快速城镇化对杭州湾南岸慈溪市土地利用及生态系统服务价值的影响

黄日鹏，李加林†，段义斌，冯佰香，何改丽

(1.宁波大学地理与空间信息技术系，315211, 浙江宁波；2.浙江省海洋文化与经济研究中心，315211，浙江宁波；3.宁海县发展与改革局，315699，浙江宁海)

人类生存发展所需要的资源与空间环境最终来源于自然生态系统。生态系统服务功能即指通过生态系统的结构、过程和功能，从而得到生命支持的产品与服务[1-2]。R. Costanza等[3]在前人研究的基础上，对全球16种生物类群的17种生态系统的公益价值进行估算并绘制全球生态系统的平均公益价值表。谢高地等[4]基于文献调研、专家知识、统计资料和遥感监测等数据源，通过模型运算和地理信息空间分析等方法，制定出中国生态系统服务价值当量因子表，在土地利用变化研究方面[5-8]得到广泛的应用。近几十年来，国内外学者都对生态系统服务功能研究非常重视，其已然成为生态科学研究上的热点与前沿。

随着人类社会经济的快速发展，城乡建设用地不断扩展，大量占用其他用地，尽管带来较大的经济效益，但也导致水土资源流失、生态系统服务价值下降等问题。从长远来看，这可能会影响城镇水土保持平衡与区域社会经济的可持续发展。不少学者对这方面已经做了相当深入细致的研究：张修峰等[9]以肇庆仙女湖为例，评估城市湖泊退化过程中水生态系统服务价值；岳书平等[10]从土地利用变化的角度出发，选取东北样带为研究区，运用GIS和遥感技术分析近30年来不同类型区土地利用变化对生态系统服务价值的影响；李屹峰等[11]采用空间显式的生态系统服务功能评估软件InVEST中的“产水量”“土壤保持”“水质净化” 模型，研究流域土地利用变化对生态系统服务功能的影响；曾杰等[12]采用相关分析方法分析武汉城市圈不同地域的时序变化与空间分异特征，探讨武汉城市圈生态系统服务价值与不同土地利用类型变化之间的关联特征。但目前仍少有专门针对快速城镇化所导致的生态系统服务功能变化研究[13]。笔者选取位于杭州湾南岸社会经济发展水平较高、城镇化速度较快的慈溪市作为研究区，对快速城镇化影响下的生态服务价值变化展开研究，以期为城镇化建设及区域生态系统服务功能保育提供科学依据。

图1 研究区示意图Fig.1 Schematic diagram of the study area

1 研究区概况

杭州湾位于中国浙江省东北部，西起浙江海盐县澉浦镇和上虞区之间的曹娥江收闸断面，东至扬子角到镇海角连线，与舟山、北仑港海域为邻。杭州湾地处北亚热带南缘，属季风型气候，四季分明，冬夏稍长，春秋略短。平均年日照时间2 038 h，年日照比例为47%。年平均气温16 ℃，雨量充足，年平均降水量1 272.8 mm，平均年径流总量5.122亿m3，降水高峰月为9月，平均占全年降水量的14%。冬季盛行西北至北风，夏季盛行东到东南风，全年以东风为主，100年内未发生大的自然灾害。慈溪市位于杭州湾南岸，是长江三角洲经济带沪、杭、甬经济金三角的中心地带，区位和交通优势十分明显。在杭州湾大桥及舟山跨海大桥的建成通车后，其区域优势更加明显。慈溪是2017年全国中小城市综合实力百强县市第5名。2017年12月，当选中国工业百强县。

2 研究方法

2.1 数据来源及土地分类

本研究数据主要来源于慈溪市2005、2010和2015年3期Landsat TM/OLI遥感影像，轨道号为118-39。采用ENVI5.2遥感影像处理软件对遥感数据进行大气校正、几何精校正、假彩色合成和图像拼接等数据预处理，然后运用慈溪市域界线进行影像裁剪，得到研究区影像数据。再对研究区3期遥感影像进行土地利用类型的目视解译和人机交互解译，得到不同时期的土地利用数据，3年解译精度均超过0.9，符合研究判别的精度要求。根据GB/T 21010—2017《土地利用现状分类》，结合研究区实际情况，将研究区分为建设用地、水田、旱地、水体、林地、滩地、未利用地7个大类。

