1990—2020年洪泽湖环湖地区生态系统服务价值变化

2022-04-26魏佳豪徐锦前龚志军蔡永久

江苏水利 2022年4期

魏佳豪，钟威，张颖，徐锦前，龚志军，蔡永久

（1.中国科学院南京地理与湖泊研究所，江苏南京 210008；2.中国科学院大学，北京 100049；3.上海海洋大学，上海 201306；4.江苏省水利工程规划办公室，江苏南京 210029；5.安徽师范大学生态与环境学院，安徽芜湖 241002）

1 概述

生态系统服务价值（Ecosystem Services Value,ESV）是人类从生态系统中获得的所有惠益，其中包括了供给价值、调节价值、支持价值和文化价值［1-2］。1997年Costanza等［3］在国际上首次提出了ESV估算的原理和方法，其后，谢高地等［4］又制定了符合中国生态系统服务实际情况的《生态系统服务价值当量表》，这为我国生态系统服务价值的评估提供了相对全面、客观的方法。

在此背景下，洪泽湖作为江苏北部水生态安全的重要保障区域，是维持地区生态安全的关键所在，对整个苏北地区社会经济的发展具有重要意义。近年来，在人类干扰和自然演替等多重因素的影响下，洪泽湖环湖地区的土地利用已经发生了较大的变化［5-6］。土地利用变化通过改变生态系统的结构和功能影响生态系统的服务价值，研究土地利用变化下的ESV变化对修复和保护生态系统服务功能具有重要意义［7］。本研究旨在通过解译遥感影像测算ESV的方法，分析近30年洪泽湖环湖地区生态系统服务价值的变化情况，以期为地区的生态保护、资源配置和可持续发展等决策提供一定参考依据。

2 研究区域概况

洪泽湖（33°06′-33°40′N，118°10′-118°52′E）位于江苏省西北部淮安、宿迁2市境内，是江苏省第二大、全国第四大淡水湖泊［8］。洪泽湖作为淮河流域最大的防洪供水调蓄湖泊和南水北调东线工程的重要水源地，其具有防洪抗旱、调节气候和保护生物多样性等重要功能，对农渔业、旅游业和航运等产业发挥着巨大作用［9］。本研究以沿湖区县以内、洪泽湖以外的区域为基础，综合考虑行政区域完整性和水系结构，确定了洪泽湖环湖地区的范围，包括盱眙县、洪泽区、泗洪县全域，宿城区、泗阳县、淮阴区、清江浦区京杭运河中运河段以南区域。

3 数据与方法

3.1 数据来源与预处理

本研究选取了1990年、2000年、2010年、2020年4期Landsat系列卫星遥感影像，影像数据来源于地理空间数据云和美国地质调查局官网。根据中国科学院土地利用覆盖分类体系，并结合研究区域的实际情况建立了耕地、水域、林地、草地、建设用地、未利用地6个地类。利用ENVI软件采用支持向量机法（SVM）进行监督分类，最终获得4期研究区土地利用类型数据［10-12］。

3.2 研究方法

3.2.1 土地利用变化幅度

土地利用变化幅度是指土地利用类型在面积方面的变化幅度［13］，反映了各类土地利用类型在总面积上的变化量，其表达式为

式中，ΔV为研究区域的土地利用变化幅度，Va、Vb分别为研究地区初期和研究末期某种土地利用类型的面积。

3.2.2 生态系统服务价值估算

基于单位面积价值当量因子法，根据“一个生态服务价值当量因子的经济价值量等于当年平均粮食单产市场价值的1/7”的规则［14］，计算得到了基于2021年粮食单价的生态服务价值当量因子为23.52万元/km2·a，结合洪泽湖环湖地区实际情况进行修正得到价值系数（表1）。生态系统服务价值的计算公式如下：

