罗鸿, 杨存建,*, 廖雨

西南低山丘陵区三生用地空间冲突对生态服务价值的影响研究

罗鸿1, 2, 杨存建1, 2,*, 廖雨1, 2

1. 四川师范大学西南土地资源评价与监测教育部重点实验室, 成都 610068 2. 四川师范大学地理与资源科学学院, 成都 610066

为探究三生用地类型的空间冲突水平对生态服务价值的影响以助力国土空间规划及生态环境保护, 以德阳市罗江区为例, 基于2018年GF—1号遥感影像数据, 从“三生”角度出发对其生态服务价值进行评估。结合土地利用不同功能特点, 构建三生用地分类体系, 借助景观生态指数构建冲突指数模型, 而后评估生态服务价值, 以格网形式对三生用地类型的空间冲突水平及生态服务价值进行可视化表达, 并通过相关性分析法探究空间冲突对生态服务价值的影响。结果表明: 1)三生用地类型以生产生态用地为主, 其次为生态生产用地及生活生产用地, 生态用地仅占5%左右。2)罗江区三生用地类型的空间冲突水平处于基本可控状态, 主要为较弱和中等空间冲突, 强空间冲突主要存于生活生产及生产生态用地, 弱空间冲突主要存在于生活生产用地和生态用地。潜在冲突(弱空间冲突和较弱空间冲突)有转化为公开冲突(中等空间冲突和强空间冲突)的趋势。3)罗江区生态服务价值在布局上呈中间高四周低的特征, 生产生态用地贡献最大, 生活生产用地贡献为负。4)空间冲突指数与生态服务价值呈显著负相关, 即空间冲突水平的变化对生态服务价值影响较大。

三生用地; 空间冲突; 生态服务价值; 罗江区

0 前言

2014年1月4日, 国家减灾办、民政部通报2013年土地利用分类是进行土地动态监测、科学合理的管理土地资源、开展土地利用规划的基础性工作。目前采用的土地利用分类标准主要依据土地的用途和覆盖特征等因素来划分土地利用类型, 但缺乏对土地功能的体现[1]。随着城市化的快速发展出现了土地资源浪费、生态环境破坏等一系列亟待解决的问题, 这体现出对土地利用的生态特性关注不够。党的十八大报告首次提出“三生”概念, 将优化国土空间布局作为生态文明建设的首要举措[2]。目前关于三生用地的研究主要集中于三生用地的分类体系构建[3]及其空间布局优化[4]等方面。土地利用冲突的实质是在一定时空条件下土地资源的数量和结构与区域经济、社会、生态环境等发展不协调和配置失衡[5]。空间冲突是土地利用冲突内涵的丰富与延伸, 源于空间资源的数量有限性及功能的多宜性[6]。空间冲突研究能够有效揭示不同用地类型在区域景观上的空间关系, 而景观格局指数常被认为能较好地反映景观空间结构特征的变化[7-8]。因此, 针对三生用地发展不协调、不充分的问题, 也有学者对三生用地空间冲突水平进行测度, 分析空间冲突变化趋势[9], 这对于协调社会经济发展与生态保护间的关系具有重要的意义。但相关研究未考虑到三生用地空间冲突对三生用地各类型生态服务价值(ESV, Ecological Service Value)的影响。本文研究区罗江区处于成渝经济圈和成德绵经济带核心地段, 更是国家级生态示范区, 正确评估三生用地空间冲突水平, 实现生态服务价值监测极为重要。因此, 本研究基于GF—1号遥感影像数据, 以国土空间的生态、生产、生活功能为主导, 对各地类进行重新归并, 构建三生用地分类体系, 基于景观生态学理论构建空间冲突指数测度模型, 结合社会经济数据计算生态服务价值, 利用GIS空间分析法构建格网以对三生用地冲突指数及生态服务价值进行可视化表达, 而后定量分析冲突指数对生态服务价值的影响, 以期对罗江区未来的国土空间规划及生态环境保护提供决策参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况与数据来源

罗江区地处成都平原东北部, 是成渝经济圈和成德绵经济带核心地段, 属于成都平原城市群的次级都市圈。位于31°12’08"N—31°26'37"N, 104°19'15"E—104°42'33"E之间(图1)。地势西高东低, 为低山丘陵区, 属亚热带湿润气候。2018年地区生产总值为126.33 亿元, 比2017年增加了13.5%, 人均地区生产总值5.6亿元。截至2018年5月, 罗江区总人口25万人, 其中城镇居民8.63万人, 农村居民16.37万人。经济的快速发展导致建筑用地不断增加, 2018年房屋建筑施工面积为30.2万平方米, 其中新开工面积7.7万平方米, 优质农田等生态用地面临被占用的威胁, 从而导致三生用地冲突明显。

