佛山市顺德区地处珠三角腹地(22°40'—23°02'N,113°01'—113°23'E),与珠三角经济圈关系密切,属亚热带海洋性季风气候,日照时间长,雨量充沛,常年温暖湿润,是典型的珠江三角洲鱼米之乡。全区下辖4个街道6个镇,总面积806 km²。地处西江入海口的冲积平原,境内河流纵横交错,地貌上以基塘和平原为主; 水域面积达103 km²,占12.8%。从2005—2015年,顺德区的城镇化率从69.38%上升到98.94%,城镇化进程的推进给顺德区生态系统带来一定的挑战。

本研究所使用的数据来源于顺德区1990年、2005年、2015年(LUCC)土地利用栅格数据,空间分辨率为30 m,土地利用类型包括水田、旱地、河流、水库坑塘、林地、湿地、城镇用地、农村居民点和其他建设用地; 社会经济数据来源于《顺德区统计年鉴》、《顺德区社会经济发展统计公报》(1990年、2005年、2015年),《2015年中国水资源公报》。

针对“三生”用地的分类体系的研究,我国学者以“三生”用地的内在理念为基础,做出了很多研究。陈婧等^[13]较早以用地功能分类,提出了用地的生态、生活、生产功能,但其分类体系缺乏对用地复合功能的考虑; 刘继来等^[14]提出的中国“三生空间”分类评价,将中国用地空间分为生产空间、生活空间和生态空间3大类,每个大类下面又包含3个强弱级别的小类,但区域尺度太大,且对于快速判断某一区域“三生”分类的条件较为严苛; 张红旗等^[15]探讨的中国“三生用地”分类体系将中国用地变化类型分为4大类,充分考虑用地复合功能,是目前较为完善的分类体系。本研究遵循实用性和继承性的原则,根据已有研究成果和用地功能的属性确定“三生”用地类型^[16-18],主要参考张红旗等的土地利用分类理念,结合顺德区的土地利用类型特征,充分考虑用地的复合功能,构建出适宜顺德区的“三生”用地分类体系(表1)。

表1 顺德区“三生”用地分类体系

用地变化一直是地理科学研究的热点内容,探索用地功能变化是人为活动和自然关联最密切的问题^[19],其变化过程能够引起区域内生态、资源和经济环境等的变化^[20]。运用土地利用动态度方法研究用地类型的动态变化过程,具备高效准确的特点。因此,本研究基于土地利用转移矩阵分析顺德区“三生”用地功能变化特征,在此基础上,使用用地类型动态度方法分析“三生”用地的变化速率。

(1)单一“三生”用地类型变化动态度。单一“三生”用地类型变化动态度能够定量描述区域内某用地类型变化的速率^[21],公式如下:

式中:K为研究区内某一“三生”用地类型变化动态度; U_a,U_b为研究初期和研究末期某一“三生”用地类型面积; T为研究年限。

(2)综合“三生”用地类型变化动态度。综合“三生”用地类型动态度可以表示研究区域内所有用地类型变化速率^[21],公式如下:

式中:K_i是研究区内所有“三生”用地类型变化动态度; U_ai,U_bi分别是研究初期和研究末期某一“三生”用地类型面积; n为用地类型数量; T为研究年限。

(1)单位面积生态系统服务功能价值。生态系统服务价值是指人类能从生态系统中获取的价值量^[22]。Costanza等^[23]于1997年发表了用于全球自然资产评估的方法,针对16个不同生态系统和17项不同生态因子的核算研究,但该方法不能适应某一特定区域。谢高地等^[24-26]将其研究引入国内后,结合我国的区域特点,通过对国内700位生态学者进行的问卷调查结果不断进行适宜性的改进,并逐步完善了中国生态系统服务价值当量因子表^[26]。因此,本研究结合谢高地等研究成果和顺德区实际情况,对部分当量因子进行修正,建立了适宜顺德区“三生”用地生态系统服务价值的当量因子表(表2)。

表2 顺德区生态系统服务价值当量因子

根据谢高地等人的研究,1个生态服务价值当量因子的经济价值量等于当年全国平均粮食单产市场价值的1/7^[25],结合1990—2015年《顺德区统计年鉴》提供的粮食播种总面积与粮食总产值,计算得到1990—2015年平均单位面积粮食产出的经济价值,即市场价值的1/7,为1 878.1元/hm²,故单位生态系统服务价值当量因子的价值是1 878.1元/hm²。故结合(表2)和单位当量因子的价值计算得到各项生态系统服务价值系数表(表3)。

(2)某一区域生态服务价值方法。根据顺德区生态系统服务价值系数表,计算得到研究区各生态系统的服务价值、各用地类型的生态服务价值以及生态服务总价值^[27],公式如下:

ESV=∑_j(VC_j×A_j)(3)