2.2 土地利用动态度和利用强度

为较为直观的反映出土地利用类型变化的程度与速度，笔者采用土地利用类型动态度[14]来描述土地类型的变化速度与程度。

土地利用强度能够显示出土地利用的广度和深度，不仅反映了土地利用中土地本身的自然属性，而且反映人类因素与自然环境因素的综合效应。笔者根据王秀兰等[15]提出的土地利用程度的综合分析方法，将土地利用程度按照土地自然综合体在社会因素影响下的自然平衡状态分为若干等级, 不同等级赋予不同指数(表1)[16]。

表1 土地利用强度分级表

2.3 生态系统服务价值

近些年来，我国研究者基于我国的现实情况，提出适用于我国研究的价值当量因子法以评估中国陆地生态系统服务价值。笔者采用谢高地等[17]的研究所得的生态系统服务价值当量因子表，将生态系统服务划分为食物生产、原料生产、水资源供给、气体调节、气候调节、净化环境、水文调节、土壤保持、维持养分循环、生物多样性和美学景观等11种服务功能，进而求得慈溪市不同生态系统单位面积的生态服务价值。根据谢高地等[17]的研究方法，将1个标准单位生态系统服务价值当量因子定义为慈溪市每hm2农田的年平均自然粮食产量的净利润量，慈溪市的粮食产量主要以谷物、豆类、薯类为主。我们以谷物、豆类、薯类3类主要粮食总产量与其相应的粮食单价来计算慈溪市农田生态系统的粮食作物总产值，粮食作物总产值除去播种面积得单位面积粮食作物产值，再考虑在没有人力投入的自然生态系统提供的经济价值是现有单位面积农田提供的食物生产服务经济价值的1/7[18]，求得慈溪市1个生态服务价值量因子的经济价值量为1 991.21元/hm2，得到慈溪市不同生态系统单位面积的生态服务价值(表2)。最后采用R. Costanza等[3]提出的生态服务价值分析模型，并加以适当修订，计算慈溪市的生态服务价值，公式如下：

ESVak=SaVCak;

(1)

(2)

(3)

式中：ESVak分别表示该年份第a类土地k项服务功能价值，元；ESVa第a类土地的生态系统服务价值，元；ESV为该地区生态系统服务总价值，元；Sa表示a类型的土地面积，hm2；VCak表示a土类第k种生态系统服务价值系数，元/hm2。

表2 慈溪市不同土地利用类型单位面积生态服务价值

注：不同土地类型尽量与谢高地等[17]的当量因子表中二级地类相对应，林地视作针阔混交林，滩地视作湿地，未利用地视作裸地。Notes：Woodland is regarded as mixed forest of coniferous and broad leaved land， tidal flat regarded as wetland, and unused land regarded as bare land for mapping the type of land use to the 2nd grade land in the equivalent factor table by G. Xie[17]

3 结果

3.1 杭州湾南岸慈溪市土地利用时空变化特征

结合表3和图2可知，在3个时期慈溪市各土地利用空间格局情况具有较高的一致性。占地较多的土地利用类型是建筑用地、旱地、林地、滩地，而水田、水体与未利用所占面积相对较小。不同的土地类型空间分布呈带状，其中滩地分布在慈溪市外围的北部到东部，接壤杭州湾，2015年面积为225 km2，占总面积的17%。滩地以南旱地与建设用地依次分布，2015年二者合占地为776 km2，合占总面积的58%。林地主要分布于建设用地以南，面积达163 km2。水体主要以水库或坑塘的形式分布于山地与建设用地、旱地与滩地之间，少部分以河流网的形式分布于中部平坦地区；水田主要分布于山地平原接壤地、水分充足的地方；未利用地面积最少，2015年仅1.23 km2。

表3 慈溪市生态系统服务价值变化与城镇化水平、土地利用强度的关系

Notes: Ecosystem service value is abbreviated as ESV below.

