文章以轨道号为125038,125039,126038,126039,126040,127038,127039,127040,128039,128040的三峡库区1986年、1995年、2000年、2007年、2010年和2018年的Landsat TM/Landsat 8 OLI遥感影像作为原始数据源(从影像的获取质量选取年份)。对于所获取的所有遥感图像均以ALBERS投影进行投影,使用中央经线为东经110°,分别使用北纬25°和47°作为双标准纬线,其中获取的三峡库区TM影像数据的1—5及7波段的空间分辨率为30 m,第6波段的空间分辨率为120 m。文中所涉及到的地理空间矢量行政区数据的来源为《地理国情监测云平台》(http:∥www.dsac.cn/),其他相关数据源自研究区历年统计公报,如重庆市统计年鉴数据和湖北省统计年鉴数据和各年全国农产品成本收益资料汇编数据。

由于遥感传感器自身就具有一定的误差,再加上辐射受大气的影响,所以对获取到存在几何畸变和辐射畸变等问题的遥感数据进行了一定的遥感技术处理,如对遥感影像进行判读前,需要使用Erdas 9.1对遥感影像进行适当的校正(辐射和几何)以及镶嵌处理,并对影像进行增强处理,使影像更为清晰,解译标志更为明显^[17-18]。而后对遥感影像进行解译,得到需要的土地利用现状数据。本研究将计算机图像处理和目视解译的方法结合起来对1986年、1995年、2000年、2007年、2010年、2018年的TM遥感影像图进行解译,从而获得对应年份的土地利用现状数据。

在RS和GIS的技术支撑下,对1986年、1995年、2000年、2007年、2010年和2018年三峡库区土地利用现状数据进行分类统计,进而得到各年对应各类土地利用类型面积和比例,结果见表3; 运用ArcGIS 10.1软件的制图功能,得到了三峡库区1986年、1995年、2000年、2007年、2010年和2018年6期的土地利用类型空间分异图(图2)。

表3 1986-2018年三峡库区各土地利用类型面积及占比

图2 1986-2018年三峡库区土地利用类型空间分异

通过表3和图2我们可以看出三峡库区1986—2018年土地利用的情况,总体来看,三峡库区土地利用的主要类型是林地和耕地,耕地在库区的中上游段分布居多。库区的下游段和重庆都市区的4条平行山脉(缙云山、中梁山、铜锣山和明月山)以林地为主要的土地利用方式; 草地零星地分布在三峡库区的部分区域; 建设用地规模随着时间地变化不断变大。在研究年限内,水域、建设用地和未利用地面积都呈现增多的状态; 草地、耕地和林地呈现减少的状态,三峡库区用地类型以林地与耕地为主。在近30 a的时间里,建设用地是三峡库区所有土地利用类型中变化幅度最大的,其面积由234.59 km²增长到了1 861.99 km²,增加了2.84%,并呈现不断增加的趋势; 其次是草地,面积由2 306.04 km²减少到1 396.06 km²,减少了1.59%; 第三是耕地,面积由22 141.89 km²减少到21 340.44 km²,减少了1.4%,并呈现逐年减少的趋势; 水域面积从764.86 km²增加到了1 513.67 km²,这是由于三峡大坝工程的建设和使用,导致库区水面面积不断增加; 林地面积由31 879.08 km²减少到31 206.16 km²; 未利用地占三峡库区总面积的比例本身比较小,变化不明显,但在总量上有一定的增幅,其具体变化过程分为4个阶段:先增加后减少,再次增加,再次减少。鉴于此,三峡库区的国土管理部门需要有针对性的制定相关耕地和林地的保护政策并切实推行,以保障库区的粮食和生态安全。

引入单一土地利用动态度及综合土地利用动态度对三峡库区土地利用变化速率进行分析,在利用1986年、1995年、2000年、2007年、2010年和2018年三峡库区土地利用现状分类数据的基础上,采用土地利用动态度的计算公式获得各土地利用类型的单一土地利用动态度及综合土地利用动态度,见表4。

