基于土地利用变化的长沙市生态系统服务价值计量分析及趋势预测

嵇航宇，肖建武，刘 畅

（中南林业科技大学 a.生命科学与技术学院；b.商学院,湖南 长沙 410004）

土地利用变化是引起环境变化的主要原因，同时也能最直接地反映出生态环境与人类社会之间的相互作用关系，是人口、资源和环境可持续发展中的基本问题[1]。土地的变化不仅影响人类的生存发展与生态环境的改善，还关系着生态系统的健康与可持续发展。

随着全球各地经济发展与城市建设的进程加快，生态环境与社会发展之间的矛盾日益尖锐，并且由于生态系统所提供的服务功能价值，大部分都无法像商品一样在市场定价机制中得到充分的体现，所以人类无法直观的感受到生态系统服务价值的增加或减少，最终导致相关观念淡薄。因此学者们采用各种方法来量化生态系统服务功能的真实价值，想要改变这种“无价”可循的模糊状态。在国外研究中，学者们偏向于对大尺度下生态系统服务价值进行研究[2-4]；而在国内相关研究中，学者们更加趋向于研究我国小尺度与特定区域的生态系统服务价值[5-7]。其中，基于土地利用变化研究生态系统服务价值动态演变，或是对引起价值变化驱动因子的机理研究是当今生态系统服务价值研究的主流方向[8-13]。

近些年，长沙市积极推进湖南省“3+5”城市群建设、长沙市中心城区“一轴两带、一主八片”等战略建设，地区经济一体化进程速度加快，交通用地等建设用地大量增加，这必定会给长沙市生态系统带来很大的影响。结合长沙市实际情况，采用土地利用动态度、生态系统服务价值评估模型与灰色预测模型等方法，对长沙市土地利用变化情况、生态系统服务价值变化情况以及未来变化趋势进行相关计算分析于预测，这将有助于了解城市建设迅速发展背景下长沙市土地利用对生态系统服务功能的影响，为科学协调区域内土地利用与经济社会发展关系提供科学依据。也是对我国区域生态系统服务价值评估研究的一个有益探索，丰富了相关成果。同时还能加强人们对生态系统服务功能价值的认识，提高公众认知程度，提升生态保护意识。

一、研究区域概况及数据来源

（一）研究区域概况

长沙市是湖南的省会城市，长江中游城市群与长江经济带中重要的中心城市，也是我国重要交通枢纽城市。本研究的长沙市区域包括六区（芙蓉区、天心区、岳麓区、开福区、雨花区与望城区）、一县（长沙县）及两个代管市（浏阳市与宁乡市）。长沙市位于湖南省东部偏北，湘江下游和长浏盆地西缘，介于东经111°53′～114°15′，北纬27°51′～28°41′之间。属亚热带季风气候，全年气候温和、降水充沛。境内地势起伏较大；地貌类型多样；湘江穿城而过，地表水系发达，河网密布，水能资源丰富；土地资源丰富，类型齐全。截止至2019年底，全市实现地区生产总值（GDP）11 574.22 亿元，常住总人口839.45 万人，城镇化率为79.56%。

（二）数据来源

本研究所需长沙市2009—2019年土地数据，以研究时段LandsatTM 土地覆被数据卫星影像数据（来源于中国地球科学系统数据分享中心，分辨率30×30，总体精度达80% 以上）为基础，配合长沙市行政区域矢量图，利用ENVI 与ArcGIS 软件进行几何校正、图像裁剪、融合等处理，采用监督分类进行影像解译，并结合长沙市国土资源局、长沙市统计局联合公布的土地变更调查数据进行统计搜集。所需的粮食产值、食品单价、GDP 等其他社会经济数据来源于同年长沙市统计年鉴与湖南省统计年鉴。

本研究中土地分类依据《土地利用现状分类》GB/T21010-2017 和《中华人民共和国土地管理法》“三大类”对照表（表1）。

表1 土地分类对照表†

二、研究方法

本研究首先以研究区域相关年份的土地利用变更调查数据为基础，结合土地利用动态度来反应研究区域土地利用变化情况;采用相关方法对研究区域生态系统服务价值进行评估:其中非建设用地采用当量因子法进行计量;建设用地采用市场价值法、替代成本法、防治成本法等进行计量；最后采用灰色预测GM（1,1）模型预测研究区域土地利用情况与生态系统服务价值未来几年间的变化趋势。

