黄 婧, 杨 敏, 张方辉

(1.重庆市生态环境监测中心, 重庆 401147; 2.重庆市环境科学研究院, 重庆 401147)

土地利用/覆被变化(LUCC)是全球生态环境变化的重要组成部分和驱动因子之一，直接影响生态系统的服务功能[1]。国内外对LUCC的研究主要集中于LUCC模型的时空变化格局、LUCC过程及驱动机制、LUCC与生态环境效应关系、LUCC与3S集成技术的应用等方面[2]，研究成果颇丰。现今，土地利用及其生态效应分析已成为土地科学乃至全球生态变化研究的前沿和热点问题，已有生态学家开展了对全国性、区域性的生态系统服务价值(ecosystem services values， ESV)的研究，并指出土地利用/覆被变化(LUCC)对生态系统服务价值的变化具有驱动作用[3-4]。因此，相关研究把土地利用变化驱动下的生态系统服务价值变化作为重要量化指标进行分析，为研究区用地结构调整和生态可持续发展提出建议。

1 研究区概况

重庆市位于长江上游，四川盆地东南部，青藏高原与长江中下游平原的过渡地带，东经105°11′—110°11′，北纬28°10′—32°13′之间，幅员面积8.24×104km2，地形起伏大、地貌类型多；气候温和，属亚热带季风性湿润气候；雨量充沛，湿润多阴。直辖以来，重庆城市建设高速发展，人口高度集中、工农业逐渐发达，经济活动日益频繁。近几年，重庆市致力于加强耕地保护、退耕还林、荒山造林等政策，但建设用地的不断扩张，依旧给生态系统造成一定程度的破坏。本研究对重庆市土地利用及其生态效应变化趋势进行探讨，具有深远意义。

2 研究方法与数据说明

2.1 数据来源及处理

遥感数据源采用重庆市2011—2015年TM影像，空间分辨率为30 m，时相集中在9—10月。影像数据的前期预处理均在专业遥感软件ERDAS中完成，主要包括影像数据格式转换、多波段合成、影像融合、辐射增强；其次，通过ArcGIS软件进行遥感影像的数字化解译，得到各个时期的土地利用类型矢量数据；再次，参照《土地利用现状(GB/T21010-2007)》分类标准，结合重庆市土地利用现状和生态系统类型，划分为耕地、林地、草地、水域湿地、建设用地和未利用地6大类[5]。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用动态度 土地利用动态模型可以定量分析土地利用的变化速度[6]。采用动态度计算不同土地利用类型面积变化的数量和速率，对探究区域某时段土地利用结构变化差异具有重要参考价值[7]。单一土地利用动态度表示区域一定时间范围内某种土地利用类型的数量变化关系，其表达式为：

(1)

式中：K——研究时段内某一土地利用类型动态度；Ua，Ub——研究期初和期末某一种土地利用类型的数量；T——研究时段长度，当T设为年时，K的值就表示该研究区某土地利用类型的年变化率[8]。

2.2.2 土地利用程度指数 土地利用程度指数常作为反映土地利用深度和广度的指标[9]。根据刘纪远等[10]提出的土地利用程度综合分析方法，将土地利用程度按照土地自然综合体在社会因素影响下的自然平衡状态分为若干级，赋予分级指数表(表1)，从而给出土地利用程度综合指数计算公式：

(2)

ΔLb-a=Lb-La=

(3)

式中：L——研究区土地利用程度指数；Mi——研究区第i级的土地利用程度分级指数；Ni——研究区土地利用程度分级面积百分比；n——土地利用程度的分级数；La，Lb——a时间和b时间的研究区土地利用程度指数。如果ΔLb-a>0，则表示研究区土地利用处于发展时期，否则处于调整期或衰退期。

