湘潭市城鄉交錯帶土地利用變化及其對生態服務價值的影響

王俊瓔，蘇曉彤，王 琦，郝新儀

（湖南科技大學，湖南 湘潭 411100）

生態系統服務（Ecosystem services，ES）是指人類直接或間接從生態系統及生態過程中獲取的產品或者服務[1-2]。土地利用/覆蓋變化（Land-use and land cover change，LUCC）改變了生態系統的結構和功能，從而影響到生態系統服務[3-4]。城市化的不斷推進，人口、社會和經濟快速發展，導致土地利用結構和生態服務價值發生顯著變化[5-6]，進而危及區域生態平衡。

湘潭市城鄉交錯帶，作為鄉村向城市的過渡地帶，其土地利用類型變化顯著，人地矛盾突出，是長株潭兩型社會建設的關鍵區。文章主要以遙感解譯數據為基礎，深入分析湘潭市城鄉交錯帶1988 年和2018 年土地利用格局的變化情況，并就其對生態服務價值（ESV）的影響進行了研究，以期為長株潭“兩型社會”建設提供數據支持。

1 研究區概述

湘潭市城鄉交錯帶，位于東經112°48′～113°01′，北緯27°44′～27°58′，區域呈環狀，主要以湘蓮大道、芙蓉大道、東二環路、九昭東路、九昭西路、金鵬東路、保稅路、石碼頭路、107 省道、滬昆高速、許廣高速、大鵬西路與香樟路為外環，以護潭路、建設北路、雙擁南路、雙擁中路和沁園路為內環；根據行政區界線該交錯帶又可劃分為雨湖區、湘潭縣及岳塘區城鄉交錯帶（圖1）。研究區屬于典型的亞熱帶溫濕氣候區，四季分明，降水充沛，冬冷夏熱。

圖1 湘潭市城鄉交錯帶示意圖①湘潭市城鄉交錯帶行政分區圖來源：地理空間數據云下載的遙感影像，解譯后根據行政區域劃分所得。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

遙感數據從地理數據空間云選取1988 年、2018年云量少于10% 的Landsat 影像；生態系統服務價值核算中當量因子選取自謝高地等[7]發表的全國尺度“基礎當量表”。部分社會經濟發展數據，如糧食產量、GDP 等來自《湖南省統計年鑒》和湘潭市統計局的官方數據。

2.2 遙感數據預處理

由于測量值中包含太陽位置及角度條件、薄霧等大氣條件所引起的失真，從遙感器得到的測量值與目標物的光譜反射率或光譜輻射亮度等物理量是不一致的[8]，為了獲取目標地物的真實反射率，必須消除這些失真，研究通過ENVI5.3 軟件對影像進行輻射校正（輻射定標和大氣校正），并按WGS_1984_Albers 的投影原則統一影像，對增強后影像進行目視解譯獲取湘潭市城鄉交錯帶1988 年及2018 年的土地利用類型圖（圖2）。

2.3 土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣[1]來源于系統狀態與狀態轉移的定量描述，可以直觀地反映土地利用類型變化的轉化量、結構特征及轉移方向，其數學形式見公式（1）。

式中：Sij為研究初期i 類土地利用類型到研究末期轉為j 類土地利用類型的面積（hm2），n 為土地利用類型。轉移矩陣的每行數值總和表示研究初期該土地利用類型的總面積，代表該土地類型的轉移去向和大小；每列數值總和表示研究末期該土地類型的總面積，代表該土地類型的所有轉入類型及大小。

2.4 生態服務價值估算

文章采用謝高地等[7]提出的生態系統服務價值表及Costanza 等[9]提出的ESV 計算方法對湘潭市生態服務價值進行測算，見公式（2）～（4）。

式中：ESVk、ESVi、ESV（Ecosystem Service Value）分別代表第k 類型的服務價值、第i 項服務功能的價值和總服務價值（元/年），Ak代表第k 類型的土地面積（hm2），VCki（Value Coefficient，價值系數）代表第k 類型的第i 項服務功能單位面積的服務價值[元/（hm2·a）]。

