馮 源,朱建華,2,曾立雄,2,肖文發(fā),2,*

1 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所 國(guó)家林業(yè)和草原局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100091 2 南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心, 南京 210037

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指人類從生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、過(guò)程和功能直接或間接得到的產(chǎn)品或惠益[1]。以貨幣形式評(píng)估的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(Ecological services value, ESV)是生態(tài)功能區(qū)劃、環(huán)境保護(hù)及生態(tài)補(bǔ)償?shù)闹匾笜?biāo)[2- 3]。土地利用/覆被變化(Land use and land use change, LUCC)是全球變化的重要驅(qū)動(dòng)力,通過(guò)影響生態(tài)系統(tǒng)格局與過(guò)程,改變生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的提供能力,最終導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值發(fā)生變化[4- 6]。量化土地利用變化對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響有助于優(yōu)化配置土地資源和宏觀調(diào)控、全面認(rèn)識(shí)生態(tài)環(huán)境變化趨勢(shì)并促進(jìn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展[7-8]。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究已從最初基于土地利用數(shù)量描述生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值[9-10]發(fā)展到應(yīng)用多種指標(biāo)、多種模型定量評(píng)價(jià)土地利用強(qiáng)度變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響[7,11],并且隨著精細(xì)尺度的研究需求不斷增強(qiáng),研究者的關(guān)注范圍也從全國(guó)[12]、省級(jí)[5]或區(qū)域[6]尺度逐漸轉(zhuǎn)向較小的空間尺度[4,13-14]。Chen等[4]研究了1995—2015年全國(guó)縣域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)強(qiáng)度與土地利用變化之間的聯(lián)系；郭椿陽(yáng)等[13]基于格網(wǎng)探究了1990—2015年伏牛山區(qū)土地利用變化對(duì)生態(tài)服務(wù)價(jià)值的影響；雷軍成等[14]基于Landsat TM/OLI影像及當(dāng)量因子法評(píng)估了1995—2016年江西省尋烏縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化。縣域是我國(guó)最基本的行政單元[15],近年來(lái)針對(duì)縣域土地利用變化及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值方面的研究不斷增多[14- 17],但仍存在不足:(1)往往僅從數(shù)量上描述時(shí)間序列下土地利用變化造成的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化,缺乏對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值損益進(jìn)行空間分析；(2)僅對(duì)一級(jí)地類進(jìn)行分析,缺乏對(duì)同一地類內(nèi)部生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量差異進(jìn)行描述；(3)多集中于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值現(xiàn)狀評(píng)估,不能預(yù)測(cè)未來(lái)的價(jià)值損益動(dòng)態(tài),導(dǎo)致人們對(duì)未來(lái)縣域精細(xì)尺度下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值損益的變化規(guī)律仍不清楚。

目前預(yù)測(cè)未來(lái)土地利用變化的方法主要有三種,分別是經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型、元胞自動(dòng)機(jī)和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型[16,18-19],其中CLUE-S模型(Conversion of land use and its effects at small regional extent)是發(fā)展較為成熟且應(yīng)用最廣泛的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?它基于土地利用與驅(qū)動(dòng)要素的關(guān)系、對(duì)各種地類競(jìng)爭(zhēng)及空間分配進(jìn)行系統(tǒng)模擬,適用于中小尺度研究,而且具有較高的解釋力與可信度[16,20- 21]。該模型對(duì)縣域土地利用變化的預(yù)測(cè)是量化未來(lái)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值損益時(shí)空動(dòng)態(tài)的基礎(chǔ)。

作為國(guó)家中心城市,重慶市在城鎮(zhèn)化推進(jìn)過(guò)程中面臨著日益嚴(yán)重的環(huán)境保護(hù)壓力,其中巴南區(qū)是重慶市主城九區(qū)中面積最大、城鎮(zhèn)與農(nóng)村發(fā)展相互作用最劇烈的區(qū)域[22],選擇該區(qū)作為研究對(duì)象對(duì)了解縣域尺度土地利用變化下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值損益的時(shí)空動(dòng)態(tài)具有典型意義?；?000年以來(lái)連續(xù)5期遙感影像及CLUE-S模型所預(yù)測(cè)出的未來(lái)10年巴南區(qū)8種土地利用類型的變化,評(píng)估2000—2030年巴南區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值損益的時(shí)空動(dòng)態(tài)、構(gòu)建影響了強(qiáng)度模型度量土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響,旨在評(píng)估精細(xì)尺度下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)損益時(shí)空動(dòng)態(tài)、提供科學(xué)合理的縣域土地資源優(yōu)化配置方案、推動(dòng)城鄉(xiāng)區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展,統(tǒng)籌中、小尺度國(guó)土空間規(guī)劃并促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)及生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域

