基于LUCC的生态服务价值动态分析及预测——以徐州市区为例

谭 敏, 褚克坚, 华祖林, 郝 明, 张满满

(1.河海大学 环境学院, 南京 210098; 2.中国矿业大学 环境与测绘学院, 江苏 徐州221116)

基于LUCC的生态服务价值动态分析及预测
——以徐州市区为例

谭 敏1, 褚克坚1, 华祖林1, 郝 明2, 张满满2

(1.河海大学 环境学院, 南京 210098; 2.中国矿业大学 环境与测绘学院, 江苏 徐州221116)

为城市生态文明建设提供参考，基于5期遥感数据分类的土地覆盖/利用信息，对徐州市城区生态服务价值进行动态分析，并利用马尔科夫模型对其进行稳态预测。结果表明：1995—2010年间土地利用方式发生很大变化，1995年鼓楼区、云龙区、泉山区农田占地53.5%，69.02%，40.04%，2010年分别下降为34.4%，46.18%，26.27%。生态服务价值相应的由1995年的2.92亿元、1.75亿元、1.51亿元减少到2010年的1.55亿元、1.06亿元、1.26亿元。达到稳定状态时，建筑用地面积大幅下降，农田、林地和水域面积显著增加，鼓楼区、云龙区、泉山区生态服务价值分别上升为2.99亿元、1.64亿元、1.47亿元。研究结果表明，控制农田、林地和水域等向建筑物用地转移，对加强城市生态文明建设具有重要意义。

土地覆盖/利用; 生态服务价值; 马尔科夫模型

生态系统服务价值是指生态系统及生态过程中直接或间接提供人类赖以生存和发展的生命支持的价值。对生态系统服务价值的核算可客观、科学地反映人类生活和生产质量[1]，也较为全面地反映了自然资源价值和生态环境质量，因此具有较为重要的现实意义与科学价值。土地利用/覆盖变化是人类活动与生态环境相互作用的集中体现，它的变化直接影响生态系统的结构和功能[2]，从而影响生态系统服务价值。近年来国内外学者从不同角度不同层次对其进行了相关研究与分析[3-5]，也取得了较大进展。段瑞娟等[6]利用经济学模型对偿付意愿法进行修正，核算北京单位生态系统服务价值，并分析土地利用方式变化与生态系统服务变化之间的相关性；熊鹰[7]应用Costanza[8]提出的生态服务价值计算方法，并参照中国陆地生态系统单位服务价值系数，研究红壤丘陵区土地利用变化对生态系统服务功能的影响；黄凤等[9]估算新疆生态系统服务价值，构建生态系统服务价值与环境质量指数计算体系，并分析了新疆生态变化情况及原因；韩鹏等[10]分别利用当量法、市场价值法和影子工程法计算生态系统服务功能，得到了各方法适用范围；谢高地等[11-12]通过对700位专家的问卷调查形成了一个独立的生态服务价值评价体系，对青藏高原生态系统服务价值进行评价；郑江坤等[13]利用土地利用数据对潮白河流域森林生态系统服务价值动态变化进行评估与预测；张蓉珍等[14]对西安市土地利用变化及其生态系统服务价值进行了研究。

本文在国内外相关研究的基础上，通过遥感技术分析徐州市鼓楼区、云龙区和泉山区1995年、2000年、2004年、2007年和2010年土地利用状况，结合生态学和经济学知识，对该区生态服务价值进行定量评价，并进行驱动力分析。在此基础之上，运用时空马尔科夫链的时空遍历性预测其达到稳态时土地利用类型的分布概率，以期为徐州市土地资源利用状况和生态环境保护措施提供科学依据。

1 研究区概况

徐州市位于江苏省西北部，华北平原的东南部，东经116°22′—118°40′、北纬33°43′—34°58′，东西长约210 km，南北宽约140 km，总面积11 258 km2，占江苏省总面积的11%。徐州是典型的矿业城市[15]，江苏省重要的能源基地。近年来，徐州经济实力迅速增强，城市空间大幅拓展，大量农田、林地在城区扩建中消失。本文着重研究徐州市城区，包括城区北部的鼓楼区、西南部的泉山区和西北部的云龙区。

2 研究方法

2.1 数据处理

采用1995年、2000年、2004年、2007年和2010年分辨率为30 m的徐州市Thematic Mapper(TM)影像，对徐州市城区范围鼓楼区、泉山区、云龙区土地利用状况进行研究。利用ENVI软件中二次多项式纠正对其进行配准，将配准精度控制在0.5个像素以内。在此基础之上,利用最大似然分类法,将影像分为林地、农田、水域和建设用地四类土地利用类型。利用目视解译对分类结果进行评估,并进行精度检验，5期土地利用图Kappa系数均达到为0.83以上。

