江苏省绿地生态系统服务价值时空动态变化特征

2024-06-03徐可依冯阳陈妍吴榛

江苏农业科学 2024年8期

徐可依冯阳陈妍吴榛

摘要：江苏省作为我国城镇化快速发展的区域之一，土地利用变化剧烈，其绿地空间格局及生态服务价值受建设活动影响显著。探明江苏省绿地空间格局及其生态服务价值时空变化特征，可为绿地空间景观格局规划与国土空间管控提供科学依据。以江苏省为研究区，以2000—2020年中5年为1期的土地利用数据作为基础，运用土地利用动态度和利用土地利用转移矩阵分析研究区土地利用类型的动态变化特征；通过对相应景观格局指数的研究来反映绿地系统的结构与生态过程的联系；通过生态系统服务价值评价方法对江苏省绿地生态系统的服务价值进行评估，由此得到江苏省生态系统服务价值时空动态变化特征。结果表明，研究期间江苏省绿地中有林地和高覆盖度草地为主要优势类型，绿地总面积呈下降趋势，降幅为20.30%；江苏省绿地景观格局指数变化明显，绿地景观分布不均匀，均衡程度被破坏，多样性下降，总体趋于破碎化；江苏省绿地ESV总体呈下降趋势，研究期内共减少15.75%；绿地高ESV地区主要分布在江苏省北部和西南部，2020年江苏省绿地系统ESV最高的城市是南京市；总体下降最多的城市是盐城市。江苏省绿地及其生态系统服务价值时空变化呈现明显的地域差异。研究结果可为科学规划绿地空间，优化绿地景观格局，促进绿地生态系统服务价值水平提升提供依据。

关键词：绿地空间；景观格局；生态系统服务价值；时空变化特征；江苏省

中图分类号：TU985.1 文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2024）08-0233-09

收稿日期：2023-07-07

基金项目：江苏高校“大学素质教育与数字化课程建设”专项课题（编号：2020JDKT024）；江苏省社会科学基金（编号：23SHC002）；江苏省自然科学基金（编号：BK20201359）；江苏省高等学校自然科学研究面上项目（编号：19KJB220001）。

作者简介：徐可依（2000—），女，江苏南京人，硕士研究生，主要从事风景园林规划设计研究。E-mail：375636797@qq.com。

通信作者：陈妍，硕士，讲师，主要从事风景园林规划设计研究。E-mail：chenyan@njtech.edu.cn。

绿地是指城市中自然或人为被植物覆盖的地块和用地，包括林地和草地［1］。本研究的绿地类型按照LUCC分类系统分类。绿地可以帮助改善生态、保护环境和美化景观，是实现城市可持续发展的重要组成部分，具有重要的生态价值。城镇化进程加快，大量林地、草地被建设用地所侵占，使得绿地系统被破坏，生态问题面临重大挑战［2］，人们更加意识到绿地在生态系统和城市环境中的重要性。深入分析区域绿地景观格局及绿地生态服务价值时空动态演变特征，可为科学保护绿地系统、改善城市环境、促进环境的可持续发展提供有效支撑［3］。生态系统服务价值是指根据自然生态系统的功能、结构和过程提供的产品和服务为人类所带来的价值。生态系统服务价值的评估是生态功能区划、环境保护等的重要基础和依据，是全球经济的重要组成部分［4-6］，是景观生态学、风景园林学以及生态经济学等学科研究的重点问题之一［7］。科学评估生态系统服务价值，可为生态环境保护和国土空间规划提供参考。随着人们对绿地价值的日渐重视，绿地生态系统服务价值的研究逐渐成为各学科当前研究的焦点之一。自Costanza在1997年发文对全球绿地系统服务价值总量进行评估之后，国际上相继开展了有关研究。Semenyuk等对不同区域的森林生态系统服务价值产生的环境影响和变化进行了评估和研究［8-9］；Admasu等分析了土地利用及覆被变化对不同流域生态系统服务价值的影响［10-11］。Najmuddin等对不同国家影响城市生态系统服务价值的相关土地变化进行了探究［12-13］。我国对于生态系统服务价值的相关研究起步较晚，但也取得了很多进展。邹丽丽等采用不同的研究方法对不同地区的滩涂和湿地的生态系统服务价值进行了分析［14-15］。马伟波等分析了不同区域城市群的相关生态系统服务价值的时空演变以及驱动［16-17］。謝高地等对我国生态系统服务价值进行评估并分析了我国生态系统服务价值的发展趋势［18-19］。但是，目前我国对于省域等大尺度及其各行政区的绿地系统生态服务价值时空动态变化特征的研究还比较少。因此，本研究对江苏省绿地生态系统服务价值的空间变化进行分析，旨在为生态系统保护和城镇管理、规划及建设提供科学依据。江苏省内多个地级市为国家园林城市，但省域范围内绿地空间分布不均衡。近几十年来，城镇化快速发展导致绿地空间被动受到城市建设用地挤压，生态系统被破坏，需要深入分析江苏省绿地生态服务价值时空动态演变特征，以期为国土空间规划和生态空间保护提供科学依据。本研究以江苏省为例，运用土地利用动态度、土地利用转移矩阵、景观格局指数与生态服务价值评价等方法，通过对2000—2020年江苏省绿地景观格局及生态系统服务价值时空动态演变特征的研究和分析，发现江苏省绿地ESV总体呈下降趋势，绿地景观分布不均匀，均衡程度被破坏，多样性下降，总体趋于破碎化；通过探讨整个省域与局部市域的绿地生态系统服务价值空间分异及变化趋势，为江苏省省域及各地市间的绿地景观格局优化、生态空间保护、可持续发展和相关规划提供科学依据和理论指导。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区概况

