基于土地利用的杭州市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時空動態(tài)*

孔 琳 蘇世偉

(南京林業(yè)大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院,江蘇 南京 210037)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(ESV)是指自然界各生態(tài)系統(tǒng)及其物種互動作用而直接或間接提供給人類的服務(wù)價值。作為經(jīng)濟繁榮、社會發(fā)展的重要載體,土地利用情況對全球生境、生物多樣性都有顯著影響,是衡量生態(tài)文明建設(shè)程度的重要要素[1]。土地結(jié)構(gòu)的改變牽動著生態(tài)系統(tǒng)及其內(nèi)部生物作用的變化,繼而影響其服務(wù)功能及價值[2-4]。因此,基于土地利用開展ESV研究,有利于掌握區(qū)域自然資源分布情況并直觀展現(xiàn)其經(jīng)濟價值,為生態(tài)建設(shè)提供理論依據(jù)和參考。

ESV的研究方法分為兩類,一類是功能價值法[5],主要利用模型指標(biāo)估算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的物質(zhì)量,再將其進行貨幣化計量[6]；另一類是當(dāng)量因子法,由COSTANZA等[7]10提出,后經(jīng)謝高地等[8]1245修改,得到普遍認可。國內(nèi)學(xué)者對特定土地類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能開展了很多研究工作,例如王德旺等[9]估算了遼河干流的ESV；吳素文等[10]對海洋生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的分類進行了改良。部分學(xué)者對某些地域的ESV進行了分析討論,例如鄭曉奇等[11]分析了環(huán)渤海地區(qū)的ESV動態(tài)；向勤等[12]探討了烏魯木齊市土地變化過程中ESV的演變。目前將城市ESV的變化和城市建設(shè)進程相互映照、精確比對的研究較少。

杭州市的新時代發(fā)展離不開良好的自然環(huán)境,然而,在加速推進城市化的進程中,杭州市土地管理職權(quán)分散,統(tǒng)計數(shù)據(jù)口徑不一,對土地的系統(tǒng)性考慮欠妥,割裂了山水林田草的有機整體；此外,杭州市對自然資源的重視主要體現(xiàn)在對生產(chǎn)能力的保護,缺乏對生態(tài)系統(tǒng)整體性的維持。本研究選取杭州市2000—2020年5期遙感影像,對20年間土地利用情況進行分析,利用調(diào)整后的ESV當(dāng)量因子,結(jié)合城市化建設(shè)進程,分析杭州市ESV時空動態(tài)并對其未來的可持續(xù)發(fā)展提出建議。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

杭州市位于浙江省北部,地處錢塘江下游,土地總面積16 850 km2,是長江三角洲經(jīng)濟發(fā)展速度最快的城市之一。杭州市地處亞熱帶季風(fēng)區(qū),全年平均氣溫18.3 ℃,雨水豐沛,平均濕度70%；夏季高溫濕潤,冬季低溫干燥；東面地勢平坦,水系稠密,湖水多,西面為丘陵地帶,天目山是主峰。因山水湖河自然交融的環(huán)境,杭州市素有“人間天堂”的美名。2020年,杭州市人口達1 194萬人,城鎮(zhèn)化率近80%,地區(qū)生產(chǎn)總值達到16 106億元。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

研究所需2000、2005、2010、2015、2020年5期土地利用數(shù)據(jù)主要來自分辨率為30 m的Landsat系列衛(wèi)星監(jiān)測影像。利用ArcGIS 10.7裁剪研究區(qū)域影像,參考中國科學(xué)院提供的土地利用分類系統(tǒng),將杭州市24種土地利用二級類型重分類為草地、耕地、建設(shè)用地、林地、水域、未利用地6大類,再將柵格影像轉(zhuǎn)面后進行一級類融合,獲取杭州市土地利用面積數(shù)據(jù)。農(nóng)業(yè)經(jīng)濟相關(guān)數(shù)據(jù)來源于2000—2021年的杭州統(tǒng)計年鑒、中國農(nóng)村統(tǒng)計年鑒、全國農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編等。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用動態(tài)度