表1 土地利用程度分级赋值

2.2.3 生态系统服务价值评价法 国内外对生态服务价值的研究始于20世纪70年代。1997年，国外学者Costanza等[11]率先明确了生态系统服务价值估算的原理和方法，将生态系统服务价值的研究推向了生态经济学研究的前沿，并受到广泛的认可。在此基础上，谢高地[12]从我国实际情况出发，制定了中国不同陆地生态系统单位面积生态服务价值表，通过与生态服务价值区域修正系数(重庆修正值为1.21)相结合，得到研究区生态服务价值系数表(表2)。结合相关文献研究[13-14]和重庆市具体情况，可认为建设用地组成的系统是人工生态系统，对生态功能的贡献几乎为零；重庆市裸土地(土质荒漠)面积占未利用地总面积的85%以上，未利用地的生态系统类型为荒漠。从而确定重庆市生态系统单位面积生态服务价值(表3)。

(4)

式中：ESV——生态系统服务价值； VCi——研究区第i种土地利用类型单位面积生态服务功能价值系数；Ai——第i种土地利用类型的面积。

表2 中国不同陆地生态系统单位面积生态服务价值 元/(hm2·a)

表3 重庆市生态系统单位面积生态服务价值 元/(hm2·a)

2.2.4 敏感性指数分析法 生态环境敏感性指数(coefficient of sensitivity， CS)可以用来反映区域生态环境质量、人口负荷、土地利用程度以及经济发展状况等因素[15]。

借助敏感性指数(CS)，确定随着时间的推移，生态服务价值(ESV)对生态系统服务价值系数(CS)变化的依赖程度[16]。其计算公式为：

(5)

式中：i，j——初期生态价值和生态价值系数调整后

的价值； 若CS>1，则ESV对VC富有弹性，结果可信度低；若CS<1，则ESV对VC缺乏弹性，结果可信度高。

3 结果分析

3.1 研究区土地利用变化分析

3.1.1 研究区土地利用动态度分析 通过ArcGIS提取各土地利用类型的解译属性数据，统计得到重庆市“十二五”期间土地利用类型面积(表4)；并结合公式(1)，将K设为年，得到土地利用年变化率(表5)。

表4 “十二五”期间重庆市土地利用类型面积统计 km2

表5 “十二五”期间重庆市土地利用年变化率 %

由表4—5可以看出，“十二五”期间，重庆市土地利用类型呈现出不同变化规律：耕地面积逐年减少，年变化率为0.37%；林地面积微弱减少，年变化率为0.01%；草地出现大量流失，年变化率为1.98%；水域湿地面积整体呈现逐年增加的趋势，2013年增速最大，主要是由于三峡库区在2013年进行了第4次175 m试验性蓄水，导致航道拓宽，水位抬升；与耕地面积变化趋势相反，建设用地面积呈现大幅度增加趋势，年变化率达到6.77%，其中城镇建设用地增加的的比例最高，反映出随着重庆都市化进程的加快，城市建设用地不断扩张的现象；未利用面积则先减少后增加，年变化率为2.54%，但整体基数小。“十二五”始末2011和2015年重庆市土地利用现状如图1所示。

图1 重庆市2011和2015年土地利用现状图

3.1.2 研究区土地利用程度分析 根据表1和表4，利用公式(2)—(3)，计算得到“十二五”期间重庆市土地利用程度指数(表6)。

根据表6，“十二五”期间，重庆市土地利用程度综合指数由248.89提高至250.11，且指数值逐年升高。其中，耕地的土地利用程度指数介于126.61～128.97，各年指数值均高于其他地类，但呈降低趋势；林地的土地利用程度指数介于98.12～98.41，仅次于耕地，与草地的土地利用程度均呈现出减—增—减的变化趋势；建设用地的土地利用程度指数介于11.86～15.87，处于第3位，指数值逐年升高；水域湿地与建设用地的土地利用程度变化趋势一致；未利用地的土地利用程度年际变化不明显。经计算，各年土地利用程度指数变化值ΔLb-a均为正值，说明重庆市土地利用在这阶段总体处于发展期，且土地利用的强度在明显加大。

