咸阳市土地利用及生态系统服务价值时空变化.pdf

区域经济与资源环境可持续发展研究咸阳市土地利用及生态系统服务价值时空变化许晓婷，郭晓彤，郭玲霞，白 萌（咸阳师范学院 地理与环境学院，陕西 咸阳 712000）摘要：为掌握咸阳市土地利用变化特征及生态系统服务价值变化规律，采用土地利用转移矩阵分析咸阳市土地利用变化，并对其生态系统服务价值进行评估分析，结果显示：（1）土地利用占比由大到小依次为：耕地水域林地建设用地未利用地；（2）人类活动对土地利用的影响程度在逐渐加深，林地和建设用地的利用程度均呈上升趋势；（3）咸阳市的土地利用变化主要是耕地向建设用地转移以及耕地与林地的互相转移；（4）20032021 年咸阳市生态系统服务价值增加3.230 1 亿元，整体呈先增长后减少的趋势；（5）除供给服务价值呈持续减少趋势外，调节服务价值、支持服务价值和文化服务价值均呈先增加后减少趋势。研究结果可为优化土地利用结构和布局，协调土地管理与生态环境关系提供依据。关键词：土地利用变化；时空格局；生态系统服务价值；咸阳市中图分类号：F301.2文献标识码：A文章编号：1672-2914（2024）02-0042-06Spatiotemporal Patterns of Land Use Change andEcosystem Service Value in Xianyang CityXU Xiaoting,GUO Xiaotong，Guo Lingxia,BAI Meng(School of Geography and Environment,Xianyang Normal University,Xianyang 712000,Shaanxi,China)Abstract：To grasp the spatiotemporal distribution characteristics of land use change and ecosys-tem service value in Xianyang City,and to reveal the changes in ecosystem service value,land usetransfer matrix was used to analyze the land use change and evaluation of ecosystem service value wasused to evaluate the ecosystem service value.The results show that:The proportion of land use in de-scending order is cultivated landwater areaforest landconstruction landunused land;The impactof human activities on land use is gradually deepening,and the utilization of forestland and construc-tion land is on the rise;The land use change in Xianyang City mainly involves the transfer of arableland to construction land and the mutual transfer of arable land and forestland;From 2003 to 2021,the value of ecosystem services in Xianyang City will increase by 323.1 million yuan,showing a trendof first increasing and then decreasing;In addition to the continuous decreasing trend of supply ser-vice value,the value of regulating service,supporting service,and cultural service all show a trend offirst increasing and then decreasing.The results can provide a basis for optimizing land use structureand layout,coordinating the relationship between land migration and ecological environment.Key words：land use change;grain production capacity;H-P filtering method;C-D productionfunction;regression model收稿日期：2023-12-10基金项目：陕西（高校）哲学社会科学重点研究基地项目（20JZ098）；陕西省高等教育改革研究项目（23BY146）；咸阳师范学院教改项目（2023YB17，2023YB18）。作者简介：许晓婷（1983），女，咸阳师范学院地理与环境学院讲师，博士，研究方向为土地利用、整治与规划。E-mail：。2024年3月咸阳师范学院学报Mar.2024第39卷 第2期Journal of Xianyang Normal UniversityVol.39 No.2土地利用变化是人类与自然相互作用状况的重要表征，是全球环境变化和可持续发展研究的重要组成部分1-2。