港口区域生态系统服务价值评估及驱动因子分析

刁 震，王文渊，彭 云，郭子坚

（大连理工大学 建设工程学部，辽宁 大连 116024）

引 言

生态系统服务功能是人类赖以生存的自然环境条件与功能[1]，生态系统服务价值评估有利于人类福祉并实现经济可持续发展[2]。定量研究港口区域生态系统服务价值变化与土地利用转换的关联机制，分析港口区域生态环境与港口发展的关系，有助于港口区域土地的科学规划利用，对促进港口区域生态建设、实现港口可持续发展具有重要意义。

1997年，Robert Costanza等[3]13位科学家对全球生态系统进行了分类与全面评估，引发了国内外众多学者的相关研究，生态系统服务价值是其中的重点之一。欧阳志云等[4]分析了中国生态系统的服务功能，并估算了全国生态系统的间接经济价值；谢高地等[5]基于 Costanza等[3]的研究成果，得到了中国陆地生态系统的单位面积生态系统服务价值表；王浩然[6]结合港口的特征，探讨了港口生态系统的定义及其服务功能，将港口生态系统视为城市生态系统的子系统，研究了港口生态系统服务价值的计算方法。

生态系统服务价值评估的研究重点为某一区域的土地利用变化以及相对应的生态系统服务价值的评估[7-9]，分析生态系统服务价值变化对土地利用变化的响应[10-14]，探寻生态系统服务价值发生变化的驱动因素[15-16]，研究区域主要为海洋、森林、湖泊、流域等自然生态系统或者某一行政区域包括城市在内的复合生态系统[17-21]。很少有研究是针对港口生态系统开展的，而对港口生态系统服务价值变化及其与港口发展相关性的研究则更少。本文通过对港口区域的生态系统服务价值进行评估，定量分析港口区域土地利用变化引起的生态系统服务价值的改变，量化港口区域生态环境的保护状况，为港口区域的生态环境保护评估提供较为直观的参考指标。

1 研究区域概况

研究区域为大连港某港区的临港区域。该港区位于大连市东北部，发展迅速，土地利用类型变化剧烈。从 1999年至今已建成数十个专业化集装箱泊位，集装箱吞吐量逐年增长，从1999年的74万TEU增长到2013年的991万TEU[22]，是我国东北地区最主要的外贸集装箱运输港。研究区域陆侧以城镇建设区域为边界线，海侧以海岸线为边界线。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据采集与处理

选取从1999年到2013年每年的Landsat TM/ETM/OLI_TRIS遥感影像，以2013年的研究区域边界线对遥感影像进行裁剪，然后以此为基础对历史遥感影像进行裁剪。在完成影像的土地利用类型分类之后，通过随机取样的方法利用Kappa系数对分类结果进行精度评价。精度评价结果显示每年土地利用类型分类的Kappa系数都在0.9左右，说明土地分类精度较高。

2.2 研究方法

1）土地利用类型划分

考虑港口生态系统的特征[6]，将港口区域划分为林地、草地、水域以及建设用地四种土地利用类型，其中前三种为生态用地。

2）生态系统服务价值计算

基于中国陆地生态系统服务价值当量表[5]进行生态系统服务价值计算。假设建设用地的生态系统服务价值为 0。采用王浩然[6]提出的修正模型，从时间、空间和社会经济发展水平等方面对该生态系统服务价值当量表进行修正。采用Costanza等[3]提出的公式计算港口生态系统服务价值：

式中：ESV为生态系统服务价值，元；Ak为土地利用类型k的土地面积，hm2；VCk为土地利用类型k生态系统服务价值系数，元/hm2。

3）生态系统服务价值变差贡献率

生态系统服务价值变差贡献率这一指标可以衡量某种土地利用类型的生态系统服务价值变化在总的生态系统服务价值变化中所占的比重，进而了解某种土地利用类型变化对生态系统服务价值变化的影响程度，由式（2）计算：

式中：ESVc为生态系统服务价值变差贡献率；ESVib和ESVia分别为第i种土地利用类型的末期和初期生态系统服务价值，元；ESVb和ESVa分别为末期和初期生态系统服务总价值，元。

若ESVc＜0，则说明该种土地利用类型的生态系统服务价值变化趋势与总的生态系统服务价值变化趋势相反；若ESVc＞0，则说明该种土地利用类型的生态系统服务价值变化趋势与总的生态系统服务价值变化趋势相同。

4）相关性分析

采取Pearson相关系数来衡量生态系统服务价值和港口的集装箱吞吐量以及泊位个数之间的相关关系。

3 结果分析

3.1 土地利用类型动态变化分析

各年份土地利用类型变化如图1所示，以1999年、2004年、2009年和2013年为例，土地利用类型的分类结果如图2所示。

图1 各种土地利用类型的面积变化情况

图2 部分年份的土地利用分类

从1999年到2013年，该区域的建设用地得到了显著的增加，与之相对应的林地、草地和水域的面积却逐渐减少。在该时间段内，与1999年相比，建设用地增加了大约360 %，草地减少了60 %左右，林地减少了52.5 %，水域面积减少了48.5 %。

