李 宁,王浩宇,王金叶,黄良珂

(1.桂林理工大学 a.环境科学与工程学院;b.广西空间信息与测绘重点实验室,广西 桂林 541006;2.桂林理工大学博文管理学院,广西 桂林 541006)

0 引 言

Daily[1]提出了生态系统服务价值相关理论和研究方法,Costanza等[2]计算生态系统服务价值的方法引起国内外学者的广泛关注,生态系统服务价值的量化对于生态学、经济学及社会学的连接具有里程碑的意义。欧阳志云等[3]、谢高地等[4]对生态系统服务内涵的发展作出重要的贡献。朱春全[5]提出把自然生态系统的生产总值即生态系统提供的最终产品和服务价值的总和纳入中国可持续发展的评估核算体系。Costanza等[6]将生态学、生态经济学和社会学结合为一个统一的生态系统服务框架,其核心目标是造福人类社会。

生态系统作为生物圈最重要的组成部分,在平衡生命支持系统和环境方面发挥着不可替代的作用[7-8]。生态系统服务通常被定义为其对人类提供或部分提供有价值的商品和服务[9],是指来自生态系统功能的生物所带来的益处,这些功能对人类福祉、健康、生计和生存都是必要的[10-12]。作为理解人类活动与环境相互作用的最重要指标之一[13],土地利用与土地覆盖变化在全球生态与环境变化中扮演着重要的角色[14-16]。生态系统服务价值(ESV)是指用经济法则对生态系统的服务和自然资本进行估算。

漓江流域是世界重要的旅游目的地, 形成了以旅游为主线的社会经济系统, 特别是生态旅游又是以生态资源环境为前提进行的一系列活动,因此,该区域的生态与环境关系着流域的可持续发展。近年来,随着城镇化速度的加快及旅游活动的迅速扩张,漓江流域的土地利用景观格局发生了较大变化,流域面临水土环境污染、生物多样性降低、土地退化等众多生态与环境问题[17-18]。已有学者对漓江流域的环境相关情况进行初步研究[19-21],但是从土地利用与土地覆盖变化角度研究生态系统服务价值的文献较少。本文以遥感数据为基础,基于生态与环境及生态经济理论,应用3S技术对漓江流域的土地利用与土地覆盖的时空变化及生态系统服务价值进行研究,为漓江流域的植被保护、水资源保护、景观保护及土地开发利用提供科学依据。

1 研究区域概况

漓江流域地处北纬24°38′10″—25°53′59″,东经110°07′39″—110°42′57″,流域面积583 150 hm2,涉及广西桂林市叠彩区、秀峰区、七星区、象山区、雁山区全境以及资源县、兴安县、灵川县、临桂县、阳朔县、平乐县的部分区域(图1)。漓江是珠江流域的上游,是桂林的母亲河,漓江流域蕴藏有丰富的历史遗存、优美的自然景观和良好的生态与环境,特别是全球分布面积最大、景观美学价值最高、最具典型性和不可替代性的喀斯特地貌景观，是桂林山水的灵魂和精华。漓江上游的猫儿山、青狮潭、海洋山森林覆盖率较高,高海拔地带的森林植被保存较好,这些植被特别是常绿阔叶林成为漓江源头的“绿色水库”。漓江上游地区山体高大,受低纬度和海拔变化的影响,产生水热资源的再分配,造就了以中亚热带为基带的暖温带、温带的垂直立体气候特征,为上游地区不同植被的发育提供了优越的条件,是广西三大林区之一。耕地和林地是流域内两种主要的土地覆盖类型。

2 数据来源、处理和研究方法

2.1 数据来源

从美国地质勘探局(USGS)下载条带号(path)为124和125、 行编号(row)为42和43，云量少于10%的2000年Landsat 5 TM,2010年Landsat 7 ETM+和2016年Landsat 8 OLI 3期的数据, 每期4景图像, 共12景图像。 为最大程度减小误差, 所有的遥感数据大部分取自流域雨量较多的4—8月份, 具体数据见表1。

