曹若蘭, 莫宏偉
(湖南科技大學(xué) 地球科學(xué)與空間信息工程學(xué)院, 湖南 湘潭 411100)
生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(ecological services)是人類能夠從生態(tài)環(huán)境中得到的各種恩惠,包括有形物質(zhì)產(chǎn)品和無形服務(wù)兩方面,可分為供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)和文化服務(wù),而這些是人類生存和發(fā)展的必需品和生活質(zhì)量的保證[1-3]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(ecological service values, ESV)評估是用貨幣的形式評估生態(tài)系統(tǒng)的能力,能直觀反映生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)效益的變化[4-5]?,F(xiàn)在生態(tài)服務(wù)價值的研究已成為生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)和環(huán)境經(jīng)濟(jì)學(xué)的研究熱點,并且國內(nèi)外對生態(tài)服務(wù)價值評估的方法已逐步成型[6-7]。國內(nèi)外學(xué)者已對城市[8]、森林[9]、草地[10]、流域[11]、濕地等[12]不同生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)服務(wù)價值進(jìn)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(jīng)濟(jì)活動行為與自然生態(tài)過程交互銜接的紐帶,能夠引起生態(tài)服務(wù)價值的改變[13-14]。土地利用與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相互影響,相互制約。土地利用活動影響著各類生態(tài)系統(tǒng)類型、面積以及空間分布的變化,是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能變化的重要驅(qū)動力[13,15]?,F(xiàn)有的土地利用變化與生態(tài)服務(wù)價值的相關(guān)研究多是對于土地利用變化下生態(tài)服務(wù)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(zhuǎn)換為另一地類時其本身變化帶來的生態(tài)服務(wù)價值變化。而忽略了這一土地類型的變化對周圍土地生態(tài)服務(wù)價值也存在著影響,不同的土地類型對周圍土地生態(tài)服務(wù)價值影響是不同的,所以當(dāng)土地類型發(fā)生變化時,會連帶影響其周圍土地的生態(tài)服務(wù)價值。本研究將土地類型轉(zhuǎn)換對其周圍土地生態(tài)服務(wù)價值產(chǎn)生影響的現(xiàn)象稱為土地利用變化與生態(tài)服務(wù)價值的遙相關(guān)。分析這種遙相關(guān),對研究地利用變化與生態(tài)服務(wù)價值的關(guān)系、優(yōu)化土地結(jié)構(gòu)、制定生態(tài)補償機制以及促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)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(shù)據(jù)?;谠摂?shù)據(jù)研究土地利用變化對周圍土地生態(tài)服務(wù)價值的影響,提出土地利用變化與生態(tài)服務(wù)價值的遙相關(guān)概念,構(gòu)建土地利用變化與生態(tài)服務(wù)價值的遙相關(guān)計算模型,分析遙相關(guān)影響因子,探討土地利用變化對周圍土地生態(tài)服務(wù)價值的影響,為土地利用變化與生態(tài)服務(wù)價值的相關(guān)研究提供依據(jù),也為生態(tài)服務(wù)價值評估體系的確定提供參考。
韶山市位于湖南省湘潭市,距長沙市約120 km。地理坐標(biāo)為東經(jīng)112°23′52″—112°38′13″,北緯27°51′40″—28°1′53″。該市現(xiàn)轄2鎮(zhèn)2鄉(xiāng)(清溪鎮(zhèn)、銀田鎮(zhèn)、韶山鄉(xiāng)及楊林鄉(xiāng)),總?cè)丝诩s12萬,行政區(qū)域面積約247 km2。該區(qū)屬于湘中低山丘陵區(qū),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(gòu)成西部隆起,往東及東南傾斜的地勢(圖1)。該區(qū)地處亞熱帶濕潤氣候區(qū),四季分明,冬冷夏熱、夏熱期長,嚴(yán)寒期短,年均溫16.7 ℃,年均降水1 358 mm。在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的過程中,韶山市立足于旅游發(fā)展,是國家AAAAA級旅游景區(qū)、全國愛國主義教育基地和中國優(yōu)秀旅游城市。
