基于土地利用變化的連云港海岸帶生態系統服務價值評估

付永虎 宗婷 劉俊青

摘要：基于連云港市1987年、1995年、2002年、2009年、2017年等5期Landsat影像，采用基于當量因子的生態系統服務價值評價方法和敏感性分析方法，分析連云港海岸帶土地利用變化引起的生態系統服務價值變化。結果表明：（1）1987—2017年，連云港海岸帶各地類面積整體上呈現“五減三增”的態勢，即耕地、林地、水域、鹽田和未利用地面積有所減少;灘涂、其他建設用地和住宅用地面積有所增加;（2）連云港海岸帶土地利用生態系統服務總價值呈持續減少趨勢，從1987年的87.59億元減少到2017年的54.51億元，減少33.08億元;（3）在土地利用類型方面，除灘涂外，其他土地利用類型的生態系統服務價值變化趨勢與研究區總價值變化趨勢基本保持一致，在生態服務功能中，水文調節對海岸帶生態系統服務價值貢獻率最大，各時間段均超過70%;（4）敏感性分析結果表明，各土地利用類型的敏感性指數均小于1，表明生態系統服務總價值對價值系數缺乏彈性，研究結果可信。研究成果對于連云港海岸帶土地的可持續利用具有重要的指導意義。

關鍵詞：土地利用變化;生態系統服務價值;敏感性分析;海岸帶;連云港

生態系統服務是生態系統所形成和維持的人類賴以生存的自然環境條件與效用[1-2]，強調在生態環境過程、人口增長、社會經濟發展等多重約束和限制下，生態系統為人類社會提供服務的能力[3-4]。作為自然與經濟耦合系統的重要聯結點，生態系統服務作用于人類社會經濟[5]，同時又受到土地利用變化的影響。土地是人類生存最基本的物質載體，人類通過對土地的開發與利用，改變了地表土地利用的結構。土地利用變化能通過改變生態系統結構與生態過程，對生態系統維持及服務功能起到決定性作用，進而制約了人類社會的可持續發展[6]。因此，探討土地利用變化對生態系統服務價值的影響已成為當前生態經濟學領域的重要研究課題。

海岸帶是海洋系統與陸地系統交互作用的生態交界地帶。作為地球表面最為活躍，自然現象與過程最豐富，資源品種類別、環境條件和地理區位最為優越的地區[7]，海岸帶已成為人類活動最密集、土地利用變化影響最顯著的脆弱性地帶[8-9]。近年來，隨著海岸帶資源開發利用程度的逐步提高，海岸帶的土地利用結構與生態過程亦發生了深刻而顯著的改變，其變化過程對生態系統服務價值變化與維持起到了決定性作用[10]。探究海岸帶土地利用變化對生態系統服務的影響，可為提高海岸帶資源利用與制定土地開發、整治政策，促進沿海地區社會經濟可持續發展提供理論與方法支撐。目前，針對海岸帶生態系統服務的研究已有諸多報道，主要集中在海岸帶生態系統服務的分類[11-12]、生態系統服務價值核算及時空演變[13-14]，以及對濱海生態系統[15]、海岸帶濕地生態系統[16]和紅樹林生態系統[17]等單一生態系統服務價值的評估[18]。在國內，其研究區主要集中于山東省[19-23]、遼寧省[24-27]、福建省[28-29]及海南省[30]，對占全國海洋帶1/4的江蘇省海岸帶生態系統服務的研究相對較少[31-32]。連云港作為新亞歐大陸橋東方橋頭堡、“一帶一路”交匯點核心區先導區，自1996年江蘇省實施“海上蘇東”開發戰略以來，連云港海岸帶已成為江蘇省沿海開發的核心區域，同時也成為土地開發與資源保護之間矛盾最為尖銳的地區之一。因此，本研究選取連云港海岸帶為研究對象，根據1987年、1995年、2002年、2009年、2017年等5個不同時期的遙感影像，綜合運用ENVI、ArcGIS等軟件，進行基于土地利用變化的海岸帶生態系統服務價值評估;在此基礎上，采用敏感性分析方法，驗證生態系統服務價值測度數據的精準性和有效性，以期為連云港海岸帶的綜合管理和區域可持續發展提供決策支持。

