荆南三口地区生态系统服务价值对城乡建设用地扩张的响应机理

doi:10.6046/zrzyyg.2021180

荆南三口地区生态系统服务价值对城乡建设用地扩张的响应机理

李霞^,¹, 李静芝^,¹^,²

1.长沙理工大学建筑学院,长沙 410076

2.洞庭湖水环境治理与生态修复湖南省重点实验室,长沙 410114

Response mechanism of ecosystem service value to urban and rural construction land expansion in the three outlets of the southern Jingjiang River

LI Xia^,¹, LI Jingzhi^,¹^,²

1. College of Architecture, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410076, China

2. Key Laboratory of Water Environment Management and Ecological Rehabilitation in Dongting Lake, Hunan Province, Changsha 410114, China

通讯作者: 李静芝(1984-),女,博士,讲师,研究方向为城市与区域规划。Email:lijingzhi2210862@163.com。

责任编辑: 李瑜

收稿日期: 2021-06-16 修回日期: 2021-08-18

基金资助:

湖南省自然科学基金项目“快速城市化背景下荆南三口河网地区水系结构变化及城市化响应”(2018JJ3526)
湖南省教育厅科学研究项目“荆南三口河网地区城镇化进程中水资源优化调控研究”(17C0037)
湖南省自然科学基金面上项目“基于时空动态分析的村镇地质灾害防治规划导则研究——以湖南省山地村镇为例”(2020jj4621)

Received: 2021-06-16 Revised: 2021-08-18

作者简介 About authors

李霞(1998-),女,本科生,研究方向为城乡规划。Email: 3094471315@qq.com。

摘要

针对当前生态系统服务价值对城乡建设用地扩张响应机理研究的不足,本研究以荆南三口地区为研究对象,采用当量因子法计算荆南三口地区生态系统服务价值,对生态系统服务价值的时空变化特征进行分析; 通过线性回归方法,分析生态系统服务价值对城乡建设用地扩张的响应机理。研究结果表明: 1990—2018年间,荆南三口地区的ESV从443.56亿元增加至471.03亿元,ESV整体经历了平缓的增长过程; ESV的空间差异较为明显,中高值区面积减少较快,低值区面积增加较快; 城乡建设用地扩张较为显著,总扩张量为27.74 km²,经历了“缓慢-负增长-缓慢-快速-减速”的波动扩张过程; 城乡建设用地侵占不同地类,对各类生态系统服务的损益值有不同程度的影响,其中侵占高生态价值地类(水域、湿地)的比例越大,对生态的破坏性越高。荆南三口地区在未来的土地利用中,应转换传统的建设用地扩张模式,合理规划城镇用地边界,严守耕地红线,提高土地集约利用水平。同时完善河湖管理体制,加强河湖生态保护与修复,提升河湖生态服务功能。

关键词： 生态系统服务; 生态系统服务价值; 城乡建设用地扩张

Abstract

In view of the shortcomings of the current research on the response mechanism of ecosystem services value to urban and rural construction land expansion, By taking the three outlets of southern Jingjiang River as the research object, this study calculates the ecosystem service value of the three outlets of southern Jingjiang River by equivalent factor method, analyzes the temporal and spatial variation characteristics of ecosystem service value, and analyzes the response mechanism of ecosystem service value to urban and rural construction land expansion by linear regression method. The results show that from 1990 to 2018, ESV in the three outlets of southern Jingjiang River increased from 44.356 billion yuan to 47.103 billion yuan, which experienced a gentle growth process as a whole. The spatial difference of ESV was obvious. Specifically, the area of the high- and medium-value areas decreased rapidly, and the area of the low-value areas increased rapidly. The expansion of construction land was more significant, with a total expansion of 27.74 km², which experienced the fluctuating expansion process of "slow-negative-slow-rapid- decelerated expansion". Construction land occupied different types of land, which has different degrees of impact on the loss and gain values of all kinds of ecosystem services, and the greater the proportion of occupation high ecological value land (water area, wetland), the higher the damage to the ecology. In the future use of the land of the three outlets of southern Jingjiang River, the traditional expansion mode of construction land should be changed, the boundary of urban land use should be reasonably planned, the red line of arable land should be strictly observed, and the level of intensive land use should be improved. At the same time, we should improve the management system of rivers and lakes, make more efforts on the ecological protection and restoration of rivers and lakes, and improve the ecological service function for rivers and lakes.