表1 洪泽湖环湖地区各地类单位面积生态系统服务价值系数

式中，VESV为生态系统服务价值，万元/a；i为土地利用类型，i=1，2，3，…，n；Ai为地类i的面积，km2；V C i为地类i的生态系统服务功能价值系数，万元/（km2·a）。

3.2.3 生态贡献率

生态贡献率是一定时间段内不同土地利用类型ESV变化量对总ESV变化量的影响大小，用来揭示影响区域ESV变化的主要贡献因子［15］。计算公式如下：

式中：Git为地类i在时间段t内的生态贡献率；ΔVESV,it为地类i在时间段t内的ESV变化量。

4 结果与讨论

4.1 土地利用变化特征

通过对各时期土地利用类型面积及面积占比进行统计分析（表2），结果表明，2010年耕地面积及面积占比较2000年出现小幅下降，面积降至5 487.27 km2，面积占比为79.97%，与此同时水域（551.39 km2）和建设用地（522.20 km2）面积占比增加至8.04%和7.61%；2020年较2010年耕地面积占比进一步减少至71.82%，水域面积占比增加至8.98%，建设用地面积出现较大幅度增长，面积达到866.27 km2，占比12.63%。总体来看，1990—2020年洪泽湖环湖地区土地利用总体格局基本一致，虽然耕地面积在此期间出现明显下降，面积占比减少了9.45%，但是土地利用类型仍以耕地为主，其各年面积占比均超过了70%；在此期间，建设用地和水域面积均出现小幅增长，面积占比分别增加至12.63%和8.98%；林地、草地和未利用地的面积及面积占比未出现明显变化。

表2 1990—2020年洪泽湖环湖地区各土地利用类型面积及占比

分析各土地利用类型的面积变化（图1）。1990—2000年各地类面积变化幅度均较小，仅未利用地和草地面积出现37.64%和22.45%的减幅，建设用地增幅为18.32%；2000—2010年，建设用地面积出现显著增加，增幅为40.01%，水域面积也出现了7.77%的增幅，草地、林地面积则分别出现了39.56%和22.27%的减幅；2010—2020年草地面积增幅为182.04%，其次是建设用地（65.89%）和林地（43.35%），仅未利用地和耕地面积出现减少，减幅为19.96%和10.19%。总体而言，1990—2020年建设用地的面积变化最为明显，共增加553.28 km2，增幅为176.78%；其次是未利用地和草地，变化幅度分别为-53.40%和32.20%；水域面积增加了94.54 km2，增幅为18.13%；耕地作为研究区内的主要土地利用类型，1990—2020年面积共计减少648.19 km2，减少幅度为11.62%。

图1 1990—2020年洪泽湖环湖地区各土地利用变化幅度

近30年洪泽湖环湖地区的土地利用类型以耕地为主，除林地面积未出现明显变化外，建设用地、草地和水域面积均出现了明显增加，耕地和未利用地面积出现一定程度的减少。这与长期以来，洪泽湖周边地区以农业、渔业经济为主，乡镇工业起步较晚具有一定关系。受人口快速增长和粗放式发展模式等因素的影响，洪泽湖环湖地区的圈圩开发、围网养殖等问题较为严重［9］，进入21世纪尤其是2010年之后，随着社会经济的快速发展，环湖地区新农村建设、旅游区开发、城镇化等项目也陆续开展，这使得城镇居住、工业、交通设施等建设用地的持续扩张成为了必然的趋势，导致2010—2020年建设用地增加幅度达65.89%。与此同时，在省、市各级政府部门提出并落实“退圩环湖”“生态复绿”等政策后，加上耕地开发转变成圈圩养殖等原因，都导致了水域面积的扩大，也是环湖地区耕地的不断减少的主要原因。近年来，随着南水北调东线工程的建成，其对洪泽湖周边地区的生态环境提出了更高的要求，也深刻影响了洪泽湖环湖地区土地利用的结构和方式，共同导致了其土地利用发生明显变化。