土地利用動態(tài)度代表研究區(qū)域某種土地類型在研究時段內(nèi)面積的增加或減少速度,數(shù)值絕對值越大,代表其變化速率越快,計算方式為：

(1)

式中：K為某一土地類型的年動態(tài)度,%；Ua、Ub分別為此土地類型期初、期末的面積,hm2；T為研究時段,a。

1.3.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣能夠以矩陣形式列出一段時間前后不同土地類型的轉(zhuǎn)換關(guān)系,反映土地利用結(jié)構(gòu)的改變情況,因此本研究選用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣研究不同土地類型之間的轉(zhuǎn)化趨勢及程度。

1.3.3 ESV計算

以COSTANZA等[7]10和謝高地等[8]1245的研究成果為基礎(chǔ),結(jié)合杭州市的經(jīng)濟發(fā)展情況進行修正,對杭州市不同類型的土地ESV進行計算,計算方式為：

(2)

(3)

式中：E為總ESV,元；Vm為第m種土地類型單位面積提供的ESV,元/hm2；Am為第m種土地類型的面積,hm2；n為土地類型的種類；Ef為單項ESV中的第f項,元；Vm,f為第m種土地類型單位面積提供的第f項ESV,元/hm2。

以單位面積農(nóng)田糧食作物經(jīng)濟價值的1/7作為一個當(dāng)量因子的價值；研究區(qū)域主要糧食作物2000—2020年的平均產(chǎn)量為4 466.46 kg/hm2；根據(jù)2020年全國糧食平均收購價,消除年間價格變動影響,最后得到研究區(qū)一個當(dāng)量因子的價值為2 099.68元/hm2。結(jié)合杭州市各生態(tài)系統(tǒng)二級分類的實際分布情況,以謝高地等[8]1245修正的中國ESV當(dāng)量為基礎(chǔ),加權(quán)計算獲取研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)一級分類價值當(dāng)量(見表1)；參考劉瑩等[13]的研究,建設(shè)用地的服務(wù)價值暫不計算在內(nèi)；最終獲得調(diào)節(jié)后的杭州市ESV當(dāng)量表(見表2),較為符合研究區(qū)域的實際情況。

表1 杭州市ESV當(dāng)量取值調(diào)整Table 1 Adjustment of ESV equivalent in Hangzhou

表2 杭州市單位面積ESV當(dāng)量Table 2 ESV equivalent per unit area in Hangzhou

1.3.4 生態(tài)貢獻率

生態(tài)貢獻率是指某土地類型在特定時間跨度內(nèi)的ESV變化在總ESV變化量中的占比,可體現(xiàn)研究區(qū)ESV的主要貢獻因子及敏感因素,計算方式為：

(4)

式中：Sm為第m種土地類型的生態(tài)貢獻率,%；Em為第m種土地類型在一定時間內(nèi)的ESV變化量,億元。

2 結(jié)果與分析

2.1 杭州市土地利用變化

杭州市2000—2020年的土地利用情況如表3所示,研究期間林地為主要土地類型,占總面積的60%以上；其次是耕地,占總面積的20%左右,主要分布在東北部的原蕭山區(qū)、原余杭區(qū)與原江干區(qū),沿錢塘江流域連綿延伸,在其他區(qū)縣零散分布；水域占5%左右,主要是原蕭山區(qū)的錢塘江,經(jīng)富春江、新安江流入淳安縣的千島湖；建設(shè)用地占比在3%以上,主要集中在東北部的原上城區(qū)、原下城區(qū)和原拱墅區(qū),并破碎分布于杭州東南部,后期沿水域和耕地逐漸擴張；未利用地最少,占比不到1%。