Keywords： ecosystem service; ecosystem service value; urban and rural construction land expansion

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本文引用格式

李霞, 李静芝. 荆南三口地区生态系统服务价值对城乡建设用地扩张的响应机理[J]. 自然资源遥感, 2022, 34(2): 278-288 doi:10.6046/zrzyyg.2021180

LI Xia, LI Jingzhi. Response mechanism of ecosystem service value to urban and rural construction land expansion in the three outlets of the southern Jingjiang River[J]. Remote Sensing for Land & Resources, 2022, 34(2): 278-288 doi:10.6046/zrzyyg.2021180

0 引言

生态系统服务(ecosystem services,ES)是指“人类从生态系统中获得的惠益”,是达成区域可持续发展目标的重要基础^[1]。生态系统服务价值(ecosystem services values,ESV)是从自然生态的角度出发,运用生态学和经济学研究方法,对自然资源或生态系统的服务功能进行价值量化^[2]。而土地利用覆盖变化(land use/cover change,LUCC)引起的土地面积、类型及格局的变化直接影响生态系统服务价值的多少^[3]。城乡建设用地扩张作为LUCC之一,已有大量研究^[4⇓-6]表明其是生态系统服务下降的主要原因。随着经济高速发展、城镇化进程加快,我国城乡建设用地规模迅速扩张,造成了一系列生态环境问题,如生物多样性降低等,导致生态系统服务能力下降^[7-8]。因此,探究生态系统服务价值对城乡建设用地扩张的响应机理,有利于减少城乡建设用地扩张造成的生态系统服务破坏,对促进城乡建设用地的合理扩张、优化空间格局具有重要意义^[9]。

目前,国内部分学者分析了城乡建设用地扩张对生态系统服务的影响程度和特征。从研究成果来看,主要分为定性研究和定量研究。定性研究主要是通过土地利用类型动态度定性分析快速城镇化导致的土地利用变化和引起的生态系统服务价值的变化^[10]; 通过城市扩张模型识别城乡建设用地扩张的时空变化和扩张模式,以及扩张的生态效应^[11]。定量研究主要是通过关联规则挖掘模型定量分析城乡建设用地扩张与景观生态安全之间的关系^[12]; 通过回归分析定量分析生态系统服务价值时空演变规律并揭示其变化的驱动因素^[13]。还有学者探究了城乡建设用地扩张对生态系统服务的直接影响和间接影响机理^[9],但未考虑城乡建设用地扩张侵占不同地类对ESV造成的影响。

荆南三口地区(以下简称荆南三口)是连接长江荆江河段与洞庭湖区的纽带, 其分流分沙的变化对荆江和洞庭湖区的洪水及河床冲淤起决定作用^[14]。截至目前,学界对于洞庭湖区生态系统服务的研究较多^[15⇓-17],但对荆南三口ESV时空演变及响应机制的研究存在空缺。鉴于此,本研究以国土空间规划为背景,采用动态计算方法定量计算荆南三口不同时期的ESV; 以城乡建设用地扩张侵占不同地类对生态系统服务造成的不同影响为切入点,定量地揭示生态系统服务价值对城乡建设用地扩张的响应机理,为城乡建设用地的合理扩张提供科学依据和决策支持,也为城镇化对生态系统影响的相关研究提供参考^[5]。

1 研究区概况及数据源

荆南三口指松滋河、虎渡河、藕池河分泄长江水入洞庭湖北部的河网平原区,其中以常德市的安乡县、益阳市的南县、岳阳市的华容县为核心区域,本文以此三县作为主要研究对象(图1)。荆南三口地处E110°59'~113°1'32″,N29°10'18″~29°31'37″,属大陆性季风湿润气候。四季分明,特征显著,雨季多集中在夏初,年均温度 16~17 ℃。多年平均无霜期为275 d,适宜于动植物的生长和繁殖。该地区总面积4 014 km²,2018年末总人口为200.98万人,其中城镇人口96.69万人,城镇化率为48.11%。2018年地区生产总值762.6亿元,三次产业结构优化调整为18.7∶34.2∶47.2。长期以来该地区都因较好的土壤条件成为湖南省乃至全国重要的商品粮、棉、油、鱼生产基地,工业发展迅速,逐渐形成以纺织、化工、食品、造纸、建材工业等为特色的工业体系。但在自然条件变化和人类活动的双重影响下,该地区河流断流、水资源过度开发等一系列生态环境问题逐渐显露^[14]。特别是三峡水库建成以来,长江来水减少而湖水流出加快,加剧了荆南三口丰水期洪涝灾害和枯水期干旱缺水的发生,同时水文的变化对输沙量减少也造成了一定影响,从而导致河流淤积断流。水沙环境是洞庭湖流域的重要组成部分以及污染物的主要载体,这些因素的综合作用在一定程度上制约了荆南三口地区生态系统的健康发展。