从表4可以看出,三峡库区近30 a来建设用地的土地利用变化速度最快,在1995—2000年时段变化率最明显,增长率达到了38.596%; 耕地在2010—2018年时段变化最明显,减少率为0.259%; 林地、水域、草地和未利用地在1995—2000年时段变化最明显,林地减少率、水域增加率、草地减少率和未利用地增加率分别为0.157%,7.445%,7.674%,18.05%。

表4 三峡库区1986-2018年各类土地利用动态度

研究区土地利用综合动态度最大的是1995—2000年时段,综合动态度为0.421,由此可知,在整个研究期内,三峡库区土地利用的变化速度最快的时期在1995—2000年时段,变化率为0.421%; 在这一时段水域、建设用地和未利用地都以较快的速度增长,而耕地、林地以及草地都以不同程度的变化速度减少,这是由于1997年重庆直辖,加快了三峡库区的发展。三峡库区在2010—2018年时段土地利用变化速度相对较快,变化率为0.175%,由此可见,建设用地和水域的增长速度加快,而其余类型的地类都以不同程度的速度减少。三峡库区在2007—2010年时段和在1986—1995年时段土地利用变化率分别为0.099%,0.077%,水域、建设用地和未利用地都以不同程度的变化速度增长,耕地、林地以及草地都以不同程度的变化速度减少; 三峡库区在2000—2007年时段的土地变化率为0.052%,水域和建设用地都以不同程度的变化速度增长,耕地、林地、草地以及未利用地都以不同程度的变化速度减少。

综上分析,水域和建设用地的土地利用变化率在5个时段均为正值,表明研究区近30 a来水域和建设用地的面积不断增加; 耕地、林地和草地的土地利用变化率在5个时段均为负值,表明其耕地、林地和草地的面积不断减少; 而未利用地的面积变化在这近30 a的5个时段中呈先增加后减少再增加又减少的趋势。在1995—2000年时段三峡库区土地利用变化率达到峰值,说明在该时段三峡库区城乡规划建设力度较大。

通过对研究区土地利用程度的计算和分析,能够进一步认识土地利用变化的发展程度^[11],分析发现研究区土地利用是否处于发展状态。利用1986年、1995年、2000年、2007年、2010年和2018年三峡库区土地利用现状数据和土地利用程度的核算公式,本文得到了研究区各土地利用类型的土地利用程度和三峡库区近30 a的土地利用程度综合指数以及三峡库区近30 a来土地利用程度变化量,见表5。

表5 三峡库区1986-2018年各类土地利用程度综合指数

三峡库区在1986—2018年里耕地的土地利用程度是最高的,未利用地的土地利用程度是最低的; 水域和建设用地的土地利用程度在1986—2018年近30 a里呈现逐年上升的趋势,而耕地、林地和草地的土地利用程度在1986—2018年近30 a里呈现逐年下降的趋势。从总体来看,未利用地的土地利用程度在1986—2018年期间呈现上升的趋势,但其实际变化不明显,这是由于未利用地面积本身基数较小造成的。

研究区在1986—1995年的土地利用程度变化量为0.003 1,1995—2000年的土地利用程度变化量为0.027 7,2000—2007年的土地利用程度变化量为0.001,2007—2010年的土地利用程度变化量为0.001 8,2010—2018年的土地利用程度变化量为0.009 1,由于该5个时段的土地利用程度变化量都大于0,因而在这5个时段研究区都处于发展期。由于研究区1995—2000年的土地利用程度变化量是最大的,在一定程度上可以说是发展速度最快,这是由于1997年重庆直辖加速了三峡库区的发展。

在GIS技术的支持下,结合三峡库区生态系统单位面积生态服务价值表,得到了1986—2018年三峡库区生态系统服务价值核算结果以及结构变化情况表(表6)。通过对表6分析可知,研究区1986—2018年生态系统服务价值总量由1 639.56亿元持续增长到1 662.01亿元,增长率1.37%; 单位面积生态系统服务价值由28 596.02元/hm²增长到28 987.57元/hm²。研究区各土地利用类型的生态系统服务价值占比大小依次为:林地>耕地>水域>草地>未利用地>建设用地; 研究期内耕地、林地和草地的生态系统服务价值持续减少,变化率分别为-3.62%,-2.11%,-39.45%; 水域和未利用地生态系统服务价值持续增加,变化率为97.91%,0.01%; 耕地生态系统服务价值减速逐渐降低; 林地、草地和水域生态服务价值呈现先增后减趋势; 未利用地生态服务价值逐年增加。