图1 研究区地理位置

Figure 1 Geographical location of the study area

本研究数据来源于国产GF—1号遥感影像, 利用ENVI软件对影像进行预处理, 并参照全国土地利用分类体系( GB/T 21010—2017), 进行面向对象监督分类, 将研究区土地利用类型分为耕地、林地、草地、城乡建设用地、交通用地、水域和未利用地共7类。利用混淆矩阵、Kappa系数等方法对分类结果进行精度验证, 得到精度为91.1%, 满足本研究需要。所需社会经济数据源于德阳市统计局官网, 粮食价格来自于《全国农产品成本收益资料汇编2019》。

1.2 三生用地分类体系构建

科学确定三生用地划分体系是研究其布局特征和测度空间冲突水平的关键。本研究参考韦江伟[9]、张红旗[10]等人的分类理念, 以土地的生态、生产、生活功能为主导, 结合研究区实际情况, 对《土地利用现状分类》标准中的各地类进行“三生功能”的重新归并, 构建“三生用地”分类体系, 细化为生态用地、生态生产用地、生产生态用地、生活生产用地共4类(如表1)。

1.3 三生用地的空间冲突评价模型构建

土地利用系统具有动态性、脆弱性以及复杂性等特点[11], 因此在进行土地利用空间冲突分析时需要从系统复杂性、脆弱性及动态性等三个方面加以考虑。本研究基于景观生态学理论构建三生用地类型冲突评价模型, 以量化罗江区空间冲突的严重程度[12-13]。如式(1)所示:

(1)

式中:为空间冲突综合指数;,,分别为空间复杂性指数、空间脆弱性指数、空间稳定性指数。

空间复杂性指数(): 本研究参考前人经验, 选取面积加权平均拼块分形指数()来表征空间复杂性[11, 13], 见式(2)。

式中,P表示第类空间类型第个斑块的周长;a表示第类空间类型第个斑块面积;表示空间单元面积,为研究区总的空间评价单元数;为三生用地类型总数。

空间脆弱性指数(): 景观脆弱性指数可用来表示土地利用系统脆弱度, 结合研究区土地利用实际情况及相关文献[12-13]对各类空间脆弱度进行赋值(生活生产用地为1, 生态用地为2, 生产生态用地为3, 生态生产用地为4)。

式中,为空间用地类型数量(即生活生产用地、生态用地、生产生态用地和生态生产用地,=4),F为第类空间的脆弱度,a为第个网格中各个空间用地类型的面积,为网格面积。

表1 研究区三生用地分类体系

空间稳定性指数(): 参考相关研究[13], 选用景观破碎度指数来衡量土地利用的稳定性。见式(4)和(5):

式中,为空间评价单元内的斑块密度,表示空间单元面积;表示空间单元斑块数量。

为避免三生用地类型斑块过于破碎而影响研究结果, 利用Fragstats 4.2软件, 参考前人研究经验[14]选取1000 m×1000 m正方形网格作为空间单元, 测度三生用地的冲突水平, 对边界处未布满整个方格的空间斑块按一个完整方格参与计算, 最终将计算所得进行归一化处理, 采用等间距法将其划分为弱空间冲突[0, 0.25)、较弱空间冲突[0.25, 0.5)、中等空间冲突[0.5, 0.75]、强空间冲突[0.75, 1]共4种类型。

1.4 生态服务价值评价

(1) 单位 ESV当量因子的确定

在没有人力投入的情况下, 自然生态系统的经济价值是现有单位面积农田提供的食物生产服务价值的1 /7[15]。计算公式(6)为:

式中,为1个标准单位ESV当量因子的价值(元· hm2 –1);为罗江区粮食平均价格(元·kg–1);为罗江区粮食单位面积产量( kg· hm2 –1)。依据《全国农产品成本收益汇编(2019)》和《罗江区统计年鉴(2019)》, 可得出2018年的小麦、玉米和稻谷3种粮食作物的平均价格为2.19 元·kg–1, 单位面积产量为7243.50 kg· hm2 –1, 本文只对2018年进行研究故不考虑价格波动对总价值的影响, 经计算得到罗江区1个标准单位ESV当量因子的价值为2269.49 元· hm2 –1。