图1

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图1 荆南三口位置示意图

Fig.1 Schematic diagram of position in the three outlets of southern Jingjiang River

本文采用的主要数据包括: 1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2013年、2018年7个时期的荆南三口土地利用数据,源自中国科学院资源环境科学与数据中心(http://www.resdc.cn); 1990—2018年的全国水稻的平均价格源自于《中国统计年鉴》; 1990—2018年的荆南三口的粮食单位面积产量来源于《湖南省统计年鉴》; 1990—2017年的银行定期存款年利率来源于中国人民银行官网(http://www.pbc.gov.cn/)。

2 研究方法

2.1 生态系统服务选取

采用谢高地等^[18]依据千年生态系统评估(MA)提出的生态系统服务分类方法,分为供给服务、调节服务、支持服务和文化服务4大类,并进一步细分为食物生产、原料生产、水资源供给、气体调节、气候调节、净化环境、水文调节、土壤保持、维持养分循环、生物多样性和美学景观等11种服务功能。

2.2 生态系统服务价值计算

2.2.1 当量因子价值量的核算

在谢高地等^[18]2015年的当量表基础上,参考彭文甫等^[19]对于聚落生态系统的取值,根据研究区现状特点进行调整,得到研究区单位面积生态系统服务价值当量。

2.2.2 生态系统服务价值

1)当量因子计算。谢高地等^[20]通过专家知识法将1 hm²农田粮食生产能力作为一个标准当量因子,以各地类各生态系统服务对农田粮食生产能力的相对重要性为当量因子,构建了中国生态系统当量因子表。参考谢高地等^[21]的方法,将1 hm²农田粮食生产经济价值的1/7作为1个标准当量因子的价值量,计算公式^[22]如下:

(1)VC₀=

\frac{1}{7} \times \overset{7}{\sum_{i = 1}}

P_i

\times \overset{7}{\sum_{i = 1}} Q_{i}

式中: VC₀为1个标准当量因子的价值量,元·hm^-2(以下简称标准当量); P_i为研究区第i年水稻的平均价格,元·kg^-1(用全国水稻平均价格代替); Q_i为第i年水稻的平均粮食产量,kg·hm^-2。

2)当量系数时间修订。动态当量因子法在计算时易受到通货膨胀等各类经济因素的影响,不能准确地体现同一地块的生态系统服务在不同时期的差异性^[5]。针对此问题,参考朱晓南^[5]等用银行的年利率对水稻的平均价格进行时间修正,使生态系统服务在不同时间上的ESV更加准确。修正模型为:

(2)

{D_{P}}_{i}

=P_i+P_i

\times \overset{2017}{\sum_{m = n}} γ

_n,

式中: ${D_{P}}_{i}$ 为时间修正后的第i年研究区水稻的平均价格,元·kg^-1; P_i为第i年研究区水稻的平均价格,元·kg^-1; $γ$ _n为第n年的银行一年定期利率,%。当n大于2017时, $\overset{2017}{\sum_{m = n}} γ$ _n为0。

3)当量系数地区修订。借鉴谢高地等^[18]2015年基于中国国情最新改进的单位面积ESV当量表,选用湖南省生物量因子B(1.95)对其生态系统单位面积服务价值系数进行修正。

4)生态系统服务价值估算模型。根据谢高地的当量因子表及荆南三口当量因子值,获得荆南三口各土地利用类型的生态系统服务价值系数,进而计算出荆南三口土地生态系统服务价值。计算模型如下^[23]:

(3)ESV=

\overset{}{\sum_{k}} \sum_{j}

S_k

\times

{C_{k}}_{j}

(4)V

{C_{k}}_{j}

=VC₀

\times

V_kj

\times B

式中: ESV为生态系统服务价值,元; V ${C_{k}}_{j}$ 为第k类生态系统的j项生态系统服务的ESV系数,元·hm^-2·a^-1; VC₀为标准当量,元·hm^-2; S_k为k类生态系统类型面积,hm²; V_kj为第k类生态系统类型j项生态系统服务的“单位面积生态系统服务价值基础当量”; B为当量因子的地区修订系数。

2.3 多因素回归分析

采用SPSS26.0的多元逐步线性回归模型定量分析城乡建设用地扩张与区域生态系统服务价值损益的关系,显著性检验结果小于0.05且VIF≤10^[24]时有意义。线性回归方程驱动机制模型如下:

(5)

Δ

ESV_j=α₁F(S_k) +β₁,

(6)P_ESVj =α₂ F(SC_k)+β₂,

式中: $Δ$ ESV_j为生态系统服务价值的变化量,亿元(j=0,1,2,3,4分别表示总体生态系统服务价值、供给服务价值、调节服务价值、支持服务价值和文化服务价值); S_k为k类土地利用类型面积的变化量,km²; ${P_{E S V}}_{j}$ 为城乡扩张损益值,亿元; SC_k为城乡建设用地侵占k类土地利用类型的面积,hm²; α和β为模型系数。

3 结果与分析

3.1 土地利用类型变化分析

1990—2018年,荆南三口土地利用现状总体保持“七分田、二分水、一分聚落山林”的特点(图2)。从变化规模来看(表1),耕地面积于1990—2010年逐年递减,减少了30.06 km²,至2010年开始缓慢增加; 1990—2018年间,水域面积不断增加,增加了117.24 km²,湿地面积不断减少,减少了160.34 km²,林地、草地、建设用地面积的变化幅度不大。在1998年特大洪水等自然灾害,退田还湖、平垸行洪、移民建镇等政策实施和城镇扩张等人类活动的多重影响下,建设用地、林地、人工水面的面积不断增加,建设用地由2.77%增长至3.46%,增加了29.01 km²; 林地由4.12%增长至4.67%,增加了22.97 km²; 人工水面(主要为水库坑塘)由4.22%增长至7.77%,增加了148.59 km²。而自然水系(主要为河渠、湖泊、滩地、沼泽地)的面积不断减少,其中河渠由3.73%降低至3.36%,减少了15.65 km²; 湖泊由6.36%降低至5.99%,减少了15.63 km²; 滩地由5.21%降低至1.45%,减少了57.561 km²; 沼泽地由2.96%降低至2.89%,降低了2.81 km²。由此可见,荆南三口人水争地问题突出。

图2-1

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图2-1 1990—2018年荆南三口土地利用空间分布

Fig.2-1 Spatial distribution of land use in the three outlets of southern Jingjiang River from 1990 to 2018

图2-2

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图2-2 1990—2018年荆南三口土地利用空间分布

Fig.2-2 Spatial distribution of land use in the three outlets of southern Jingjiang River from 1990 to 2018

表1 1990—2018年荆南三口土地利用面积变化

Tab.1 Land use area change in the three outlets of southern Jingjiang River from 1990 to 2018

地类		耕地	林地	草地	水域	建设用地	湿地
1990年	面积/km²	2955.26	172.32	1.39	598.84	115.76	342.16
1990年	占比/%	70.60	4.12	0.03	14.31	2.77	8.17
2000年	面积/km²	2945.34	172.43	1.15	604.54	117.85	344.42
2000年	占比/%	70.37	4.12	0.03	14.44	2.82	8.23
2010年	面积/km²	2925.20	175.21	1.37	645.50	123.53	314.93
2010年	占比/%	69.88	4.19	0.03	15.42	2.95	7.52
2018年	面积/km²	2946.02	195.25	1.64	716.08	144.76	181.82
2018年	占比/%	70.39	4.66	0.04	17.11	3.46	4.34
1990—2018年	变化量/km²	-9.24	22.93	0.24	117.24	29.00	-160.34
1990—2018年	变化率/%	-0.31	13.30	17.45	19.58	25.05	-46.86

