基于土地利用的晋江流域生态系统服务价值时空变化

蔡耀欣 江怡萱 谢祥财

(福建农林大学 风景园林与艺术学院，福建 福州 350002)

生态系统服务(Ecosystem Services，ES)是指生态系统与生态过程中所产生的，保证人类生存的生命支撑产品和服务[1-2]。土地利用是人与自然互动最为密切的部分，土地利用变化(Land Use Change，LUC)是人类作用于自然环境的重要方式，它能够影响生态系统产品与服务提供能力[3-4]。对土地利用变化进行评估，是评价生态系统服务价值(Ecosystem Services Value，ESV)的基础，也是科学规划生态环境建设的重要前提[5]。

自生态系统服务这一概念被提出以来，在生态系统服务概念及其分类、价值量化评估和应用等方面取得了一定的进展。1997年Costanza等构建了“全球生态系统服务价值当量表”及“全球生态服务价值分析模型”，奠定了生态系统服务价值研究的理论基础[6]。2003年谢高地等根据Costanza的方法构建了符合中国国情的当量因子表，并确立了中国单位面积价值当量及计算方法[7-8]。国内众多学者据此当量表展开相关研究，如张敏等对各类生态服务价值间的权衡与协同关系进行研究[9]，刘玉卿及杨延成等从景观格局演变角度分析对生态系统服务价值的影响[10-11]等。2015年，谢高地等对当量因子表进行修订和细分[12]，使更多学者能够准确地通过土地利用变化评估我国生态系统服务功能的价值，如郑舒琼等以行政区域作为基本单元，研究土地利用对生态系统服务价值时空差异的影响[13]。相关研究均表明土地利用变化不仅影响着生态系统服务价值综合水平，且对不同类别的生态系统服务影响程度也不同。

晋江流域是福建省经济快速增长的区域，是泉州市人口最密集、城镇化水平最高的地区[14]。目前对于晋江流域的研究，多集中于水文调节[15]、水资源管理[16]以及水环境治理[17]等方面，加强对晋江流域生态系统服务价值的研究对流域内生态文明建设及社会经济可持续发展具有重要理论价值和现实意义。本文通过地理信息技术对晋江流域2000—2020年间土地利用状况进行解译，采用自相关分析、热点分析等方法研究土地利用变化对流域生态系统服务价值的影响及二者间的相互关系，旨在为该区域土地资源开发利用和生态系统可持续发展与管理提供科学依据。

1 研究区域概况

晋江流域(见图1)位于福建省泉州市。晋江是泉州市第一大河流，也是福建省内仅次于闽江、九龙江的第三大江，源头至河口全长182 km，总体自西北向东南流，流经永春县、安溪县、南安市、鲤城区、晋江市。晋江流域总面积5 629 km2，流域内年平均气温17-21℃，季风气候显著，降水丰沛[18]。晋江上游有东溪和西溪两大支流。东溪流域面积1 917 km2，河长120 km，东溪中游有山美水库，是流域内重要的水利枢纽工程。西溪流域面积3 101 km2，河长145 km。两支流于南安市丰州镇井兜村双溪口汇合，并于丰泽区浔浦入海。

图1 研究区示意图

2 数据来源与处理

本研究采用的晋江流域2000、2010和2020年的土地利用数据来源于地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn)，空间分辨率为30m×30m，数据处理平台为ArcGIS 10.6。晋江流域单个当量因子的经济价值量计算主要来自2010—2020年的《福建省统计年鉴》《泉州市统计年鉴》等，粮食价格数据来源于福建粮油局的公开数据。

3 研究方法

3.1 土地利用变化计算

土地利用转移矩阵用于描述研究初期和末期区域内不同土地利用类型间的转化情况，有助于发现土地使用种类之间的转化方向[19]，表达式为:

(1)

式中：S为各地类面积，n为土地利用类型数，i、j分别为研究初期和末期的土地利用类型。

3.2 生态系统服务价值评估方法

结合实际情况，对谢高地等2015年最新改进的基础当量表进行调整，得出晋江流域单位面积ESV基础当量表(见表1)。根据统计年鉴中2010—2020年福建省粮食作物平均单产为5 756.98kg/hm2、粮食平均价格为2.88元/kg，依据相关文献，1个标准当量因子的ESV大约等于粮食单位产量价值的1/7[20]，计算得出研究区的单个当量因子的经济价值量为2 371.36元/hm2。最终根据修正后的基础当量和各类型土地利用的面积计算晋江流域的ESV(见表2)。计算公式为：

表1 晋江流域单位面积ESV基础当量

表2 晋江流域ESV系数表 单位：元/hm2·a

(2)

ESVj=∑(Ai×VCij)

(3)

式中：ESV为生态系统服务的总价值，ESVj为 研究区第j项生态系统服务功能价值；Ai为研究区第i种类型的土地面积，VCi为第i种类型土地的单位生态系统服务价值系数，VCij为第i种土地利用类型的第j项生态系统服务功能价值系数[12]。

