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湿地科学 >

2025 , Vol. 23 >Issue 3: 435 - 446

DOI: https://doi.org/10.13248/j.cnki.wetlandsci.20240068

湿地与生态安全

1991—2020年长沙市湿地面积与生态系统服务价值的变化及其驱动力

  • 李旭 , 1, 2 ,
  • 邹业爱 1, 2 ,
  • 李峰 , 1, 2, * ,
  • 谢永宏 1, 2 ,
  • 曾静 1, 2 ,
  • 侯志勇 1, 2
展开
李峰，研究员。E-mail:

李旭（1985—），男，湖南省湘阴人，高级工程师，从事湿地生态学研究。E-mail:

收稿日期: 2024-03-12

  修回日期: 2024-04-30

  网络出版日期: 2026-03-12

版权

版权所有©《湿地科学》编辑部2025
李旭, 邹业爱, 李峰, 等. 1991—2020年长沙市湿地面积与生态系统服务价值的变化及其驱动力[J]. 湿地科学, 2025, 23(3): 435-446 [Li X, Zou Y A, Li F, et al. Changes of wetland area, ecosystem service value and their driving forces in Changsha City from 1991 to 2020. Wetland Science, 2025, 23(3): 435-446
收起

Changes of wetland area, ecosystem service value and their driving forces in Changsha City from 1991 to 2020

  • Li Xu , 1, 2 ,
  • Zou Yeai 1, 2 ,
  • Li Feng , 1, 2, * ,
  • Xie Yonghong 1, 2 ,
  • Zeng Jing 1, 2 ,
  • Hou Zhiyong 1, 2
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Received date: 2024-03-12

  Revised date: 2024-04-30

  Online published: 2026-03-12

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Copyright ©2025 Wetland Science. All rights reserved.
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摘要

湿地面积变化是人与自然共同作用的结果，深刻影响着湿地生态系统的服务功能和可持续发展。利用1991—2020年7期Landsat卫星遥感影像和野外实测数据，并结合长沙市统计年鉴等数据，探究了长沙市近30年来湿地面积的变化，量化评估了长沙市湿地生态系统服务价值，从社会经济因素(总人口数量、GDP、城市化水平、耕地面积)和自然因素(年平均气温、年降雨量)两方面分析了湿地面积变化的原因。研究结果表明，1991—2020年长沙市湿地总面积和湿地生态系统服务价值整体呈不断下降趋势，湿地面积由1991年的5.1×104 hm2下降到2020年的4.2×104 hm2，主要由坑塘面积的减少所致；湿地生态系统服务价值由20.2×108元下降到16.5×108元，其中湿地调节服务价值最高，供给服务价值最低；从不同湿地类型来看，坑塘湿地生态系统服务价值最大，其次为河流，最低为湖库；回归分析表明，湿地总面积与总人口数量、GDP、耕地面积均呈显著负线性关系(p<0.05)，长沙市湿地总面积的下降与社会经济因素密切相关。

本文引用格式

李旭 , 邹业爱 , 李峰 , 谢永宏 , 曾静 , 侯志勇 . 1991—2020年长沙市湿地面积与生态系统服务价值的变化及其驱动力[J]. 湿地科学, 2025 , 23(3) : 435 -446 . DOI: 10.13248/j.cnki.wetlandsci.20240068

Abstract

Wetland transformations emerge from complex human-natural interactions, exerting a profound influence on wetland ecosystem service values and regional sustainability. This investigation employed multi-temporal Landsat imagery (7 epochs) and field datasets from 1991 to 2020, supplemented with socioeconomic records from the Changsha City Statistical Yearbook, to analyze wetland area changes and quantify ecosystem service values (ESVs). The study systematically examined drivers of area changes through integrated analysis of socioeconomic indicators (population growth, GDP expansion, urbanization rate, agricultural land use) and environmental parameters (mean annual temperature, precipitation patterns). Key findings revealed persistent declines in both wetland extent and associated ESVs over three decades. Total wetland area decreased by 17.6% (51 000 to 42 000 hm2), predominantly through pond wetland conversion. Concurrently, ESVs declined by 18.3% (2.02 to 1.65 billion Yuan), with regulatory services constituting the largest contribution and provisioning services the smallest. Among wetland types, pond wetland demonstrated the highest service value, followed by riverine wetland, with lake-reservoir wetland exhibiting the lowest valuation. Regression analysis identified significant negative correlations (p<0.05) between total wetland area and key socioeconomic drivers (population density, GDP growth, and agricultural expansion). These relationships highlight the dominant role of anthropogenic pressures over natural climatic factors in wetland transformations, particularly the conversion of peri-urban wetland ecosystems to meet demands for urban expansion and agricultural development.