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3.2 生态系统服务价值时序变化分析

3.2.1 各地类生态系统服务价值时序变化

1990—2018年,荆南三口ESV从443.56亿元增加至471.03亿元,增长了6%,ESV整体经历了平缓的增长过程(图3)。从各地类ESV看,1990—2018年间,水域的ESV呈递增过程,且增速不断变大,由0.95%上升至10.93%,至2018年,水域的ESV达到最高值371.26亿元,占价值总量的70%; 聚落的ESV呈负增长过程,且增速不断变大,由1.78%上升至17.08%; 而湿地的ESV呈递减过程,且减速不断变大,由0.65%上升至10.93%,至2018年,湿地的ESV达到最低值39.04亿元,占价值总量的8.29%; 其余地类的ESV变化不大。由此可见,湿地面积大量减少、水域面积较快增长是荆南三口ESV增长缓慢的根本原因。

图3

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图3 1990—2018年荆南三口各类生态系统服务价值变化

Fig.3 Changes of the various ESV in the three outlets of southern Jingjiang River from 1990 to 2018

3.2.2 各生态系统服务的价值时序变化

从各生态系统服务的构成来看(表2),1990—2018年,水文调节、净化环境、气候调节、生物多样性4种服务功能最具优势地位,构成了荆南三口ESV的主体。因此,调节径流、涵养水源、净化水质和维持生物多样性始终是荆南三口生态系统的主要功能。就各阶段而言(图4),水文调节、水资源供给的ESV呈递增过程,且增速不断变大,分别由0.83%和3.2%上升至5.1%和15.48%; 净化环境和生物多样性的ESV呈现先增长后减少的趋势,2010—2018年,生物多样性的ESV由20.53亿元减少至17.13亿元,降低了16.56%,与同时段湿地面积的大幅减少存在必然的联系; 美学景观的ESV呈递减过程,减速不断变大,由1.93%上升至10.93%; 其余生态系统服务的ESV基本保持不变。因此应加强湿地保护,增强荆南三口的生物多样性和美学景观功能。

图4

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图4 1990—2018年荆南三口生态系统单项服务价值变化

Fig.4 Changes of single ESV in the three outlets of southern Jingjiang River from 1990 to 2018

表2 1990—2018年荆南三口生态系统单项服务价值变化

Tab.2 Changes of single ESV in the three outlets of southern Jingjiang River from 1990 to 2018(亿元)

一级分类	供给服务			调节服务				支持服务			文化服务
二级分类	食物生产	原料生产	水资源供给	气体调节	气候调节	净化环境	水文调节	土壤保持	维持养分循环	生物多样性	美学景观
1990年	16.35	4.65	8.43	16.73	20.26	21.60	305.27	14.93	1.53	20.92	12.89
2000年	16.33	4.65	8.70	16.73	20.33	21.76	307.79	14.98	1.51	21.04	12.98
2010年	16.31	4.62	9.90	16.57	20.30	22.27	321.91	14.91	1.44	20.53	12.73
2018年	16.38	4.48	10.81	15.98	19.48	22.05	338.34	14.41	1.22	17.13	10.76

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3.3 生态系统服务价值空间变化分析

总体来看,荆南三口ESV的空间变化较为明显,与土地利用存在必然的联系。1990—2018年间,高值区增长较快,由164个增加至225个,主要分布在三县的主要湖泊区域,形成块状高值集聚区; 同时受区域内水系分布的影响,沿松滋河、虎渡河、藕池河形成细长的带状中高值集聚区; 较低值区主要分布在农田区域,面积较稳定; 低值区增长较快,由12个增加至28个,主要分布在县城建成区。2010—2018年,华容县沿东洞庭湖区域的中高值区下降最快,减少了78个,主要转换成较低值区,与同时段农田大量侵占湿地面积存在一定的关联。说明近年来荆南三口湿地面积大量减少,湿地生态系统服务功能弱化。同时三县县城的低值区上升较快,增加了10个,主要由较低值区转变而来,说明人类活动对农田不断开发,城镇化过程使低值区面积不断增大。具体空间分布见图5。

图5

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图5 1990—2018年荆南三口生态系统服务价值的空间分布

Fig.5 Spatial distribution of ESV in the three outlets of southern Jingjiang River from 1990 to 2018