巴南位于重慶市西南部(106°26′2″—106°59′53″E、29°7′44″—29°45′43″N),東接重慶市涪陵區(qū)和南川區(qū),南連綦江區(qū),西鄰江津區(qū)、九龍坡區(qū)、大渡口區(qū),北傍南岸區(qū)、江北區(qū)、渝北區(qū)和長(zhǎng)壽區(qū)(圖1)。巴南區(qū)東西橫距46 km,南北縱距70 km,總面積1.83×105hm2。巴南區(qū)地貌復(fù)雜多樣,以丘陵和低山為主,平地極少；地形起伏較大,海拔范圍為154—1133 m；年平均氣溫為18.7 ℃,年均降水量為1000—1200 mm,日照1100—1300 h；無(wú)霜期大于300 d,屬于亞熱帶濕潤(rùn)氣候。全區(qū)生態(tài)環(huán)境良好,森林覆蓋率達(dá)47.6%,擁有樹種227種,動(dòng)物資源近百種,并具有豐富的水資源與礦產(chǎn)資源。

圖1 巴南區(qū)位置及鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)劃Fig.1 Location and township division of Banan District

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文以2000—2020年連續(xù)5期土地利用/覆被數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源。該數(shù)據(jù)來(lái)源于Landsat TM/ETM+/OLI遙感影像(http://glovis.usgs.gov/),空間分辨率為30 m,利用Erdas 9.2軟件進(jìn)行波段組合、幾何校正、輻射校正、裁剪等預(yù)處理,采用人機(jī)交互式目視解譯。根據(jù)IGBP、FAO及馬里蘭大學(xué)的全球土地利用分類體系,劃分為水域、建設(shè)用地、未利用地、耕地和林地5種土地利用類型；同時(shí)結(jié)合巴南區(qū)土地利用/覆被特點(diǎn)和研究需求,又將林地劃分出針葉林、針闊混交林、灌木林和常綠闊葉林這4種二級(jí)地類?；谏仲Y源調(diào)查、固定樣地等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),應(yīng)用隨機(jī)樣點(diǎn)進(jìn)行精度驗(yàn)證,所有影像的總體分類精度均高于85%,能夠滿足研究需求。海拔及地形數(shù)據(jù)來(lái)自地理空間數(shù)據(jù)云的SRTMDEM數(shù)據(jù)(http://www.gscloud.cn),空間分辨率為30 m。該區(qū)城鎮(zhèn)居民點(diǎn)、道路數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心(http://www.ngcc.cn/),將這些作為預(yù)測(cè)未來(lái)土地利用格局變化的驅(qū)動(dòng)要素。巴南區(qū)主要農(nóng)作物類型、總產(chǎn)量、播種面積及價(jià)格等數(shù)據(jù)來(lái)源于《重慶市統(tǒng)計(jì)年鑒》[23],并結(jié)合2000—2015年《全國(guó)農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編》[24]估算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量。

1.3 CLUE-S模型應(yīng)用

1.3.1模型介紹

CLUE-S由荷蘭瓦赫寧根大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā),基于每種土地利用類型與多個(gè)驅(qū)動(dòng)因素的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,對(duì)研究區(qū)內(nèi)所有地類進(jìn)行明確的空間分配,適宜于精細(xì)尺度土地利用變化的研究[20- 21],主要步驟如下。

①基于2000—2020年巴南區(qū)土地利用歷史變化趨勢(shì),應(yīng)用馬爾科夫鏈模型估算2025—2030年各類土地利用類型的面積。馬爾科夫鏈模型是基于時(shí)間序列的隨機(jī)過(guò)程,廣泛應(yīng)用于地學(xué)數(shù)值模擬[18]。根據(jù)巴南區(qū)現(xiàn)有土地利用類型集合X(t)預(yù)測(cè)未來(lái)各地類集合狀態(tài)X(t+n),基本形式為:

(1)

式中n為時(shí)間步長(zhǎng)；Pij為土地利用轉(zhuǎn)移概率矩陣。

②設(shè)置土地利用轉(zhuǎn)化規(guī)則及轉(zhuǎn)化彈性。根據(jù)巴南區(qū)現(xiàn)有土地利用變化規(guī)律設(shè)置土地利用轉(zhuǎn)化規(guī)則,將歷史時(shí)段時(shí)內(nèi)不同土地類型間發(fā)生過(guò)轉(zhuǎn)化情況賦值為1,將不同地類間未發(fā)生過(guò)轉(zhuǎn)化情況賦值為0[16]。彈性系數(shù)描述了不同地類轉(zhuǎn)化的穩(wěn)定性,參考重慶市主城區(qū)已有的研究成果[25]并經(jīng)過(guò)多次模擬調(diào)試,確定巴南區(qū)水域、建設(shè)用地、未利用地、耕地、林地(含所有二級(jí)地類)的彈性系數(shù)分別為0.9、0.7、0.5、0.5、0.6。

③選擇地形因子(海拔、坡度、坡向)和區(qū)位因子(距道路距離、距城鎮(zhèn)距離)作為驅(qū)動(dòng)力對(duì)各地類進(jìn)行Logistic回歸(表1),得到各地類在空間某點(diǎn)的分布概率(Pi,u)。

表1 巴南區(qū)土地利用類型與驅(qū)動(dòng)因子的Logistic回歸方程及ROC值

④根據(jù)分布概率、彈性系數(shù)以及迭代系數(shù)得到的總概率對(duì)各地類進(jìn)行空間分配,公式如下。

TPROPi,u=Pi,u+ELSAu+ITERu

(2)

式中,TPROPi,u為柵格i是土地利用類型u的總概率；Pi,u為L(zhǎng)ogistic回歸求得的空間分布概率；ELASu為土地利用類型u的彈性系數(shù)；ITERu為迭代系數(shù)。

巴南區(qū)8種土地利用類型與驅(qū)動(dòng)因素的逐步回歸結(jié)果表明所有土地利用類型均與坡度的關(guān)系最密切,同時(shí)所有土地利用類型回歸模型的ROC(Relative operating characteristics)曲線面積接近或大于0.7,表明逐步回歸模型能夠較好地解釋巴南區(qū)不同地類的發(fā)生概率。

1.3.2馬爾科夫鏈模擬檢驗(yàn)及CLUE-S模擬結(jié)果檢驗(yàn)

應(yīng)用卡方檢驗(yàn)對(duì)馬爾科夫鏈所預(yù)測(cè)的未來(lái)各種土地利用面積結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。使用歷史土地利用轉(zhuǎn)移概率矩陣估算2020年巴南區(qū)各地類面積,并與其真實(shí)土地利用格局進(jìn)行比較(圖2),應(yīng)用Kappa系數(shù)檢驗(yàn)各種地類空間分布格局預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性?？ǚ綑z驗(yàn)結(jié)果和Kappa系數(shù)分別由公式(3)和公式(4)計(jì)算得到。

圖2 CLUE-S預(yù)測(cè)結(jié)果及巴南區(qū)實(shí)際土地利用格局對(duì)比Fig.2 Comparison of CLUE-S simulated result with the real land-use pattern of Banan District

(3)

Kappa=(Pa-Pc)/(Pp-Pc)

(4)

1.4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估

參考謝高地等[3,26]所提出中國(guó)陸地各種生態(tài)系統(tǒng)類型單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量及生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)方法[27](公式5—6),構(gòu)建了巴南區(qū)不同土地利用類型的各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量表(表2)。建設(shè)用地可提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值很低,不參與計(jì)算[28]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子的經(jīng)濟(jì)價(jià)值為當(dāng)年全國(guó)平均糧食市場(chǎng)價(jià)值的1/7[26]。由《重慶市統(tǒng)計(jì)年鑒》[23]和《全國(guó)農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編》[24]得到2000—2015年全國(guó)糧食平均出售價(jià)格范圍為1098.80—2325.60 元/t,此期間全國(guó)與巴南區(qū)單位面積糧食產(chǎn)量范圍分別為4.16—7.01 t/hm2、3.68—3.89 t/hm2,獲得巴南區(qū)生物量修正因子為0.56—0.88。由于目前尚未能獲得2020年糧食產(chǎn)量及價(jià)格數(shù)據(jù),因此在2020—2030年也以2015年的當(dāng)量因子價(jià)值進(jìn)行估算,確保未來(lái)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估與歷史時(shí)段結(jié)果具有可比性。同時(shí)為消除物價(jià)變動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估的影響,本文使用居民消費(fèi)價(jià)格指數(shù)(Consumer price index,CPI)以2015年為基期,對(duì)2000—2010年當(dāng)量因子價(jià)值進(jìn)行修正[11],得到2000—2030年巴南區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的當(dāng)量因子價(jià)值范圍為818.53—1335.56 元(圖3)。