2.5 敏感性指數

敏 感 性 指 數（Coefficient of sensitivity, CS）表征ESV 隨時間變化對生態服務價值系數（Value Coefficient，VC）的依賴程度。根據相關文獻，該研究將土地利用類型VC 分別增加或減少50%計算CS，見公式（5）。

式中：ESV 和VC 分別為生態服務價值和價值系數；i 和j 分別為最初的和調整后的指標；k 為某種土地利用類型。若CS ＞1，表明ESV 對VC 富有彈性，比值越大，CS 的準確性就越關鍵；CS ＜1，表明ESV 對VC 缺乏彈性，VC 適用于研究區域ESV 的估算[1-2]。

3 結果與分析

3.1 1988—2018 年研究區土地利用的時空變化分析

3.1.1 土地利用的空間變化 1988 年和2018 年湘潭市城鄉交錯帶土地利用分布如圖2 所示。由圖2 可知，1988 年，耕地是研究區主要土地利用類型，分布范圍最廣，主要沿湘江和漣水沿岸地區分布；居民地與獨立工礦集中分布在湘潭縣南部和九華的地勢平坦之處，在河流下游的分布多于在上游的分布；林地和園地分布在研究區的外圍，環繞著研究區。而到2018年，居民地與獨立工礦用地明顯增多，成為研究區的主導土地利用類型，雨湖區北部和湘潭縣南部的居民地與獨立工礦用地在原有的基礎上向外擴展，岳塘區的居民地與獨立工礦用地分布變得更為密集；交通用地呈網狀穿插在居民地與獨立工礦用地之中，耕地和林地的面積明顯減少。由此可見，研究區土地利用率高，且城鎮建設不斷由中心向四周擴散，人類活動的范圍不斷擴大。

圖2 湘潭市城鄉交錯帶土地利用類型及分布②湘潭市城鄉交錯帶土地利用類型及分布圖來源：地理空間數據云下載的遙感影像，并解譯所得；下同。

3.1.2 土地利用的時間變化 1988 年和2018 年湘潭市城鄉交錯帶各類型土地的面積如表1 所示。由表1可知，無論是1988 年，還是2018 年，耕地、居民地與獨立工礦、水域、林地始終是湘潭市城鄉交錯帶的主要土地利用類型，但是研究區內各土地利用類型變化存在明顯差異。其中，未利用地雖然在研究區中占比最小，但是從1988—2018 年其面積降幅最大，為37.19%，說明研究區集約用地意識增強；其次是耕地和園地，從1988—2018 年面積分別減少33.72%和28.79%；交通用地、居民地與獨立工礦的用地面積變化趨勢正好相反，呈大幅度上升趨勢，與1988 年相比，2018 年期面積分別增加了85.34%和68.52%。

表1 1988 年與2018 年湘潭市城鄉交錯帶各類型土地的面積 （hm2）

從3 個行政區域來看，各區的土地利用類型變化趨勢與整體變化大致相同，耕地、林地、水域、未利用地的面積均呈下降趨勢，但也存在一定差異。對于耕地而言，岳塘區下降得最為明顯，為45.80%；湘潭縣的林地面積降幅最大，為23.13%，而其他2 個區的林地面積降幅低于5%；水域的變化趨勢在各區都比較平緩，變化趨勢相似；居民地與獨立工礦、交通用地的面積均呈上升趨勢，雨湖區和岳塘區的交通用地面積遠遠大于湘潭縣的，但與1988 年相比，2018 年湘潭縣的交通用地面積增加最為顯著，增幅達195.83%；對于園地而言，3 個行政區域的變化趨勢不一，雨湖區和湘潭縣的面積呈增長趨勢，分別增加了26.19%和22.43%，而岳塘區的變化趨勢與之相反，下降了63.37%。