（一）生态系统服务价值评估方法

1.非建设用地当量因子体系构建

生态系统生态服务价值当量因子是指生态系统产生的生态服务的相对贡献大小的潜在能力，定义为1 hm2公顷全国平均产量的农田每年自然粮食产量的经济价值。Coatanza等人对生态系统的服务功能进行了分类和系统说明，并建立了相关价值评估体系。我国学者谢高地等人在参考Coatanza等人研究成果的基础上，通过专家咨询法，对该模型进行改进，最终建立了我国的陆地生态系统单位面积生态服务价值当量表[14]。

1）单位面积农田生态系统价值计算。本研究基于Coatanza、谢高地等人的方法，结合研究区域统计年鉴中相关数据，计算出研究时期内粮食平均单产量，对研究区域农田生态服务价值当量因子进行修正。再按照研究区域实际情况计算出当地粮食平均收购价格，依据公式（1）得出单位农田自然粮食生产功能的经济价值。式中：Ea为单位农田生态系统提供食物生产功能的经济价值（元/hm2）；i为作物种类；pi为i种粮食作物全国平均价（元/kg）；qi为i种粮食作物单产（kg/hm2）；mi为第i种粮食作物面积（hm2）；M为粮食作物总面积；n为粮食作物种类。

2）单位面积生态服务价值当量修正。本研究参照相关学者[15]的研究、中国科学院土地资源分类系统与其他分类标准，并结合研究区域实际，将耕地、林地、牧草地、水域对应农田、森林、草地、水体的生态服务价值当量，园地取农田与草地生态系统服务价值的平均值；未利用地主要由荒草地、裸岩石砾地和滩涂等构成，取草地和荒漠的平均值[6]。

3）单位面积生态服务价值系数修正。在确定了研究区域单位面积农田自然粮食生产功能经济价值基础上，参考修正后的单位面积生态服务价值当量，依据公式（2），计算出相应生态服务价值系数（VC）。

2.建设用地生态系统服务价值评估方法

谢高地等人在研究中将建设用地的生态系统服务价值系数赋值为0，不对其做研究。但在现实中，建设用地对生态系统服务中的水文调节、气体调节、废物处理等功能都会产生较大的影响。因此本研究参照相关学者[16-18]的计算方法，应用市场价值法、替代成本法等方法对建设用地的生态系统服务价值进行计算[16,19-20]。

1）建设用地气体调节生态系统服务价值计算。采用防治成本法评估建设用地废气处理成本，将其作为对生态系统的影响价值，计算公式为:

式中：Pg代表建设用地气体调节功能价值；P工矿与P交通代表城镇村及工矿用地气体调节功能价值与交通用地气体调节功能价值；Ej与Ei代表j类废气的排放量（m³）与机动车氮氧化物排放量（m³）；Cj与Ci代表治理j类废气所需要的成本（元/m³）与处理氮氧化物所需要的成本（元/m³）；q为人均机动车拥有数量（人/辆）；m为总人口数（人）。

2）建设用地水文调节生态系统服务价值计算。采用替代成本法计算城镇村居民生活与工矿生产活动用水成本，将其作为对生态系统的影响价值，计算公式为：

式中：Pw代表建设用地水文调节功能价值；W1、W2分别为生活用水量与工业用水量（t）；P1、P2为居民生活用水单价与工业用水单价（元/t）。

3）建设用地废物处理生态系统服务价值计算。采用防治成本法评估城镇村居民生活与工矿生产活动废水与固废处理成本，将其作为对生态系统的影响价值，计算公式为：

式中：Pr代表建设用地废物处理功能价值；Qd、Qi、Q1、Q2分别为居民生活垃圾处理量、工业固废处理量、生活废水排放量与工业废水排放量（t）；Pd、Pi、P1、P2分别为生活垃圾处理费用单价、工业固废处理费用单价、居民生活废水处理单价与工业废水处理单价（元/t）。