圖3 巴南區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子價(jià)值 Fig.3 Per unit value of equivalent of ecosystem service values (ESV) of Banan District

表2 巴南區(qū)不同土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量

1.5 土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響

使用單一動(dòng)態(tài)度和綜合動(dòng)態(tài)度分別描述各種土地利用類型及研究區(qū)整體土地利用變化的速率趨勢(shì)及劇烈程度[29]?；谕恋乩棉D(zhuǎn)移矩陣核算得到的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值損益矩陣可揭示服務(wù)價(jià)值的數(shù)量變化特征、增減方向及來(lái)源[7]；應(yīng)用劉亞茹等[7]所構(gòu)建的影響程度指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)土地利用變化對(duì)服務(wù)價(jià)值的影響程度(公式7—10)。為從精細(xì)尺度分析2000—2030年巴南區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值損益的空間分布格局,本文使用格網(wǎng)作為研究單元對(duì)巴南區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值損益做探索性空間分析,了解損益的空間自相關(guān)特性。常見(jiàn)的格網(wǎng)尺度有500 m×500 m、1 km×1 km、3 km×3 km、5 km×5 km及10 km×10 km等[13,16]?？紤]到本文研究尺度精細(xì)以及最小可塑性單元對(duì)結(jié)果的影響,故而增加120 m×120 m和250 m×250 m這兩種尺度,通過(guò)分析不同格網(wǎng)尺度下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值損益時(shí)空動(dòng)態(tài)及差異,發(fā)現(xiàn)以250 m×250 m網(wǎng)格尺度的分析結(jié)果能夠充分體現(xiàn)巴南區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間自相關(guān)特征,是現(xiàn)有研究尺度、數(shù)據(jù)量和空間斑塊情況下最合適的方案。因此本文將巴南區(qū)按250 m×250 m大小進(jìn)行魚網(wǎng)劃分。按照自然斷點(diǎn)法將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值損益從高到低分為5級(jí),使用Geoda軟件進(jìn)行價(jià)值損益的全局自相關(guān)分析分別計(jì)算全局、局部Moran′sI指數(shù)及局部Gi指數(shù)。

(5)

ESV=∑(Ai×Vi,k)

(6)

LPi=∑Ai×(VCi,k-VCi,k′)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

2 結(jié)果分析

2.1 巴南區(qū)土地利用變化

2000—2020年巴南區(qū)耕地面積由1.39×105hm2減少了38.77%(圖4)。減少的耕地76.32%轉(zhuǎn)化為林地、17.97%轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地；轉(zhuǎn)化為水域和未利用地的比例最低,分別為4.82%和0.88%。由于耕地的轉(zhuǎn)化,林地面積增長(zhǎng)最多(4.1×104hm2),未利用地增加最少(472.0 hm2)。CLUE-S模型預(yù)測(cè)上述土地利用變化趨勢(shì)將在未來(lái)10年內(nèi)延續(xù)。2020—2030年耕地繼續(xù)減少1.85×105hm2,其中63.01%轉(zhuǎn)化為林地,29.62%轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地。2000—2030年耕地占巴南區(qū)面積的比例由75.99%降低到36.41%,而林地占比增長(zhǎng)了28.86%并將在2025年后取代耕地成為最主要的土地利用類型,其中針葉林、灌木林、針闊混交林和常綠闊葉林的面積占巴南區(qū)面積比例增長(zhǎng)依次降低,分別增長(zhǎng)了13.42%、7.15%、7.07%和1.22%(圖4)；建設(shè)用地和水域的比重分別增長(zhǎng)8.29%和2.25%；未利用地占比最小,其所占比重僅增長(zhǎng)0.18%。

