李辉丹, 叶长盛, 华吉庆

(东华理工大学 地球科学学院, 南昌 330013)

生态系统服务是指通过生态系统的结构、过程和功能直接或间接为人类生存发展提供服务，它是衡量一个地区能否实现可持续发展的核心指标[1]。Costanza等[2]最早对生态系统服务价值评估原理和方法进行研究。谢高地等[3]通过调查和总结，制定了我国生态系统服务价值表。千年生态系统评估(MA)进一步对全球的生态系统服务进行分析和强调[4-5]。“以生态文明为前提，以生态资源保护为抓手，核算国土空间的生态服务价值”已成为我国国土空间规划与管理的必然要求。土地利用变化在土地资源的结构、类型和改变土地生态系统结构与功能两个方面均影响土地生态系统的风险和健康，对生态系统维持其服务功能起决定性作用[6]。土地利用与生态系统之间相互影响，相互制约。随着城镇化加速推进，土地利用变化引起的生态环境问题愈加增大，两者的相互影响已成为生态学、经济学、地理学等学科的研究热点[7]。开展土地生态系统服务价值评估、探究土地利用变化对生态系统服务价值的影响，有利于加深对区域土地利用变化生态环境效应的了解[8]，可为生态文明建设和土地资源的可持续利用提供参考[9-10]。

目前，国内外学者对土地利用变化与生态系统服务价值的关系展开了广泛而深入的研究，主要通过解译不同区域的遥感影像，修订区域生态系统服务价值当量表，运用土地利用变化动态度、土地利用变化量、景观破碎度、不同土地利用类型对应的生态系统服务价值、生态系统服务价值敏感性分析，进一步从时间和空间角度探讨土地利用变化导致生态系统服务价值变化[11-13]，或者在土地利用类型与景观格局角度下的土地生态系统服务价值之间建立相关关系[14]和生态系统服务价值效益量化研究[15]。研究初步评估了我国陆地生态系统的6种服务功能[16-17]，也发现了区域生态系统服务与社会经济发展密切相关[11-13]，不同区域的土地利用变化对生态系统服务价值系统的影响各不相同，各项服务功能的贡献率大小存在差异[18-21]。

基于此，本文研究以2000年、2005年、2010年、2017年四期南昌市土地利用遥感监测数据，运用土地利用变化动态度模型、多样性指数模型和生态系统服务价值测算模型，深入分析南昌市17 a来土地利用变化对生态系统服务价值的影响，探讨南昌市生态系统服务价值与建设用地之间的关系，为区域土地可持续利用和生态文明建设提供参考。

1 研究区概况

南昌市位于江西省中偏北，地处赣江、抚河下游，鄱阳湖西南岸，包括东湖区、西湖区、青山湖区、青云谱区、湾里区、新建区6区和安义县、南昌县、进贤县3县，范围为东经115°27′—116°35′，北纬28°10′—29°11′，土地总面积7 194.61 km2。南昌市以平原为主，东南地势平坦，西北丘陵起伏，湖泊繁多，水域面积达2 204.37 km2，占29.78%。2017年，南昌市常住人口达546.35万人，城镇人口为400.59万人，城镇化率为73.32%，地区生产总值为4 819.76亿元，是江西省人口较多、经济较发达地区之一。近几年，南昌市的经济发展迅速，城镇化和工业化水平明显提高，建成区面积不断扩大，随着红谷滩新区、瑶湖片区、九龙湖片区等新城大规模开发[22]，南昌市城镇化、工业化步伐显著加速，城市人口快速增长，城镇建设用地持续扩张，2017年建成区面积比2000年增加了247.56 km2。快速城镇化和工业化，土地利用变化迅速，生态用地不断萎缩，生态环境愈加脆弱，生态文明建设愈发重要。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

