3.1 三峡库区(重庆段)土地利用转型分析
3.1.1 三峡库区(重庆段)土地利用基本情况 三峡库区(重庆段)2005—2018年土地利用类型整体上来看:耕地为地类组成结构中的重要组成成分,多年占比达42%以上,但耕地最易受人类社会活动影响,数量及占比均呈历年下降趋势,面积减少近6.5万hm2; 林地占比40%左右,受人类活动以及政策因素的影响,占比及面积均先上升后小幅度下降,总体为上升趋势,面积增加约5万hm2; 草地总体为下降趋势,减少量约10万hm2; 水域面积及建设用地面积均为历年上升,建设用地增加幅度最大,超过200%,增加面积约9万hm2; 未利用地相对平稳; 4个时期不同土地利用类型面积具体见表1。
表1 2005-2018年三峡库区(重庆段)土地利用类型面积及占比
在空间分布上(图1),2005—2018年土地利用类型分布特征与地形特征较为一致,土地利用类型多受地形因素的影响,林地草地多分布在库区北部及东部边缘的山地地区; 建成区与耕地地势平坦,分布主要集中在西部低山丘陵及中部平行岭谷区。近15 a间建设用地、耕地以及林草地空间变化最为明显。建成区以各个区县城镇为中心,逐步向外围扩展,其中以主城区及周边区县扩展范围最大; 而建成区的扩展往往伴随着耕地的减少,耕地地势平坦,区位优势明显,也是建设用地的优选地形,因此耕地减少范围与建设用地增加空间大致符合,主要集中在主城区周围,另由于耕地撂荒、退耕还林还草等因素,在万州开州巫溪等地耕地转变为林地草地的面积也不在少数。
图1 2005-2018年三峡库区(重庆段)土地利用类型空间分布
3.1.2 三峡库区(重庆段)土地利用转型特征 充分考虑土地转型的双向性与空间性,计算得到研究区2005—2010年、2010—2015年、2015—2018年以及2005—2018年4个时段的年综合土地变化率(表2),发现建设用地与未利用地的土地变化率明显高于其余4种地类。其中2005—2010年年综合土地变化率最高达42.09%,建设用地综合土地变化率达22.36%,远高出其他5种地类; 未利用地面积较小,对整体土地利用格局影响不大; 2010—2018年建设用地综合土地变化率有所下降。空间分布上,2005—2018年,主城区范围及周边区县以及长江沿线区县综合土地利用变化率较高,表明城市扩展地区以及长江沿线地区地类间转型活跃,而研究区东北侧,即巫山巫溪以及奉节南侧等地综合土地利用变化率较小,山地地区地类间转型相对迟缓。
结合各时段土地利用转移矩阵(表3),发现在近15 a时间内耕地转出(减少)幅度最大,建设用地转入(新增)幅度最高。耕地处于逐年减少的状态,且其转移面积(指由耕地转为其他土地利用类型单向过程的面积)占三峡库区(重庆段)土地利用类型转移总面积的43.93%,草地次之达40.85%,森林转出幅度13.76%; 新增面积建设用地增长幅度最高为30.9%,森林与耕地次之。
表2 2005-2018年各时间段不同土地利用类型年综合土地变化率%
3.2 三峡库区(重庆段)生态系统服务价值分析
3.2.1 三峡库区(重庆段)生态系统服务价值数量动态变化 根据2005—2018年三峡库区(重庆段)22个区县平均粮食单位面积产量及2010年重庆市粮食平均收购价格计算得到研究区单位面积(hm2)生态系统服务价值当量经济价值为4 738.94元。参考谢高地等学者的中国生态系统单位面积生态服务价值当量因子表,建设用地服务价值为0,得到各土地利用类型单位面积生态系统服务价值系数(表4),并基于此计算得到2005年、2010年、2015年及2018年三峡库区(重庆段)生态系统服务价值分别为1 088.13亿元,1 106.09亿元,1 102.8亿元,1 101.25亿元(表5),呈先增后减的倒V型,减少幅度变缓; 从价值结构上来看,各年林地的生态系统服务价值均占总价值的65%以上,是生态系统服务价值的重要组成成分,对生态价值贡献具有绝对优势; 各年耕地生态价值占比都在20%左右,是生态系统服务价值第二主要成分,表明耕地系统不仅仅与粮食安全息息相关,对生态的重要性也不可忽视,其次是草地和水域。