湿地作为“山水林田湖草沙生命共同体”的重要组成部分，对于维护中国生态、粮食和水资源安全具有重大意义。然而，随着城市化进程的加快、人口的快速增长和社会经济的高速发展，人类对湿地资源的过度开发以及对水资源的不合理利用，导致城市中自然湿地生态系统遭受大规模破坏，出现了湿地面积缩减、水体富营养化和生态结构破碎化等环境问题[1]。湿地生态系统的破坏将会严重影响“山水林田湖草沙系统”的稳定性和持续性，同时也会对区域经济社会的绿色高质量发展产生不利影响。
利用长时间序列的遥感影像数据，进行湿地景观分类与景观格局演化研究，对于准确掌握城市发展与湿地生态系统健康之间的关系具有重要意义[2-4]。湿地景观格局是功能复合、层次多元的生态网络载体，对于发挥湿地生态服务功能、维持生态系统平衡和保护生态环境具有重要作用[5-6]。湿地景观格局变化主要表现为土地利用的变化，如位置、种类、面积、形状等的变化，导致湿地内部景观格局的改变，从而影响生态系统的结构和生态系统服务功能[4,7]。因此，如何从区域土地利用的变化出发，开展生态系统服务功能的定量化评估，并探究其时空演变特征和权衡协调关系，是当前生态环境建设的研究热点之一[8-10]。然而，当前研究多为研究区域某时间段内两两时期的静态比较，缺少连续长时间序列的综合分析，难以揭示综合驱动力影响下土地利用变化的时空动态交互，同时也缺乏系统全面地对城市化背景下各种驱动力对湿地生态系统服务功能受损实际贡献程度的研究[11-12]。
长沙市位于湖南省东部偏北，湘江贯穿全境，地形与地貌类型多样，地表河流众多、水系发达，湿地资源丰富且类型多样。长沙市依托“一带一部”定位、实施“三高四新”和“强省会”战略、建设长株潭都市圈和湖南自贸试验区，为长沙加快发展带来了一系列重大利好。2020年，长沙经济总量达12 142亿元人民币，人口数量为1 006.1万人，经济实力已经进入中国城市第一梯队[13]。长沙市作为新一线城市与国家重要交通枢纽城市，在城市建设进程中，土地资源开发利用与湿地生态系统保护的矛盾越来越严峻。例如，2017年湖南省普降大到暴雨，湘江水位长沙站达到39.49 m，长沙市区内发生了严重的内涝。使城市遭受如此重灾的重要原因之一是城市路面硬化，建设用地侵占生态用地，使得城市水体调蓄作用减弱，湿地与水域排水泄洪能力降低[14]。因此，揭示湿地面积及生态服务功能的变化有助于推动湿地保护与合理开发利用，能够从景观格局优化角度为生态系统服务的提升提供新的方法途径。
本文利用1991—2020年长沙市多源遥感影像数据和野外实测数据，通过湿地土地利用变化的定量分析、生态系统服务价值的量化评估及回归分析等，研究1991—2020年长沙市不同类型湿地面积及生态系统服务价值的变化特征，并探讨湿地资源变化的原因，以期为保护湿地资源、调控人类活动强度、调节湿地资源的利用方式、实现长沙市湿地资源的可持续利用提供数据支撑，同时对于筑牢城市生态安全屏障和长江中游经济带绿色发展具有重要的促进和示范意义。

