韶山市土地利用變化對周圍土地生態服務價值的影響

曹若蘭, 莫宏偉

(湖南科技大學 地球科學與空間信息工程學院, 湖南 湘潭 411100)

生態系統服務(ecological services)是人類能夠從生態環境中得到的各種恩惠，包括有形物質產品和無形服務兩方面，可分為供給服務、調節服務、支持服務和文化服務，而這些是人類生存和發展的必需品和生活質量的保證[1-3]。生態系統服務價值(ecological service values， ESV)評估是用貨幣的形式評估生態系統的能力，能直觀反映生態系統服務效益的變化[4-5]。現在生態服務價值的研究已成為生態經濟學和環境經濟學的研究熱點，并且國內外對生態服務價值評估的方法已逐步成型[6-7]。國內外學者已對城市[8]、森林[9]、草地[10]、流域[11]、濕地等[12]不同生態系統的生態服務價值進行了大量深入研究。土地利用/土地覆蓋變化(LUCC)是人類社會經濟活動行為與自然生態過程交互銜接的紐帶，能夠引起生態服務價值的改變[13-14]。土地利用與生態系統服務相互影響，相互制約。土地利用活動影響著各類生態系統類型、面積以及空間分布的變化，是生態系統服務功能變化的重要驅動力[13,15]。現有的土地利用變化與生態服務價值的相關研究多是對于土地利用變化下生態服務價值時空演變趨勢的研究，主要分析土地利用由某一地類轉換為另一地類時其本身變化帶來的生態服務價值變化。而忽略了這一土地類型的變化對周圍土地生態服務價值也存在著影響，不同的土地類型對周圍土地生態服務價值影響是不同的，所以當土地類型發生變化時，會連帶影響其周圍土地的生態服務價值。本研究將土地類型轉換對其周圍土地生態服務價值產生影響的現象稱為土地利用變化與生態服務價值的遙相關。分析這種遙相關，對研究地利用變化與生態服務價值的關系、優化土地結構、制定生態補償機制以及促進社會經濟與生態環境的協調可持續發展等具有重要意義。為此，本文以湖南省韶山市為研究對象，通過遙感解譯提取1985年及2020年韶山市土地利用數據。基于該數據研究土地利用變化對周圍土地生態服務價值的影響，提出土地利用變化與生態服務價值的遙相關概念，構建土地利用變化與生態服務價值的遙相關計算模型，分析遙相關影響因子，探討土地利用變化對周圍土地生態服務價值的影響，為土地利用變化與生態服務價值的相關研究提供依據，也為生態服務價值評估體系的確定提供參考。

1 研究區概況

韶山市位于湖南省湘潭市，距長沙市約120 km。地理坐標為東經112°23′52″—112°38′13″，北緯27°51′40″—28°1′53″。該市現轄2鎮2鄉(清溪鎮、銀田鎮、韶山鄉及楊林鄉)，總人口約12萬，行政區域面積約247 km2。該區屬于湘中低山丘陵區，地勢西高東低，地貌輪廓以韶峰山脈和韶河、石獅江兩水為骨架，構成西部隆起，往東及東南傾斜的地勢(圖1)。該區地處亞熱帶濕潤氣候區，四季分明，冬冷夏熱、夏熱期長，嚴寒期短，年均溫16.7 ℃，年均降水1 358 mm。在社會經濟發展的過程中，韶山市立足于旅游發展，是國家AAAAA級旅游景區、全國愛國主義教育基地和中國優秀旅游城市。

2 數據處理與研究方法

2.1 數據獲取與數據處理

選擇韶山市1985和2020年遙感衛星數據(Google Earth下載)為基礎數據。運用ENVI 5.2和ArcGIS 10.2軟件對研究區不同時期的遙感影像進行圖像鑲嵌、裁剪及幾何校正等預處理，參照國家土地利用分類/土地覆蓋研究系統及研究區的特點，將研究區土地利用類型劃分為林地、耕地、草地、水體、建設用地和未利用地等6類[16]。在此基礎上運用監督分類法對遙感影像進行判讀解譯，由此得到1985年和2020年的土地利用數據(附圖7)。糧食產量、糧食價格、旅人綜合收入及旅游人次等數據主要來自源于1985—2020年《韶山市國民經濟和社會發展統計公報》《湖南省統計年鑒》及《湘潭市統計年鑒》。

