城市土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響
——以淮北市為例

趙 丹，李 鋒，王如松

(城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室，中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，北京 100085)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指生態(tài)系統(tǒng)為維護(hù)人類社會的生產(chǎn)、消費、流通、還原和調(diào)控活動而提供有形或無形的自然產(chǎn)品、環(huán)境資源和生態(tài)公益能力，是生態(tài)系統(tǒng)的一種產(chǎn)出和功效［1-4］。土地利用是人與自然交叉最為密切的環(huán)節(jié)，土地利用/覆蓋變化必然會引起自然生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化［5］。資源型城市由于其粗放的經(jīng)濟(jì)增長方式和強烈的資源指向性，顯著地改變了當(dāng)?shù)氐耐恋乩媒Y(jié)構(gòu)，并對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境系統(tǒng)造成極大的損害［6］。然而，廢棄的采煤區(qū)由于塌陷而形成的大面積的濕地，卻會使礦區(qū)原本破壞的生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化而提供新的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。因此，深入研究資源型城市的土地利用結(jié)構(gòu)及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時空變化，對于資源型城市的土地可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義。

本文以資源枯竭型的典型城市——淮北市為研究對象，對1987—2007年間淮北市土地利用及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的時空演變進(jìn)行定量評價，以期為資源型城市的土地合理調(diào)控和管理提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

淮北市位于安徽省北部，東鄰宿州市，南連懷遠(yuǎn)、蒙城，西與渦陽、河南永城市接壤，北與肖縣、江蘇徐州市毗鄰。海拔20—40 m，南北長150 km，東西寬50 km?；幢笔休犎齾^(qū)一縣，總面積2740.91 km2?；幢笔惺俏覈笮兔禾可a(chǎn)基地之一，為國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出重要的貢獻(xiàn)，同時經(jīng)過40多年的開采也引發(fā)了嚴(yán)重的環(huán)境污染、環(huán)境破壞、地質(zhì)災(zāi)害等多種生態(tài)環(huán)境問題，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。自1958年開采煤礦以來，淮北礦區(qū)總的地表沉陷影響面積為17233 hm2，地表沉陷積水面積為5620 hm2，截至2010年底，全市已累計塌陷土地達(dá)16667 hm2。

2 研究方法

城市土地利用變化對生態(tài)服務(wù)功能影響的研究越來越受到國內(nèi)外學(xué)者們的關(guān)注。目前，主要的研究方法有生態(tài)系統(tǒng)評估法、典型相關(guān)分析法以及多元線性回歸法等。其中，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估法能夠定量地反映不同時期土地單項及綜合生態(tài)服務(wù)功能的差異，有利于規(guī)劃和決策者對土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)更直觀的認(rèn)識和了解，廣泛地應(yīng)用于城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的評估和比較。

2.1 數(shù)據(jù)來源及地類劃分

研究中使用的主要數(shù)據(jù)是淮北市1987、2000和2007年的土地利用矢量專題圖，比例尺1∶50 000。為了便于分析，土地利用類型的劃分以生態(tài)系統(tǒng)類型劃分為基礎(chǔ)，參考我國1984年土地利用分類體系將土地利用類型分為耕地、林地、水體和城鎮(zhèn)用地四類，并歸并為生態(tài)用地與建設(shè)用地兩個一級分類［7］。其中，建設(shè)用地是指人工硬化地表，包括居民點、交通用地和工礦用地在內(nèi)的建設(shè)用地，但居住用地中的綠地不包括在內(nèi)。生態(tài)用地是維持城市生態(tài)平衡重要的用地類型，為城市人類活動提供重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，主要包含農(nóng)田、林地和水體。具體土地分類見表1。

表1 基于土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的土地利用分類［8］Table 1 Classification of land use based on land services

2.2 土地利用動態(tài)度

土地利用動態(tài)度分為單一土地利用動態(tài)度和綜合土地利用動態(tài)度。單一土地利用動態(tài)度表示研究區(qū)一年內(nèi)某種土地利用/土地覆蓋類型的變化幅度，直接反映了研究區(qū)某種土地利用/覆蓋類型變化速度的快慢［9］。其計算公式為

式中，Ua、Ub分別為研究初期與末期某一種土地利用類型的數(shù)量;T為研究時段。

綜合土地利用動態(tài)度從總體上反映研究區(qū)一定時間范圍內(nèi)各土地利用/覆蓋類型相互轉(zhuǎn)化的劇烈程度［10］。其公式表示為:

式中，LUi為監(jiān)測起始時間第i類土地利用類型面積;△LUi－j為監(jiān)測時段第i類土地利用類型轉(zhuǎn)化為非i類土地利用類型面積的絕對值;T為監(jiān)測時段長度［5］。

