譚 敏, 褚克堅(jiān), 華祖林, 郝 明, 張滿(mǎn)滿(mǎn)
(1.河海大學(xué) 環(huán)境學(xué)院, 南京 210098; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院, 江蘇 徐州221116)
基于LUCC的生態(tài)服務(wù)價(jià)值動(dòng)態(tài)分析及預(yù)測(cè)
——以徐州市區(qū)為例
譚 敏1, 褚克堅(jiān)1, 華祖林1, 郝 明2, 張滿(mǎn)滿(mǎn)2
(1.河海大學(xué) 環(huán)境學(xué)院, 南京 210098; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院, 江蘇 徐州221116)
為城市生態(tài)文明建設(shè)提供參考,基于5期遙感數(shù)據(jù)分類(lèi)的土地覆蓋/利用信息,對(duì)徐州市城區(qū)生態(tài)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析,并利用馬爾科夫模型對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)態(tài)預(yù)測(cè)。結(jié)果表明:1995—2010年間土地利用方式發(fā)生很大變化,1995年鼓樓區(qū)、云龍區(qū)、泉山區(qū)農(nóng)田占地53.5%,69.02%,40.04%,2010年分別下降為34.4%,46.18%,26.27%。生態(tài)服務(wù)價(jià)值相應(yīng)的由1995年的2.92億元、1.75億元、1.51億元減少到2010年的1.55億元、1.06億元、1.26億元。達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),建筑用地面積大幅下降,農(nóng)田、林地和水域面積顯著增加,鼓樓區(qū)、云龍區(qū)、泉山區(qū)生態(tài)服務(wù)價(jià)值分別上升為2.99億元、1.64億元、1.47億元。研究結(jié)果表明,控制農(nóng)田、林地和水域等向建筑物用地轉(zhuǎn)移,對(duì)加強(qiáng)城市生態(tài)文明建設(shè)具有重要意義。
土地覆蓋/利用; 生態(tài)服務(wù)價(jià)值; 馬爾科夫模型
生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值是指生態(tài)系統(tǒng)及生態(tài)過(guò)程中直接或間接提供人類(lèi)賴(lài)以生存和發(fā)展的生命支持的價(jià)值。對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的核算可客觀、科學(xué)地反映人類(lèi)生活和生產(chǎn)質(zhì)量[1],也較為全面地反映了自然資源價(jià)值和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,因此具有較為重要的現(xiàn)實(shí)意義與科學(xué)價(jià)值。土地利用/覆蓋變化是人類(lèi)活動(dòng)與生態(tài)環(huán)境相互作用的集中體現(xiàn),它的變化直接影響生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能[2],從而影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同角度不同層次對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)研究與分析[3-5],也取得了較大進(jìn)展。段瑞娟等[6]利用經(jīng)濟(jì)學(xué)模型對(duì)償付意愿法進(jìn)行修正,核算北京單位生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,并分析土地利用方式變化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化之間的相關(guān)性;熊鷹[7]應(yīng)用Costanza[8]提出的生態(tài)服務(wù)價(jià)值計(jì)算方法,并參照中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)單位服務(wù)價(jià)值系數(shù),研究紅壤丘陵區(qū)土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響;黃鳳等[9]估算新疆生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與環(huán)境質(zhì)量指數(shù)計(jì)算體系,并分析了新疆生態(tài)變化情況及原因;韓鵬等[10]分別利用當(dāng)量法、市場(chǎng)價(jià)值法和影子工程法計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,得到了各方法適用范圍;謝高地等[11-12]通過(guò)對(duì)700位專(zhuān)家的問(wèn)卷調(diào)查形成了一個(gè)獨(dú)立的生態(tài)服務(wù)價(jià)值評(píng)價(jià)體系,對(duì)青藏高原生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行評(píng)價(jià);鄭江坤等[13]利用土地利用數(shù)據(jù)對(duì)潮白河流域森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行評(píng)估與預(yù)測(cè);張蓉珍等[14]對(duì)西安市土地利用變化及其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行了研究。
