大城市近郊区土地利用及景观格局演变对生态服务价值的影响——以成都市龙泉驿区为例

陈 丹， 蒋贵国， 邓元杰， 潘洪义

(四川师范大学西南土地资源评价与监测教育部重点实验室/四川师范大学地理与资源科学学院，四川成都 610068)

生态系统服务是指生态系统形成和所维持的人类赖以生存和发展的环境条件与效用，生态系统的结构、过程和功能直接或间接得到生命活动所需的产品和服务。具体又可分为4种不同的服务类型：供给服务、调节服务、文化服务和支持服务[1]。人类活动引起土地利用景观格局的变化，土地利用景观格局的变化改变着生态系统的结构和功能，影响生态系统提供服务的能力。1997年，Costanza等结合生态学和经济学的观点提出了各种土地生态系统生态服务价值的计算方法，并对全球的生态系统服务价值进行了量化[2]，自此，对生态系统服务价值(ESV)的研究逐渐成为热点。我国学者谢高地等修正了Costanza等的生态服务价值系数，得到了符合我国陆地生态系统情况的单位面积ESV当量表，对我国的陆地生态系统情况作出了评估[3-5]。自此以后，我国众多学者从不同角度和层次对区域ESV进行了研究，王成对我国西部城市重庆沙坪区土地利用的生态服务价值及其对土地利用景观格局变化的响应进行了研究[6]；郭伟以生态服务价值最大为目标对北京地区的土地利用景观格局进行了预测[7]；王水献等[8]和何玲等[9]分别针对焉耆盆地绿洲区和滨海地区的土地利用变化对生态服务价值的影响进行了研究；张舟等分析了生态服务价值在土地利用变化研究中的应用[10]；丁偌楠等对近40年烟台市近海土地利用变化与ESV的关系进行了研究[11]。上述研究表明，对ESV的研究不仅可以了解区域景观及其变化的特征，而且可以更好地了解该区域生态服务价值的变化。

近年来，随着社会经济的快速发展，城市化发展迅速，城镇建成区面积不断外扩，大城市近郊区城市景观不断蔓延，人类活动影响加剧，造成区域土地利用景观格局及其景观格局指数的改变，这些改变都对区域ESV产生了重要的影响。龙泉驿区作为四川省成都市的9个市辖区之一，是成都市的东部副中心和向东扩张的主要承接地，处于城市和乡村的结合部，属于大城市近郊区的快速城市化地区，土地利用和景观格局变化剧烈。鉴于此，本研究以龙泉驿区为研究区域，探究龙泉驿区土地利用变化及景观格局演变，定量分析土地利用变化对景观格局指数变化的影响、土地利用变化对龙泉驿区生态服务价值的影响以及龙泉驿区土地利用变化、景观格局指数变化对生态服务价值的影响，以期为合理配置土地资源、构建和谐人地关系并最终实现区域可持续发展提供科学参考。

1 研究区概况

龙泉驿区(地理位置：97.347 493°～108.542 570°E、26.048 141°～34.315 239°N)位于四川省成都市中心城区东部偏南，龙泉山脉及其以西，北接新都区、青白江区，东与金堂县相邻，南部与简阳市接壤。龙泉驿区地处成都平原东缘，地势东高西低，东部为龙泉山，西部为平原地区，属于中亚热带湿润气候，年均温为16.5 ℃，最冷月气温高于0 ℃(图1)。龙泉驿区总人口约91.3万人(截至2013年年底)，人口城镇化率达52.8%。龙泉驿区实现地区生产总值631.40亿元，人均地区生产总值80 526元(2012年)。龙泉驿区是成都市的副中心，同时也是成都市向东向南扩张发展的主体区域和成都市经济技术开发区所在地。以“中国水蜜桃之乡”著称的龙泉驿区，果园农业发达，且是重要的汽车制造基地，经济发展迅速，经济综合实力位居全四川所有区(县)的前十强。近年来，其作为成都市近郊区城市化快速发展的区(县)之一，土地利用动态变化剧烈，土地利用景观格局动态变化以及生态服务价值变化显著。

