升趨勢，面積增加約5萬hm2；草地總體為下降趨勢，減少量約10萬hm2；水域面積及建設用地面積均為歷年上升，建設用地增加幅度最大，超過200%，增加面積約9萬hm2；未利用地相對平穩；4個時期不同土地利用類型面積具體見表1。

表1 2005-2018年三峽庫區(重慶段)土地利用類型面積及占比

在空間分布上(圖1)，2005—2018年土地利用類型分布特征與地形特征較為一致，土地利用類型多受地形因素的影響，林地草地多分布在庫區北部及東部邊緣的山地地區；建成區與耕地地勢平坦，分布主要集中在西部低山丘陵及中部平行嶺谷區。近15 a間建設用地、耕地以及林草地空間變化最為明顯。建成區以各個區縣城鎮為中心，逐步向外圍擴展，其中以主城區及周邊區縣擴展范圍最大；而建成區的擴展往往伴隨著耕地的減少，耕地地勢平坦，區位優勢明顯，也是建設用地的優選地形，因此耕地減少范圍與建設用地增加空間大致符合，主要集中在主城區周圍，另由于耕地撂荒、退耕還林還草等因素，在萬州開州巫溪等地耕地轉變為林地草地的面積也不在少數。

圖1 2005-2018年三峽庫區(重慶段)土地利用類型空間分布

3.1.2 三峽庫區(重慶段)土地利用轉型特征 充分考慮土地轉型的雙向性與空間性，計算得到研究區2005—2010年、2010—2015年、2015—2018年以及2005—2018年4個時段的年綜合土地變化率(表2)，發現建設用地與未利用地的土地變化率明顯高于其余4種地類。其中2005—2010年年綜合土地變化率最高達42.09%，建設用地綜合土地變化率達22.36%，遠高出其他5種地類；未利用地面積較小，對整體土地利用格局影響不大；2010—2018年建設用地綜合土地變化率有所下降。空間分布上，2005—2018年，主城區范圍及周邊區縣以及長江沿線區縣綜合土地利用變化率較高，表明城市擴展地區以及長江沿線地區地類間轉型活躍，而研究區東北側，即巫山巫溪以及奉節南側等地綜合土地利用變化率較小，山地地區地類間轉型相對遲緩。

結合各時段土地利用轉移矩陣(表3)，發現在近15 a時間內耕地轉出(減少)幅度最大，建設用地轉入(新增)幅度最高。耕地處于逐年減少的狀態，且其轉移面積(指由耕地轉為其他土地利用類型單向過程的面積)占三峽庫區(重慶段)土地利用類型轉移總面積的43.93%，草地次之達40.85%，森林轉出幅度13.76%；新增面積建設用地增長幅度最高為30.9%，森林與耕地次之。

表2 2005-2018年各時間段不同土地利用類型年綜合土地變化率 %

3.2 三峽庫區(重慶段)生態系統服務價值分析

3.2.1 三峽庫區(重慶段)生態系統服務價值數量動態變化 根據2005—2018年三峽庫區(重慶段)22個區縣平均糧食單位面積產量及2010年重慶市糧食平均收購價格計算得到研究區單位面積(hm2)生態系統服務價值當量經濟價值為4 738.94元。參考謝高地等學者的中國生態系統單位面積生態服務價值當量因子表，建設用地服務價值為0，得到各土地利用類型單位面積生態系統服務價值系數(表4)，并基于此計算得到2005年、2010年、2015年及2018年三峽庫區(重慶段)生態系統服務價值分別為1 088.13億元，1 106.09億元，1 102.8億元，1 101.25億元(表5)，呈先增后減的倒V型，減少幅度變緩；從價值結構上來看，各年林地的生態系統服務價值均占總價值的65%以上，是生態系統服務價值的重要組成成分，對生態價值貢獻具有絕對優勢；各年耕地生態價值占比都在20%左右，是生態系統服務價值第二主要成分，表明耕地系統不僅僅與糧食安全息息相關，對生態的重要性也不可忽視，其次是草地和水域。

