基于图谱分析的三亚市土地利用变化与生态系统服务价值

纪珮瑶段璇瑜刘铁冬龚文峰

(1.海南大学林学院，海南 海口 570228；2.海南大学智慧林业重点实验室，海南 海口 570228)

生态系统服务(Ecosystem Services，ES)指生态系统为人类提供的直接或间接性可得利益[1]，体现了生态系统的功能状况[2]。定量评估生态系统服务价值(ecosystem service value，ESV)，对地区生态建设和可持续发展具有良好促进作用[3,4]。土地利用(Land use/cover change，LUCC)作为人-地作用的集中体现，能够反映区域环境、经济、社会的发展情况[5,6]，在全球环境变化过程中扮演着非常重要的角色[7]。LUCC通过直接影响土地所承载的生态系统的结构和功能等，从而影响ESV，同时ESV量化也是研究LUCC的有力指标[8]。尤其是在滨海旅游发展快速的城市区域，明确LUCC及ESV变化，可以为深入研究ESV时空演变对LUCC响应机制提供理论基础，从而在土地利用优化视角为ESV提升提供新的方法参考。

目前，ESV与LUCC集成是区域环境政策和生态系统管理等跨学科领域的热点。由于LUCC受到环境和人为干扰双重作用，因此对于改善生态环境，维持生态平衡，实现土地可持续利用有非常重要的意义。同时其变化也影响着生态系统的质量和演变过程。自1997年Costanza等[9]率先完成全球尺度ESV评估以来，国内外学者掀起ESV量化研究热潮，对各个尺度[9,10]ESV进行了量化评估，常用的评估方法有价值量评价法、物质量评价法和能值分析法[11]。总之LUCC及ESV相关研究内容已较为丰富，但目前关于LUCC与ESV的响应研究较少，且鲜有针对滨海旅游城市中二者响应的研究。本研究综合考虑地区差异性和系数修正，探讨滨海旅游城市LUCC和ESV响应机制，以期为滨海旅游城市土地利用、城市规划和生态旅游提供科学参考和理论依据。

三亚市作为我国唯一的热带滨海旅游城市，旅游业一直是经济发展的支柱性产业。近几年，随着三亚房地产行业繁荣、人口增长和旅游发展，使得城市迅速发展快速发展扩张，土地利用压力巨大，自然生态系统被侵占，引发诸多环境问题，危及区域生态安全。因此，非常有必要从LUCC角度探究人为干扰对区域ESV时空动态及内部差异性的影响。因此本文以三亚市为例，研究滨海旅游城市LUCC和ESV响应，基于土地利用图谱模型分析区域土地利用时空演变，利用ESV评估模型探究区域LUCC对ESV响应机制，以期为此类滨海旅游城市土地规划、城市建设和生态旅游提供科学参考和理论依据。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

三亚市位于N18°09′34″～18°37′27″，E108°56′30″～109°48′28″，见图1，地处海南岛最南端，属热带季风海洋性气候区。地貌北高南低，北面环山南面临海，全市形成“山-河-海”格局明显的地貌特征。东西长91.6km，南北宽51.75km，陆地总面积1921.51km2，海域面积3500km2，下辖崖州、天涯、吉阳、海棠4个区。海岸线东起藤桥福湾，西至梅山角头湾止，长209.1km，有19个港湾，大小岛屿40个。作为海南南部的交通枢纽，以及我国对外开放政策中东南沿海的重要口岸之一[12]，三亚已逐步发展成海南省南部的重要城市。旅游业作为三亚经济发展的支柱性产业，为三亚区域经济发展作出了重要贡献[13]。

图1 研究区地理位置

1.2 数据来源

通过地理空间数据云下载三亚市1980年、1990年、2000年、2010年、2020年5期Landsat遥感影像数据，使用MGE和ARCGIS软件，对5期数据进行投影统一变换。使用波段融合、多光谱增强等方法对遥感影像进行矫正和增强。利用ENVI软件进行裁剪得到三亚市地理图件。根据我国土地利用分类体系，结合三亚市实际情况，将研究区土地类型分为林地、水域、湿地、草地、耕地、建设用地和未利用地7种。再根据各土地类型在图像中的不同颜色、纹理、形状和分布特征，以30m×30m为分辨率，对遥感影像进行解译，从而获得三亚市土地利用栅格数据。同时将1980—2020年三亚市的粮食总产量和粮食价格等资料整理作为数据来源。