原始数据源为2000年、2005年、2010年、2017年4个时期的Landsat TM/ETM+遥感影像，空间分辨率30 m×30 m，经辐射纠正、几何校正、图像配准和人工解译等处理后得到不同年份的土地利用现状图。依据中科院遥感解译分类和全国土地资源遥感分类系统，把研究区土地利用类型划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地共6种类型。运用外业调查和随机抽取动态图斑进行重复判读分析相结合的方法评价分类精度，通过分类误差及Kappa系数检验，总体精度均达到85%以上，达到研究所需数据精度要求[22]。

2.2 土地利用变化动态度模型

为更好描述土地利用变化幅度，计算某一用地类型在研究期内的变化量，即为净变化量(Ci)[23]，计算公式为：

Ci=uib-uia

(1)

式中：Ci为用地类型i的净变化量；uia，uib分别为该用地类型i研究初期和末期的值；

土地利用类型动态度指某研究区在一定时间范围内某种土地利用类型的数量变化情况[24]，利用土地利用类型动态度模型分析南昌市土地利用变化情况，计算公式为：

(2)

式中：Ki为动态度；t为研究期某种土地利用类型的变化年份，综合土地利用动态度等于各用地类型Ki的和。

多样性指数为一个评价种类多少、结构合理性的指标，运用多样性指数模型对研究区进行土地利用分析[25]。计算公式为：

(3)

式中：Qm为多样性指数；xi为研究区内第i类土地利用类型面积；n为研究区内的土地利用类型总数。

2.3 土地生态系统服务价值评价方法

以Costanza[2]和谢高地等[3]确定的生态系统服务价值系数，结合中国陆地生态系统单位面积生态服务价值研究结果及南昌市的实际情况，得到南昌市土地生态系统单位生态服务价值。以南昌市2000—2015年平均粮食单产(5 995.50 kg/hm2)和2015年粮食平均单价(3.95元/kg)为基准[12]，根据没有人力投入的自然生态系统提供的经济价值等于现有单位面积农田提供的食物生产服务经济价值的1/7[26]，计算出南昌市一个当量因子的价格约为3 383.17元/hm2。参照谢高地[3]构建的中国陆地生态系统服务价值当量因子表，结合江西省不同生态系统单位面积生态服务价值当量因子表和综合比较区域自然情况，得到南昌市单位面积土地生态系统服务价值(表1)，其中建设用地的生态服务价值不作估算(其生态服务价值为0)，由此可计算出南昌市的土地生态系统服务价值。计算公式为：

(4)

式中：ESV是研究区生态系统服务价值总量(当量)；VCi为第i类土地利用类型的单位面积生态系统服务价值(当量/hm2)；Ai为第i类土地利用类型的面积(hm2)；i为土地利用类型。

表1 南昌市土地利用类型的生态系统服务价值系数 元/(hm2·a)

2.4 相关性分析

SPSS是一种集成化的计算机数据处理应用软件，主要包括数据录入、数据编辑、统计分析及二次开发等功能。相关分析主要是将变量之间联系的紧密程度用数量的方法表现出来。本文采用皮尔逊(Pearson)和斯皮尔曼(Spearman)来反映2000—2005年、2005—2010年、2010—2017年3个时间段南昌市建制镇单元的乡镇生态系统服务价值与建设用地的相关关系[27]。

3 结果与分析

3.1 土地利用结构变化

2000—2017年，南昌市主要的土地利用类型是耕地、水域和林地，4个时期三者面积之和占南昌市总面积的89.68%，86.87%，86.47%，84.80%(图1，表2)。

17 a间，南昌市土地利用面积出现减少用地类型包括耕地、林地、草地、水域和未利用地，其中耕地和林地的净减少量较大，分别为-24 947.13 hm2和-6 510.44 hm2，而建设用地净增加量最大，为42 320.19 hm2，2017年建设用地比例上升至10.11%。建设用地的增加量与耕地、林地、水域面积的减少量基本相等，表明这期间城市扩张中增加的建设用地可能来自减少的耕地、林地和水域。

