刁 震，王文淵，彭 云，郭子堅

（大連理工大學 建設工程學部，遼寧 大連 116024）

引 言

生態(tài)系統(tǒng)服務功能是人類賴以生存的自然環(huán)境條件與功能[1]，生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估有利于人類福祉并實現(xiàn)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展[2]。定量研究港口區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化與土地利用轉換的關聯(lián)機制，分析港口區(qū)域生態(tài)環(huán)境與港口發(fā)展的關系，有助于港口區(qū)域土地的科學規(guī)劃利用，對促進港口區(qū)域生態(tài)建設、實現(xiàn)港口可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1997年，Robert Costanza等[3]13位科學家對全球生態(tài)系統(tǒng)進行了分類與全面評估，引發(fā)了國內外眾多學者的相關研究，生態(tài)系統(tǒng)服務價值是其中的重點之一。歐陽志云等[4]分析了中國生態(tài)系統(tǒng)的服務功能，并估算了全國生態(tài)系統(tǒng)的間接經(jīng)濟價值；謝高地等[5]基于 Costanza等[3]的研究成果，得到了中國陸地生態(tài)系統(tǒng)的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值表；王浩然[6]結合港口的特征，探討了港口生態(tài)系統(tǒng)的定義及其服務功能，將港口生態(tài)系統(tǒng)視為城市生態(tài)系統(tǒng)的子系統(tǒng)，研究了港口生態(tài)系統(tǒng)服務價值的計算方法。

生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估的研究重點為某一區(qū)域的土地利用變化以及相對應的生態(tài)系統(tǒng)服務價值的評估[7-9]，分析生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化對土地利用變化的響應[10-14]，探尋生態(tài)系統(tǒng)服務價值發(fā)生變化的驅動因素[15-16]，研究區(qū)域主要為海洋、森林、湖泊、流域等自然生態(tài)系統(tǒng)或者某一行政區(qū)域包括城市在內的復合生態(tài)系統(tǒng)[17-21]。很少有研究是針對港口生態(tài)系統(tǒng)開展的，而對港口生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化及其與港口發(fā)展相關性的研究則更少。本文通過對港口區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行評估，定量分析港口區(qū)域土地利用變化引起的生態(tài)系統(tǒng)服務價值的改變，量化港口區(qū)域生態(tài)環(huán)境的保護狀況，為港口區(qū)域的生態(tài)環(huán)境保護評估提供較為直觀的參考指標。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域為大連港某港區(qū)的臨港區(qū)域。該港區(qū)位于大連市東北部，發(fā)展迅速，土地利用類型變化劇烈。從 1999年至今已建成數(shù)十個專業(yè)化集裝箱泊位，集裝箱吞吐量逐年增長，從1999年的74萬TEU增長到2013年的991萬TEU[22]，是我國東北地區(qū)最主要的外貿(mào)集裝箱運輸港。研究區(qū)域陸側以城鎮(zhèn)建設區(qū)域為邊界線，海側以海岸線為邊界線。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)采集與處理

選取從1999年到2013年每年的Landsat TM/ETM/OLI_TRIS遙感影像，以2013年的研究區(qū)域邊界線對遙感影像進行裁剪，然后以此為基礎對歷史遙感影像進行裁剪。在完成影像的土地利用類型分類之后，通過隨機取樣的方法利用Kappa系數(shù)對分類結果進行精度評價。精度評價結果顯示每年土地利用類型分類的Kappa系數(shù)都在0.9左右，說明土地分類精度較高。

2.2 研究方法

1）土地利用類型劃分

考慮港口生態(tài)系統(tǒng)的特征[6]，將港口區(qū)域劃分為林地、草地、水域以及建設用地四種土地利用類型，其中前三種為生態(tài)用地。

2）生態(tài)系統(tǒng)服務價值計算

基于中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量表[5]進行生態(tài)系統(tǒng)服務價值計算。假設建設用地的生態(tài)系統(tǒng)服務價值為 0。采用王浩然[6]提出的修正模型，從時間、空間和社會經(jīng)濟發(fā)展水平等方面對該生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量表進行修正。采用Costanza等[3]提出的公式計算港口生態(tài)系統(tǒng)服務價值：

