基于CLUE-S模型的南四湖流域土地利用及其生態(tài)效應(yīng)評估

于 淼, 廉麗姝,2, 李寶富,3, 張文華, 初翠翠

(1.曲阜師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院， 山東 日照 276826; 2.南四湖濕地生態(tài)與環(huán)境保護(hù)山東省高校重點(diǎn)實(shí)驗室,山東 日照 276826; 3.中國科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所 荒漠與綠洲生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗室, 新疆 烏魯木齊 830011)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是人類從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的各種利益，包括有形和無形兩個方面，其中有形是指生態(tài)系統(tǒng)為人類提供的物質(zhì)供給，而無形是指其對人類提供的各種服務(wù)[1]。20世紀(jì)70年代，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)開始正式成為一個科學(xué)術(shù)語被研究者所認(rèn)可。至20世紀(jì)90年代，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)有了較為成熟的概念，即“生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過程所形成及所維持的人類賴以生存的自然環(huán)境條件與效用”，與此同時生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估研究也逐步豐富[2]。土地作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的載體，是人與自然相互作用最密切的地方[3]。土地利用/覆被變化(LUCC)是地球環(huán)境變化重要的組成部分和主要原因之一，LUCC能夠影響生物多樣性、大氣運(yùn)動、地表徑流與侵蝕等許多自然現(xiàn)象和生態(tài)過程的變化[4-5]，并引起生態(tài)系統(tǒng)功能、結(jié)構(gòu)的變化，因此土地對生態(tài)服務(wù)功能具有基礎(chǔ)性的作用[6]。20世紀(jì)90年代Costanza等[7]從科學(xué)意義上明確了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的計算方法，并測算了不同生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)服務(wù)功能，初步建立了土地利用變化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的聯(lián)系。Daily[8]對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的評估綱要進(jìn)行了詳細(xì)的描述。同時，中國學(xué)者開始對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進(jìn)行研究。從空間尺度上來看，相關(guān)專家學(xué)者從全國、省、市、縣(區(qū))等不同尺度對生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價值進(jìn)行了大量研究[9-11]，同時也對長江三角洲地區(qū)[12]、沿海地區(qū)[13]、三江源地區(qū)[14]、生態(tài)脆弱區(qū)等[15]典型地區(qū)進(jìn)行了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的分析，方法包括生態(tài)環(huán)境指數(shù)法、景觀格局指數(shù)法和生態(tài)服務(wù)價值指數(shù)法等[16-18]。經(jīng)過近些年來的發(fā)展，中國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的測算已經(jīng)基本完備。然而，目前對土地利用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值估算多集中在對過去和現(xiàn)狀的評估，對未來土地利用變化的生態(tài)效應(yīng)尚著墨不足。在現(xiàn)有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，科學(xué)的預(yù)測未來土地利用情況，并估算其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，是一個新的著力點(diǎn)。南四湖是中國華北內(nèi)陸地區(qū)的第一大淡水湖，山東省最大的淡水漁業(yè)寶庫和重要的水禽棲息地，發(fā)揮著南水北調(diào)東線工程重要樞紐的作用，對人們的生產(chǎn)、生活有著巨大的影響。然而，隨著快速城鎮(zhèn)化的推進(jìn)，南四湖流域的土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大變化，造成了該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值發(fā)生改變，人地矛盾逐漸突出。從土地利用/覆被變化的視角對南四湖流域生態(tài)系統(tǒng)的變化進(jìn)行探究，并通過CLUE-S模型對該區(qū)域的未來土地利用/覆被狀況及其生態(tài)效應(yīng)進(jìn)行預(yù)測和分析，可以豐富生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的理論研究體系，并為南四湖流域土地資源的利用和保護(hù)，生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)和重建提供必要的參考。

1 研究區(qū)概況

南四湖地處山東省的西南部，是淮河流域的重要組成部分，位于34°27′—35°20′N，116°34′—117°21′E，是山東重要的水源地和生態(tài)寶庫。湖泊自西北向東南呈條帶狀延伸，流域面積達(dá)3.17×104km2，全流域跨山東省、江蘇省、河南省和安徽省4個省份，地勢北高南低，入湖河流呈放射狀匯入南四湖。南四湖流域?qū)儆谂瘻貛О霛駶櫦撅L(fēng)氣候區(qū)，具有四季分明、雨熱同季、光照充足、降水集中和無霜期長的特點(diǎn)，年均氣溫13.6 ℃，年均降水量707.1 mm。流域內(nèi)城鎮(zhèn)化水平低，農(nóng)業(yè)人口占比重較大，且人口分布不均勻，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以第二產(chǎn)業(yè)為主，對土地使用的壓力較大。

