錢思彤,宋 飏,楊 俊,王士君
(1.東北師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院,吉林 長春130024;2.遼寧師范大學(xué) 人居環(huán)境研究中心,遼寧 大連116029)
隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城鄉(xiāng)轉(zhuǎn)型的不斷推進(jìn),土地利用程度日漸加大,有限的土地資源承載著巨大的人口壓力,不僅導(dǎo)致了人類生存環(huán)境的惡化,還影響了社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)的協(xié)調(diào)發(fā)展[1-3]。黨的十九大報告提出,要抓緊構(gòu)建國土空間開發(fā)保護(hù)制度,充分發(fā)揮陸海統(tǒng)籌的戰(zhàn)略引領(lǐng)作用,優(yōu)化國土空間開發(fā)布局和嚴(yán)守生態(tài)保護(hù)紅線已成為推動我國經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整和生態(tài)文明建設(shè)的客觀需要。
我國濱海城區(qū)生態(tài)稟賦和資源優(yōu)勢相對較好,但受到自然和人為因素的綜合影響,生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱[4]。明晰濱海城區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值對土地利用變化的響應(yīng)機(jī)制,對于優(yōu)化我國國土空間布局和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量提升具有重要作用。當(dāng)前,亟需對濱海城區(qū)土地利用方式的轉(zhuǎn)變及其呈現(xiàn)出的生態(tài)服務(wù)價值變化進(jìn)行研究。
土地 利 用/覆 被 變 化(LUCC,Land Use Cover Change)探究由人類活動引起的土地利用方式的轉(zhuǎn)變,是人類經(jīng)濟(jì)社會活動作用于資源和自然環(huán)境的綜合反映,是生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)動過程,與特定的經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展階段相對應(yīng)[5-7]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(ESV,Ecosystem Service Value)是通過生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過程和功能直接或間接得到的生命支持產(chǎn)品和服務(wù)的具體量化反映[8]。生態(tài)服務(wù)價值對土地利用變化的響應(yīng)是體現(xiàn)國土空間開發(fā)與生態(tài)價值變化二者間關(guān)系的方式之一。國內(nèi)外學(xué)者針對這一方面的研究已取得了較多成果,但多數(shù)直接沿用了前人的方法和指標(biāo),缺乏對二者之間內(nèi)部聯(lián)系的探索,以及對區(qū)域生態(tài)建設(shè)實際應(yīng)用問題的討論[9]。楊勇、任志遠(yuǎn)選取斑塊密度等指數(shù),從生態(tài)學(xué)角度對關(guān)中地區(qū)土地利用類型及20 年內(nèi)的土地流向進(jìn)行了探究[10];謝花林、劉黎明、李波等利用莫蘭指數(shù)描述了土地利用變化的空間自相關(guān),并建立了混合回歸—空間自相關(guān)回歸模型[11];1977 年,Westman 提出了“自然服務(wù)”的概念[12];1997 年,Daily 首次構(gòu)建了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)框架[13],Costanza 