2.2 数据处理

利用ENVI 5.3和ArcGIS 10.0进行影像处理, 数据均使用WGS84坐标系, 经过波段合成、 拼接、裁剪等预处理过程。 由于Landsat 7 ETM+机载扫描行校正器(scan lines corrector, SLC) 于2003年5月31日突然发生故障,扫描的影像数据出现了重叠和部分缺失。因此,本文使用缝隙填充的方式将丢失的数据填补出来。修复算法是自适应局部回归法,原理是把不同获取时间、与原图地理坐标相同的影像数据提取出来。使用这种符合条件的数据来填充有坏道的影像,使有坏道的影像可以用于实验研究。借助Google Earth,使用支持向量机(SVM)分类方法对影像进行监督分类,并对分类结果进行小斑块合并及斑块平滑等处理。为确定分类的精度和可靠性,借助手持GPS进行野外实地调查,结合Google Earth及原始影像获取真实的感兴趣区验证样本,使用混淆矩阵的方法,对分类结果进行精度验证。其中，2000、2010和2016年监督分类影像精度验证结果的分类精度分别为93%、94%、93%,Kappa系数分别为0.89、0.91和0.92,最后划分出耕地、林地、水域和建设用地4种土地生态类型，并对各土地利用类型面积进行计算。

图1 漓江流域地理位置Fig.1 Map of the Lijiang River basin

表1 数据信息

2.3 计算方法

谢高地等[22-23]在Costanza等[2]的研究基础上,根据中国的实际情况制定出了中国生态系统服务价值当量表和单位面积生态系统服务价值表。由于生态系统的复杂性和地域的区别性,针对不同的地域特点,使用同一个标准计算生态系统服务价值会带来一定的误差。因此,本文把每种土地类型与最接近的生态系统服务类型连接起来,林地、水域、耕地分别对应森林、水体、农田。其中建设用地生态系统服务价值取值为0,基于生态服务功能强度与生物量呈线性关系的假定[23],修订耕地单位面积食物生产生态服务价值(VC):

VC=(b/B)p,

(1)

其中,VC为修正后的单位面积耕地食物生产生态服务价值；b为耕地生态系统的生物量因子；B为全国耕地生态系统生物量因子,其值为1.00；p为耕地生态系统食物生产的基准单价。 漓江流域耕地生物量因子取广西的均值0.98[24], 即VC=(0.98/1.00)p=0.98p。

生态服务划分为气体调节、气候调节、水源涵养、土壤形成与保护、废物处理、生物多样性维持、食物生产、原材料生产、休闲娱乐共9类。根据中国陆地生态系统单位面积生态服务价值当量表以及中国不同陆地生态系统单位面积生态服务价值表[23],修正后的漓江流域单位面积耕地食物生产生态系统服务价值(VC=867.20元/hm2)乘以中国陆地生态系统单位面积生态服务价值当量即可得到流域不同生态系统单位面积生态服务价值(表2)。

表2 漓江流域生态系统单位面积生态服务价值

Table 2 Ecological service value of per unit area of the ecosystem in Lijiang River basin 元/hm2

生态系统服务功能土地利用类型林地耕地水域建设用地气体调节3035.2433.600.00气候调节2341.44771.81398.910.00水源涵养2775.04520.3217673.540.00土壤形成与保护3382.081266.118.6720.00废物处理1136.031422.2115765.70.00生物多样性保护2827.07615.7122159.330.00食物生产86.72867.286.720.00原材料生产2254.7286.728.670.00娱乐文化1110.028.6723763.650.00总 计18948.325992.3539865.190.00

漓江流域的生态系统服务价值(ESV)按下式计算:

(2)

(3)

(4)

其中,ESVi代表j种生态系统服务功能价值总量；Si代表i种土地类型面积；VCij代表i类单位面积土地的j种生态系统服务价值；ESVj代表i种土地类型生态系统服务价值总量；ESV代表生态系统服务价值总量。 结合漓江流域的生态系统单位面积生态服务价值(表2)及流域的各类土地覆盖面积(表3)得到漓江流域的各地类生态系统服务价值(表4)及对应的9种生态系统服务功能价值(表5)。