式中：ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務價值，元；Ak為土地利用類型k的土地面積，hm2；VCk為土地利用類型k生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)，元/hm2。

3）生態(tài)系統(tǒng)服務價值變差貢獻率

生態(tài)系統(tǒng)服務價值變差貢獻率這一指標可以衡量某種土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化在總的生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化中所占的比重，進而了解某種土地利用類型變化對生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化的影響程度，由式（2）計算：

式中：ESVc為生態(tài)系統(tǒng)服務價值變差貢獻率；ESVib和ESVia分別為第i種土地利用類型的末期和初期生態(tài)系統(tǒng)服務價值，元；ESVb和ESVa分別為末期和初期生態(tài)系統(tǒng)服務總價值，元。

若ESVc＜0，則說明該種土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化趨勢與總的生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化趨勢相反；若ESVc＞0，則說明該種土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化趨勢與總的生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化趨勢相同。

4）相關性分析

采取Pearson相關系數(shù)來衡量生態(tài)系統(tǒng)服務價值和港口的集裝箱吞吐量以及泊位個數(shù)之間的相關關系。

3 結果分析

3.1 土地利用類型動態(tài)變化分析

各年份土地利用類型變化如圖1所示，以1999年、2004年、2009年和2013年為例，土地利用類型的分類結果如圖2所示。

圖1 各種土地利用類型的面積變化情況

圖2 部分年份的土地利用分類

從1999年到2013年，該區(qū)域的建設用地得到了顯著的增加，與之相對應的林地、草地和水域的面積卻逐漸減少。在該時間段內，與1999年相比，建設用地增加了大約360 %，草地減少了60 %左右，林地減少了52.5 %，水域面積減少了48.5 %。

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，港口的建設用地不斷擴大，一方面通過填海造陸不斷向海域發(fā)展，另一方面通過占用林地和草地來實現(xiàn)港口區(qū)域的陸側擴張。草地相比林地，其面積變化率更大，主要原因是草地的開發(fā)難度較小，林地大多分布在該區(qū)域的山丘上，開發(fā)難度較大，且由于當?shù)貙ι搅值谋Ｗo政策，山丘區(qū)域的林地得到了較好的保護。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化

表1 港口生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值

根據(jù)《大連統(tǒng)計年鑒—2014》[23]計算出單位面積農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的食物生產(chǎn)服務功能價值，從而得到港口生態(tài)系統(tǒng)單位面積服務價值，如表1。

根據(jù)表1中的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值，結合土地類型分類的結果，利用公式（1）計算該區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務價值，得到各單項生態(tài)服務的價值的變化情況如表 2，港口生態(tài)系統(tǒng)總服務價值變化情況如圖3所示。

表2 各單項生態(tài)服務價值變化情況

圖3 研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化情況

從表2中可以看出，在1999年到2013年這段研究期間內各項生態(tài)服務價值均在減少，其中變化量最大的前三項分別為：水源涵養(yǎng)、廢物處理和氣候調節(jié)，這與它們自身的生態(tài)服務系數(shù)較大有著密切關系。各單項生態(tài)服務價值的變化率差別不大，均在50 %左右。

從圖3中可以看出，從1999年到2013年，該港口區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務總價值逐年減少，林地、草地、水域等生態(tài)用地的服務價值總體變化趨勢也為逐漸減少，其中，草地的服務價值改變率最大，接下來依次是水域和林地。與研究期起始相比，研究末期的總生態(tài)系統(tǒng)服務價值減少了52.11 %。