表6 1986-2018年三峡库区各地类生态系统服务价值结构及变化

本文通过计算评价单元格单位面积生态系统服务价值,引入中心点赋值法,运用GIS软件进行生态系统服务价值空间插值,结合几何间隔分类,采用GIS自然间断点法,并充分考虑研究区的真实状况,将研究区生态系统服务价值评价单元的价值划分为低[0,2000)、较低[2000,4000)、中[4000,6000)、较高[6000,8000)、高[8000,∞)共5个价值等级,并得到研究区6期单位面积生态系统服务价值空间格局分布图(图3)。

图3 1986-2018年三峡库区生态系统服务价值空间格局演变

从图3可以看出,三峡库区单位面积生态系统服务价值主要以较高和高两个等级为主,其面积平均占比为53%,32.53%; 高和中等级面积比例呈现减少趋势; 低、较低和较高生态服务价值面积占比呈现增加趋势,所有等级的面积变化速率为先增后减; 东北部、东南部山地以及长江沿岸区域单位面积生态系统服务价值较高,主要为高级和较高等级分布区域,江津区、长寿区以及忠县是中等级生态系统价值的主要分布区,重庆主城区和渝西地区是较低和低级生态系统服务的集中区域。

从表7空间自相关分析结果显示,研究区1986-2018年的6个时期的生态系统服务价值全局Moran's I值全部大于0,且p值全部低于0.001,说明三峡库区生态系统服务价值的空间分布呈现出一定的正向自相关性,同时在空间上呈现出显著的聚集性,其中高值区聚集明显,中低值区分区域相邻布局; 研究区1986-2018年6个时期的全局Moran's I指数总体上呈现上升的趋势,在1986年的值最低,为0.012 8,表明生态系统服务价值的空间自相关性持续增强,由于库区的建设与区域发展等因素促使三峡库区生态系统服务价值的空间聚集性持续加强。

表7 1986-2018年三峡库区ESV空间自相关性

为了定量验证并进一步分析土地利用与生态系统服务价值的相关关系,本文计算出了研究区1986年、1995年、2000年、2007年、2010年以及2018年6个时期的土地利用程度综合指数分别为2.394 2,2.397 3,2.425 1,2.426 1,2.427 8,2.436 9,再核算研究区土地利用程度综合指数与生态系统服务价值的相关系数,同时在Origin 2017软件中生成二者关系的散点图,并进行线性拟合,结果见图4。

图4 三峡库区土地利用程度与生态系统服务价值相关关系

研究区土地利用程度综合指数与生态系统服务价值的相关系数为0.815 7,表示二者关系为强相关,且拟合曲线显示研究区生态系统服务价值随土地利用程度的增加呈上升趋势(图4),说明二者存在显著的正相关关系。

土地利用程度的加深表明人类对土地的劳动及资本投入增加,同时表明人类对生态系统干扰也越多。研究区土地利用程度的增加主要是由于库区社会经济的快速发展,催生了对大量建设用地的需求,而建设用地的主要来源是耕地和林地,使得这两种地类有所减少,但由于“天保工程”,“退耕还林”等生态保护政策的有效实施,又使得林地和耕地在大量转化为建设用地的同时有一定的补偿来源。另一方面,由于库区的三次蓄水,使得库区水平面有所上升,水域面积增加较为显著。在生态系统服务价值的构成中,林地和耕地的价值始终低于水域的价值,林地和耕地的减少导致生态系统服务价值的降低要低于水域增加的价值,最终使得研究区生态系统服务价值增加。

