王 杉 呂寅超 林靜雅 王麗萍 朱 穎

1 蘇州科技大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院 江蘇蘇州 215011 2 蘇州園林設(shè)計(jì)院有限公司 江蘇蘇州 215000

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、 功能以及經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間發(fā)展所形成的維持人類賴以生存的環(huán)境條件和效用[1]， 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(ecosystem service value， ESV) 評(píng)估不僅能夠定量掌握生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展變化， 更有利于生態(tài)環(huán)境資源的合理優(yōu)化和配置[2-3]。 土地利用是人類改造自然的主要方式， 土地利用變化能夠影響或改變生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能， 從而導(dǎo)致ESV 的變化， 進(jìn)而影響區(qū)域生態(tài)健康。 由此， 基于土地利用視角， 定量評(píng)估ESV 成為相關(guān)學(xué)科關(guān)注的熱點(diǎn)。 學(xué)者們針對(duì)城市[4-7]、 湖泊濕地[8-11]、 森林[12-13]、 流域[14-15]等不同生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了生態(tài)服務(wù)價(jià)值的評(píng)估， 在此過程中生態(tài)與經(jīng)濟(jì)相結(jié)合的新經(jīng)濟(jì)范式[16]為地區(qū)可持續(xù)發(fā)展提供了可靠的科學(xué)依據(jù)。

本文以蘇州游湖地區(qū)為研究對(duì)象， 運(yùn)用土地動(dòng)態(tài)度、 ESV 評(píng)價(jià)和流向模型探究2005—2015 年土地利用變化對(duì)ESV 的影響。 研究結(jié)果不僅為蘇州游湖地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)， 也為相似區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)與建設(shè)提供決策支持。

1 研究區(qū)概況

蘇州游湖區(qū)域位于蘇州高新區(qū)鎮(zhèn)湖街道(31°19′12″—31°19′34″N， 120°21′1″—120°22′4″E)，與太湖水貫通相連， 總面積為1 472.8 hm2， 是蘇州市水系與太湖交匯的關(guān)鍵地帶， 孕育了多種類型的濕地， 也是蘇州物種資源最為豐富的地區(qū)之一。 2006 年之前， 圍墾后成為蘇州重要的水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)， 受地區(qū)快速城鎮(zhèn)化影響， 本地區(qū)建設(shè)用地規(guī)模不斷擴(kuò)大。 為保護(hù)本地區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和物種多樣性， 2006 年在游湖地區(qū)核心地帶進(jìn)行了太湖濕地公園的建設(shè)， 實(shí)施濕地生態(tài)保護(hù)與修復(fù)。 游湖區(qū)域周圍有近10 個(gè)行政村， 常住人口2 萬人， 城市化水平為75.8%。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T 21010-2017)， 結(jié)合蘇州市土地利用特點(diǎn)，將研究區(qū)土地利用類型分為8 類， 即， 耕地(水田、 水澆地和旱地)、 林地、 草地、 水域、 濕地、住宅用地、 建設(shè)用地(鎮(zhèn)村道路、 工業(yè)用地、 公共服務(wù)用地、 風(fēng)景名勝及其他特殊用地等) 及其他用地(田坎、 設(shè)施農(nóng)用地等)。

土地利用數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云(http:/ /www.gscloud.cn/)， 以2005 年、 2015 年的Landsat 7 TM 數(shù)據(jù)為遙感數(shù)據(jù)源， 空間分辨率為30 m， 提取2 個(gè)時(shí)期各用地類型分布信息， 經(jīng)過大氣校正、幾何校正， 將影像附統(tǒng)一投影坐標(biāo)信息: GCS＿WGS＿1984。 利用ENVI4.5， 通過監(jiān)督分類法進(jìn)行解譯， 并在ArcGis10.2 中進(jìn)行專題圖制作， 相關(guān)空間數(shù)據(jù) (面積、 斑塊數(shù)) 的計(jì)算主要通過ArcGis10.2 中的字段計(jì)算器工具和地理查詢工具實(shí)現(xiàn)， 以此獲得蘇州游湖區(qū)域2005 年和2015 年的土地利用變化數(shù)據(jù)。