表6 “十二五”期间重庆市土地利用程度指数

3.2 研究区生态效应变化分析

3.2.1 研究区生态系统服务价值变化分析 根据表2，表4和公式(4)，计算得出“十二五”期间重庆市6大生态系统服务价值表(表7)。“十二五”期间，重庆市生态系统服务价值共减少2.73亿元，年变化率为0.05%，变化较小，主要是由于不同土地利用类型之间的转移，造成部分变化相互抵消。从生态系统服务价值构成来看，林地的生态系统服务价值最高，年增加率小，每年均占总价值的70%以上；耕地生态系统服务价值减少量最大，达到3.96亿元，年变化率为0.37%；水域湿地生态系统服务价值增加量最大，为3亿元，年变化率为0.67%；未利用地、草地年减少率最高，分别为2.54%，1.98%。各土地利用类型引起的生态系统服务价值的变化与重庆的城市化建设力度有关。耕地、林地和草地的减少主要是因为建设用地的扩张和占用，而退耕还林政策的实施在一定程度上保证了林地数量；水域湿地生态系统服务价值的增加主要受三峡库区水位调整的影响，其面积不到全市总面积的2.5%，生态服务价值占比却达8.0%，可见水域湿地对生态服务价值具有积极作用；未利用地年减少率高则表明裸土地面积范围缩小化，植被覆盖程度有所提高。整体上看，林地、耕地、水域湿地这3大地类的生态服务价值超过总价值的98%，构成了重庆生态系统服务价值的主体。

表7 “十二五”期间重庆市生态系统服务价值

3.2.2 研究区生态系统敏感性分析 为检验CS取值的合理性，一般用分别调整50%(±50%)不同土地利用类型的生态价值(VC)来计算敏感性指数(CS)。利用公式(5)，计算得到调整后的生态系统敏感性指数(建设用地系数为零，不参与调整)，结果详见表8。分析可知，调整后的敏感性指数(CS)均小于1，表明“十二五”期间重庆市生态系统服务价值对单位面积的生态系统服务价值系数缺乏弹性，结果可信度高。以2015年为例，林地生态系统服务价值系数由19 334.00元/hm2上调到29 001.00元/hm2时，全市总价值由1 099.15亿元增加到1 489.94亿元；当其下调到9 667.00元/hm2时，全市总价值由1 099.15亿元减少到708.35亿元；即林地生态系统服务价值系数增加(或减少)1%时，总价值增加(或减少)0.711%。将调整后的敏感性指数进行排序发现，研究期间，不同土地利用类型对生态系统服务价值影响程度由大到小依次为：林地、耕地、水域湿地、草地、未利用地，可见，林地生态系统服务价值系数的变化对研究区生态系统服务价值产生的放大作用最高；并且经对比研究，该结论与多项研究结果具有一致性，结果可靠[17-19]。

表8 “十二五”期间重庆市生态系统服务价值调整后结果及敏感性指数

4 讨论与结论

(1) “十二五”期间，重庆市各土地利用类型的动态变化存在差异性。耕地、林地、草地、未利用地面积减少，水域湿地和建设用地面积增加；前者年变化率均为负值，后者年变化率均为正值，表明水域湿地和建设用地面积持续增加。经分析，土地利用在该时间段内处于发展期。

(2) “十二五”期间，重庆市生态系统服务总价值整体减少，生态环境轻微朝着不健康的方向发展，林地面积的变化对研究区生态系统服务价值的影响最明显。经敏感性分析，生态系统服务价值对单位面积的生态系统服务价值系数不敏感，研究结果可信。

(3) 城市化进程改变了土地利用结构，从而对生态环境产生影响。鉴于此，重庆市应继续加强土地利用结构的调整，集约节约土地利用，提高生态系统质量。本研究重点在于定量分析“十二五”时期内各土地利用类型和生态效应的年际变化规律，尚未对空间变化特征以及引起变化的自然地理、社会经济因素进行具体讨论，这将是未来需要加强研究的方向。

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