基于土地利用变化的枝江市生态系统服务价值多情景模拟.pdf
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1、第 7 期收稿日期:2022-05-28基金项目:中华人民共和国住房和城乡建设部科学技术计划项目(2019-R-020)作者简介:徐学娴(1996-),女,湖北麻城人,在读硕士研究生,研究方向为土地利用与城乡规划,(电话)15927291255(电子信箱);通信作者,彭玉玲(1986-),女,副教授,主要从事土地规划与GIS应用研究,(电子信箱)。第 62 卷第 7 期2023 年 7 月湖北农业科学Hubei Agricultural SciencesVol.62 No.7Jul.,2023徐学娴,李凯茜,彭玉玲,等.基于土地利用变化的枝江市生态系统服务价值多情景模拟 J.湖北农业科学,20
2、23,62(7):149-156,234基于土地利用变化的枝江市生态系统服务价值多情景模拟徐学娴,李凯茜,彭玉玲,周鹏(武汉工程大学土木工程与建筑学院,武汉430073)摘要:以枝江市为研究范围,采集枝江市2000、2010、2020年三期遥感影像数据,运用ENVI和ArcGIS软件,借助土地利用转移矩阵法、土地利用动态度、生态系统服务价值当量因子法、生态系统服务价值贡献率对土地利用时空演变分析和生态系统服务价值时空分异特征进行分析,使用MCE-CA-Markov模型预测2030年3种情景设定下枝江市土地利用和生态系统服务价值(ESV)变化情况。结果表明,20002020年枝江市土地利用变化显
3、著,建设用地面积急速扩张,主要来源于耕地的转出。土地利用综合动态度较高,单一动态度中建设用地和湿地高达10%/a左右。单项生态服务价值贡献率以水文调节为最高,各用地类型中水体的生态服务价值贡献率最大,水体对ESV变化的影响最为显著。ESV的空间分异特征显著,长江以南地区的ESV高于北部区域。整个研究期间枝江市生态系统服务价值呈减少的趋势。自然发展和耕地保护情景下,2030年的ESV均存在损失,耕地向建设用地流失是ESV减少的关键。生态保护情景下,ESV较2020年增长了7%,减少趋势得到有效遏制。关键词:生态系统服务价值;土地利用变化;生态贡献率;MCE-CA-Markov;枝江市中图分类号:
4、F301.2文献标识码:A文章编号:0439-8114(2023)07-0149-08DOI:10.14088/ki.issn0439-8114.2023.07.026开放科学(资源服务)标识码(OSID):Multi-scenario simulation of ecosystem service value in Zhijiang Citybased on land use changeXU Xue-xian,LI Kai-xi,PENG Yu-ling,ZHOU Peng(School of Civil Engineering and Architecture,Wuhan Institu
5、te of Technology,Wuhan 430073,China)Abstract:Taking Zhijiang City as the research area and the remote sensing image data of Zhijiang City in 2000,2010 and 2020 wascollected.ENVI and ArcGIS software,with the help of land use transfer matrix methods,land use dynamic index,equivalent factormethod of ec
6、osystem service value and the contribution rate of the ecosystem service value,were used to analyse the temporal and spatial evolution of land use and the characteristics of the temporal and spatial differentiation of the ecosystem service value.The MCE-CA-Markov model was used to predict the change
7、 trends of the land use and ecosystem service value(ESV)of Zhijiang City underthree scenarios in 2030.The results showed that:The land use in Zhijiang City significantly changed from 2000 to 2020,and the area of the construction land expanded rapidly,mainly due to the transfer of cultivated land.The
8、 comprehensive dynamic degree of landuse was relatively high,and the construction land and wetlands in a single dynamic degree were as high as roughly 10%/a.The hydrological adjustment was the highest amongst the ecological contribution rate of the single ecological service.The ecological contributi
9、on rate of the water area was the largest amongst the various types of the land use,which had the most significant impact on ESVchanges.The spatial differentiation of ESV was significant.The ESV in the south of the Yangtze River was higher than that in thenorth.Overall,the ecosystem service value of