劃分了全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,科學(xué)量化了對生態(tài)服務(wù)價值的估算,做出了深遠(yuǎn)的貢獻(xiàn)[14];歐陽志云、王如松首次評估了我國陸生系統(tǒng)的生態(tài)服務(wù)價值[15];謝高地、張彩霞、張雷明等根據(jù)Costanza的研究進(jìn)行了深入的推敲和考證,提供了科學(xué)的量化指標(biāo),建立了適用于我國實際情況的陸生系統(tǒng)服務(wù)價值表[16];丁麗蓮、王奇、陳欣等通過修正生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量因子,對淀山湖地區(qū)土地利用變化及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進(jìn)行了分析[17];郭椿陽、高尚、周伯燕等在格網(wǎng)尺度上分析了不同空間區(qū)位上生態(tài)服務(wù)價值增減的主要土地利用類型及原因[18]。目前國內(nèi)相關(guān)研究的案例地區(qū)一般以內(nèi)陸地區(qū)為主,研究尺度以沿海地區(qū)、沿海城市等大尺度居多,針對濱海城區(qū)這一特殊微觀尺度的相關(guān)研究尚較少,在生態(tài)文明新時代的大背景下亟需深入開展[19-21]。根據(jù)《中國海洋年鑒》中的定義,沿海地區(qū)為有海岸線的地區(qū),包括沿海省、自治區(qū)、直轄市;沿海城市為有海岸線的直轄市和地級市,包括直轄市、地級市及其轄區(qū)[22]。為了更好地區(qū)別沿海城市及其轄區(qū),參考沿海地區(qū)和沿海城市兩個概念,提出濱海城區(qū)的概念:具有一定海岸線,發(fā)展對海洋有依賴背景的沿海城市轄區(qū)。
本文研究了大連市旅順口區(qū)2006—2015 年土地利用方式的時空變化情況,并對旅順口區(qū)的生態(tài)服務(wù)價值進(jìn)行了估算,分析了其時間尺度下的速度變化和空間格局的轉(zhuǎn)變情況,并驗證了生態(tài)服務(wù)價值對價值系數(shù)的敏感性。本文對特殊類型地域的生態(tài)服務(wù)價值研究具有一定的理論補(bǔ)充,為大連市旅順口區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、土地利用、生態(tài)保護(hù)等相關(guān)政策的制定提供科學(xué)依據(jù),同時可供我國東北地區(qū)和其他濱海城區(qū)生態(tài)文明建設(shè)工作借鑒和參考。
遼寧 省 大 連 市 旅 順 口 區(qū) 地 處38°7′—39°N、120°8′—121°35′E,南北兩端相距26.1km,東西貫穿31.2km,總面積約506.8km2,海岸線長約169.7km,轄12 個街道,距離市區(qū)32km;北依甘井子區(qū),南與山東半島遙相對望,西臨渤海,東傍黃海;氣候類型為北溫帶季風(fēng)氣候,四序分明;地貌類型以丘陵為主,地形構(gòu)成為“六丘、半水、三分半田”,土地利用方式以旱地和水澆地為主。所在城市大連市是我國東北地區(qū)最大的港口城市,具有較高的生態(tài)環(huán)境價值稟賦和得天獨厚的地理區(qū)位優(yōu)勢。旅順口區(qū)是遼寧沿海經(jīng)濟(jì)帶重點發(fā)展區(qū)域,同時作為國家級生態(tài)示范區(qū),成為研究濱海城區(qū)土地利用方式轉(zhuǎn)變和生態(tài)服務(wù)價值方面的典型代表。
本文使用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括大連市旅順口區(qū)2006年、2009 年、2012 年、2015 年4 個時序的土地利用數(shù)據(jù)、行政區(qū)劃圖、社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等。在ENVI 軟件支持下,對4 期土地利用遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行糾正、融合、拼接等預(yù)處理。在ArcGIS10.2 軟件環(huán)境下,建立了圖形和屬性數(shù)據(jù)庫,具體數(shù)據(jù)來源及說明見表1。