2 數(shù)據(jù)來源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

2000年土地利用數(shù)據(jù)由中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心(http:∥www.resdc.cn)獲得。數(shù)據(jù)底片資料來源于Lantsat數(shù)據(jù)、航空照片影像并借助歷史資料，在數(shù)據(jù)融合、增強(qiáng)處理的基礎(chǔ)上，進(jìn)行人機(jī)交互式解譯和精度驗證，使其滿足1∶10萬比例尺的制圖精度要求。2015年南四湖流域土地利用數(shù)據(jù)以地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn)提供的Landsat 8影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用ENVI 5.1進(jìn)行人機(jī)交互式解譯獲得，檢驗精度>90%，分類標(biāo)準(zhǔn)參考中科院LUCC分類標(biāo)準(zhǔn)。在原有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)需要將其重分類為：耕地、林地、草地、水域/濕地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地和未利用地共6個一級土地利用類型。DEM數(shù)據(jù)來自于美國地質(zhì)勘探局(USGS)提供的亞洲地區(qū)30 s數(shù)字高程數(shù)據(jù)。各種社會統(tǒng)計數(shù)據(jù)，由中國統(tǒng)計年鑒和山東省統(tǒng)計年鑒獲得。

2.2 研究方法

2.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估方法 Costanza等[7]提出的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值核算模型目前仍然是使用最廣泛的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值核算方法。

ESV=∑Ak·VCK

(1)

式中：ESV——生態(tài)服務(wù)價值；Ak——土地利用方式k的面積(hm2)； VCk——該土地利用方式單位面積生態(tài)價值系數(shù)。

2.2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)的修訂方法 為了使得生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量在不同區(qū)域具有適宜性，更加準(zhǔn)確的估算區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，采用了徐麗芬等提出的對土地利用變化較適應(yīng)，以農(nóng)田為基準(zhǔn)的地區(qū)修訂方法[19]。

(2)

式中：λ——生態(tài)服務(wù)價值當(dāng)量的修訂系數(shù)；Q，Qo——研究區(qū)和全國單位面積糧食產(chǎn)量；Ek——第k類土地利用類型修訂后的生態(tài)服務(wù)當(dāng)量；Eok——第k類土地利用類型全國平均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量。

2.2.3 敏感性分析 為驗證生態(tài)價值系數(shù)的準(zhǔn)確性，用生態(tài)價值敏感性指數(shù)(CS)反映生態(tài)價值系數(shù)對生態(tài)服務(wù)價值的影響程度[20]。

(3)

式中：CS——生態(tài)價值敏感性指數(shù)；ESVj——初始生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值； ESVj——調(diào)整后生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值；VCik——k類土地利用類型初始生態(tài)服務(wù)價值系數(shù)；VCjk——k類土地利用類型調(diào)整后生態(tài)服務(wù)價值系數(shù)。若CS>1，說明ESV對于VC是有彈性的；反之則ESV被認(rèn)為是缺少彈性的，比值越小說明生態(tài)價值系數(shù)的準(zhǔn)確性越好。

2.2.4 CLUE-S模型 CLUE-S模型是由荷蘭瓦赫寧根大學(xué)的Verburg等[21-22]科學(xué)家開發(fā)的，對中小尺度的區(qū)域土地利用變化模擬較為適用的研究模型，具有同時預(yù)測和模擬土地利用/土地覆被數(shù)量和空間位置變化的能力。它的假設(shè)條件是：某地區(qū)的土地利用變化是由某種土地利用需求驅(qū)動的，而且該地區(qū)的土地利用分布格局總是與自然環(huán)境、土地需求和社會經(jīng)濟(jì)狀況保持平衡狀態(tài)[23]。CLUE-S模型由土地利用類型轉(zhuǎn)換規(guī)則、限制區(qū)域、土地需求、空間分配和空間特征5部分構(gòu)成，其中前4個為輸入模塊，核心是空間分配模塊?？臻g分配是在土地利用限制區(qū)域、土地利用轉(zhuǎn)換規(guī)則、基期土地利用現(xiàn)狀和土地利用空間分布概率條件下，按照總概率的大小，通過多次迭代，對土地需求進(jìn)行空間分配的過程。