国外对土地利用变化的研究主要涉及驱动机制、效应与作用机制、模型模拟与土地可持续利用研究等3。国内对土地利用变化的研究起步相对较晚，早期主要涉及土地调查、土地利用分类、土地开发和管理等4-5；近年来，主要研究涉及土地利用变化及其驱动力分析、生态环境效应与土地利用变化的影响分析、土地利用变化预测等方面6-7。协调土地利用与生态环境之间的关系逐渐成为研究热点之一。近20年来，咸阳市经济整体发展迅速，但存在区域经济发展不平衡的问题，不同区域土地资源利用程度存在明显差异。本文对2003年、2009年、2015年、2021年咸阳市13个县、市、区的遥感影像数据进行分析，试图分析咸阳市土地利用和生态系统服务价值的时空变化，为咸阳市经济资源可持续发展提供参考。1 研究区概况及数据来源1.1 研究区概况咸阳市位于关中平原的中部，包含秦都、渭城、兴平、武功、乾县、礼泉、泾阳、杨陵、三原、永寿、彬州、长武、旬邑和淳化等14个县（区、市），地处暖温带，气候温和，年平均温度9.013.2；降雨充沛,年平均降水量537650 mm，植被多样；矿产资源丰富，有煤、石灰岩、陶土、石油等，主要集中在北部地区，其中煤层覆盖面积4 306 km2，在陕西排名第二。咸阳市交通便捷，坐拥西北最大的航空港，西安地铁1号线直通咸阳主城区，各县都有高速通过。1.2 数据来源本文基于咸阳市2003、2009、2015、2021年遥感数据，对咸阳市20032021年的土地利用变化及其生态系统服务价值进行研究。遥感影像数据分别来源于地理空间数据云平台的咸阳市地表覆盖数据land-sat4-5影像和landsat8影像。运用ENVI软件对遥感影像进行预处理，再在ArcGIS软件的支持下，对EN-VI预处理后的四期的遥感影像进行监督分类，并对结果进行矢量转换、相交等处理，最终得到各地类面积及转移面积。2 研究方法2.1 土地利用转移矩阵土地利用转移矩阵来源于系统分析中对系统状态与状态转移的定量描述8，见式（1）。Sji=S11S12 S1nS21S22 S2nSn1Sn2 Snn（1）式中S为面积；n为土地利用类型数量；i、j分别为研究初期与末期的土地利用类型。2.2 生态系统服务价值系数本文以谢高地等人9改进的我国单位面积生态系统服务价值当量为基础，以孙善良10建立的陕西省单位面积生态系统服务价值当量和生态系统服务价值系数为依据，由于建设用地在原料生产、水资源供给、气体调节、气候调节、水文调节、维持养分循环等方面没有生态服务价值，故将这些因子的生态系统服务价值当量和生态系统服务价值系数修订为0，修订后咸阳市生态系统服务价值系数见表1。2.3 生态系统服务价值生态系统服务价值在揭示生态系统结构与功能完整性的同时，也可在一定程度上促进生态补偿制度的完善11。用价值量评估生态系统服务价值，使生态系统给予人类的福利可以得到较为贴切的表达，有利于树立和增强人类的生态环保意识12。结合咸阳市单位面积生态系统服务价值当量与土地利用类型面积，计算得到咸阳市生态系统服务价值，计算公式为：ESV=k=1n(AkVk)（2）式中ESV为生态系统服务价值，Ak是土地利用类型k的面积，Vk是第k种土地利用类型生态系统服务价值类别供给服务调节服务支持服务文化服务二级地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总计耕地877.44412.9120.65691.63371.62103.23278.721 063.25123.87134.2061.944 139.46林地258.07598.72309.681 971.655 894.321 723.913 860.732 394.89185.812 188.43960.0220 346.23水域825.82237.428557.6794.862 363.925 729.15105 540.31960.0272.262 632.311951.01129 664.68建设用地10.3200002 539.41020.650350.9810.322931.68未利用地10.3230.9720.65113.55103.23320.01216.78134.2010.32123.8751.611 135.51表1 咸阳市生态系统服务价值系数单位：元/hm2第2期许晓婷，等：咸阳市土地利用及生态系统服务价值时空变化43系数。3 结果与分析3.1 土地利用变化3.1.1 土地利用规模、结构和空间分布变化从土地利用规模来看（表2），20032021 年耕地面积呈下降趋势，由 7 524.62 km2减少到 6 940.04km2，共减少584.58 km2，原因主要是由于国家退耕还林政策的实施，以及建设开发占用耕地所致；20032021年间建设用地面积呈增长趋势，由345.57 km2上升到778.91 km2，共增加了433.34 km2；20032021年间林地面积先大幅增加然后又持续小幅减少，整体上还是有所增加，共增加了138.38 km2。水域面积也在逐年增多，由23.74 km2增加到35.79 km2，共增加了12.06 km2；未利用地面积变化不大，整体略有增加，4年间增加了0.80 km2，可能是由于耕地撂荒导致。由以上分析可知，随着社会经济的发展，建设用地在不断增加，而耕地面积却在大幅减少。从土地利用结构来看（表2），耕地在咸阳市土地利用中占主导地位，其次是林地，再次是建设用地。2003年耕地、建设用地、林地、水域和未利用地占土地利用总面积比重分别为71.76%、3.30%、24.71%、0.22%和0.01%，而2021年以上五种土地利用占比分别为66.19%、7.43%、26.03%、0.34%和0.01%。