式中:VC_j是第j类用地单位面积的生态服务价值(元/hm²); A_j为第j类土地的面积(hm²)。

(1)顺德区“三生”用地变化特征。以1990年、2005年、2015年3期用地数据为基础,分析顺德区“三生”用地时间变化的特点,其结果表明:随着城镇化水平逐渐提高,社会经济快速发展,生活生产用地增长十分显著,25 a间面积增长了24 154.74 hm²,增长率达到275%; 生态生产用地前15 a处于下降状态,后10 a又增长,整体下降趋势较为平缓,下降率仅0.80%,25 a间减少了312.66 hm²; 生产生态用地减少了24 050.61 hm²,下降率达到90.98%; 生态用地在25 a间增长趋势较为平缓,增长率仅为3.23%(图1)。

表3 顺德区生态系统服务价值系数元/(hm2·a)

图1 1990-2015年顺德区“三生”用地结构变化

(2)顺德区“三生”用地功能动态变化。为探究顺德区“三生”用地动态变化的内在原因,结合式(1)和式(2)求出顺德区不同时期“三生”用地动态度(表4),并根据ArcGIS 10.2的空间分析功能可以看到研究区1990—2005年生活生产用地增长速度最快,动态度达到12.45%,其包含的3种用地类型的增长速度都很大,其中农村居民点的动态度最大,达到13.25%; 其次是动态度达11.75%的城镇用地; 最后是动态度达8.74%的其他建设用地。生活生产用地的增长主要依托原有斑块向其周边一定范围进行扩张,用地的增长主要分布在东部的大良和容桂街道、南部的均安和杏坛镇及西北部的龙江和乐从镇。15 a间生产生态用地减少速度最快,动态度达到-3.68%; 其中水田的动态度达到-4.06%,其次是旱地,动态度达到-2.48%。生产生态用地的减少主要集中在顺德区东部的北滘镇、伦教街道、大良街道和容桂街道,其减少原因主要是生活生产用地侵占。生态生产用地和生态用地的动态度都较低,变化速度较为平缓。研究区15 a的综合动态度达到1.36%,用地变化的速率较快。

2005—2015年10 a间,生活生产用地的增长速度最快,动态度达到3.07%,其中的其他建设用地动态度达到40.53%,其次是动态度达20.53%的城镇用地。生活生产用地在原有用地面积的基础上,向周围发散式增长,其中较为明显的是位于东南部的容桂街道和南部的容桂及大良街道,全区其他镇域也有一定范围的增长; 生产生态用地的动态度达到-7.98%,减少速度最快,其中水田的动态度达-9.92%,其次是旱地,动态度达-5.20%,生产用地减少主要集中在顺德区以东,生活生产用地扩张占用了生产生态用地; 生态生产用地的变化速度相对较缓慢。研究区10 a间的综合动态度达到2.78%,用地变化的速率相比于前期速率加快。

由表4可知,25 a间生活生产用地的增长速率最快,其动态度达到10.99%,其中城镇用地和其他建设用地增长速率都十分明显,动态度分别达到29.74%和42.70%,农村居民点的减少速率较为平缓,达到-1.28%,生产生态用地的减少速率最快,动态度达-3.64%,主要是其中的水田和旱地在减少。25 a间生活生产用地的增长主要集中对生产生态用地的侵占,以及生态生产用地侵占,故生态生产用地25 a间的变化速率十分平缓,处于一种相对稳定的状态。研究区25 a间的综合动态度达到1.31%,综合前期和后期,说明用地变化的速率处于逐年加快状态。

表4 顺德区不同时期“三生”用地类型动态度%

综上,作为典型的快速城镇化地区,25 a间顺德区的土地利用动态变化具有以下突出的特点:(1)生活生产用地增长为主线,并导致生产生态功能的降低;(2)顺应城镇化发展的进程,生活生产用地的增长与城镇化率的增长相近,从2005年之后的,生活生产用地快速增长,并且实现城镇用地和其他建设用地侵占农村居民点的内部转换方式,表明城镇的发展正在带动农村快速转型;(3)顺德区东部的北滘镇、伦教街道、大良街道和容桂街道的“三生”用地中生活生产用地增长最大,呈现了以顺德区东部为带头作用,引进高新产业以实现“智造顺德”和“创新顺德”等目标的现阶段发展成果。

结合顺德区生态系统服务价值系数表(表3)和区域生态服务价值计算公式(式3)得出1990—2015年顺德区生态系统服务价值变化(表5),结果表明:顺德区生态生产空间对生态系统服务价值总额贡献最大,生活生产用地则相反,且生产生态用地的减少最多,其中水田的变化值最大。顺德区1995年、2005年、2015年ESV分别为106.521 1亿元、101.702 0亿元和104.707 3亿元,生态生产用地对ESV的贡献最大,3个年份的ESV占比均超过82%。从ESV的增减角度来看,顺德区的ESV从1990—2005年处于下降趋势。下降了4.819 1亿元,下降率达到4.52%; 在2005年之后,顺德区的ESV处于增长状态,从2005—2015年增长了3.005 3亿元,增长率达到2.96%。25 a间顺德区ESV整体呈现下降趋势,变化率为-1.70%,下降总额为1.813 8亿元。在“三生”用地的角度看,25 a间生活生产用地通过面积扩张,提升了生态系统服务价值,但因其生态系统服务价值系数较小,故提升总额不大,仅为0.032 5亿元; 生态用地的ESV也有提升,总额相比1990年增长额了0.534 2亿元; 生产生态用地的ESV下降总量最大,下降了1.865 9亿元,主要原因是生活生产用地的发展占用,导致其面积减少; 其次是生态生产用地的下降幅度,达到了-0.06%,总额相比1990年减少了0.178 6亿元。从用地类型的角度来看,1990—2015年,水田的ESV总量下降最大,达到了0.996 8亿元,其次是旱地,下降了0.698 9亿元; 其他建设用地因其面积扩张十分明显,相比于1990年扩张了1 167.45%,故ESV的变化率达到了1 067.45%; 其次是城镇用地,变化率达到了743.38%,主要来源于对生产生态用地的侵占。