2.2 生态系统服务价值评价

根据得到的研究区内土地利覆盖/利用类型，利用Constanza等[8]生态系统制定的服务价值估算原理和谢高地等[12]制定的我国生态系统服务价格当量因子表，进行不同时期生态系统服务价值评价。生态服务被划分为食物生产、原材料生产、气体调节、气候调节、水源涵养、土壤形成与保护、废物处理、生物多样性维持、休闲娱乐等，该表定义1 hm2全国农田平均粮食产量的经济价值为1，其他生态系统服务价值以此为参考[11]。针对徐州具体情况，以该区2009年平均粮食产量6 205.5 kg/hm2为基准单产，粮食单价按2008年全国粮食平均收购价格1.69元/kg作为研究时段平均价格。此外，确定1个生态服务价值当量因子的经济价值量等于平均粮食单产市场价值的1/7[12]，计算出徐州的生态系统服务价值当量因子为1 498.19元，以此为基础按当量因子测算出该区其他土地利用类型各项生态服务价值。该区生态系统服务价值系数如表1所示。

结合表1数据并根据公式(1)，(2)计算鼓楼区、云龙区、泉山区各土地利用类型生态系统服务价值、各项生态服务价值。

(1)

(2)

式中：ESV——生态系统服务价值；ESVj——生态系统第j项服务价值；Ai——研究区第i种土地利用/覆盖类型分布面积；VCij——第i种土地利用类型第j类服务功能价值系数。

2.3 马尔科夫模型预测

经济建设与生态建设同步发展是我们共同的目标，城市经济的发展和生态文明的建设必然能达到平衡的状态，对土地利用方式的规划也将达到最优化的稳定状态。目前对生态系统服务价值的研究多集中在生态服务价值对土地利用现状的响应方面[16]，缺少此方面的预测，尤其是达到稳态时土地利用类型的分布。

马尔科夫模型可以有效地预测土地利用变化情况，从而预测生态服务价值的变化[13]。较高空间阶的时空马尔科夫链也具有遍历性[17]，遍历态的马尔科夫链极限分布即是其平稳分布。土地利用类型转移矩阵每行元素进行归一化处理就相当于转移概率矩阵，本文采用时空马尔科夫模型，结合土地利用类型转移概率矩阵，考虑时间要素，求出土地利用类型的多时段加权转移概率矩阵M，其计算公式如下

(3)

(4)

式中：Pij——从土地利用类型i到j的概率；M——初始状态的转移概率矩阵；Tl——第l个间隔时段内土地利用数据的间隔时间；Ml——第l个间隔时段内土地利用类型转移概率矩阵；m——总的时间间隔数。

遍历态马尔科夫链具有平稳分布特征，经过多次概率转移之后，土地利用类型进入固定状态，当继续增大概率转移次数时，不会再发生变化，即在一定精度上转移过程收敛于固定状态，与初始土地利用状态无关，只是收敛速度有所不同而已，故用来预测未来土地利用类型稳定分布，具体公式如下：

(5)

式中：p1，p2，pk——稳定状态时各土地利用类型所占面积比例，即各土地利用类型所占比例经过转移矩阵M之后不会发生变化即是达到稳态，符合平稳分布的特征。

3 结果与分析

3.1 土地利用结构动态变化

鼓楼区总面积23 851 hm2，土地利用方式在1995—2010年的15 a发生很大变化。1995年，农田分布面积最大，占到总面积的53.5%，建设用地面积占到24.86%，而林地和水体所占的面积则相对较小。1995—2000年间，农田和建设用地面积增加，林地和水体面积则减小。2000—2004年间，在人类活动的影响下，鼓楼区土地利用变化复杂而迅速。2004—2007年间，面积变化较大的是建设用地和农田，农田面积减少了1 874.88 hm2，建设用地面积增加了2 361.78hm2。2007—2010年间，由于区域经济发展迅速和新城区的规划建设，建设用地面积持续增加，占总面积的52.57%(表2)。

与1995年相比，2000年、2004年、2007年、2010年云龙区农田面积分别减少了449.1，1 493.82，3 059.29，2 734.74 hm2；林地面积分别减少75.8%，37.8%，77.0%，70.1%；水体面积分别增加20.3%，8.1%，11.9%，21.9%；建设用地面积分别增加69.4%，96.7%，198.2%，176.8%，变化较迅速。

在研究时间内，与鼓楼区和云龙区相比，泉山区土地利用方式变化相对较小。与1995年相比，2000年、2004年、2007年和2010年林地面积分别减少了28.5%，39.4%，50.1%，34.7%；水体面积不断增加，建设用地面积分别增加了4.2%，25.7%，53.1%，42.4%；而农田在2000年增加了0.5%，在2004年、2007年和2010年分别减少了13.8%，41.3%，34.4%。经比较，2004—2007年，土地利用方式发生变化较大，尤其发生在林地和建设用地方面。