3.4 生态系统服务价值对城乡建设用地扩张响应

3.4.1 城乡建设用地扩张变化分析

根据各时期土地利用空间格局,运用土地转移矩阵求得荆南三口1990—2018年城乡建设用地侵占各地类的净面积。就发展阶段而言,1990—2018年,荆南三口城乡建设用地扩张较为显著,总扩张量为2 774.46 hm²(图6)。1990—2005年扩张量呈缓慢增长趋势; 1995—2000年,扩张量开始收缩,减少了58.46 hm²; 2000—2005年扩张量呈较快增长; 2005—2010年,扩张量大幅下降; 而2010—2013年扩张量大幅增加,达到峰值1 263.30 hm²; 扩张量在2013—2018年有所下降,表明城乡建设用地扩张经历了“缓慢-负增长-缓慢-快速-减速”的波动扩张过程。就侵占类型而言,城乡建设用地侵占耕地的面积最大,2010—2013年达到峰值1 098.45 hm²,荆南三口位于洞庭湖区,耕地具有便利的交通、优良的地势以及较低的开发成本,适宜建设,因此耕地转化为城乡建设用地的比例最大。2010—2013年200.05 hm²的城乡建设用地转为水域,2013—2018年,163.50 hm²的城乡建设用地转为草地。在退田还湖的政策下,一些洪涝灾害严重的地区实行移民建镇政策,从而退换成水域、草地,因此城乡建设用地(主要为农村居民点)转化为水域、草地的数量多。而在“耕地占补平衡”制度下,为守住耕地红线,高生态价值地类(主要为水域中的河渠、湿地中的滩地)又大量开垦,转化为耕地。

图6

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图6 1990—2018年荆南三口城乡建设用地扩张变化

Fig.6 Changes of urban and rural construction land expansion in the three outlets of southern Jingjiang River from 1990 to 2018

3.4.2 生态系统服务价值对土地利用变化的响应机理分析

应用SPSS多元逐步线性回归分析,得出总体生态系统服务价值、供给服务价值、调节服务价值、支持服务价值、文化服务价值的变化量与土地利用类型面积的变化量的回归方程分别为:

(7)

Δ

ESV_总 = -0.304

\times Δ

S_耕地+ 0.246

\times Δ

S_水域 -0.705,

(8)

Δ

ESV_供给= -0.022

\times Δ

S_耕地+ 0.02

\times Δ

S_水域 -0.046,

(9)

Δ

ESV_调节= 0.282

\times Δ S_{水 域}_{}_{}

- 0.195

\times Δ

S_耕地 -0.483,

(10)

Δ

ESV_支持= 0.027

\times Δ S_{湿 地}_{}_{}

- 0.015

\times Δ S_{城 乡 建 设 用 地}_{}_{}

-0.01

\times Δ

S_耕地 +0.013,

(11)

Δ

ESV_文化= 0.057

\times Δ S_{湿 地}_{}_{}

- 0.034

\times Δ S_{城 乡 建 设 用 地}_{}_{}

-0.002

\times Δ

S_林地 +0.115,

式中: $Δ$ ESV_j为j类生态系统服务价值的变化量,亿元; $Δ$ S_k为k类土地利用类型面积的变化量,km²。

1)荆南三口ESV的变化量与城乡建设用地、耕地、林地面积的变化量呈负相关,与水域、湿地面积的变化量呈正相关。从各地类来看,城乡建设用地、耕地、林地的ESV系数较低,而水域、湿地的ESV系数较高,因此荆南三口的ESV变化量与城乡建设用地、耕地、林地呈负相关,与水域、湿地呈正相关。在荆南三口用地构成中,耕地面积约占70%,水域约占20%,耕地主要生产水稻、豆、薯、油料等农作物,水域主要生产鱼类、虾蟹类等水产品,两者共同提供食物生产和原料生产两大服务功能,因此耕地面积是总体服务价值和供给服务价值的第一驱动力,水域面积是总体服务价值和供给服务价值的第二驱动力; 在调节服务中,水域提供主要的水文调节和净化环境功能,耕地提供主要的气体调节功能,因此水域面积是调节服务价值的第一驱动力,耕地面积是调节服务价值的第二驱动力; 在支持服务中,湿地主要提供土壤保持和维持生物多样性的功能,因此湿地面积是支持服务价值的第一驱动力; 在文化服务中,湿地主要提供美学景观功能,因此湿地面积是文化服务价值的第一驱动力。

