吳 攀， 楊木壯， 劉偉聰

(廣州大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 廣東 廣州， 510006)

人類的生產(chǎn)生活離不開生態(tài)系統(tǒng)所提供的生活環(huán)境和生活物質(zhì)，這種為人類提供便利和服務(wù)的能力，即生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[1-3]。20世紀(jì)90年代，Cosatanza等[2]發(fā)表了一篇關(guān)于全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值估算的文章，掀起了國內(nèi)外學(xué)者對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的研究興趣。針對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的價值評估，國內(nèi)學(xué)者劉飛[4]運(yùn)用直接市場法、替代市場法、條件價值法等對南湖濕地進(jìn)行價值評估，謝高地等[3]在Costanza的研究理論的基礎(chǔ)上建立了中國陸地生態(tài)系統(tǒng)價值當(dāng)量表，相比其他價值評估方法，當(dāng)量因子法因其簡便易用、評估全面、可靠性較高，而被國內(nèi)學(xué)者廣泛使用。

土地利用是指人類按照一定的社會、經(jīng)濟(jì)目的對地表進(jìn)行開發(fā)利用的過程，是人類與自然之間聯(lián)系最緊密的環(huán)節(jié)[1]。土地利用對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值影響的研究一直是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究的重點(diǎn)之一，徐煖銀等[5]、劉亞茹等[6]、雷君成等[7]、劉永強(qiáng)等[8]、趙志剛等[9]以贛南地區(qū)、尋烏縣、商丘市、湖南省、鄱陽湖為例，從市縣到國家[10-11]，從林地、草地到流域，分析了土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響。從已有的研究來看，研究的尺度多集中在區(qū)域、省市縣、流域，以鎮(zhèn)為研究尺度分析空間上生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化的較少。為更好的對區(qū)域內(nèi)部的差異性進(jìn)行分析，本研究以鎮(zhèn)為研究尺度，從時空變化的角度，對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進(jìn)行分析。

本文通過2007，2011，2015年衛(wèi)星遙感影像解譯出東莞市的土地利用數(shù)據(jù)，對東莞市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進(jìn)行估算，并在地理信息技術(shù)的支持下，對東莞市各鎮(zhèn)2007—2015年的土地利用數(shù)據(jù)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進(jìn)行疊加分析，研究2007—2015年的土地利用和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的時空變化情況，以反映土地利用變化產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng),以期為區(qū)域土地資源可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供決策參考。

1 研究區(qū)概況

東莞市位于珠江三角洲中南部地區(qū)，北邊靠近廣州，南邊接近深圳，是珠三角城市群、粵港澳大灣區(qū)的重要城市之一。轄區(qū)面積2 465 km2，轄4個街道，28個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，東西長70.45 km，南北寬46.8 km。地勢東南高西北低，地形以丘陵、平原為主，東南部山體聳立，地勢起伏較大，中部、西北部地區(qū)以丘陵臺地、沖積平原為主。氣候是典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候宜人。東莞市毗鄰港澳，臨近廣州深圳，靠近珠江口岸，地理位置優(yōu)越，20世紀(jì)以來，東莞市承接產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，發(fā)展制造業(yè)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛，城市人口增加迅速，城市用地增多，土地利用方式發(fā)生很大改變，原有的生態(tài)環(huán)境受到影響，生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)能力減弱。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文通過“地理空間數(shù)據(jù)云”獲取2007,2011,2015年3期東莞市的LandsatTM影像，經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理，在人機(jī)交互的方式下，運(yùn)用Google Earth協(xié)助遙感圖像的解譯，對東莞市的影像進(jìn)行監(jiān)督分類，提取出土地利用/覆被信息，參考土地利用現(xiàn)狀分類，將土地利用分為5類，建設(shè)用地、耕地、林地、草地、水域。社會與經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)包括2007，2011，2015年平均糧食價格、糧食產(chǎn)量以及糧食播種面積，主要參考的是東莞市統(tǒng)計局發(fā)布的數(shù)據(jù)以及歷年的東莞市年鑒。

2.2 土地利用變化特征分析

運(yùn)用ArcGIS軟件，對3期遙感影像土地利用類型進(jìn)行分析，建立2007—2011年，2011—2015年兩個時間段的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，并計算時間段內(nèi)單一土地利用動態(tài)度。

單一土地利用動態(tài)度是反映一個地區(qū)一段時間內(nèi)某一土地利用的改變情況，能夠直觀的顯示該地區(qū)各土地利用類型在數(shù)量上的變化[12]。其表達(dá)式為：

(1)

