基于土地利用变化的连云港海岸带生态系统服务价值评估

2020-07-20付永虎宗婷刘俊青

江苏农业科学 2020年12期

付永虎宗婷刘俊青

摘要：基于连云港市1987年、1995年、2002年、2009年、2017年等5期Landsat影像，采用基于当量因子的生态系统服务价值评价方法和敏感性分析方法，分析连云港海岸带土地利用变化引起的生态系统服务价值变化。结果表明：（1）1987—2017年，连云港海岸带各地类面积整体上呈现“五减三增”的态势，即耕地、林地、水域、盐田和未利用地面积有所减少;滩涂、其他建设用地和住宅用地面积有所增加;（2）连云港海岸带土地利用生态系统服务总价值呈持续减少趋势，从1987年的87.59亿元减少到2017年的54.51亿元，减少33.08亿元;（3）在土地利用类型方面，除滩涂外，其他土地利用类型的生态系统服务价值变化趋势与研究区总价值变化趋势基本保持一致，在生态服务功能中，水文调节对海岸带生态系统服务价值贡献率最大，各时间段均超过70%;（4）敏感性分析结果表明，各土地利用类型的敏感性指数均小于1，表明生态系统服务总价值对价值系数缺乏弹性，研究结果可信。研究成果对于连云港海岸带土地的可持续利用具有重要的指导意义。

关键词：土地利用变化;生态系统服务价值;敏感性分析;海岸带;连云港

生态系统服务是生态系统所形成和维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用[1-2]，强调在生态环境过程、人口增长、社会经济发展等多重约束和限制下，生态系统为人类社会提供服务的能力[3-4]。作为自然与经济耦合系统的重要联结点，生态系统服务作用于人类社会经济[5]，同时又受到土地利用变化的影响。土地是人类生存最基本的物质载体，人类通过对土地的开发与利用，改变了地表土地利用的结构。土地利用变化能通过改变生态系统结构与生态过程，对生态系统维持及服务功能起到决定性作用，进而制约了人类社会的可持续发展[6]。因此，探讨土地利用变化对生态系统服务价值的影响已成为当前生态经济学领域的重要研究课题。

海岸带是海洋系统与陆地系统交互作用的生态交界地带。作为地球表面最为活跃，自然现象与过程最丰富，资源品种类别、环境条件和地理区位最为优越的地区[7]，海岸带已成为人类活动最密集、土地利用变化影响最显著的脆弱性地带[8-9]。近年来，随着海岸带资源开发利用程度的逐步提高，海岸带的土地利用结构与生态过程亦发生了深刻而显著的改变，其变化过程对生态系统服务价值变化与维持起到了决定性作用[10]。探究海岸带土地利用变化对生态系统服务的影响，可为提高海岸带资源利用与制定土地开发、整治政策，促进沿海地区社会经济可持续发展提供理论与方法支撑。目前，针对海岸带生态系统服务的研究已有诸多报道，主要集中在海岸带生态系统服务的分类[11-12]、生态系统服务价值核算及时空演变[13-14]，以及对滨海生态系统[15]、海岸带湿地生态系统[16]和红树林生态系统[17]等单一生态系统服务价值的评估[18]。在国内，其研究区主要集中于山东省[19-23]、辽宁省[24-27]、福建省[28-29]及海南省[30]，对占全国海洋带1/4的江苏省海岸带生态系统服务的研究相对较少[31-32]。连云港作为新亚欧大陆桥东方桥头堡、“一带一路”交汇点核心区先导区，自1996年江苏省实施“海上苏东”开发战略以来，连云港海岸带已成为江苏省沿海开发的核心区域，同时也成为土地开发与资源保护之间矛盾最为尖锐的地区之一。因此，本研究选取连云港海岸带为研究对象，根据1987年、1995年、2002年、2009年、2017年等5个不同时期的遥感影像，综合运用ENVI、ArcGIS等软件，进行基于土地利用变化的海岸带生态系统服务价值评估;在此基础上，采用敏感性分析方法，验证生态系统服务价值测度数据的精准性和有效性，以期为连云港海岸带的综合管理和区域可持续发展提供决策支持。