3.生态系统服务总价值核算

生态系统服务总价值计算公式[15,21-22]：

式中：ESV 为生态系统服务总价值；Ak为第k类土地利用类型面积（hm2）；VCk为单位面积的生态系统服务价值系数（元·hm-2·a-1）。ESVf为生态系统第f项服务功能价值；VCfk为第k类土地利用类型的第f项生态系统服务价值系数（元·hm-2·a-1）。

（二）生态系统服务价值趋势预测方法

本研究采用灰色GM（1,1）模型对长沙市2021—2029年土地利用结构与生态系统服务价值进行预测。灰色GM（1,1）模型[23]其原理是在少数据、小样本、贫信息的不确定性背景下，对已知信息进行一系列数学方法处理，将其转化成有较强规律的数据序列，建立相应的动态微分方程模型，从而预测事物未来发展趋势。这些年该模型在农业、能源、经济、生态等预测研究中应用广泛[24-27]。预测模型简记如下：

在上式中，C称为均方差比值；p称为小误差概率；S1与S2分别为原始数列均值方差与残差均值方差。预测精度检验等级参照表如下（表2）：

表2 模型预测精度等级评定标准

三、计量结果与预测

（一）长沙市土地利用变化情况

本研究以长沙市相关年份的土地利用变更调查数据为基础，结合土地利用动态度，总结出2009—2019年间，长沙市土地利用类型数量变化与变化幅度情况。总体来说，全市土地利用面积逐步增加，由2009年的117.46×104hm2增加到2019年的118.10×104hm2（图1）。耕地、园地、林地、水域与未利用地面积均有不同程度的减少，只有建设用地面积增加（图2）。

图1 长沙市土地利用总面积变化折线图(单位：×104hm2)

图2 长沙市不同土地类型利用面积变化簇状图（单位：×104hm2）

研究期内，各土地利用类型的动态度差异显著，除建设用地以外均为负数，表明除建设用地面积增加，其它地类面积均有不同程度的减少（表3）。

（二）长沙市生态系统服务价值计量结果及分析

1.长沙市非建设用地生态系统单位面积服务价值

本研究采用上述研究方法，参考中国科学院土地资源分类系统与其他分类标准，并结合长沙市实际情况，得到修正后的长沙市生态系统单位面积生态服务价值当量（表4）。

依据谢高地等人修订的中国不同省份农田生态系统生物量因子表（定义全国农田生态系统中食物生产的生物量因子为1，湖南省农田生态系统的生物量因子为1.95），根据相关统计数据并结合公式（1），计算得到长沙市2009—2019年粮食平均单产量为6 395.55 kg/hm2，是同期湖南省平均产量的0.96 倍，将长沙市农田生态服务价值当量因子修正为1.95×0.96=1.869。粮食单价取2019年长沙市粮食平均收购价格3.04 元/kg，得出长沙市农田自然粮食生产功能的经济价值为2 777.494 元/hm2·a-1。基于修订后的长沙市单位面积生态系统服务当量并依据公式（2），计算出长沙市非建设用地生态系统单位面积服务价值（VC），具体如表5所示。

2.长沙市建设用地生态系统服务价值

（3）标准方面：我国关于信用相关的现行有效标准共282项，其中国家标准97项。以“质量信用”为关键字进行检索发现相关现行有效标准共18项，但国家标准仅有3项，分别为GB/T 31870—2015《企业质量信用报告编写指南》、GB/T 31863—2015《企业质量信用评价指标》和GB/T 23791—2009《企业质量信用等级划分通则》，行业标准1项，其余14项都为地方标准。质量信用标准体系尚不完善，当前还应加快质量信用基础标准、质量信用信息管理标准、质量信用产品标准、质量信用服务标准和质量信用管理标准的制修订。

本研究采用上述研究方法与公式（3）～（5），得到长沙市2009—2019年建设用地生态系统服务价值，具体如表6所示。

表3 长沙市土地利用类型动态度

表4 修正后长沙市生态系统单位面积生态服务价值当量

3.长沙市总生态系统服务价值

结合公式（6），得到2009—2019年长沙市总生态系统服务价值，并分别计算出各地类ESV变化表（表7）与ESV 结构变化表（表8）。2009—2019年间，长沙市总生态系统服务价值由1 936.556×108减少为1 527.587×108元，共减少了408.97×108元，变化率为-21.12%（图3）。