圖4 2000—2030年巴南區(qū)不同土地利用類型面積變化Fig.4 Area changes of different land use type of Banan District during 2000 to 2030

2000—2010年是巴南區(qū)土地利用變化最為劇烈的時(shí)期,土地利用綜合動(dòng)態(tài)度由0.67%增加到1.08%(圖5),主要來(lái)源于建設(shè)用地和林地的迅速增長(zhǎng),其中建設(shè)用地單一動(dòng)態(tài)度最高,由12.16%增加到29.29%(圖5),林地單一動(dòng)態(tài)度也較高(4.94%—6.40%),說(shuō)明建設(shè)用地和林地是轉(zhuǎn)化最顯著的兩種土地利用類型。此后巴南區(qū)土地利用變化速率放緩。2020年以后所有土地利用的單一動(dòng)態(tài)度均趨于平緩,綜合動(dòng)態(tài)度在2025—2030年最低(0.48%)。2000—2030巴南區(qū)建設(shè)用地、水域、林地、未利用地和耕地的單一動(dòng)態(tài)度依次降低,分別為41.58%、5.26%、4.55%、0.83%和-1.74%；耕地的單一動(dòng)態(tài)度始終小于0,即耕地持續(xù)轉(zhuǎn)化為其他土地利用類型。

2.2 巴南區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化

2000—2020年巴南區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值由11.69億元增長(zhǎng)到27.64億元(表3),此后仍逐漸增長(zhǎng),到2030年達(dá)到30.19億元。耕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在2010年達(dá)到最大值5.71億元,此后逐漸降低至3.38億元。2000—2030年林地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值共增長(zhǎng)16.19億元,其中針葉林和針闊混交林是巴南區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值增長(zhǎng)最多的兩種地類,分別增加7.61億元和5.06億元；水體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值增長(zhǎng)3.40億元,未利用地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化極小。2000—2030年耕地及林地的面積變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值影響最明顯(圖5),平均影響程度分別為32.24%和30.18%；水域面積增長(zhǎng)對(duì)服務(wù)價(jià)值的影響逐漸增強(qiáng),而未利用地則基本無(wú)影響,二者影響程度分別為5.60%和1.29%；建設(shè)用地對(duì)服務(wù)價(jià)值的影響程度為-2.39%,表明其面積增加將導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的降低。2000—2030年除食物生產(chǎn)的服務(wù)價(jià)值將減少外(減少量為0.08億元),其他服務(wù)價(jià)值均增加(表4)。氣候調(diào)節(jié)價(jià)值增量最高,為4.82億元,而維持養(yǎng)分循環(huán)價(jià)值增量最低,為0.11億元。耕地面積減少引起了食物生產(chǎn)價(jià)值持續(xù)下降,而林地、水域面積的增長(zhǎng)則是其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值增長(zhǎng)的主要原因。

表3 巴南區(qū)不同土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值動(dòng)態(tài)/億元

表4 巴南區(qū)不同類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值動(dòng)態(tài)/億元

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值損益時(shí)空動(dòng)態(tài)

2000—2030年巴南區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值損失0.58億元、總增益19.09億元,凈增益為18.50億元。耕地、林地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值損失的主要來(lái)源,分別占全區(qū)損失的80.64%和8.42%(表5)；而耕地轉(zhuǎn)化為林地是服務(wù)價(jià)值增益的最主要方式,貢獻(xiàn)全區(qū)總增益的57.84%。土地利用結(jié)構(gòu)變化和當(dāng)量因子價(jià)值升高共同導(dǎo)致了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值增長(zhǎng),二者分別貢獻(xiàn)了凈增益的70.96%和29.04%。

表5 2000—2030年巴南區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值損益矩陣/萬(wàn)元

