粤港澳大湾区土地利用及生态系统服务价值的变化——以广佛肇为例

肖红克, 李洪忠, 王 莉, 陈劲松, 韩 宇

(1.中国科学院 深圳先进技术研究院, 广东 深圳 518055; 2.深圳海洋环境信息大数据分析与应用工程实验室,广东 深圳 518055; 3.河南理工大学 测绘与国土信息工程学院, 河南 焦作 454003)

人类的生存与发展离不开土地资源，人类生存生活环境质量的好坏和人与自然能否和谐相处都是以合理并且有效地利用土地资源为前提[1]。作为地球环境变化中最突出的表现形式，土地利用变化情况间接影响着全球气候变化、地球化学循环以及资源可再生利用等地表物质循环和生态过程[2]。进入21世纪之后，随着全球人口持续的增长和人类经济活动的快速发展，地球表面发生了深刻的变化，同时引发了环境污染、水土流失等生态方面的问题，此时人类先后开展了有关全球环境变化的研究工作[3]。基于土地利用变化背景，研究一定区域范围的生态服务价值变化对其土地利用类型变化的响应情况能够了解人类开展的经济活动对生态系统的影响，对协调人与自然之间的良好关系以及促进生态建设工作意义重大[4]。

生态系统服务是指通过生态系统的结构、过程和功能直接或间接得到的生命的支持产品和服务[5]，主要分为供给服务、调节服务和文化服务，以及维持其他类型服务所必须的支持服务，共4种类型[6]。人类的活动导致了土地利用类型的变化，一方面改变了地表的生态格局，另一方面引起了生态系统功能发生变化，从而致使生态系统所能提供的服务种类和价值大小发生了变化。对区域内的生态系统服务价值进行评估计算，已成为人类合理高效配置生态环境资源的基础[7-8]。自20世纪末期以来，以Costanza[5]、欧阳志云[9]等为代表的国内外学者对全球生态系统服务与自然资本价值估算展开了研究，在生态系统服务价值理论和评价计算方法上取得了重要进展。其中国内研究学者谢高地[10-12]等结合中国的实际情况对生态系统服务价值的评估方法进行了多次修正，得出了适合中国国情的生态系统服务价值的基础当量表，为我国区域生态系统服务价值的研究工作提供了计算的基础，并在国内得到了广泛应用[13-15]。

2019年2月随着《粤港澳大湾区发展规划纲要》的发布，广州作为四大中心发展城市之一，而佛山和肇庆同时作为重要的节点城市，三市未来的发展和联系会越来越紧密。广佛肇三市(以下简称广佛肇)人口聚集密度大、城镇化和工业化水平高，导致整体的耕地面积不断下降，人地矛盾突出，同时引发了一系列的生态问题。人类活动强度的加强导致用地结构发生了较大变化，势必会对其内部生态系统服务价值产生重大的影响。近年来已有国内相关研究学者对广州[16-19]、佛山[20-21]、肇庆[22]的土地利用变化和生态系统服务价值进行了分析，但对于广佛肇整体长时间序列、大尺度探讨土地利用变化对生态系统服务价值的影响研究较少，此外对该地区土地利用和生态系统服务价值的整体性变化特征研究也缺乏综合考虑。因此本文旨在整体性地分析广佛肇1990年、2000年、2010年、2015年的土地利用和生态服务价值变化规律，为促进该地区土地资源合理使用和生态建设工作平稳推进提供理论和方法支持，同时对推进粤港澳大湾区生态文明建设和加强环境保护具有重要的参考意义。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

广佛肇整体位于粤港澳大湾区的西北部，其地理位置为东经111°21′—114°03′，北纬22°26′—24°24′(图1)。广佛肇的陆地总面积为26 232.1 km2，约占粤港澳大湾区总面积的46.4%。西江干流在广佛肇境内流过，三市之间的河网和山脉紧密相连，使其在生态文明建设方面独具优势。广佛肇以平原、丘陵和山地地貌为主，气候属亚热带季风性湿润气候，土地肥沃，气候较温和，一年四季有充足的雨量。广佛肇经济发达并且发展迅速，尤其是广州市和佛山市在广东省乃至国家经济建设社会发展中具有重要的战略地位。2015年广佛肇共辖19个市辖区、4个县、1个县级市。常住人口约为2 446.69 万，2015年生产总值约为28 074.34 亿元[23]。