3 结果与讨论分析

3.1 土地利用的时空变化

基于遥感解译数据,获取漓江流域2000、2010、2016三年的土地覆盖分类图(图2)。通过对分类图进行统计分析,获得2000、2010、2016年土地利用面积(表3)。3个时期各类型土地面积所占比例如图3所示。2000—2016年从土地利用类型覆盖及构成比例上看,漓江流域土地利用类型主要为林地,林地面积占流域面积的比例为73.53%～70.02%,比例较小的为建设用地和水域,分别为1.74%～6.36%和1.27%～1.16%。2000—2016年,漓江流域的土地利用类型发生了不同程度的变化,林地面积先增加后减少,由2000年的428 819 hm2增加到2010年的429 436 hm2,而后又下降到2016年的408 281 hm2,2000—2010年林地面积增加主要是由于林果种植、退耕还林、石漠化治理等措施的实施[25]。2000—2016年,耕地及水域面积占流域总面积的比例降低,耕地面积比例从23.46%降到22.46%, 水域面积比例从1.27%降到1.16%, 而建设用地面积占流域总面积的比例增加,特别是临桂区,增加明显。这与城市建设、旅游用地增加、城镇化发展以及2007年桂林城市发展坚持“保护漓江,发展临桂,再造一个新桂林”的战略部署相对应。同时表明，随着经济的发展、政策因素及城市的扩张,城市人口不断增加,城市住房需求不断增加,建设用地呈现扩张趋势,而林地及水域面积的减少表明，漓江流域的生态与环境在不断退化。

表3 漓江流域土地覆盖面积

注: 比例为各地类面积占流域总面积占比。

从变化幅度和转移情况看,2000—2016年建设用地面积增加, 林地、 耕地和水域的面积出现不同程度的减少, 建设用地增幅最大, 增加了265.74%, 林地减少4.79%,耕地和水域面积分别减少了4.27%和7.95%。漓江流域的土地利用变化趋势为林地、耕地和水域向建设用地转移, 这种转移主要是因为政策的变化、城镇化发展及其他经济活动的驱动。

图2 2000—2016年漓江流域土地覆盖分类图Fig.2 Land cover classification map in Lijiang River basin from 2000 to 2016

图3 2000—2016年地类面积比例Fig.3 Proportion of land type area from 2000 to 2016

从各区域的土地利用类型变化来看, 建设用地增加最为明显的是兴安县、 临桂区、 雁山区以及桂林市中心城区(叠彩区、 秀峰区、 七星区、 象山区), 这与兴安县近几年的人口快速增长、 桂林市“再造一个新桂林”的临桂新区建设、 雁山区大学城建设以及桂林市“强力疏解改造提升老城, 全面实施城市交通畅通优化工程, 加大老城路桥基础设施建设力度”的战略部署等有很大的关系。 城镇快速发展、 农业种植结构调整[26]、 工业化、 旅游业发展[27]以及林业生态建设是土地利用变化的主要驱动因素。

3.2 漓江流域生态系统服务价值

从各土地利用类型生态系统服务价值及总生态系统服务价值来看(表4), 2000—2016年间, 林地生态系统服务价值呈先小幅增加后下降趋势, 耕地和水域生态系统服务价值一直呈下降趋势。 从整个研究期各土地利用类型生态服务价值的构成来看, 各地类生态服务价值所占比例有所变化, 不同地类的生态服务价值排序为: 建设用地<水域<耕地<林地。 17年间, 林地生态系统服务价值所占比例均超过85%, 远远大于其他土地类型的生态系统服务价值, 说明了林地是流域内整个生态系统服务价值的主体部分, 耕地虽然分布广, 但生态系统服务价值贡献低。 2000、 2010、 2016年漓江流域生态系统服务总价值分别为92.48、 92.50和 88亿元, 2010—2016年生态系统服务总价值呈下降趋势。 这表明漓江流域的生态与环境在城镇化及其他产业经济发展的过程当中逐渐退化。 土地利用变化及生态系统服务价值的降低主要与人类经济活动有关[28]。

从各单项生态服务功能价值变化来看(表5),2000—2016年研究区各项生态系统服务价值基本都出现先增加后减少的趋势,总体服务价值排序为:土壤形成与保护>水源涵养>气体调节>生物多样性保护>气候调节>原材料生产>废物处理>娱乐文化>食物生产。土壤形成与保护、水源涵养、气体调节贡献率处于前3位,2000、2010、2016年上述3项服务功能的合计贡献率分别为47.31%、47.33%、47.31%,均接近于总体服务价值的一半,主要是由于林地作为漓江流域主要土地类型, 具有水源涵养、 气体调节和较高的土壤形成与保护功能。生物多样性保护、原材料生产和娱乐文化的价值减少,主要是由于这些生态服务价值贡献较高的林地和水域面积减少造成的。废物处理和食物生产价值减少,主要是由于生产价值系数较高的水域及耕地面积减少造成的。

表4 2000—2016年漓江流域各土地利用类型生态系统服务价值

Table 4 Ecosystem service value of each land use type in Lijiang River basin from 2000 to 2016 亿元