3.3 ESV网格计算

根据相关公式[21]，将研究区划分为23 078个互不重叠的正方形格网，并进行叠加分析计算每个格网的ESV，得出研究区2000、2010和2020年ESV值，生成ESV空间分布图(见图6)，并采用自然间断点分级法将各格网ESV值划分为5个等级，等级5对应最高值。

3.4 生态系统服务价值变化特征分析

3.4.1 热点分析

热点分析可用于研究ESV空间变化是否具有高值聚集和低值聚集的现象，以及确定高值区和低值区在空间上发生聚类的位置，公式如下[22]:

(4)

(5)

(6)

3.4.2 生态贡献率

生态贡献率表示某一时间段内不同土地利用变化所产生的生态服务价值变化量对区域总服务价值变化量的影响大小和方向，可用来揭示影响区域生态服务价值变化的主要贡献因子[23]。

(7)

式中：SKT为K类生态系统在时间段T的生态服务贡献率，△ESVKT为K类生态系统在时间段T内的生态服务价值变化量。

4 结果与分析

4.1 土地利用变化分析

4.1.1 数量变化分析

通过对各用地类型的面积进行统计，得到晋江流域土地利用面积以及变化率(见表3)。从占比看，流域内林地面积最大，占整个研究区域的44.75%；其次是耕地，占比29.31%。从变化量看，耕地和建设用地的变化最为突出，其中建设用地大幅增加，面积扩大21 536.1hm2，增幅为48.64%；耕地面积大幅减少，面积缩减18 500.6hm2，减幅为10.12%；水体面积增幅仅次于建设用地，为22.26%。

表3 2000—2020年晋江流域土地利用面积和变化率 单位：hm2、%

4.1.2 空间变化分析

由图2可以看出，晋江流域林地分布范围最广，主要聚集在北部的德化县、永春县以及南部的安溪县。2000—2020年，晋江中下游河岸两侧的建设用地面积不断增加，晋江入海口处建设用地持续扩张，这表明晋江对于推进城市化进程以及推动经济发展有着重要的作用。

图2 晋江流域土地利用分布

4.1.3 土地利用转移分析

由表4可以看出，晋江流域耕地的转出面积最多，为39 522.60 hm2，主要转出目标是建设用地，转出22 970.34 hm2；其次为林地，转出9 165.06 hm2。林地的转入面积最多，为32 374.71 hm2，其中主要转入源为草地，转入面积为21 781.62 hm2。

表4 2000—2020年晋江流域土地利用和生态系统服务价值转移矩阵 单位：hm2、万元

4.2 生态系统服务价值分析

4.2.1 生态系统服务价值数量变化

由表5以及图3可知，2000—2020年晋江流域ESV呈现先减后增的趋势，前10年共减少了1.95亿元，后10年共增加了1.59亿元，20年间共减少了0.37亿元，增幅为-0.18%。从土地利用类型来看，林地是构成晋江流域生态系统服务价值的主体，在2020年达到137.41亿元，占总ESV的69.46%；其次是草地和水体，分别占13.64%和9.11%。从土地利用ESV20年的变化来看，只有水体的ESV呈上升趋势，增加了3.35亿元，增长率为22.86%；耕地的ESV减少最多，减少了1.73亿元。

表5 2000—2020年晋江流域土地利用ESV变化情况 单位：亿元、%

图3 2000—2020年晋江流域生态系统服务价值总量变化

由图4可知，晋江流域生态贡献率总和为-5.16%，导致ESV减少的地类有耕地、林地、草地、湿地、未利用地，生态贡献率之和为-52.58%，耕地是流域主要的负向贡献因子，生态贡献率为-24.50%；水体是晋江流域ESV唯一的正向贡献因子，生态贡献率为47.42%。

图4 2000—2020年晋江流域生态贡献率

从不同服务类型看(见表6、图5)，气候调节和水文调节占比最高，分别占25.84%和23.57%，原因在于提供气候调节最多的林地面积最大，以及水体提供的水文调节基础当量远远大于其他地类。所有服务类型中，仅有水资源供给与水文调节的ESV在20年间总体处于增加的趋势，其中水资源供给增加了18.60%，水文调节增加了1.82%。

表6 2000—2020年晋江流域生态系统服务ESV变化情况 单位：亿元、%

图5 2000—2020年晋江流域生态系统服务功能价值

4.2.2 生态系统服务价值空间变化分析

由图6可以看出，ESV高值区(等级4、等级5)主要分布于晋江中下游水域、山美水库区域以及安溪、永春、德化山区等林地密集区；中值区(等级3)主要分布于中部及北部草地覆盖率高的丘陵地带；低值区(等级1、等级2)主要分布于晋江沿岸城镇化水平较高的城市和乡村聚落。由表7可知，晋江流域2000—2020年的ESV全局Moran’s I值均大于0、P值均小于0.001，表明流域内ESV的空间分布具有明显的空间正相关性，在空间上呈现显著聚集性分布。由图7可知，高聚集区主要分布在晋江中下游和山美水库区域，以及北部与西南部的山区林地；低聚集区主要聚集在晋江下游的南安市、丰泽区、鲤城区等城镇化水平较高、人口较为密集的区域。