1 研究方法与数据处理

1.1 研究区概况

连云港位于我国沿海中部（图1），江苏省东北部;介于33°59′～35°07′N，118°24′～119°48′E之间。连云港属暖温带和北亚热带的过渡区域，年均气温为14.1 ℃，年均降水量为883.6 mm[33]。连云港土地总面积约为7 615 km2，海域面积约为 6 677 km2。辖区海岸带狭长曲折，北起苏鲁交界的绣针河口，南至灌河口，全长为211.59 km。连云港海岸带类型多样，主要以泥质海岸为主，另外还有部分砂质海岸与基岩海岸。近年来，海岸带主要用于旅游、海水养殖、港口码头、工程用海等，辖区拥有江苏省最大的海港——连云港港。区内土地利用类型以其他建设用地、水域和盐田为主，2017年海岸带其他建设用地面积为334.76 km2，占土地总面积的39.24%;水域面积为142.11 km2，占土地总面积的16.66%。

1.2 研究方法

1.2.1 土地利用动态度土地利用動态度是分析土地利用变化动态的重要指标，可指征研究区某一时间段内土地利用类型的变化程度[34]。本研究采用单一土地利用类型动态度指数，计算公式如下：

式中：k为研究时段内某一土地利用类型动态度;La表示研究初期某一土地利用类型的面积;Lb表示研究末期某一土地利用类型的面积;D为研究时段长，当D的时段设定为年时，k的值就是该研究区某种土地利用类型的年变化率[35]。

1.2.2 生态系统服务价值估算本研究在依据Costanza划分的生态系统服务类型的基础上，采用谢高地等提出的2015年我国生态系统单位面积生态服务价值当量表及其换算方法，将连云港海岸带的生态系统服务价值当量因子定为连云港市1987—2017年单位面积粮食产值的1/7[36]，得出连云港海岸带一个当量因子的生态系统服务价值为2 310.97元/hm2，最终确定研究区不同地类生态系统服务价值系数（表1）。同时，将连云港海岸带的各种土地利用类型与最接近的生态系统类型对应起来，考虑到建设用地对生态环境的效应为负值，本研究不计算其生态系统服务价值。

式中：ESV表示研究区生态系统服务总价值，元;Si表示单位面积上土地利用类型i的生态系统服务价值，元/（hm2·年）;Ti表示研究区土地利用类型的面积，hm2;ESVk为研究区生态系统的单项服务价值，元;Ski为单位面积上土地利用类型i的生态系统单项服务价值，元/（hm2·年） [37]。

1.2.3 生态系统服务价值敏感性分析本研究采用敏感性指数（CS）来验证生态系统类型对各地类的代表性和生态价值的准确程度。参考已有研究，本研究通过向上和向下调整各地类单位面积生态系统服务价值当量50%来计算敏感性指数[38]，计算公式如下：

式中：CS表示敏感性指数;ESVP为原始生态系统服务总价值;ESVq为调整后生态系统服务总价值;Vpr为第r类土地利用类型未调整前的价值系数;Vqr为第r类土地利用类型调整后的价值系数。当CS<1时，说明ESV对V缺乏弹性，其准确性、可信度都比较高;反之，当CS>1時，说明生态系统服务价值对价值当量是敏感的、富有弹性的，但其准确性低，结果可信度也较低。

1.3 数据处理

1.3.1 数据来源本研究所用数据主要包括5期遥感影像数据（表2）、连云港市行政区划图、1987—2017年《连云港统计年鉴》和《连云港市国民经济和社会发展统计公报》以及相关文献资料。

1.3.2 数据预处理基于ENVI 5.1平台，运用Gram-Schmidt（GS）融合法分别对5期影像进行增强处理，生成5幅分辨率较高且颜色较好的图像。以2017年影像为基准，在ENVI Classic中对其他4幅影像进行几何校正;在ArcGIS中将融合后的2017年影像打开，以2017年遥感影像为基准提取海岸线，利用缓冲区工具分别向陆地缓冲5 km，向海洋缓冲2 km得到缓冲区范围，参照连云港市行政区范围对缓冲区进行修改，得到最终的研究区矢量范围。

