基于RS和GIS的中心城區土地利用變化及生態系統服務價值分析

黃傅強 許德莉 齊增湘

摘要 為了明確城市中心城區土地利用變化對區域內生態系統服務價值的影響。以衡陽市中心城區為研究區域，結合RS和GIS分析2000—2010年土地利用變化特征，在此基礎上采用單位面積價值當量因子對中心城區的生態系統服務價值（ESV）變化進行測算，并運用馬爾科夫模型預測了在歷史趨勢發展情景下2030年衡陽市中心城區土地利用及生態系統服務價值變化情況。結果表明：①衡陽市中心城區土地利用以耕地、林地、水域和建設用地為主，2000—2010年耕地、林地、草地和未利用地面積呈下降趨勢，建設用地和水域面積呈增加趨勢;各土地利用類型在數量和空間上轉換顯著。②研究期內生態系統服務價值呈下降趨勢，2000—2010年衡陽市中心城區生態系統服務價值由24.59億元下降到23.65億元，水域和林地為對中心城區生態系統服務價值貢獻最大的地類。③根據馬爾科夫模型的預測結果，2030年衡陽市中心城區耕地和林地會大幅減少，建設用地會大幅增加。衡陽市中心城區除水域生態服務價值呈上升趨勢外，其他用地生態價值均呈下降趨勢，總的生態系統服務價值也將繼續呈下降態勢。在新型的城鎮化擴張中，需要慎重權衡城市發展與生態保護的關系。

關鍵詞 土地利用;城市中心城區;生態系統服務價值;馬爾科夫模型;衡陽市

中圖分類號 S181.6文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）19-0043-05doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.19.015

Abstract In order to clarify the impact of land use change in urban central areas on the value of ecological services.Taking the central areas of Hengyang city as the research area， combining RS and GIS to analyze the characteristics of land use change from 2000 to 2010， using the value equivalent factor method to measure the changes of ecosystem service value （ESV），then using the Markov model to predict the ecological service values of various land types in the central areas of Hengyang City under the historical trend development scenario.The results showed that：First，the land use in the urban central areas of Hengyang City is dominated by cultivated land， forest land， water area and construction land.The area of cultivated land， forest land， grassland and unused land is reducing， however the area of construction land and water area is increasing.The type of land use has changed significantly in quantity and space from 2000 to 2010.Second，the value of ecological services showed a downward trend during the study period.From 2000 to 2010，the value of ecological services dropped from 24.59×108 yuan to 23.65×108 yuan.The value of ecological services in waters and forests play important roles in the total ecological service value of the urban central area.Third，the results of Markov model suggested that the cultivated land and forest land will be greatly reduced.The ecological value of water resources will increase，however the ecological value of other land uses will decrease， the value of total ecosystem services will still continue to decline in 2030.We need to carefully weigh the relationship between urban development and ecological protection in the future.

Key words Land use;Urban central areas;Ecosystem service value （ESV）;Markov model;Hengyang City

生態系統服務是在生態系統和生態過程中所形成的人類賴以生存和發展的自然環境條件和效用[1]，核算生態系統服務價值（ecosystem service values，ESV）可為人類生活和生產質量，社會可持續發展水平以及綠色GDP提供科學依據，具有十分重要的科學價值和現實意義[2]。土地利用/覆被變化（LUCC）是影響全球環境變化的主要原因和重要組成部分[3]，其對生態系統服務功能起決定性作用。在快速城鎮化發展進程中，人類對土地的不恰當利用導致生態環境影響日益凸顯，特別是在GDP導向理念下忽略生態環境影響的土地開發利用活動，引起水質凈化[4]、土壤保持[5]、生物多樣性[6]、養分循環[7]和調節氣候[8]等功能受到嚴重破壞等問題，造成生態系統服務功能的削弱與退化，嚴重影響到區域生態系統平衡。為此，不同學者采用不同方法對土地利用變化造成的生態系統服務功能變化進行了研究[9]。但是從研究的空間尺度來看，現有研究主要側重對大范圍的區域尺度進行研究，對城市中心城區尺度的生態系統服務價值研究相對薄弱。中心城區是城市發展的核心區域，同時也是城市人口聚集和各項城市活動集中發生的地域。在我國快速城鎮化進程中，中心城區面臨的資源與環境的壓力日益凸顯。