表1 數(shù)據(jù)來源及說明
本文在參照《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T 2101—2017)規(guī)范的基礎(chǔ)上,結(jié)合研究區(qū)土地利用特點和實際情況,將旅順口區(qū)土地利用類型分為6 個一級、24個二級分類類型。旅順口區(qū)為濱海城區(qū),在遙感影像解譯的結(jié)果上,海鹽制鹽場和水域呈現(xiàn)出相同的水體特征,綜合旅順口區(qū)土地利用的實際情況,本文將海鹽鹽場劃分至“水域”范圍內(nèi),詳細(xì)分類結(jié)果見表2。
表2 旅順口區(qū)土地利用類型分類體系
土地利用變化測算指標(biāo):土地利用變化幅度用以描述土地利用的總體形勢及時序內(nèi)地類結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。本文通過計算各地類的面積、所占比重及其面積變化,分析各地類面積分布的變化情況。計算公式為:
式中,R為時序內(nèi)地類面積改變的幅度;Ua為研究期初的面積;Ub為研究期末的面積。
土地利用變化速度,既可以定量描述某地類在一定時序內(nèi)的面積變化速度,也可以概括區(qū)域土地利用總體情況。計算公式為:
式中,K為時序內(nèi)地類的動態(tài)度;Ua為研究期初的面積;Ub為研究末期的面積;T 為時序間隔(本文中相鄰時序間隔3 年,K為年變化率)。
土地利用矩陣可以詳細(xì)并清楚地表達(dá)任意相鄰時序內(nèi)各土地利用類型之間的面積轉(zhuǎn)換關(guān)系,本文使用ArcGIS的空間分析模塊進(jìn)行計算,通過生成二維表查看各個地類間相互轉(zhuǎn)化的具體情況,從而明確整體土地利用變化具體數(shù)量情況。在實際應(yīng)用中,土地利用轉(zhuǎn)移矩陣常以二維表的形式體現(xiàn),模型表達(dá)式為:
式中,i、j 分別為研究期初、研究期末的土地利用類型;Sij為由i類型轉(zhuǎn)至j類型的土地利用面積;n為土地利用類型數(shù)量。
生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值測算模型:本文參考Costanza對全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估的研究[14],結(jié)合謝高地、魯春霞、冷允法等建立的中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積服務(wù)價值表[23]和遼寧省相關(guān)研究成果[24],確立了旅順口區(qū)各地類單位面積提供的價值(表3)。其中,林地、耕地、水域和未利用地分別對應(yīng)謝高地研究成果中的森林、農(nóng)田、水體、荒漠,園地和建設(shè)用地對應(yīng)遼寧省相關(guān)研究成果中的園地和建設(shè)用地(建設(shè)用地以居民點及工礦用地、交通用地、建制鎮(zhèn)在水源涵養(yǎng)和廢物處理方面的價值為主)。計算公式為:
式中,ESV表示生態(tài)服務(wù)價值,單位:元;k 為6,表示地類數(shù)量;Ak為某時序第k 種地類的面積,單位:hm2;VC(Valuation Coefficient)是價值系數(shù),即某種地類單位面積提供的價值,單位:元/hm2·a。
生態(tài)服務(wù)價值變化動態(tài)度,描述時序內(nèi)地類的ESV 變化速度,有助于更加明確地探索局部的ESV動態(tài)變化情況。計算公式為:
式中,K為某時序內(nèi)某種土地利用類型的生態(tài)服務(wù)價值動態(tài)度;ESVa為該地類在研究期初的生態(tài)服務(wù)價值;ESVb為該地類研究期末的生態(tài)服務(wù)價值;T 為時間跨度(本文中分段時序為3 年)。對于計算結(jié)果,如果K <0,表示ESV變化速度下降;如果K =0,表示ESV變化速度相對穩(wěn)定,保持不變;如果K >0,表示ESV變化速度上升。根據(jù)遼寧省相關(guān)研究結(jié)果[24],并結(jié)合旅順口區(qū)的實際情況,將動態(tài)程度分為7 級:-0.35≤K <-0.25 為Ⅰ級,對應(yīng)顯著降低;-0.25≤K <- 0.15 為Ⅱ級,對應(yīng)中度降低;-0.15≤K <0 為Ⅲ級,對應(yīng)輕微降低;K =0 為Ⅳ級,對應(yīng)無變化;0 <K≤0.15 為Ⅴ級,對應(yīng)輕微增長;0.15 <K≤0.25 為Ⅵ級,對應(yīng)中度增長;0.25 <K≤0.35為Ⅶ級,對應(yīng)顯著增長。旅順口區(qū)各土地利用類型單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值見表3。
表3 旅順口區(qū)土地利用類型單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(元/hm2·a)
生態(tài)服務(wù)價值敏感性分析:彈性系數(shù)是描述相對時間內(nèi),相互具有某種內(nèi)部聯(lián)系的兩個變量之間的依存關(guān)系[25]。本文引入彈性系數(shù)指標(biāo)以檢驗2006—2015 年間旅順口區(qū)不同土地利用類型的生態(tài)服務(wù)價值對于價值系數(shù)是否存在一定依存關(guān)系,并觀察二者之間的依賴程度。計算公式為:
式中,CS為彈性指數(shù);VCik為第k種地類調(diào)整前的價值系數(shù);VCjk為調(diào)整后的價值系數(shù);ESVi為ESV初值;ESVj為VC 調(diào)整(± 50%)后的值。對于計算結(jié)果,若CS >1,代表ESV 對VC 敏感,具有彈性;若CS <1,代表ESV對VC不敏感,彈性較低。
土地利用數(shù)量變化(表4):2006—2015 年,旅順口區(qū)建設(shè)用地是唯一一個面積呈持續(xù)上升趨勢的地類,在2006—2012 年內(nèi)建設(shè)用地面積高速增長,2012年開始增速放緩,但總體增長幅度較大,基本體現(xiàn)了旅順口區(qū)城市建設(shè)的實際情況;耕地面積呈下降速度不斷放緩的減少趨勢;林地面積變化略有增減但相對穩(wěn)定;水域面積略有增加,主要集中于雙島灣街道和江西街道的交界位置,其中雙島灣街道、江西街道的坑塘水面、鹽場面積有所增加;園地面積略有降低但變化不大;林地面積呈先上升后緩步下降的趨勢,整體較為平穩(wěn)。研究期初,旅順口區(qū)處于城鎮(zhèn)化進(jìn)程加速期,各類用地之間轉(zhuǎn)換較為迅速,建設(shè)用地擴(kuò)張程度逐漸加大,由此造成了其他地類面積的持續(xù)降低。后期轉(zhuǎn)換速度放緩,整體呈現(xiàn)出建設(shè)用地面積顯著增加,而耕地和未利用地面積不斷降低的變化特征。
表4 2006—2015年旅順口區(qū)土地利用動態(tài)度
土地利用結(jié)構(gòu)變化(圖1):旅順口區(qū)全域面積為509.33km2。從一級地類來看,2015 年旅順口區(qū)林地面積為202.13km2,占總面積的比例最大;建設(shè)用地面積為148.15km2,耕地面積為68.97km2,園地面積為38.28km2,水域面積為27.30km2,未利用地面積為24.50km2。從二級地類來看,有林地占林地面積為92.3%,比例最大;居民點在建設(shè)用地面積中占71.6%;耕地中以旱地為主,占65.3%;果園占園地面積的99.7%;沿海灘涂和坑塘水面分別占水域面積的48.5%和37.2%;裸地是未利用地中占比最高的二級類型。
本文通過對2006 年和2015 年旅順口區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖進(jìn)行融合和疊置分析,建立了旅順口區(qū)的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(表5)。從土地轉(zhuǎn)移方向上來看,耕地主要轉(zhuǎn)向建設(shè)用地和林地,建設(shè)用地主要轉(zhuǎn)向水域和未利用地,林地主要轉(zhuǎn)向建設(shè)用地和未利用地,水域主要轉(zhuǎn)向建設(shè)用地和未利用地,園地主要轉(zhuǎn)向建設(shè)用地和耕地。從轉(zhuǎn)移來源來看,耕地主要由園地和林地轉(zhuǎn)移而來,建設(shè)用地主要由耕地和未利用地轉(zhuǎn)移而來,林地主要由耕地和園地轉(zhuǎn)來,未利用地主要由耕地和林地轉(zhuǎn)移而來,水域主要由建設(shè)用地和未利用地轉(zhuǎn)移而來,園地主要由耕地和林地轉(zhuǎn)移而來。在6 種地類中,轉(zhuǎn)向建設(shè)用地的面積最大、程度最劇烈,其次為水域、林地、未利用地、園地、耕地,耕地面積增加最少。