1.3.3 遥感影像解译根据GB/T 21010—2017《土地利用现状分类标准》，结合连云港海岸带特有的地类物种和遥感影像的分辨率，将研究区土地利用类型划分为耕地、林地、滩涂、水域、盐田、住宅用地、其他建设用地、未利用地等8类（图2至图6）。基于ENVI 5.1平台，运用最大似然法分别对5期预处理后的影像进行监督分类，并运用主次要分析进行分类后处理，得到最终分类结果。解译结果采用混淆矩阵法进行精度验证，本次影像分类精度总体介于90.20%～95.91%之间，κ系数总体达0.910以上，解译精度满足研究需求。

2 结果与分析

2.1 土地利用变化分析

2.1.1 土地利用结构分析由表3可知，影像解译得到的连云港海岸带土地利用类型总面积为853.12 km2。总体来看，1987—2017年连云港海岸带土地利用类型以水域、盐田和其他建设用地为主，其中1987年、1995年和2002年面积最大的土地利用类型均为水域，其面积占总面积的29.13%～31.86%;2009年和2017年面积最大的土地利用类型均为其他建设用地，2017年所占比例高出2009年10百分点左右;未利用地始终是面积最小的土地利用类型，面积最大仅为17.77 km2，均未超过总面积的3%，占总面积的0.54%～2.09%。

2.1.2 土地利用动态度分析由表3和表4可知，1987—2017年连云港海岸带不同土地利用类型呈“五减三增”的态势，即耕地、林地、水域、盐田和未利用地面积总体上有所减少;滩涂、其他建设用地和住宅用地面积总体上有所增加。具体来说，1987—2017年，耕地、水域和未利用地的面积持续减少，其中水域的面积减少量最大，由1987年的271.77 km2减少到2017年的142.11 km2，减少129.66 km2，其中2009—2017年的变化速度最快，土地利用动态度为-4.62%，这一变化主要是2009—2017年连云港大力进行围海建设和围海制盐所致。其次是耕地，由1987年的98.28 km2减少到2017年的46.97 km2，减少51.31 km2，住宅用地和其他建设用地是其转化的主要目标地类，沿海开发以及产业结构调整是其变化的主要原因。未利用地在此期间变化不大，31年间仅减少13.20 km2，但其转化率较高，说明未利用地的开发利用较为充分。与此同时，住宅用地和其他建设用地面积不断增加且后者增量远高于前者，所占比重分别由1987年的3.09%、15.42%上升到2017年的8.53%、39.24%，但研究期（1987—2017年）内住宅用地的土地利用动态度却高于其他建设用地，这一变化的主要原因是因为研究区人口不断增长，对于住宅用地的需求更大，更加频繁的社会经济活动也直接导致了其他建设用地的大幅度增加。林地面积经过了增减不断交替的阶段，由1987年的79.12 km2减少到2017年的53.26 km2，在研究期内，2009—2017年的动态度最低。滩涂面积经过先减后增2个阶段，由1987年的41.74 km2增加到2017年的 91.18 km2，其中2002—2009年动态度达11.16%。1987—2017年，连云港经历了大力发展盐业化工到限制盐业产业发展政策的调整，导致盐田面积经过先增后减2个阶段，由1987年的186.53 km2减少到2017年的107.51 km2，虽然1987—2017年盐田的土地利用动态度仅为-1.41%，但其面积变化量在所有地类中居于第3位。

2.2 生态系统服务价值变化分析

2.2.1 各土地利用类型的生态系统服务价值变化分析根据连云港海岸带各地类生态系统服务价值系数（表1），结合研究区1987—2017年各地类面积（表3），利用公式（2）和公式（3）计算出研究区1987—2017年各地类生态系统服务价值及变化情况（表5和表6）。