1 研究方法與數據處理

1.1 研究區概況

連云港位于我國沿海中部（圖1），江蘇省東北部;介于33°59′～35°07′N，118°24′～119°48′E之間。連云港屬暖溫帶和北亞熱帶的過渡區域，年均氣溫為14.1 ℃，年均降水量為883.6 mm[33]。連云港土地總面積約為7 615 km2，海域面積約為 6 677 km2。轄區海岸帶狹長曲折，北起蘇魯交界的繡針河口，南至灌河口，全長為211.59 km。連云港海岸帶類型多樣，主要以泥質海岸為主，另外還有部分砂質海岸與基巖海岸。近年來，海岸帶主要用于旅游、海水養殖、港口碼頭、工程用海等，轄區擁有江蘇省最大的海港——連云港港。區內土地利用類型以其他建設用地、水域和鹽田為主，2017年海岸帶其他建設用地面積為334.76 km2，占土地總面積的39.24%;水域面積為142.11 km2，占土地總面積的16.66%。

1.2 研究方法

1.2.1 土地利用動態度 土地利用動態度是分析土地利用變化動態的重要指標，可指征研究區某一時間段內土地利用類型的變化程度[34]。本研究采用單一土地利用類型動態度指數，計算公式如下：

式中：k為研究時段內某一土地利用類型動態度;La表示研究初期某一土地利用類型的面積;Lb表示研究末期某一土地利用類型的面積;D為研究時段長，當D的時段設定為年時，k的值就是該研究區某種土地利用類型的年變化率[35]。

1.2.2 生態系統服務價值估算 本研究在依據Costanza劃分的生態系統服務類型的基礎上，采用謝高地等提出的2015年我國生態系統單位面積生態服務價值當量表及其換算方法，將連云港海岸帶的生態系統服務價值當量因子定為連云港市1987—2017年單位面積糧食產值的1/7[36]，得出連云港海岸帶一個當量因子的生態系統服務價值為2 310.97元/hm2，最終確定研究區不同地類生態系統服務價值系數（表1）。同時，將連云港海岸帶的各種土地利用類型與最接近的生態系統類型對應起來，考慮到建設用地對生態環境的效應為負值，本研究不計算其生態系統服務價值。

式中：ESV表示研究區生態系統服務總價值，元;Si表示單位面積上土地利用類型i的生態系統服務價值，元/（hm2·年）;Ti表示研究區土地利用類型的面積，hm2;ESVk為研究區生態系統的單項服務價值，元;Ski為單位面積上土地利用類型i的生態系統單項服務價值，元/（hm2·年） [37]。

1.2.3 生態系統服務價值敏感性分析 本研究采用敏感性指數（CS）來驗證生態系統類型對各地類的代表性和生態價值的準確程度。參考已有研究，本研究通過向上和向下調整各地類單位面積生態系統服務價值當量50%來計算敏感性指數[38]，計算公式如下：

式中：CS表示敏感性指數;ESVP為原始生態系統服務總價值;ESVq為調整后生態系統服務總價值;Vpr為第r類土地利用類型未調整前的價值系數;Vqr為第r類土地利用類型調整后的價值系數。當CS<1時，說明ESV對V缺乏彈性，其準確性、可信度都比較高;反之，當CS>1時，說明生態系統服務價值對價值當量是敏感的、富有彈性的，但其準確性低，結果可信度也較低。

1.3 數據處理

1.3.1 數據來源 本研究所用數據主要包括5期遙感影像數據（表2）、連云港市行政區劃圖、1987—2017年《連云港統計年鑒》和《連云港市國民經濟和社會發展統計公報》以及相關文獻資料。

1.3.2 數據預處理 基于ENVI 5.1平臺，運用Gram-Schmidt（GS）融合法分別對5期影像進行增強處理，生成5幅分辨率較高且顏色較好的圖像。以2017年影像為基準，在ENVI Classic中對其他4幅影像進行幾何校正;在ArcGIS中將融合后的2017年影像打開，以2017年遙感影像為基準提取海岸線， 利用緩沖區工具分別向陸地緩沖5 km， 向海洋緩沖2 km得到緩沖區范圍，參照連云港市行政區范圍對緩沖區進行修改，得到最終的研究區矢量范圍。