在ArcGIS 10.2软件的技术支持下,将顺德区1990年、2005年和2015年的生态系统服务价值导入软件,并且依据自然断裂分级法,将研究区的生态系统服务价值划分为极低等级、较低等级、中等级、较高等级和极高等级5个等级(图2)。25 a间顺德区生态系统服务价值极低等级从东南部向全区扩散,极高等级从西部的聚集式面状分布变成点状分散式分布。1990—2015年,顺德区生态系统服务价值极低等级的区域起初主要分布在容桂街道北部和大良街道北部,这两个区域是原始的城镇建成区和工业园区,随着城镇化的快速发展和大多数工业园区的落地建设,极低等级区域开始向顺德区全区分散,主要分布在陈村镇、伦教街道、北滘镇、龙江镇和乐从镇; 较低等级区域起初主要分布在顺德区东部,符合顺德区的发展现状,研究区的发展主要从东部的容桂街道,大良街道,伦教街道,北滘镇和陈村镇先发展起来; 中等级区域主要集中在顺德区东北部和东部的陈村镇、北滘镇和伦教街道,这里拥有大量的林地和耕地覆盖,随着城镇化建设,分布面积减少,并以散点式分布于顺德区的每个镇; 较高等级区域主要集中在河流附近,随着河流在顺德区呈线状分布,并且25 a间的变化不明显; 极高等级的区域在研究期初主要分布于顺德区的西部,并呈现面状密集分布,主要是水库坑塘提供的较高的生态系统服务价值,但随着城镇建设和工业园区的不断引进建设,极高等级的区域也处于减少的发展状态,减少部分主要集中在与东部经济发展较快相接的勒流街道和顺德区西北部区域,顺德区西南部的杏坛镇和均安镇在“顺德西南水乡”的规划发展下极高等级的区域保存较为完好。

表5 1990-2015年顺德区生态系统服务价值变化

图2 顺德区生态系统服务价值时空变化

为了探究顺德区“三生”用地生态系统服务价值变化的内部原因,结合生态系统服务价值系数和ArcGIS 10.2软件空间分析功能,计算影响顺德区生态系统服务价值变化的主要原因,以及各“三生”用地类型的贡献比重(表6)。结果表明:25 a间顺德区生态系统服务价值内部存在相互抵消的作用,主要来自生活生产用地对生态生产用地占用,以及生态生产用地对生产生态用地的占用,因此保持生态生产用地中水库坑塘和河流的面积稳定对维持顺德区的生态系统服务价值具有至关重要的作用。ESV差值分别为-26.938 2亿元和25.521 0亿元,两者的贡献率分别达到了1 485.17%和-1 407.04%。生活生产用地对生态生产用地的侵占对于顺德区生态系统服务价值的下降起到了促进作用,其中城镇用地、农村居民点和其他建设用地对水库坑塘的侵占很严重,贡献率分别达到了738.62%,183.18%和556.79%; 而生态生产用地对生产生态用地的侵占作用,对顺德区生态系统服务价值的下降起到了反作用,使得生态价值能够保持住相对稳定,不至于下降过快。其中,水库坑塘对水田的侵占作用很强,还侵占了小部分的园地和旱地。

其次是生活生产用地的发展对生产生态用地的占用,ESV差值为-1.188 9亿元,贡献率达到了65.55%,其中城镇用地和其他建设用地对水田的侵占最为明显,贡献率分别为34.58%和19.91%; 生态生产用地对生活生产用地的侵占作用也较为明显,生态系统服务差值达到了1.154 9亿元,贡献率达到了-63.67%; 生产生态用地对生态生产用地的占用对ESV下降的贡献率也达到了57.48。按照用地类型来看,水库坑塘和河流对顺德区生态系统服务价值的提升作用较大。

表6 1990-2015年顺德区生态服务价值变化的主要“三生”用地变化类型及贡献率

综上所述,顺德区的生活生产用地的大力发展是生态系统服务价值降低的主要原因,若要提高生态系统服务价值,必须维持生态生产用地的环境质量。因此,在快速城镇化推进和社会经济大力发展的顺德区,做好水库坑塘、河流等生态生产用地的保护,对该区域实现绿色可持续发展,维持生态服务价值稳定具有重大意义。