由表5和表6可知，研究期内水域的生态系统服务价值远远超出其他土地利用类型，占生态系统服务总价值的比例最低为75.67%，最高可达91.99%，滩涂、林地和耕地次之，未利用地的生态系统服务价值最低。1987—2017年，连云港海岸带生态系统服务总价值呈现持续减少的态势，从1987年的87.594亿元减少到2017年的54.511亿元，减少33.08亿元，降幅为37.77%，其中2009—2017年生态系统服务总价值下降最为明显，主要是因为近年来连云港大力实施围海造地项目，城市建设和工业生产用地急剧增加，近岸海域锐减，进而导致生态系统服务价值大幅度减少。研究区内，不同地类生态系统服务价值呈现“一增四减”的态势。具体来说，滩涂的生态系统服务价值由1987年的5.02亿元增加到2017年的10.96亿元，增加量为5.94亿元，变化率大于1;耕地、林地、水域和未利用地的生态系统服务价值则出现下降的趋势，其中下降最明显的是水域，共减少37.64亿元，变化率为47.71%，2017年其生态系统服务价值达到最低，为41.25亿元，但仍是生态系统服务总价值的最主要组成部分，如果其面积大幅度减少就会失去对生态系统服务总价值的重要支撑作用，说明保护水域具有重要的生态意义。

2.2.2 各项生态服务功能的生态系统服务价值变化分析从各项生态系统服务功能的价值构成（表7和表8）来看，水文调节对于连云港海岸带生态系统服务总价值的贡献率最高，各时间段贡献率均超过70%;其次是水资源供给和净化环境，贡献率分别为6%、5%左右;气体调节、气候调节、土壤保持和美学景观等4项生态服务功能占生态系统服务价值总量的1%～4%;食物生产、原料生产和维持养分循环等3项功能服务价值均低于1亿元。这表明连云港海岸带主要以调节服务为主，在与人类生活直接相关的生态服务功能方面相对薄弱。

总体来看，在连云港海岸带各项生态服务功能中，除生物多样性的生态系统服务价值有轻微的上升外，其他生态服务功能价值量均呈现不同程度的下降，其中食物生产、水资源供给、净化环境和水文调节等4项功能在研究期内持续下降，下降幅度最明显的是水文调节功能，从1987年的67.50亿元下降到2017年的39.26亿元，减少28.24亿元，下降幅度为41.84%，这主要是水域面积大幅度减少所致，其他3项功能价值的减少量依次为0.32亿、2.05亿、1.35亿元;原料生产、气体调节、气候调节、土壤保持、维持养分循环、生物多样性的价值量均经历了先减后增再减的过程，变化幅度均小于1%;就美学景观而言，随着连云港市交通基础设施的完善与港口码头的建设，大面积的盐田变为采矿用地，因此研究区内生态系统美学景观价值有所下降。

2.3 生态系统服务价值敏感性分析

由表9可知，1987—2017年连云港海岸带生态系统服务总价值对价值系数弹性较弱，不同土地利用类型敏感性指数均小于1，通过敏感性指数测算可得出ESV测算数据较为精准，结果可靠，可应用于海岸生态环境相关分析。总体来看，研究区内各土地利用类型敏感性指数由高到低依次为水域、滩涂、林地、耕地、未利用地，其中敏感性指数最高的是1987年的水域，为0.896 2，说明当水域的生态价值系数增加1%时，生态系统服务总价值将增加0.896 2%。1995年未利用地的敏感性指数最低，仅为0.000 01，主要原因在于未利用地面積较小且单位面积的生态系统服务价值较低。

1987—2017年，研究区内敏感性指数在增加的土地利用类型有林地、滩涂，且后者的增长幅度较前者大，从1987年的0.057 3增加到2017年的0.201 1，增长0.143 8，表明其单位面积生态系统服务价值系数变化对生态系统服务总价值产生了放大作用;耕地、水域和未利用地的敏感性指数总体呈减少趋势，其中耕地由1987年的0.010 2减少到2017年的0.007 9，减少0.002 3，水域由1987年的0.896 2减少到2017年的0.752 5，下降0.143 7，未利用地则从1987年的0.000 05下降到2017年的0.000 04，仅下降0.000 01，表明三者单位面积生态系统服务价值系数变化对生态系统服务总价值影响的能力在逐渐减弱。忽略建设用地敏感性指数不计，5个不同年份各土地利用类型敏感性指数最大值与最小值差值分别为0.896 1、0.457 4、0.889 2、0.837 4、0.752 5，说明不同地类单位面积生态系统服务价值系数的变化对生态系统服务总价值有一定程度的影响。