1.3.3 遙感影像解譯 根據GB/T 21010—2017《土地利用現狀分類標準》，結合連云港海岸帶特有的地類物種和遙感影像的分辨率，將研究區土地利用類型劃分為耕地、林地、灘涂、水域、鹽田、住宅用地、其他建設用地、未利用地等8類（圖2至圖6）?；贓NVI 5.1平臺，運用最大似然法分別對5期預處理后的影像進行監督分類，并運用主次要分析進行分類后處理，得到最終分類結果。解譯結果采用混淆矩陣法進行精度驗證，本次影像分類精度總體介于90.20%～95.91%之間，κ系數總體達0.910以上，解譯精度滿足研究需求。

2 結果與分析

2.1 土地利用變化分析

2.1.1 土地利用結構分析 由表3可知，影像解譯得到的連云港海岸帶土地利用類型總面積為853.12 km2?？傮w來看，1987—2017年連云港海岸帶土地利用類型以水域、鹽田和其他建設用地為主，其中1987年、1995年和2002年面積最大的土地利用類型均為水域，其面積占總面積的29.13%～31.86%;2009年和2017年面積最大的土地利用類型均為其他建設用地，2017年所占比例高出2009年10百分點左右;未利用地始終是面積最小的土地利用類型，面積最大僅為17.77 km2，均未超過總面積的3%，占總面積的0.54%～2.09%。

2.1.2 土地利用動態度分析 由表3和表4可知，1987—2017年連云港海岸帶不同土地利用類型呈“五減三增”的態勢，即耕地、林地、水域、鹽田和未利用地面積總體上有所減少;灘涂、其他建設用地和住宅用地面積總體上有所增加。具體來說，1987—2017年，耕地、水域和未利用地的面積持續減少，其中水域的面積減少量最大，由1987年的271.77 km2減少到2017年的142.11 km2，減少129.66 km2，其中2009—2017年的變化速度最快，土地利用動態度為-4.62%，這一變化主要是2009—2017年連云港大力進行圍海建設和圍海制鹽所致。其次是耕地，由1987年的98.28 km2減少到2017年的46.97 km2，減少51.31 km2，住宅用地和其他建設用地是其轉化的主要目標地類，沿海開發以及產業結構調整是其變化的主要原因。未利用地在此期間變化不大，31年間僅減少13.20 km2，但其轉化率較高，說明未利用地的開發利用較為充分。與此同時，住宅用地和其他建設用地面積不斷增加且后者增量遠高于前者，所占比重分別由1987年的3.09%、15.42%上升到2017年的8.53%、39.24%，但研究期（1987—2017年）內住宅用地的土地利用動態度卻高于其他建設用地，這一變化的主要原因是因為研究區人口不斷增長，對于住宅用地的需求更大，更加頻繁的社會經濟活動也直接導致了其他建設用地的大幅度增加。林地面積經過了增減不斷交替的階段，由1987年的79.12 km2減少到2017年的53.26 km2，在研究期內，2009—2017年的動態度最低。灘涂面積經過先減后增2個階段，由1987年的41.74 km2增加到2017年的 91.18 km2，其中2002—2009年動態度達11.16%。1987—2017年，連云港經歷了大力發展鹽業化工到限制鹽業產業發展政策的調整，導致鹽田面積經過先增后減2個階段，由1987年的186.53 km2減少到2017年的107.51 km2，雖然1987—2017年鹽田的土地利用動態度僅為-1.41%，但其面積變化量在所有地類中居于第3位。

2.2 生態系統服務價值變化分析

2.2.1 各土地利用類型的生態系統服務價值變化分析 根據連云港海岸帶各地類生態系統服務價值系數（表1），結合研究區1987—2017年各地類面積（表3），利用公式（2）和公式（3）計算出研究區1987—2017年各地類生態系統服務價值及變化情況（表5和表6）。