由土地利用结构变化来看，耕地占比在持续大幅减少，4年间减少了 5.57%；建设用地占比在持续增加，4年间增加了5.57%；林地占比先增加后减少，整体呈增加状态，共增加了1.32%；水域占比略有增加，4年仅增加了0.12%；未利用地占比基本无变化。从土地利用空间分布来看（图1），土地利用空间差异明显。耕地主要分布在咸阳市南部的杨陵区、礼泉县、泾阳县、三原县、武功县、兴平市和乾县；林地大量分布于咸阳市东北部的旬邑县，其次是彬州和永寿县；建设用地主要分布在咸阳市南部的渭城区和秦都区，这两个区域是咸阳市主城区，社会经济水平较高，建设用地面积大，占比高；未利用地主要分布在旬邑县、彬州、永寿县北部；水域主要为河流，包括咸阳湖、泾河、渭河等。3.1.2 土地利用转移变化为分析土地利用类型内部之间的面积转化情况，利用ArcGIS 10.2对土地利用矢量数据做相交处理，获得土地利用转移矩阵及土地利用类型间的空间变化，结果见表3-表5和图2。由表3可知，20032009年土地利用转移量较大的是耕地和林地，其次是建设用地，其中，由于退耕还林导致耕地大幅向林地转移，转移量为362.94 km2；由于农业结构调整，132.03 km2林地转移向耕地；由于建设占用耕地，导致96.97 km2转移向建设用地。由于耕地的转出量大于转入量，耕地总面积减少。由此可见，该时期的土地利用变化主要表现为随着退耕还林政策的进一步实施和社会经济水平的提高，耕地减少，林地和建设用地面积增加。由表4可知，20092015年土地利用变化最大的是耕地向建设用地的转移，共 206.76 km2，比20032009 年耕地向建设用地的转移量多 109.79km2，表明随着社会经济水平的不断提高，建设占用耕地数量越来越多。20092015年土地利用变化较大的是耕地和林地的互相转移，其中，耕地向林地转移了185.20 km2，林地向耕地转移了196.05 km2，二者基本相等，由此可见，20092015年耕地的减少主要是由于建设占用。由表5可知，20152021 年土地利用变化较大的是耕地、建设用地和林地，其中，受城镇化和社会经济年份2003200920152021耕地面积/km27 524.627 192.406 995.106 940.04占比/%71.7668.5966.7166.19林地面积/km22 591.672 817.852 800.592 730.05占比/%24.7126.8726.7126.03水域面积/km223.7428.2131.3435.79占比/%0.220.270.290.34建设用地面积/km2345.57447.10658.46778.91占比/%3.304.266.287.43未利用地面积/km20.080.130.190.89占比/%0.010.010.010.01表220032021年咸阳市土地结构与规模土地类型耕地建设用地林地水域未利用地2009年耕地7 056.820.10132.033.440.007 192.40建设用地96.97343.024.432.660.00447.10林地362.940.002 454.620.240.022 817.84水域7.882.430.5017.380.0028.20未利用地0.00100.000.050.142003年7 524.62345.572 591.6723.740.0810 485.69表320032009年土地利用转移单位：km244咸阳师范学院学报第39卷第2期许晓婷，等：咸阳市土地利用及生态系统服务价值时空变化45（a）2003年（b）2009年（c）2015年（d）2021年图1咸阳市土地利用分布土地类型耕地建设用地林地水域未利用地2015年耕地6 795.870.04196.043.1206 995.10建设用地206.76443.495.882.320.01658.46林地185.200.002 615.130.180.082 800.59水域4.503.560.7022.58031.34未利用地0.060.000.100.010.0410.1942009年7 192.40447.102 817.8528.210.1310 485.69表4 20092015年土地利用转移单位：km2土地类型耕地建设用地林地水域未利用地2021年耕地6 711.250.02226.752.0306 940.04建设用地112.06655.2810.431.140.01778.91林地167.190.012 562.660.180.032 730.05水域4.543.160.1927.90035.79未利用地0.060.000.570.100.160.892015年6 995.10658.462 800.5931.340.1910 485.69表5 20152021年土地利用转移单位：km2的影响，建设占用耕地现象依然较为突出，耕地向建设用地转移了112.06 km2；由于耕地用途管制和土地整治工作的进一步开展，林地向耕地的转移量大于耕地向林地的转移量，大了59.55 km2。由图2可知，20032009年，耕地向林地的转化在空间上较为明显，主要分布在永寿县、淳化县和彬州市；林地转化为耕地主要分布在旬邑县和长武县。20092015 年，耕地向建设用地的转移主要分布于咸阳市南部的秦都区、渭城区、泾阳县、杨陵区和北部的彬州市；耕地向林地的转移主要分布于旬邑县、彬州市和永寿县；林地向耕地的转移主要分布于礼泉县。