2000年巴南區(qū)耕地占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),使全區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值呈現(xiàn)較為均勻的空間分布格局,僅北部水系及海拔較高的桃子蕩山的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值較高。隨著時(shí)間推移,城鎮(zhèn)化發(fā)展的壓力則使地勢(shì)平坦的中西部地區(qū)耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地,使生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)低值區(qū)由最初零星分布于西部邊緣逐漸向中部及北部擴(kuò)張。同時(shí)該區(qū)中南部、東南部海拔較高的山區(qū)耕地大面積轉(zhuǎn)化為以針葉林為主的林地,使生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值明顯增加,使全區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值分布格局差異逐漸顯現(xiàn)(圖6)。探索性空間分析結(jié)果顯示(表6),巴南區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值損益的全局Moran′sI指數(shù)及P值分別為0.6077、0.001,說(shuō)明該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值損益表現(xiàn)為顯著的正向空間自相關(guān)。若將巴南區(qū)由東北到西南劃一條對(duì)角線,其西側(cè)海拔較低、地勢(shì)平坦而東側(cè)海拔較高。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值冷點(diǎn)集中在對(duì)角線西側(cè)海拔較高的李家沱、花溪街道、南泉街道等地區(qū),表現(xiàn)為“低值-低值”集聚特征和冷點(diǎn)(圖7)；而生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值增益熱點(diǎn)主要分布于對(duì)角線東側(cè)海拔較高的石龍鎮(zhèn)、石灘鎮(zhèn)、接龍鎮(zhèn)、跳石鎮(zhèn)南部及安瀾鎮(zhèn)西側(cè),呈現(xiàn)“高值-高值”集聚特征。

表6 巴南區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值損益全局自相關(guān)

圖6 2000—2030年巴南區(qū)地均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間分布格局及損益Fig.6 Spatial distribution pattern and the profit and loss of ecosystem service values in Banan District

圖7 巴南區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值損益的局域空間自相關(guān)分析Fig.7 Local spatial autocorrelation of the profit and loss of ecosystem service values in Banan District

3 討論

本文基于土地利用變化評(píng)估并預(yù)測(cè)了縣域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值損益時(shí)空動(dòng)態(tài),為未來(lái)區(qū)域土地資源的合理規(guī)劃及有效利用提供了科學(xué)依據(jù),對(duì)保護(hù)生態(tài)環(huán)境和維持區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。過(guò)去20年間巴南區(qū)最明顯的變化是耕地持續(xù)轉(zhuǎn)化為其他土地利用類型,基于該趨勢(shì)馬爾科夫鏈模型預(yù)測(cè)出2030年巴南區(qū)耕地面積和林地面積分別為6.64×104hm2、9.13×104hm2,符合《巴南區(qū)及龍洲灣街道等22個(gè)鎮(zhèn)街土地利用總體規(guī)劃(2006—2020年)調(diào)整方案》對(duì)永久基本農(nóng)田保護(hù)紅線(4.66×104hm2)和生態(tài)保護(hù)(1.97×104hm2)的面積規(guī)定,表明按現(xiàn)有趨勢(shì)發(fā)展未來(lái)巴南區(qū)土地利用變化預(yù)測(cè)合理。

基于CLUE-S模型對(duì)精細(xì)尺度土地利用格局的準(zhǔn)確模擬,不僅能夠獲得未來(lái)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的數(shù)量變化,還可直觀顯示出不同土地利用類型及同一地類內(nèi)部二級(jí)地類的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值損益的空間分異。2000—2030年巴南區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致的價(jià)值增長(zhǎng)為13.13億元,占凈增益的70.96%；而當(dāng)量因子價(jià)值升高則貢獻(xiàn)了凈增益的29.04%。巴南區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值損益與地形密切相關(guān)。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在西部低海拔地區(qū)隨著城鎮(zhèn)化加劇以及耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地而損失逐漸加劇,而在中南部及東南高海拔地區(qū)則隨著耕地轉(zhuǎn)化為林地而明顯升高,使價(jià)值損益在全局和局域尺度上均呈現(xiàn)顯著的正向空間自相關(guān)特性。與我國(guó)同期大部分城市發(fā)展導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值持續(xù)減少的情況不同[7,11],盡管巴南區(qū)建設(shè)用地逐漸擴(kuò)張,但林地面積的大幅增長(zhǎng)使該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值增益遠(yuǎn)高于其損失。這不僅反映出過(guò)去十幾年間天然林資源保護(hù)工程及退耕還林工程的實(shí)施能夠有效緩解城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的沖突,而且也說(shuō)明現(xiàn)有土地利用發(fā)展模式能夠兼顧經(jīng)濟(jì)發(fā)展及生態(tài)環(huán)境保護(hù)兩方面的需求。