表3 杭州市2000—2020年土地類型面積Table 3 Land use type area in Hangzhou from 2000 to 2020

從20年間的土地利用變化來看,杭州市總體林地面積、耕地面積呈下降趨勢,水域面積先增后減,建設(shè)用地面積呈現(xiàn)增長趨勢,草地和未利用地面積呈現(xiàn)波動變化。與2000年相比,2020年耕地面積從3 441.99 km2持續(xù)減少到2 900.63 km2,占比從20.43%降低到17.22%；建設(shè)用地面積從548.22 km2增加到1 259.59 km2,占比提高了4.23百分點,表現(xiàn)為顯著提高；水域面積減少61.72 km2,林地面積減少117.94 km2；草地和未利用地的面積各增加了7.20、2.48 km2,波動較小。

分析土地利用動態(tài)度(見表4)可知,不同時期的耕地動態(tài)度均表現(xiàn)為負值,持續(xù)下降趨勢至2020年未有扭轉(zhuǎn)；林地和水域呈現(xiàn)輕微下降趨勢；整體來看,土地利用變化速率為建設(shè)用地>未利用地>耕地>水域>草地>林地,且在各階段統(tǒng)計數(shù)據(jù)中,建設(shè)用地土地利用動態(tài)度均為正值,代表杭州市在這20年間積極持續(xù)進行城市化建設(shè)；分期的分析結(jié)果表明,2000—2005年是杭州市土地利用變化最大的時期,綜合動態(tài)度為24.47%,是20年內(nèi)綜合動態(tài)度的2倍、中國同期土地綜合動態(tài)度(2.44%)的10倍[14],這主要是因為建設(shè)用地的動態(tài)變化,表明杭州市城市建設(shè)急劇加速。

表4 杭州市2000—2020年土地利用動態(tài)度Table 4 Dynamic degree of land use in Hangzhou from 2000 to 2020

分析土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可知(見表5),20年間杭州市向外流出的土地以耕地為主,610.69 km2轉(zhuǎn)移為建設(shè)用地,占其總轉(zhuǎn)出面積的81.33%,這證實了杭州市的城市化建設(shè)對耕地的侵占,且隨著城市交通系統(tǒng)的推進,耕地在空間上也逐漸被割裂呈現(xiàn)破碎化態(tài)勢。林地的變化方向主要是耕地,其轉(zhuǎn)出值高于轉(zhuǎn)入值,這是因為蕭山、余杭兩地由市改區(qū)后,內(nèi)部大量林地被推平,隨之進行了農(nóng)田建設(shè)；而隨著“旅游西進”戰(zhàn)略的進一步推行,2003年杭州正式實施“退耕還林”政策,林地的減少趨勢又有所遏制。草地的主要流轉(zhuǎn)方向為林地,轉(zhuǎn)入面積稍高；大量水域則流向耕地,轉(zhuǎn)為耕地的面積為86.59 km2,高于水域其他轉(zhuǎn)出面積之和,主要流入則源于耕地的47.85 km2；未利用地的變化量極小。

2.2 各土地類型的ESV

杭州市2000—2020年不同土地類型的ESV如表6所示。20年間杭州市土地的總ESV大幅減少,減少了20.706億元,變化率為-2.983%。林地是ESV的主要貢獻土地類型,占總ESV的70%左右,其次是水域和耕地,3種土地類型ESV整體呈減少趨勢。水域的ESV變化量最大,減少了11.509億元,這是由于水域的ESV當(dāng)量較大,因而即使面積變動量不是最多,引發(fā)的ESV變動卻最大；未利用地的ESV變化率達到了69.403%,這是因為未利用地最初的面積很小,輕微增長即呈現(xiàn)出最高的變化率。林地ESV占比最大是因為其面積所占比例始終穩(wěn)定在最高。

2000—2020年,杭州市單項ESV以水文調(diào)節(jié)和氣候調(diào)節(jié)為主,土壤保持、生物多樣性次之(見表7)。20年間,單項ESV大體出現(xiàn)降低,降低最多的是水文調(diào)節(jié),變化量為-9.380億元,變化率為-4.263%,這主要是水域面積的減少所致；其次為氣候調(diào)節(jié)(變化量為-2.142億元)和土壤保持(變化量為-1.927億元)；食物生產(chǎn)的變化量雖然不突出,但變化率(-8.040%)絕對值最大,與耕地面積持續(xù)減少的情況相對應(yīng)。