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源与处理

本研究的数据主要包括龙泉驿区2002、2009、2014年3期土地利用数据、3期景观格局指数数据以及部分社会经济数据。具体来源如下：

土地利用数据：(1)土地利用数据主要由遥感解译获得，遥感影像数据来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台(http：//www.gscloud.cn)，本研究采用龙泉驿区2002年的Landsat 7 ETM(129/039)影像、2009年的Landsat5 TM(129/039)影像和2014年的Landsat 8 OLI(129/039)数据影像，均为单波段的原始数据，分辨率为30 m，云量均在3%以下，影像质量良好。(2)在对遥感影像的预处理阶段，首先采用ENVI5.1遥感影像处理软件，以Landsat8 OLI影像数据为基准进行几何校正。其次进行辐射定标、大气校正、图像增强。最后采用ENVI软件监督分类中的支持向量机方法，进行人机交互解译，并参考中国科学院资源环境科学数据中心的土地利用分类标准，结合龙泉驿区实际情况，将土地利用类型分为耕地、林地、园地、水域和建设用地5类。(3)遥感影像解译精度验证阶段，首先利用91卫图助手软件获取的2002、2009、2014年3个历史时间点的Google Earth高清影像对人机交互解译的土地利用数据进行修正，接着运用ENVI软件中的Kappa系数计算得出，经过解译的3期影像精度均在0.85以上，说明解译结果符合精度要求，可以用来对龙泉驿土地利用变化进行实证研究。(4)根据龙泉驿区实地情况进行分类后处理。其中建设用地包括城镇用地、农村居民点及工矿等建设用地。接着在ArcGIS 10.2的支持下，绘制出龙泉驿区2002、2009、2014年的土地利用现状图(图2)。

景观格局指数数据：参考相关文献后[12-17]，本研究选取景观破碎度、平均斑块面积、景观多样性指数、林地破碎度指数、林地平均斑块面积、林地聚集度指数、耕地破碎度指数、耕地平均斑块面积、耕地聚集度指数来衡量龙泉驿区的景观格局。在软件Fragstats 4.2的支持下，计算得出了龙泉驿区2002、2009、2014年3个不同时期的景观格局指数。

本研究中的社会经济数据主要来源于2003—2015年的《成都市统计年鉴》。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用动态度的计算 土地利用动态度指研究区域在某段时间内某土地利用类型数量的变化情况。土地利用动态度分析以土地利用动态度来研究土地利用动态变化情况，可以反映区域土地利用/覆盖中土地利用类型的变化剧烈程度。

(1)

式中：Ri为某时间段内某一土地利用类型的动态度；Ub、Ua分别为研究时间段的初期和末期某类土地利用面积，hm2；T为研究时间段，年。

2.2.2 单位面积农田提供的食物生产服务价值的计算 由于本研究旨在分析土地利用变化对ESV的影响，故为消除农作物的价格波动对总价值的影响，本研究不考虑价格波动因素，统一选取2008年的粮食平均价格1.8元/kg作为农作物单价进行计算[18-19]。在没有人力投入的情况下，自然生态系统的经济价值是现有单位面积农田提供的食物生产服务价值的1/7[4]，结合龙泉驿区相关社会经济统计数据，由此计算出龙泉驿区农田的自然粮食产量的价值为1 806元/hm2。计算公式如下：

(2)

式中：Ea为单位面积农田生态系统提供的生产服务价值，元/hm2；i为作物的种类；n为粮食种类；mi为粮食播种面积，hm2；pi为第i种粮食作物全国平均单价，元/kg；qi为粮食单位面积产量，kg/hm2；m为粮食作物总面积，hm2。

2.2.3 ESV系数修正 本研究对龙泉驿区的ESV系数修正主要由以下3步完成：

第1步：参考谢高地等最新改进过的ESV计算方法及其制定的我国陆地生态系统单位面积ESV当量表[3]。

第2步：运用公式(2)，参考谢高地等最新研究出的我国不同省份农田生态系统生物量的因子表[3]，根据《成都市统计年鉴》的相关数据，计算得出成都市农田的自然粮食产量经济价值量。以此为基础，结合成都市龙泉驿区的实际情况，参考谢高地等提出的不同区域生态服务价值的修正参数[5]，得出四川省成都市龙泉驿区耕地、园地、林地、水域的单位面积ESV。其中，龙泉驿区的园地对应森林和草地单位面积ESV当量的均值，耕地对应农田，林地对应阔叶林，因为龙泉驿区属于中亚热带湿润性气候，地带性植被为常绿阔叶林。