2.3 城市土地生態(tài)服務(wù)功能價值估算

本文依據(jù)Costanza等［11］和謝高地等［12-13］的研究成果確定不同土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)(表2)，并結(jié)合謝高地對中國陸地系統(tǒng)提出的價值當(dāng)量換算方法，確定了淮北市區(qū)不同土地利用類型單位面積的單一生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)(表3)。

表2 中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)Table 2 Ecological service value per unit area of land ecosystem in China

表3 中國不同陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積的單一生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值表 /(元·hm－2·a－1)Table 3 The single ecological service value per unit area of different ecosystem types

其中，農(nóng)田參考農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，林地參考森林生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，水體對濕地、水體生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值取平均，建設(shè)用地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值為負(fù)，由生態(tài)用地價值的損失來計算。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的計算公式:

式中，V為研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)總服務(wù)價值(萬元);Ai為研究區(qū)第i種土地利用類型面積(hm2);Rv，i為研究區(qū)第i種土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)。

3 結(jié)果分析

3.1 土地利用動態(tài)變化

根據(jù)淮北市1987，2000和2007年3期土地利用圖(圖1)，并參照上表中土地利用二級分類，對不同土地利用類型進(jìn)行歸并，得到1987—2007年淮北市土地利用的面積變化及空間格局的差異。

圖1 1987—2007年淮北市土地利用變化Fig.1 Land use pattern in Huaibei city during the period 1987—2007

表4結(jié)果表明:淮北市整體土地利用分布由1987年:農(nóng)田＞林地＞建設(shè)用地＞水體，變化為2007年:農(nóng)田＞建設(shè)用地＞林地＞水體。生態(tài)用地中農(nóng)田所占的比例最大，林地次之，水體最少。1987—2007年間生態(tài)用地空間結(jié)構(gòu)和面積發(fā)生劇烈變化，生態(tài)用地占市區(qū)面積的比例由91.45%降低至71.86%(圖2)。由單一動態(tài)度指數(shù)計算結(jié)果可知，從1987至2000年，農(nóng)田面積明顯下降，而林地、水體和建設(shè)用地的面積呈不同程度的增加趨勢，其中，建設(shè)用地面積增長最為迅速。從2000至2007年，林地和水體面積下降，而農(nóng)田面積有所增加。建設(shè)用地總面積沒有明顯變化，但從圖1可以看出其聚集度顯著增加，市區(qū)正逐漸由生態(tài)用地為主的景觀格局轉(zhuǎn)變?yōu)橐越ㄔO(shè)用地為主導(dǎo)的城市景觀格局?？傮w而言，近20年來淮北市的綜合土地利用動態(tài)度有所下降，反映出近期土地流轉(zhuǎn)趨于平緩。

表4 1987—2007年土地利用變化率Table 4 Land use changes of Huaibei city between 1987 and 2007

3.2 生態(tài)服務(wù)價值動態(tài)演變

根據(jù)各類土地的面積以及單位面積土地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)，計算得到淮北市不同時期土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的差異(表5)。

由表5可知，20a間，淮北市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的總價值呈現(xiàn)先增加后減少的變化趨勢，2000年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值達(dá)最高值，為31.32億元。由于1987—2000年間建設(shè)用地增加面積主要是農(nóng)田的轉(zhuǎn)化，而2000—2007年間建設(shè)用地增加的面積主要是林地的轉(zhuǎn)化。因而，2000年和2007年建設(shè)用地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值為負(fù)，分別由農(nóng)田和林地價值的損失來計算?？傮w而言，淮北市土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在1987—2000年間，由于大量植樹造林，生態(tài)服務(wù)有所提高，2000—2007年，由于城市的快速擴(kuò)展，侵占大量林地和水體，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的下降。

圖2 不同時期淮北市建設(shè)用地和生態(tài)用地的差異Fig.2 Proportion change of ecological land and built-up area in Huaibei city from 1987，2000 to 2007

表5 淮北市不同土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值Table 5 Ecosystem service value of Huaibei city from 1987 to 2007

另外，根據(jù)表3對不同時期土地利用類型的單一生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值分別進(jìn)行核算，可以看出:除食物生產(chǎn)功能之外，2000年各種類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)均明顯高于1987年和2007年。2000—2007年期間，城市急速擴(kuò)展和不透水地面的鋪設(shè)，使得生態(tài)用地面積顯著減少，城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)下降，而以廢物處理和水源涵養(yǎng)功能退化最為嚴(yán)重。另外食物生產(chǎn)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化主要是由農(nóng)田面積的改變而引起的。