2 研究方法

2.1 图谱分析法

土地利用图谱可以同时反映区域LUCC空间格局和时序特征[14]，而其他常规LUCC分析方法只能反映区域LUCC时间或空间的单一特征。本文选取30m×30m分辨率作为图谱基本空间单元，选取研究区1980年、1990年、2000年、2010年、2020年5期遥感影像数据，每2期作为1个图谱时序单元。利用ArcGIS 10.6的叠加分析功能对2期遥感数据进行分析，得到土地利用图谱单元类型的2位数编码值，从而得到三亚市LUCC相应图谱。图谱计算公式：

C=10A+B

式中，C为研究阶段内LUCC模式图谱单元栅格属性；A和B为研究初期和研究末期的对应的LUCC图谱栅格属性。

2.2 ESV模型法

本文采用Costanza[9]等提出的全球生态系统服务价值计算模型，计算各项生态服务提供的生态价值和区域生态系统服务总价值。公式[15]：

ESV=∑(Ak×VCk×Dt×Qt)

ESVf=∑(Ak×VCfk×Dt×Qt)

VCk=∑VCfk

式中，ESV为研究区总生态系统服务价值，元；Ak为第k类土地利用类型的面积；VCk是第k类土地类型对应的单位面积生态系统服务价值系数；ESVf表示生态系统第f项服务项目所提供的生态价值，元；VCfk为土地利用类型k拥有的第f项服务功能项目对应的价值系数。

基于中国陆地ESV当量表[16]，结合研究区实际，三亚市未利用地与荒漠类似，因此把中国荒漠当量作为三亚市未利用地当量，将建设用地当量值视为0，得到三亚市生态系统服务价值当量表见表1。

表1 三亚市各土地利用类型的单位面积ESV当量表

2.3 敏感性分析

敏感性系数CS(the coefficient of sensitivity)可以表示ESV对于ESV系数的依赖程度，指生态服务价值系数改变后对ESV造成的影响[17]。两者之间弹性越小，相互影响越弱，说明计算结果更加可信，并且CS越接近于1，表明CS越具有参考价值。一般将生态系统服务价值系数±50%来计算敏感性系数，计算公式：

式中，ESVi表示价值系数调整50%前的区域价值总量；ESVj表示价值系数调整50%后的区域价值总量；VCik为k类土地利用调整前的生态价值系数；VCjk为k类土地利用类型调整后的生态价值系数。如果CS>1，表明ESV与VC之间富有弹性，结果可信度较低；如果CS<1，表明ESV与VC之间缺乏弹性，结果可信度高。

3 结果分析

3.1 三亚市土地利用变化分析

3.1.1 三亚市土地利用时空格局分析

由图2可知，三亚市土地利用主要是林地、草地和耕地，三者面积比例始终维持在75%、3%和13%～15%，期间林地面积略增，草地面积下降，耕地面积大幅降低；值得注意的是，建设用地扩张十分明显，从1990年占比1.70%提高到2020年占比7.25%，由此三亚市土地利用需求进入了一个更加繁荣活跃的时期。从土地利用变化阶段来看，2000年后三亚市建设用地扩张速度飞升，对土地利用类型产生严重影响：1980—2000年和2000—2020年，建设用地分别增加8.245hm2和97.934hm2，林地分别减少8.717hm2和58.082hm2，耕地分别减少15.769hm2和44.075hm2。由此可见，21世纪我国城镇化战略调整，同时在国际旅游岛建设时代背景下，2000—2020年土地利用变化的程度远大于1980—2000年，其建设用地加速扩张，耕地面积大幅减少，水体扩张速度放缓。总体而言,随着三亚市城市化推进和国际旅游岛建设，建设用地持续扩张；相比之下林地、草地和耕地占有率下降，土地结构不断调整；林地作为三亚市最重要的土地利用形式，占有率在短时间内不会有太大改变。

图2 1980—2020年三亚市土地利用图谱

3.1.2 三亚市土地利用涨落势图谱分析

在ARCGIS中对每2次栅格数据进行叠加分析，根据土地利用转入和转出对叠加后的数据进行重分类，得到三亚市2个时序单元的涨落势图谱，见图3。1980—1990年林地新增面积10.760hm2，占新增总面积48.03%，主要位于崖州和天涯区；新增水域0.61hm2，主要位于海棠区；新增建筑用地0.53hm2，主要位于天涯和吉阳区。1990—2000年建设用地新增77.346hm2，占新增总面积88.16%，主要位于吉阳和天涯区；新增水域5.596hm2，主要位于天涯区。2000—2010年与2010—2020年土地变化剧烈，变化面积分别为91.799hm2、70.785hm2，建设用地分别增加46.967hm2、54.087hm2，主要集中在靠近海岸线的区域，不同的是，2000—2010年天涯区因兴建水库新增大量水域，由此可以看出，2000—2020年天涯区与吉阳区作为发展重心，其滨海建筑业发展给当地生态环境带来不小冲击。