圖1 2006—2015 年旅順口區(qū)土地利用分布
表5 2006 年、2015 年旅順口區(qū)土地利用類型面積轉(zhuǎn)化情況(hm2)
生態(tài)服務(wù)價值估算:近10 年間,旅順口區(qū)生態(tài)服務(wù)價值降低了5.63 億元,整體呈現(xiàn)先增長再下降的趨勢。2009 年旅順口區(qū)生態(tài)服務(wù)價值最高,然后逐漸下降,到2012 年和2015 年生態(tài)服務(wù)價值保持穩(wěn)定。其中,2006—2009 年是旅順口區(qū)生態(tài)服務(wù)價值上升最為突出的階段,2009—2012 年是生態(tài)服務(wù)價值下降最多的階段。在所有地類中,林地對旅順口區(qū)生態(tài)服務(wù)價值貢獻(xiàn)最大,其他按供應(yīng)價值由多至少分別為水域、耕地、園地、未利用地;水域是促進(jìn)ESV增長最高的地類,“建設(shè)用地→林地”、“建設(shè)用地→耕地”是生態(tài)服務(wù)價值提升效率最高的兩種轉(zhuǎn)換方式。
2006—2015 年旅順口區(qū)土地利用生態(tài)系統(tǒng)各服務(wù)功能價值變化見圖2。
圖2 2006—2015 年旅順口區(qū)土地利用生態(tài)系統(tǒng)各服務(wù)功能價值變化
生態(tài)服務(wù)價值變化動態(tài)度分析(圖3):旅順口區(qū)西部和東部地區(qū)由于水域面積較高,生態(tài)服務(wù)價值高于南部地區(qū)。2006—2009 年,旅順口區(qū)生態(tài)服務(wù)價值增長最大,南部和西部地區(qū)水域增長的動態(tài)度顯著上升。2009—2012 年,土地利用方式同比發(fā)生了較大程度改變,主要是由于城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速導(dǎo)致建設(shè)用地擴(kuò)張,開發(fā)區(qū)建設(shè)投入加大,由其他地類轉(zhuǎn)向建設(shè)用地的面積增加,使得研究區(qū)東部和西部地區(qū)生態(tài)服務(wù)價值有所降低。2012—2015 年,動態(tài)度同比變化不大,趨于穩(wěn)定,這也符合旅順經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)發(fā)展建設(shè)20 年的歷史背景和固定資產(chǎn)投入趨于穩(wěn)定,經(jīng)濟(jì)發(fā)展逐步提升的階段特點。
圖3 2006—2015 年旅順口區(qū)土地利用生態(tài)服務(wù)價值變化動態(tài)度
生態(tài)系統(tǒng)敏感性分析:本文在計算生態(tài)系統(tǒng)敏感性時分別把各地類的價值系數(shù)增加/削減了50%,通過改變1%的生態(tài)價值系數(shù)觀察整體生態(tài)價值的變化情況。從圖4 可見,除林地外,其他地類敏感性指數(shù)均小于1,因此林地VC對于旅順口區(qū)的整體生態(tài)服務(wù)價值具有彈性,由林地價值系數(shù)的增加使生態(tài)服務(wù)價值達(dá)到最高值0.89。即當(dāng)林地的價值系數(shù)相對改變了1%時,生態(tài)服務(wù)價值將相應(yīng)增加0.981%—1.004%。原因是:林地的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值較高,且研究區(qū)林地面積占比最大,對整體生態(tài)價值貢獻(xiàn)較高。
圖4 旅順口區(qū)ESV價值敏感系數(shù)分布
