基于土地利用的邵阳市生态系统服务价值演变

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　　摘要 土地利用变化通过改变地表覆盖类型，影响着生态系统的结构、功能及过程，进而对生态系统服务的供应和人居环境质量产生影响。开展土地利用变化与生态系统服务功能量化评价，以期为邵阳市及周边区域的生态安全提供借鉴。以邵阳市为研究案例，基于1993和2016年2期Landsat 5 TM/Landsat 8 OLI影像，统计了1993—2016年邵阳市土地利用面积变化、土地利用类型转移矩阵和土地利用变化动态度，计量了23年间邵阳市生态系统服务价值演变特征。结果表明：①研究期间，林地是研究区的主要基质类型，耕地和未利用地不仅分别是面积增加和减少最多的用地类型，同时动态变化也最为剧烈，其动态度分别是0.77%和-2.76%。②1993—2016年邵阳市生态系统服务价值呈微弱下降趋势，林地的生态系统服务功能价值占整个系统的80%以上，贡献率最大。③各单项服务价值上，水源涵养、土壤形成与保护、生物多样性保护和气体调节等功能价值位居前列，相比之下，食物生产功能价值最低，说明邵阳市生态系统的服务性功能远大于生产性功能。
　　关键词 土地利用/覆被变化;面向对象分类;生态服务功能价值法;宝庆;湘西
　　中图分类号 TP79  文献标识码 A  文章编号 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 Shaoyang’s 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 邵阳学院博士专项基金资助项目（17ZX03）;湖南省教育厅一般项目（19C1670）。
　　作者简介 赵莉莉（1985—），女，黑龙江青冈人，助理研究员，博士，从事土地利用与景观生态研究。*通信作者，讲师，博士，从事土地利用与3S技术应用。
　　收稿日期 2020-04-25
　　土地利用是指人类为了生存与发展，根据土地的特点，对其采取不同的利用方式，从而获取经济效益[1-2]，同时原本是自然属性的土地转变成为了具有社会属性的人工生态系统。土地利用类型是形态和状态上变化多样的自然或人工地表覆盖物的综合体，如各种建筑物、土壤、地表植被、河流、湿地等[3]。土地利用变化实质是土地利用类型面积和空间位置的改变[4]，即各种生态系统类型面积以及空间格局的变化。生态系统服务是指通过生态系统的结构、过程和功能直接或间接得到支持的生命产品和服务[5-6]。人类生活在生态系统之中，时刻享受着生态系统的馈赠，然而，人类活动造成的土地利用类型变化经常会引起生态系统物质流和能量流循环的失衡，导致生物多样性急剧减少以及全球气候变暖等不可逆的生态系统破坏，并最终反作用于人类[7]。因此，研究土地利用变化与生态系统服务价值变化的关系对保护和维持生态系统服务功能起到至关重要的作用。1997年，Costanza等[8]对全球生态系统服务价值进行研究后，生态系统服务开始成为生态学领域的热门议题。学者谢高地等[9-10]在Costanza理论的基础上结合我国国情，制定了陆地生态系统服务价值当量表，并得到了国内众多学者的认可[11-14]。 　　邵阳市史称“宝庆”，是沟通广东、广西和大西南的门户，是湘、桂、黔3省区毗邻地区的商品集散中心，有联东结西的作用。2004年6月，湖南省委、省政府编制印发了《湘西地区开发总体规划》，邵阳市成为湘西大开发的重要组成部分。另外，2010年起，洛湛铁路、上瑞、衡邵、二广等高速公路的建成通车，全方位打通了邵阳市与外界联系的大门。随着邵阳市区位优势的逐渐凸显，城市化进程不断加快，对土地资源的开发和利用不断增加。在此过程中势必引起土地利用结构与空间格局模式的变化，进而造成生态系统服务价值的改变，并最终影响到邵阳市的人居环境和生态安全。因此，该研究利用1993和2016年2期遥感影像数据，研究23年来邵阳市土地利用变化对生态系统服务价值的影响，以期为该区土地资源的合理利用和生态环境的可持续提供有益参考。
　　1 数据来源与研究方法
　　1.1 研究区概况
　　邵阳市位于湘中偏西南，行政区地跨 109°49′～112°57′E、25°58′～27°40′N，辖3个城区8个县市，代管1市（图1），全市土地面积20 824 km2。属典型的中亚热带湿润季风气候，雨量充沛，四季分明，年平均气温16.1～17.1 ℃，全年日照时数1 350～1 670 h，位于江南丘陵大地形区，以丘陵、山地为主，约占全市面积的2/3。截至2018年底，全市户籍总人口828.28万，完成地区生产总值1 782.65亿元。