選擇韶山市1985和2020年遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)(Google Earth下載)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。運用ENVI 5.2和ArcGIS 10.2軟件對研究區(qū)不同時期的遙感影像進(jìn)行圖像鑲嵌、裁剪及幾何校正等預(yù)處理,參照國家土地利用分類/土地覆蓋研究系統(tǒng)及研究區(qū)的特點,將研究區(qū)土地利用類型劃分為林地、耕地、草地、水體、建設(shè)用地和未利用地等6類[16]。在此基礎(chǔ)上運用監(jiān)督分類法對遙感影像進(jìn)行判讀解譯,由此得到1985年和2020年的土地利用數(shù)據(jù)(附圖7)。糧食產(chǎn)量、糧食價格、旅人綜合收入及旅游人次等數(shù)據(jù)主要來自源于1985—2020年《韶山市國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》《湖南省統(tǒng)計年鑒》及《湘潭市統(tǒng)計年鑒》。
(1) 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣:是馬爾科夫模型在土地利用變化方面的應(yīng)用,是分析研究區(qū)各土地利用類型間相互轉(zhuǎn)換情況的一種比較好的方法。
(2) 土地利用動態(tài)度:主要反映某研究時間段內(nèi)土地利用類型數(shù)量的變化情況[17]。單一土地動態(tài)度可表示研究區(qū)在一定時間段內(nèi)某種土地類型的數(shù)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(nèi)某一土地利用類型動態(tài)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(shè)定為年。
1997年Contanza等[19]提出的生態(tài)服務(wù)價值評價體系是目前最為廣泛的方法。而謝高地等[20]依據(jù)Contanza的評估方法,從我國實際情況出發(fā),制定了中國陸地生態(tài)服務(wù)價值當(dāng)量因子表。并確定1個生態(tài)服務(wù)價值當(dāng)量等于當(dāng)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(dāng)量因子的價值;Ta,Tb分別表示為研究區(qū)平均糧食產(chǎn)量和平均糧食價格。
本文采用2015年最新改進(jìn)的單位面積生態(tài)服務(wù)價值當(dāng)量[22],結(jié)合韶山市風(fēng)景名勝區(qū)的實地情況,主要參考風(fēng)景名勝區(qū)的旅游特性對中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值表中的文化服務(wù)指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整。對于建設(shè)用地的生態(tài)服務(wù)價值,許多學(xué)者都根據(jù)謝高地等的研究成果將建設(shè)用地的生態(tài)服務(wù)價值賦值為0[23],本文將采用這一賦值作為建設(shè)用地的值。由韶山市國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計公報及相關(guān)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(chǎn)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(dāng)量生態(tài)服務(wù)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(tài)服務(wù)價值表(表1)。
利用遙感解譯提取韶山市的土地利用數(shù)據(jù),參考Costanza[19]的生態(tài)服務(wù)價值計算公式,結(jié)合韶山市實地情況修改后的謝高地等提出中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值表,來計算韶山市不同地類的生態(tài)服務(wù)價值,其計算公式為:
ESVi=∑Ai·VCi
(3)
式中:ESVi表示為i地類的生態(tài)服務(wù)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(tài)服務(wù)價值。