10、 Zhijiang City showed a decreasing trend during the whole study period.A loss of ESVin 2030 would transpire under natural development and cultivated land protection scenarios,and the land loss from the cultivated landto the construction land was the key to reduce ESV.Under the ecological protection
11、scenario,ESV increased by 7%compared withthat in 2020,thus curbing the decreasing trend effectively.Key words:ecosystem service value;land use change;ecological contribution rate;MCE-CA-Markov;Zhijiang City湖北农业科学2023 年改革开放以来,中国经济得到快速的发展,但对环境存在巨大破坏和反作用力。21世纪以来,中国耕地和建设用地的需求日益增长,使得生态空间不断压缩。同时,受到不合理的土地利
12、用的影响,中国生态系统功能退化严重,导致许多生态环境问题。为改变生态环境恶化、实现全球可持续发展,生态系统服务功能的研究成为学界关注的热点1-8。1997年,Cosanza等9对全球生物圈的生态系统服务价值(Ecosystem service value,ESV)进行了定量研究;2015 年,谢高地等10-12在此基础上进行了详细探究,对当量因子法进行补充和修订,编制了中国陆地生态系统服务价值当量表,为中国ESV研究提供借鉴。目前,国内外学者通常使用土地利用转移矩阵法及动态度分析法来挖掘土地利用演变信息。如乔伟峰等13通过对土地利用转移矩阵和转移概率矩阵的深入研究,对计算模型进行改进,提出地类
13、转移无序度,并应用到实例中进行分析。曾梦婷等14基于修正后的当量因子法,评估北京市16个辖区10年间的生态系统服务价值,并分析了10年间生态-经济协调度的变动规律。根据谢高地等11的价值当量因子法,结合枝江市的土地利用情况以及农业生产情况选取各生态系统服务价值当量并进行系数修正,研究枝江市生态系统服务价值的贡献率以及时空分异特征。枝江市具备西部大开发战略、三峡工程建设、长江经济带三大战略优势,在经济飞速发展的同时,其土地利用时空分布格局随之改变,也必然会带动生态服务功能的变化15-20。本研究以枝江市 2000、2010、2020 年土地利用数据为基础,生态系统服务价值评估能够为枝江市的土地利
14、用结构优化及生态质量评价提供重要的数据支撑。同时,基于土地利用的生态系统服务价值研究,能够引起政府部门对生态系统服务价值作用的重视,为区域生态保护政策制定提供思路及借鉴,推动长江上中下游地区协调发展和沿江地区高质量发展。1研究区域概况与数据来源1.1研究区域概况枝江市位于长江中游,地处江汉平原西缘,是宜昌市惟一的平原县市,有“三峡水乡、鱼米之乡”之称。近 20年来,枝江市社会经济发展迅速,人口的增长和城市的扩张侵占了大量土地,建设用地急剧增长,造成土地利用格局变化,引发系列的环境问题,如水环境污染严重、生态环境质量下降、土地资源配置失衡等问题。枝江市承担着生态保护与经济发展的双重任务,在长江经
15、济带中承东启西,发挥着重要的生态安全保障作用,因此生态环境和土地利用格局成为枝江市发展的重中之重。1.2数据来源使用的枝江市 2000、2010、2020 年三期土地利用数据来源于30 m全球地表覆盖数据Globe Land30(http:/www.globeland30.org)和 地 理 空 间 数 据 云(https:/ m全球地表覆盖数据包含地理位置分布信息和景观格局分布信息,空间分辨率为30 m,影像云量小于3%,使数据具有可靠性,并且便于解译。覆盖枝江市每期遥感影像均采用3景遥感影像镶嵌而成。利用ENVI5.3和ArcGIS10.5软件,结合研究实际需求,对遥感影像进行解译。此外,
16、本研究经济数据和人口数据来源于国家统计局网站(http:/ 2018、2019、2020 年的 宜昌市统计年鉴 湖北省统计年鉴和 中国统计年鉴,降雨量数据来源于中国水资源公报。2研究方法2.1动态度分析单一土地利用类型动态度用来表示单位时间内研究区内某单项用地类型变化的速率21,其计算公式为:V=Bj-BiBi1K100%(1)式中,V表示单位时间内研究区某单项用地类型变化速率;Bi表示研究初期的单项用地类型数量;Bj表示研究末期的单项用地类型数量;K表示研究时间段。2.2生态系统服务价值评估计算采用市场化法来评估枝江市生态系统服务价值。参考谢高地提出的 中国陆地生态系统单位面积服务价值当量表
17、21,22,以及张晶等23、朱懋等24、邓舒洪25的研究方法,在对枝江市土地利用状况进行分析的基础上,结合枝江市经济价值量对生态系统服务价值进行估算。根据生态系统服务价值当量因子法,1个标准单位的生态系统服务价值单位价值等于每公顷耕地粮食生产服务总经济价值的1/726,其计算公式如下:M=17P Q(2)式中,M为1个单位当量因子的经济价值(元/hm2);P为研究区平均粮食价格(元/kg);Q为研究区年平均粮食产量(kg/hm2)。采用徐丽芬等27、李晓赛等28的研究方法对当150第 7 期量因子表进行修正,以枝江市2019年单位面积粮食产量与全国单位面积粮食产量的比值作为修正系数,计算得到修
18、正系数为0.938。枝江市各土地利用类型的单位面积生态系统服务价值如表1所示。根据表 1 中各土地利用类型的单位面积 ESV,枝江市生态系统服务价值计算公式为:表1枝江市单位面积生态系统服务价值单位:元/(hm2a)生物服务功能供给服务调节服务支持服务文化服务总价值食品生产原料生产水资源供给气体调节气候调节水文调节净化环境土壤保持维护养分循环生物多样性美学景观耕地2 190.73497.892 589.041 772.50936.042 987.36278.821 035.62318.65338.57159.3313 104.53林地617.391 414.01736.884 680.1914
19、 000.746 990.413 963.225 695.89438.155 178.082 270.3945 985.35草地597.47896.21497.893 106.858 205.275 994.632 708.543 783.98298.743 445.421 513.5931 048.57水体1 593.26458.0616 510.121 533.514 560.70203 618.1211 053.211 852.16139.415 078.503 764.0725 0161.11湿地1 015.70995.795 158.173 783.987 169.6548 255.