　　1.2 数据来源与处理
　　邵阳市1993年Landsat 5-TM和2016年Landsat 8-OLI卫星遥感数据，来源于中国科学院地理空间数据云平台，分辨率为30 m。各期土地利用分类参考2007年发布的第二次全国土地调查分类标准[15]，并结合遥感影像的分辨率和已收集到的研究区基础数据的情况，将研究区的土地利用类型划分为林地、草地、耕地、建筑用地、水域和未利用地共6类。通过实地勘察并借助Google Earth软件进行交互校验，确立了基于Landsat RGB为5、4、3假彩色影像的土地利用解译标志;基于ENVI 5.2软件，采用面向对象的方法对研究区2期遥感影像进行土地利用分类，并利用ArcGIS的制图功能输出成图，最终获得研究区2期土地利用分类图（图2）。
　　1.3 研究方法
　　1.3.1 土地利用变化的研究方法。
　　该研究采用转移矩阵和动态度等数学模型对研究区的土地利用变化进行研究。土地利用转移矩阵因其可表达研究期间土地利用的结构特征和各地类的来源及组成而成为土地利用研究中的常用方法。土地利用转移矩阵的数学公式为：
　　土地利用动态度模型是刻画土地资源数量变化、反映土地利用变化剧烈程度的常用方法[13]，分为单一土地利用动态度和综合土地利用动态度。单一土地利用动态度反映了某种土地利用类型在研究时间内的年均变化速率，综合土地利用动态度表示综合土地利用变化的年变化率[16-18]。该研究采用单一土地利用类型动态度模型来描述邵阳市土地利用变化情况。其数学表达式为：
　　1.3.2 生态系统服务价值的选择和计算。
　　该研究参考谢高地等[9-10]的研究成果，选取包括氣体调节、气候调节、水源涵养、土壤形成与保护、废物处理、生物多样性保护、食物生产、原材料的供应以及娱乐文化等9类作为生态系统服务评价指标，并结合本文实际划分的土地利用类型（林地、耕地、水域、未利用地、草地和建筑用地），制成了符合邵阳市的生态系统服务单位面积价值当量因子表，见表1。然而，在表1中并没有加入建筑用地，这是由于生态系统服务是其功能效用，其效用大小是指满足人类需求的程度，而建筑用地主其对自然生态环境的破坏较大，且其在不断向环境排放污水、废气和固体废弃物。基于以上的考虑，该研究未对建筑用地的生态系统服务价值进行核算。
　　2 结果与分析
　　2.1 土地利用类型的面积变化
　　结合图2和表2可知，研究期间，林地的面积占邵阳市总面积约60%，是邵阳市分布最广的土地利用类型。耕地、建筑用地和林地的面积均呈增加态势，其中耕地面积在23年中增加最多，达到634.82 km2，占研究区总面积的比例由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积则均呈减少趋势，其中未利用地面积减少最多，达631.72 km2，占研究区总面积的比例也由1993年的4.77%减至2016年的1.75%。土地利用类型面积的变化受社会经济和自然因素的双重影响，尤其受社会经济因素影响极大。邵阳市历来人口众多，在湖南省各市中名列前茅，人口的增长对粮食的需求量也不断增加，导致更多的土地被开垦为耕地，致使研究区耕地面积猛增。与此同时，邵阳市委、市政府在落实“十一五”国家宏观调控政策时，大力实施“兴工强市”战略，全面发展邵阳经济，铁路、高速公路等各方面基础设施的完善，在促进了邵阳城市化发展的同时，不可避免地占用了未利用地、草地和水域，而使得建筑用地面积相对增加。
　　2.2 土地利用类型的转移矩阵
　　在土地利用变化研究中，研究土地利用类型面积的增减无法细致地反映各地类间的转换情况，而土地利用转移矩阵则可对土地利用类型间的具体转换情况给予有效揭示[11]。基于遥感分类结果（图2），运用 ENVI classic 5.2的运算工具得到研究区土地利用转移矩阵。由表3可以看出，林地在23年间的保持率最高，达到71.61%，同时其他地类向林地的转入率均高于15%，使得林地在研究期间面积呈增加趋势。相比之下，未利用地的保持率最低，仅为5.35%，转出率高达94.65%，主要转向耕地，转入率达46.81%，同时其他4种用地类型的大量转入，使得耕地面积成为研究期间面积增加最多的用地类型。
　　2.3 土地利用类型的动态度
　　根据公式（2）计算出研究区土地利用单一动态度，并制作了比较直观的土地利用动态度比较图（图3）。由图3可知，1993—2016年，动态度的变化趋势与土地利用面积的变化相吻合，均呈“三负三正”趋势。未利用地、草地和水域的动态度均为负值，其中未利用地的值最大，为-2.76%，说明23年中未利用地减少的速率最快，稳定性最差;耕地、建筑用地和林地的动态度均为正值，其中耕地的值最大，为0.77%，说明研究期间耕地的增加速度最快。 　　2.4 各土地利用类型的生态系统服务价值变化