2.4.1 土地利用變化與生態(tài)服務(wù)價值的遙相關(guān)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(fā)生變化,不僅影響了本身土地的生態(tài)服務(wù)價值,還對其周圍土地的生態(tài)服務(wù)價值產(chǎn)生了影響。例如,某地類由水體轉(zhuǎn)換為林地,對周圍土地生態(tài)服務(wù)價值的影響由水體的影響轉(zhuǎn)換為林地的影響,水體消失其周圍耕地、草地等可能出現(xiàn)因干旱而導(dǎo)致減產(chǎn)、干枯等現(xiàn)象,進(jìn)而影響土地的生態(tài)服務(wù)價值;林地出現(xiàn)固化土地,減少水土流失,與周圍耕地、草地等構(gòu)成新的氣體及氣候調(diào)節(jié),進(jìn)而影響其生態(tài)服務(wù)價值。土地利用通過地類的轉(zhuǎn)換進(jìn)而影響其周圍土地生態(tài)服務(wù)價值,稱這種關(guān)系為遙相關(guān)?;诖颂岢鲞b相關(guān)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(tài)服務(wù)價值產(chǎn)生影響,而當(dāng)土地利用類型發(fā)生轉(zhuǎn)換時,其對周圍土地生態(tài)服務(wù)價值的影響也發(fā)生變化,稱這種現(xiàn)象為土地利用變化與生態(tài)服務(wù)價值的遙相關(guān)。
2.4.2 遙相關(guān)計算模型構(gòu)建 基于生態(tài)服務(wù)的基本定義,綜合考慮土地利用變化與土地生態(tài)服務(wù)價值變化的關(guān)系、土地利用類型轉(zhuǎn)換情況及相隔距離等,構(gòu)建土地利用變化與生態(tài)服務(wù)價值的遙相關(guān)計算模型:土地利用變化與生態(tài)服務(wù)價值的遙相關(guān)影響價值=影響因子×周圍土地生態(tài)服務(wù)價值。
μ=(ESVEjn-ESVEin)·ESVE-1
(4)
式中:μ表示i類土地利用類型轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換后和轉(zhuǎn)換前土地類型對其他土地提供的生態(tài)服務(wù)價值當(dāng)量; ESVE表示為各土地利用類型的平均生態(tài)服務(wù)價值當(dāng)量。
(2) 遙相關(guān)模型。遙相關(guān)模型主要闡述土地利用變化對周圍土地生態(tài)服務(wù)價值的影響,由遙相關(guān)的影響因子和周圍土地的生態(tài)服務(wù)價值構(gòu)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(tài)服務(wù)價值的遙相關(guān)影響值;μ表示i地類轉(zhuǎn)換為j地類在距離為n個的土地利用變化對生態(tài)服務(wù)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(tài)服務(wù)價值,由i地類轉(zhuǎn)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(tài)服務(wù)價值當(dāng)量(由表1得到),據(jù)生態(tài)服務(wù)價值計算公式(3)計算得到。
土地利用轉(zhuǎn)換對本身土地生態(tài)服務(wù)價值的影響因子為1,即μ=1,ESVn由該土地面積和生態(tài)服務(wù)價值當(dāng)量計算得到,此時得到的生態(tài)服務(wù)價值當(dāng)量為該土地類型轉(zhuǎn)換而帶來的生態(tài)服務(wù)價值。而當(dāng)將距離足夠遠(yuǎn)時,土地利用轉(zhuǎn)換對本身土地生態(tài)服務(wù)價值的影響因子為0,即μ=0,土地利用轉(zhuǎn)換對生態(tài)服務(wù)價值的影響為0。由此可知該公式的設(shè)定基本符合要求。
1985—2020年韶山市土地利用發(fā)生了明顯變化,通過表2對土地利用變化和轉(zhuǎn)換趨勢進(jìn)行分析。從各地類的轉(zhuǎn)換數(shù)量來看,林地主要轉(zhuǎn)出為草地和耕地,其中大約有4%的林地轉(zhuǎn)換為草地,3%的林地轉(zhuǎn)換為耕地,林地的轉(zhuǎn)入來源以耕地為主。耕地和林地的轉(zhuǎn)換幅度較大,在耕地的轉(zhuǎn)出中有48%的都轉(zhuǎn)出為林地,這主要由于研究區(qū)的退耕還林政策。草地占總面積的29%,是韶山市風(fēng)景區(qū)第二大土地利用類型,主要轉(zhuǎn)換為林地和耕地,其轉(zhuǎn)入來源主要以耕地為主,其中30%的耕地轉(zhuǎn)入草地,還有未利用地,這說明韶山市的景區(qū)規(guī)劃加大了對土地的利用。受韶山市風(fēng)景名勝區(qū)地形地貌的影響,建設(shè)用地的面積所占比例較小,約為3.6%,其轉(zhuǎn)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(fā)難度和生態(tài)保護(hù)問題,轉(zhuǎn)入建設(shè)用地的面積比較少。從單一土地利用動態(tài)來看,由于時間跨度比較長,各地類的動態(tài)度差異不大。其中為正的有林地、草地和建設(shè)用地,研究期內(nèi)其面積凈增。增加幅度比較大的為林地,表明韶山市風(fēng)景名勝區(qū)退耕還林和保護(hù)生態(tài)林業(yè)方面功效顯著;其次為建設(shè)用地,表明韶山市風(fēng)景名勝區(qū)在城市擴張和景區(qū)建設(shè)等方面加大了對土地的利用。單一土地利用動態(tài)度為負(fù)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(shè)的侵占。