1 材料与方法

1.1 研究区域

研究区域为长沙市行政区域(27°51′N~28°41′N，111°53′E~114°15′E)，包括6区、1县及2个代管县级市，总面积约11 816.0 km2[13]。长沙市位于中国长江以南，洞庭湖平原南部与湘中盆地的过渡地带。境内地形地貌类型多样，其中南部为丘陵山区，北部为开阔平原盆地，从南至北形成了由高到低的阶梯状地势。长沙市境内地表水系发达，湖泊河流众多，交错纵横，主要有湘江等“一江八河”及其支流。湘江由南至北斜贯中部，境内长度约75 km，是长沙市最重要的河流，被称为长沙的“母亲河”。长沙市气候为亚热带季风气候，降水充沛，雨热同期，夏冬季长，春秋季短，气温变化大，春末夏初雨水多，夏末秋季多旱，秋季高温久，冬季短，严寒少。长沙市区年平均气温17.2 ℃，各县平均气温16.8~17.3 ℃，年积温为5 457 ℃，市区年均降水量1 361.6 mm，各县年均降水量1 358.6~1 552.5 mm[14]。

1.2 卫星数据与解译

选取1991年、1995年、2003年、2006年、2011年、2016年和2020年7期共21景Landsat系列卫星遥感影像，影像数据来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)和美国地质调查局官网(http://www.usgs.gov/)。Landsat数据具有时间跨度大、数据稳定性强和空间分辨率高等优点，为本研究开展长时间周期的土地利用变化监测提供了重要支撑。为保证研究内容的准确性，所选的遥感影像对应的时间段为10—11月，云覆盖量均小于10%。所有影像均经过辐射校正和几何校正、裁剪等数据预处理步骤[15-17]。
根据全国第二次湿地资源调查规程中的湿地分类标准，结合长沙市湿地的实际情况，选取永久性河流湿地、湖库湿地(湖泊和水库)、坑塘湿地(坑塘、养殖塘、蓄水区等)为研究对象，基于上述遥感影像数据，利用随机森林解译方法对长沙市典型湿地进行解译，得到长沙市1991—2020年7个时间点的典型湿地分布图。利用Google Earth平台提供的高分辨率历史影像和野外实测数据等作为验证参考，计算验证样本的混淆矩阵，总体精度均大于90%，Kappa系数均在0.85以上，满足研究精度需要。

1.3 湿地生态服务价值计算

基于1991—2020年长沙市湿地面积解译数据，结合长沙市社会统计年鉴等数据，并参考谢高地等[15]的方法，分析长沙市湿地生态系统服务功能价值变化，包括供给功能(食物生产、原材料生产)、调节功能(气体调节、气候调节、水文调节、废物处理)、支持功能(保持土壤、维持生物多样性)和文化功能(提供美学景观)。参考谢高地等[18]的计算方法，设定农田食物生产的生态服务价值当量为1，全国1个生态服务价值当量因子的经济价值量为449.10元/hm2，而湖南省农田生态系统生物量因子是1.95，因此湖南省1个生态服务价值当量因子的经济价值量为875.75元/hm2。参照谢高地等[19]的中国生态系统单位面积生态服务价值当量(2007年)，计算得到湖南省湿地生态系统单位面积生态服务价值(表1)，最后乘以长沙市不同类型湿地的面积得到不同时期湿地生态系统的生态服务价值。
1 Equivalent and value of ecological services per unit area of wetlands in Changsha City

长沙市湿地单位面积生态服务价值当量和价值

生态系统服务功能 单位面积生态服务价值当量 单位面积生态服务价值/[元/(hm2·a)]
一级类型 二级类型
供给功能 食物生产 0.53 464.14
原材料生产 0.35 306.51
调节功能 气体调节 0.51 446.63
气候调节 2.06 1 804.03
水文调节 18.77 16 437.73
废物处理 14.85 13 004.81
支持功能 保持土壤 0.41 359.06
维持生物多样性 3.43 3 003.81
文化功能 提供美学景观 4.44 3 888.31
合计 45.35 39 715.04