　　邵阳市不同土地利用类型生态系统服务价值及贡献率见表4和图4。1993—2016年，研究区生态系统服务价值呈微弱减少趋势，23年共减少了26.24万元，年均减少1.14万元。从各土地利用类型上看，林地生态系统功能价值增加最多，研究期间共增加1 357.70万元，耕地次之，为1 236.81万元。然而，水域、草地和未利用地的生态系统服务价值23年间呈下滑态势，其中，水域生态系统服务价值降低最多，达922.52万元。
　　引起各地类生态系统服务价值变化的直接原因是研究期间各地类面积发生了变化。
　　由图4可知，在各土地利用类型中，林地对邵阳市生态系统服务总价值的贡献率最大，均超过了80%，而其他土地利用类型的生态系统服务价值的贡献率较低，均低于11%，其中草地和未利用地的服务价值贡献率均不足2%。
　　2.5 邵阳市生态系统单项服务价值的变化
　　由表5可知，1993—2016年，邵阳市生态系统水源涵养、废物处理和娱乐文化等单项服务价值呈减少趋势，分别减少了520.23、516.90和78.84万元，其他6项服务价值均有所增加，其中土壤形成与保护功能的价值增加最多，达332.65万元。从贡献率上看，生态系统单项服务价值的贡献率由大到小依次为水源涵养、土壤形成与保护、生物多样性保护、气体调节、气候调节、废物处理、原材料、娱乐文化、食物生产;研究期间，水源涵养、土壤形成与保护、生物多样性保护和气体调节4项服务价值的贡献率之和均大于60%，主要原因是具有较高的水源涵养和土壤形成与保护等功能的林地面积占优（超过60%）所致。然而，食物生产贡献率最低，均小于2%，说明邵阳市的生态系统服务性功能远大于其生产性功能。
　　3 结论与建议
　　3.1 结论
　　以湖南省邵阳市为研究对象，基于1993和2016年2期土地利用遥感解译数据，根据区域特点划分6种土地利用类型，并对其23年间的土地利用状况及与生态系统服务功能价值间的变化进行了定量分析，结果表明：
　　（1）研究期间，邵阳市主要土地利用类型为林地，其面积约占研究区总面积的60%。从面积变化上看，1993—2016年面积增加和减少最多的地类分别是耕地和未利用地。从转移矩阵上看，林地的保持率最高，且其他地类向林地的转入率都较大;未利用地转出率最高，达94.65%，主要转向耕地。
　　（2）1993—2016年邵阳市生态系统服务价值呈小幅降低趋势，由1993年的95 156.97万元，减少到2016年的95 130.72万元，共减少了26.24万元。从贡献率上看，林地对总生态系统服务价值的贡献率最大，而水域、草地和未利用地的贡献率却有所减少。
　　（3）1993—2016年，除水源涵养、废物处理和娱乐文化功能价值有所降低外，其余各项价值均呈增加态势。水源涵养、土壤形成与保护、生物多样性保护和气体调节等是生态系统服务的核心功能，占邵阳市生态系统服务价值的60%以上。然而，研究期间，食物生产的服务功能价值始终最低，说明邵阳市生态系统的服务功能远大于其生产性功能。
　　3.2 建议
　　基于研究结果，提出保障邵阳市生态系统服务功能的土地利用优化建议。
　　3.2.1
　　实施土地利用结构优化。生态系统服务价值变化的直接原因是土地利用类型面积的改变，因此，因地制宜地对土地利用结构进行调整是提高生态系统服务价值的有效手段。由研究结果可知，1993—2016年研究区水域和草地的服务功能退化最为严重，在新一轮区域土地利用规划中，要注意保护和适当增加水域和草地面积，在充分考虑邵阳市自然和社会经济因素的基础上，突出生态化的考量。
　　3.2.2
　　加强建筑用地的绿化。研究期间，邵阳市建筑用地面积快速扩张，不可避免对其他地类进行占用。随着经济的迅猛发展，建筑用地面积势必进一步扩大，必须重视经济与生态的协调发展，才能实现打造生态宜居城市的梦想。然而，生态宜居城市建设的核心内容之一即为绿地系统建设，因此，需要加强建筑用地中公园、绿地和水体的建设与保护，推进社区绿化、城郊绿化，构建城市和郊区一体化的城镇绿化系统。
　　3.2.3
　　严守生态红线，调整生态建设政策。对具有重要生态价值的区域需进行重点保护，如水域、林地和草地的单位面积服务价值均较高，因此，对其进行重点保护有利于生态系统服务价值的保持。另外，研究区分布着诸多保护区，例如黄桑国家级自然保护区，加大对保护区的建设有利于维持水源涵养、生物多样性、娱乐文化等多种生态价值。
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