基于土地利用变化的粤港澳大湾区生态系统服务价值预测研究

许译方，周永杰 ，何煜然邝红艳杨大勇

1.生态环境部华南环境科学研究所，广州 510535

2.普渡大学健康与人类科学学院，印第安纳州 47906

0 前言

生态系统服务(Ecological Services)是指人类通过生态系统的结构、功能和过程直接或间接地得到的产品和服务[1-2]，支撑着人类社会的发展和进步。但是，随着快速的工业化和城镇化，土地利用结构发生了剧烈变化，致使生态系统服务功能受到损害和削弱[3]。Westman 首先提出“Nature’s services”的概念及其价值评估问题，Costanza等人在《Nature》发表的文章使生态系统服务价值评估研究成为热点，而 2001年启动的千禧年生态系统评估项目(Millennium Ecosystem Assessment)进一步探讨了生态系统及其服务的驱动因素和对人类福祉的影响[4]，生态系统服务价值已成为当前生态学、资源经济学、环境经济学以及生态经济学的交叉前沿领域[5]。随着GIS、RS等技术的发展及其在生态系统服务价值分析中的广泛应用，生态系统服务价值动态变化的研究已成为当前研究趋势之一[6]。因此，认识土地利用对生态系统服务价值的影响，可以从土地利用规划的角度，为决策者制定生态保护规划与管理制度提供可靠参考和依据。

本文以粤港澳大湾区城市群为研究区域，利用遥感影像计算其 2000—2015年的土地利用类型构成和转移矩阵，并通过马尔科夫链预测2025年的土地利用结构，同时在此基础上分析其生态服务价值的变化，预测研究区 2025年的生态系统服务价值变化，揭示了土地利用与生态系统服务价值变化的联动关系，为粤港澳大湾区城市群制定生态安全管控政策提供分析决策依据，以期为促进区域土地资源合理利用和生态环境保护提供理论支撑。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

粤港澳大湾区城市群由广州、深圳、珠海、佛山、东莞、中山、惠州、江门、肇庆9个地级市和香港、澳门两个特别行政区组成，地处珠江下游，位于北纬 21 °—25 °，东经 111°—116 °之间，区域国土面积约5.6万km2，是继美国纽约湾区、旧金山湾区、日本东京湾区之后，世界第四大湾区。区域气候属于南亚热带的海洋性季风气候，年均温 22 ℃左右，夏季多雨且台风频繁，冬季冷暖变化无常。2017年末常住人口约6956.93万人，地区生产总值为10.18万亿元，折合美元1.6万亿元，位列四大湾区第二位，仅次于东京湾区的1.8万亿美元。

1.2 数据来源

本研究采用的数据来源于美国国家航空航天局(https://earthdata.nasa.gov/)提供的Landsat TM/ETM+遥感数据，选择2000、2005、2010和2015共4个时间点(表1)，经过大气校正、正射校正和几何校正等预处理后，根据 IPCC土地覆被类型的分类原则，采用面向对象分类的方法，结合人工和自动识别，实现土地利用类型分类。

图1 粤港澳大湾区地理位置图Figure 1 The location map of Guangdong-Hongkong-Macau Greater Bay Area

由于受到自然环境和波谱的相互影响，从传感器的光谱信号提取的地表信息存在不确定性，因此遥感分类的精度评价是极其重要的环节。精度评价一般采用定量评价，评价指标主要有总体分类精度、用户精度和Kappa系数等。

在研究区内随机抽取了 300个检查点，利用Google Earth不同年份的高分辨率影像进行精度评价，总体分类精度为 93.83%，Kappa 系数为 0.9472，满足本研究分类精度要求。其中水域的用户精度最高，达到 100%，其次是建设用地(95.49%)，未利用地的用户精度最低，主要被误分为草地。