2000—2005年建设用地的面积变化最大、变化率最快，增加20 889.18 hm2，增幅是68.61%，其他用地类型面积均在减少，耕地面积减少最多，为-15 832.82 hm2，说明南昌市在此期间城市化、工业化进程明显加速。2005—2010年，水域面积稍有减少，建设用地面积稍有增加。2010—2017年，建设用地显著增加(19 197.73 hm2)，耕地面积明显减少(12 301.32 hm2)，其他用地类型的变化幅度较小。近17 a来，南昌市的土地利用变化较大，耕地、林地、草地、水域和未利用地面积均减少，其中耕地面积减少了24 947.13 hm2，占南昌市土地总面积的3.47%，建设用地增加了42 320.19 hm2(占5.88%)。耕地的减少和建设用地的增加，表明人类活动对土地利用变化的影响加强，城市化进程加快。

3.2 土地利用变化动态度和多样性指数分析

3.2.1 土地利用变化动态度分析 土地利用变化动态度表征土地利用变化速度的快慢，反映人们活动对自然环境的影响程度。根据式(2) ，得到南昌市土地利用变化动态度(表3)。

图1 2000-2017年南昌市土地利用类型分布

表2 2000-2017年南昌市各土地利用变化情况

地类年份耕地面积/hm2比例/%林地面积/hm2比例/%草地面积/hm2比例/%水域面积/hm2比例/%建设用地面积/hm2比例/%未利用地面积/hm2比例/%2000403510.1456.01121315.8016.849245.271.28121260.9416.8330444.984.2333985.594.722005387677.3253.81119867.8316.648870.191.23118248.2116.4151334.167.1333765.024.692010390864.3354.26118305.3916.427337.031.02113739.6915.7953567.447.4435948.884.992017378563.0152.60114805.3615.957479.271.04116933.9316.2572765.1710.1129164.744.052000—2005-15832.82-3.92-1447.97-1.19-375.08-4.06-3012.73-2.4820889.1868.61-220.57-0.652005—20103187.010.82-1562.44-1.30-1533.16-17.28-4508.52-3.812233.284.352183.866.472010—2017-12301.32-3.15-3500.03-2.96142.241.943194.242.8119197.7335.84-6784.14-18.872000—2017-24947.13-6.18-6510.44-5.37-1766.00-19.10-4327.01-3.5742320.19139.01-4820.85-14.18

表3 2000-2017年南昌市单一土地利用动态度变化

南昌市在2000—2017年各土地利用类型动态度变化较大，建设用地的动态度为正数(8.18%)，说明建设用地面积增速最大；耕地、林地、草地、水域和未利用地的动态度为负数，表明它们的面积减少，其中草地的单一动态度最大。2000—2005年，草地减少速度最快，为0.81%，耕地次之；2005—2010年，草地、水域、林地减少速度加快，建设用地面积增加速度放缓，耕地略有增加；2010—2017年，建设用地面积增加速度达5.12%，耕地、林地和未利用地面积减少速度分别为0.45%，0.42%和2.70%，增速最慢为草地。

3.2.2 多样性指数分析 将南昌市各土地利用类型面积代入式(3) 计算出2000年、2005年、2010年、2017年的土地利用类型多样性指数，分别为：0.624 7，0.647 7，0.645 0，0.659 5。2000—2017年南昌市土地利用的多样性指数均大于0.50，说明该区域的土地利用结构较平衡，多元程度处于中等水平。但多样性指数呈先增后降再增的趋势，增加是因为退耕还林还草政策的推行，降低是因为建设用地增加，耕地被撂荒，未利用地增加。总体看来，2000—2017年南昌市的土地利用多样性指数差异不大，土地利用结构相对稳定。