江苏省位于30°45′～35°20′N、116°18′～121°57′E（图1），省域面积约为10.72万km2，与山东省、安徽省、浙江省和上海市接壤。江苏省地势平坦，以平原和低山丘陵为主，属于亚热带季风气候，年均降水量约为1 200 mm，雨量充沛，年均气温为14～23 ℃，四季分明。江苏省内湖泊、绿地众多，内含多个国家园林城市，其中水域面积占省域总面积的11%以上，全省林地覆盖率约为26.4%，建成区的绿化覆盖率约为45%，人均公共绿地面积为13.7 m2。近年来，由于江苏省处于优越的地理区位，区域城镇化快速发展，造成人地矛盾问题日益突出，剧烈的人类活动致使区域绿地生态产生明显变化。

1.2 数据来源与预处理

本研究基础数据选取江苏省2000年、2005年、2010年、2015年、2020年的土地利用分类数据，来源于中国科学院资源环境科学与数据中心（www.resdc.cn/）。本研究参照现有的LUCC（land-use and land-cover change）分类体系，运用ArcGIS软件将江苏省的土地利用类型划分成耕地、林地、草地、建设用地、水域、未利用地6个一级大类。同时，根据研究所需将林地和草地这2类绿地进行二次分类，其中林地划分为有林地、疏林地、灌木林、其他林地4个二级子类，草地划分为高覆盖度草地、中覆盖度草地、低覆盖度草地3个二级子类（图2）。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用动态度

土地利用动态度反映某种土地类型在一段研究期内的面积变化情况［20］。本研究利用土地利用动态度来反映各绿地类型面积的动态变化情况［21-22］。计算公式为

K=Sb-SaSa×1T×100%。

式中：K表示某类土地类型的动态度；Sa表示某类土地类型研究初期的面积；Sb表示某类土地类型研究末期的面积；T表示总研究时长。

1.3.2 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵是通过对某研究区不同时期土地利用状况的变化分析求得的一个二维矩阵。利用土地利用转移矩阵可直观揭示各类型土地利用的移动方向以及变化数量，有利于分析研究区土地利用类型的动态变化特征［23］。本研究利用土地转移矩阵分析2000—2020年江苏省绿地变化状况及特征，对江苏省绿地景观类型与其他土地利用类型间相互转换的情况和趋势进行分析。

1.3.3 景观格局指数

景观格局是指大小、形状不同的景观要素在景观空间上的分布，其影响并决定着各种生态过程。景观格局指数是分析生态过程变化的常用指标，这种指数可以较直观与客观地数量化景观格局，便于对景观格局进行描述，可以更好地解释景观功能与景观结构的相关联系［24］。本研究通过对相应景观格局指数的分析来反映江苏省绿地系统的结构与生态过程的联系，选取斑块数量（NP）、形态指数（LSI）、聚集度（AI）、斑块密度（PD）、香农多样性指数（SHDI）、香农均匀度指数（SHEI）和蔓延度（CONTAG）等7个绿地景观格局指标，并运用Fragstats 4.2软件进行相关景观格局指数计算［25-27］。

1.3.4 绿地生态系统服务价值评价

生态系统服务价值评价是指对生态系统中所含的不同生态资源的价值进行评估。学者把生态系统服务价值的评估方法分为替代市场法和假想市场法，前者是指利用生态服务功能的相关产品的市场价格进行评估，后者是指利用旅行费、防护费等间接价值进行假想评估。本研究采用替代市场法对江苏省绿地生态系统服务价值进行评估。