本文在國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上,通過(guò)遙感技術(shù)分析徐州市鼓樓區(qū)、云龍區(qū)和泉山區(qū)1995年、2000年、2004年、2007年和2010年土地利用狀況,結(jié)合生態(tài)學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)知識(shí),對(duì)該區(qū)生態(tài)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行定量評(píng)價(jià),并進(jìn)行驅(qū)動(dòng)力分析。在此基礎(chǔ)之上,運(yùn)用時(shí)空馬爾科夫鏈的時(shí)空遍歷性預(yù)測(cè)其達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)土地利用類(lèi)型的分布概率,以期為徐州市土地資源利用狀況和生態(tài)環(huán)境保護(hù)措施提供科學(xué)依據(jù)。
徐州市位于江蘇省西北部,華北平原的東南部,東經(jīng)116°22′—118°40′、北緯33°43′—34°58′,東西長(zhǎng)約210 km,南北寬約140 km,總面積11 258 km2,占江蘇省總面積的11%。徐州是典型的礦業(yè)城市[15],江蘇省重要的能源基地。近年來(lái),徐州經(jīng)濟(jì)實(shí)力迅速增強(qiáng),城市空間大幅拓展,大量農(nóng)田、林地在城區(qū)擴(kuò)建中消失。本文著重研究徐州市城區(qū),包括城區(qū)北部的鼓樓區(qū)、西南部的泉山區(qū)和西北部的云龍區(qū)。
2.1 數(shù)據(jù)處理
采用1995年、2000年、2004年、2007年和2010年分辨率為30 m的徐州市Thematic Mapper(TM)影像,對(duì)徐州市城區(qū)范圍鼓樓區(qū)、泉山區(qū)、云龍區(qū)土地利用狀況進(jìn)行研究。利用ENVI軟件中二次多項(xiàng)式糾正對(duì)其進(jìn)行配準(zhǔn),將配準(zhǔn)精度控制在0.5個(gè)像素以?xún)?nèi)。在此基礎(chǔ)之上,利用最大似然分類(lèi)法,將影像分為林地、農(nóng)田、水域和建設(shè)用地四類(lèi)土地利用類(lèi)型。利用目視解譯對(duì)分類(lèi)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估,并進(jìn)行精度檢驗(yàn),5期土地利用圖Kappa系數(shù)均達(dá)到為0.83以上。
2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)價(jià)
根據(jù)得到的研究區(qū)內(nèi)土地利覆蓋/利用類(lèi)型,利用Constanza等[8]生態(tài)系統(tǒng)制定的服務(wù)價(jià)值估算原理和謝高地等[12]制定的我國(guó)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)格當(dāng)量因子表,進(jìn)行不同時(shí)期生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)價(jià)。生態(tài)服務(wù)被劃分為食物生產(chǎn)、原材料生產(chǎn)、氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)、土壤形成與保護(hù)、廢物處理、生物多樣性維持、休閑娛樂(lè)等,該表定義1 hm2全國(guó)農(nóng)田平均糧食產(chǎn)量的經(jīng)濟(jì)價(jià)值為1,其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值以此為參考[11]。針對(duì)徐州具體情況,以該區(qū)2009年平均糧食產(chǎn)量6 205.5 kg/hm2為基準(zhǔn)單產(chǎn),糧食單價(jià)按2008年全國(guó)糧食平均收購(gòu)價(jià)格1.69元/kg作為研究時(shí)段平均價(jià)格。此外,確定1個(gè)生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子的經(jīng)濟(jì)價(jià)值量等于平均糧食單產(chǎn)市場(chǎng)價(jià)值的1/7[12],計(jì)算出徐州的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子為1 498.19元,以此為基礎(chǔ)按當(dāng)量因子測(cè)算出該區(qū)其他土地利用類(lèi)型各項(xiàng)生態(tài)服務(wù)價(jià)值。該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)如表1所示。