20152021年，土地利用转移在空间上的变化主要表现为耕地向建设用地转移以及与林地之间的相互转化，其中，耕地向建设用地转移主要发生在秦都区、渭城区和泾阳县，耕地向林地转移主要发生在淳化县和彬州市，林地向耕地转移主要发生在泾阳县、乾县和礼泉县。总体来说，20032021年，咸阳市的渭城区、秦都区、三原县、永寿县、彬州市土地利用转移变化相对较大，其他县区土地利用转移变化相对较小，其中渭城区、秦都区、三原县主要表现为耕向建设用地的转移。3.2 生态系统服务价值时空格局分析3.2.1 生态系统服务价值分析通过公式（2）计算咸阳市生态系统服务价值，结果见表6。由表6可知，咸阳市2021年生态系统服务价值共为91.20亿元，其中供给服务价值12.63亿元，占比13.85%；调节服务价值52.82亿元，占比57.93%；支持服务价值22.61亿元，占比24.79%；文化服务价值3.128 7亿元，占比3.43%。从生态系统服务价值变化（表 7）来看，20032021年咸阳市生态系统服务价值增加3.23亿元，整体呈先增长后减少的趋势，20032009年生态系统服务价值增加了4.10亿元，增加幅度较大，其中调节服务功能增加幅度最大；20092015年又略有减少，减少了0.141亿元，其中，调节服务功能减少最多；20152021年继续减少，减少了0.73亿元，其中，支图2 20032021年土地利用转移图类别供给服务调节服务支持服务文化服务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养分循环生物多样性美学景观总计2003年7.294.661.1610.3318.136.2614.6114.241.426.873.0087.972009年7.074.661.2610.5519.356.9015.8614.431.427.363.2192.072015年6.894.571.2810.3819.187.4016.0714.191.397.383.1991.932021年6.834.511.3010.2118.767.6116.2513.971.377.273.1391.20表6咸阳市单项服务功能价值单位：亿元46咸阳师范学院学报第39卷第2期许晓婷，等：咸阳市土地利用及生态系统服务价值时空变化47持服务减少最多。从单项生态服务价值变化来看，20032021年间，供给服务价值呈减少趋势，其中，20092015年减少最多，为0.246亿元；调节服务价值与总价值变化趋势一致，也呈先大幅增加后缓慢减少趋势，20032009年大幅增加，20092015年、20152021年两个区间都在减少，但整个研究期间增加了3.49亿元；支持服务价值也呈先增加后减少趋势，20032009年增加了0.69亿元，但20092021年却持续减少了0.60亿元，导致整个研究区间支持服务功能变化不大；文化服务价值也呈先增加后减少趋势，整个区间增加了0.12亿元。3.2.2 土地利用转移对生态系统服务价值的影响区域生态系统服务价值通常具有上升和下降两种变化趋势，在某种程度上，这两种相反的变化会在一定区域内相互抵消，从而使区域内的生态系统服务价值总量保持相对稳定13。耕地转向林地是价值上升的主要因素，耕地向建设用地转移是价值下降的主要因素。根据上文分析可知，20032009年，咸阳市生态系统服务价值呈上升趋势，主要原因则是这一时期退耕还林力度较大，地向林地转移规模较大。20092015 年和 20152021 年生态系统服务价值有所下降，主要是由于随着社会经济水平提高，建设占用耕地数量较多，调节服务价值和支持服务价值减少较多引起的。另外，林地向耕地的转移、林地向未利用地的转移也导致生态系统服务价值有所降低。由此可见，土地利用转移对生态服务价值的影响是非常直接和重要的，在不同的社会经济发展以及自然资源背景以下，土地利用变化的特点不同，因此，对生态环境产生的影响也不相同。4 结论本次研究基于20032021年咸阳市土地利用数据，利用地理信息系统技术，分析咸阳市ESV的数量和空间变化特征，主要结论有：土地利用占比由大到小依次排序为：耕地水域林地建设用地未利用地；人类活动对土地利用的影响程度在逐渐加深，林地和建设用地的利用程度均呈上升趋势；咸阳市的土地利用变化主要是耕地向建设用地转移以及耕地与林地的互相转移；20032021年咸阳市生态系统服务价值增加3.230 1亿元，整体呈先增长后减少的趋势；除供给服务价值呈持续减少趋势外，调节服务价值、支持服务价值和文化服务价值均呈先增加后减少趋势；咸阳市生态服务价值变化趋势与土地利用转移变化趋势一致。参考文献：1MICHAEL P P，PIETER D F，LANDER B，et al.Global en-vironmental change effects on ecosystems：the importance ofland-use legaciesJ.Global Change Biology，2016，22（4）：1361-1371.2GUENERALP B，SETO K C，RAMACHANDRAN M.Evi-dence of urban land teleconnections and impacts on hinter-landsJ.Current Opinion in Environmental Sustainability，2013，5（5）：445-451.3ROTMANS J，ASSELT M V.Integrated assessment：a grow-ing child on its way to maturityJ.Climatic 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