本文以大連市旅順口區(qū)作為濱海城區(qū)的案例,以2006 年、2009 年、2012 年、2015 年4 期土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過測算土地利用變化速度,應(yīng)用生態(tài)服務(wù)價值變化動態(tài)度等指標(biāo)分析了2006—2015 年旅順口區(qū)土地利用變化的時空格局,綜合討論了土地利用變化對生態(tài)服務(wù)價值的影響,得出以下主要結(jié)論:①2006—2015 年,旅順口區(qū)為適應(yīng)城市發(fā)展,土地利用在數(shù)量和結(jié)構(gòu)上有了相應(yīng)的轉(zhuǎn)變。其中,耕地面積降低最多,水域和建設(shè)用地面積增長十分明顯,林地面積漲幅不大,耕地和未利用地面積降低比較顯著,園地面積略有降低。研究期初旅順口區(qū)各類土地轉(zhuǎn)換迅速,以建設(shè)用地、水域面積的增長和耕地數(shù)量的降低最為明顯,在2009 年至研究期末各地類面積以微弱的增減幅度上下波動,總體呈現(xiàn)由未利用地、耕地、園地轉(zhuǎn)至建設(shè)用地的趨勢。②近10年間,旅順口區(qū)的總體生態(tài)服務(wù)價值降低了5.63億元,其中2006—2009 年是旅順口區(qū)生態(tài)服務(wù)價值上升最為突出的階段,2009—2012 年是生態(tài)服務(wù)價值下降最多的階段??臻g分布上,西部和東部地區(qū)生態(tài)服務(wù)價值高于南部;水域是促進(jìn)生態(tài)服務(wù)價值增長最高的地類,“建設(shè)用地→林地”、“建設(shè)用地→耕地”是生態(tài)服務(wù)價值提升效率最高的轉(zhuǎn)換類型。③在本研究的6 種一級地類中,只有林地的敏感性指數(shù)>1,說明林地的價值系數(shù)對于旅順口區(qū)的整體生態(tài)服務(wù)價值具有彈性,同時說明研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值缺乏彈性。④旅順口區(qū)作為濱海城區(qū),與其他轄區(qū)相比,水域資源和林地資源優(yōu)勢明顯,整體生態(tài)服務(wù)價值較高,但伴隨著圍填海、海洋資源開發(fā)等人類活動對海洋生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的需求逐漸加大,生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱。
本文將旅順口區(qū)作為濱海城區(qū)的研究范例,綜合討論了濱海城區(qū)生態(tài)服務(wù)價值對土地利用變化的響應(yīng)情況。近10 年間,旅順口區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)在各地類之間不斷轉(zhuǎn)化的同時,呈現(xiàn)出由建設(shè)用地不斷擴(kuò)張造成耕地、水域等面積收縮,直接導(dǎo)致生態(tài)服務(wù)價值持續(xù)下降。因此,亟需優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu),控制建設(shè)用地蔓延擴(kuò)張,提升土地利用效率,實施生態(tài)空間生態(tài)保育工程,提升生態(tài)服務(wù)價值總量,加強(qiáng)人工干預(yù)以提升全域生態(tài)服務(wù)價值,持續(xù)推進(jìn)人居條件與生態(tài)環(huán)境同步建設(shè)。本文沿用了已有的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣等研究方法,但對于濱海城區(qū)這一特殊微觀研究區(qū)域的適用程度需進(jìn)一步驗證。此外,本文沒有對土地利用和生態(tài)服務(wù)價值兩者空間相互作用關(guān)系和變化機(jī)制的探索,缺乏結(jié)合社會經(jīng)濟(jì)等影響因素的分析。下一步的研究將在新常態(tài)視角下探討二者之間的內(nèi)部聯(lián)系和變化機(jī)制,重點關(guān)注ESV 的空間熱點變化,通過與其他濱海城區(qū)進(jìn)行橫向?qū)Ρ?,總結(jié)其特點和一般規(guī)律。