綜合上述背景和問題，該研究利用衡陽市中心城區2000和2010年的Landsat TM遙感解譯數據，在對兩期土地利用解譯的數據分析對比的基礎上，結合單位面積價值當量因子估算分析生態系統服務價值動態變化，揭示城市中心城區土地利用和生態服務價值變化特征，并利用馬爾可夫模型預測了2030年衡陽市中心城區的土地利用和生態系統服務價值變化，為城市決策者合理布局土地資源提供科學依據。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況 衡陽市地處湖南省中南部（110°32′16″～113°16′32″E、26°07′05″～27°28′24″N），湘江中游，衡山之南，是湖南省域副中心城市、中南地區重要工業城市、區域性物流中心、國家生態文明先行示范區。衡陽市在環長株潭城市群和湘南地區的發揮著區域中心作用和承擔帶動湘南地區發展的重任。本文研究區域為衡陽市中心城區，包括石鼓區、雁峰區、珠暉區和蒸湘區。中心城區作為衡陽市區域經濟的龍頭，經濟與社會發展迅速驅使中心城區面積不斷擴張，造成土地利用和區域生態系統服務價值發生了劇烈的變化，從而導致了眾多環境問題。

1.2 數據來源與處理 該研究利用衡陽市中心城區2000、2010年同期的Landsat TM遙感影像，分辨率為30 m×30 m。根據研究目的和范圍，采用目視解譯方式，按照《土地利用現狀分類（GB/T 21010—2007）》將研究區內土地利用類型劃分為6類：耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地，結果如圖1所示。經過驗證，此次2000及2010年的影像分類Kappa系數分別為86.5%、88.7%，可用于對衡陽市中心城區的實際土地利用變化情況進行分析。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用轉移矩陣。土地利用/覆被類型的轉換是指人類在改造土地資源過程中導致的不同地類之間的相互轉化和土地利用結果發生變化的現象[10]。土地利用轉移矩陣作為定量研究土地利用轉換過程中不同地類間相互轉化數量和方向的主要方法，其數學表達式為：

1.3.2 馬爾科夫模型。馬爾科夫模型作為一種特殊的隨機運動過程，經常運用于預測土地利用數量變化，因為土地利用動態變化的過程可視為無后效性的卡爾科夫過程[11]。其計算公式可表示為：

1.3.3 生態系統服務價值核算。生態系統服務價值當量因子是生態系統產生服務的相對貢獻率。謝高地等的研究成果表明1個生態系統服務價值當量因子的經濟價值等于當年全國平均糧食單產市場價格的1/7[9]。生態系統服務價值當量因子的價值量計算公式如下：

式中，ESV為生態系統服務價值（元）;Ai是土地利用類型i的面積（hm2）;VCi是單位面積土地利用類型i的生態系統服務功能總價值（元/hm2·a）;ESVf為生態系統第f項服務功能價值（元）;VCfi是單位面積土地利用類型i的生態系統服務功能總價值（元/hm2·a）。

由于謝高地等計算出的單位面積生態系統服務價值單量是以全國為研究區域計算得出，為體現出區域差異，該研究以湖南省2001—2010年平均糧食產量5 641.27 kg/hm2為基準單產[12]，按3.5元/kg計算，得出衡陽市1個生態系統服務價值當量因子的經濟價值VC0約為2 820.63元/hm2。再根據謝高地等提出的單位面積生態系統服務價值表，計算出衡陽市中心城區各類土地利用類型的單位面積生態系統服務價值系數。對于建設用地的生態系統服務價值，許多學者都是根據謝高地等的研究成果將其賦值為0。但后續學者[2，16-17]的研究成果表明，建設用地也具有氣體調節、水文調節和廢物處理等生態系統服務功能。然而建設用地生態系統價值的核算涉及的問題復雜、數據獲取困難，導致無法完全量化其生態系統價值。因此該研究的建設用地生態系統服務價值系數根據鄭江坤等[15]的研究成果取值，最終得到衡陽市中心城區不同用地類型的單位面積生態服務價值（表1）。

2 結果與分析

2.1 土地利用變化 2000—2010年衡陽市中心城區的土地利用構成以及變化情況見表2。

由表2可得，耕地、林地、水域和建設用地為衡陽市中心城區最主要的用地類型。2000—2010年衡陽市中心城區各土地利用數量均發生了不同程度的變化，主要表現為耕地和林地面積大幅度減少，建設用地面積大幅度增加。2000—2010年，耕地為面積減少最多的地類，在11年間共減少了2 277.63 hm2，變化率為8.69%。第二為林地，在11年間共減少了1 384.02 hm2，變化率為9.32%。第三為草地，11年間共減少了103.05 hm2，變化率為21.22%。最后為未利用地，11年間共減少了16.92 hm2，變化率為30.62%?？梢钥闯鲈谘芯科趦?，隨著城鎮化進程的加快使得中心城區內大量的耕地和林地轉化成建設用地，滿足城市發展的需求。與此相反，建設用地為面積變化幅度最大的地類，在11年間內共增加了3 520.26 hm2，變化率為56.94%。水體在研究期內變化幅度較小，11年間水體面積共增加了261.36 hm2，變化率為7.16%。