結(jié)合表1數(shù)據(jù)并根據(jù)公式(1),(2)計(jì)算鼓樓區(qū)、云龍區(qū)、泉山區(qū)各土地利用類(lèi)型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值、各項(xiàng)生態(tài)服務(wù)價(jià)值。
(1)
(2)
式中:ESV——生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值;ESVj——生態(tài)系統(tǒng)第j項(xiàng)服務(wù)價(jià)值;Ai——研究區(qū)第i種土地利用/覆蓋類(lèi)型分布面積;VCij——第i種土地利用類(lèi)型第j類(lèi)服務(wù)功能價(jià)值系數(shù)。
2.3 馬爾科夫模型預(yù)測(cè)
經(jīng)濟(jì)建設(shè)與生態(tài)建設(shè)同步發(fā)展是我們共同的目標(biāo),城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生態(tài)文明的建設(shè)必然能達(dá)到平衡的狀態(tài),對(duì)土地利用方式的規(guī)劃也將達(dá)到最優(yōu)化的穩(wěn)定狀態(tài)。目前對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的研究多集中在生態(tài)服務(wù)價(jià)值對(duì)土地利用現(xiàn)狀的響應(yīng)方面[16],缺少此方面的預(yù)測(cè),尤其是達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)土地利用類(lèi)型的分布。
馬爾科夫模型可以有效地預(yù)測(cè)土地利用變化情況,從而預(yù)測(cè)生態(tài)服務(wù)價(jià)值的變化[13]。較高空間階的時(shí)空馬爾科夫鏈也具有遍歷性[17],遍歷態(tài)的馬爾科夫鏈極限分布即是其平穩(wěn)分布。土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移矩陣每行元素進(jìn)行歸一化處理就相當(dāng)于轉(zhuǎn)移概率矩陣,本文采用時(shí)空馬爾科夫模型,結(jié)合土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移概率矩陣,考慮時(shí)間要素,求出土地利用類(lèi)型的多時(shí)段加權(quán)轉(zhuǎn)移概率矩陣M,其計(jì)算公式如下
(3)
(4)
式中:Pij——從土地利用類(lèi)型i到j(luò)的概率;M——初始狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率矩陣;Tl——第l個(gè)間隔時(shí)段內(nèi)土地利用數(shù)據(jù)的間隔時(shí)間;Ml——第l個(gè)間隔時(shí)段內(nèi)土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移概率矩陣;m——總的時(shí)間間隔數(shù)。
遍歷態(tài)馬爾科夫鏈具有平穩(wěn)分布特征,經(jīng)過(guò)多次概率轉(zhuǎn)移之后,土地利用類(lèi)型進(jìn)入固定狀態(tài),當(dāng)繼續(xù)增大概率轉(zhuǎn)移次數(shù)時(shí),不會(huì)再發(fā)生變化,即在一定精度上轉(zhuǎn)移過(guò)程收斂于固定狀態(tài),與初始土地利用狀態(tài)無(wú)關(guān),只是收斂速度有所不同而已,故用來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)土地利用類(lèi)型穩(wěn)定分布,具體公式如下:
(5)
式中:p1,p2,pk——穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)各土地利用類(lèi)型所占面積比例,即各土地利用類(lèi)型所占比例經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)移矩陣M之后不會(huì)發(fā)生變化即是達(dá)到穩(wěn)態(tài),符合平穩(wěn)分布的特征。
3.1 土地利用結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化
鼓樓區(qū)總面積23 851 hm2,土地利用方式在1995—2010年的15 a發(fā)生很大變化。1995年,農(nóng)田分布面積最大,占到總面積的53.5%,建設(shè)用地面積占到24.86%,而林地和水體所占的面積則相對(duì)較小。1995—2000年間,農(nóng)田和建設(shè)用地面積增加,林地和水體面積則減小。2000—2004年間,在人類(lèi)活動(dòng)的影響下,鼓樓區(qū)土地利用變化復(fù)雜而迅速。2004—2007年間,面積變化較大的是建設(shè)用地和農(nóng)田,農(nóng)田面積減少了1 874.88 hm2,建設(shè)用地面積增加了2 361.78hm2。2007—2010年間,由于區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速和新城區(qū)的規(guī)劃建設(shè),建設(shè)用地面積持續(xù)增加,占總面積的52.57%(表2)。