TPROPik=Pik+ELASk+ITERk

(4)

式中：TPROPik——土地利用類型k在柵格i中出現(xiàn)的總概率；Pik——通過Logistic回歸得到的空間分布概率； ELASk——不同土地利用類型的彈性系數(shù)； ITERk——土地利用類型k的迭代變量。

通過設(shè)置轉(zhuǎn)移矩陣來控制各土地利用類型間的轉(zhuǎn)換，取值僅為0或1，0表示不能轉(zhuǎn)變，1表示能轉(zhuǎn)變，在自然狀態(tài)下假定本研究區(qū)內(nèi)各個地類之間都可以相互轉(zhuǎn)化，所以全部設(shè)置為1。轉(zhuǎn)換彈性系數(shù)用0～1之間的數(shù)值來表示，越靠近0表明發(fā)生轉(zhuǎn)移的可能性越大，反之越小。參考前人的研究成果結(jié)合研究區(qū)內(nèi)的情況[24-25]，將彈性系數(shù)設(shè)定為：耕地0.6；林地0.8；草地0.7；水域/濕地0.9；城鄉(xiāng)建設(shè)用地1.0；未利用地0.3。土地需求量是根據(jù)2000—2015年各種地類的增長率，采用Markov模型獲得的。空間特征是通過Logistic模型計算各地類出現(xiàn)在每個柵格中的概率，用于解釋驅(qū)動因素和各地類之間的關(guān)系，并用Pontius等[26]提出的relative operating characteristic(ROC)方法對結(jié)果進(jìn)行檢驗。

2.2.5 Kappa檢驗 Kappa指數(shù)能夠定量的反映模擬精度，本文運(yùn)用Kappa指數(shù)對模擬結(jié)果進(jìn)行檢驗。其表達(dá)式為：

(5)

式中：Po——正確模擬的比例；Pc——隨機(jī)情況下期望的正確模擬比例；Pp——理想分類情況下正確模擬的比值[27]。

3 結(jié)果與分析

3.1 南四湖流域土地利用變化特征

總體來看2000—2015年間整個流域在研究時間段內(nèi)耕地、草地和未利用地面積呈現(xiàn)出減少的趨勢(圖1)，林地、水域/濕地和城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積呈現(xiàn)出增加的趨勢，其中增長速度最快的是城鄉(xiāng)建設(shè)用地。在面積減少的兩種用地類型中，草地面積減少的最為迅速。從土地利用轉(zhuǎn)移類型上來看，有4.53×104hm2的耕地被城鄉(xiāng)建設(shè)用地占用，占城鄉(xiāng)建設(shè)用地增加面積的96.84%，可以看出城市的快速擴(kuò)張的結(jié)果是占用了大量的耕地。而從耕地的補(bǔ)充上來看，主要是對草地的開墾，草地對耕地的補(bǔ)充占到了耕地增加面積的60.84%。這種城鄉(xiāng)建設(shè)用地增加占用耕地，從而導(dǎo)致耕地面積減少以及對草地的開發(fā)破壞對環(huán)境會產(chǎn)生很大的不利影響。為了研究流域內(nèi)的區(qū)域性差異，依據(jù)行政區(qū)的劃分將流域劃分為菏澤、濟(jì)寧、棗莊和徐州市4個區(qū)域。分區(qū)域來看，濟(jì)寧和徐州的增減趨勢與整個流域相似。濟(jì)寧地區(qū)耕地面積在增加，林地和草地在減少，這與其對采煤用地的治理，以及農(nóng)用地整理復(fù)墾政策有關(guān)。受經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式的影響，菏澤區(qū)域耕地、林地和草地面積快速減少，城鄉(xiāng)建設(shè)用地迅速增加。整個流域的土地利用類型變化從空間上看，大致呈現(xiàn)出東西兩側(cè)劇烈、中間穩(wěn)定的態(tài)勢。變化最劇烈的地區(qū)集中在流域的最東側(cè)，流域西側(cè)次之，而流域的中間地區(qū)相對穩(wěn)定。分區(qū)域來看菏澤、濟(jì)寧和棗莊3個區(qū)域變化比較劇烈，而徐州區(qū)域相對穩(wěn)定。城鄉(xiāng)建設(shè)用地擴(kuò)張占用耕地的情況在每個城市周圍都有所表現(xiàn)，尤其棗莊區(qū)域西側(cè)表現(xiàn)的尤為劇烈。該地區(qū)西與南四湖水面相鄰，生活環(huán)境條件舒適；南與江蘇接壤，且是鐵路京滬線穿過的地方，交通條件便利；同時靠近市中心，經(jīng)濟(jì)條件發(fā)達(dá)。所以在城市化的推動下，使得大量的耕地被城鄉(xiāng)建設(shè)用地所占用。菏澤和濟(jì)寧區(qū)域耕地轉(zhuǎn)為城鄉(xiāng)建設(shè)用地的情況次之，這一區(qū)域地勢平坦、靠近市中心，且有多條鐵路線穿過，交通便利，也使得大量的耕地資源被城鄉(xiāng)建設(shè)用地占用。但是對于耕地的補(bǔ)充卻不多，在整個流域內(nèi)只有零星的分布。