3 讨论

近年来，随着连云港社会经济的发展和城市化进程的加快，人们在海岸带进行了大规模的土地资源开发利用活动，海岸带面临的生态压力越来越大。本研究以连云港海岸带为例，基于生态学原理，应用敏感性分析方法，进行生态系统服务价值测度研究。结果表明，生态系统服务测度数据有效，能够准确刻画生态系统服务价值随土地利用变化的情况。连云港在重点开发海洋产业，完善涉海基础设施的过程中，对海岸带的土地利用造成了巨大的干扰，近岸海域锐减，进而导致海岸带生态系统服务价值的减少。因此，连云港在发展临海工业的同时，应以生态优先，绿色发展为原则，加大对自然生态系统的保护力度，控制耕地转化为其他建设用地的数量，修复近海重要生态系统功能区，保护海岸线和滩涂资源，提高其生态系统服务总价值，使连云港的海洋产业现代化与海洋生态环境相协调，从而促进海岸带的可持续发展。土地利用变化的驱动力研究是深刻理解人类海岸带土地利用演变的基础。本研究主要采用土地利用动态度来指征土地利用类型的变化情况，初步探讨了研究区各土地利用类型变化的方向。然而囿于社会经济数据有限，未能对土地利用变化的驱动力进行研究。针对生态系统服务价值的核算，本研究采用谢高地等提出的单位面积生态服务价值当量因子法[36]，虽然本研究结合连云港的实地情况进行了适当修正，并运用敏感性分析进行验证，可较为精准地反映研究区生态系统服务价值，但鉴于海岸带生态系统的复杂性，本研究未针对海岸带特殊性生态服务价值进行测算，如海岸防风暴潮和稳定岸线服务等服务价值。在其他数据资料丰富的地区，可在综合各类文献资料、调研数据的基础上，以生态服务价值当量因子法为基础，并结合遥感影像数据对生态系统净初级生产力（NPP）的时空分布状况进行模拟分析。同时，可采用InVEST模型进行海岸带特殊性生态服务价值的测算与多情景分析。

4 结论

本研究基于连云港海岸带5期遥感影像，评估了土地利用变化导致的生态系统服务价值变化，主要结论如下：

（1）1987—2017年，连云港海岸带各土地利用类型的变化趋势为耕地、林地、水域、盐田和未利用地面积有所减少，滩涂、住宅用地和其他建设用地面积有所增加。研究区内，土地利用类型面积总转移量随着时间段后移不断增加，2009—2017年转移量达到446.66 km2，占研究区总面积的52.36%。

（2）研究区不同时段土地利用的变化导致生态系统服务价值发生变化，结果表明，1987—2017年，研究区的生态系统服务总价值量持续下降。1987年的生态系统服务总价值为87.59亿元，2017年的生态系统服务总价值为54.51亿元，减少33.08亿元，降幅为37.77%，表明研究期间土地利用变化一定程度上弱化了生态系统服务功能。

（3）研究期间，不同土地利用类型生态系统服务价值呈现“一增四减”的态势，其中滩涂的生态系统服务价值由1987年的5.02亿元增加到2017年的10.96亿元，增加量为5.94亿元，变化率大于1;耕地、林地、水域和未利用地的生态系统服务价值则出现下降趋势，其中下降最明显的是水域，共减少37.64亿元，变化率为47.71%。在所有生态服务功能中，水文调节对生态系统服务价值的贡献率最高，各时段的贡献率均超过70%。

（4）生态系统服务价值敏感性分析结果表明，1987—2017年，连云港海岸带所有土地利用类型敏感性指数均小于1，说明生态系统服务总价值对于价值系数缺乏弹性，研究结果可信。研究区2017年各土地利用类型敏感性指数从高到低依次为水域、滩涂、林地、耕地、未利用地，水域为0.752 5，滩涂为0.201 1，说明目前水域和滩涂的生态系统服务价值对生态系统服务总价值影响较大。

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