式中：Uβ，Uα為某一土地利用方式末期和初期的面積(hm2)；Tβ，Tα是相應(yīng)的年份。

2.3 土地利用程度指數(shù)

土地利用是人類和自然因素綜合作用的結(jié)果，本文根據(jù)劉正恩等[13-14]提出的土地利程度分析方法，按照人類對土地的利用的廣度和深度，對5種地類分別賦予分級指數(shù)。其表達(dá)式為：

(2)

式中：Sa為土地利用程度指數(shù)；Mi為第i級土地利用程度分級指數(shù)；Pi為第i級土地利用程度地類所占面積百分比(%)。

2.4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值計算

關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的定量評估，Costanza等[2]提出的全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估方法，并在全球得到了廣泛認(rèn)可。在此基礎(chǔ)上，中國學(xué)者謝高地等[3]根據(jù)中國生態(tài)系統(tǒng)的特點(diǎn)，對此方法進(jìn)行了修正，制定了適合中國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估的價值當(dāng)量因子表。本文參考此方法對東莞市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進(jìn)行了定量評估，并根據(jù)研究區(qū)的差異性，對數(shù)值進(jìn)行了修正，根據(jù)公式3計算得到研究區(qū)1個單位生態(tài)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)價值為870.93元/(hm2·a)。

(3)

式中：Ea為1個單位生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的經(jīng)濟(jì)價值(元/hm2);pi為第i種糧食作物全國平均價格(元/t)；qi為第i種糧食作物的產(chǎn)量(t)；M為n種糧食作物總面積(hm2)；

經(jīng)過修正后，參考中國的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量表，計算出單位面積的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，最終計算出生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的價值量(見表1)。

ESV=∑(Ai×VCi)

(4)

式中：ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值；Ai為單位面積上地類i的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值； VCi為研究區(qū)地類i的面積(hm2)。

2.5 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值損益模型

土地利用類型的變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)有著極大的影響，本文借鑒土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，分析各土地利用類型之間的面積的轉(zhuǎn)化造成的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的損益情況[7]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值損益模型如下：

Fmn=(VCm-VCn)×Amn

(5)

式中：Fmn為土地利用類型m和n轉(zhuǎn)化時所造成的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的價值損益； VCm為土地利用類型m的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值； VCn為土地利用類型n的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值；Amn為第m類土地利用類型向第n類土地利用類型轉(zhuǎn)化的面積(hm2)。

表1 東莞市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化特征

由表2可以看出，東莞市土地利用類型以建設(shè)用地為主，所占比重最大，達(dá)到了50%以上，林地次之，占總面積的20%左右。在動態(tài)變化方面，研究期內(nèi)，東莞市土地利用發(fā)生了顯著變化?？傮w上看，2007年至2015年間，建設(shè)用地呈現(xiàn)持續(xù)增長狀態(tài)，由51.16%增加到58.78%；耕地、林地、草地和水域減少，其中，耕地減少最多，面積比例從2007年的14.01%減少到2015年的8.67%；其次是草地、林地以及水域，面積比例分別從1.43%，23.26%，10.14%減少至0.39%，22.38%，9.79%，2007至2015年間，林地和水域面積先增加后減少，總體呈減少趨勢，面積增加的原因主要是受退耕還林還湖的影響。從土地利用動態(tài)度來看，2007至2011年間，草地和耕地的土地利用動態(tài)度為-14.93%，-8.55%，表明這一時期，草地和耕地的減少速度很快，其中，耕地面積的減少主要原因是退耕還林還湖的影響以及城市用地的擴(kuò)張，建設(shè)用地動態(tài)度為0.81，表明城市用地仍處于增加趨勢；2011—2015年間，草地、耕地、林地、水域減少，其中，草地減少最快，動態(tài)度為-8.18%，接著是林地，動態(tài)度為-4.05%，建設(shè)用地增加，且增加速度較前一時期快，動態(tài)度為2.82%。

表2 2007-2015年東莞市土地利用及動態(tài)度變化

通過疊加分析，得到東莞市兩個時期的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(表3—4)。結(jié)果表明，2007—2011年間，耕地轉(zhuǎn)出的面積最多，主要是向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移，其次向是林地、水域轉(zhuǎn)移，分別占耕地轉(zhuǎn)出總面積的60%，37%，3%；林地轉(zhuǎn)出的面積中，主要是向建設(shè)用地和耕地轉(zhuǎn)移；水域的轉(zhuǎn)入面積大于轉(zhuǎn)出面積，轉(zhuǎn)入的面積以建設(shè)用地為主。2011—2015年間，轉(zhuǎn)出面積最多的是林地，轉(zhuǎn)移的方向是建設(shè)用地和耕地；建設(shè)用地的轉(zhuǎn)入以耕地和林地為主，分別轉(zhuǎn)入9 877 hm2，8 371 hm2，向外轉(zhuǎn)出的面積中，主要是向耕地轉(zhuǎn)移；水域轉(zhuǎn)出的面積主要流向了建設(shè)用地，且這一時期轉(zhuǎn)出的面積大于轉(zhuǎn)進(jìn)的面積。