ESV 的核算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)涉及該地區(qū)的社會(huì)、 經(jīng)濟(jì)以及土地利用等相關(guān)數(shù)據(jù)。 本研究中涉及的社會(huì)、 經(jīng)濟(jì)等數(shù)據(jù)主要來源《蘇州統(tǒng)計(jì)年鑒2005—2015》、 《江蘇統(tǒng)計(jì)年鑒2005—2015》 和《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒2005—2015》 等。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用動(dòng)態(tài)度

土地利用動(dòng)態(tài)度(K) 能夠表述某一時(shí)間范圍內(nèi)不同土地利用類型變化的速度[17]， 通常用來分析土地利用變化差異、 并預(yù)測(cè)土地利用變化的發(fā)展趨勢(shì)[18]， 計(jì)算公式如式(1):

式(1) 中:K為某特定時(shí)間范圍內(nèi)單一土地利用類型的土地利用動(dòng)態(tài)度；Ua為研究初期土地利用類型的數(shù)量；Ub為研究末期土地利用類型的數(shù)量；T為時(shí)間范圍， 當(dāng)時(shí)間單位為年，K就指研究區(qū)內(nèi)單一土地利用類型數(shù)量變化的年變化率。

2.2.2 土地利用變化趨勢(shì)和狀態(tài)指數(shù)

本文運(yùn)用土地利用變化趨勢(shì)和狀態(tài)指數(shù)反映游湖地區(qū)土地利用整體變化趨勢(shì)和狀態(tài)， 計(jì)算公式如式(2):

式(2) 中:Pt為區(qū)域內(nèi)土地利用變化趨勢(shì)和狀態(tài)指數(shù)； ΔUin-i代表第i類土地利用類型最終轉(zhuǎn)入面積(hm2)； ΔUout-i代表第i類土地利用類型最終轉(zhuǎn)出面積(hm2)。 當(dāng)0≤Pt≤0.25 時(shí)， 處于平衡狀態(tài)； 當(dāng)0.25＜Pt≤0.50 時(shí)， 處于準(zhǔn)平衡狀態(tài)； 當(dāng)0.50 ＜Pt≤0.75 時(shí)， 處于不平衡狀態(tài)；當(dāng)0.75＜Pt≤1 時(shí)， 處于極端平衡狀態(tài)[19]。

2.2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)

參照謝高地等[20]提出的ESV 當(dāng)量因子表， 以及蘇州游湖區(qū)域的社會(huì)、 經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)資料， 蘇州市2005—2015 年平均糧食產(chǎn)量為7 001.91 kg/hm2。考慮到糧食產(chǎn)物價(jià)格的偏差， 為使數(shù)據(jù)更為合理，參考相關(guān)文獻(xiàn)[21]， 統(tǒng)一按2005 年(全國(guó)糧食單價(jià)平均價(jià)格為1.26 元/kg[22]) 的價(jià)格計(jì)算， 得到蘇州游湖區(qū)域單個(gè)ESV 當(dāng)量因子的經(jīng)濟(jì)價(jià)值為1 260.34 元。 為了符合具體數(shù)值計(jì)算， 林地參照森林、 耕地參照農(nóng)田、 水域參照水體、 其他用地作為未利用地參照荒漠進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算， 建設(shè)用地和住宅用地的ESV 為0， 不列入表內(nèi)， 最終得出蘇州游湖區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)(VC) (表1)。

表1 蘇州游湖地區(qū)不同土地利用類型單位面積的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù) 元·hm-2·a-1

2.2.4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值

根據(jù)研究區(qū)各類土地生態(tài)系統(tǒng)及單位面積價(jià)值， 計(jì)算出研究區(qū)總ESV， 計(jì)算公式如式(3):

