孟 孟, 张 运, 支俊俊, 丁 玥, 王爱芳, 沈 豪

(1.安徽师范大学 地理与旅游学院, 安徽 芜湖 241003;2.资源环境与地理学信息工程安徽省工程技术研究中心, 安徽 芜湖 241003)

随着城市化进程的不断推进，人们的生产、生活和居住方式发生巨大的转变，生态系统也受到了严重的影响，协调社会经济和生态间的矛盾成为当前亟需解决的问题[1-2]。生态系统不仅能够为人类提供各种商品,也在维持生命的支持系统和环境的动态平衡等方面发挥着重要作用[3]。生态系统服务是指通过生态系统维持和实现人类生活的一切条件和过程[4]。不仅为人类提供了各种各样的生产生活原料，还维护着人类必需的生命系统，维持了自然界的生物地球化学循环与水文循环，有助于保持物种与遗传多样性，净化环境、维持大气化学的平衡和稳定性[5-7]。

在人类与自然进行紧密的交互的过程中，土地利用结构的变迁加速了生态系统服务功能的变化。目前，从价值量化的角度来评估土地利用变化引起的区域生态服务效应是生态学领域的研究热点之一[8-10]。虎陈霞等[11]利用生态系统服务价值当量换算方法，研究了嘉兴市30 a多来土地利用动态变化与生态系统服务价值之间的关系，发现土地利用类型和景观格局的变动容易造成生态系统服务功能发生显著变化。孙思琦等[12]结合GIS和RS技术，通过全国平均状态下的生态系统服务单价系数修正，估算出巫山县单位面积生态系统服务价值当量，表明探究城市化下土地利用/覆盖及景观格局的异质性对生态系统服务功能价值的影响对于促进区域土地资源合理利用和生态环境保护具有不可忽视的现实意义。由于生态系统本身所具有的特殊性、复杂性和多元性，不同调查和研究在定量计算时均存在参数选取与赋值等方面的差异。综合分析来看，基于单位生态服务产品价格的当量因子法在进行生态系统服务价值核算时，考虑到了研究区内的作物产值，一般情况下得出的结果较为符合实际情况，但由于数据需求高、评价标准不统一、计算繁琐[13-15]等问题难以实现广泛而高效的应用。而基于标准单位面积价值当量因子的方法则相对简单、易于应用。因此，本研究将以全国标准状态下生态系统单位面积生态服务价值当量表为基础，结合区域修正系数进行调整，以获取更适用于研究区的生态系统服务价值评估指标体系。

作为长三角辐射带动中西部地区发展的国家重要门户城市，南京的新型城镇化建设扎实推进，城乡融合发展不断深入，与此同时所面临的生态环境压力也与日俱增，区域生态系统功能遭到明显削弱[16-18]。本文基于南京市1990—2018年4期的土地利用数据，定量地分析不同年份的土地利用面积和景观格局变化情况，并结合国内外学者针对生态系统服务功能价值的估算方法，评估不同尺度下各种土地利用类型的生态系统服务价值，探讨快速城市化背景下南京市生态系统服务价值时空变化特征，从人为因素和社会经济因素等两个方面综合地分析南京市土地生态服务价值的驱动力影响，为科学地开展生态系统服务价值研究、生态保护与建设、城乡空间布局优化以及土地可持续发展提供重要依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

南京市位于江苏省西南部和长江下游中部，是江苏省的省会城市。其地理坐标为31°14″—32°37″N，118°22″—119°14″E，包括了11个市辖区，全市总面积约6 587.02 km2，常住人口达8.50×106人，城镇化率83.2%，是中国十大城市之一。南京地处宁镇的丘陵地带，地貌变化多样，有环形山脉、条状山脉和箕状盆地。该地区年平均气温15～16 ℃，年平均降雨量约为1 106.5 mm，全市的森林覆盖率约为22%，水域面积达11%以上，对南京市总的生态系统服务价值有较突出的贡献。南京市地理区位条件优越，资源条件丰富，社会经济发展迅速，已进入率先实现现代化、加快城市创新转型的关键时期[19]。在快速城市化进程中，如何高效配置土地资源、最大限度地发挥生态系统服务功能等一系列问题逐渐引起了人们的关注。