1.3 研究方法

1.3.1 马尔科夫链在土地利用预测中的方法原理

马尔科夫链是一种特殊的随机运动过程，一个运动系统在t+1时刻的状态和t时刻的状态有关，而与以前的状态无关，这点用于土地利用格局变化是合适的[7]。

用Pij表示已知在时刻tn系统所处的状态Ii的条件下，在时刻tn+1系统所处的状态Ij的条件概率，称Pij为转移概率[8]。

现有土地利用类型Ii(i=1，2，…，n)的取值(面积)S(1)，S(2)，…，S(n-1)，S(n)，其中令S(n)=ai的条件下，转变到土地利用类型Ij(j=1，2，…，n)的取值S(n+1)=aj的条件概率为:Pij=P[S(n+1)=aj/S(1)，S(2)，…，S(n-1)，S(n)=ai]=P[S(n+1)=aj/S(n)=ai]。式中，Pij则为各地类的转变概率[9]。

假设预测的土地利用类型可能处于Ii(i=1，2，…，n)的取值Si(i=1，2，…，n)，而且每次只能处于一种状态，那么每一种状态都具有n个转向(包括转向自身)即I1→I1，I1→I2，…，I1→In其转变概率P(I1→I1)=P(S1/S1)，P(I1→I2)=P(S2/S1)，…，P(I1→Ij)=P(Sj/S1)，…，P(I1→In)=P(Sn/S1)。令P(Ii→Ij)=Pij，则可得到以下转变概率矩阵:

式(1)中:0≤Pij≤1，且有即式中每个元素非负且各行元素之和等于1。

用Pij表示由土地类型Ii经过m阶转变后到达地类Ij的转变概率，可知马尔科夫链的高阶土地类型面积转变概率矩阵:

1.3.2 生态系统服务价值测算方法

联合国发起的千年生态系统评估(MA)将生态系统服务归纳为供给服务、调节服务、文化服务和支持服务4个功能类别[10]。本研究采用Costanza等[11]提出的模型计算研究区的生态系统服务价值。

式(2)中:ESV为生态系统服务价值；Ak为土地利用类型k面积(hm2)；VCk为土地利用类型k单位面积的生态价值系数。

2 土地利用变化和预测

2.1 土地利用变化

通过统计解译后的遥感影像数据，粤港澳大湾区城市群土地利用类型以林地为主。2015年，林地面积约为31250.17 km2，占区域总面积的56.82%，16年间减少1505.24 km2，主要分布在罗浮山、鼎湖山和古兜山构成的绿色屏障区；耕地在迅速减少，2000年面积约为 10436.72 km2，占区域总面积的18.98%，2015年面积约为 9298.03 km2，16年间减少1138.69 km2，主要分布在珠三角冲积平原地区；水域也占有较大面积，并且呈逐渐减少的趋势，2015年水域面积为4888.30 km2，占区域总面积的6.89%；建设用地主要分布在各城市的主城区，其增长较快，由 2000年 11.68%增至 2015年 16.61%，面积增长2711.25 km2；草地与未利用地分布较少。

2.2 土地利用类型转换特征

从 2000—2015年粤港澳大湾区土地利用转移矩阵来看，林地在过去16年中发生了较大变化，其中有5.46%的面积转入其它土地利用类型，面积最大的为建设用地，达到 957.39 km2，其次是转入耕地，面积为394.81km2；从水域转出情况来看，30.92%的原湿地面积流失，主要转移方向是耕地和建设用地，其中转入耕地面积为587.05 km2，占原水域面积的13.86%，转入建设用地面积为634.83 km2，占原水域面积14.99%；16年间研究区耕地一直处于下降趋势，有14.44%的耕地被转变为建设用地，面积为2087.68 km2，说明耕地的流失主要是人类的建设活动所造成的。

图2 2000—2015年粤港澳大湾区土地利用类型分布图Figure 2 The maps of land use types in Guangdong-Hongkong-Macau Greater Bay Area from 2000 to 2015

2.3 土地利用预测

运用马尔柯夫链进行预测的关键在于转移概率的确定[12]。为了检验模型预测的精度，本文以2015年的土地利用数据作为样本，并利用MPE(平均相对误差)对其进行验证。结果表明，利用马尔科夫链预测的各土地利用类型面积与实际各土地利用类型面积的平均相对误差为4.08%，结果较为可靠。