随着社会经济的不断发展，港口的建设用地不断扩大，一方面通过填海造陆不断向海域发展，另一方面通过占用林地和草地来实现港口区域的陆侧扩张。草地相比林地，其面积变化率更大，主要原因是草地的开发难度较小，林地大多分布在该区域的山丘上，开发难度较大，且由于当地对山林的保护政策，山丘区域的林地得到了较好的保护。

3.2 生态系统服务价值变化

表1 港口生态系统单位面积生态系统服务价值

根据《大连统计年鉴—2014》[23]计算出单位面积农田生态系统的食物生产服务功能价值，从而得到港口生态系统单位面积服务价值，如表1。

根据表1中的单位面积生态系统服务价值，结合土地类型分类的结果，利用公式（1）计算该区域的生态系统服务价值，得到各单项生态服务的价值的变化情况如表 2，港口生态系统总服务价值变化情况如图3所示。

表2 各单项生态服务价值变化情况

图3 研究区域生态系统服务价值变化情况

从表2中可以看出，在1999年到2013年这段研究期间内各项生态服务价值均在减少，其中变化量最大的前三项分别为：水源涵养、废物处理和气候调节，这与它们自身的生态服务系数较大有着密切关系。各单项生态服务价值的变化率差别不大，均在50 %左右。

从图3中可以看出，从1999年到2013年，该港口区域的生态系统服务总价值逐年减少，林地、草地、水域等生态用地的服务价值总体变化趋势也为逐渐减少，其中，草地的服务价值改变率最大，接下来依次是水域和林地。与研究期起始相比，研究末期的总生态系统服务价值减少了52.11 %。

3.3 生态系统服务价值变差贡献率

从表3中可以看出，对于生态用地，变差贡献率均为正值，与总生态系统服务价值的变化趋势均在减少，说明它们对生态系统服务价值的变化贡献均为负，即这些土地利用类型的服务价值的减少导致了生态系统服务价值的减少。水域的贡献率最大，为48.02 %，林地次之，为16.99 %，这与它们的生态服务价值系数较大有着密不可分的联系，草地的面积变化虽然最大，但是由于草地的生态服务价值较小，因此其贡献率最小。

表3 港口生态系统总服务价值变化情况

3.4 相关性分析

在得到该港区每年的总生态系统服务价值之后，进一步分析其与该港口区域的泊位建设个数、集装箱吞吐量两个指标的相关性。生态系统服务价值随港口发展的变化情况的相关性分析的结果如表4所示。

表4 生态系统服务价值与港口发展指标的相关性

从相关性分析可以看出，生态系统服务价值与港口的泊位个数和集装箱吞吐量之间存在着显著的负相关性，说明随着港口区域不断扩张，土地利用类型的变化趋势为从生态用地向建设用地发展，区域的生态系统服务总价值不断减少。

图4 生态系统服务价值与泊位数量的相关趋势

从图4中可以看出，随着泊位数量的增加，港口区域的生态系统服务价值在不断地减少，说明港口泊位数量的增加对生态系统服务价值有着明显的负面影响港口的扩张在一定程度上降低了生态环境的质量。

图5 生态系统服务价值与集装箱吞吐量的相关趋势

从图5中可以看出，该港口区域的生态系统服务价值随集装箱吞吐量的增加有着不断减少的趋势。分析这两个变量的变化趋势可以进一步发现，随着港口的不断发展，港口处理货物数量的增加，港口需要更多的堆场，更长的码头前沿线等。与此同时，货物处理量的增加也带动着周边临港区域的不断发展，吸引大量物流业、制造业聚集于此，改变临港区域的生态系统服务价值。随着集装箱吞吐量的增加，生态系统服务价值虽然在不断减少，但是其变化趋势却越来越缓，随着港口处理货物效率的提升，集装箱吞吐量增加引起的生态系统服务价值的减少量也会越来越小。

4 结 语

本文选取的样本时间跨度较大，且包含每年的遥感影像，较好地还原了 15年间研究区域生态用地的变化情况，并在此基础上定量评估了该区域生态系统服务价值的变化情况及驱动因素。主要得出以下结论：

1）在研究期间，该区域的建设用地显著增加，与之相对应的林地、草地和水域的面积却逐渐减少。建设用地呈现出沿海岸线以及垂直海岸线的扩张趋势；

2）从1999年到2013年，研究区域的各项生态服务价值均减少50 %左右，变化量最大的前三项分别为：水源涵养、废物处理和气候调节；

3）对于林地、草地、水域等各种生态用地，变差贡献率均为正值，与总生态系统服务价值的变化趋势是一致的，其生态服务价值均在减少，说明它们对生态系统服务价值的变化贡献均为负，即这些土地利用类型的服务价值的减少导致了生态系统服务价值的减少；

4）随着港口泊位数量和集装箱吞吐量的增加，港口区域的土地利用结构发生改变，生态系统服务价值不断减少。研究区域生态系统服务价值与港口的泊位数量、集装箱吞吐量有着显著的负相关性。