1.2 数据来源

改革开放以来，中国走上了快速城市化的道路，统计资料显示中国城市化率从1990年的26.41%增长到2019年的60.60%，尤其在党的十四大以后，我国的城市化进程加速。1991年，南京市政府开始着手修编总体规划，首次提出了“南京都市圈”的概念，并提出加快外围城镇发展，将城市建设重点向外围城镇转移。从人口统计数据和产业数据来看，南京市自90年代以来起，人口每年都呈现出一定的增长趋势，3个产业的年增长速率超过100%，成为了改革开放以来的快速增长时期。鉴于此，本文采用了南京市1990，2000，2010，2018年土地利用数据为基础数据源，根据土地资源及其利用属性，紧密结合全国县级土地利用现状分类系统，将土地利用类型分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地等6个一级类，在本次研究过程中建设用地未被纳入生态系统服务价值估算的范畴。根据南京市统计年鉴，收集1990—2018年粮食作物单产等农业指标，以及人口、社会经济指标等资料，收集整理后作为数据源。本研究中土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http:∥www.resdc.cn)。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用景观格局 由于景观指数能够有效概括景观格局状况，反映土地利用结构和空间配置等[20]，本文利用ArcGIS10.1和Fragstats 4.2，结合1990—2018年南京市土地利用数据，计算出南京市整体情况下的景观指数以及耕地和水域的斑块密度和分离度指数[21]，研究中所使用到的各景观指数及意义如表1所示。

表1 研究中用到的景观指数及其意义

1.3.2 生态系统服务价值评估方法 为了改进Costanza等[4]提出的生态系统服务价值评估方法在中国应用时存在的缺陷，谢高地等[22]人在此基础之上，构建了一种基于专家知识的生态系统服务评估单价体系。该方法根据中国民众和决策者对生态服务的理解程度,将生态服务重新划分为食物生产、原材料生产、美学景观、气体调节、气候调节、水源涵养、土壤保持、废物处理、生物多样性维持共9种类型。本研究参照国内学者研究[23-26]提出的生态系统服务价值估算方法，得到2010年标准生态系统生态服务价值当量因子经济价值量的值为3 406.50元/ hm2。根据南京市统计年鉴，南京市2010年单位面积粮食产量为6 868 kg/hm2，而同期全国单位面积粮食产量分别为 4 973.58 kg/hm2，修正后得到南京市一个生态系统服务价值当量因子为4 704.38 kg/ hm2。根据谢高地等[22]针对农田、森林、草地、湿地、荒漠和水域这6类生态系统所建立的中国生态系统服务价值当量因子表[27]，经过计算得出南京市不同生态系统单位面积的服务价值系数(表2)，计算公式[28]如下：

表2 南京市不同土地利用类型的生态系统服务价值系数 元/(hm2·a)

ESV=∑(Ak×VCk)

ESVf=∑(Ak×VCfk)

(1)

式中：ESV代表生态系统功能服务价值量;Ak表示土地利用类型k类型的面积; VCk表示生态系统服务价值系数; ESVf表示生态系统第f项服务功能价值; VCfk代表土地利用类型k类型的第f项生态系统服务功能价值系数。

1.3.3 人为影响综合指数计算 人的社会活动是影响景观格局变动的重要因素之一，自然生态系统的原始特性相对减弱，不同的土地利用类型代表着不同的人类开发利用强度[8]。本文采用人为影响综合指数来描述各景观单元内受影响强度的大小，具体的计算公式[29]为：

(2)

式中：HAI表示人为影响综合指数；N代表研究地区内土地利用类型的数量；Ai代表第i种土地利用类型的面积；Si表示第i种土地利用的人为影响强度系数；TA表示总面积。本文将以相关学者的研究成果[30-32]确定人为影响强度系数Si(表3)。

表3 不同土地类型人为影响强度系数

1.3.4 生态系统服务价值时空差异驱动分析 相关研究表明，生态系统功能服务价值在短时间内主要受到人为因素方面的干扰[33]。本研究建立在国内学者已有研究[34]的基础之上，并结合数据的可获取性，选取人口、经济、居民生活状况、旅游和城市化率[35]等19个指标在SPSS软件中标准化处理后进行分析，以此确定研究区域生态系统服务价值时空变化的主要驱动因素。

2 结果与分析

2.1 南京市土地利用变化

1990—2018年南京市土地利用类型发生明显变化，尤其是中部地区(图1，表4)。耕地面积28 a内减少了871.09 km2，建设用地则增加了882.17 km2。表明自1990年起，南京市土地利用变化以耕地向建设用地转化为主，其余用地变化幅度相对较小。说明南京市城市化进程持续推进，高强度开发使建设用地不断增加，以耕地为主的大量生产生态用地[10]受到侵占。