2)加强对水域、湿地的生态补偿机制,提升水文调节和美学景观服务功能,有利于减少城乡建设用地对于生态系统服务的破坏。

从各生态系统服务类型来看,城乡建设用地每增加1 km²,ESV_文化减少0.034亿元,ESV_支持减少0.015亿元,其中文化服务所受影响最大,原因在于城乡建设用地主要侵占耕地,而耕地又由湿地转换而来,导致湿地所提供的美学景观服务功能弱化。土地利用变化是一个综合复杂的动态变化过程,通过改变地表覆被,影响生态系统的结构、过程与功能,进而引起生态系统服务价值的变化。对于荆南三口,水文调节是最重要的生态服务功能,应加强水域面积管理,同时加快推进生态人文、绿色旅游产业发展能提升美学景观服务功能,有效拉动生态经济发展,促进生态文明建设。驱动力研究表明,湿地面积大量减少是荆南三口ESV增长缓慢的根本原因,因此在进行生态补偿政策制定时,应强调对湿地的补偿级及补偿强度,维护和强化区域整体生态系统格局的连续性,以降低ESV分布格局的破碎化程度。

3.4.3 生态系统服务价值对城乡建设用地扩张的响应机理分析

应用SPSS多元逐步线性回归分析,得出总体生态系统服务价值,供给服务价值,调节服务价值,支持服务价值,文化服务价值的损益值与城乡建设用地侵占其他地类面积的回归方程分别为:

(12)

{P_{E S V}}_{总}

= 0.011

\times

C_{耕 地}_{}_{}

+ 1.307

\times

SC_水域+ 0.261

\times

SC_湿地 + 0.520,

(13)

{P_{E S V}}_{供 给}

= 0.001

\times

SC_耕地 + 0.097

\times

SC_水域 + 0.018

\times

SC_湿地 + 0.033,

(14)

{P_{E S V}}_{调 节}

= 0.007

\times

SC_耕地+ 1.156

\times

SC_水域+ 0.167

\times

SC_湿地 + 0.337,

(15)

{P_{E S V}}_{支 持}

= 0.002

\times

SC_耕地+ 0.035

\times

SC_水域+ 0.053

\times

SC_湿地 + 0.126,

(16)

{P_{E S V}}_{文 化}

= 0.001

\times

SC_耕地+ 0.019

\times

SC_水域+ 0.023

\times

SC_湿地 + 0.024,

式中: P_ESVj为研究区j项生态系统服务的城乡扩张损益值(逆指标)(亿元); SC_j为城乡建设用地侵占j类土地利用类型的面积,hm²。

1)城乡建设用地侵占高生态价值地类(水域、湿地)的比例越大,对生态的破坏性越高。城乡建设用地侵占不同地类,对荆南三口各类生态系统服务价值的减少有不同程度的影响。从各生态系统服务的损益值来看,城乡建设用地每侵占1 hm²耕地,ESV_总损失0.011亿元,其中ESV_调节损失所占比例最大,损失0.007亿元; 城乡建设用地每侵占1 hm²水域,ESV_总损失1.307亿元,其中ESV_调节损失所占比例最大,损失1.156亿元; 城乡建设用地每侵占1 hm²湿地,ESV_总损失0.261亿元,其中ESV_调节损失所占比例最大,损失0.167亿元。表明城乡建设用地扩张对于调节服务的生态系统服务价值破坏性最大。从城乡建设用地侵占不同地类来看,城乡建设用地侵占水域对于ESV_总、ESV_供给、ESV_调节的破坏性最大,分别是侵占耕地和湿地的破坏性的118.82倍、97倍、165.14倍和5.01倍、5.39倍、6.92倍,城乡建设用地侵占湿地对于ESV_支持、ESV_文化的破坏性最大,分别是侵占耕地和水域的破坏性的26.5倍、23倍和1.51倍、1.21倍。表明城乡建设用地侵占水域是生态系统服务价值损失的第一驱动力,城乡建设用地侵占湿地是生态系统服务价值损失的第二驱动力,水域和湿地面积对于荆南三口生态系统服务功能的稳定起主导作用。