2.2 土地利用變化分析方法

(1) 土地利用轉移矩陣：是馬爾科夫模型在土地利用變化方面的應用，是分析研究區各土地利用類型間相互轉換情況的一種比較好的方法。

(2) 土地利用動態度：主要反映某研究時間段內土地利用類型數量的變化情況[17]。單一土地動態度可表示研究區在一定時間段內某種土地類型的數量變化情況，不僅反映出其變化的劇烈程度，還反映了土地利用變化速度，其計算公式[18]為：

(1)

式中：K為研究時間段內某一土地利用類型動態度;Ua,Ub分別為研究時間段初期和末期該土地類型面積;T為研究時段,設定為年。

2.3 生態服務價值測算方法

1997年Contanza等[19]提出的生態服務價值評價體系是目前最為廣泛的方法。而謝高地等[20]依據Contanza的評估方法，從我國實際情況出發，制定了中國陸地生態服務價值當量因子表。并確定1個生態服務價值當量等于當年全國平均糧食單位面積市場價值的1/7[21]，計算公式為：

(2)

式中：VC表示單位當量因子的價值;Ta，Tb分別表示為研究區平均糧食產量和平均糧食價格。

本文采用2015年最新改進的單位面積生態服務價值當量[22]，結合韶山市風景名勝區的實地情況，主要參考風景名勝區的旅游特性對中國陸地生態系統單位面積生態服務價值表中的文化服務指標進行調整。對于建設用地的生態服務價值，許多學者都根據謝高地等的研究成果將建設用地的生態服務價值賦值為0[23]，本文將采用這一賦值作為建設用地的值。由韶山市國民經濟和社會發展統計公報及相關論文等資料可以得到研究時間段1985—2020年韶山市平均糧食產量6 210.9 kg/hm2和平均糧食價格3.69元/kg。由公式(2)計算出韶山市一個當量生態服務價值為3 274元/hm2。由此得到韶山市各土地利用類型的單位面積生態服務價值表(表1)。

利用遙感解譯提取韶山市的土地利用數據，參考Costanza[19]的生態服務價值計算公式，結合韶山市實地情況修改后的謝高地等提出中國陸地生態系統單位面積生態服務價值表，來計算韶山市不同地類的生態服務價值，其計算公式為：

ESVi=∑Ai·VCi

(3)

式中：ESVi表示為i地類的生態服務價值;Ai表示i地類的面積; VCi表示i類地類的單位面積生態服務價值。

2.4 土地利用變化與生態服務價值的遙相關測算方法

2.4.1 土地利用變化與生態服務價值的遙相關概念 所有土地利用類型都不是獨立存在的，它們相互作用相互影響。土地類型發生變化，不僅影響了本身土地的生態服務價值，還對其周圍土地的生態服務價值產生了影響。例如，某地類由水體轉換為林地，對周圍土地生態服務價值的影響由水體的影響轉換為林地的影響，水體消失其周圍耕地、草地等可能出現因干旱而導致減產、干枯等現象，進而影響土地的生態服務價值；林地出現固化土地，減少水土流失，與周圍耕地、草地等構成新的氣體及氣候調節，進而影響其生態服務價值。土地利用通過地類的轉換進而影響其周圍土地生態服務價值，稱這種關系為遙相關。基于此提出遙相關概念：即所有土地利用類型都不是獨立存在的，他們相互影響相互作用，每一土地類型都對周圍土地生態服務價值產生影響，而當土地利用類型發生轉換時，其對周圍土地生態服務價值的影響也發生變化，稱這種現象為土地利用變化與生態服務價值的遙相關。

2.4.2 遙相關計算模型構建 基于生態服務的基本定義，綜合考慮土地利用變化與土地生態服務價值變化的關系、土地利用類型轉換情況及相隔距離等，構建土地利用變化與生態服務價值的遙相關計算模型：土地利用變化與生態服務價值的遙相關影響價值=影響因子×周圍土地生態服務價值。

μ=(ESVEjn-ESVEin)·ESVE-1

(4)

式中：μ表示i類土地利用類型轉換為j類土地利用類型在距離為n斑塊(土地類型變化的面積斑塊)下的影響因子; ESVEjn，ESVEin分別為距離為n斑塊下的轉換后和轉換前土地類型對其他土地提供的生態服務價值當量; ESVE表示為各土地利用類型的平均生態服務價值當量。

(2) 遙相關模型。遙相關模型主要闡述土地利用變化對周圍土地生態服務價值的影響，由遙相關的影響因子和周圍土地的生態服務價值構建其計算公式：

RESV=∑(μ·ESVn)