圖1 南四湖流域2000-2015年土地利用類型變化情況

3.2 未來土地利用變化模擬

考慮到研究區(qū)的實(shí)際情況和數(shù)據(jù)的可獲得性，選取到城市中心的距離、河流的距離、鐵路的距離以及DEM值、坡向和坡度6種驅(qū)動因素進(jìn)入回歸模型，對Logistic回歸結(jié)果分析，各種地類的ROC值均大于0.7，所選的驅(qū)動因子有較好的解釋能力。以2000年土地利用數(shù)據(jù)為基期，將驅(qū)動因子放入CLUE-S模型，模擬2015年南四湖流域土地利用現(xiàn)狀，并與反演的2015年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)進(jìn)行Kappa系數(shù)檢驗，得到Kappa指數(shù)為92%，遠(yuǎn)大于0.7，具有高度的一致性，表明CLUE-S模型在南四湖流域有很好的適用性。假設(shè)2015—2030年各土地利用類型變化受政策影響程度較小，且各種影響因素保持在2000—2015年的影響水平，在此變化趨勢下模擬南四湖流域2030年的土地利用狀況。

結(jié)果顯示，2015—2030年空間變化情況依舊表現(xiàn)出中間穩(wěn)定、東西兩側(cè)劇烈的狀態(tài)，城鄉(xiāng)建設(shè)用地以城市為中心進(jìn)一步擴(kuò)張，且主要占用的是耕地，尤其是在棗莊區(qū)域，在煤炭經(jīng)濟(jì)的影響下，表現(xiàn)的更為

劇烈(附圖4)。

3.3 土地利用變化的生態(tài)效應(yīng)

本文采用謝高地等人[28]提出的生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值當(dāng)量表，并依據(jù)山東省的農(nóng)田單產(chǎn)進(jìn)行修正(公式2)，同時將每一種用地類型與其相似的生態(tài)系統(tǒng)逐一進(jìn)行對應(yīng)：林地—森林、耕地—農(nóng)田、草地—草地、水域/濕地—河流/湖泊/濕地、未利用地—荒漠，其中水域/濕地的當(dāng)量值取自河流/湖泊和濕地的平均值，城鄉(xiāng)建設(shè)用地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量取值為0未在表中列出。因南四湖流域絕大多數(shù)區(qū)域在山東省境內(nèi)，所以選用山東省的社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)對單個當(dāng)量因子的價值進(jìn)行估計。

在無人力投入的情況下，現(xiàn)有單位面積農(nóng)田提供糧食經(jīng)濟(jì)價值大約是自然生態(tài)系統(tǒng)提供的經(jīng)濟(jì)價值的7倍，根據(jù)山東省糧油交易中心的數(shù)據(jù)，估算山東省2016年末糧食的價格約為2.70元/kg[28]。據(jù)此計算出一個當(dāng)量因子的價值約為2 480.06元/hm2。從而可以得到校正后的研究區(qū)單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值表(表1)。

表1 南四湖流域生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值 元/(hm2·a)

3.3.1 南四湖流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值變化 2000—2015年和模擬的2015—2030年流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值呈現(xiàn)出略微上升的趨勢，前后2個15 a間南四湖流域內(nèi)總體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值分別增加了9.10×108元和7.29×108元。表明人們不再是只注重經(jīng)濟(jì)發(fā)展，在考慮經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時，也開始考慮人與自然的協(xié)調(diào)發(fā)展。耕地和草地面積的減少使得區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值下降，但水域/濕地和林地面積的增長，加之水域/濕地的生態(tài)價值系數(shù)較高，彌補(bǔ)了這一部分損失，并使得流域整體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值增加。