(2)ESV系数的修正

本研究采用谢高地等[15]改进后的单位面积生态服务价值当量表计算罗江区单位面积生态系统服务价值。其中, 耕地、林地、草地、水域和未利用地的价值当量分别对应其研究中的农田、森林、草地、水体和荒漠; 城乡建设用地和交通用地的生态服务价值系数参考周飞等[16]的研究结果。同时, 参考谢高地等制定的生物量因子表[17]对以上系数进行修正(四川省生物量因子为1.35), 构建罗江区生态系统服务价值测度模型(如表2所示), 计算公式(7)为:

C为单位面积上土地利用类型的ESV(元· hm2–1);为1个标准单位ESV当量因子的价值(元· hm2–1);N为第类土地类型的当量因子(参考表2);为土地利用类型,为不同省份农田生态系统生物量因子。

(3) ESV的计算

生态服务价值计算公式(8)[18]:

式中,为生态系统服务价值(元),A为第类土地利用类型分布面积(hm2),为土地利用类型。

2 结果与分析

2.1 三生用地特征分析

从数量结构来看(如表3所示), 罗江区的各类功能用地面积差异明显, 人类活动的主要区域耕地、城乡建设用地和交通用地占比较大, 超过研究区总面积的80%, 而生态调节功能的林地、草地、水域和未利用地比重很小。三生用地类型以生产生态用地为主, 总面积为30615.33 hm2, 占比高达68.47%; 生态生产用地及生活生产用地所占面积相差不大; 最少的是生态用地, 仅占研究区总面积的5%左右。在10个镇级单元中, 生态用地占比大于全县平均水平的乡镇有4个; 生态生产用地大于平均水平的有4个; 生产生态用地大于平均水平的有6个; 生活生产用地大于平均水平的有3个。

从空间布局来看(如图2所示), 生产生态用地分布最广且斑块面积较大, 主要集中分布在中心区域以外的乡镇, 以略坪镇、蟠龙镇、新盛镇、慧觉镇最为典型; 生活生产用地集中分布在经济发达且城镇化水平最高的万安镇和金山镇中, 与万安镇相邻的御营镇因受到经济辐射效应, 也表现出生活生产用地集聚的特点; 而生态生产用地较多分布在海拔高的山区, 以调元镇和白马关镇最为集中, 城镇中心的边缘地带也分布了少部分较集中的生态生产用地, 应是经济林或退耕还林结果; 人类活动影响较弱的生态用地, 则在罗江区边缘地带呈零散分布。

表2 罗江区不同土地利用类型的ESV系数

表3 三生用地中不同地类数量特征

2.2 三生用地类型冲突分异特征

从空间冲突总体格局和数量关系上来看(如图3所示), 较弱空间冲突>中等空间冲突>弱空间冲突>强空间冲突, 其中以中等空间冲突和较弱空间冲突为主, 占全部冲突等级的89%。较弱空间冲突主要位于海拔较高的白马关镇、蟠龙镇及鄢家镇的外围地区; 中等空间冲突则主要位于各镇的零散居民点建设区域, 冲突特征已较为明显; 弱空间冲突主要位于罗江区边缘地带及城镇化水平最高的万安镇和金山镇的中心区域; 强空间冲突较多出现在各镇中等空间冲突与较弱空间冲突交界处, 表明空间冲突单元有进一步激化的态势。

基于“三生”视角划分的4种用地类型分别统计空间冲突水平, 得如下结果(如图4所示)。强空间冲突主要存在于生产生态用地和生活生产用地, 占比都在4.5%左右, 这是由于城镇化快速发展, 人类活动不断影响生产生态用地和生活生产用地, 导致其复杂性不断增强, 各用地类型间互相侵占, 使得空间脆弱性和破碎度均较高。弱空间冲突主要存在于生活生产用地和生态用地, 占比均为15%左右, 这是因为已建成的生活生产用地本身具有较低的脆弱性, 且城镇中心复杂性也较低。由于地形影响, 部分生态用地处于山区占用困难, 从而复杂性也较低。从不同用地类型的冲突等级占比中可看出, 罗江区三生用地的空间冲突级别处于基本可控的状态, 强空间冲突在各用地类型中占比均低于5%。但冲突特征已较明显, 较弱空间冲突与中等空间冲突在各用地类型中的占比和为80%左右, 潜在冲突(弱空间冲突、较弱空间冲突)有较强地转化为公开冲突(中等空间冲突和强空间冲突)的趋势, 在三生用地的空间冲突进一步发展与激化之前进行合理的调控, 是可持续发展的关键。