第3步：修正建设用地的单位面积ESV系数。参考郑江坤等得出的密云水库集水区的不同地类单位面积ESV表[20]和该地区的ESV修正参数1.024，二者相除得到全国的建设用地单位面积ESV，再乘以四川省的ESV修正参数1.35，得到四川省建设用地生态服务价值，将此作为最新的四川省建设用地生态服务价值指标，由此得出四川省不同地类单位面积ESV表(表1)。龙泉驿区隶属于四川省成都市，可用此表进行计算。

表1 四川省不同土地利用类型的ESV系数 元/(hm2·年)

2.2.4 ESV的计算 以龙泉驿区的土地分类结果为基础，根据表1计算得出龙泉驿区2002、2009、2014年的ESV(表2)，计算公式如下：

(3)

式中：V是龙泉驿区土地ESV总值，元；Ai为第i类地类的面积，hm2；Pij为第i类地类第j种服务功能的单位面积系数，元/hm2。

2.2.5 景观破碎度的计算 破碎度指景观的破碎化程度，破碎度指数用于描述区域景观的破碎化程度与复杂性。参考前人研究成果[12，16]，可以计算出龙泉驿区区域整体及各地类的景观破碎度。计算公式如下：

Ft=(Nt-1)/Nc。

(4)

式(4)是从区域景观整体出发的。式中：Nt为景观的斑块总数，个；Nc为研究区域的总面积域最小斑块面积的比率；Ft为区域整体景观的破碎度。

Fi=(Ni-1)/Mi。

(5)

式(5)是从景观类型角度出发的。式中：Ni为第i类斑块的数量，个；Mi为第i类斑块的平均斑块面积，hm2；Fi为区域第i类斑块的破碎度。

2.2.6 Pearson相关系数分析法 Pearson相关系数计算公式如下：

(6)

式中：在计算土地利用变化与ESV相关系数时，r为土地利用变化与ESV变化的相关系数，X为土地利用变化量，Y为ESV变化量。在计算景观格局变化与ESV相关系数时，r为土地利用变化与ESV变化的相关系数，X为景观格局指数的变化量，Y为ESV变化量，N为样本量。

3 结果与分析

3.1 龙泉驿区土地利用变化

以解译的3期龙泉驿区土地利用数据为基础(图2)，借助ArcGIS中的面积统计工具，得到2002—2014年5种土地类型面积具体变化趋势(表2)。结果表明，在2002—2014年，龙泉驿区各地类之间都实现了相互转移，除水域外，各地类面积变化较明显，主要以建设用地的增加和耕地的减少、林地的增加为主。从2002年到2014年，建设用地、林地面积分别增加58.05、40.15 km2，增幅分别达95.40%、24.89%，耕地、园地分别减少52.11、41.91 km2，减少幅度分别为21.94%、50.94%。龙泉驿区建设用地的动态度为 7.95%，其增加主要由耕地的减少转化而来，这主要是由于在龙泉驿区经济的快速发展和成都市向东扩展的经济发展趋势的背景下，城市化进程加快，龙泉建筑业发展迅速，房地产开发投资快速回升，而且龙泉驿区作为国家新型工业化产业基地，工矿业发展趋势较好，乡镇土地被征用，建设用地面积呈上涨趋势[21]。林地动态度为2.07%，这主要与龙泉驿区有关部门的绿地、林地保护、退耕还林政策有关。