表3 2005-2018年各時段三峽庫區(重慶段)土地利用轉移矩陣 hm2

表4 三峽庫區(重慶段)不同土地類型單位面積生態服務價值系數 元/hm2

表5 三峽庫區(重慶段)不同時段生態服務價值

綜合來看，2005—2018年ESV總量為提升，林地與水域生態價值的增加彌補了耕地及草地生態系統服務價值損失。林地、耕地以及水域的生態系統服務價值的變化很大程度上決定了整個研究區總生態系統服務價值的變化方向。2005—2010年ESV增加了17.96億元，在此期間林地與水域的生態系統服務價值的提高是引起ESV增加的主要原因，抵消了耕地與草地所帶來的價值損失。2010—2015年ESV減少了3.29億元，各地類生態價值僅有未利用地生態價值有輕微提升，難以彌補耕地、林地、草地以及水域所帶來的價值損失，尤其耕地價值減少占據該時段總生態系統服務價值變化的53.1%，其次是林地生態價值損失占總值變化的24.7%。2015—2018年ESV持續減少1.55億元，減少幅度有所減緩，但單項生態價值減少趨勢加大，其中耕地減少所帶來的生態服務價值損失達3.16億元，是該時段生態系統服務價值總變化量的2.1倍，林地生態價值減少量次之，為1.46億元；該時段水域的增加帶來生態服務價值提升2.93億元，一定程度上補償了總生態系統價值的部分損失。

3.2.2 三峽庫區(重慶段)生態系統服務價值空間動態變化 為消除研究區邊緣網格不完整所帶來的面積差異，選用生態系統服務價值強度來表征每個網格生態價值的高低。根據4個年份生態系統服務價值強度數值特征，參考GIS自然斷點分級將價值強度分為：Ⅰ級低值區(<15 500元/hm2)、Ⅱ級較低值區(15 500～21 500元/hm2)、Ⅲ級中值區(21 500～27 400元/hm2)、Ⅳ級較高值區(27 400～33 300元/hm2)、Ⅴ級高值區(>33 300元/hm2)5個等級，從2005—2018年生態系統服務價值強度分級空間分布上來看(圖2)，以巫溪—涪陵為界，生態系統服務價值強度較高區域主要分布在界線以東，強度偏低的區域主要分布在界線以西。高值區主要分布在庫區東部邊緣地帶的方斗山、大巴山、巫山等地，庫區西南邊緣江津的四面山也有少量分布，低值區主要位于庫區西部主城九區范圍以及西北邊緣的萬州、開州與中部地區的豐都、長壽等地，中值區主要分布在庫區北部的云陽奉節等縣。

圖2 2005-2018年生態系統服務價值強度空間分布

為明晰2005—2018年生態系統服務價值強度空間變化特征，通過生態系統服務價值強度變化率來進一步分析。根據4個時間段生態系統服務價值強度變化特征，將其變化率分為：Ⅰ級顯著降低區(<-30%)，Ⅱ級降低區(-30%～0)，Ⅲ級增長區(0～30%)，Ⅳ級顯著增長區(>30%)4個等級，從2005—2018年各時段生態系統服務價值強度變化率分級空間分布上來看(圖3)，各時段變化率均以-30%～30%區間即Ⅱ，Ⅲ級區范圍為主，大量分布在研究區各個地區；Ⅰ級顯著降低區主要集中在庫區西部主城九區范圍內，Ⅳ級顯著增長區主要分布在東南豐都、武隆、石柱等地以及北部云陽、奉節等地。

圖3 2005-2018年各時段生態系統服務價值強度變化率空間分布

2005—2010年內Ⅲ，Ⅳ級增長區域范圍明顯大于Ⅰ，Ⅱ級降低區域范圍分布，也符合生態系統服務價值數量變化特征。該時段豐都、武隆、石柱等區縣增長速度快，且北部云陽、奉節等地屬于價值增長的主要區域，武隆等地開發打造本土自然資源，如仙女山、白馬山、烏江、芙蓉江等，注重林地水域的保護與建設，帶來生態價值的提升；而Ⅰ，Ⅱ級降低區域主要分布的西部主城九區范圍由于經濟建設，生態地類轉變為建設用地，使得生態價值的快速下降。總體上東部的生態價值增長抵消了西部經濟發展的生態價值損失，并使2010年生態價值較2005年有了大幅提升。