表3 2005-2018年各时段三峡库区(重庆段)土地利用转移矩阵hm2
表4 三峡库区(重庆段)不同土地类型单位面积生态服务价值系数元/hm2
综合来看,2005—2018年ESV总量为提升,林地与水域生态价值的增加弥补了耕地及草地生态系统服务价值损失。林地、耕地以及水域的生态系统服务价值的变化很大程度上决定了整个研究区总生态系统服务价值的变化方向。2005—2010年ESV增加了17.96亿元,在此期间林地与水域的生态系统服务价值的提高是引起ESV增加的主要原因,抵消了耕地与草地所带来的价值损失。2010—2015年ESV减少了3.29亿元,各地类生态价值仅有未利用地生态价值有轻微提升,难以弥补耕地、林地、草地以及水域所带来的价值损失,尤其耕地价值减少占据该时段总生态系统服务价值变化的53.1%,其次是林地生态价值损失占总值变化的24.7%。2015—2018年ESV持续减少1.55亿元,减少幅度有所减缓,但单项生态价值减少趋势加大,其中耕地减少所带来的生态服务价值损失达3.16亿元,是该时段生态系统服务价值总变化量的2.1倍,林地生态价值减少量次之,为1.46亿元; 该时段水域的增加带来生态服务价值提升2.93亿元,一定程度上补偿了总生态系统价值的部分损失。
3.2.2 三峡库区(重庆段)生态系统服务价值空间动态变化 为消除研究区边缘网格不完整所带来的面积差异,选用生态系统服务价值强度来表征每个网格生态价值的高低。根据4个年份生态系统服务价值强度数值特征,参考GIS自然断点分级将价值强度分为:Ⅰ级低值区(<15 500元/hm2)、Ⅱ级较低值区(15 500~21 500元/hm2)、Ⅲ级中值区(21 500~27 400元/hm2)、Ⅳ级较高值区(27 400~33 300元/hm2)、Ⅴ级高值区(>33 300元/hm2)5个等级,从2005—2018年生态系统服务价值强度分级空间分布上来看(图2),以巫溪—涪陵为界,生态系统服务价值强度较高区域主要分布在界线以东,强度偏低的区域主要分布在界线以西。高值区主要分布在库区东部边缘地带的方斗山、大巴山、巫山等地,库区西南边缘江津的四面山也有少量分布,低值区主要位于库区西部主城九区范围以及西北边缘的万州、开州与中部地区的丰都、长寿等地,中值区主要分布在库区北部的云阳奉节等县。
为明晰2005—2018年生态系统服务价值强度空间变化特征,通过生态系统服务价值强度变化率来进一步分析。根据4个时间段生态系统服务价值强度变化特征,将其变化率分为:Ⅰ级显著降低区(<-30%),Ⅱ级降低区(-30%~0),Ⅲ级增长区(0~30%),Ⅳ级显著增长区(>30%)4个等级,从2005—2018年各时段生态系统服务价值强度变化率分级空间分布上来看(图3),各时段变化率均以-30%~30%区间即Ⅱ,Ⅲ级区范围为主,大量分布在研究区各个地区; Ⅰ级显著降低区主要集中在库区西部主城九区范围内,Ⅳ级显著增长区主要分布在东南丰都、武隆、石柱等地以及北部云阳、奉节等地。
图2 2005-2018年生态系统服务价值强度空间分布
图3 2005-2018年各时段生态系统服务价值强度变化率空间分布
2005—2010年内Ⅲ,Ⅳ级增长区域范围明显大于Ⅰ,Ⅱ级降低区域范围分布,也符合生态系统服务价值数量变化特征。该时段丰都、武隆、石柱等区县增长速度快,且北部云阳、奉节等地属于价值增长的主要区域,武隆等地开发打造本土自然资源,如仙女山、白马山、乌江、芙蓉江等,注重林地水域的保护与建设,带来生态价值的提升; 而Ⅰ,Ⅱ级降低区域主要分布的西部主城九区范围由于经济建设,生态地类转变为建设用地,使得生态价值的快速下降。总体上东部的生态价值增长抵消了西部经济发展的生态价值损失,并使2010年生态价值较2005年有了大幅提升。