2)荆南三口的ESV增益值大于损失值,退田还湖等工程能有效缓解城镇化与生态环境保护的冲突。耕地、林地转化为城乡建设用地以及水域、湿地转化为耕地是导致荆南三口ESV损失的主要途径,而城乡建设用地转化为水域、草地则促进ESV增益。城乡建设用地扩张虽对耕地、林地的ESV带来了一定损失,但退田还湖、平垸行洪等举措有效地提高了荆南三口ESV,促进了水文调节、生物多样性等服务功能。考虑农田、森林、草地、水域、聚落、湿地等生态系统的相互依存、相互制约的关系,荆南三口未来仍需提高土地利用程度,通过保护与修复受损生态系统结构、优化区域生态系统格局,维护和增强生态系统服务,以维持生态系统较高的稳定性,通过实施生态工程、合理规划城镇用地边界、严守耕地红线以实现区域长期可持续发展^[25]。

4 结论

本文采用动态的当量因子法,并结合湖南省生物量因子和银行年利率予以修正,核算了荆南三口多个时期的ESV,研究了城乡建设用地扩张对生态系统服务的直接影响和间接响应机理,得出以下结论:

1)1990—2018年,ESV整体经历了平缓的增长过程。其中,水文调节、水资源供给功能呈上升趋势,增加速度较迅速; 净化环境功能呈上升趋势,增加速度较缓慢; 生物多样性、美学景观功能呈下降趋势,减少速度较迅速,其余服务功能基本保持不变。

2)荆南三口ESV的空间变化较为明显。其中华容县沿东洞庭湖区域的中高值区面积减少较快,源于城镇化过程使湿地面积大量减少,该区域湿地生态系统服务功能弱化。三县县城的低值区面积增加较快,源于人类活动对农田不断开发,城镇化过程使低值区面积不断增大。

3)荆南三口的ESV变化量与城乡建设用地、耕地、林地的变化量呈负相关,与水域、湿地的变化量呈正相关。对于荆南三口,调节服务是最重要的生态服务功能,应加强水域面积管理,同时增强湿地的文化服务功能,加快推进生态人文、绿色旅游产业,提高生态效益。

4)耕地、林地转化为城乡建设用地以及水域、湿地转化为耕地是导致荆南三口ESV损失的主要途径,而城乡建设用地转化为水域、草地则促进ESV增益。荆南三口的ESV增益大于ESV损失,说明退田还湖等工程够有效缓解城镇化与生态环境保护的冲突,但未来仍需实施生态工程、合理规划城市用地边界、严守耕地红线以实现区域长期可持续发展。

由于数据获取的限制等各方面的原因,本文还存在一些不足: 在用地分类上采用的是一级分类标准,在空间数据处理上,对河渠、湖泊等水域生态系统的分析处理较为简单。在后续工作中,需要对研究区的土地利用类型进行进一步的细化,同时对河渠、湖泊等水域生态系统的用地退让一定距离,并进一步开展空间分析,使研究结果更为科学、准确。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

刘紫玟, 尹丹, 黄庆旭, 等.

生态系统服务在土地利用规划研究和应用中的进展——基于文献计量和文本分析法

[J]. 地理科学进展, 2019, 38(2):236-247.

DOI:10.18306/dlkxjz.2019.02.007 [本文引用: 1]

生态系统服务与人类福祉和区域可持续发展息息相关,是区域土地利用规划的重要考量因素。为此,论文利用文献计量和文本分析法,分析了1997年以来生态系统服务概念、方法和相关高频关键词在土地利用规划研究及实践中的应用。结果表明,近年来土地利用规划研究对生态系统服务的关注度越来越高,相关论文发表量和引用量均呈逐年稳步增长趋势。1997—2017年间,共有121篇中文论文涉及生态系统服务在规划中的运用,总引用量达到2252。与此同时,从全国到地方的《土地利用总体规划》文本中,与生态系统服务相关的关键词的词频总量在升高。生态系统服务相关关键词出现的频次从1997—2010版规划的14630次增长到2006—2020版规划的25467次,增长率达到74%。其中,规划文本对供给及支持服务关注度较高,而对调节及文化服务关注度较低。未来需要进一步发展科学有效的方法,将生态系统服务应用到规划实践中,并在规划文本中加强对调节及文化服务的重视,切实为生态文明建设服务。

Liu

Z W

, Yin

, Huang

Q X

, et al.

The progress of ecosystem services in the research and application of land use planning based on literature measurement and text analysis

[J]. Advances in Geoscience, 2019, 38(2):236-247.