土地利用類型的改變有降低(貢獻(xiàn)率為負(fù))和提升(貢獻(xiàn)率為正)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的作用(表2)。2000—2015年對流域內(nèi)生態(tài)服務(wù)價值有提升作用的主要是耕地向草地、林地和水域/濕地的轉(zhuǎn)變，其中耕地轉(zhuǎn)水域/濕地貢獻(xiàn)率為27.75%，提升作用最大，使得流域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值增加了2.18×109元。而耕地向城鄉(xiāng)建設(shè)用地的轉(zhuǎn)化以及林地被開墾為耕地是使流域內(nèi)生態(tài)服務(wù)功能降低的主要原因，兩者的貢獻(xiàn)率達(dá)到-23.13%，共造成流域內(nèi)的1 814.59×106元的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值損失。2015—2030年對提高流域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值作用最大的是耕地轉(zhuǎn)變?yōu)樗?濕地，貢獻(xiàn)率為44.26%，而降低流域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值作用最大的是耕地向城鄉(xiāng)建設(shè)用地的轉(zhuǎn)變，貢獻(xiàn)率為-18.19%?？梢娏饔騼?nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的上升，是以犧牲耕地面積為代價。

3.3.2 區(qū)域及單項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化 2000—2015年南四湖流域就單項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值而言，氣候調(diào)節(jié)、水文調(diào)節(jié)、廢物處理和提供美學(xué)景觀的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能處于增加的趨勢，其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化率分別為1.62%，4.50%，2.65%和4.07%(表3)。而維持生物多樣性、糧食生產(chǎn)、原料生產(chǎn)、氣體調(diào)節(jié)和保持土壤的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能處于下降的趨勢，其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化率分別為-0.18%，-0.85%，-0.44%，-0.85%和-1.29%。在模擬時間段內(nèi)各項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化趨勢與2000—2015年一致，且下降趨勢更為劇烈，糧食生產(chǎn)、原料生產(chǎn)、氣體調(diào)節(jié)、保持土壤和維持生物多樣性的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化率分別為-1.50%，-0.98%，-1.14%，-1.73%和-0.44%。

南四湖流域，水系縱橫交錯，對周圍生態(tài)環(huán)境的氣候調(diào)節(jié)、水文調(diào)節(jié)、廢物處理以及提供美學(xué)景觀等方面有著積極的影響。但是城市的建設(shè)對耕地資源的占用，對流域的糧食生產(chǎn)、原料生產(chǎn)、保持土壤和維持生物多樣性等方面產(chǎn)生了不利的影響，導(dǎo)致其生態(tài)系統(tǒng)功能下降。整體來看，南四湖流域內(nèi)雖然受到城市化進(jìn)程的影響，耕地和草地面積減少，造成生態(tài)功能的損失，但水域/濕地面積較為廣闊，同時水域/濕地對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響較大，加之近些年來水域/濕地面積的增加，使得流域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值呈現(xiàn)出略微上升的趨勢。分區(qū)域來看，菏澤區(qū)域是生態(tài)系統(tǒng)功能下降最為嚴(yán)重的區(qū)域，2000—2015年除水文調(diào)節(jié)、廢物處理和提供美學(xué)景觀功能略微上升外，其他各項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值都在降低；而在模擬的2015—2030年菏澤區(qū)域每一項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值都在降低。