2010—2015年时间段与2015—2018年时间段生态系统服务价值强度变化率空间分布特征大致相同,Ⅱ,Ⅲ级即小幅度变化区域分布广,Ⅰ,Ⅳ级显著变化区仅有零星分布,显著下降区均主要位于西部主城区范围,而显著上升区分布较少,位于开州与万州区。2010—2018年重庆处于经济建设快速发展的阶段,建设用地的快速增长同时也意味着生态用地的面积减少,尤其耕地与林地在这期间的连续下降,耕地普遍拥有更好的区位优势,更平坦的地势,同时也是建设所需要的优势条件,而林地的减少多是由于城市范围的扩张等,该两时间段减少区域明显多于增加区域,也符合生态系统服务价值在数量上的变化特征。总体来看,2005—2018年Ⅰ,Ⅱ级降低区域主要分布于巫溪—涪陵一线以西,以主城区为主,Ⅲ,Ⅳ级增长区域主要分布于巫溪—涪陵一线以东,变化特征与生态价值强度空间分布特征较为一致,意味着以巫溪—涪陵为界,东西两部分低高值分异更加明显。
3.3 三峡库区(重庆段)生态系统服务价值空间相关性分析
3.3.1 三峡库区(重庆段)生态系统服务价值空间自相关 2005—2018年三峡库区(重庆段)生态系统服务价值强度全局空间自相关指数Moran's I值分别为0.700 7,0.701 6,0.703 8,0.705 1(表6),均为正值,Z-score均达到214以上(>2.58),p-value均为0(<0.01),表明生态系统服务价值强度的空间分布具有显著的正向空间自相关关系,即具有明显的空间聚集效应。2005—2018年Moran's I指数以及Z值均呈现持续增长趋势,生态系统服务价值强度聚集趋势明显且在持续加强。
表6 2005-2018年生态系统服务价值强度全局空间自相关指数
全局空间自相关莫兰指数(Moran's I指数)能够反映数据在整体空间上的分布情况,为探测聚集效应的具体位置以及空间局部变异即特定单元的空间联系方式等,利用局部空间自相关分析来进行研究。从LISA分布图来看(图4),HH表示高—高聚集,HL表示高—低聚集,LH表示低—高聚集,LL表示低—低聚集,Not significant表示没有显著聚集效应。从2005—2018年4个时间上来看三峡库区(重庆段)局部空间自相关分布格局大致相同,空间分布稳定。HH区域主要在研究区东北边缘地带、东南边缘地区以及西南方江津区边缘有连片分布,表示该区域及其周围的ESV强度都较高,且呈显著空间正相关,该区域大多为山地地区具有优良的森林资源; LL区域主要分布在主城区及其周围区县范围与研究区西北部开州区、万州区以及云阳县等地,表示该区域及其相邻区域ESV强度均较低,且表现出显著的空间正相关效应,该区域人口分布较为密集,建设用地面积比例高; HL区域表示区域高值被低值包围,LH区域则反之,表示低值区域被高值环绕,空间上呈显著的负相关,具有空间异质性,这两类区域在研究区内数量极少且分布零星,主要位于丰都县中部以及万州区中部。
图4 2005-2018年生态系统服务价值强度局部自相关空间分布
3.3.2 三峡库区(重庆段)土地利用程度与生态系统服务价值双变量空间自相关 为进一步探索三峡库区(重庆段)土地利用情况与生态系统服务价值强度之间的空间关系,计算每个格网内土地利用程度指数值,采用双变量空间自相关进行分析,得到2005年、2010年、2015年、2018年Moran's I指数分别为-0.463,-0.496,-0.502,-0.508。4期Moran's I指数均为负值,且绝对值逐年增长,表明土地利用程度指数与生态系统服务价值强度间存在显著的负效应,且逐年加强,即生态系统服务价值强度随着土地利用程度的增加而下降。从LISA分布图上看(图5),HH区域与LL区域在研究区范围内数量少且分布零星,HL区域在研究区巫溪—涪陵一线西侧呈较大的连片分布,主要位于主城区及周围区县以及开州、万州、丰都以西等地区。LH区域主要位于研究区东侧边缘地带以及江津武隆北侧等地。从双变量LISA显著性水平来看(图6),主城区中梁山脉与铜锣山脉之间、江津北侧、武隆北侧、开州区中部、万州区西北侧以及巫溪巫山东侧等地土地利用强度与ESV呈HL或LH极显著相关(p<0.01),其周边地区表现为显著相关(p<0.05)。
图6 2005-2018年双变量LISA显著性水平空间分布