表5 杭州市2000—2020年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Table 5 Land use transfer matrix in Hangzhou from 2000 to 2020 km2

表6 杭州市2000—2020年各土地類型ESVTable 6 ESV of various types of land use in Hangzhou from 2000 to 2020

2.3 ESV空間變化

利用ArcGIS 10.7軟件,采用自然間斷點分級法將研究區(qū)域不同土地類型的ESV按照從低到高分為5個等級,并進行空間可視化呈現(xiàn)。如圖1所示,2000—2020年,杭州市的ESV整體表現(xiàn)為由西南向東北逐漸降低。ESV的極高值和高值主要分布在千島湖區(qū)域和錢塘江流域,水資源充裕,土壤肥沃,生物資源豐富；ESV的中值主要集中在富春江、新安江流域,江水流經(jīng)富陽區(qū)、桐廬縣、建德市,周邊多圍繞耕地和零碎的建設(shè)用地；中部區(qū)域ESV整體表現(xiàn)為低值,面積最大,該區(qū)域有較高的森林覆蓋度,耕地、草地和建設(shè)用地破碎分布；ESV極低值主要在東北部,且存在擴大跡象。這部分區(qū)域主要集中在杭州市主城區(qū)和原余杭、原蕭山兩區(qū),并向富陽區(qū)和桐廬縣延伸,是工業(yè)和制造業(yè)發(fā)展的必要空間。

表7 杭州市2000—2020年單項ESVTable 7 Individual ESV in Hangzhou from 2000 to 2020

注：ESV由低到高5個等級依次稱為極低值、低值、中值、高值、極高值。

從格局演變的角度觀察,20年間,杭州市ESV整體降低,但其空間結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。東北部邊緣的ESV高值區(qū)域在2010年出現(xiàn)明顯縮小,這主要是由于杭州市推進實施“一主三副六組團”方向的城市化建設(shè),雖然未見對天然水體有明顯損害,但原蕭山區(qū)大量灘涂轉(zhuǎn)為耕地和建設(shè)用地,同樣造成了水域面積的減少,因而相應(yīng)區(qū)域的ESV出現(xiàn)了明顯的極高值轉(zhuǎn)極低值。

2.4 生態(tài)貢獻率

如圖2所示,杭州市2000—2020年對ESV變化貢獻最大的是水域(54.33%),林地(23.03%)和耕地(21.52%)次之；草地的生態(tài)貢獻率為1.11%；未利用地的生態(tài)貢獻率最低,為0.02%。從不同時期來看,水域在2005—2010年的生態(tài)貢獻率最高(88.00%)；其次是2010—2015年耕地的生態(tài)貢獻率(68.27%),這主要是耕地面積的降低造成的。由于林地、耕地、水域的流出和流入量都較多,且服務(wù)價值變動幅度較大,生態(tài)貢獻率之和高達98.88%,故這3種土地類型是杭州市ESV變化的主要敏感因子。

圖2 杭州市2000—2020年各土地類型生態(tài)貢獻率Fig.2 Ecological contribution rate of various types of land use in Hangzhou from 2000 to 2020