菏澤區(qū)域地處山東地區(qū)的西南，地勢平坦，以平原為主，經(jīng)濟(jì)發(fā)展依賴第一產(chǎn)業(yè)和第二產(chǎn)業(yè)，而又缺少對生態(tài)環(huán)境的治理，加之快速城市化的影響，城區(qū)范圍逐漸擴(kuò)張，因此使得各項生態(tài)服務(wù)功能都在下降。濟(jì)寧區(qū)域包含了整個南四湖，所以在氣候調(diào)節(jié)、水文調(diào)節(jié)、廢物處理和提供美學(xué)景觀功能方面有著積極的作用。棗莊區(qū)域單項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能變化趨勢與流域內(nèi)總體變化趨勢類似，但在模擬時間段內(nèi)，其糧食生產(chǎn)、氣體調(diào)節(jié)和保持土壤的生態(tài)功能下降迅速，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化速率分別為-6.83%,-6.32%和-7.38%。而水文調(diào)節(jié)和提供美學(xué)景觀功能迅速提高，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化速率分別達(dá)到7.76%和4.44%。造成這種現(xiàn)象的原因是，城市化的快速提升使得城鄉(xiāng)建設(shè)用地開始快速侵占耕地資源，從而造成糧食生產(chǎn)和保持土壤等生態(tài)功能的快速下降。同時棗莊區(qū)域的地理位置特殊，靠近南四湖，受南四湖的直接影響較強(qiáng)，加之區(qū)域內(nèi)水域/濕地面積的增加，導(dǎo)致了水文調(diào)節(jié)和提供美學(xué)景觀等生態(tài)系統(tǒng)單項服務(wù)功能的快速提高。徐州區(qū)域距城市較遠(yuǎn)，因此受城市化影響相對較小，同時在南四湖的影響下，氣候調(diào)節(jié)、水文調(diào)節(jié)、維持生物多樣性和提供美學(xué)景觀的生態(tài)功能提高，使得區(qū)域內(nèi)整體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化趨勢上升。

3.3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的空間分布 在ArcGIS 10.0軟件的支持下，制作生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值圖譜，并將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值劃分為4個等級：極高(9萬元/hm2≤ESV)、高(5萬元/hm2≤ESV<9萬元/hm2)、低(1萬元/hm2≤ESV<5萬元/hm2)、極低(ESV<1萬元/hm2)。

通過(圖2)可以看出，3期生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值分布特征基本類似，以南四湖為分界線，西側(cè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值平均較低，東側(cè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值平均較高。2000—2030年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值極低區(qū)隨著城市化的發(fā)展，在城市周圍快速擴(kuò)張，并且有沿鐵路線分布的趨勢。而生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值極高的區(qū)域，以南四湖最為典型。

圖2 南四湖流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值圖譜

將兩期的土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格運(yùn)算得到生態(tài)價值變化圖譜[29]。根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化趨勢，生態(tài)減值區(qū)為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值降低的區(qū)域，反之為增值區(qū)，生態(tài)服務(wù)價值保持不變的區(qū)域為生態(tài)保值區(qū)。從(圖3)可以看出無論是2000—2015年還是模擬的2015—2030年生態(tài)保值區(qū)空間范圍最大，占據(jù)著絕對的優(yōu)勢。生態(tài)減值區(qū)主要集中在城市周圍，這也與城市的快速擴(kuò)張結(jié)果相適應(yīng)。而生態(tài)增值區(qū)則大部分分布在南四湖流域的東側(cè)，由于東側(cè)地勢較高，開發(fā)難度相對較大，加之近些年來“退耕還林”等政策的疏導(dǎo)，使得東側(cè)生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境得以改善。但從流域整體來看生態(tài)減值區(qū)的面積大于生態(tài)增值區(qū)面積，且生態(tài)減值區(qū)分布范圍較生態(tài)增值區(qū)廣泛，因此對于生態(tài)環(huán)境的保護(hù)仍然需要積極的政策引導(dǎo)。

圖3 南四湖流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化圖譜

3.4 敏感性分析

根據(jù)公式(3)，將每種土地利用類型的生態(tài)服務(wù)價值系數(shù)向上調(diào)整50%，進(jìn)行敏感性指數(shù)的計算(表4)。

由表4可知，各年修正后的敏感性指數(shù)均小于1。其中耕地敏感性指數(shù)為0.72～0.75，在所有土地利用類型中最高，表明若耕地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)增加1%，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的值將增加0.72%～0.75%。說明南四湖流域內(nèi)生態(tài)服務(wù)價值對價值系數(shù)是缺乏彈性的，研究結(jié)果可信度較高。

表4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值敏感性指數(shù)