表2 韶山市1985和2020年土地利用變化及轉(zhuǎn)移矩陣
根據(jù)生態(tài)服務(wù)價值計算公式(3),計算得到韶山市1985年、2020年的生態(tài)服務(wù)價值(表3)。由表3可知1985—2020年韶山市的生態(tài)服務(wù)價值是增加的,由12.82億元上升到17.11億元,35 a里生態(tài)服務(wù)價值增長了4.69億元。其中林地生態(tài)服務(wù)價值最高,隨著研究期內(nèi)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(tài)服務(wù)價值比例從51%上升到68%;其次為草地,面積比例約為25%,生態(tài)服務(wù)價值的比例在23%左右。林地和草地這兩者對生態(tài)服務(wù)價值的貢獻(xiàn)率超過了80%,這主要是由于林地和草地在韶山市風(fēng)景名勝區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)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(tài)服務(wù)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(zhuǎn)換的過程,必然會改變土地原有的生態(tài)結(jié)構(gòu)和功能,進(jìn)而影響其生態(tài)服務(wù)價值。
通過附圖8分析生態(tài)服務(wù)價值變化的空間分布,可以看出生態(tài)服務(wù)價值劇烈增加主要發(fā)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(jìn)行了大量轉(zhuǎn)換;生態(tài)服務(wù)價值急劇降低主要發(fā)生在城市中心和西南方向,這是由于城市建設(shè)和景區(qū)規(guī)劃,建筑用地急劇增加??傮w來說為了韶山市的可持續(xù)發(fā)展,應(yīng)重點保護(hù)對生態(tài)服務(wù)價值貢獻(xiàn)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(tài)服務(wù)價值
3.3.1 遙相關(guān)影響因子分析 根據(jù)公式(4)計算各土地類型轉(zhuǎn)換的遙相關(guān)影響因子(表4),由于數(shù)據(jù)較多選取關(guān)鍵數(shù)據(jù)(各地類轉(zhuǎn)換的遙相關(guān)臨界距離下的影響因子數(shù)據(jù))列舉。韶山市各地類轉(zhuǎn)換對其周圍土地生態(tài)服務(wù)價值的影響不同,但各地類轉(zhuǎn)換都在其他地類轉(zhuǎn)換為水體這一地類時影響因子達(dá)到最大正值,其次為林地,主要由于水體和林地在生態(tài)系統(tǒng)中占有重要地位,其中水體對調(diào)節(jié)服務(wù)功能的貢獻(xiàn)最大,林地次之。當(dāng)土地類型轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地時影響因子皆為最小負(fù)值,主要由于建設(shè)用地對生態(tài)服務(wù)價值的影響最小。
表4 韶山市1985—2020年遙相關(guān)影響因子
3.3.2 遙相關(guān)影響分析 通過遙相關(guān)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(tài)服務(wù)價值的遙相關(guān)影響價值表(表5)。由于數(shù)據(jù)較多,本文選取遙相關(guān)影響價值較大的前10個數(shù)據(jù)列舉。土地利用變化對周圍土地生態(tài)服務(wù)價值的遙相關(guān)影響值為4.67億元,所以1985—2020年韶山市生態(tài)服務(wù)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(zhuǎn)換為林地、草地和水體時,遙相關(guān)影響值為正,主要由于林地、草地和水體的調(diào)節(jié)服務(wù)功能對周圍土地生態(tài)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)率較大。
表5 韶山市土地利用變化與生態(tài)服務(wù)價值的遙相關(guān)影響值 106元