式(3) 中: ESV 代表生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總量(元)；Ai代表第i 種土地利用類型的面積(hm2)；VCij代表第i種土地利用類型第j種ESV系數(shù)(元·hm-2·a-1)；i為土地利用類型，j為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的類型。

2.2.5 敏感性指數(shù)分析

本文運(yùn)用敏感性指數(shù)CS( Coefficient sensitivity ) 分析模型， 對(duì)ESV 系數(shù)上下調(diào)整50%后， 計(jì)算ESV 對(duì)生態(tài)價(jià)值系數(shù)變化的響應(yīng)， 以此獲得ESV 對(duì)生態(tài)價(jià)值系數(shù)的依賴程度， 計(jì)算公式如式(4):

式(4) 中:CS為敏感性指數(shù)；VC為生態(tài)價(jià)值系數(shù)；i和j分別為原始價(jià)值和生態(tài)價(jià)值系數(shù)調(diào)整后價(jià)值；k為某種土地利用類型。 若CS＞1， 說明ESV 對(duì)于VC來說富有彈性， ESV 對(duì)VC敏感；若CS＜1， 說明ESV 相對(duì)VC缺乏彈性， ESV 對(duì)VC不敏感。 敏感性指數(shù)越大， 代表生態(tài)價(jià)值系數(shù)對(duì)總ESV 變化具有關(guān)鍵作用。

2.2.6 流向性分析

為了反映土地利用類型轉(zhuǎn)移對(duì)其ESV 損益情況的作用及影響， 本文采用流向性分析模型對(duì)ESV 進(jìn)行有效性分析， 計(jì)算公式如式(5):

式(5) 中:PLij為原第i類土地利用類型轉(zhuǎn)移為最終第j類土地利用類型后生態(tài)服務(wù)價(jià)值的損益情況(萬元)；VCi、VCj分別為第i類、 第j類土地利用類型的生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)；Aij為第i類土地利用類型轉(zhuǎn)移為第j類土地利用類型的面積(hm2)。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用時(shí)空動(dòng)態(tài)變化

3.1.1 土地利用動(dòng)態(tài)變化

根據(jù)2005—2015 年蘇州游湖區(qū)域土地利用類型變化結(jié)果(表2)， 濕地和水域是蘇州游湖區(qū)域最主要的土地利用方式， 兩個(gè)時(shí)期均近或超過總面積的1/4 以上。 濕地和水域面積分別增長(zhǎng)了2.05%、 4.79%； 建設(shè)用地面積增長(zhǎng)顯著， 增長(zhǎng)了18.19%； 面積變化量最大的是耕地， 10 年間減少了51.3 hm2， 減少了16.25%； 林地、 草地等占比較低， 其變化率不做重點(diǎn)考慮。

表2 2005—2015 年蘇州游湖區(qū)域各土地類型的動(dòng)態(tài)變化統(tǒng)計(jì)表

3.1.2 土地利用空間變化

從游湖區(qū)域2005—2015 年的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(表3) 看: 耕地面積轉(zhuǎn)出最多， 轉(zhuǎn)移為建設(shè)用地、 水域和住宅用地， 轉(zhuǎn)移量分別為17.50 hm2、12.85 hm2和12.83 hm2； 少量的草地和水域轉(zhuǎn)換為耕地； 建設(shè)用地所增加的面積中， 85%源于耕地的轉(zhuǎn)移， 而建設(shè)用地僅有0.5 hm2轉(zhuǎn)換為濕地；住宅用地面積的增加全部來源于耕地的轉(zhuǎn)移， 同時(shí)有部分居住用地轉(zhuǎn)移為濕地和建設(shè)用地； 水域增加的面積主要由耕地、 草地和其他用地轉(zhuǎn)移而來， 分別貢獻(xiàn)了12.85 hm2、 3.14 hm2和3.15 hm2，少量的水域轉(zhuǎn)移成濕地和耕地。 2005 年之后， 游湖地區(qū)水域、 濕地面積增加的同時(shí)伴隨著耕地面積的減少， 而建設(shè)用地的增長(zhǎng)較為明顯。