1.2 数据来源与处理

采用数据源为USGS(http:∥glovis.usgs.gov)提供的广州市、佛山市、肇庆市1990年、2000年、2010年的Landsat TM影像和2015年的Landsat OLI影像，成像时间为8—11月，分辨率为30 m。利用ENVI 5.3软件对遥感影像进行预处理并采用监督分类的方法进行目视解译，参考全国土地覆盖数据分类体系与研究区实际情况，根据具体研究目标将广佛肇的土地利用类型分为林地、草地、湿地、耕地、人工表面、其他用地6种土地利用类型，每期影像的总体分类精度在90%左右，分类结果可靠。借助于ArcGIS 10.2平台进行影像处理和空间分析计算，最终得到研究区四期土地利用分类现状图(图2)。社会经济数据依据《广东省统计年鉴》[24]和《中国统计年鉴》[25]，收集1990—2015年广佛肇粮食作物的总产量、种植面积等资料，整理后作为生态系统服务价值计算的数据源。

图1 研究区在粤港澳大湾区中的位置

图2 1990-2015年广佛肇土地利用分类

2 研究方法

2.1 土地利用类型变化动态度

单一土地利用动态度(K)是研究不同土地利用类型在一定时间段内的变化速度和幅度的常用指标，反映出人类活动对单一土地利用类型的影响情况[26]，计算公式如下：

(1)

式中：Ua,Ub为研究初期和末期某一土地利用类型的面积；T为研究时长。

2.2 土地利用变化转移矩阵

土地利用转移矩阵在土地利用变化研究中应用广泛，其可以描述各种土地利用类型相互之间的转换情况，反映出研究区域土地类型的具体流向与各种土地利用类型的转入与转出面积。利用土地利用转移矩阵能够详细地分析区域内土地利用变化的数量结构特征与各用地类型变化的方向[27]。具体数学表达形式见式(2)。

(2)

式中：S代表土地利用面积；i,j分别代表研究初期和末期的土地利用类型；n代表土地利用类型数。

2.3 生态系统服务价值评价方法

2.3.1 生态系统服务价值系数修正 本文基于谢高地等[11]修订的“中国生态系统单位面积生态系统服务价值当量”，结合广佛肇的实际情况，粮食产量的修正采用徐丽芬等[28]“以农田为基准的地区修正”方法，对当量因子表进行市域尺度修正(见公式3，4)。参考公式5得出农田生态系统单位面积所提供食物生产服务的经济价值，最终得出广佛肇修正后的生态系统服务价值系数。具体修正过程如下：依据广东省统计年鉴可以计算出广佛肇1990—2015年粮食平均产量为5 321.49 kg/hm2，根据全国的农田单位面积粮食产量得到广佛肇生态服务价值当量因子表的修正系数为1.14，最后根据华南粮网交易中心粮食价格统计数据，估算出2015年广佛肇粮食收购价格为2.69元/kg。再将广佛肇的各种土地类型与最接近的生态系统类型联系起来。其中人工表面产生的生态服务价值暂不考虑，耕地与农田对应，林地与森林对应，其他用地取荒漠的对应值，乘以单位当量生态服务价值，得到适合研究区的生态系统服务价值系数表(表1)。

(3)

式中：Q为广佛肇1 990-2015年各年单位面积平均粮食产量；Q0为全国年平均单位面积粮食产量；λ为当量因子修正系数。

Ei=λE0

(4)

式中：Ei为i类土地利用类型修正后的当量因子；E0为谢高地等确定的同类土地利用类型当量因子。

(5)

式中：Ea为1 hm2生态系统服务价值当量因子的经济价值(元/hm2)；P为广佛肇2015年粮食的平均价格(元/kg)；Q为广佛肇粮食总产量(kg)；M为广佛肇粮食种植总面积(hm2)。

表1 广佛肇不同土地利用类型的生态系统服务价值系数 元/(hm2·a)

2.3.2 生态系统服务价值计算 利用Costanza等[5]提出的生态系统服务价值分析模型计算广佛肇的生态系统服务价值和生态系统单项服务价值，其计算公式为：

ESV=∑(Ak×VCk)

(6)

ESVf=∑(Ak×VCjk)

(7)