2007—2015年間，3期的土地利用程度指數(shù)分別為316，315，326，指數(shù)均在300以上，且整體呈現(xiàn)上升趨勢，表明這一時期，東莞的土地利用程度已經(jīng)達(dá)到了較高水平，且還有進(jìn)一步上升的趨勢，也反映了東莞市土地開發(fā)利用的廣度和深度已經(jīng)到了很高的程度。

表3 2007-2011年東莞市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

表4 2011-2015年東莞市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時空演變

3.2.1 東莞市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時間變化 如表5所示，2007—2015年間，東莞市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值先增加后減少，呈現(xiàn)波動式下降的趨勢。從不同土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值占比看，水域的比例最大，平均占比為68.1%，其次是林地，平均占比為29.4%，這表明水域和林地為東莞市提供了絕大部分的產(chǎn)品和服務(wù)，它們的變化很大程度上影響著東莞市整體的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平。研究期間，林地和水域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值呈現(xiàn)先上升后下降的情況，而草地和耕地整體都處于下降趨勢，其中，水域的服務(wù)價值減少最多，為9.64×107元，耕地和林地次之，分別減少4.48×107元，4.39×107元。研究期間，東莞市經(jīng)濟(jì)發(fā)展快速，主要得益于第二產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，第一產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展，第三產(chǎn)業(yè)的興起，與之相應(yīng)的，城市建設(shè)用地增多，耕地、林地、草地、水域變更為城市用地，生態(tài)用地減少，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總體呈現(xiàn)下降趨勢。

表5 2007-2015年東莞市各地類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值

3.2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值損益變化分析 通過建立生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值損益矩陣(表6—7)，可以分析各土地利用類型之間生態(tài)價值的流動方向。因為各土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)大小不一，因此，不同地類間進(jìn)行價值轉(zhuǎn)移時，生態(tài)價值可能出現(xiàn)增益或損失，具體在表中的表現(xiàn)是數(shù)值的正負(fù)。價值轉(zhuǎn)移的損失發(fā)生在林地、水域向草地轉(zhuǎn)移，草地、耕地、林地、水域向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)移，草地、林地、水域向耕地的轉(zhuǎn)移，水域向林地的轉(zhuǎn)移，除此以外的轉(zhuǎn)移都是對價值的增益。

表6 2007-2011生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值損益矩陣 106元

2007—2011年間，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的轉(zhuǎn)移主要是從建設(shè)用地向水域、林地的轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移價值分別是4.08×108元，1.15×108元，耕地轉(zhuǎn)林地，轉(zhuǎn)移價值是1.30×108元，且都是價值的增益；價值的損失主要發(fā)生在水域、林地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移價值分別為-2.35×108元，-7.96×107元；2011—2015年間，價值的轉(zhuǎn)移主要發(fā)生在水域、林地向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移價值分別為-5.07×108元，-1.67×108元，表現(xiàn)為價值的流失，建設(shè)用地向水域的轉(zhuǎn)移，林地向水域的轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移價值分別為1.44×108元，9.39×107元，呈現(xiàn)為價值的增益。

2007至2015年間，一方面，東莞市承接產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，制造業(yè)發(fā)展迅速，相應(yīng)的建設(shè)用地增加，大量其他用地變更為建設(shè)用地，在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值損益上表現(xiàn)為價值的損失；另一方面，東莞市基塘農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)持續(xù)發(fā)展，沿海、沿湖及沿河地區(qū)，利用建設(shè)用地(一般為閑置地)，充分發(fā)揮土地效益，發(fā)展基塘農(nóng)業(yè)或養(yǎng)殖業(yè)，獲得了較大的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益，生態(tài)系統(tǒng)提供服務(wù)的能力提高，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值增加。