與1995年相比,2000年、2004年、2007年、2010年云龍區(qū)農(nóng)田面積分別減少了449.1,1 493.82,3 059.29,2 734.74 hm2;林地面積分別減少75.8%,37.8%,77.0%,70.1%;水體面積分別增加20.3%,8.1%,11.9%,21.9%;建設(shè)用地面積分別增加69.4%,96.7%,198.2%,176.8%,變化較迅速。
在研究時(shí)間內(nèi),與鼓樓區(qū)和云龍區(qū)相比,泉山區(qū)土地利用方式變化相對(duì)較小。與1995年相比,2000年、2004年、2007年和2010年林地面積分別減少了28.5%,39.4%,50.1%,34.7%;水體面積不斷增加,建設(shè)用地面積分別增加了4.2%,25.7%,53.1%,42.4%;而農(nóng)田在2000年增加了0.5%,在2004年、2007年和2010年分別減少了13.8%,41.3%,34.4%。經(jīng)比較,2004—2007年,土地利用方式發(fā)生變化較大,尤其發(fā)生在林地和建設(shè)用地方面。
表2 1995-2010年徐州城區(qū)土地利用類(lèi)型面積變化
3.2 生態(tài)服務(wù)價(jià)值動(dòng)態(tài)變化
生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與土地利用/覆蓋類(lèi)型的變化密切相關(guān),土地覆蓋類(lèi)型的變化在不同程度上對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值產(chǎn)生影響。1995—2010年間,土地利用方式發(fā)生很大變化,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值也表現(xiàn)出復(fù)雜的變化趨勢(shì),如表3所示。1995年,鼓樓區(qū)生態(tài)服務(wù)價(jià)值為2.92億元;到2000年,由于鼓樓區(qū)建筑用地面積的增加,生態(tài)服務(wù)價(jià)值下降到2.25億元,并且隨著社會(huì)的發(fā)展和城市規(guī)劃的逐步加快,鼓樓區(qū)生態(tài)服務(wù)價(jià)值呈現(xiàn)出持續(xù)減少的趨勢(shì)。1995—2000年間,云龍區(qū)生態(tài)服務(wù)價(jià)值由1.75下降到1.30億元,2000—2004年間,由于林地和水體面積的增加,導(dǎo)致生態(tài)服務(wù)價(jià)值快速增加,而在2004—2010年間,生態(tài)服務(wù)價(jià)值呈現(xiàn)出先減少后增加的趨勢(shì)。相比較鼓樓區(qū)和云龍區(qū),泉山區(qū)的生態(tài)服務(wù)價(jià)值變化較小,到2004年后相對(duì)穩(wěn)定。
由表3可知,在城市快速發(fā)展過(guò)程中,大量農(nóng)田和林地被占用,建設(shè)用地的需求不斷增加,引起生態(tài)服務(wù)價(jià)值的降低。1995—2010年間,城區(qū)道路的修建,新城區(qū)的規(guī)劃和建設(shè),工業(yè)的快速發(fā)展,都是引起生態(tài)服務(wù)價(jià)值降低的根本原因。
表3 1995-2010年徐州城區(qū)各土地利用類(lèi)型生態(tài)服務(wù)價(jià)值變化
3.3 馬爾科夫模型預(yù)測(cè)
運(yùn)用馬爾科夫過(guò)程預(yù)測(cè)徐州城區(qū)未來(lái)土地利用方式的穩(wěn)定分布,并以此計(jì)算研究區(qū)域內(nèi)生態(tài)服務(wù)價(jià)值,如表4所示。預(yù)測(cè)結(jié)果表明,達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),鼓樓區(qū)農(nóng)田面積14 403 hm2,占總面積的60.39%,生態(tài)服務(wù)價(jià)值2.99億元,較2010年生態(tài)服務(wù)價(jià)值1.55億元增長(zhǎng)了1.45億元;云龍區(qū)農(nóng)田面積為8 067.75 hm2,生態(tài)服務(wù)價(jià)值1.64億元;泉山區(qū)建設(shè)用地4 021.67 hm2,所占比重最大,達(dá)到40.19%,生態(tài)服務(wù)價(jià)值1.47億元,比2010年增加0.27億元。
表4 徐州城區(qū)各土地利用類(lèi)型的穩(wěn)定分布
(1) 1995—2010年間,研究區(qū)域土地利用類(lèi)型發(fā)生很大變化,主要受到城區(qū)規(guī)劃和人類(lèi)活動(dòng)的影響,使農(nóng)田面積大量減少,建設(shè)用地面積顯著增加。