年份统计类型林地耕地水域建设用地总服务价值2000价值81.258.203.03092.48比例/%87.858.873.2801002010价值81.378.113.02092.50比例/%87.978.773.2601002016价值77.367.852.79088.00比例/%87.918.923.170100

表5 2000—2016年漓江流域各项生态系统服务功能价值

Table 5 Value of various ecosystem service function in Lijiang River basin from 2000 to 2016 亿元

生态系统服务功能2000年价值贡献率/%2010年价值贡献率/%2016年价值贡献率/%气体调节13.6114.7213.6214.7212.9614.73气候调节11.1212.0211.1312.0310.6012.05水源涵养13.9115.0413.9215.0513.2115.01土壤形成与保护16.2317.5516.2417.5615.4617.57废物处理7.988.637.968.617.578.60生物多样性保护13.1314.2013.1314.1912.5014.20食物生产1.581.711.571.701.511.72原材料生产9.7910.589.8010.599.3210.59娱乐文化5.135.555.135.554.875.53合 计92.4810092.5010088.00100

3.3 漓江流域生态系统服务价值的空间分布

在ArcGIS 10.0软件中,基于1 km×1 km网格分别计算2000、2010、2016年漓江流域生态系统服务价值的空间差异,将生态系统服务价值分为极低(<45万元/hm2)、 低(45～90万元/hm2)、 中(90～135万元/hm2)、 高(135～180万元/hm2)和极高(>180万元/hm2)5个级别(图4)[29]。流域生态服务价值极低的区域主要分布在兴安县的东南方向、临桂区、雁山区以及桂林市中心城区(叠彩区、 秀峰区、 七星区、 象山区),且极低区域有扩大的趋势,特别是2010—2016年,扩大范围广。生态系统服务价值的极低区域与建设用地及耕地空间分布相吻合,高和极高区域与林地及水域空间分布相吻合。从时空分布分析,漓江流域的北部生态系统服务价值逐年扩大,中西部的生态系统服务价值逐年减少,低生态系统服务价值区域逐年向极低生态系统服务价值转移；东南部的部分区域(阳朔及灵川的部分区域)及高生态系统服务价值区域有扩大趋势；中南部及主要水域区域出现极高生态面积减少的趋势。生态系统服务价值的空间分布变化表明,漓江流域的源头林地保护初见成效,随着退耕还林政策的逐步实施,有部分区域的生态系统逐步恢复,但是城镇化的发展及人口的增多,造成了建设用地的增多及部分水域面积的减少,从而导致生态系统服务价值的降低,流域内生态系统的破坏超出了对生态系统的保护。

4 结 论

(1)基于3S技术,研究漓江流域土地利用时空变化对生态系统服务价值的影响,为漓江流域土地利用发展提供了参考依据。通过对研究区域2000—2016年间土地利用图进行变化分析发现,流域土地利用发生了较大变化,自2007年桂林市“再造一个新桂林”的战略部署后, 建设用地增加显著。 建设用地增加主要发生在临桂区、桂林市中心城区及兴安县等。

图4 2000—2016年漓江流域生态系统服务价值时空分布Fig.4 Temporal and spatial distribution of ecosystem service value in Lijiang River basin from 2000 to 2016

(2)根据不同的地域特点,对流域的单位面积耕地食物生产生态价值进行修订,结合流域土地类型面积计算生态系统服务价值,结果发现生态系统服务总价呈先微弱增加后下降的趋势,土壤形成与保护、水源涵养、气体调节这3项生态系统服务功能占主要比例。2000—2016年间生态系统服务价值(ESV)的变化表明，研究区内生态与环境正在逐步退化,流域土地利用变化,特别是城市扩张对生态系统服务产生重大影响。

(3)生态系统服务价值极低区域出现上升趋势,并主要集中在兴安县东南方向及桂林市中心城区和临桂新区。中值及低值区域逐渐被极低区域所替代,部分极高值区域出现减少趋势。研究期间,只有北部及东南部的部分区域出现生态系统服务增加的趋势。随着发展,流域的土地利用类型结构发生变化,建议相关部门在土地利用的过程中考虑人为因素对生态系统的影响,在经济发展的同时,要做好生态保护,保护水域、林地、耕地等生态价值系数高的土地利用类型,以提升流域生态系统服务价值,做到经济、社会及生态三者的协调可持续发展。