20、747 169.654 600.53358.4815 673.669 420.13103 601.47建设用地19.920.00-14 956.69-4 819.600.000.00-4 899.2639.830.00677.1319.92-23 918.76E=13 104.53S1+45 985.35S2+31 048.57S3+250 161.11S4+103 601.47S5+(-23 918.76)S6(3)式中,S1表示耕地面积;S2表示林地面积;S3表示草地面积;S4表示湿地面积;S5表示水体面积;S6表示建设用地面积。2.3MCE-CA-Markov模型多情景模拟多 评 价 准
21、 则 MCE(Multi-criteria evaluation,MCE)的元胞自动机(Cell automata,CA)与马尔科夫链(Markov chain)模型耦合可以针对不同的目标制定相应的未来的土地利用标准,通过分析影响目标的多重驱动因素,精确地辅助并判断不同土地类型的转移数量29-31。基于枝江市 2020 年土地利用数据,以土地利用转换矩阵文件和区域限制文件,设定自然发展情景、生态保护情景和耕地保护情景对未来土地利用空间格局进行模拟。Markov模型的数学表达式为:St+1=Pij St(4)式中,St表示土地利用类型当前时刻的状态;St+1表示土地利用类型在未来时刻的状态;Pi
22、j表示土地利用类型状态转移概率矩阵。3结果与分析3.1枝江市土地利用时空演变特征3.1.1土地利用基本状况对研究区域三期(2000、2010、2020 年)土地利用数据进行提取,在 ENVI软件中对 3030 分辨率遥感影像进行人机交互解译23。由于解译精度的可操作性,以及要与 陆地生态系统服务价值当量表 中的地类相衔接等因素,因此将遥感影像解译为耕地、林地、草地、湿地、建设用地、水体6个土地利用类型,并在 GIS平台中绘制三期土地利用分布现状图如图1所示。3.1.2土地利用类型转换通过制作枝江市 20002020年土地利用转移矩阵,对研究期间枝江市土地利用类型相互转换的情况进行分析(表2)。
23、2020年间枝江市耕地向建设用地的转化最为活跃,其次是耕地和水体之间的相互转化。2020年建设用地面积相较 2000 年增加 100.67 km2,增长 2 倍多。耕地流失面积为 75.22 km2,主要转化为建设用地,转出面积为 100.35 km2,建设用地转入量几乎来自耕地。其次是水体和湿地面积变化,水体面积减少16.92 km2,湿地减少 2.90 km2,湿地减少比例达到97.6%,2020年枝江市湿地面积仅剩0.07 km2。经济增长和城镇化发展需要大量城乡建设用地支撑,耕地占地面积大,价格相对低廉,成为建设用地扩张的主要侵占对象。同时,随着近几年农村居民点整理工作的开展,通过拆旧
24、使得部分农村居民用地转化成了耕地,但显然两者的相互转化不对等,耕地显示“入不敷出”状态,面积一直在减少,与之相反,建设用地迅速增加。3.1.3土地利用动态度分析枝江市 20002020年的土地利用年变化率如表 3 所示。20002020年,枝江市土地利用单一动态度除建设用地外,其他徐学娴等:基于土地利用变化的枝江市生态系统服务价值多情景模拟151湖北农业科学2023 年用地呈不同程度的下降趋势。建设用地的土地利用动态度最大,在 20002020年达到最大(12.6%/a),表明枝江市在20年间建设用地扩张迅猛;湿地的土地利用变化程度在20002010年最大,达到17.8%/a,到 2020年湿
25、地面积仅剩 0.07 km2,消耗殆尽。从综合动态度来看,由 20002010 年的 10.5%/a 减至20102020年的 9.3%/a,变化速率逐渐变缓。随着枝江市土地利用方式转变、土地利用程度加深,使得土地利用结构朝着更为稳定的方向发展,同时也表明土地利用变化受人类活动的影响较为显著。3.2生态系统服务价值时空分异特征3.2.1生态系统服务价值贡献率分析基于2000、2010、2020 年土地利用类型面积数据,结合各单项生态服务功能进行计算,得到11个单项生态服务功能在2000、2010、2020年的生态系统服务价值,然后利用百分比表达其对生态服务价值贡献,如图 2所示。2000、20
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