3.2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值空間差異性分析 運(yùn)用ArcGIS的疊加分析和相交工具得到了東莞市各鎮(zhèn)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(見圖1)，從總體上看，東莞市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值分布不均衡，高值區(qū)域分布在東莞市的東、西、南3個部位，低值區(qū)域集中在中北部區(qū)域，生態(tài)價值的最高值出現(xiàn)在西部的虎門，主要原因是虎門的水域面積較大，提供的生態(tài)服務(wù)價值大，最低值出現(xiàn)在北部的莞城，莞城作為東莞市的老城區(qū)，城市發(fā)展的水平高，土地利用類型以建設(shè)用地為主，生態(tài)用地相對較少，相應(yīng)的生態(tài)服務(wù)價值也較低。

表7 2011-2015生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值損益矩陣 106元

圖1 2007-2015年東莞市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的空間分布

從東莞市各鎮(zhèn)的生態(tài)服務(wù)價值變化(見圖2)來看，2007—2015年間，雖然東莞市總體的生態(tài)價值是呈下降趨勢，但東莞市內(nèi)部、各鄉(xiāng)鎮(zhèn)之間又有著顯著的差異。

圖2 2007-2015年東莞市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值損益值空間分布

主要表現(xiàn)為一部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)生態(tài)價值增加，一部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)生態(tài)價值減少，增加的部分大部分集中在東莞市的東南部區(qū)域以及主城區(qū)，包括樟木頭、樟木頭林場、清溪、黃江、塘廈、鳳崗以及主城區(qū)附近的石碣、莞城、東城、南城、大齡山、厚街等等，其中，增長第一高的是東城，1.72×107元，第二高是厚街，1.65×107元；減少部分主要集中在東莞市的西部地區(qū)以及主城區(qū)以東地區(qū)，包括麻涌、沙田、虎門、長安以及主城區(qū)以東地區(qū)的寮步、茶山、松山湖、大郎等等，其中，減少最多的是沙田，-4.89×107元，其次是長安，-4.24×107元。

綜合以上分析，本文發(fā)現(xiàn)，東莞市可以劃分成3個區(qū)域：中部地區(qū)，中部以西地區(qū)，中部以東地區(qū)，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值以中部地區(qū)為中心，向東西延伸至中部以東地區(qū)和以西地區(qū)，形成了“高—低—高“的空間分布格局，與劉亞茹等[6]、張艷軍等[15]、李全等[16]的研究成果有較高的契合度。

4 結(jié) 論

本文從LandsatTM獲取2007，2011，2015共3期遙感影像，利用地理信息技術(shù)以及遙感技術(shù)對其進(jìn)行分析研究，得到了研究時間段內(nèi)東莞市的土地利用和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的時空演變情況。經(jīng)過分析，得出以下結(jié)論。

(1) 2007—2015年間，東莞市土地利用發(fā)生了顯著改變。從土地利用結(jié)構(gòu)看，東莞市的土地利用以建設(shè)用地為主，其次是林地、水域和耕地，草地面積較小。從土地利用的動態(tài)變化看，建設(shè)用地持續(xù)增加，且速度有加快趨勢，轉(zhuǎn)入的土地類型主要是耕地和林地；林地和水域呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，總面積分別減少2 192，881 hm2；草地和耕地在研究期間持續(xù)減少，其中，耕地的轉(zhuǎn)出面積最多，減少的面積也最多。3個時期的土地利用程度指數(shù)都在300以上，表明東莞市的土地開發(fā)利用程度高，且處于上升的趨勢。

(2) 在研究時段內(nèi)，東莞市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值下降了1.97×108元，整體呈波動下降的趨勢。水域與林地對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的貢獻(xiàn)最大，價值變化也相對較大，其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值先增加后減少，相比2007年，2015年水域和林地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值分別減少了9.64×107元，4.38×107元。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的在各地類之間轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移的過程中，存在著價值的增益或損失，價值轉(zhuǎn)移的損失主要發(fā)生在草地、耕地、林地、水域向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)移，價值的增益主要發(fā)生在建設(shè)用地向其他土地利用類型的轉(zhuǎn)移，其中，水域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)大，轉(zhuǎn)移過程中價值的變化量也更大，其次是林地的價值。2007—2015年間，東莞市土地利用的變化導(dǎo)致東莞市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的水平和能力有所下降，特別是水域、林地面積的減少。

(3) 東莞市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值具有空間異質(zhì)性，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值分布不均衡，以中部地區(qū)為中心，向東西延伸，形成了“高—低—高”的空間分布格局。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的最低值出現(xiàn)在主城區(qū)莞城，最高值在虎門。東莞市中心地區(qū)的價值變化較小，東西兩邊變化較大，價值的增長集中在東莞市的東南部以及主城區(qū)，價值的減少集中在東莞市的西部地區(qū)以及主城區(qū)以東區(qū)域。