图1 1990-2018年南京市土地利用变化

表4 1990-2018年南京市各土地利用类型面积变化

2.2 南京市土地利用景观格局变化

从近30 a来南京市景观指数变化(表5)可以看出，斑块密度指数从1990年的0.589 0下降至2018年的0.512 5，表明南京市土地利用景观破碎化程度有所降低。香农多样性指数在某种程度上反映研究区土地类型分布的异质性，类型越多，多样性指数就越高[36]。研究期内南京市的香农多样性呈现出逐年缓慢递增的趋势，南京市不同土地利用景观类型分布较为均衡。从整体上看，1990—2018年南京市土地利用的蔓延度指数和分布聚合性指数均呈现出递减的趋势(图2)，平均斑块面积逐渐增大，平均斑块分维数均接近于1，说明在城市化快速发展的关键期，南京市各景观类型斑块的集中程度有所提高，各斑块形状较为简单，人为干扰因素对生态系统影响较为显著。耕地生态系统的斑块密度连年攀升，水域生态系统的分离度指数呈现出先减后增的趋势，造成该趋势的原因可能由于城市化开发和水产养殖业的发展等因素[37]，使耕地破碎度增加，水域趋于离散化。

表5 1990-2010年南京市土地利用景观指数变化

注：PD为斑块密度； SHDI为香农多样性指数； CONTAG为蔓延度指数； AI为聚集度指数； SPLTT为分离度指数。

2.3 南京市土地生态系统服务价值的时空变化

1990—2018年，南京市土地生态系统功能服务价值整体呈下降的趋势(表6)。在2000—2018年，南京市土地生态系统服务价值减少了3.05×109元，尤其以水域生态系统服务价值下降最为明显(表7)。随着城市化进程不断推进，可提供服务价值的生态用地明显减少，生态环境的稳定性有所下降。张骞等[38]研究发现，生态用地结构变化导致生态系统服务价值变化，而生态系统服务价值的变化则影响整个区域的生态效益，造成城市建设用地与生态用地新结构的形成。通过对比可知，耕地和水域是南京市生态系统功能服务的主要提供者，耕地和水域为南京市提供的生态系统服务价值最高占比分别为40.79%和47.02%，自2010年起水域成为南京市生态系统服务价值的最高提供者。

表6 1990-2018年南京市各土地利用类型生态系统服务价值估算

表7 1990-2018年南京市各土地利用类型生态系统服务价值变化

城市化水平和城市建设用地之间具有显著的相关性，建设用地扩张是城市化发展的必然结果[39]。从时间尺度上，1990—2018年南京耕地面积逐年减少而建设用地面积不断增加，生态系统服务功能较强的耕地变成了无法提供生态服务功能的建设用地，因此南京市生态服务功能遭到削弱。另一方面，从空间尺度上，随着南京市区域城市化的建设与发展，农业人口逐渐向城区迁移，人口对生态系统的干扰性增强，越来越多的农田被建设用地占用，在一定程度上造成本地的生态系统服务功能降低。

从1990—2018年南京市生态系统服务功能的价值构成来看(表8)，南京市不同土地利用类型的各项生态服务价值贡献依次为：废物处理>水文调节>保持土壤>维持生物多样性>气候调节>气体调节>食物生产>提供美学景观>原材料生产。其中自1990—2000年，南京市生态系统服务功能价值总体上有所减少，但单项生态系统服务功能没有发生明显变化。2000—2010年各项服务功能价值变化趋势较为显著，主要表现在水文调节功能由8.20×109元上升到9.34×109元，废物处理功能由8.98×109元上升到9.68×109元，提供美学景观功能由1.71×109元上升到1.98×108元，其他生态服务功能则呈现出下降的趋势且变化幅度不大。

表8 1990-2018年南京市各项生态系统服务价值估算

由于2000—2010年水域面积增长了22.80%，而水域生态系统具有较强的水文调节功能和废物处理功能，因此相应的生态系统服务价值有所上涨，共增长了3.06×109元。结合表4中分析可知，2010—2018年由于南京市水域面积减少了17.54%，水域生态系统服务的优势减弱，南京市整体生态系统服务价值有所降低。