1）各地类生态系统服务价值变化。将土地利用类型按价值大小排序：林地＞水域＞耕地＞园地＞未利用土地＞建设用地。其中林地对生态系统服务总价值贡献最大，在总价值中占比均在75%以上。建设用地对生态系统服务价值的贡献为负值，变化率99.78%。建设用地总量的持续扩张伴随着耕地、林地、水域等其他土地面积的减少，其带来的负价值与其他土地利用类型服务价值的减少共同导致了总生态系统服务价值呈现下降趋势。

表5 长沙市非建设用地单位面积生态系统服务价值（VC）†

表6 长沙市2009—2019年建设用地生态系统服务价值

表7 2009—2019年长沙市各地类ESV 变化

表8 2009—2019年长沙市ESV 结构变化

续表8

图3 2009—2019年长沙市总生态系统服务价值ESV 变化 折线图（单位：×108元）

在2009—2014年，服务功能价值总变化率为-11.32%，其中耕地、园地、林地、水域、建设用地与未利用地变化率分别为-2.21%、-5.74%、-1.84%、-2.66%、52.52%、-4.85%。除了建设用地负价值快速增长外，其它地类产生的服务价值都在以不同速度逐年减少；在2014-2019年间，服务功能价值总变化率为-11.05%，其中耕地、园地、林地、水域、建设用地与未利用地变化率分别为-2.03%、-2.61%、-1.37%、-1.92%、30.98%、-2.04%。对比前一阶段，各土地类型服务价值变化速度均有所减缓（图4）。

图4 2009—2019年长沙市各地类ESV 变化簇状图（单位：×108元）

2）单项生态系统服务功能价值变化。根据表3～6 可知：2009—2019年长沙市各单项生态系统服务功能价值之间差异明显，且均呈现不同程度的下降趋势（图5）。

研究时间段内，水文调节、气候调节、维持生物多样性、保持土壤与气体调节服务功能贡献量均占据各时期内所有功能的10%以上，是长沙市最主要的生态系统服务功能。食物生产功能对服务价值贡献最小，这主要与耕地、园地面积的持续流失有关。

图5 2009—2019年长沙市各单项生态系统服务功能价值变化簇状图（单位：×108元）

在2009—2019年间，将各单项系统服务功能价值进行排序，从大到小依次为：水文调节＞气候调节＞维持生物多样性＞气体调节＞保持土壤＞废物处理＞原材料生产＞提供美学景观＞食物生产。

（三）生态系统服务价值灰色预测

本研究以2009—2019年间，长沙市土地利用数据与生态系统服务价值数据为基础，利用灰色GM（1,1）模型，采用MATLAB 数学软件编程与计算，预测长沙市2021—2029年的土地利用结构与生态系统服务价值（表9）。

1）土地利用结构灰色预测模型：

根据灰色GM（1,1）模型预测精度等级评定标准，结合表3-6，可知该土地类型灰色预测模型均方差比值C≤0.2193 ＜0.35，小误差概率p=1 ＞0.95，预测模型精度为一级（好），因此预测值具有较高可信度。根据预测模型，计算出相关预测值（表10）。

表9 不同类型土地灰色预测模型†

表10 长沙市2021—2029年土地利用结构变化预测值（×104hm2）

由预测结果可知，在2021—2029年间，长沙市土地利用结构将出现不同程度的变化。耕地、园地、林地、水域与未利用地面积持续减少，居民点及工矿用地、交通用地面积持续增加。

2）建设用地服务价值灰色预测模型：

由于建设用地服务价值没有采用当量因子法计算，因此其服务价值预测值无法通过面积预测值与单位价值系数来计算。于是通过灰色 GM（1,1）模型进行预测，其预测模型为如表11所示：

结合表3-8，可知该土地类型灰色预测模型均方差比值C=0.429 8 ＜0.5，小误差概率p=0.8 ≥0.8，预测模型精度为二级（合格），因此预测值具有一定可信度。