图2 杭州湾南岸慈溪市2005、2010和2015年土地利用类型示意图Fig.2 Schematic diagram of land use types of Cixi county on the south shore of Hangzhou Bay in 2005, 2010, and 2015

在时间维度上，2005—2015滩地的面积急剧减少，其中2005—2010年面积减少92.94 km2，2010—2015年又减少了59.79 km2，10年年均减少15.3 km2，土地动态度达4.04%；近些年来人们大量的滩地围垦是其主要原因。同样面积减少的林地在2005—2010年减少30 km2，2010—2015年则变化不大。与此相对应，旱地和建设用地的面积都呈现不同程度的增加，其中建设用地最为明显，前5年增加了72.42 km2，后5年增加了40.53 km2，10年土地动态度达到50%。旱地前5年增加了61.27 km2,后5年反而减少了将近5 km2。水体面积平稳增长，水田呈现先减后增的波动，但无论是面积增大的地类还是面积缩减的地类，2010—2015年的土地利用变化程度普遍比2005—2010年阶段更为和缓。3年的土地利用强度分别为241、261和273。这一趋势也表明城镇化虽然持续进行，但2010—2015年速度相对放缓。这可能与产业的结构优化升级、人们保护生态的意识增强有关。

3.2 快速城镇化对慈溪市土地利用的影响

为量化分析快速城镇化对慈溪市的生态系统服务价值的影响，笔者基于3期的土地利用矢量数据，统一以2015年的海岸线为准，通过ArcGIS 10.2的空间分析功能对各年土地利用矢量数据进行叠加分析，得到3期的土地利用转移矩阵。

分析转移矩阵可知，土地利用各类型间的多向转化导致了土地利用类型面积在空间分布上的变化。在2005—2010年期间，慈溪市分别有38.28 km2旱地、13.18 km2水田、7.59 km2林地、4.94 km2水体、27.54 km2滩地、1.99 km2未利用地转换为建设用地。2010年到2015年期间又有18.93 km2旱地、1.85 km2水田、1.48 km2林地、1.95 km2水体、16.85 km2滩地、0.03 km2未利用地转换为建设用地。从中可以看出，其建设用地主要由旱地、滩地转变而来，在2005—2010年间两者转换为建设用地面积合计为65.82 km2，占新增建设用地面积的70.37%，在2010—2015年间两者转变为建设用地面积为35.78 km2，占87.05%。从2005—2015年，土地利用由水田转换为建设用地的地区主要分布于杭州湾南岸东南部的掌起镇、范市镇、三北镇与慈溪市外围。中部地区各镇每年都有少量旱地转换为建筑用地，这是中部各镇城镇化扩张的体现。北部的宁波杭州湾新区与慈东经济开发区这2个开发区周边滩地大面积的转变为建设用地。杭州湾大桥的建造使得这一地区具有显著地地理区位优势，加速了此地区城镇化的进程。

使用ArcGIS10.2软件将慈溪市土地利用类型矢量图转换为栅格图片，再采用Fragstats软件计算3个时期景观水平格局指数。结果显示：城镇化过程导致建设用地与其他土地利用类型的景观格局变化明显。在2005—2015年段，建设用地的斑块数量从713减少至685，同时，旱地、滩地的斑块数量则呈现逐年上升的趋势，这是建设用地扩张融合的同时分割旱地与滩地的结果。占地面积相对较少的林地、水田、水体斑块数量从2005—2015年都先是降低而后增加。在平均斑块面积这一指标上，10年间建设用地面积增大了56%。滩地的平均斑块面积大幅减少，2005年单个斑块平均面积为9.18 km2，2010年减少至6.29 km2，2015年仅有3.32 km2。该指数的大幅缩减是围垦滩地的结果，围垦一方面使滩地总面积大幅缩减，另一方面大的滩地斑块遭到割裂，斑块数量增加，使得滩地平均斑块面积骤减。景观边界密度能直观地反映景观或景观类型边界被割裂的程度，同时反映景观的破碎化程度。10年间，旱地、建设用地、滩地、水体的边界密度在人类活动的影响下，都有不同程度的增加，最为明显的是建筑用地与水体，分别增加了26.37%与30.5%，表明城镇化过程中建设用地的扩张使土地破碎化程度增加。