(2) 在研究時(shí)段內(nèi),研究區(qū)域生態(tài)服務(wù)價(jià)值發(fā)生復(fù)雜的變化過(guò)程,主要呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。主要因?yàn)檗r(nóng)田是生態(tài)服務(wù)價(jià)值構(gòu)成中貢獻(xiàn)較大的土地利用類(lèi)型,新城區(qū)的開(kāi)發(fā)建設(shè)和城市化的快速發(fā)展造成農(nóng)田大量減少,從而使生態(tài)服務(wù)總價(jià)值降低。
(3) 根據(jù)時(shí)空馬爾科夫遍歷態(tài)分布特性,預(yù)測(cè)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)各土地利用類(lèi)型所占比重,預(yù)測(cè)結(jié)果顯示建設(shè)用地面積會(huì)逐漸減少,從而生態(tài)服務(wù)價(jià)值顯著增加。但由于土地利用變化受到土地利用政策、自然災(zāi)害等的共同影響,導(dǎo)致土地利用的不確定性增加,且本文從生態(tài)的角度切入,對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等相關(guān)因素未做任何考量,對(duì)未來(lái)土地利用類(lèi)型的穩(wěn)態(tài)預(yù)測(cè)較為理想化,對(duì)城市土地利用類(lèi)型優(yōu)化的研究仍需進(jìn)一步完善。
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AssessmentandPredictionofEcosystemServiceValueBasedonLandUseandCoverChange—ACaseStudyofXuzhouCity,JiangsuProvince
TAN Min1, CHU Ke-jian1, HUA Zu-lin1, HAO Ming2, ZHANG Man-man2
(1.CollegeofEnvironmental,HohaiUniversity,Nanjing210098,China; 2.SchoolofEnvironmentScienceandSpatialInformatics,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou,Jiangsu221116,China)
To supply consultation to the city eco-civilization, the ecological service value of Xuzhou City was evaluated and predicted dynamically by using the Markov chain model based on the five periods of land use information of remote sensing images. The results show that the land use changed greatly from 1995 to 2010. Specially,the farmland area of Gulou, Yunlong and Quanshan districts decreased from 53.5%, 69.02% and 40.04% to 34.4%, 46.18% and 26.27%, as a result, the total ecosystem service value also decreased from 292, 175 and 151 million yuan to 155, 106 and 126 million yuan. When the steady state of ecology was reached, the ecosystem service values of Gulou, Yunlong and Quanshan districts grew to 299, 164 and 147 million yuan due to the increase of farmland, forest and water areas. Results indicate that it is very important for ecological civilization to control the transformation of farmland, woodland and waters to building sites.
land cover/use; ecosystem value; Markov model
2013-08-03
:2013-09-13
國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51179052,50979026,51009048);國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2012BAB03B04);江蘇省2013年度普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(CXZZ13_0271)
譚敏(1988—),女,安徽淮北人,碩士,主要從事環(huán)境遙感及遙感影像變化檢測(cè)研究。E-mail:xiaotanmin@126.com
F301.2;P962
:A
:1005-3409(2014)02-0297-05