3.3 生态系统服务变化分析

3.3.1 生态系统服务价值时间变化分析 结合南昌市土地利用类型的生态系统服务价值(表1)和2000—2017年土地利用数据，得出南昌市2000—2017年的土地生态系统服务价值。结果表明2000—2017年南昌市土地生态系统服务价值总体呈下降趋势(表4)。2000—2005年，南昌市土地生态系统服务价值由375.35亿元减至365.80亿元，年均减少1.91亿元。2005—2017年，由于南昌市城市化的加快，引起生态用地不合理转化，耕地减少，建设用地增加，产生较大负生态效应，导致土地生态服务价值总体减少，从2005年的365.80亿元减至357.47亿元，年均减少0.69亿元。2000—2017年，土地生态系统服务价值呈先加速减少再缓慢减少趋势。

南昌市生态系统服务的提供主体排序为：水域>耕地>林地>草地>未利用地(表4)。水域生态系统是南昌市生态系统服务的主要提供者，占南昌市总生态服务的49.41%以上，其次是耕地(占24.76%以上)，表明水域和耕地对南昌市的生态系统服务价值影响最大。近17 a来，耕地面积大幅减少(减少了24 947.13 hm2)，主要转变成建设用地，导致南昌市生态服务功能连续下降。此外，水域、林地和草地呈减少趋势，进一步造成南昌市生态服务功能持续下降。

表4 2000-2017年南昌市土地生态系统服务价值

3.3.2 生态系统服务价值的空间分异 土地生态系统服务价值受土地利用结构和土地利用布局的影响，对2000—2017年南昌市各区(县)土地利用生态系统服务价值的空间分布特征进行分析(表5，表6)。

2000—2017年，进贤县、新建县和南昌县三县的土地生态系统服务价值总量居全市前三，其中2000年新建县的最高，达115.24亿元，随着新建县的水域和耕地面积的减少，2005年、2017年，进贤县的土地生态系统服务价值最高；青云谱区的服务价值最低，仅有0.46亿元。进贤县、南昌县和新建县因水域和耕地面积较大，土地生态系统服务功能较强，其中水域和耕地提供的服务价值总量最高分别为64.41亿元(2005年，进贤县)和30.23亿元(2005年，南昌县)；安义县和湾里区是南昌市林地较集中分布地，土地生态系统服务价值较高。

表5 2000-2017年南昌市生态系统服务价值总量 亿元

表6 2000-2017年南昌市单项生态系统服务价值 亿元

2000—2017年，调节服务功能是南昌市土地生态系统的主要功能，最高达254.83亿元，占全市土地生态系统服务总价值的67.59%以上，其次是支持服务和供给服务，其值最高分别为70.63亿元、26.67亿元，最后是文化服务的价值，最高仅为23.22亿元。根据南昌市土地生态系统服务价值的9种二级服务功能，主要服务功能是水源涵养、废物处理、土壤形成与保护和生物多样性保护，其价值之和分别为278.62亿元、271.43亿元、264.79亿元和265.94亿元，分别占总服务价值的74.22%，74.20%，73.96%和74.39%，其次是气候调节、娱乐文化和气体调节，食物生产和原材料服务的价值量较小。

2000—2017年，南昌市整个生态系统服务价值量由高到低依次大致为进贤县、新建县、南昌县、安义县、湾里区、青山湖区、东湖区、西湖区、青云谱区(表6)，各单项生态服务功能的区域差异较大。调节服务功能主要分布在进贤县和新建县，最高分别提供80.08亿元和78.27亿元，占南昌市的32.25%和31.20%，青云谱区调节服务功能最低，其中2017年为0.38亿元；供给服务功能主要分布在进贤县和新建县，支持服务和文化服务主要分布在进贤县、新建县、南昌县和安义县，其中四县的支持服务功能占南昌市的89.19%，90.07%，90.00%和89.74%，西湖区和青云谱区均较低。