表3 2005—2015 年蘇州游湖區(qū)域土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 hm2

通過公式(2) 運(yùn)算結(jié)果可知， 2005—2015年區(qū)域內(nèi)土地利用變化狀態(tài)指數(shù)和整體趨勢(shì)(Pt) 值為0.68， 表明蘇州游湖區(qū)域10 年間各類土地轉(zhuǎn)換趨勢(shì)屬于不平衡狀態(tài)， 主要體現(xiàn)在耕地和草地向水域、 建設(shè)用地、 住宅用地轉(zhuǎn)移。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值

3.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值估算

研究時(shí)段內(nèi)， 游湖地區(qū)耕地、 林地和草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量呈不同程度減少(表4)。 耕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值減少了16.2%； 草地減少最多，達(dá)到27.6%； 濕地與水域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值均呈增長(zhǎng)狀態(tài)， 年變化率分別為0.20%和0.48%， 但在2005 年、 2015 年， 濕地與水域價(jià)值量均超過ESV 總量的94.0%以上， 說明二者是蘇州游湖地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的主要來源。 從整體上看，水域和濕地對(duì)蘇州游湖區(qū)域的發(fā)展具有重要意義，也在一定程度上反映了本地區(qū)濕地保護(hù)建設(shè)的成效。

表4 2005—2015 年蘇州游湖區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值及其變化

蘇州游湖地區(qū)ESV 從2005—2015 年凈增加了2.1%， 增長(zhǎng)幅度較為緩慢， 但呈現(xiàn)出良好的趨勢(shì)。 結(jié)合本研究區(qū)在研究時(shí)段內(nèi)土地利用類型的動(dòng)態(tài)變化可知， 年變化率較大的耕地、 草地沒有導(dǎo)致總體ESV 的減少； 建設(shè)用地的增加對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響沒有凸顯， 但若對(duì)建設(shè)用地規(guī)模及土地轉(zhuǎn)換速率缺乏控制， 必將會(huì)影響本地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值和健康發(fā)展。

3.2.2 敏感性分析

通過公式 (4) 對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)(VC) 上下調(diào)整50%， 計(jì)算得到蘇州游湖區(qū)域2005 年和2015 年的敏感度指數(shù)(CS)。 結(jié)果(表5) 表明， 各類型土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的敏感度指數(shù)均小于1， 說明蘇州游湖區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值缺乏彈性， 即ESV 對(duì)VC 不敏感， 采用的生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)對(duì)地區(qū)生態(tài)服務(wù)價(jià)值影響不大，選用的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)合理、 結(jié)果可靠。

表5 2005—2015 年蘇州游湖區(qū)域生態(tài)服務(wù)價(jià)值敏感度指數(shù)(CS)

3.2.3 流向性分析

運(yùn)用公式(5) 獲得游湖地區(qū)土地利用類型變化的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值損益。 由表6 可知，2005—2015 年， 蘇州游湖地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值增加， 主要源于耕地、 草地和其他用地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值流向了水域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值， 三者占據(jù)總體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的95%。 耕地轉(zhuǎn)為水域產(chǎn)生最高的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值， 增長(zhǎng)幅度達(dá)63.25%； 其次耕地及其他用地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值流向濕地， 也為本地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值的增加起到了一定的作用； 草地和其他用地轉(zhuǎn)移為水域， 減少了水域轉(zhuǎn)為其他用地土地類型帶來的經(jīng)濟(jì)損失； 水域的價(jià)值轉(zhuǎn)移為耕地和濕地， 損益情況基本持平。