本研究根据江苏省土地利用以及研究目的，按照LUCC分类把各绿地分为有林地、灌木林、疏林地、其他林地、高覆盖度草地、中覆盖度草地以及低覆盖度草地。将各类型绿地的单位面积ESV与谢高地等的基础当量表中绿地系统二级分类对应［28］，分别对应针阔混交、灌木、阔叶、针叶、灌草丛、草甸以及草原。测算出的江苏省绿地生态系统服务价值各绿地单位面积价值见表1。绿地生态系统服务价值估算公式如下［29］。

ESV=∑pi×Li。

式中：ESV表示研究区域绿地生态系统服务价值总量，元/年；pi表示第i类绿地的生态系统服务单位面积价值，元/（hm2·年）；Li表示研究区域内第i类绿地面积，hm2。本研究将ESV划分为极低（ESV<1.5万元/年）、低（1.5万元/年≤ESV＜10.0万元/年）、中（10.0万元/年≤ESV＜60.0万元/年）、高（60.0万元/年≤ESV＜400.0万元/年）、极高（ESV≥400.0万元/年）等5个等级。

2 结果与分析

2.1 江苏省土地利用变化

2000—2020年江苏省土地利用类型中耕地占比最大，主要分布在苏北、苏中平原和滨海地区，但耕地面积逐年呈减小趋势，总降幅达11.77%。建设用地在2000—2010年呈快速增加趋势，由 1 465 484.40 hm2 增加到2 003 813.91 hm2，增幅为 36.73%；2010—2020年增速逐渐放缓，由 2 003 813.91 hm2 增加到2 149 048.26 hm2，增幅为7.25%。林地面积在2000—2005年小幅增加，由337 542.30 hm2增加到337 934.97 hm2；但在2005—2010年快速減小，由337 934.97 hm2减小到312 680.88 hm2，降幅为7.47%；2010—2020年缓慢减小，由312 680.88 hm2减小到306 821.25 hm2，减小了1.87%。草地在2005—2010年快速减少，由130 641.75 hm2减少到80 607.69 hm2，减幅高达38.30%；但在2010—2015年出现增加，由 80 607.69 hm2 增加到 92 871.18 hm2，增加15.21%。林地和草地面积在2005—2010年的快速减少是由于此期间城镇属于快速发展阶段，这一阶段绿地被大量建设用地和耕地取代，但在2010—2015年政府为防止建设用地盲目扩张破坏生态环境，深化了绿地保护，但在多重影响因素下，耕地、林地、草地仍在不同程度地减少。水域面积除2010—2015年小幅减小外，一直在稳定增加，为保护生态环境，江苏省在2017年出台了《江苏省生态河湖行动计划（2017—2020年）》，加强了水资源保护和水生态修复，从而使水域面积持续增加（图3）。

由图4可知，江苏省绿地系统中有林地面积占绿地比例最大，其次为高覆盖度草地，中覆盖度草地和低覆盖度草地占绿地比例较小。各类型绿地整体呈减少趋势。其中，各类型林地在2005—2010年减少较快，分别减少1.38%、15.75%、10.92%、32.92%。各类型草地也在2005—2010年快速减少，其中高覆盖度草地变化最明显，减少了 49 914.90 hm2，减幅为38.79%；但在2010—2015年高覆盖度草地面积又明显增加，增加 12 262.41 hm2，增幅达15.57%；到2015—2020年又恢复下降趋势。由图4还可知，2000—2020年有林地为江苏省绿地中的优势类型，其次为高覆盖度草地，2000—2020年林地占绿地的比例从70.79%增加到77.43%，有林地占比从46.09%增加到53.49%，草地占比从29.21%减少到22.57%，高覆盖度草地占比从28.80%减少到22.11%。江苏省绿地总面积从476 840.21 hm2减小到396 255.51 hm2，减小了16.90%。

由图5可知，2000—2005年除其他林地和高覆盖度草地动态度明显外，其余绿地类型动态度都较小。2005—2010年所有景观动态度都呈明显浮動，这期间高覆盖度草地变化最大，动态度为-7.80%，其次是其他林地，动态度为-6.90%，灌木林动态度达-3.14%，疏林地动态度为-2.20%。总体来看，各类型林地的动态度比各类型草地变幅较小，无论在哪个时期，高覆盖度草地动态度一直较大。这也表明草地容易受到人类活动的影响，在城镇化过程中受到的伤害最明显。