式中：ESV表示生态系统服务价值；Ak表示研究区k种土地利用类型的面积；VCk表示生态服务功能价值系数；ESVf表示第f种类型生态系统服务功能的总价值；VCfk表示第f种类型的第k种生态系统服务功能的价值。

2.4 敏感性分析

采用敏感性指数(coefficient sensitive，CS)研究广佛肇ESV随时间的变化对于价值指数的依赖程度。敏感性指数是指生态服务价值系数变动1%引起ESV的变化情况。如果CS<1，表明ESV相对于VC是缺乏弹性的，即生态服务价值对价值系数不敏感，其准确度较高，研究结果可信；反之，如果CS>1，表明ESV相对于VC是富有弹性的，其准确度低，结果可信度低。本文将研究区各类土地利用类型的价值指数分别上下调整50%，揭示ESV对VC的敏感程度[29-30]。计算公式为：

(8)

式中：VCik和VCjk代表调整前后的第K类生态系统单位面积生态服务价值系数；ESVi和ESVj分别代表调整前后的生态服务总价值。CS为研究区各生态系统服务价值系数的敏感度。

3 结果与分析

3.1 广佛肇土地利用变化分析

3.1.1 土地利用面积变化分析 从广佛肇1990—2015年土地利用总体情况来看(表2)，林地和耕地是广佛肇最主要的土地利用类型，两者之和占研究区总面积的77%以上；而草地和其他用地所占比例均低于1%。1990—2015年广佛肇的土地利用类型发生了不同程度的变化，主要表现在林地和耕地面积持续减少，人工表面持续增加，草地先减少后增加，湿地先增加后减少，其他用地变化相对复杂，呈现出先缓慢增加后急速下降最后又急速上升的变化趋势。从不同地类变化情况来看，林地由1990年的15 966.41 km2减少到2015年的15 724.39 km2，共减少了242.02 km2。林地持续减少，一方面由于该地区经济的快速发展和城镇化的不断推进，导致一部分林地转化为工业厂房用地、居住用地；另一方面由于人口的增多，需要更多的耕地，再加上对林地的违法使用都导致了林地的面积持续下降；耕地25 a来共减少1 562.74 km2，3个阶段中1990—2000年耕地面积减少最多，为922.36 km2。耕地持续减少主要是因为在25 a间广佛肇城镇建设用地的扩张和基础设施的修建(包括水利设施、交通设施等)占用了大量耕地，同时由于退耕还林政策的实施，都从一定程度上导致了耕地面积的快速下降；草地在1990—2000年十年间草地减少最多，2010—2015年草地出现缓慢增加。草地由于总量比较小，所以总体上变化不是很大；湿地在1990—2000年湿地面积变化最大，增加了465.32 km2。湿地的增加主要是由于南方降雨较多，加上一些人工水利设施的修建，增加了湿地的面积，后期缓慢减少主要转变成了人工表面；人工表面25 a来共增加了1 425.92 km2。人工表面的增加主要是因为广佛肇地区经济的高速发展，其他类型的用地多往建设用地方向发展；其他用地在2010—2015年面积变化最大。2000—2010年其他用地面积出现了下降，共减少了47.51 km2。其他用地主要包括裸土和裸岩，而南方地区裸岩相对比较少，主要是林地转化为其他用地。2000—2010年，其他用地主要用于建设用地的扩张。而2010—2015年由于林地等用地类型的减少，导致暂时转化为了其他用地。总体来说25 a来其他用地的面积在增加。

表2 1990-2015年广佛肇地类面积及所占比重

3.1.2 土地利用变化动态度分析 根据公式(1)计算得出广佛肇的土地利用变化动态度(表3)。1990—2015年，动态度最大的是人工表面，其次是其他用地。25 a来广佛肇由于人类活动强度的加大，导致城市建设用地不断地增加，人工表面处在不断地动态变化之中。从3个时期来看，1990—2000年人工表面的动态度最大，湿地和草地的动态度次之。2000—2010年其他用地的动态度最大，人工表面和草地的动态度均超过了2%。2010—2015年其他用地的动态度最大，达到了36.02%，林地和湿地的动态度最小，均低于1%。