(5)

式中：RESV表示土地利用變化對周圍土地生態服務價值的遙相關影響值;μ表示i地類轉換為j地類在距離為n個的土地利用變化對生態服務價值的影響因子; ESVn表示在距離為n個面積斑塊下的周圍土地的平均生態服務價值,由i地類轉換為j地類在距離為n個面積斑塊下周圍土地的面積和平均的生態服務價值當量(由表1得到),據生態服務價值計算公式(3)計算得到。

土地利用轉換對本身土地生態服務價值的影響因子為1，即μ=1，ESVn由該土地面積和生態服務價值當量計算得到，此時得到的生態服務價值當量為該土地類型轉換而帶來的生態服務價值。而當將距離足夠遠時，土地利用轉換對本身土地生態服務價值的影響因子為0，即μ=0，土地利用轉換對生態服務價值的影響為0。由此可知該公式的設定基本符合要求。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化分析

1985—2020年韶山市土地利用發生了明顯變化，通過表2對土地利用變化和轉換趨勢進行分析。從各地類的轉換數量來看，林地主要轉出為草地和耕地，其中大約有4%的林地轉換為草地，3%的林地轉換為耕地，林地的轉入來源以耕地為主。耕地和林地的轉換幅度較大，在耕地的轉出中有48%的都轉出為林地，這主要由于研究區的退耕還林政策。草地占總面積的29%，是韶山市風景區第二大土地利用類型，主要轉換為林地和耕地，其轉入來源主要以耕地為主，其中30%的耕地轉入草地，還有未利用地，這說明韶山市的景區規劃加大了對土地的利用。受韶山市風景名勝區地形地貌的影響，建設用地的面積所占比例較小，約為3.6%，其轉換的主要來源以耕地和草地為主。其他土地類型，如林地、水體等由于其開發難度和生態保護問題，轉入建設用地的面積比較少。從單一土地利用動態來看，由于時間跨度比較長，各地類的動態度差異不大。其中為正的有林地、草地和建設用地，研究期內其面積凈增。增加幅度比較大的為林地，表明韶山市風景名勝區退耕還林和保護生態林業方面功效顯著；其次為建設用地，表明韶山市風景名勝區在城市擴張和景區建設等方面加大了對土地的利用。單一土地利用動態度為負的有耕地、水體和未利用地，各土地類型面積有不同程度的減少，其中減少幅度最大的為未利用地，主要由于城市建設的侵占。

表2 韶山市1985和2020年土地利用變化及轉移矩陣

3.2 生態服務價值分析

根據生態服務價值計算公式(3)，計算得到韶山市1985年、2020年的生態服務價值(表3)。由表3可知1985—2020年韶山市的生態服務價值是增加的，由12.82億元上升到17.11億元，35 a里生態服務價值增長了4.69億元。其中林地生態服務價值最高，隨著研究期內韶山市退耕還林政策的實施，林地面積迅速增加，面積比例從25%上升到45%，生態服務價值比例從51%上升到68%；其次為草地，面積比例約為25%，生態服務價值的比例在23%左右。林地和草地這兩者對生態服務價值的貢獻率超過了80%，這主要是由于林地和草地在韶山市風景名勝區的生態系統中占有重要地位。而耕地的面積則隨著“退耕還林”措施的實施迅速減少，面積比例由42%下降到20%，其生態服務價值也在急劇降低，比例從14%下降到5%；同上，水體和未利用地比例就比較小。地類相互轉換的過程，必然會改變土地原有的生態結構和功能，進而影響其生態服務價值。

通過附圖8分析生態服務價值變化的空間分布，可以看出生態服務價值劇烈增加主要發生在城市東北方向和東南方向，這是由于退耕還林政策，林地和耕地進行了大量轉換；生態服務價值急劇降低主要發生在城市中心和西南方向，這是由于城市建設和景區規劃，建筑用地急劇增加。總體來說為了韶山市的可持續發展，應重點保護對生態服務價值貢獻率較大的林地、草地和耕地等土地利用類型。

表3 韶山市1985—2020年生態服務價值

3.3 土地利用變化與生態服務價值的遙相關分析

3.3.1 遙相關影響因子分析 根據公式(4)計算各土地類型轉換的遙相關影響因子(表4)，由于數據較多選取關鍵數據(各地類轉換的遙相關臨界距離下的影響因子數據)列舉。韶山市各地類轉換對其周圍土地生態服務價值的影響不同，但各地類轉換都在其他地類轉換為水體這一地類時影響因子達到最大正值，其次為林地，主要由于水體和林地在生態系統中占有重要地位，其中水體對調節服務功能的貢獻最大，林地次之。當土地類型轉換為建設用地時影響因子皆為最小負值，主要由于建設用地對生態服務價值的影響最小。