2.3 生态服务价值分布特征

根据上式7, 计算出罗江区2018年生态服务价值为12.95 亿元, 三生用地各类型的生态服务价值如下(如表4所示)。生产生态用地为罗江区贡献了一半的生态服务价值, 占比为50.05%。生态用地和生态生产用地贡献的生态服务价值所占比例较为接近, 分别为22.37%、29.36%。只有生活生产用地对生态服务价值的贡献为负。

图2 三生用地分布图

Figure 2 Distribution map of production- living- ecological land

图3 三生用地的空间冲突水平

Figure 3 Spatial conflict level of production-living- ecological land

图4 不同用地类型的空间冲突等级占比

Figure 4 The proportion of spatial conflict grade among different land use types

表4 罗江区2018年三生用地生态服务价值

运用格网可视化方法可更为直观的分析生态服务价值的空间分布情况。依据景观样本的面积应为斑块平均面积的2-5倍才能较好地反映采样区周围景观的格局信息[19]。本研究经过多次尝试, 利用ArcGIS软件生成400 m×400 m网格表示罗江区的生态服务价值空间差异, 并利用自然断点法将其划分为较低、低、中、较高和高5个等级(如图5所示)。结果表明, 罗江区生态服务价值在空间上呈现中高周低的分布特征, 与地形相符。中部海拔较高的调元镇、白马关镇生态服务价值总量较大。低生态服务价值区主要分布在经济发达的城镇建成区内, 以万安镇和金山镇最为典型; 较低生态服务价值区分布在平坦的山麓地带, 紧邻城郊, 与耕地的分布区域较吻合; 中生态价值区与零散分布的生活生产用地布局较接近; 较高生态价值区主要分布在高生态价值区边缘, 分布趋于破碎, 为森林覆盖率较大的区域。

表5 相关性分析结果

2.4 三生用地空间冲突水平对生态服务价值的影响

对三生用地空间冲突指数与生态服务价值作相关性分析, 显著性为0.2, 低于0.5为小概率事件, 即“三生用地冲突指数与生态服务价值存在典型的线性相关关系。从相关性分析结果中可看出, 相关性系数为—0.794, 即三生用地空间冲突指数与生态服务价值呈显著负相关, 这表明三生用地空间冲突水平的变化对生态服务价值的影响较大。

3 讨论

本研究基于三生用地视角评估不同用地类型的生态服务价值, 并利用格网对三生用地的生态服务价值进行可视化表达与胡航箫等[20]基于“三生空间”的集聚与生态价值组合特征对乡村聚落展开研究及丁娅楠等[21]基于格网分析生态服务价值的时空演变过程及空间自相关特征具有相似性。勾蒙蒙等[22]采用地学信息图谱测度土地利用变化带来的生态环境效应。刘莹等[23]从生态环境一体化角度出发, 定量研究黄河下游地区土地利用功能结构转型与生态环境响应规律。上述研究多是分析土地利用功能转型对生态服务价值的影响, 而缺少对三生用地空间冲突水平的测度, 探讨三生用地空间冲突水平与生态服务价值的相互作用是本研究的创新之处。戴文远等[24]基于Landsat影像探讨了生态服务价值对土地利用功能转型的响应, 虽也进行了详实的定量分析, 但所用影像分辨率不高, 使得准确性大打折扣, 而本研究使用GF–1号遥感影像数据进行土地利用分类, 精度达到91.1%, 更具科学性。

在进行三生用地空间冲突指数测度时, 对各类空间脆弱度进行的赋值虽已参考大量文献, 并结合了研究区实际土地利用情况, 但仍存在主观性。另外, 关于城乡建设用地和交通用地的生态服务价值计算直接引用已有研究成果, 缺乏一定规则对研究区的系数进行修正, 导致最终结果与研究区的适配性降低。在进行相关分析后, 只得出空间冲突水平对生态服务价值影响较大的结论, 并未判断影响为负或为正, 且此问题较为复杂, 短时间内难以界定其影响程度及原因, 所以未作深入研究, 这是本文的不足之处, 仍需今后深入研究。