1.4 统计分析

利用长沙市社会统计年鉴数据，采用线性回归分析方法，研究1991—2020年长沙市湿地面积与总人口数量、GDP、耕地面积、城市化水平、年平均气温和年降水量间的线性关系。相关系数的大小表示二者相关关系的强弱程度，系数为正值表示呈正相关，系数为负值表示呈负相关。利用R3.6.2软件，研究湿地面积与社会经济因素和自然因素的线性回归分析和显著性检验。

2 研究结果

2.1 不同类型湿地面积变化

1991—2020年长沙市湿地面积整体呈不断下降趋势，湿地面积由1991年的5.1×104 hm2下降到2020年的4.2×104 hm2，下降了17.7%，主要由坑塘面积的下降所致。坑塘面积由1991年的2.7×104 hm2下降到2020年的2.0×104 hm2，占总下降面积的74.7%，而湖库面积和河流面积整体呈比较稳定的状态，下降速率较慢(图1和图2)。从不同类型湿地的占比来看，长沙市湿地中坑塘面积占的比例最大，多年平均占比达53.4%，随着坑塘面积的下降，坑塘面积占比下降到2020年的48.2%；湖库面积占比最小，多年平均占比为16.8%；河流面积多年平均占比为29.8%(图2)。从空间变化来看，坑塘面积减少主要发生在城市周边，如长沙市区周边的坑塘面积明显减少。
1 Spatial distribution of different types of wetlands in Changsha City from 1991 to 2020

1991—2020年长沙市不同类型湿地的空间分布

2 Changes in the area and proportion of different types of wetlands in Changsha City from 1991 to 2020

1991—2020年长沙市各类型湿地面积(a)和占比(b)

为了方便比较和地图展示，将大于1 hm2的湿地提取出来进行分析(图3和4)。结果表明，1991—2020年长沙市大于1 hm2的湿地面积整体呈不断下降趋势。湿地面积由1991年的3.4×104 hm2下降到2020年的2.8×104 hm2，下降了17.0%。其主要原因也是坑塘面积(大于1 hm2)的下降，坑塘面积(大于1 hm2)由1991年的1.07×104 hm2下降到2020年的0.72×104 hm2，占总下降面积的59.5%，而湖库和河流面积整体呈现比较稳定的状态，下降速率较慢。从湿地类型的占比来看，大于1 hm2的湿地中以河流湿地占比最大，多年平均值为43.4%，而湖库占比最小，多年平均值为24.8%。
3 Spatial distribution of different types of wetlands larger than 1 hm2 in Changsha City from 1991 to 2020

1991—2020年长沙市>1 hm2的各类型湿地的空间分布

4 Area and proportion of different types of wetlands larger than 1 hm2 in Changsha City from 1991 to 2020

1991—2020年长沙市>1 hm2各类型湿地的面积(a)及占比(b)

2.2 湿地生态系统服务价值变化

长沙市湿地生态系统服务价值与湿地面积的变化类似，整体呈不断下降趋势(图5)，从1991年的20.2×108元下降到2020年的16.5×108元，下降了18.4%。从生态服务功能分类来看，调节服务价值占总价值的比例最大，达到80%，供给服务价值占总价值的比例最低，为2%。从不同湿地类型来看，坑塘湿地生态服务价值最大，多年平均占比为53.3%，其次为河流，最低为湖库。
5 Changes of ecosystem service values of wetlands in Changsha City from 1991 to 2020

1991—2020年长沙市湿地生态系统服务价值的变化

2.3 社会经济因素与自然因素的变化规律

统计结果表明(图6)，1991—2020年，长沙市年平均气温为17.85 ℃，年平均气温变化范围为16.63~19.35 ℃，有缓慢增加的趋势；年平均降雨量为1 558.7 mm，降雨量呈不规则变化趋势。多个社会经济因素具有明显的变化规律(图6)，如GDP、人口、城市化水平、工业用水、生活用水量等均呈不断增加趋势。尤其是GDP，从1991年的106.0亿元增至2020年的12 142.5亿元，增长了100多倍。城市化水平也从1991年的28.0%增加至2019年的79.6%。
6 Changes of socio-economic and natural factors in Changsha City from 1991 to 2020