3）根据非建设用地土地类型面积预测值与建设用地服务价值预测模型，得出长沙市2021—2029年总生态系统服务价值预测值（表12）。

表11 建设用地服务价值灰色预测模型

表12 长沙市2018—2027年生态系统服务价值预测值

由预测结果可知，长沙市总生态系统服务价值持续下降，由2021年的1 429.907×108元减少为2029年的868.748×108元，共减少56×108元，降幅39.24%。与2009年比，降幅达到55.14%。

不同土地类型下，耕地、园地、林地、水域与未利用地服务价值分别有不同程度的减少，建设用地产生的负价值持续增加，变化幅度最大，最终导致总生态系统服务价值持续下降（图6）。

图6 长沙市2021—2029年土地利用结构与生态系统服务 价值变化预测

四、结论与讨论

（一）结论

通过相关研究得出：在2009—2019年间，长沙市城市建设进程快速，土地利用结构变化较大，生态系统服务总价值持续减少，并且预测未来2021—2029年，长沙市土地利用结构变化将持续加剧，生态系统服务总价值依然呈持续下降趋势。反映出长沙市在研究期内土地资源利用存在一定的问题：

一是土地资源供求矛盾日益尖锐。长沙市经济与社会飞速发展目标的实现需要大量的土地资源作为基础保障，因此在土地利用中无法实现用地平衡，非农建设占用、农用地内部结构调整与灾毁导致相关利用类型土地面积减少。

二是森林、水域等土地面积持续减少，单项生态系统服务价值变化显著。长沙市森林广阔，水网、水库湖泊密布且水量充沛，但在研究期内相关土地利用类型面积持续减少，其带来的生态系统服务价值也逐年递减。

三是建设用地增长将对长沙市总生态系统服务价值持续产生不利影响。预测结果表明，随着城市一体化建设继续推进，公共交通设施的建立与完善，未来长沙市建设用地类型比重将持续增大，其带来的负生态系统服务价值持续增加，对未来长沙市总生态系统服务价值将持续产生不利影响。

对此，针对上述问题提出几点建议：

1.加强对基础农用地的保护力度

在快速推进城市群建设，拉动社会经济发展的同时，要严格土地利用底线划定，死守生态“红线”，协调控制线与实际开发中产生的矛盾；应该努力促进建设用地与基础农用地实现占补平衡，将科学合理规划土地作为未来长沙市土地规划与利用工作的重点把控方向。

2.积极保护与建设城市中生态景观

城市生态景观为生态系统提供了大量的服务与价值，因此，应重视林地、水域等地类的治理与保护，避免单项服务功能作用持续减小，价值下降；积极建设像自然绿地系统，各级别的自然保护区与森林公园以及江河风光带、河流道路廊道等城市生态景观，尽力推进城市各类用地统筹协调，使得这些生态景观提供更多的服务功能与价值，从而对促进生态系统服务价值增长产生积极影响。

3.建立健全生态保护补偿机制

有关部门应积极设立相关生态补偿机制，奖励保护者，严惩破坏者，通过这些手段来激励企业、个人等自觉进行生态建设，践行生态行为；应明确补偿主体，鼓励政府、企业与社会多方共同参与生态保护有补偿行为；进一步丰富与探索补偿方式，努力探索生态补偿新方法、新模式，从而在促进经济社会发展的同时，保护生态系统健康发展，实现生态环境与城市发展互利共赢。

（二）讨论

土地利用变化与生态系统服务价值之间的关系及其复杂，本研究仅从土地利用面积变化、社会经济因素等方面分析了其与生态系统服务价值之间的关系，并没有更加深入的研究之间的作用机理与其它影响因素，今后的研究中应该综合考虑其他相关影响因子来使研究更加严谨。

当前生态系统服务价值系数的确定仍面临诸多困难与不确定因素，难以有统一的市场定价标准。现有定量评价方法依然存在不够精确、涵盖面狭窄等弊端，反映出关于生态系统服务功能价值定量化研究方法与技术仍需提高。

另外由于建设用地价格系数确定没有统一的计算标准与概念限定，需要的相关数据获取困难，涉及的学科知识范围广等问题，导致在其价格系数确定中出现不够全面与详细的问题。在今后的研究中，还应对建设用地价值系数计算进行更加科学深入的研究，保证研究的科学性与准确性。