图5 罗江区生态系统服务价值布局

Figure 5 Distribution of ecological service value in Luojiang district

未来将致力于从研究区长时间序列的土地利用变化情况对冲突指数的脆弱度进行赋值, 而后基于研究区实际情况对城乡建设用地和交通用地的生态服务价值系数进行修正, 以得出更科学的三生用地空间冲突水平及生态服务价值, 并联系研究区城镇发展实际情况, 挖掘冲突指数对生态服务价值所造成影响的内在驱动力, 以期望对生态环境保护助力。

4 结论

1. 三生用地类型以生产生态用地为主, 占比高达68.47%, 其次为生态生产用地及生活生产用地。生活生产用地主要分布在经济发达的万安镇和金山镇, 生态用地仅占5%左右, 零散分布在边缘地带。

2. 空间冲突水平主要为较弱空间冲突和中等空间冲突, 占比和超过80%。强空间冲突主要存在于生产生态用地和生活生产用地, 弱空间冲突主要存在于生活生产用地和生态用地。目前罗江区三生用地的空间冲突水平还处于基本可控的状态, 但潜在冲突(弱空间冲突、较弱空间冲突)有转化为公开冲突(中等空间冲突和强空间冲突)的趋势。

3. 罗江区2018年生态服务总价值为12.95亿元, 在空间分布上呈现中高周低的特征。生产生态用地对生态服务价值贡献最大, 占比为50.05%, 生活生产用地贡献为负。

4. 罗江区的三生用地空间冲突指数与生态服务价值呈显著负相关。即三生用地空间冲突变化对生态服务价值影响较大。

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Impact of production, living and ecological land spatial conflict on ecological service value in the hilly region of southwest China

LUO Hong1, 2, YANG Cunjian1, 2,*, LIAO Yu1, 2

1. The Institute of Geography and Resources, Sichuan Normal University, Chengdu 610066, China 2. Key Lab of land Resources Evaluation and Monitoring in Southwest, Ministry of Education, Sichuan Normal University, Chengdu 610068, China

In order to explore the impact of the conflict level of production- living- ecological land type on the value of ecosystem services and to facilitate territorial spatial planning and ecological environmental protection, it took Luojiang district of Deyang city as an example to evaluate the ecological service value from the perspective of "production- living- ecological " based on the 2018 GF-1 remote sensing data.The production- living- ecological land classification system was constructed based on the different characteristics of land. The comprehensive index of spatial conflict evaluation model was constructed with the help of landscape ecological index, and then ecological service value was evaluated. The grid was constructed to realize the visual expression of the conflict level and ecological service value of "production-living-ecological land type, and the impact of spatial conflict on ecological service value was explored through correlation analysis. The results showed that: 1)The land use type ofproduction-living-ecological was mainly ecological land for production, followed by ecological-production and living-production land, and ecological land accounted for only about 5%. 2) The level of spatial conflict in Luojiang area was basically controllable, which mainly consisted of the weaker spatial conflict and medium spatial conflict. Strong spatial conflict mainly existed in living-production land and production-ecological land, while weak spatial conflict mainly existed in living-production and ecological land. Potential conflicts (weak spatial conflicts and the weaker spatial conflict) tended to be transformed into open conflicts (medium spatial conflicts and strong spatial conflicts). 3)The distribution of ecological service value in Luojiang district showed the characteristics of high in the middle and low around. The contribution of production-ecological land to ecological service value was the largest, and the contribution of living-production land was negative. 4) The comprehensive index of spatial conflict was negatively correlated with the ecological service value, and the change of spatial conflict had a great influence on the ecological service value.

production-living-ecological land; spatial conflict; ecological service value; Luojiang district

10.14108/j.cnki.1008-8873.2024.01.017

F301; X321

A

1008-8873(2024)01-146-08

2021-08-27;

2021-10-19基金项目:四川省重点研发项目(2020YFG0146)

罗鸿(1998—), 女, 四川宜宾人, 硕士研究生, 主要从事土地利用监测评价研究, E-mail: 523445488@qq.com

通信作者:杨存建, 男, 博士, 教授, 主要从事遥感与GIS应用研究, E-mail: yangcj2008@126.com

罗鸿, 杨存建, 廖雨. 西南低山丘陵区三生用地空间冲突对生态服务价值的影响研究[J]. 生态科学, 2024, 43(1): 146–153.

LUO Hong, YANG Cunjian, LIAO Yu. Impact of production, living and ecological land spatial conflict on ecological service value in the hilly region of southwest China[J]. Ecological Science, 2024, 43(1): 146–153.