表2 1995-2010年徐州城区土地利用类型面积变化

3.2 生态服务价值动态变化

生态系统服务价值与土地利用/覆盖类型的变化密切相关，土地覆盖类型的变化在不同程度上对生态系统服务价值产生影响。1995—2010年间，土地利用方式发生很大变化，生态系统服务价值也表现出复杂的变化趋势，如表3所示。1995年，鼓楼区生态服务价值为2.92亿元；到2000年，由于鼓楼区建筑用地面积的增加，生态服务价值下降到2.25亿元，并且随着社会的发展和城市规划的逐步加快，鼓楼区生态服务价值呈现出持续减少的趋势。1995—2000年间，云龙区生态服务价值由1.75下降到1.30亿元，2000—2004年间，由于林地和水体面积的增加，导致生态服务价值快速增加，而在2004—2010年间，生态服务价值呈现出先减少后增加的趋势。相比较鼓楼区和云龙区，泉山区的生态服务价值变化较小，到2004年后相对稳定。

由表3可知，在城市快速发展过程中，大量农田和林地被占用，建设用地的需求不断增加，引起生态服务价值的降低。1995—2010年间，城区道路的修建，新城区的规划和建设，工业的快速发展，都是引起生态服务价值降低的根本原因。

表3 1995-2010年徐州城区各土地利用类型生态服务价值变化

3.3 马尔科夫模型预测

运用马尔科夫过程预测徐州城区未来土地利用方式的稳定分布，并以此计算研究区域内生态服务价值，如表4所示。预测结果表明，达到稳定状态时，鼓楼区农田面积14 403 hm2，占总面积的60.39%，生态服务价值2.99亿元，较2010年生态服务价值1.55亿元增长了1.45亿元；云龙区农田面积为8 067.75 hm2，生态服务价值1.64亿元；泉山区建设用地4 021.67 hm2，所占比重最大，达到40.19%，生态服务价值1.47亿元，比2010年增加0.27亿元。

表4 徐州城区各土地利用类型的稳定分布

4 结 论

(1) 1995—2010年间，研究区域土地利用类型发生很大变化，主要受到城区规划和人类活动的影响，使农田面积大量减少，建设用地面积显著增加。

(2) 在研究时段内，研究区域生态服务价值发生复杂的变化过程，主要呈现下降趋势。主要因为农田是生态服务价值构成中贡献较大的土地利用类型，新城区的开发建设和城市化的快速发展造成农田大量减少，从而使生态服务总价值降低。

(3) 根据时空马尔科夫遍历态分布特性，预测达到稳定状态各土地利用类型所占比重，预测结果显示建设用地面积会逐渐减少，从而生态服务价值显著增加。但由于土地利用变化受到土地利用政策、自然灾害等的共同影响，导致土地利用的不确定性增加，且本文从生态的角度切入，对经济发展等相关因素未做任何考量，对未来土地利用类型的稳态预测较为理想化，对城市土地利用类型优化的研究仍需进一步完善。

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AssessmentandPredictionofEcosystemServiceValueBasedonLandUseandCoverChange—ACaseStudyofXuzhouCity,JiangsuProvince

TAN Min1, CHU Ke-jian1, HUA Zu-lin1, HAO Ming2, ZHANG Man-man2

(1.CollegeofEnvironmental,HohaiUniversity,Nanjing210098,China; 2.SchoolofEnvironmentScienceandSpatialInformatics,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou,Jiangsu221116,China)

To supply consultation to the city eco-civilization, the ecological service value of Xuzhou City was evaluated and predicted dynamically by using the Markov chain model based on the five periods of land use information of remote sensing images. The results show that the land use changed greatly from 1995 to 2010. Specially，the farmland area of Gulou, Yunlong and Quanshan districts decreased from 53.5%, 69.02% and 40.04% to 34.4%, 46.18% and 26.27%, as a result, the total ecosystem service value also decreased from 292, 175 and 151 million yuan to 155, 106 and 126 million yuan. When the steady state of ecology was reached, the ecosystem service values of Gulou, Yunlong and Quanshan districts grew to 299, 164 and 147 million yuan due to the increase of farmland, forest and water areas. Results indicate that it is very important for ecological civilization to control the transformation of farmland, woodland and waters to building sites.

land cover/use; ecosystem value; Markov model

2013-08-03

：2013-09-13

国家自然科学基金资助项目(51179052,50979026,51009048);国家科技支撑计划(2012BAB03B04);江苏省2013年度普通高校研究生科研创新计划项目(CXZZ13_0271)

谭敏(1988—),女,安徽淮北人,硕士,主要从事环境遥感及遥感影像变化检测研究。E-mail:xiaotanmin@126.com

F301.2;P962

：A

：1005-3409(2014)02-0297-05