由表5和表6可知，研究期內水域的生態系統服務價值遠遠超出其他土地利用類型，占生態系統服務總價值的比例最低為75.67%，最高可達91.99%，灘涂、林地和耕地次之，未利用地的生態系統服務價值最低。1987—2017年，連云港海岸帶生態系統服務總價值呈現持續減少的態勢，從1987年的87.594億元減少到2017年的54.511億元，減少33.08億元，降幅為37.77%，其中2009—2017年生態系統服務總價值下降最為明顯，主要是因為近年來連云港大力實施圍海造地項目，城市建設和工業生產用地急劇增加，近岸海域銳減，進而導致生態系統服務價值大幅度減少。研究區內，不同地類生態系統服務價值呈現“一增四減”的態勢。具體來說，灘涂的生態系統服務價值由1987年的5.02億元增加到2017年的10.96億元，增加量為5.94億元，變化率大于1;耕地、林地、水域和未利用地的生態系統服務價值則出現下降的趨勢，其中下降最明顯的是水域，共減少37.64億元，變化率為47.71%，2017年其生態系統服務價值達到最低，為41.25億元，但仍是生態系統服務總價值的最主要組成部分，如果其面積大幅度減少就會失去對生態系統服務總價值的重要支撐作用，說明保護水域具有重要的生態意義。

2.2.2 各項生態服務功能的生態系統服務價值變化分析 從各項生態系統服務功能的價值構成（表7和表8）來看，水文調節對于連云港海岸帶生態系統服務總價值的貢獻率最高，各時間段貢獻率均超過70%;其次是水資源供給和凈化環境，貢獻率分別為6%、5%左右;氣體調節、氣候調節、土壤保持和美學景觀等4項生態服務功能占生態系統服務價值總量的1%～4%;食物生產、原料生產和維持養分循環等3項功能服務價值均低于1億元。這表明連云港海岸帶主要以調節服務為主，在與人類生活直接相關的生態服務功能方面相對薄弱。

總體來看，在連云港海岸帶各項生態服務功能中，除生物多樣性的生態系統服務價值有輕微的上升外，其他生態服務功能價值量均呈現不同程度的下降，其中食物生產、水資源供給、凈化環境和水文調節等4項功能在研究期內持續下降，下降幅度最明顯的是水文調節功能，從1987年的67.50億元下降到2017年的39.26億元，減少28.24億元，下降幅度為41.84%，這主要是水域面積大幅度減少所致，其他3項功能價值的減少量依次為0.32億、2.05億、1.35億元;原料生產、氣體調節、氣候調節、土壤保持、維持養分循環、生物多樣性的價值量均經歷了先減后增再減的過程，變化幅度均小于1%;就美學景觀而言，隨著連云港市交通基礎設施的完善與港口碼頭的建設，大面積的鹽田變為采礦用地，因此研究區內生態系統美學景觀價值有所下降。

2.3 生態系統服務價值敏感性分析

由表9可知，1987—2017年連云港海岸帶生態系統服務總價值對價值系數彈性較弱， 不同土地利用類型敏感性指數均小于1，通過敏感性指數測算可得出ESV測算數據較為精準，結果可靠，可應用于海岸生態環境相關分析?？傮w來看，研究區內各土地利用類型敏感性指數由高到低依次為水域、灘涂、林地、耕地、未利用地，其中敏感性指數最高的是1987年的水域，為0.896 2，說明當水域的生態價值系數增加1%時，生態系統服務總價值將增加0.896 2%。1995年未利用地的敏感性指數最低，僅為0.000 01，主要原因在于未利用地面積較小且單位面積的生態系統服務價值較低。

1987—2017年，研究區內敏感性指數在增加的土地利用類型有林地、灘涂，且后者的增長幅度較前者大，從1987年的0.057 3增加到2017年的0.201 1，增長0.143 8，表明其單位面積生態系統服務價值系數變化對生態系統服務總價值產生了放大作用;耕地、水域和未利用地的敏感性指數總體呈減少趨勢，其中耕地由1987年的0.010 2減少到2017年的0.007 9，減少0.002 3，水域由1987年的0.896 2減少到2017年的0.752 5，下降0.143 7，未利用地則從1987年的0.000 05下降到2017年的0.000 04，僅下降0.000 01，表明三者單位面積生態系統服務價值系數變化對生態系統服務總價值影響的能力在逐漸減弱。忽略建設用地敏感性指數不計，5個不同年份各土地利用類型敏感性指數最大值與最小值差值分別為0.896 1、0.457 4、0.889 2、0.837 4、0.752 5，說明不同地類單位面積生態系統服務價值系數的變化對生態系統服務總價值有一定程度的影響。