3.1.3 土地利用转移分析 通过ArcGIS软件叠加得出1990—2015年广佛肇土地利用类型转移矩阵(表4)。根据土地利用转移矩阵可以看出，耕地转出的面积最多，达到了1 698.73 km2，耕地主要转换成人工表面、湿地和林地；人工表面转入的面积最多，25 a间共转入了1 437.45 km2，主要转入来源是耕地，其次是林地。1990—2015年林地主要转向人工表面、其他用地和耕地。而其他用地主要转向林地和人工表面。其他用地主要是裸土，一部分又重新发展成林地，另一部分主要发展成为人类开发的建设用地。

表3 1990-2015年广佛肇土地利用变化动态度

表4 研究区1990-2015年土地利用转移矩阵 km2

3.2 广佛肇生态系统服务价值变化

3.2.1 不同土地利用类型的ESV变化分析 广佛肇1990年、2000年、2010年和2015年的生态服务价值分别为1 402.68亿元，1 440.98亿元，1 413.88亿元，1 399.09亿元。总体上呈现出先增加后逐年减少的趋势，1990—2000年增加了38.3亿元，2000—2010年减少了27.10亿元，2010—2015年减少了14.79亿元，25 a间广佛肇生态系统服务总价值共减少了3.59亿元(表5)。由于林地和耕地的面积25 a间持续下降，导致林地和耕地的生态价值持续减少，1990—2015年林地和耕地各减少了15.86亿元和28.76亿元；草地的生态服务价值从1990—2010年呈现出缓慢下降趋势，20 a间减少了0.27亿元，到了2015年，草地的生态服务价值增加到了0.46亿元，总的来说草地25 a间减少了0.19亿元；湿地的生态价值呈现出先增加后减少的趋势，1990—2000年湿地的生态服务价值实现了较大程度上的增长，这主要与这10 a间湿地的面积增加有关。2000—2015年湿地的生态价值出现缓慢下降趋势，但是总的来说1990—2015年湿地的生态服务价值还是增加了，共增加40.98亿元；其他用地在1900—2000年生态服务价值基本上无变化，从2000—2010年减少了0.17亿元，到2015年总的生态服务价值增加到0.64亿元。湿地和其他用地25 a间的生态服务价值增加量小于林地、耕地和草地的生态服务价值减少量，同时由于人工表面不会增加生态系统服务价值，所以1990—2015年广佛肇生态服务价值总体呈减小趋势。1990—2015年广佛肇土地利用类型结构的变化对区域内部生态系统服务总价值的变化影响值较大，按价值变化大小排序依次为湿地>耕地>林地>其他>草地。根据广佛肇生态系统服务价值的构成及占比来看，林地产生的生态服务价值最大，这主要是与广佛肇地区林地面积所占的比例比较大有关。其次是湿地，其主要原因是与湿地的单位面积生态服务价值当量大有关。林地和湿地的生态服务价值总量在4个时期所占的比例都超过了92%，说明林地和湿地的生态价值在研究区生态系服务总价值中占据突出地位。耕地产生的生态价值在4个时期所占的比例都超过了5%，但因耕地面积不断下降促使耕地的生态系统服务价值呈下降趋势。草地和其他用地由于面积较少，所产生的生态服务价值较低，在各个时期所占总价值的比例都非常低，并且所占比例基本处在一个相对稳定的状态。广佛肇林地和耕地的生态系统服务价值不断下降，湿地的生态价值又呈现出缓慢下降趋势，促使区域内生态服务功能逐步下降。

表5 1990-2015年广佛肇生态服务价值

3.2.2 生态系统单项服务价值变化 通过计算得到1 990 年、2000年、2010年与2015年各单项生态服务功能价值(表6)，可知广佛肇25 a来各单项生态服务价值总量及结构变化不大。从各单项功能服务价值贡献率高低排序来看，气候调节>水文调节>维持生物多样性>气体调节>保持土壤>废物处理>原材料生产>提供美学景观>食物生产。气候调节和水文调节功能价值贡献率最大，说明研究区调节功能服务的价值最大。从单项服务价值排序可以看出，广佛肇调节功能和支持功能生态服务价值远大于供给功能和文化功能服务价值之和。从1990—2015年各单项生态服务功能价值变化来看，保持土壤、食物生产与原材料生产的服务价值明显减少，其余单项生态服务功能价值都是先增加后减少。其中保持土壤的服务价值下降最明显。耕地面积的减少是保持土壤价值下降最直接的原因。