表2 2002—2014年龙泉驿区土地利用类型面积及其变化

3.2 龙泉驿区土地利用景观格局变化

景观格局指数高度浓缩了景观格局信息[22]，是定量描述景观格局演变及生态过程影响的重要方法[23]。本研究选取景观破碎度、板块平均面积、景观多样性指数以及林地和耕地的破碎度、平均斑块面积、聚集度指数进行分析。根据遥感解译得到的龙泉驿区2002、2009和2014年3期的土地利用现状图，运用Arcgis 10.2和Fragstats 4.2软件，计算得出上述选取的龙泉驿区土地利用景观格局的相关指数。计算结果表明，2002—2009年，龙泉驿区景观破碎度由 0.578 下降到0.172；2009—2014年，景观破碎度又上升到了0.357，但总体呈下降趋势。景观的破碎化程度降低，主要是受退耕还林等生态保护政策的影响。但耕地的破碎度指数较高，由2002年的0.410增加到2014年的0.803，龙泉山上主要发展休闲农业与果园农业，耕地用途转变，主要转变为果园，农家乐发展迅速，人类活动的影响加剧，耕地景观趋于破碎化。

3.3 龙泉驿区土地生态系统服务价值变化

根据修正后的龙泉驿区土地生态系统单位面积生态服务价值当量和2002—2014年土地利用数据，计算得到龙泉驿区2002—2014年的土地生态服务价值(表3)。结果表明，2002—2014年间龙泉驿区土地生态服务价值呈小幅下降的趋势。2002—2009年，土地生态服务价值总量基本不变。虽然随着林地面积由161.29 km2减少到145.59 km2，林地生态服务价值有所减少，但是园地面积在2002年的基础上增加了5.36%，其生态服务价值也有所增加。2009—2014年，土地生态服务价值总量由87.781亿元减少到82.986亿元，林地的生态服务价值的增量小于园地、水域、耕地和建设用地生态服务价值总和的减少量。

由表3可知，水域、园地和林地生态系统为龙泉驿区生态服务价值的主要贡献者。其中，水域生态系统在2002—2009年对生态服务价值的贡献最大，其贡献水平均处于80%以上。2002—2014年，水域面积由315.69 km2减少到 311.51 km2，其生态服务价值相应地由71.615亿元减少到70.667亿元，但是由于研究期间龙泉驿区的生态服务价值总量减少，所以水域的贡献量反而有所增加。林地的生态服务价值在研究期间先减后增，园地先增后减。2002—2009年，林地减少15.70 km2，耕地减少14.94 km2，与林地和耕地的减少相对应的是园地增加4.41 km2和建设用地增加 23.43 km2。这是因为随着成都市经济的快速发展，城区向东扩展，且随着生活水平提高，龙泉山上休闲农业快速发展，以桃树为主的果园面积增加，以满足人们的休闲娱乐。由于园地灌溉的需要，所以在研究期间水域面积无太大变化，增加2.81 km2，所以其生态服务价值量变化较小。耕地面积减少，建设用地面积增加，耕地向建设用地转移。2002—2014年间，耕地面积共减少52.11 km2，其中2002—2009年减少 14.94 km2，年均减少2.13 km2，2009—2014年减少 37.17 km2，年均减少7.43 km2；建设用地在研究期间面积扩展了58.05 km2，其中2002—2009年增加23.43 km2，年均增加3.35 km2，2009—2014年增加34.62 km2，年均增加 6.92 km2。研究表明，2009—2014年比2002—2009年的城市化进程更快，城区附近的耕地转为建设用地的速度加快，建设用地的生态价值为负，生态服务价值降低。虽然林地面积有所增加，但这并不能改变龙泉驿区生态服务价值减少的局面。

表3 龙泉驿区2002—2014年的土地生态系统服务价值

由表4可知，龙泉驿区2002—2014年土地生态系统服务价值构成状况无明显变化，2002、2009、2014年的各项生态服务价值排序情况相同，前5名分别为水文调节、气候调节、水资源供给、净化环境和生物多样性，其中，水文调节功能的生态服务价值最大。在研究期间，水文调节生态服务价值由61.39亿元减少到59.47亿元，占比由69.97%上升到 71.66%，是因为2014年生态服务价值总量减少。2002年至2009年的生态服务价值变化不明显，2009—2014年生态服务价值降低，供给、调节、支持、文化服务各项功能也相应降低，其主要原因为城市化进程使得各地类之间转移，主要是耕地向建设用地的转移。