由表2可知，转换趋势有明显的阶段性，2000—2020年江苏省绿地转出面积最大的为水域，共转出

536.33 km2，其次为耕地，共转出 529.48 km2；江苏省绿地转入面积最大来源于水域，共转入322.26 km2，其次为耕地，共转入 227.26 km2。2005—2010年林地转换最明显，林地转为耕地和建设用地面积较大，分别为181.19、111.01 km2，其次是未利用地；草地主要转出为水域，这期间绿地面积共减少 753.43 km2。到2015年，林地转为耕地和建设用地的面积大幅减小，草地主要由水域转入，这期间草地面积有小幅增加，共增加119.09 km2。以上数据均说明江苏省绿地最大转出类型为水域和耕地，这是由于政府在这一时期重视对水域和耕地的保护，严格控制水域和耕地被侵占的现象，这一时期也陆续出台了《江苏省耕地质量管理条例》《中共江苏省委江苏省人民政府关于进一步加强耕地保护和改进占补平衡的实施意见》等许多耕地保护政策；绿地转入面积最大的也是水域和耕地，这主要是由于退耕还林、还草的政策要求。2005—2010年林地转为建设用地面积较大，是因为这一时期江苏省内各地的建设用地无序扩张导致绿地大面积减少。

2.2 绿地景观空间格局变化

景观指数可以反映景观格局及其变化。由图6可知，相关指数变化趋势明显，绿地斑块密度在2005—2010年呈明显下降趋势，表明这段时期景观破碎化加剧，连通性降低，这是由于该时期建设用地无序扩张，使得绿地景观被割裂；香农均匀度指标和香农多样性指标变化趋势相似，除2010—2015年小幅增长外总体呈下降趋势，2005—2010年有明显下降，说明这一时期江苏省绿地系统景观均衡程度被破坏，多样性下降，绿地景观分布不均匀；绿地斑块数量在2000—2005年和2010—2015年有所增加，但在2005—2010年大幅减少，从3 424个减少到3 199个，减少了6.57%，这都与绿地面积快速下降有关；蔓延性只在2010—2015年小幅降低，其余时段都稳定增长，说明研究期内江苏省绿地系统的优势景观形成了较好的连接性；聚集度整体呈下降趋势，说明研究期内江苏省绿地景观趋于分散。形态指数只在2005—2010年小幅降低，是因为人类活动对绿地景观的影响。2010—2015年各指标都呈小幅增长趋势，这是由于这段时期有林地面积的增加，使得景观破碎化程度有所降低，连通性与多样性有所增加，但总体趋势还是趋于破碎化。

2.3 绿地生态系统服务价值时间变化

根据江苏省绿地生态系统服务当量因子表，计算得出2000—2020年江苏省绿地系统ESV及其变化（图7）。江苏省绿地生态系统服务总价值呈减少趋势，共减少15.75%，其原因主要与江苏省绿地面积的快速减小有关。其中，高覆盖度草地绿地系统ESV在2005—2010年下降最明显，共下降38.79%，这与该期间快速城镇化导致的高覆盖度草地大面积被占用有关。有林地、灌木林与疏林地绿地系统ESV呈缓慢下降趋势；中覆盖度草地与低覆盖度草地绿地系统ESV变化较小；其他林地在2000—2005年有增长趋势，在2005—2010年快速下降，随后稳定下降。

2.4 江苏省绿地生态系统服务价值空间分异演变

通过克里金插值法，得到江苏省各时段绿地生态系统服务价值空间分异图（图8）。其中，高绿地生态系统服务价值地区和极高绿地生态系统服务价值地区主要分布在江苏省北部和西南地带，是由于北部地区以平原为主，花果山风景区、海上云台山国家森林公园等多个风景名胜区相连，大大小小的水库周围形成了自然绿化带；西南地区以平原和低山丘陵为主，历史文化悠久，自然条件优越，拥有老山国家森林公园等生态展示区。中等绿地生态系统服务价值地区主要分布在东部沿海地区。低绿地生态系统服务价值地区主要分布在江苏省的四周。极低绿地生态系统服务价值地区主要分布在江苏省中部，这是因为该地区城镇规模快速扩大，城乡聚落高密度集中，该地区农业发达，是各种农产品生产加工出口的基地，因此中部以大片耕地和建设用地为主。2000—2005年江苏省绿地生态系统服务价值没有明显变化，该时期较稳定。2005—2010年是江苏省绿地生态系统服务价值变化最显著的一段时期，该时期中等绿地生态系统服务价值地区大面积减少，极高以及高等绿地生态系统服务价值地区部分转变为中等、低以及极低绿地生态系统服务价值地区。变化最大的是东部沿海地区，主要是因为人类活动导致的建设用地无序扩张使得大片绿地被占，从而破坏了生态系统。2010—2015年变化最明显的还是东部沿海地区，该区域内极高以及高绿地生态系统服务价值地区从东北部转向东南部，南部部分地区又从中等绿地生态系统服务价值转变为低以及极低绿地生态系统服务价值。2010—2020年变化较少，这是由于伴随着城镇化与工业化的快速推进，经历过快速扩张后逐渐趋于稳定，因此生态系统也逐渐趋于稳定。2000—2020年江苏省绿地生态系统服务价值的空间变化量最大的是东部沿海地区和北部平原地区。