4 討論與結(jié)論

(1) 2000—2015年南四湖流域內(nèi)耕地、草地和未利用地面積減少，林地、水域/濕地和城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積增加。耕地、草地面積的減少和城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積的增加導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值下降；而林地和水域/濕地面積的增加，彌補(bǔ)了上述用地類型所造成的損失，使區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值呈現(xiàn)出上升的趨勢。從土地利用轉(zhuǎn)移的類型來看，城鄉(xiāng)建設(shè)用地的擴(kuò)張主要占用的是耕地，而對耕地進(jìn)行補(bǔ)充的主要是草地，這種城鄉(xiāng)建設(shè)用地、耕地和草地的耦合關(guān)系是造成耕地和草地減少的主要原因。從空間分布上來看，城鄉(xiāng)建設(shè)用地擴(kuò)張出現(xiàn)了3個熱點(diǎn)，分別在菏澤市中心、濟(jì)寧市中心和棗莊市中心附近，并形成了3個生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值極低區(qū)，這3個區(qū)域經(jīng)濟(jì)與周圍相比較都比較發(fā)達(dá)，且有鐵路穿過、交通狀況便利，易于開發(fā)利用。而在“退耕還林”等政策的指引下，南四湖流域東部丘陵地帶林地和草地數(shù)量有了一定的增長，使得這一區(qū)域生態(tài)環(huán)境得以改善，加之南四湖是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值極高區(qū)，在流域內(nèi)以南四湖為分界線，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值表現(xiàn)出東高西低的特點(diǎn)。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化趨勢顯示，生態(tài)保值區(qū)在南四湖流域占有絕對的數(shù)量優(yōu)勢，生態(tài)減值區(qū)分布較廣，且主要集中在城市中心周圍，原因是快速的城市化和人口的增長，對這一區(qū)域土地的壓力較大，使得土地利用類型變化劇烈，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值減少。生態(tài)增值區(qū)在流域東側(cè)相對較為明顯，這一區(qū)域地勢較高，屬于丘陵類型，加之政策的引導(dǎo)，使得該區(qū)域生態(tài)得以改善，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值增高。

(2) 在2000—2015年土地利用變化趨勢下，2030年南四湖流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值仍有7.29×106元的小幅度增加。但生態(tài)問題不容樂觀，與2015年相比糧食生產(chǎn)、原料生產(chǎn)、氣體調(diào)節(jié)、保持土壤和維持生物多樣性等單項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能繼續(xù)下降，生態(tài)服務(wù)價值極低區(qū)以城市為中心繼續(xù)擴(kuò)張，生態(tài)增值區(qū)面積減少，生態(tài)減值區(qū)面積擴(kuò)大，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值分布不均衡趨勢進(jìn)一步加強(qiáng)。城鄉(xiāng)建設(shè)用地的擴(kuò)張，導(dǎo)致了土地利用結(jié)構(gòu)的變化，進(jìn)而導(dǎo)致了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化。在城市化、工業(yè)化這個不可逆的大背景下，生態(tài)環(huán)境不可忽視，金山銀山不如綠水青山，金山銀山就是綠水青山。因此有必要對土地進(jìn)行整治和土地復(fù)墾，使得土地利用集約化。在城鄉(xiāng)統(tǒng)籌的方略下，落實(shí)土地增減掛鉤政策和基本農(nóng)田政策，嚴(yán)格把控耕地的面積。南四湖發(fā)揮著南水北調(diào)工程的樞紐作用，生態(tài)價值寶貴，是重要的水禽棲息地，而且在水文調(diào)節(jié)、廢物處理和氣體調(diào)節(jié)等生態(tài)功能方面，起著舉足輕重的作用，因此在城市建設(shè)、工業(yè)發(fā)展過程中必須注意保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的各項生態(tài)功能。

(3) 本文選用基于單位面積價值當(dāng)量因子的方法估算分析了2000—2015年南四湖流域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化情況，并利用CLUE-S模型，預(yù)測了當(dāng)前土地利用變化趨勢下，2015—2030生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化情況，旨在預(yù)測當(dāng)前發(fā)展形式下的未來流域內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化趨勢。21世紀(jì)初期是我國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的時期，同時也帶來了許多生態(tài)問題，在此發(fā)展趨勢下對未來生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進(jìn)行預(yù)測，對未來土地資源開發(fā)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)有一定的借鑒意義，能夠避免不良情況的繼續(xù)發(fā)展，對生態(tài)環(huán)境造成進(jìn)一步的損害。但地表是人類活動最劇烈的地方，未來土地利用變化趨勢的影響因素眾多，特別是政策因素直接影響未來土地利用的結(jié)構(gòu)。在政策的基礎(chǔ)上模擬和估算多個土地利用目標(biāo)情景下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，并進(jìn)行比較分析，為決策者提供多目標(biāo)方案建議，是下一步研究的主要方向。