3.1.3 土地利用轉移分析 基于ArcGIS 構建了1988—2018 年研究區土地利用類型的轉移矩陣，其結果如圖3 和表2 所示。由圖3 可知，總體上，湘潭市城鄉交錯帶的土地利用類型發生轉化的面積較大，在空間上具有明顯的聚集性分布，主要集中在雨湖區的北部、湘潭縣的南部和岳塘區。其中，雨湖區的北部區域變化得最為明顯。

圖3 1988—2018 年湘潭市城鄉交錯帶土地利用變化空間分布

由表2 可知，從1988 年到2018 年，研究區各土地利用類型間變化較多，不僅體現在土地利用類型大類間的轉化，也體現在某一土地利用類型內部系統的轉化。從各類間轉化來看，居民地與獨立工礦的面積增加的最多，主要由耕地、林地、水域轉化而來，轉化面積依次為2 900.78、1 145.59 和417.00 hm2；其次交通用地的面積增加幅度也較大，主要由耕地、居民地與獨立工礦、林地轉化而來；其他用地的面積變化均呈下降趨勢，其中，耕地的面積減少得最多，除了城鎮建設外，耕地也向林地和水域轉化，轉化面積分別為543.72 和184.68 hm2。從同一土地利用類型的內部轉化來看，其面積變化比較小，其中比較突出的是，居民地與獨立工礦（農村居民點向獨立工礦轉化，轉化面積為311.84 hm2）、林地（有林地向跡地轉化，轉化面積為123.16 hm2）；未成林造林地向有林地轉化，轉化面積為62.11 hm2）和耕地（灌溉水田向菜地轉化，轉化面積為67.62 hm2）。1988 年以來，研究區內的城鎮用地規模不斷外延，面積不斷增加。特別是隨著城鄉經濟和人口數量的快速增長，湘潭市城鄉交錯帶內城市化進程不斷加快，城鎮建設等人類活動加速了其他土地類型面積的萎縮。

表2 1988—2018 年湘潭市城鄉交錯帶土地利用轉移矩陣 （hm2）

3.2 1988—2018 年研究區生態服務價值效應分析

根據構建的生態系統服務價值評估模型、《湘潭市統計年鑒》及相關文獻數據，得到湘潭市城鄉交錯帶1988—2018 年各項生態系統服務價值量（表3）。基于ArcGIS 得出湘潭市城鄉交錯帶生態服務價值變化空間分布圖（圖4）。根據生態服務價值系數和各土地利用類型的面積變化數據，計算出30 a 間研究區的生態服務價值增減情況，由此劃分出7 個等級。從圖4 中可知，生態服務價值不變的區域面積比重較大，主要集中在雨湖區南部、湘潭縣北部和岳塘區北部；其次分布較廣的是生態服務價值受損區，下降數值主要集中在“-250 000～0 元”區間，主要因為高ESV值的耕地、林地、水域轉化為低ESV 值的建設用地；而生態服務價值增值區僅有零星分布，且多集中在“0～250 000 元”區間，主要因為耕地轉化為林地、水域，在一定程度上提高了研究區的生態服務價值總量。

圖4 1988—2018 年湘潭市城鄉交錯帶生態服務價值變化

從表3 中可以看出，研究區的生態系統服務價值總量由1988 年的7.73 億元減少到2018 年的6.70 億元，減少了13.32%。從生態系統服務價值構成來看，供給服務、調節服務、文化服務和支持服務的變化率分別為-22.11%、-14.56%、-8.20%和-18.54%。1988 年，調節服務的價值量最高，為5.46 億元，占總價值量的70.64%，隨后依次為支持服務、文化服務和供給服務。30 a 間，耕地、林地不斷地轉化為居民地與獨立工礦、交通用地等。盡管農林業生產效率不斷提高，但是耕種面積減少，農副產品總產量減少，導致供給服務價值大幅度下降；調節服務價值呈下降趨勢，但是由于供給服務價值的減少，其占總服務價值的比例略有增加。從生態系統服務的子類別來看，水源涵養和廢物處理的價值較高，其次是生物多樣性保護和土壤形成與保護，再次是娛樂文化和氣候調節。