表6 2005—2015 年蘇州游湖區(qū)域土地利用變化的生態(tài)服務(wù)價(jià)值流向分析 萬元

由表6 還可看出， 各類土地利用類型的轉(zhuǎn)移最終并不是都有利于ESV 增加方向， 部分耕地、草地、 水域面積的減少， 造成價(jià)值負(fù)向流失， 因此本地區(qū)需加強(qiáng)對(duì)水域、 濕地、 耕地和草地的保護(hù)， 促使地區(qū)生態(tài)服務(wù)價(jià)值增長(zhǎng)。

4 討論

本研究中ESV 評(píng)估多采用Costanza 等[2]提供的價(jià)值系數(shù)或謝高地等[20]優(yōu)化的價(jià)值系數(shù)， 其中，土地面積指標(biāo)具有關(guān)鍵作用， 土地利用變化與ESV緊密相關(guān)， 影響土地利用變化的各類因素也影響區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。 通過價(jià)值系數(shù)的方法雖然只能獲得相對(duì)靜態(tài)的ESV 價(jià)值， 但是其變化趨勢(shì)能夠?qū)Φ貐^(qū)生態(tài)保護(hù)決策提供依據(jù)[23-24]。

蘇州游湖地區(qū)2005—2015 年土地利用變化明顯受城鎮(zhèn)化快速發(fā)展及生態(tài)保護(hù)等兩種作用力的推動(dòng)。 研究時(shí)段內(nèi)， 游湖地區(qū)各地類中， 建設(shè)用地的增長(zhǎng)和耕地面積的減少， 在一定程度上減緩了地區(qū)總ESV 的提升， 但濕地與水域的緩慢增加， 依然促進(jìn)了地區(qū)ESV 的增長(zhǎng)。 由此也說明濕地和水域是促進(jìn)游湖地區(qū)ESV 提升的關(guān)鍵地類， 同時(shí)也表明“退田還湖” “退田還濕” 等生態(tài)保護(hù)工程的實(shí)施對(duì)于提高ESV 具有積極的促進(jìn)作用， 這與朱穎等[25]對(duì)太湖流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值研究結(jié)果具有一致性。 由于濕地或水域生態(tài)修復(fù)具有長(zhǎng)期性、 復(fù)雜性， 其生態(tài)功能的發(fā)揮仍需進(jìn)一步關(guān)注。

5 結(jié)論

1) 蘇州游湖區(qū)域在2005—2015 年土地利用變化較為明顯。 10 年間， 耕地、 草地、 林地面積減少， 尤其是耕地面積減少明顯； 水域、 濕地、建設(shè)用地面積呈增長(zhǎng)狀態(tài)， 尤其是建設(shè)用地面積增長(zhǎng)明顯； 住宅用地和其他用地也呈增長(zhǎng)狀態(tài)。

2) 研究時(shí)段內(nèi)， 本地區(qū)各類土地轉(zhuǎn)換趨勢(shì)屬于不平衡狀態(tài)。 耕地大部分轉(zhuǎn)移為建設(shè)用地、 水域和住宅用地； 建設(shè)用地增加的85%、 全部增加的住宅用地均來源于耕地的轉(zhuǎn)移； 水域增加的面積主要由耕地、 草地和其他用地轉(zhuǎn)移而來。 2005年之后， 隨著太湖濕地公園的建設(shè)， 水域、 濕地面積增加的同時(shí)伴隨耕地面積的減少， 此時(shí)建設(shè)用地的呈現(xiàn)較為明顯的增長(zhǎng)。

3) 研究時(shí)段內(nèi)， 蘇州游湖地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值增加主要是因?yàn)楦亍?草地和其他用地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值流向了水域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。蘇州游湖地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值(ESV) 凈增加了2.1%， 年變化率較大的耕地、 草地以及建設(shè)用地對(duì)本地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值的影響不明顯。

4) 研究時(shí)段內(nèi)， 濕地和水域是蘇州游湖區(qū)域最主要的土地利用方式。 蘇州游湖地區(qū)總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值隨著濕地、 水域面積的增長(zhǎng)而提升。