为更好地体现南昌市土地生态系统服务价值的空间差异，进一步计算南昌市各镇(街)的土地生态系统服务价值(图2)。

图2 南昌市2000-2017年单位面积生态系统服务价值空间分布变化

结果表明，2000—2017年，南昌市各乡镇(街道)的单位面积ESV(元/hm2)的波动范围为：0～118 840.33，差异明显。为进一步分析变化情况，将单位面积分级[28]，即单位面积ESV(元/hm2)分为0，小于30 000，30 000～60 000，大于60 000共4个等级。2017年0元/hm2的乡镇(街)分布较多，主要是这些镇的土地利用类型仅有建设用地，而建设用地的生态系统服务价值为0。小于30 000元/hm2的乡镇，2000—2010年分布较少，基本相同，其中湖坊镇的最小，分别为20 449.66元/hm2，3 774.28元/hm2，3 739.47元/hm2；2017年分布较多，主要是因为建设用地面积大，其他用地类型面积小且总的土地面积较小，土地生态系统服务价值功能较差，其中洪都街道仅为158.28元/hm2。2000—2017年，30 000～60 000元/hm2的乡镇分布较多，均占全市一半以上，其中2010年最多，达83个乡镇(街道)；2000—2010年，大于60 000元/hm2的镇(街)呈减少趋势，由19减少至14，主要因为建设用地增加和耕地、水域面积减少。其中，军山湖管委会的单位面积ESV(元/hm2)最大，分别为118 646.40元/hm2，118 840.33元/hm2，118 357.69元/hm2，主要由于耕地面积和水域面积比重大，生态系统服务功能强。2017年滕王阁街道的值最大，达101 304.22元/hm2。

注：单位为元/hm2。

图3 南昌市2000-2017年单项生态系统服务价值的空间差异

从南昌市各镇(街)土地生态系统服务价值的单项生态服务功能来看(图3)，2000—2017年，调节服务功能较低的镇(街)集中分布在南昌中心城区及其周围。2000—2010年最低的乡镇均为湖坊镇，分别为10 351.89元/hm2，1 931.31元/hm2，1 913.40元/hm2；2017年，较低的为：西湖区的朝阳洲街道、丁公路街道、广润门街道、南浦街道、南站街道、绳金塔街道、桃源街道，东湖区的公园街道，青云谱区的三家店街道、南昌昌南工业园，青山湖区的上海路街道。这些区域由于建设用地面积比重大，调节功能差。调节功能较强的区域则主要分布在水域面积较大的镇(街)，如新建县的南矶乡，进贤县的南台乡和三阳集乡，其中2000—2010年单位面积调节服务最高的军山湖管委会，分别为98 217.20元/hm2，98 392.91元/hm2，97 820.45元/hm2，2017年为滕王阁街道；供给服务功能较强的镇(街)集中在南昌的西部和东南部，单位面积供给服务最高的为梅岭镇，分别为8 535.23元/hm2，8 551.76元/hm2，8 625.70元/hm2，8 555.73元/hm2；支持服务功能强的镇(街)分布在南昌西北部和东南部，以湾里区的梅岭镇最高，分别为22 496.70元/hm2，22 525.68元/hm2，22 656.66元/hm2，22 464.99元/hm2，较低地区仍然为南昌市中心城区及周围镇(街)；2000—2010年文化服务较高的镇(街)主要分布在南昌市西部，2017年集中分布在南昌市的北部和东部，较低区域均集中在南昌市中心城区和周围镇(街)，其中2000—2010年以朝阳农场最高，分别为256 332.60元/hm2，256 306.07元/hm2，256 306.07元/hm2，2017年以滕王阁街道最高，为9 564.07元/hm2。

3.3.3 南昌市的建制镇生态系统服务价值与建设用地变化量的相关分析 计算出2000—2005年，2005—2010年，2010—2017年3个时段各建制镇的生态系统服务价值变化量与建设用地面积变化量(图4，其中ESV表示生态系统服务价值变化量，J表示建设用地变化量)，进一步对各建制镇生态系统服务价值变化量与建设用地变化量进行相关分析(表7)，将皮尔逊和斯皮尔曼系数作为相关性检验指数。