表6 1990-2015年广佛肇各项生态服务功能价值变化

3.3 广佛肇生态系统服务价值敏感性指数变化分析

本研究将各土地类型的生态价值系数上下调整50%，得出广佛肇1990—2015年各土地类型的敏感性指数(表7)。结果表明，不同时期不同土地利用类型的敏感性系数均小于1，说明广佛肇生态服务总价值对其生态服务价值系数缺乏弹性，经过修正的生态服务价值系数适用于广佛肇地区，间接证明了本研究计算的生态系统服务价值结果是真实可信的。1990—2015年耕地的敏感性系数呈现出下降趋势，说明了25 a来耕地生态系统价值系数变化对广佛肇生态系统服务总价值产生了缩小的作用。林地在1990—2000年生态敏感性指数呈现出下降趋势，2000—2015年又呈现出上升趋势，说明林地对广佛肇生态服务总价值的贡献是先减小后缓慢增加的。而湿地正好与林地相反，在1990—2000年敏感性指数先从0.177 3上升到0.213 8，到了2015年又缓慢下降为0.207 0。说明湿地对广佛肇生态服务总价值的贡献是先增加后缓慢减小的。草地和其他用地敏感性指数变化不大，说明草地与其他用地对广佛肇生态服务总价值影响较小。敏感性指数值由大到小排序依次为林地>湿地>耕地>草地>其他。敏感性指数最大值为林地，为0.723 5～0.746 0，说明林地对服务价值的贡献率最大，当林地生态系统价值系数增加1%时，生态系统服务价值增加0.723 5%～0.746 0%，由于林地面积占比比较多又加上生态服务价值系数比较大，导致林地是影响广佛肇生态价值变化的一种主要的生态用地类型。

表7 广佛肇生态系统服务价值的敏感性

4 结论与讨论

(1) 研究区在1990—2015年，林地和耕地面积持续减少，人工表面用地面积逐渐增加，草地先减少后增加，湿地先增加后减少，其他用地呈现出先缓慢增加后急速下降最后又急速上升的变化趋势。25 a间，人工表面的动态度最大，其次是其他用地。耕地的转出量最大，主要转换成人工表面、湿地和林地；人工表面转入的面积最多，25 a间共转入了1 437.45 km2，主要转入来源是耕地，其次是林地。经济的发展和城镇化进程的推进不应以破坏林地和耕地为前提，广佛肇应加强对林地和耕地的保护，严格控制人工表面的扩张，确保土地利用向可持续性方向发展。

(2) 广佛肇在1990—2015年，土地利用的生态系统服务价值总体上呈现出先增加后逐年减少的趋势，25 a间共减少了3.59亿元。林地和耕地的生态服务价值持续减少，湿地的生态价值呈现出先增加后减少的趋势。林地和湿地的生态价值在研究区生态系服务总价值中占据突出地位，林地和耕地面积的减少是广佛肇生态服务价值减少的主要原因；从单项服务价值排序可以看出，广佛肇调节功能和支持功能生态服价值远大于供给功能和文化功能服务价值之和。耕地面积的下降使保持土壤的服务价值下降最明显。土地利用变化带来的生态系统服务价值减少问题，值得引起当地政府的重视。

(3) 广佛肇在不同时期不同土地利用类型的敏感性系数均小于1，说明广佛肇整体的生态服务总价值对其生态服务价值系数缺乏弹性，经过修正的生态服务价值系数适用于广佛肇。敏感性指数值由大到小排序依次为林地>湿地>耕地>草地>其他，研究期间林地对广佛肇生态系统服务价值的贡献率最大。

本文在研究广佛肇整体的生态系统服务价值时，没有考虑人工表面的生态价值计算，而人工表面主要包括工矿用地、交通用地、居民地等，它对水文调节等单项功能会产生一定的负面效益，但有关人工表面的生态服务价值计算目前研究评价方法不一，因此关于人工表面的生态服务价值核算将是下一步的研究重点。生态系统服务价值受多种因素的影响，本研究虽然对生态系统服务功能评价的方法进行了局部修正，得出的结果具有一定的参考价值。但修正时考虑的因素较少，会对最后的分析结果造成一定的影响，后续将会考虑其他影响生态系统服务价值的因素，以便使估算结果更加准确。