2.2 土地轉移情況 該研究利用馬爾科夫模型以及在ArcGIS 10.2軟件中對2000、2010年2期土地利用現狀數據進行疊加分析，得到衡陽市中心城區土地利用轉移矩陣（表3）以及土地利用在空間上的轉換情況（圖2）。

2.2.1 耕地轉移。2000—2010年，衡陽市中心城區耕地數量急劇下降。耕地轉出的面積高達3 121.65 hm2，主要轉向建設用地，其次為水體和林地。轉出面積分別為2 264.22、426.78、425.61 hm2。由圖3可以看出，耕地變化最為劇烈的地方在城市西北、西南部。因為該區域地勢平坦，隨著衡陽市對城市基礎設施投資力度的加大，武廣客運專線、京珠高速復線、衡邵高速公路、湘桂鐵路及其復線、茶山坳物流園、高新技術產業開發區和白沙洲工業園區的建設無不增加了對土地的需求，導致城市建設用地不斷向外擴張，大量侵占耕地。

2.2.2 林地轉移。衡陽市中心城區林地的面積入不敷出，砍伐、占用和恢復并存。2000—2010年，林地轉出的面積為1 908.27 hm2，主要向耕地和建設用地轉化，轉出面積分別為415.35、1391.85 hm2;其次為水體和未利用地，轉出面積分別為60.84、37.71 hm2;轉為草地的面積最小，為2.52 hm2。在轉入的面積中，林地共轉入524.25 hm2，主要由耕地轉化而來，轉入面積為425.61 hm2。由圖3可得，林地空間變化最劇烈的地區分布在城市的西北和東南部，這主要因為城市建設的需求以及部分耕地退耕還林所致。

2.2.3 草地轉移。草地面積雖然變化幅度較大，但變化的面積數量相對較少。2000—2010年內草地轉出的面積為109.98 hm2，主要轉向林地和建設用地，轉出面積分別為5715、31.95 hm2;其次為耕地和水體，轉出面積分別為1296、792 hm2。在草地轉入面積方面，僅有6.93 hm2轉入，主要為耕地和林地。由圖3可得，草地面積變化最劇烈的區域分布在中心城區周邊，主要由于高新技術產業開發區建設導致。北部和東部有小部分草地轉變為生態價值更高的林地和水體。

2.2.4 水域轉移。衡陽市中心城區內，水體面積呈現緩慢增長的趨勢。2000—2010年水體轉出面積約為轉入面積的一半，其中水體主要轉向耕地和建設用地，其次為林地，轉出面積分別為154.62、91.89、39.33 hm2。在水體轉入面積方面，耕地轉入面積占78%，為轉入水體最多的用地。其次轉入面積依次為林地、建設用地、未利用地和草地。在中心城區中部和南部有小部分水體變成變為建設用地和耕地。但是隨著人類對生態環境保護意識的加強，以及東洲島湖湘文化公園、南郊森林公園和雁棲湖公園等的建設，故水體面積有所增加。

2.2.5 建設用地轉移。2000—2010年，建設用地是衡陽市中心城區增長最快的土地利用類型。建設用地轉出的面積為296.55 hm2，其中主要轉向耕地，面積為249.39 hm2。剩下小部分轉成林地和水體。研究期間內共有3 816.81 hm2轉入到建設用地。其中耕地和林地轉入的面積占比最大，占轉入面積的95.79%。還有一小部分由草地、水體和未利用地轉化而來，面積分別為57.15、91.89、11.70 hm2。農村建設用地轉向耕地是建設用地變化的主要原因，這主要是因為城鎮化使得大量農村居民向中心城區轉移，導致城市規模擴張侵占耕地。為實現耕地占補平衡，將原有農村建設用地變為耕地。有小部分農村建設用地轉化為水體和林地，這主要是雁棲湖公園建設影響所致。

2.2.6 未利用地轉移。2000—2010年，未利用地轉出和轉入面積相差不大，為55.26 hm2，轉向耕地、林地、水體和建設用地的平均面積為13.82 hm2。在轉入面積方面，林地轉入占98.36%，為轉入未利用地最多的用地，剩下小部分由耕地轉入。這主要因為部分農村居民向中心城區南部轉移，挖坑造塘、植樹造林有關。

2.3 生態系統服務價值分析 根據上述衡陽市中心城區的土地利用構成以及生態系統服務價值的計算公式可以計算出2000—2010年中心城區的生態系統服務價值變化情況，結果見表4。