图4 不同时段各区域ESV变化量与建设用地面积变化量

表7 不同时段相关系数表

注：*和**分别表示计算的相关系数单侧概率小于0.05，0.01。

两变量的皮尔逊相关系数和斯皮尔曼相关系数均小于零，呈负相关，说明建设用地增加的地区，生态系统服务价值有减少的趋势。

2000—2005年和2010—2017年两个时间段的皮尔逊相关性和斯皮尔曼相关性较低，均低于0.60，其中2010—2017年的皮尔逊为-0.207，相关性不显著，表明该期间生态系统服务价值的减少不单单是因为建设用地面积增加还与有效控制新增建设用地面积、合理利用耕地相关。

2005—2010年的皮尔逊和斯皮尔曼相关性的检验结果均为显著相关，分别为-0.781和-0.664，说明这期间各乡镇的建设用地面积明显增大，生态系统服务价值则显著减少，建设用地的快速增长明显影响到生态系统服务价值的增减。

4 结 论

(1) 2000—2017年，南昌市耕地减少最多，建设用地增加最多，土地利用程度较高，多样性指数处于中等水平，土地利用结构相对稳定。2000—2017年ESV总体呈下降趋势，由375.69亿元减至357.47亿元，主要因为土地利用结构的不合理，引起生态效应下降；生态系统服务提供主体排序为：水域>耕地>林地>草地>未利用地。水域生态系统是南昌市生态系统服务的主要提供者，占南昌市总生态服务的49.41%以上，水域、林地和草地面积的减少造成南昌市生态服务功能持续下降。

(2) 南昌市整个生态系统服务价值量由高到低依次大致为进贤县、新建县、南昌县、安义县、湾里区、青山湖区、东湖区、西湖区、青云谱区，且各单项生态服务功能的区域差异较大。调节服务功能主要分布在进贤县和新建县，分别占南昌市的32.25%和31.20%，青云谱区调节服务功能最低，其中2017年为0.38亿元；供给服务功能主要分布在进贤县和新建县，支持服务和文化服务主要分布在进贤县、新建县、南昌县和安义县，其中四县的支持服务功能占南昌市的89.19%，90.07%，90.00%和89.74%，西湖区和青云谱区均较低。

(3) 南昌市内各乡镇(街道)的单位面积ESV(元/hm2)的波动范围为：0～118 840.33元/hm2，差异明显。其中30 000～60 000元/hm2的乡镇分布较多，占全市一半以上，以2010年最多，达83个乡镇(街道)。2000—2010年大于60 000元/hm2的镇(街)呈减少趋势，由19个减至14个，军山湖管委会的单位面积ESV(元/hm2)最大，主要由于耕地面积和水域面积比重大，生态系统服务功能强。2017年滕王阁街道的值最大，达101 304.22元/hm2。调节服务功能较低的镇(街)主要集中分布在南昌中心城区及其周围，这些区域由于建设面积比重大、调节功能差，供给服务功能较强的镇(街)集中在南昌的西部和东南部，支持服务功能强的镇(街)分布在南昌西北部和东南部，以湾里区的梅岭镇最高，文化服务较低区域集中在南昌市中心城区和周围镇(街)。

(4) 南昌市各建制镇的生态系统服务价值与建设用地面积呈负相关关系，其中2005—2010年，两变量间的相关性明显。建设用地的快速增长明显影响到生态系统服务价值的增减。

因地制宜，抓住林地和水域这两大优势，将“绿水青山就是金山银山”理念深入贯彻，生态优先合理开发；切实保护耕地，合理调整建设用地，尽量不占或少占用耕地，科学开发未利用地，加大经济投入，提高耕地质量，创新土地制度；增强环保意识，加大对河湖的富营养化处理，治理生态环境，进一步提高南昌市的ESV，经济和环境协调发展。同时为进一步研究，可对南昌市的生态系统单位面积生态服务价值当量表进行修订并对南昌市的土地生态系统服务价值进行空间自相关分析。