表4 韶山市1985—2020年遙相關影響因子

3.3.2 遙相關影響分析 通過遙相關計算模型(公式5)，得到韶山市土地利用變化對周圍土地生態服務價值的遙相關影響價值表(表5)。由于數據較多，本文選取遙相關影響價值較大的前10個數據列舉。土地利用變化對周圍土地生態服務價值的遙相關影響值為4.67億元，所以1985—2020年韶山市生態服務價值由12.66億元最終上升到22.01億元，總體增加了9.35億元。其中土地類型轉換為林地、草地和水體時，遙相關影響值為正，主要由于林地、草地和水體的調節服務功能對周圍土地生態系統的貢獻率較大。

表5 韶山市土地利用變化與生態服務價值的遙相關影響值 106元

土地類型轉換為耕地、建設用地及未利用地時，遙相關影響值為負，主要由于耕地、建設用地及未利用地的調節服務功能對周圍土地生態系統的貢獻率較小。其中林地的遙相關影響值最大，為4.78億元，主要是由于退耕還林政策，大量耕地轉入林地，林地面積迅速增加，且對調節服務功能的貢獻率較大；建設用地的遙相關影響值最小，為-0.24億元，主要由于建設用地面積變化比較小，對調節服務功能的貢獻率也最小。各地類轉換的交互影響，不僅影響其本身土地的生態服務價值，還影響其周圍土地的生態服務價值，所以在規劃土地利用結構時，應綜合考慮各土地類型轉換的交互影響，制定合理的土地利用政策，實現韶山市經濟建設與生態環境的協調可持續發展。

4 結 論

(1) 通過對土地利用分析，研究期內韶山市土地利用面積發生不同程度的變化，土地利用轉換主要集中在林地、耕地和草地之間。林地和耕地的轉換最為劇烈，林地面積急劇增加，耕地面積急劇降低。林地、草地和建設用地的土地動態度為正，耕地、水體和未利用地的土地動態度為負。說明韶山市風景名勝區在城市擴張和景區建設等方面加大了對土地的利用，應根據韶山市生態環境和社會需求合理制定土地利用政策，加強對土地利用的宏觀管理，實現土地利用結構的優化。

(2) 通過對生態服務價值分析，1985—2020年韶山市的生態服務價值由12.66億元上升到17.34億元，35 a里生態服務價值增長了4.68億元。林地的生態服務價值最大，約占總值的68%，且隨林地面積的擴張而增加。由于韶山市城市生態文明建設力度的加大和“退耕還林”政策的進一步實施，韶山市林地及草地用地面積不斷增加，促使韶山市生態服務價值增加。表明林地是維持韶山市風景名勝區生態系統服務價值的關鍵所在，需加強森林資源管理，促進森林系統的生態效應的有效發揮，實現當地經濟建設和生態環境的和諧發展。

(3) 土地利用變化與生態服務價值的遙相關分析，研究期內韶山市遙相關影響值為4.67億元，所以韶山市生態服務價值由12.66億元最終上升到22.01億元，總體增加了9.35億元。土地類型轉換為林地、草地和水體時，遙相關影響值為正，轉換為耕地、建設用地及未利用地時，遙相關影響值為負。地類轉換的遙相關影響距離各不相同，水體的影響距離最大，其次為林地，而其余地類的影響距離基本持平。表明水體的對調節服務功能的貢獻率最大，為了保證研究區生態循環的健康，應注重水資源管理。各土地類型相互作用相互影響，土地利用變化不僅影響其本身土地的生態服務價值，還影響其周圍土地的生態服務價值。所以在規劃土地結構時，應結合各地類轉換的交互影響，合理調整土地資源，制定適宜的土地利用政策，實現當地經濟與環境的協調可持續發展。

對于土地利用轉換對周圍土地生態服務價值的影響本文只進行了初步的探討，還有很多問題需要進一步的研究分析。例如，構建土地利用變化與生態服務價值的遙相關計算模型時，未考慮周圍土地的具體利用類型、土地利用類型轉換復雜的疊加狀態及土地利用變化與生態服務價值的遙相關計算模型的具體驗證等。