1991—2020年长沙市社会经济和自然因素的变化

2.4 湿地面积与社会经济和自然因素回归分析

线性回归分析结果表明(图7)，湿地总面积与总人口数量、GDP、耕地面积均呈显著负线性关系(p<0.05)，而与城市化水平、年平均气温和年降水量均无显著线性关系。由此可知，1991—2020年长沙市湿地总面积的下降可能与人口数量、GDP、耕地面积的快速增加密切相关(图7)。
7 Regression analysis results of the total wetland area in Changsha City with socio-economic factors (a, b, c, d) and natural factors (e, f)

长沙市湿地总面积与社会经济因素(a、b、c、d)和自然因素(e、f)的回归分析结果

河流面积与城市化水平呈显著负线性关系(p<0.05，图8)；湖库面积与社会经济因素和自然因素均无显著的线性关系(p>0.05，图9)；坑塘面积与GDP和耕地面积呈显著负线性关系(p<0.05，图10)。由此可知，1991—2020年长沙市河流和坑塘面积的变化主要与人为因素有关(城市化水平、GDP、耕地面积)；相较于河流湿地与坑塘湿地，湖库湿地耐受干扰的能力更强。但值得注意的是，湖库湿地与社会经济因素中的总人口数量、GDP、城市化水平、耕地面积及自然因素中的年平均气温呈负线性关系，而与年降水量呈正线性关系(图9)，由此可以推测，湖库湿地面积的下降可能与社会经济发展对湖库湿地的挤占和利用以及因年均气温上升导致的湖库湿地蒸发量的增大有关。同时，长沙市湿地景观面积受年降水量和径流量影响较大，年降水量的增加有利于湖库湿地面积增加，其中季节性湿地面积对降水量更为敏感，永久性湿地面积对径流量更为敏感[20]。
8 Regression analysis results of riverine wetland area in Changsha City with socio-economic factors (a, b, c, d) and natural factors (e, f)

长沙市河流湿地面积与社会经济因素(a、b、c、d)和自然因素(e、f)的回归分析结果

9 Regression analysis results of lake-reservoir wetland area in Changsha City with socio-economic factors (a, b, c, d) and natural factors (e, f)

长沙市湖库湿地面积与社会经济因素(a、b、c、d)和自然因素(e、f)的回归分析结果

10 Regression analysis results of pond wetland area in Changsha City with socio-economic factors (a, b, c, d) and natural factors (e, f)