3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務價值變差貢獻率

從表3中可以看出，對于生態(tài)用地，變差貢獻率均為正值，與總生態(tài)系統(tǒng)服務價值的變化趨勢均在減少，說明它們對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的變化貢獻均為負，即這些土地利用類型的服務價值的減少導致了生態(tài)系統(tǒng)服務價值的減少。水域的貢獻率最大，為48.02 %，林地次之，為16.99 %，這與它們的生態(tài)服務價值系數(shù)較大有著密不可分的聯(lián)系，草地的面積變化雖然最大，但是由于草地的生態(tài)服務價值較小，因此其貢獻率最小。

表3 港口生態(tài)系統(tǒng)總服務價值變化情況

3.4 相關性分析

在得到該港區(qū)每年的總生態(tài)系統(tǒng)服務價值之后，進一步分析其與該港口區(qū)域的泊位建設個數(shù)、集裝箱吞吐量兩個指標的相關性。生態(tài)系統(tǒng)服務價值隨港口發(fā)展的變化情況的相關性分析的結果如表4所示。

表4 生態(tài)系統(tǒng)服務價值與港口發(fā)展指標的相關性

從相關性分析可以看出，生態(tài)系統(tǒng)服務價值與港口的泊位個數(shù)和集裝箱吞吐量之間存在著顯著的負相關性，說明隨著港口區(qū)域不斷擴張，土地利用類型的變化趨勢為從生態(tài)用地向建設用地發(fā)展，區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務總價值不斷減少。

圖4 生態(tài)系統(tǒng)服務價值與泊位數(shù)量的相關趨勢

從圖4中可以看出，隨著泊位數(shù)量的增加，港口區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務價值在不斷地減少，說明港口泊位數(shù)量的增加對生態(tài)系統(tǒng)服務價值有著明顯的負面影響港口的擴張在一定程度上降低了生態(tài)環(huán)境的質量。

圖5 生態(tài)系統(tǒng)服務價值與集裝箱吞吐量的相關趨勢

從圖5中可以看出，該港口區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務價值隨集裝箱吞吐量的增加有著不斷減少的趨勢。分析這兩個變量的變化趨勢可以進一步發(fā)現(xiàn)，隨著港口的不斷發(fā)展，港口處理貨物數(shù)量的增加，港口需要更多的堆場，更長的碼頭前沿線等。與此同時，貨物處理量的增加也帶動著周邊臨港區(qū)域的不斷發(fā)展，吸引大量物流業(yè)、制造業(yè)聚集于此，改變臨港區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務價值。隨著集裝箱吞吐量的增加，生態(tài)系統(tǒng)服務價值雖然在不斷減少，但是其變化趨勢卻越來越緩，隨著港口處理貨物效率的提升，集裝箱吞吐量增加引起的生態(tài)系統(tǒng)服務價值的減少量也會越來越小。

4 結 語

本文選取的樣本時間跨度較大，且包含每年的遙感影像，較好地還原了 15年間研究區(qū)域生態(tài)用地的變化情況，并在此基礎上定量評估了該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務價值的變化情況及驅動因素。主要得出以下結論：

1）在研究期間，該區(qū)域的建設用地顯著增加，與之相對應的林地、草地和水域的面積卻逐漸減少。建設用地呈現(xiàn)出沿海岸線以及垂直海岸線的擴張趨勢；

2）從1999年到2013年，研究區(qū)域的各項生態(tài)服務價值均減少50 %左右，變化量最大的前三項分別為：水源涵養(yǎng)、廢物處理和氣候調節(jié)；

3）對于林地、草地、水域等各種生態(tài)用地，變差貢獻率均為正值，與總生態(tài)系統(tǒng)服務價值的變化趨勢是一致的，其生態(tài)服務價值均在減少，說明它們對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的變化貢獻均為負，即這些土地利用類型的服務價值的減少導致了生態(tài)系統(tǒng)服務價值的減少；

4）隨著港口泊位數(shù)量和集裝箱吞吐量的增加，港口區(qū)域的土地利用結構發(fā)生改變，生態(tài)系統(tǒng)服務價值不斷減少。研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務價值與港口的泊位數(shù)量、集裝箱吞吐量有著顯著的負相關性。