2010—2015年時間段與2015—2018年時間段生態系統服務價值強度變化率空間分布特征大致相同，Ⅱ，Ⅲ級即小幅度變化區域分布廣，Ⅰ，Ⅳ級顯著變化區僅有零星分布，顯著下降區均主要位于西部主城區范圍，而顯著上升區分布較少，位于開州與萬州區。2010—2018年重慶處于經濟建設快速發展的階段，建設用地的快速增長同時也意味著生態用地的面積減少，尤其耕地與林地在這期間的連續下降，耕地普遍擁有更好的區位優勢，更平坦的地勢，同時也是建設所需要的優勢條件，而林地的減少多是由于城市范圍的擴張等，該兩時間段減少區域明顯多于增加區域，也符合生態系統服務價值在數量上的變化特征。總體來看，2005—2018年Ⅰ，Ⅱ級降低區域主要分布于巫溪—涪陵一線以西，以主城區為主，Ⅲ，Ⅳ級增長區域主要分布于巫溪—涪陵一線以東，變化特征與生態價值強度空間分布特征較為一致，意味著以巫溪—涪陵為界，東西兩部分低高值分異更加明顯。

3.3 三峽庫區(重慶段)生態系統服務價值空間相關性分析

3.3.1 三峽庫區(重慶段)生態系統服務價值空間自相關 2005—2018年三峽庫區(重慶段)生態系統服務價值強度全局空間自相關指數Moran′sI值分別為0.700 7，0.701 6，0.703 8，0.705 1(表6)，均為正值，Z-score均達到214以上(>2.58)，p-value均為0(<0.01)，表明生態系統服務價值強度的空間分布具有顯著的正向空間自相關關系，即具有明顯的空間聚集效應。2005—2018年Moran′sI指數以及Z值均呈現持續增長趨勢，生態系統服務價值強度聚集趨勢明顯且在持續加強。

表6 2005-2018年生態系統服務價值強度全局空間自相關指數

全局空間自相關莫蘭指數(Moran′s I指數)能夠反映數據在整體空間上的分布情況，為探測聚集效應的具體位置以及空間局部變異即特定單元的空間聯系方式等，利用局部空間自相關分析來進行研究。從LISA分布圖來看(圖4)，HH表示高—高聚集，HL表示高—低聚集，LH表示低—高聚集，LL表示低—低聚集，Not significant表示沒有顯著聚集效應。從2005—2018年4個時間上來看三峽庫區(重慶段)局部空間自相關分布格局大致相同，空間分布穩定。HH區域主要在研究區東北邊緣地帶、東南邊緣地區以及西南方江津區邊緣有連片分布，表示該區域及其周圍的ESV強度都較高，且呈顯著空間正相關，該區域大多為山地地區具有優良的森林資源；LL區域主要分布在主城區及其周圍區縣范圍與研究區西北部開州區、萬州區以及云陽縣等地，表示該區域及其相鄰區域ESV強度均較低，且表現出顯著的空間正相關效應，該區域人口分布較為密集，建設用地面積比例高；HL區域表示區域高值被低值包圍，LH區域則反之，表示低值區域被高值環繞，空間上呈顯著的負相關，具有空間異質性，這兩類區域在研究區內數量極少且分布零星，主要位于豐都縣中部以及萬州區中部。