表4 龙泉驿区2002—2014年各项生态服务价值

3.4 龙泉驿区土地利用和景观格局变化对生态系统服务价值的影响

对土地利用类型面积变化和景观格局指数作相关分析(表5)，结果表明，龙泉驿区耕地面积变化与林地聚集度指数和耕地破碎度指数呈显著负相关，表明随着人类活动影响的加剧，大量耕地趋于破碎化，这也影响了林地的聚集度，趋于分散。耕地面积增加，林地聚集度呈现下降趋势，耕地主要由林地转化而来。林地与景观多样性指数也呈显著负相关，表明龙泉驿区的林地面积变化对其土地利用景观格局影响较大。

表5 土地利用变化对景观格局变化的影响

对龙泉驿区地类面积变化与生态服务价值变化量进行分析(表6)，结果表明，水域与各项生态服务价值和总价值均呈显著正相关关系，相关系数均在0.940以上。园地与供给服务、调节服务和生态服务总价值也呈显著正相关关系。耕地与支持服务生态价值呈显著正相关关系，这与耕地的土壤保持、维持养分循环功能是分不开的。

表6 土地利用变化对生态服务价值的影响

对龙泉驿区2002—2014年土地利用景观格局指数的变化对生态服务价值的影响进行相关分析(表7)，结果表明，耕地聚集度指数对龙泉驿区生态服务价值总量呈显著正相关关系，说明耕地的聚集程度对生态服务价值总量有明显影响，这与龙泉驿区耕地总量大也有紧密的关系，虽然龙泉驿区耕地总量在2002—2014年有明显减少，但截至2014年，耕地总量还是在所有地类中保持21.61%的占有量。相反地，耕地破碎度指数与供给服务的生态服务价值呈显著负相关关系。由此，应切实保护耕地的完整性，保障耕地的聚集度，尽量避免因人为活动的影响而导致耕地聚集度指数的降低。

4 结论与讨论

本研究以龙泉驿区为例，探讨了大城市近郊区土地利用变化及景观格局变化对生态服务价值的影响，结果表明：(1)龙泉驿区土地生态服务价值总体呈下降趋势，这主要是由于土地利用变化及景观格局的变化。(2)2002—2009年，龙泉驿区景观破碎度处于下降趋势，说明在此期间政府的退耕还林政策效果显著； 2009—2014年，景观破碎度又上升，这主要是由于人类活动影响的加剧，大量耕地趋于破碎化。在各单项生态服务价值中，水域、林地、园地对生态服务总价值的贡献较大，大城市近郊区在快速城市化的今天，也要保护水域、林地、园地面积在土地总面积中的相对份额不变，保证土地的生态服务总价值不下降，使土地得以可持续利用。水域和园地与生态服务价值呈正相关，由此应保护水域和园地，避免二者向其他地类的转移。在龙泉驿区，园地主要在龙泉山上，龙泉驿区在发展休闲农业的同时，也要注意规范游客的行为，避免肆意破坏果园的行为发生。(3)相关分析表明，景观破碎度与生态服务价值呈负相关。土地的开发速度与方式对土地生态服务价值的影响大，特别是对于龙泉驿区这样处于大城市近郊区的地区来说。当下，城镇化快速发展，由于人口城镇化的发展，城市土地向外围扩展的速度加快，人类活动对土地景观格局的影响加大，土地景观趋于破碎化，土地的生态服务总价值下降。在成都市东扩的总体规划中，应严格执行生态守护的控制规划，保护城市近郊区特别是东部屏障龙泉山的生态环境。实行责任制度，将好山好水与政府、企业的责任挂钩，建立惩罚机制。

表7 景观格局变化对生态服务价值的影响

本研究采用了最新改进的谢高地等的研究成果[3]，即采用改进后的基于单位面积价值当量因子的生态系统服务价值化的方法，在对建设用地的ESV系数进行修正时，明确了建设用地的生态服务价值系数不等于0，但是在前期进行土地利用分类时，由于数据获取的限制，遥感影像数据的分辨率只能达到30 m，这对后期得到的ESV结果的精度有一定影响，且社会经济数据时间跨度较短，这对研究结果有一定影响。