4.2 生态系统服务价值变化特征

洪泽湖环湖地区ESV计算结果表明（表3），1990—2020年研究区ESV总体呈现先下降后上升的趋势，共增加22.21亿元。ESV总体组成中水域ESV所占比重最大，1990—2020年占比均超过68%；其次是耕地ESV，1990—2020年占比均超过了18%；林地ESV占比各年均超过了5%，其余主要地类ESV占比均小于1%。1990—2000年总ESV呈现减少的趋势，主要原因是水域和林地面积出现减少，ESV下降；2000—2020年总ESV呈现持续增加的趋势，共增加了27.53亿元，其中水域、林地和草地的ESV分别从151.15亿元、16.47亿元和1.35亿元增加至181.98亿元、18.35亿元和2.30亿元，耕地ESV减少了6.13亿元。总体而言，1990—2020年ESV增加幅度达到9.82%，主要来源于水域和草地的贡献，二者ESV分别增加了18.13%和32.20%，耕地、林地和未利用地ESV均出现不同程度减少，减少幅度分别为11.62%、1.40%和53.40%，这一变化趋势与土地利用的变化趋势相似。

1990—2020年洪泽湖环湖地区四类一级ESV与总ESV变化趋势一致（表3～4），总体均呈现先下降后上升的趋势。在一级生态系统服务中，调节服务各年占比均超过83%；在调节服务中，水文调节服务各年占比均为80%左右。1990—2020年研究区域二级ESV中水资源供给服务价值减幅最大，为57.81%，其次是食物生产和维持养分循环，降幅分别为9.55%和9.47%；在此期间，水文调节和净化环境ESV出现较大增长，增幅分别为13.78%和10.21%，其次是生物多样性和美学景观，增幅分别为4.50%、7.51%。

表3 1990—2020年洪泽湖环湖地区各地类ESV变化

表4 1990—2020洪泽湖环湖地区生态系统一级和二级服务价值变化

分析不同地类对ESV变化的贡献率（表5）结果表明，1990—2020年洪泽湖环湖地区内水域和耕地的生态贡献率最大，分别为80.33%和17.32%。1990—2000年，水域和林地的生态贡献率分别为52.31%和38.66%；2000—2010年生态贡献率的整体格局与1990—2000年相似，均为水域和林地占比较大，而耕地、草地和未利用地三者占比之和小于10%；2010—2020年的生态贡献率较2000—2010年出现了较大变化，水域和林地的生态贡献率分别下降了8.66%和4.00%，而耕地的生态贡献率则增加了11.07%。综合来看，水域和耕地对ESV变化的贡献率最大，是近30年洪泽湖环湖地区生态系统服务价值变化的主要贡献因子。

表5 1990—2020年洪泽湖环湖地区不同地类生态系统服务价值变化的贡献率

综上所述，1990—2020年洪泽湖环湖地区ESV从226.21亿元增加至248.42亿元，共计增加22.21亿元，主要来源于水域ESV的贡献。结合水域和耕地对该地区ESV变化的贡献率和3.1中土地利用的变化特征，分析可能原因是省、市各级政府部门对“退圩还湖”“生态复绿”等政策落实到位，加之耕地开发转变成圈圩养殖等因素的影响，导致了减少的耕地面积大量转入到水域面积中，造成了水域面积的持续扩大。本研究中土地利用变化趋势和各类ESV变化趋势相似，这与其他学者得出的结论相似［16］，但也应当注意到，土地利用变化虽然是影响ESV变化的重要因素，但是不同土地利用类型的生态系统服务价值系数对ESV的影响也不容忽视的［17］。水域以小于10%的面积占比贡献了缓冲带超过68%的ESV，这主要是因为水域的生态系统服务价值系数远高于其他地类，这会对水域ESV在总ESV中的占比造成重要影响，但同时也一定程度上证明了水域对环湖地区生态系统服务具有重要的价值意义。