3.3 杭州湾南岸慈溪市的生态系统服务价值变化

图3 慈溪市不同土地利用类型的生态系统服务价值及其变化Fig.3 Ecosystem service value of different land use types and its changes in Cixi county

由图3可知，随着杭州湾南岸慈溪市土地利用的转变，该地区的生态系统服务总价值与构成也相应发生变化。总体而言慈溪市生态服务价值呈现下降趋势，2005年总生态服务价值达65.1亿元，2010年减少为59.6亿元，2015年又减少至55.1亿元。慈溪市各类土地地类中，滩地所具有的生态系统服务价值明显高于其他地类，2005年滩地生态系统服务价值为39.2亿元，占地面积为28.4%的滩涂占总生态系统服务价值的60.2%，可见滩地对于慈溪市大气调节、水文调节、土壤物质循环、维持生物多样性等方面的重要程度。近些年来的围垦滩涂确实带来了不少的经济利益，但在无形中也造成巨大的生态损失。如何权衡利弊，进行科学可持续的开发建设将是当下甚至于未来杭州湾南岸地区发展急需解决的问题。水体的生态服务价值量仅次于滩地。在整体生态服务价值量下降的情况下，水体的价值量不降反升，从2005年的13.2亿元到2010年的18.4亿元，上升至2015年的20.1亿元。林地与旱地紧跟其后，其原因有所不同，林地虽占地面积不算大，但单位面积价值量大，而旱地占地面积大弥补了单位面积的低价值量，两者2015年的生态系统服务价值量分别为7.53亿元和3.49亿元。水田的价值量呈现波折变化，3个时间段分别占总生态服务价值的1.1%、0.8%和1.2%。建筑用地与未利用地提供的价值量可以忽略。

从不同年份的价值变化来看，价值量最大的滩地对整体价值量的变化影响巨大。2005—2010年减少9.6亿元，2010—2015年又减少6.2亿元，10年间滩地的生态服务价值共减少15.8亿元。除滩地外变化量最大的是水体，水体生态服务价值在2005—2010年、2010—2015年分别增加5.2亿元和1.7亿元。林地生态服务价值10年间减少1.5亿元，占变化总量的14.69%。旱地与水田相对较为平稳，旱地的生态服务价值从2005年的3.0亿元到2010年的3.5亿元，增加0.5亿元，在2010—2015年又减少394万元；水田的生态服务价值2005—2010年减少0.2亿元，2010—2015年增加0.15亿元。

3.4 快速城镇化影响下的生态系统服务价值

笔者以建设用地在所有土类中所占比例作为该区域的城镇化水平指数，结合慈溪市各年的生态服务价值、土地利用强度变化分析，得到图4。结合图4和表3来看，慈溪市的生态系统服务价值量和城镇化进程、土地利用强度呈现负相关关系。在本次研究时段内，慈溪市的城镇化水平指数从2005年的17.0%升至2010年22.4%，2015年达到25.5%，呈逐年上升的趋势，年均变率0.85%。生态系统服务价值的变化趋势与此相反，2005—2010年、2010—2015年2个时期，慈溪市的生态系统服务价值分别减少5.5亿元和4.5亿元，减幅有所缩小，10年减少将近15.4%，年均达1.5%。土地利用强度10年内增加了13.3%，其中2005—2010年阶段变化最为显著，年均增加1.6%，2010—2015年年均增幅为0.9%。

图4 各时间慈溪市生态系统服务价值与城镇化 水平的关系Fig.4 Relationship between ecosystem service value and urbanization level in Cixi county at various periods