縣域是介于省市及鄉(xiāng)鎮(zhèn)之間的中間尺度,優(yōu)化縣域空間布局可有效推動(dòng)大中城市和小城鎮(zhèn)的協(xié)調(diào)發(fā)展。近期在重慶市“一區(qū)兩群”發(fā)展格局規(guī)劃中巴南區(qū)是主城都市區(qū)之一,同時(shí)也是“國(guó)家城鄉(xiāng)融合發(fā)展試驗(yàn)區(qū)”之一,依據(jù)本文所得結(jié)果可從以下3方面優(yōu)化該區(qū)未來(lái)空間布局,以構(gòu)建科學(xué)合理的城鎮(zhèn)體系:(1)地勢(shì)較平坦西部及北部地區(qū)應(yīng)提高已有建設(shè)用地的利用強(qiáng)度、合理規(guī)劃城市用地邊界以避免減損水域及林地等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值高值區(qū)、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和升級(jí)以增強(qiáng)中心城市綜合承載能力；(2)南部海拔較高的地區(qū)繼續(xù)進(jìn)行退耕還林等生態(tài)保護(hù)工程、推行造林綠化、加強(qiáng)相鄰區(qū)縣間生態(tài)環(huán)境保護(hù)的聯(lián)防聯(lián)治、促進(jìn)區(qū)域生境質(zhì)量的全面提升；(3)由于耕地面積持續(xù)減少會(huì)引起食物生產(chǎn)服務(wù)的減弱,因此需要嚴(yán)守耕地紅線、使用先進(jìn)技術(shù)提高糧食產(chǎn)量和保障糧食安全、搭建城鄉(xiāng)產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展平臺(tái),推動(dòng)城鄉(xiāng)區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展。

本文局限性主要包含以下3個(gè)方面:(1)CLUE-S難以反映政策對(duì)土地利用的直接影響,所使用的Logistic逐步回歸方程所擬合的土地利用類型與驅(qū)動(dòng)因素的關(guān)系是單向作用過(guò)程,不能反映土地利用類型變化的反饋機(jī)制與過(guò)程[30]；(2)由于可獲得數(shù)據(jù)及方法的限制,本文未能預(yù)測(cè)未來(lái)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)當(dāng)量因子經(jīng)濟(jì)價(jià)值的變化,仍延用2015年的經(jīng)濟(jì)價(jià)值進(jìn)行計(jì)算會(huì)造成未來(lái)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值低估或高估；(3)僅按照當(dāng)前發(fā)展趨勢(shì)對(duì)未來(lái)土地利用格局進(jìn)行預(yù)測(cè),未能設(shè)置多種土地利用情景進(jìn)行對(duì)比評(píng)估。今后需要應(yīng)用更為準(zhǔn)確的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值核算體系進(jìn)行精細(xì)評(píng)估,同時(shí)需依托各類生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究站獲取連續(xù)的自然驅(qū)動(dòng)要素與社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù),設(shè)置多種發(fā)展模式進(jìn)行模擬,加強(qiáng)對(duì)微觀土地利用變化過(guò)程與機(jī)理的研究、增強(qiáng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流以及多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的認(rèn)識(shí)。

4 結(jié)論

基于土地利用變化及CLUE-S模型可以直觀評(píng)價(jià)并預(yù)測(cè)未來(lái)縣域尺度生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值損益時(shí)空動(dòng)態(tài)。2000—2030年巴南區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值損失0.58億元、總增益19.09億元,凈增益18.50億元；土地利用結(jié)構(gòu)變化和當(dāng)量因子價(jià)值升高分別貢獻(xiàn)了凈增益的70.96%和29.04%。耕地、林地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地是導(dǎo)致巴南區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值損失的主要途徑,而耕地轉(zhuǎn)化為林地則促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值增益。巴南區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值損益與地形密切相關(guān),呈現(xiàn)顯著的正向空間自相關(guān)特性。巴南區(qū)現(xiàn)有土地利用發(fā)展模式能夠兼顧經(jīng)濟(jì)發(fā)展及生態(tài)環(huán)境保護(hù)兩方面的需求,但未來(lái)仍需實(shí)施生態(tài)工程、合理規(guī)劃城市用地邊界、嚴(yán)守耕地紅線以實(shí)現(xiàn)區(qū)域長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展。