本文以 2010—2015年的各土地利用类型转换概率作为初始概率矩阵，利用2000—2015年各地类的年均转换面积得到年均转移概率矩阵(表3)，并用初始概率矩阵与年均转移概率矩阵相乘，得到最终状态矩阵(表4)，最后计算出粤港澳大湾区2025年各地类面积，其中耕地面积为10860.61 km2，林地面积为 28309.98 km2，草地面积为 1395.22 km2，水域面积为 3024.18 km2，建设用地面积为 11387.10 km2，未利用地面积为3.63 km2。

表2 2000—2015年粤港澳大湾区土地利用转移矩阵Table 2 The transition matrix of ecological system in Guangdong-Hong Kong-Macau Greater Bay Area from 2000 to 2015 km2

表3 年均转移概率矩阵Table 3 The transition probability matrix of land use types per year %

表4 最终转移概率矩阵Table 4 The ultimate transition probability matrix of land use types %

3 生态系统服务价值变化和预测

3.1 以耕地为基准的生态服务价值当量修订

生态系统服务价值核算方法主要有两种，即基于单位服务功能价格的方法和基于单位面积价值当量因子的方法[13]。本研究根据粤港澳大湾区的实际情况，采用谢高地[14]提出的生态服务价值当量表进行核算，并根据徐丽芬等[15]提出的方法以耕地为基准对当量表进行修订。

2015年粤港澳大湾区和全国的耕地单位面积粮食产量分别为5.25吨每公顷和5.48吨每公顷，得到生态服务当量的地区修订系数为0.96。根据广东华南粮食交易中心华南粮网统计的2015年末粮食采购价格为 2939.7元每吨，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耕地提供的食物生产服务经济价值的 1/7[16]，计算出粤港澳大湾区 1个生态服务价值量因子的经济价值量为 2204.00元·hm-2，最终得到研究区不同生态系统单位面积的生态服务价值(表5)。

3.2 生态系统服务价值变化分析

从 2000—2025年粤港澳大湾区生态系统服务价值(图3)来看，整体呈现逐渐下降趋势，36年间共减少755.98亿元，其中，时间序列2015—2020年的下降速度最快，共减少487.37亿元。从各个生态系统类型的服务价值来看，林地和湿地的价值占总价值的 95%以上，其次是耕地；林地和湿地的服务价值损失明显，26年间分别减少215.86和560.36亿元，主要原因是林地退化和湿地萎缩较为显著。

表5 粤港澳大湾区不同生态系统单位面积的生态服务价值Table 5 The ecological service values of the different ecological system unit area in Guangdong-Hongkong-Macau Greater Bay Area in 2015 元/(hm2·a)

图3 2000—2025年各生态系统类型服务价值Figure 3 The service values of different ecosystem types from 2000 to 2025

从空间分布格局上看，粤港澳大湾区生态系统服务价值高值区主要分布在惠州、肇庆和江门，其变化相对较小；佛山和中山部分地区因水域面积较大而成为生态系统服务价值次高值区；而珠江口其他区域因建设用地比例较高而成为生态系统服务价值低值区，其缩减量也较为明显。

4 结论与讨论

本研究以土地利用变化为基础，对粤港澳大湾区的生态系统服务价值进行研究，主要结论如下:

(1)粤港澳大湾区在城市化的进程中，主要表现为城镇建设用地的迅速增长，大量的耕地、林地转化为建设用地，从现状来看，时间序列 2010—2015年更为显著。根据马尔科夫链预测的结果，2025年城镇建设用地达到11387.10 km2。

(2)粤港澳大湾区的生态系统服务价值主要来源于林地、水域和耕地，但是由于城市发展的需要，建设用地的扩张挤压了其它地类空间，造成大量自然、半自然生态系统面积的丧失，导致 2000—2015年间生态系统服务价值整体减少 145.54亿元，到2025年整体减少755.98亿元。

综上所述，尽管城市化的过程会导致自然生态系统的面积骤减，相应的生态系统服务下降，但是通过土地利用优化与景观格局优化，可以作为提升生态系统服务价值的有效优化平台和实际操作工具[4]。从地类开发的角度，对林地和水域进行科学合理的旅游景区开发，可以提升其文化服务价值；从地类结构的角度，将不适宜耕作的区域恢复成林地或滩涂，不仅可以有效防止水土流失，同时也有利于提升生态系统服务价值。