从图3可以看出，1980—1990年耕地萎缩面积最大，为5.159hm2，占总萎缩面积42.27%，主要位于崖州区，用于退耕还林。1990—2000年耕地萎缩面积最大，共11.895hm2，占总萎缩73.87%，主要位于天涯和吉阳区，本时期耕地主要转化为建筑用地与水域。2000—2010年与2010—2020年林地分别萎缩35.744hm2、32.828hm2，耕地分别萎缩34.314hm2、22.997hm2，二者均大量向建设用地转入，主要集中在天涯和吉阳区。说明2000年后，三亚城市化进程加快，城市建设规模扩大。耕地作为主要的作物和粮食来源，其持续萎缩必定会影响当地粮作物食产量，给城镇居民带来不良影响。

3.2 生态系统服务价值分析

图3 三亚市土地利用涨落势图

3.2.1 各地类生态系统服务价值

基于三亚市各土地类型面积及对应的生态价值系数，计算得出1980—2020年三亚市生态系统服务价值，见表2。可知1980—2020年三亚市ESV总体呈减少趋势，共减少125.27万元。林地、草地、耕地、湿地、未利用地ESV整体减少，分别减少了125.45万元、5.15万元、48.09万元、57.91万元、0.03万元；水域ESV增加了111.36万元。从各地类角度，林地ESV占比最大，占比保持80%以上；其次是水域和耕地，二者总占比多年超10%。从变化量角度，1980—2000年ESV持续增长，共增长35.19万元，其中水域和林地ESV增长27.21和22.15万元，贡献率为50.74%、41.30%，其次为湿地增加4.27万元；耕地减少量最大共12.68万元，贡献率68.76%，其次为草地减少5.76万元。2000—2020年ESV显著下降，共下降160.46万元，其中水域ESV增加84.15万元，贡献率99.29%；林地ESV减少147.6万元，贡献率60.19%，其次湿地减少62.18万元，贡献率25.36%。林地与湿地作为高生态系统服务价值地类，二者ESV变化幅度最大下降了34%，说明三亚市森林和湿地生态系统侵占严重且疏于保护，将对研究区生物多样性造成严重影响，随着国际旅游岛建设、土地消耗和城市化进程，三亚将面临巨大环境资源压力。

3.2.2 敏感性分析

通过将当量因子±50%来实现ESV系数变更，采用传统敏感性指数CS来评估ESV系数变化对ESV影响程度，即ESV对系数依赖程度。计算得到的敏感性指数都小于1，见表3，由此可知，三亚市ESV对单位面积ESV当量变化不敏感，表明研究结果具有较高的可信度。

表2 1980—2020年三亚市生态系统服务价值

表3 三亚市各土地利用类型当量因子与生态系统服务价值总量敏感性分析

4 结论与讨论

三亚市作为海南省旅游核心城市和国际重点旅游城市，针对其生态系统研究有助于滨海城市规划，补充关于典型滨海旅游城市的研究空白。本研究基于1980—2020年5期土地利用数据进行了ESV评估和敏感性分析，结果表明：40a间土地类型以林地、草地和耕地为主，建筑用地不断扩张，林地、耕地不断减少，2000年后城市扩张速度明显增加，对土地利用变化产生巨大冲击；40a间三亚市ESV总体趋势先升后降，整体减少了125.27万元，上升主要源于研究区域内水域面积增加，而林、耕地萎缩是造成研究区ESV降低的重要原因；经调整后的景观类型价值系数，敏感指数均小于1，研究具有较高的可信度。

研究表明，三亚市城市扩张、房地产开发和旅游业发展造成一定程度的生态服务价值恶化。尤其是旅游开发，尽管能提供一定的娱乐文化价值，但存在生态系统破坏问题，整体依旧提供负价值[18]。因此在未来生态文明建设中，三亚市应当加大城市扩张控制力度，加强热带雨林和自然水域保护，大力推进生态旅游建设，以期合理规划土地，注重人类活动和生态环境协调发展。