2.4 南京市生态系统服务价值时空差异驱动力

从前面的分析结果来看，1990—2018年南京市生态系统功能服务价值总体呈现出先减少后增加再减少的趋势，其中2000—2010年南京市生态环境状况有所改善，生态系统服务价值增长趋势显著。Yang等[40]，孙洪波等[41]研究表明，人为干扰及社会经济等因素会导致区域土地利用类型结构变化，从而改变生态系统物种组成和结构，并进一步影响研究地区生态系统的各项服务功能效果。为进一步探索南京市生态系统服务价值演变的主要原因，本文从人为干扰和社会经济因素两方面分析了生态系统服务价值变化的驱动因素。

2.4.1 人为影响因素驱动力 本研究采用网格取样法，对每个样本(网格)的人为影响强度进行加权计算，把获得的综合指数作为样本中心点的值。一般认为，景观样本的面积应当为斑块平均面积的2～5倍,才能够综合反映采样区周围景观的格局信息[42]。

本文依据前人学者关于人为影响指数计算的研究[29-31]，在保证试验结果的精确性和可靠性的情况下，将研究区划分为若干个500 m×500 m的网格单元，分别计算各个景观单元的人为影响综合指数(HAI)，利用ArcGIS软件进行Kriging插值得到1990，2000，2010，2018年这4个时期的人为干扰程度对比(图3)。

图3 1990-2018年南京市人为干扰综合强度分布特征

由图3可知，南京市生态系统人为综合干扰强度的空间分布主要有以下特征：北部以较高影响为主；中部以高影响为主；南部以低影响和较高影响为主，其中六合地区持续以较高影响为主，栖霞区、鼓楼区和玄武区均以高影响为主。从空间变化范围上看，在2000—2018年，南京地区中部的人为影响综合强度进一步增加，呈现出由中部向四周扩散的趋势，江宁区、溧水区的部分区域由较高影响发展为高影响。高淳区西南方向部分区域由低影响转变为中高影响。将此结果结合南京市1990—2018年土地利用分布(图1)可知，耕地和建设用地区域的人为干扰程度较高，且高影响强度区域与建设用地扩张范围存在一致性，表明城市化的快速发展使人为干扰对生态系统服务的影响逐渐增强。

2.4.2 社会经济因素驱动力 本文利用SPSS软件对19组变量进行相关性分析和主成分分析，同时依据特征值来选定主成分(表9)。由表9可知第一主成分的特征值为17.745，其贡献率为93.393%,第二主成分特征值为1.15，其解释了总变异的6.054%，第一、二主成分累积贡献率超过99.9%，表明能够充分表达19组变量的信息，进而符合分析需求。由表10可知，总人口、人口密度、全部工业总产值、第一产业值、城镇居民人均可支配收入、农村居民人均纯收入、实际利用外资额和第一主成分呈较强的正相关关系，农业人口、抚养比、人均粮食产量和第一主成分具有高度的负相关关系。第二主成分则与接待入境旅游人数具有相对较高的相关性。整体上来看，1990—2018年南京市生态系统功能服务价值时空演变的驱动因素主要表现为人口、经济状况和居民生活水平。

表9 1990-2018年南京市社会经济因素驱动力特征值及主成分贡献率

表10 1990-2018年南京市社会经济因素驱动力主成分载荷矩阵

3 结 论

本文以快速城市化地区南京市为例，基于4期土地利用分类数据，研究了1990—2018年该地区土地利用的变化，估算了研究时段南京市的生态系统服务价值，从人为因素和社会经济因素两个角度评估了生态系统服务价值时空演变驱动力因素。主要结论如下：

(1) 1990—2018年，南京市建设用地和耕地变化幅度较大，建设用地面积增加了105.67%，耕地面积减少了19.93%。总体来看，研究时段内南京市土地利用景观集中程度有所提高，多样性不断增强。

(2) 研究期内南京市生态系统服务价值总体呈下降趋势，水域是南京市生态服务价值最高的土地利用类型。其中，2000—2010年南京市总的生态系统功能服务价值随着水域面积增加而有所提高，其中废物处理、水文调节和土壤保持等功能方面表现突出。

(3) 从驱动力分析来看，人为干扰因素使得耕地、建设用地以及水域受到了高影响和较高影响。随着南京市社会经济发展，人口对于生态系统服务价值时空变化的影响高于经济因素，人口因素日益成为影响南京市生态系统服务的主要驱动力。

(4) 快速城市化背景下南京市水域的面积发生显著变化，未来发展应注重保持现有的景观优势，优化城乡发展空间布局和城镇体系结构，提高水域的生态效益，维持生态系统的多样性，提升南京市总体生态系统服务功能价值。