由表4可得，林地和水體對中心城區的生態系統服務價值貢獻最大，其次為耕地。2000—2010年衡陽市中心城區生態系統服務價值由24.59億元下降到23.65 億元，11年間減少了3.8%。造成中心城區生態系統服務價值減少的主要的原因為耕地和林地生態系統服務價值的迅速減少以及建設用地給生態系統服務價值帶來的負效應逐漸增加。2000—2010年，由于耕地被建設用地侵占、退耕還林等原因，生態系統服務價值總量減少了0.25億元。林地由于西南部及東北部的毀林開耕以及被建設用地的侵占，致使林地生態系統服務價值總量減少0.90億元。衡陽市社會經濟和城市的快速發展導致建設用地的快速擴張使得建設用地的生態系統服務價值的年變化率高達56.94%，說明建設用地給區域帶來的生態價值負作用越來越大。水體的生態系統服務價值總量呈現增長的態勢，由于湘江、耒水、蒸水和其他一些水庫坑塘在土地利用總面積中占有一定比例，且單位面積的水體生態系統服務價值量最高，因此對衡陽市中心城區總體的生態系統服務價值總量的影響較大。草地和未利用地的生態系統服務價值雖然變化幅度較大，但因為其占土地利用總面積比例較低，所以對區域生態系統服務價值造成的影響較小。

2.4 歷史趨勢發展情景下情境下生態系統服務價值預測分析 利用馬爾科夫模型預測在歷史趨勢發展下2030年衡陽市中心城區各類土地利用類型的面積，結合上述生態系統服務價值的計算公式可核算出衡陽市中心城區在2030年生態系統服務總價值，以及各類用地的生態系統服務價值，結果如表5所示。

從表5可以看出，2010—2030年衡陽市中心城區建設用地和水體面積呈增長趨勢，所占面積比例分別由2010年的18.86%、7.61%上升至2030年的29.76%、8.33%;耕地、林地、草地和未利用地面積呈下降趨勢，所占面積比例分別由2010年的46.52%、26.18%、0.74%和0.07%下降到2030年的39.76%、21.62%、0.47%和0.06%。這表明隨著城市的快速發展，未來衡陽市中心城區的建設用地的發展與生態用地的保護矛盾將進一步加劇，相應的生態用地保護將會面臨嚴峻的挑戰。同時衡陽市中心城區的生態系統服務總價值會呈繼續下降的趨勢，由2010年23.65億元下降到2030年的21.94億元。從預測的各類用地的生態系統服務價值來看，耕地和林地的生態系統服務價值的下降以及建設用地對生態系統服務價值帶來負效應的加劇是造成中心城區生態系統服務總價值下降的主要原因。未來耕地和林地是生態系統服務價值變化最大的地類，并且林地的生態系統服務價值下降幅度要大于耕地下降幅度。水體和建設用地的生態系統服務價值呈現緩慢增長的趨勢，草地和未利用地的生態系統服務價值變化幅度較小。

3 結論

該研究以衡陽市中心城區為例，以土地利用變化為基礎對研究區生態系統服務價值進行研究，主要結論如下：

（1）2000—2010年衡陽市中心城區土地利用以耕地、林地、水域和建設用地為主。在快速城鎮化進程中，2000—2010年間衡陽市中心城區各土地利用類型均發生了不同程度的變化。其中建設用地和水體的面積分別增加3 520.26、261.36 hm2;耕地、林地、草地和未利用地面積分別減少2 277.63、1 384.02、103.05和16.92 hm2。

（2）從土地利用變化轉移矩陣來看，耕地和林地是轉移土地面積最多的地類，兩者都屬于入不敷出的類型，林地主要轉化成耕地和建設用地，耕地主要轉化成林地、建設用地和水體。建設用地將在未來變化中呈主導地位，為轉入面積最多的地類。水體面積呈現緩慢增長的趨勢，草地和未利用地轉入面積和轉出面積相差不大。從土地利用轉移的空間上來看，耕地變化最為劇烈的地方在城市西北、西南部;林地空間變化最劇烈的地區分布在城市的西北和東南部;草地面積變化最劇烈的區域分布在中心城區周邊;未利用地轉出和轉入面積相差不大;建設用地和水體都為轉入面積大于轉出面積的地類。

（3）2000—2010年衡陽市中心城區土地利用的生態系統服務價值變化顯著，2000年24.59億元下降到2010年的

進行評價，評價結果見表1。從評價結果可以看出，濕地入口S1處的水質為Ⅴ類，濕地出口S3的水質則達到了 Ⅱ 類，說明人工濕地對于改善水質狀況有著明顯的作用。

3 結論與討論

水體經過人工濕地后，pH相對穩定，濕地對水中主要污染物COD、NH3-N、TN、TP的降解效果明顯，但TN、TP仍維持在較高的水平，不能滿足地表水環境質量標準。故建議通過生物調控技術完善濕地水體生態系統，進一步增加生態修復措施，降低河道發生水體富營養化的風險。經水質評價，濕地出口處S3的水質達到了Ⅱ類，說明人工濕地對于改善水質狀況有著明顯的作用。當然，僅根據監測指標進行水質評價尚存在缺陷，下一步應增加BOD5、SS及重金屬等指標以實現對洨河水質的全面分析。

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