3 討論

近年來，隨著連云港社會經濟的發展和城市化進程的加快，人們在海岸帶進行了大規模的土地資源開發利用活動，海岸帶面臨的生態壓力越來越大。本研究以連云港海岸帶為例，基于生態學原理，應用敏感性分析方法，進行生態系統服務價值測度研究。結果表明，生態系統服務測度數據有效，能夠準確刻畫生態系統服務價值隨土地利用變化的情況。連云港在重點開發海洋產業，完善涉?；A設施的過程中，對海岸帶的土地利用造成了巨大的干擾，近岸海域銳減，進而導致海岸帶生態系統服務價值的減少。因此，連云港在發展臨海工業的同時，應以生態優先，綠色發展為原則，加大對自然生態系統的保護力度，控制耕地轉化為其他建設用地的數量，修復近海重要生態系統功能區，保護海岸線和灘涂資源，提高其生態系統服務總價值，使連云港的海洋產業現代化與海洋生態環境相協調，從而促進海岸帶的可持續發展。土地利用變化的驅動力研究是深刻理解人類海岸帶土地利用演變的基礎。本研究主要采用土地利用動態度來指征土地利用類型的變化情況，初步探討了研究區各土地利用類型變化的方向。然而囿于社會經濟數據有限，未能對土地利用變化的驅動力進行研究。針對生態系統服務價值的核算，本研究采用謝高地等提出的單位面積生態服務價值當量因子法[36]，雖然本研究結合連云港的實地情況進行了適當修正，并運用敏感性分析進行驗證，可較為精準地反映研究區生態系統服務價值，但鑒于海岸帶生態系統的復雜性，本研究未針對海岸帶特殊性生態服務價值進行測算，如海岸防風暴潮和穩定岸線服務等服務價值。在其他數據資料豐富的地區，可在綜合各類文獻資料、調研數據的基礎上，以生態服務價值當量因子法為基礎，并結合遙感影像數據對生態系統凈初級生產力（NPP）的時空分布狀況進行模擬分析。同時，可采用InVEST模型進行海岸帶特殊性生態服務價值的測算與多情景分析。

4 結論

本研究基于連云港海岸帶5期遙感影像，評估了土地利用變化導致的生態系統服務價值變化，主要結論如下：

（1）1987—2017年，連云港海岸帶各土地利用類型的變化趨勢為耕地、林地、水域、鹽田和未利用地面積有所減少，灘涂、住宅用地和其他建設用地面積有所增加。研究區內，土地利用類型面積總轉移量隨著時間段后移不斷增加，2009—2017年轉移量達到446.66 km2，占研究區總面積的52.36%。

（2）研究區不同時段土地利用的變化導致生態系統服務價值發生變化，結果表明，1987—2017年，研究區的生態系統服務總價值量持續下降。1987年的生態系統服務總價值為87.59億元，2017年的生態系統服務總價值為54.51億元，減少33.08億元，降幅為37.77%，表明研究期間土地利用變化一定程度上弱化了生態系統服務功能。

（3）研究期間，不同土地利用類型生態系統服務價值呈現“一增四減”的態勢，其中灘涂的生態系統服務價值由1987年的5.02億元增加到2017年的10.96億元，增加量為5.94億元，變化率大于1;耕地、林地、水域和未利用地的生態系統服務價值則出現下降趨勢，其中下降最明顯的是水域，共減少37.64億元，變化率為47.71%。在所有生態服務功能中，水文調節對生態系統服務價值的貢獻率最高，各時段的貢獻率均超過70%。

（4）生態系統服務價值敏感性分析結果表明，1987—2017年，連云港海岸帶所有土地利用類型敏感性指數均小于1，說明生態系統服務總價值對于價值系數缺乏彈性，研究結果可信。研究區2017年各土地利用類型敏感性指數從高到低依次為水域、灘涂、林地、耕地、未利用地，水域為0.752 5，灘涂為0.201 1，說明目前水域和灘涂的生態系統服務價值對生態系統服務總價值影響較大。

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