3 討 論

杭州市因運河而繁榮,以西湖為唯一中心集聚發(fā)展,但市區(qū)面積狹小,豐富的山水資源反而成為了經(jīng)濟增長的障礙[15]。為解決發(fā)展難題,杭州市在2001年進行了一次行政區(qū)劃的重大調(diào)整,蕭山、余杭由市改區(qū),市區(qū)面積增加為原來的四倍多,人口增加一倍以上；以錢塘江作為軸線,多個中心組團建設(shè),成功由“西湖時代”邁進了“錢塘江時代”；江東工業(yè)園區(qū)、前進工業(yè)園區(qū)、臨江工業(yè)園區(qū)的籌建依次開始,這也是2000—2005年大量耕地流失的主要原因；2005—2010年,經(jīng)批復(fù),大江東產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)正式成型,工業(yè)和新制造業(yè)有了更廣闊的發(fā)展空間,錢塘江流域的灘涂面積卻因此遭到侵蝕,部分水域轉(zhuǎn)為耕地和建設(shè)用地,耕地則被交通線路進一步割裂破碎,導(dǎo)致2005—2010年的水域ESV和總ESV出現(xiàn)大幅下降；2010—2015年,撤銷富陽市,設(shè)立富陽區(qū),杭州綜合交通系統(tǒng)基本建成,除耕地持續(xù)轉(zhuǎn)為建設(shè)用地外,其他土地類型變化不大,ESV減少2.023億元；2015—2020年,為保護耕地,杭州市開展了永久基本農(nóng)田劃定工作,開始“田長制”試點,健全了耕地保護補償機制；然而臨安撤市設(shè)區(qū),大江東產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)聯(lián)合經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)合并為錢塘新區(qū),杭州市區(qū)總面積和人口持續(xù)增加,耕地仍持續(xù)轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，相比2010—2015年,耕地減少趨勢雖有些許減緩,但仍未真正得以扭轉(zhuǎn),ESV持續(xù)下降。

本次研究仍存在一定的不足,如單位面積價值當(dāng)量的選取存在較大主觀性,尚未有一套標(biāo)準(zhǔn)、全面的參數(shù)體系可供利用,因而研究雖能體現(xiàn)區(qū)域的縱向動態(tài),卻難以借此進行精確的橫向?qū)Ρ?。此?研究中的ESV主要考慮當(dāng)量因子和糧食市場,缺少對人們支付意愿和社會因素的考量；建設(shè)用地的擴建應(yīng)當(dāng)也會對生態(tài)系統(tǒng)造成一定影響,研究尚未能對此進行準(zhǔn)確衡量,存在一定局限性。

4 結(jié) 語

(1) 2000—2020年,杭州市土地結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著改變,建設(shè)用地面積增加一倍多,嚴(yán)重壓迫耕地空間；水域、林地面積下滑,草地、未利用地波動較小。2000—2005年土地利用綜合動態(tài)度最大,是杭州市城市化建設(shè)最快的時期。

(2) 2000—2020年,杭州市ESV大幅下降了20.706億元,其中水域的貢獻占50%以上,林地、耕地次之。單項ESV以水文調(diào)節(jié)和氣候調(diào)節(jié)為主,反映出水域水土調(diào)節(jié)能力的重要性。為了在建設(shè)用地的擠壓下保證糧食產(chǎn)出,耕地侵占水域、林地,不僅造成水文調(diào)節(jié)服務(wù)價值的急劇下滑(變化量為-9.380億元),也未能維持其應(yīng)有的食物生產(chǎn)服務(wù)價值(變化率為-8.040%)。

(3) 2000—2020年,杭州市的ESV在空間上整體表現(xiàn)為由西南向東北逐漸降低。高值集中在西南和東北的水域區(qū)域,中值分布在中部的林地區(qū)域,低值長期聚集在東北城區(qū),且有擴大趨勢。

(4) 研究期內(nèi),杭州市行政區(qū)劃多次發(fā)生巨變,建設(shè)用地迅速增加,侵蝕耕地和水域空間,生態(tài)環(huán)境的整體服務(wù)價值不斷下滑。建議杭州市在未來邁向現(xiàn)代化國際大都市的同時,更加重視其得天獨厚的自然山水資源,遏制城市無序發(fā)展,提高資源優(yōu)化配置能力,加強對水源地和生物多樣性的保護,恢復(fù)水文調(diào)節(jié)能力；嚴(yán)守耕地底線,大力宣傳推行耕地補償措施,扭轉(zhuǎn)耕地減少的趨勢,促進破碎耕地的集中成片經(jīng)營[16],提高耕地的單位產(chǎn)出效率[17]。生態(tài)服務(wù)功能是現(xiàn)代文明發(fā)展的基石,如何在維持生態(tài)文明可持續(xù)發(fā)展的前提下,快速推進城市工業(yè)化發(fā)展,是值得城市長遠考慮的問題。