土地類型轉(zhuǎn)換為耕地、建設(shè)用地及未利用地時,遙相關(guān)影響值為負(fù),主要由于耕地、建設(shè)用地及未利用地的調(diào)節(jié)服務(wù)功能對周圍土地生態(tài)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)率較小。其中林地的遙相關(guān)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(zhuǎn)入林地,林地面積迅速增加,且對調(diào)節(jié)服務(wù)功能的貢獻(xiàn)率較大;建設(shè)用地的遙相關(guān)影響值最小,為-0.24億元,主要由于建設(shè)用地面積變化比較小,對調(diào)節(jié)服務(wù)功能的貢獻(xiàn)率也最小。各地類轉(zhuǎn)換的交互影響,不僅影響其本身土地的生態(tài)服務(wù)價值,還影響其周圍土地的生態(tài)服務(wù)價值,所以在規(guī)劃土地利用結(jié)構(gòu)時,應(yīng)綜合考慮各土地類型轉(zhuǎn)換的交互影響,制定合理的土地利用政策,實現(xiàn)韶山市經(jīng)濟(jì)建設(shè)與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。
(1) 通過對土地利用分析,研究期內(nèi)韶山市土地利用面積發(fā)生不同程度的變化,土地利用轉(zhuǎn)換主要集中在林地、耕地和草地之間。林地和耕地的轉(zhuǎn)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(shè)用地的土地動態(tài)度為正,耕地、水體和未利用地的土地動態(tài)度為負(fù)。說明韶山市風(fēng)景名勝區(qū)在城市擴張和景區(qū)建設(shè)等方面加大了對土地的利用,應(yīng)根據(jù)韶山市生態(tài)環(huán)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(xiàn)土地利用結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。
(2) 通過對生態(tài)服務(wù)價值分析,1985—2020年韶山市的生態(tài)服務(wù)價值由12.66億元上升到17.34億元,35 a里生態(tài)服務(wù)價值增長了4.68億元。林地的生態(tài)服務(wù)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(tài)文明建設(shè)力度的加大和“退耕還林”政策的進(jìn)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(tài)服務(wù)價值增加。表明林地是維持韶山市風(fēng)景名勝區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的關(guān)鍵所在,需加強森林資源管理,促進(jìn)森林系統(tǒng)的生態(tài)效應(yīng)的有效發(fā)揮,實現(xiàn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)建設(shè)和生態(tài)環(huán)境的和諧發(fā)展。
(3) 土地利用變化與生態(tài)服務(wù)價值的遙相關(guān)分析,研究期內(nèi)韶山市遙相關(guān)影響值為4.67億元,所以韶山市生態(tài)服務(wù)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(zhuǎn)換為林地、草地和水體時,遙相關(guān)影響值為正,轉(zhuǎn)換為耕地、建設(shè)用地及未利用地時,遙相關(guān)影響值為負(fù)。地類轉(zhuǎn)換的遙相關(guān)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(diào)節(jié)服務(wù)功能的貢獻(xiàn)率最大,為了保證研究區(qū)生態(tài)循環(huán)的健康,應(yīng)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(tài)服務(wù)價值,還影響其周圍土地的生態(tài)服務(wù)價值。所以在規(guī)劃土地結(jié)構(gòu)時,應(yīng)結(jié)合各地類轉(zhuǎn)換的交互影響,合理調(diào)整土地資源,制定適宜的土地利用政策,實現(xiàn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)與環(huán)境的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。
對于土地利用轉(zhuǎn)換對周圍土地生態(tài)服務(wù)價值的影響本文只進(jìn)行了初步的探討,還有很多問題需要進(jìn)一步的研究分析。例如,構(gòu)建土地利用變化與生態(tài)服務(wù)價值的遙相關(guān)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(zhuǎn)換復(fù)雜的疊加狀態(tài)及土地利用變化與生態(tài)服務(wù)價值的遙相關(guān)計算模型的具體驗證等。