由图9可知，2020年江苏省绿地ESV最高的城市是南京市，约占总绿地系统ESV的19.21%。其次是无锡市，约占总绿地ESV的12.51%。淮安市和徐州市绿地ESV在江苏省总绿地系统ESV中占比一直较高，分别占12.01%和10.32%左右。连云港市、镇江市、常州市绿地ESV略低于徐州市和淮安市，宿迁市、泰州市和扬州市绿地系统ESV较低。

由图10可知，苏州市和泰州市绿地ESV有所上升，其余城市都呈下降趋势。其中，盐城市绿地ESV减少最多，高达81.57亿元；其次是徐州市，减少34.52亿元，变化55.38%、27.96%；宿迁市和无锡市减少量较少，分别减少0.61亿、1.34亿元，变化了0.04%和0.01%。苏州市绿地ESV的增加与2010年以后苏州市高覆盖度草地面积的增加有关，泰州市绿地ESV的增加是因为泰州市大部分土地为耕地，受退耕还林的影响使得林地面积增加。盐城市绿地ESV的减少与盐城市绿地的大面积减少有关，主要与2006年以后盐城市湿地、居民区以及耕地的无序扩张有关。图11显示，2000—2020年变化率最高的城市是泰州；南通市绿地生态系统服务价值变化率在2005—2010年、2010—2015年都最高。江苏省各地市均在2005—2010年期间变化率都呈负增长趋势，但在2010—2015年部分城市呈增长趋势，这可能与政府发布相关政策控制城市无序扩张有关；在2015—2020年增长趋势又被抑制，说明政府未能在城镇建设与绿地生态保护之间达到平衡，因此绿地保护是需要被重点关注的问题。

3 结论

本研究从省域角度出发，基于江苏省近20年（2000—2020年）各类绿地数据，运用生态服务价值评价方法和空间分析法，对2000—2020年江苏省绿地系统ESV的时空变化和动态变化进行分析，得出以下结论：（1）有林地和高覆盖度草地为江苏省绿地系统中的优势类型。城镇化使江苏省绿地面积快速减小，其中草地相比林地更容易受到人类活动的影响，绿地主要转出为水域和耕地，这是由于近年来政府重视对耕地的保护以及快速城镇化，陆续出台《江苏省耕地质量管理条例》《中共江苏省委江苏省人民政府关于进一步加强耕地保护和改进占补平衡的实施意见》等保护政策。同时，绿地主要由水域和耕地转入，这是退耕还林等政策要求所致。（2）江苏省绿地系统ESV呈稳定下降趋势，共减少15.75。高覆盖度草地绿地系统ESV变化最大，其中江苏省高绿地系统ESV主要分布江苏省北部和西南部，中等绿地系统ESV主要分布在东部沿海地区，低绿地系统ESV主要分布在因城镇规模快速扩大，城乡聚落高密度集中，农业发达，以耕地和建设用地为主的中部地区。2005—2010年江苏省绿地系统ESV变化最大，这段时期中等绿地系统ESV大幅减少，高綠地系统ESV地区向中等和低绿地系统ESV地区转变，这和建设用地扩张导致的大面积绿地被侵占有关。（3）2020年，江苏省绿地系统ESV最高的城市是南京市，其次为无锡市，较低的城市为泰州市和扬州市。盐城市因湿地、居民区以及耕地的无序扩张导致绿地系统ESV降低最多，宿迁市和无锡市最少。江苏省各地市在2005—2010年都呈负增长，2010—2015年因政府抑制无序扩张使得部分城市绿地系统ESV有所增长，但在2015—2020年这种增长趋势又被抑制。综上，本研究通过土地利用动态度、土地利用转移矩阵、绿地生态系统服务价值评价得到相关数据，通过空间分析法揭示江苏省2000—2020年绿地系统ESV空间分异，可为科学规划绿地空间，优化绿地景观格局，促进绿地生态系统服务价值水平提升提供一定的科学依据。

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