(1)本文研究方法存在一定的局限性。生态系统服务价值的评估存在许多主观因素,同一区域在不同的评价方法、研究视角以及参数选择等方面都会存在差异,从而影响评估结果,但生态系统服务价值的变化趋势不会有较大差异,不会对研究结果的比较产生影响。如王大菊等^[29]采用替代花费法、影子工程法、碳税法、市场价值法和水量平衡法对三峡库区的生态系统服务价值进行量化评估的结果为2 027.59亿元(2015年); 齐静等^[30]采用影响生态系统质量状况的生态参数修订当量因子并建立生态系统服务价值(ESV)估算模型对三峡库区2000—2015年ESV进行了核算,其结果为和3 781.16亿元。本文采用修订后的单位面积价值当量因子法评估了三峡库区1986—2018年近30 a的生态服务价值,得到的结果为2 106.6～2 185.7亿元,与王大菊等^[29]的评估结果相接近,但与齐静等^[30]相差较大。因此,参数修订当量因子法也存在一定的不足,相同研究区域修正方法和参数的不同都会使评价结果产生差异,而且局部的差异也难以用统一的参数来衡量。因此,迫切需要有精准性更好地评估模型来提高生态系统服务价值量化评估的准确性。

(2)土地利用变化对生态系统服务价值影响。三峡库区作为我国重要的水源和生态涵养区,其30 a来土地利用发生剧烈变化。林地是研究区最主要的生态系统类型,占50%以上,林地面积逐年降低,在研究期始末降至54.74%; 建设用地面积增加迅猛,由1986年的234.59 km²增至2018年的1 861.99 km²,增长率高达693.76%。土地利用主要表现为耕地、林地转为建设用地和水域的变化特征,这也使得生态系统服务价值的协同改变。

(3)通过对土地利用程度与生态系统服务价值的时空耦合关系分析可知,土地利用程度的增加在短期内会带来显著的经济效益,由于本文研究年限跨越三峡库区的蓄水,才使得生态系统服务总价值未呈现减少,但长此以往,土地利用程度的无限增加会使得生态系统服务价值减少,同时造成的生态经济损失将难以估量。鉴于此,在对土地进行投资和使用时,慎重决定投资方式及建设力度,协调好各种土地利用类型的比例,构建完善的土地利用类型结构,尤其是研究区的渝西区域和湖北4县地区。

(4)生态系统服务价值的变化研究是区域可持续发展相关研究的热点内容之一,本文以三峡库区为研究对象,对其30 a来土地利用格局时空变化特征和生态系统服务价值进行了评估和分析,研究可为三峡库区国土开发政策制定和核算生态系统服务价值提供参考。但由于生态系统服务价值研究还处于发展阶段,相关理论体系和研究方法有待进一步完善和提升,如何更准确地评估区域生态系统服务价值以及分析其与土地利用之间的内在联系和变化机理将有待于进一步探讨。

(1)林地和耕地是研究区最主要的土地利用类型,土地利用类型变化速度最快的是建设用地,最慢的是林地; 建设用地、未利用地和水域呈现增加的状态,草地、耕地和林地正好相反,呈现减少的状态,建设用地、未利用地和水域以及草地、耕地和林地的变化程度和变化过程又存在着明显的差异。因此,继续保持耕地和林地作为研究区主要地类的优势地位依然重要。

(2)三峡库区土地变化速率均为正值的是水域以及建设用地,建设用地和水域用地面积持续增加; 草地、耕地和林地正好相反,它们的变化速率为负值,耕地、林地和草地用地面积持续减少,这需要引起相关部门的重视,及时制定有效政策缓解生态用地的减少。

(3)1986—2018年,研究区单位面积生态系统服务价值主要以较高和高两个等级为主,空间分异特征比较明显,其中库区的东北部、东南部山地以及长江沿岸区域单位面积生态系统服务价值较高,重庆主城区和渝西地区是较低和低级生态系统服务的集中区域。因此,需要国土空间规划和生态环境保护等部门加强城镇建成区和扩展新区生态服务功能的补偿与维护。

(4)1986—2018年,研究区生态系统服务价值的总量有所增加,生态安全状况总体上有一定的改善,但局部地区还需特别加强保护,从土地利用角度制定科学合理的生态和环境保护政策。

(5)1986—2018年,研究区6个时期的生态系统服务价值的全局Moran's I值全部大于0,体现出明显的空间正向自相关性,其中高值区聚集明显,中低值区分区域相邻布局; 同时在时间上体现出差异性,主要是由于研究区特殊的地貌条件使得其优势地类的主要地位未发生变化。