长沙市坑塘湿地面积与社会经济因素(a、b、c、d)和自然因素(e、f)的回归分析结果

3 讨　论

1991—2020年长沙市湿地面积占国土总面积的平均比例为4.17%，由此可见，长沙市湿地面积占比偏小，与湖北省武汉市的16.00%相比差距较远[21]。坑塘湿地在长沙市城市湿地中的比重很大，占到湿地总面积的46.2%~61.9%，远超其他类型湿地的占比，与其他地区城市湿地结构差异明显。例如，2007年天津市湿地面积最大的是盐田，占41.62%，第二大的是浅海水域，占13.62%，河流及河口水域占9.22%，水库占10.98%，坑塘占2.89%，湖泊占0.48%[22]；2016年武汉市湿地结构中面积最大的是湖泊，占54.16%，库塘占15.52%，河流占25.40%[21]。
1991—2020年长沙市湿地生态系统服务价值整体呈不断下降趋势，下降比例为18.4%。从生态服务功能分类来看，长沙市湿地最突出的单项生态系统服务功能为水文调节功能，其占总价值的比例最大，为80%；从不同湿地类型来看，坑塘湿地生态服务功能价值最大，多年平均占比为53.3%，其次为河流，最低为湖库。因此，坑塘湿地面积的下降对长沙市湿地生态系统整体服务价值的影响最大。1991—2020年长沙市坑塘湿地面积减少的比例最高，达74.7%，且小于1 hm2的坑塘面积占比达到63.8%。这主要是因为人类频繁的社会经济活动对自然生态系统造成了严重破坏，尤其是城市发展建设用地占比不断增大，导致湿地生态系统服务功能明显下降。以长沙市区为例，随着人口增加和社会经济发展对住房和产业用地需求的增大，长沙城市扩展区均为湖泊、坑塘分布的集中区，加上人们长期以来缺乏湖泊保护意识，湖泊亦成为廉价的土地资源，长沙城市内部及周边的团结湖、湘湖等面积较小的湖泊湿地基本被填埋，后湖、东湖等面积较大的湖泊被侵占和分割，望城区的斑马湖、天心区的东瓜湖由于道路建设及湖泊周边房地产开发被挤占和分割[14]。
本研究发现，社会经济因素是驱动湿地土地利用动态变化的主要影响因素，其次是自然因素。在社会经济因素中，主要的影响因素是城市化水平，这与恭映璧等[14]的研究结果一致。城市化水平是由人为驱动主导的，其对湿地土地利用变化的影响主要通过人口的城乡移动、城市空间扩张和生活方式的改变等来实现。根据1991年和2020年长沙市统计年鉴，1991—2020年长沙市总人口数量由553.56万人增长至1 004.79万人；人口密度由468.34人/km2增至850.11人/km2，年均增长率为2.08%；人均GDP由1 915元增至120 846元，年均增长率高达15.36%；同时，耕地面积由1991年的2 480.7 km2增至2019年的2 742.5 km2，共增加了261.8 km2。在人口持续增长与有限土地资源的矛盾中，新增人口不仅促进了社会经济发展与城镇化建设，同时加速了研究区内湿地，尤其是坑塘湿地向其他用地类型的转换[23]。与此同时，长沙市政府积极保护与建设城市湿地生态景观，尤其是坑塘湿地，通过改造利用，将其打造为城市发展的新景观。例如长沙市建设的松雅湖国家湿地公园、洋湖国家湿地公园、浏阳河国家湿地公园、金洲湖国家湿地公园、千龙湖国家湿地公园、东湖湿地公园等就是其中的优秀代表。这些措施在一定程度上增加了湿地面积和生态服务功能，有利于城市湿地的可持续发展。长沙市湿地最突出的单项生态系统服务功能为坑塘湿地水文调节功能，坑塘湿地在促进可持续发展和生物多样性保护等方面亦发挥着重要作用。但从湿地资源管理和保护的角度来看，坑塘作为较小湿地的主体，一直不被重视，因此，应加强坑塘湿地生物多样性、人为干扰、景观生态学、生态评估和监测、生态恢复、水文和气候变化、外来入侵物种和受威胁物种等方面的研究[24]。

4 结　论

1991—2020年，长沙市湿地总面积和湿地生态系统服务价值整体呈不断下降趋势，湿地面积由1991年的5.1×104 hm2下降到2020年的4.2×104 hm2，下降了17.7%。湿地面积的减少主要由坑塘面积的减少所致，占总下降面积的74.7%，从空间变化来看，坑塘面积的减少主要发生在城市周边。湿地生态系统服务价值由20.2×108元下降到2020年的16.5×108元，其中湿地调节服务价值最大，占比达到80%，而供给服务价值最低，占比为2%。
1991—2020年长沙市湿地总面积的下降与总人口数量、GDP、耕地面积的快速增加密切相关(p<0.05)，而与城市化水平、年平均气温和年降水量无显著的线性关系。坑塘面积与GDP和耕地面积呈显著负线性关系(p<0.05)，河流面积与城市化水平呈显著负线性关系(p<0.05)，湖库面积与社会经济因素和自然因素均无显著的线性关系(p>0.05)，与其他类型相比，湖库湿地耐受干扰的能力更强。
长沙市湿地最突出的单项生态系统服务功能为坑塘湿地的水文调节功能，未来城市化发展过程中应采取因地制宜的景观可持续规划策略。在长沙县、宁乡市、浏阳市等县市的丘岗湿地区域，应充分发挥其较高的调节和文化服务供给能力，避免坑塘湿地等自然景观面积比例的减少；在市中心地区应重点改善调节服务，避免建设用地无序扩张与破碎化发展，减小建设用地的聚集度，改造利用好周边湿地景观，从而促进区域湿地景观的可持续发展。

参考文献

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