圖4 2005-2018年生態系統服務價值強度局部自相關空間分布

3.3.2 三峽庫區(重慶段)土地利用程度與生態系統服務價值雙變量空間自相關 為進一步探索三峽庫區(重慶段)土地利用情況與生態系統服務價值強度之間的空間關系，計算每個格網內土地利用程度指數值，采用雙變量空間自相關進行分析，得到2005年、2010年、2015年、2018年Moran′sI指數分別為-0.463，-0.496，-0.502，-0.508。4期Moran′sI指數均為負值，且絕對值逐年增長，表明土地利用程度指數與生態系統服務價值強度間存在顯著的負效應，且逐年加強，即生態系統服務價值強度隨著土地利用程度的增加而下降。從LISA分布圖上看(圖5)，HH區域與LL區域在研究區范圍內數量少且分布零星，HL區域在研究區巫溪—涪陵一線西側呈較大的連片分布，主要位于主城區及周圍區縣以及開州、萬州、豐都以西等地區。LH區域主要位于研究區東側邊緣地帶以及江津武隆北側等地。從雙變量LISA顯著性水平來看(圖6)，主城區中梁山脈與銅鑼山脈之間、江津北側、武隆北側、開州區中部、萬州區西北側以及巫溪巫山東側等地土地利用強度與ESV呈HL或LH極顯著相關(p<0.01)，其周邊地區表現為顯著相關(p<0.05)。

圖5 2005-2018年雙變量LISA空間分布

圖6 2005-2018年雙變量LISA顯著性水平空間分布

4 結論與建議

(1) 三峽庫區(重慶段)在2005—2018年土地利用轉型活躍程度與生態系統服務價值變化空間分布一致。土地利用轉型數量上耕地轉出(減少)幅度最大，建設用地轉入(新增)幅度最高，空間上主城區范圍及周邊區縣以及長江沿線地區地類轉型活躍，研究區東北側山地地區綜合土地利用地類轉型相對遲緩，與生態系統服務價值變價率空間分布一致。

(2) 三峽庫區(重慶段)生態系統服務價值呈現以巫溪—涪陵為界，西低東高，西減東增的格局。以巫溪—涪陵界以西為生態系統服務價值強度低值區及主要強度降低區，界線以東是強度高值區及強度主要增長區。今后應把握ESV空間分布及時空變化特性，全局調整生態規劃。

(3) 生態系統服務價值強度的空間分布具有顯著的正向空間自相關關系，且空間聚集趨勢明顯。HH區域大多為山地地區具有優良的森林資源；LL區域人口分布較為密集，建設用地面積比例高。ESV空間特性明顯，充分利用其聚集效應，改善生態環境，提高其服務價值。

(4) 土地利用程度指數與生態系統服務價值強度間存在顯著的負效應，且逐年加強。HL區域在研究區巫溪—涪陵一線西側呈較大的連片分布；LH區域主要位于研究區東側邊緣地帶以及江津武隆北側等地。應探究生態系統服務價值空間異質性及土地利用與生態系統服務價值間的空間相關性與異質性，把握空間集聚效應熱點區，合理規劃土地利用類型。

探究近15 a來土地利用轉型特征，采用了綜合土地利用變化率，考慮土地利用轉型轉入轉出雙向轉型，區分由于轉型增減抵消而忽略的單向轉入轉出面積較大的情況，更加精確地識別土地利用轉型的活動情況；利用當量法將“綠水青山”量化為“金山銀山”，定量研究土地利用轉型所引起的生態服務價值變化空間分布規律；利用空間自相關方法對生態系統服務價值空間分異情況進行探查，了解空間變量的分布特性，并且運用雙變量空間自相關來揭示土地利用系統與生態環境系統的空間相關性，更加清晰土地利用系統與生態系統的關系，為決策者進行區域土地資源優化配置提供更直觀有效的信息。近15 a生態系統服務價值的提升主要得益于2005—2010年的林地增長，重慶自1997年直轄以來，加強林業建設，推進退耕還林，森林增長速度達全國平均水平的4倍，由此使得EVS總量增加。隨著重慶經濟社會快速發展，近年來林地耕地面積持續減少，使得生態服務價值呈下降趨勢，亟需優化土地利用結構模式，科學管理土地開發利用，統籌生態要素合理布局，實現生態管控，推動自然生態系統和社會經濟系統長期協調發展。