为量化分析快速城镇化对整个区域的生态系统服务价值的影响，笔者将因其他类型土地转变为建设用地而损失的生态系统服务价值视作为快速城镇化直接导致的生态系统服务价值流失量。由土地利用转移矩阵与生态系统服务价值当量表(表2)，得出表4。由表4可知：2005—2010年因快速城镇化损失的总生态系统服务价值达4.8亿元，占该时段生态系统服务价值流失的88%。2010—2015年损失量少于上个时段，但也达到2.5亿元，占55%。从2005—2015年10年内损失价值量达7.3亿元，占73%。以上数据可以说明，快速城镇化下建设用地扩张是该地区生态系统服务价值减少的主要原因。

表4 快速城镇化直接影响下的生态系统服务价值变化

建设用地对各类用地的占用，对慈溪市生态服务价值的减少有不同程度的影响。分时段而言，2005—2010年与2010—2015年2个时段建设用地所占用的各土地利用类型的面积之间比例相近，但前一时段面积数值普遍大于后一时段，即前一时段的建设用地扩张强度高于后一时段。由表4可以看出，在2个时段中，对生态系统服务价值影响最大的是建设过程中对滩地的围垦，2005—2010年和2010—2015年减少的价值量分别为2.85亿元和1.74亿元，分别占据因快速城镇化影响下总流失价值量的58.9%和70.8%。这是因为占据滩地面积大，且滩地的生态系统服务价值系数很高。同样，被侵占的水体面积虽然所占的比例不高，2个时段皆为5%；但由于其极高的生态系统服务价值，2个时段损失的生态系统服务价值也达到1.2亿元和0.5亿元，分别占25%和20%。旱地、林地生态系统服务价值所占比例都不高，原因有所不同。旱地被侵占的面积是最大的，但由于生态系统服务价值系数很低，所以流失的价值量也不高，2005—2010年减少了0.31亿元，2010—2015年减少了0.15亿元。林地的情况相反，生态服务价值系数高而面积变化不大，2个时段林地占据的面积分别为8.1%和3.6%，损失的价值量分别为0.34亿元和0.07亿元。流失价值量比重最低的地类是水田与未利用地，10年内水田转化为建设用地而损失的价值量为0.12亿元，而未利用地数值可以忽略。

4 结论与讨论

1)杭州湾南岸慈溪市近些年来的土地利用变化主要体现在滩地面积大量减少，10年减少将近40.4%，其次为林地，10年间也减少大约32 km2，滩地遭到围垦后多数转变为旱地，少量转变为水田。旱地的面积持续增长，10年共增加56 km2；建设用地面积增量最为显著，从2005—2015年年均增加11.3 km2，其中大部分由旱地、滩地转变而来，建设用地的扩张使其他用地的破碎程度增加。

2)2005—2015年10年间慈溪市生态系统服务价值持续下降，达10.02亿元，其主要的原因是滩地面积的锐减，水体的生态服务价值不降反升；慈溪市各种土地利用类型中，滩地的生态服务价值远高于其他地类，2005年滩地生态服务价值占整个慈溪市地区的60.2%，其次为水体、林地、旱地。

3)慈溪市的城镇化水平与生态系统服务价值呈负相关关系。城镇化直接影响下的建设用地扩张是生态系统服务价值流失的主要原因，10年间累积损失达7.3亿元，占总减少量的73%，且2005—2010年各类土地生态服务价值的损失量都要高于2010—2015年。价值量损失结构中，10年内因滩地转变为建设用地而损失的价值量达到4.6亿元，占62.9%，其次为被占用的水体，价值损失量占23.6%，其余土地类型影响相对较小。

4)本研究结果的误差主要可能来自以下几个方面：首先是遥感影像解译的准确率，其次在计算慈溪市单位面积的生态服务价值时所采用的慈溪市统计年鉴、各种作物的平均市场价等数据精确程度有待提高。同时，本文采用的是谢高地等[17]2015年最新修订的生态系统服务价值当量表，在准确性上有所提高；但总的来说，当前我们仍不能够认清生态系统所有的服务的价值，对生态系统服务功能价值评估的体系还未完善，存在着许多问题仍有待解决，因此结果仅为最低保守值。