表3 1988—2018 年湘潭市城鄉交錯帶生態系統服務價（元）

3.3 1988—2018 年研究區生態服務價值的敏感性分析

在所有土地利用類型中，各土地類型敏感性指數各異。其中，水域CS 最高，從1988 年的0.579 上升至2018 年的0.617；林地與水域的CS 均呈上升趨勢，耕地的CS 則在下降，從1988 的0.197 下降到2018年的0.150，說明水域和林地的VC 變化對交錯帶土地生態服務總價值具有放大效應，耕地的VC 變化對交錯帶土地生態服務總價值則具有縮小效應。園地和未利用地的CS 值基本不變，說明二者的VC 變化對區域的ESV 沒有明顯影響。1988—2018 年湘潭市城鄉交錯帶各類型用地的CS 均小于1，說明研究區ESV 對該研究采用的VC 缺乏彈性，采取的VC 適用于該研究區，由此計算的ESV 是可信的。

表4 湘潭市城鄉交錯帶1988、2018 年各土地利用類型生態服務靈敏度

4 結論與討論

1988—2018 年，湘潭市城鄉交錯地帶的耕地、園地、林地、水域、未利用地面積均呈下降趨勢，耕地面積減少最多，達3 812.35 hm2，其次是水域，減少380.92 hm2，而居民地與獨立工礦、交通用地面積大幅增漲，分別增加4 146.47、553.44 hm2，城市擴張明顯。雨湖區、岳塘區、湘潭縣的土地利用類型變化趨勢與整體大致相同，其中，耕地面積下降最明顯的為岳塘區，降幅達45.80%，林地面積下降最明顯為湘潭縣，降幅達23.13%，雨湖區和湘潭縣的園地面積分別增加了26.19%和22.43%。

1988—2018 年湘潭市城鄉交錯帶總ESV 呈下降趨勢，由1988 年的7.73 億元減少到2018 年的6.70 億元。其中，土地生態系統的供給服務、調節服務、文化服務和支持服務均呈下降態勢，分別下降22.11%、14.56%、8.20%和18.54%。其原因在于高ESV 的耕地、林地、水域轉化為低ESV 的居民地和交通用地。通過計算，得出湘潭市城鄉交錯帶各類型用地的CS 均小于1，說明研究區ESV 對該研究采用的VC 缺乏彈性，由此得出ESV 是可信的。

該研究基于土地利用變化評價了湘潭市城鄉交錯帶生態系統服務價值損益的時空動態，為未來區域土地資源的合理規劃及有效利用提供了科學依據，對保護生態環境和維持區域經濟社會發展具有現實的指導意義。城鄉交錯帶是農村向城鎮發展的過渡地帶，合理優化區域的空間布局可有效推動城市化進程，并加強對環境的保護[10]。根據研究結果，可從以下4 個方面優化湘潭市城鄉交錯帶未來空間布局：（1）作為主要經濟中心的雨湖區北部、湘潭縣南部和岳塘區，應提高已有建設用地的利用強度，避免無效擴張而占用了原本高ESV 值的耕地、林地和水域；（2）研究區主要應向第三產業、綠色產業發展，促進產業結構調整，以避免重型工業對環境的嚴重污染；（3）有些地區有退耕還林、退耕還湖的現象，因此對于一些土地肥沃度不夠、有環境保護需要的地區，可以適當得將土地回歸自然；（4）由于耕地面積持續減少會導致食物生產服務的減弱，因此需要嚴守耕地紅線，采用科學的耕作栽培技術提高糧食產量，保障糧食安全，實現人地和諧。