表7 2000—2020年晋江流域ESV全局空间自相关显著性检验

图6 晋江流域ESV空间分布

图7 晋江流域生态系统服务价值LISA分布

由图8可知，2000—2020年，晋江流域大部分区域的ESV处于变化非显著的状态，前10年损失冷点区多于增值热点区，主要分布在晋江中下游的城镇或聚落周围；后10年增值热点区多于损失冷点区，且明显地分布于西溪支流与胡洋溪至山美水库的区域，说明了自“十二五”规划以来，泉州市实施的重点江河流域生态修复工程取得了显著的成效。

图8 晋江流域ESV变化热点区域空间分布

5 讨论与结论

5.1 讨论

本文采用的谢高地等改进后的当量因子法，数据需求少，可行性高且评价内容较为全面。但由于数据获取的方法局限，选用2010—2020年福建省粮食产量与粮食价格数据也在一定程度上影响了价值评估的准确性。其次，本文主要以土地利用变化这一要素作为研究对象，未考虑其他方面的影响因素，如人口、经济、生物等，后期研究中应更多考虑整合诸多因素。

通过前文分析，2000—2020年晋江流域生态系统服务总价值呈先下降后上升的趋势；在用地类型中，水体的ESV呈增长趋势，其余地类均呈减少趋势；在服务类型中，水资源供给与水文调节呈增长趋势，其余服务类型均呈减少趋势，由此可见水体及其所提供的生态系统服务是晋江流域生态系统服务价值的重要正向驱动因子。大量耕地和草地变成了建设用地，是导致晋江河岸周围建成区生态系统服务价值降低的主要原因；河岸周围耕地转变为水体和林地，是导致晋江流域库区以及下游周围生态系统服务价值升高的主要原因。

从空间上看，晋江流域生态系统服务价值的改变都集中于晋江的中下游部分，经分析原因有二：(1)晋江中下游地形多为起伏较小的平原，城镇化水平高，村落聚集、人口密集，是城市发展的核心区域，建设用地的不断扩张导致了2000—2010年ESV的急剧减少；位于晋江上游的地形多为丘陵，城镇化水平较低，聚落分散、人口稀少，常年保持着耕作的传统生产方式，用地性质改变程度不高，因此对于ESV的影响较不显著。(2)由于政策的影响，城市对流域水生态环境的保护逐见成效——从“十二五”规划时期开始，泉州开始实施重点江河流域生态修复工程，积极推进河岸生态缓冲带修复，促进生态良性循环，促使山美水库区域以及晋江西溪流域的ESV在2010—2020年得到了显著提高。

5.2 结论

(1)土地利用变化层面，2000—2020年晋江流域耕地面积减少最多，共减少了18 500.6 hm2，建设用地和水体面积不断增加，分别增加21 536.1 hm2和1 126.26 hm2。从土地利用转移上看，耕地转换为建设用地的面积最大，林地与草地之间的转换次之。

(2)生态系统服务价值层面，2000—2020年晋江流域总ESV整体呈下降趋势，细分之后前10年为下降趋势，后10年为上升趋势。林地是晋江流域ESV最主要的组成部分，且20年来占比保持在70%左右。在空间分布上，ESV高值区主要分布在晋江上游森林覆盖率高的山区以及晋江水体区域，低值区主要分布在晋江中下游的城镇聚集区。从时间变化来看，晋江干流以及西溪流域的ESV上升明显，形成了增值热点区；而城镇面积的不断扩张与人口的不断聚集，造成了晋江下游周围形成了斑块状的损失冷点区。

(3)土地利用变化对生态系统服务价值影响层面，土地利用的变化影响了生态要素在晋江流域的分布，进而影响生态系统服务的分布和构成。从数量变化上看，水体是唯一对晋江流域ESV提供正向贡献的用地类型，大量耕地转换成为水体促使水文调节功能大幅提升，从而造成ESV在2010年后显著增加。从空间变化上看，研究期间晋江水域附近的耕地转换为水体形成了ESV增值区;建成区附近的耕地以及水域周围草地转换为建设用地形成ESV损失区。

研究表明，晋江流域水体生态效益的增加是促进流域ESV升高的主要原因。仅占流域总面积1.08%的水体，主导着流域生态系统服务价值的变化，表明水体应该成为晋江流域环境保护和生态建设的重心，因此，提高区域内河流的水生态环境将有益于提升流域的总体生态环境。今后应加强水源涵养林建设与保护和河岸生态治理，选取本地优势树种在河道两侧建设植被缓冲带和隔离带；加快流域及山美水库等水源涵养林和水土保持林修复；对河道水利设施建设等造成的河道破坏地区，开展植树造林，恢复河道自然生境；推进泉州湾河口湿地省级自然保护区“退养还滩”。