4 討論與結(jié)論

城市土地利用/覆被的變化將引發(fā)陸地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和格局的變化，進(jìn)而影響了水循環(huán)、生物地球化學(xué)循環(huán)、土壤更新等生態(tài)過程，導(dǎo)致城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的改變［14-16］。淮北市是一個因皖北地區(qū)煤炭開采而設(shè)立的新興工業(yè)城市。從20世紀(jì)50年代開始閘河煤田開采煤礦至今，土地利用類型的變化使得淮北市礦區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)發(fā)生變化。

生態(tài)用地(農(nóng)田、林地和水體)是區(qū)域或城鎮(zhèn)土地中以提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)為主的土地利用類型，具有涵養(yǎng)水源、保持水土、凈化空氣、美化環(huán)境、休閑娛樂等重要生態(tài)功能［17-18］。1987—2007年間生態(tài)用地空間結(jié)構(gòu)和面積發(fā)生劇烈變化，生態(tài)用地占市區(qū)面積的比例由91.45%降低至71.86%，進(jìn)而顯著影響了城市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和人居環(huán)境。由圖3可知，1987年至2000年，由于煤礦開采，占用大面積的耕地，使得地表大面積下沉變成了荒灘洼地，致使大量農(nóng)田失去，食物生產(chǎn)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)顯著下降。但與此同時，由于淮北特有的水文地質(zhì)條件，促使塌陷地形成大面積的濕地，水體面積有所增加，加之退耕還林和人工造林等生態(tài)建設(shè)使林地面積顯著增加，因而其他各項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)均明顯提高。從2000至2007年，一方面由于經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)動，盲目地砍伐森林、圍湖造田、填湖蓋樓等行為，使得林地和水體變?yōu)榻ㄔO(shè)用地和裸地;另一方面，新城區(qū)建設(shè)也使得部分水體用地面積不斷減少，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總體下降，其中由林地和水體主要提供的涵養(yǎng)水源、廢物處理、提供原材料、生物多樣性維持等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)隨其土地面積的減少而顯著降低。因此，保育城市生態(tài)用地，加強城市生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，對于提高城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和改善城市人居環(huán)境具有重要意義。資源型城市的土地利用中更應(yīng)當(dāng)重視生態(tài)修復(fù)和生態(tài)建設(shè)，在資源開發(fā)利用的同時加強土地規(guī)劃和管理，促進(jìn)城市健康、可持續(xù)地發(fā)展。

本文將國內(nèi)外學(xué)者們的陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值相結(jié)合，并結(jié)合謝高地對中國陸地系統(tǒng)提出的價值當(dāng)量換算方法，確定了淮北市區(qū)不同土地利用類型單位面積的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)，其精確性還有待進(jìn)一步提高。另外，本文應(yīng)用生態(tài)服務(wù)功能的價值系數(shù)法對淮北市土地利用結(jié)構(gòu)改變所導(dǎo)致的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的經(jīng)濟(jì)價值評估，只是提供一個大致相對的數(shù)據(jù)，為領(lǐng)導(dǎo)和有關(guān)部門提供一個決策依據(jù)，但不能表征一些無法量化的生態(tài)服務(wù)功能的指標(biāo)，因而并不能準(zhǔn)確反映實際價值量。

通過1987、2000和2007年的土地利用變化對淮北市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進(jìn)行估算并分析了其變化特點，主要結(jié)論如下:

(1)從1987年到2007年，在20年間淮北市生態(tài)用地面積減少20%，而建設(shè)用地的面積則明顯增加且聚集度顯著增加，但總體土地利用類型的流轉(zhuǎn)頻率有所下降。

(2)在各項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中，廢物處理產(chǎn)生的價值最大，其次為土壤更新，兩者之和約占總價值的40%，從1987年到2007年，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總量呈現(xiàn)先增加后減少的變化趨勢;從2000年到2007年，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的減少以廢物處理和水源涵養(yǎng)功能的退化最為嚴(yán)重。

(3)從空間上看，高服務(wù)價值的地區(qū)主要集中在淮北市南半部，農(nóng)田和林地較為集中，而低服務(wù)價值的地區(qū)主要集中在淮北市主城區(qū)，建設(shè)用地聚集度高，生態(tài)用地面積顯著減少。

圖3 不同時段淮北市生態(tài)系統(tǒng)不同服務(wù)價值變化量Fig.3 Values of ecosystem services of Huaibei city from 1987 to 2007

(4)由于生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性和多樣性，目前生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的評價方法還存在許多不完善之處。本文只是從空間和時間角度，探討了城市土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響，如何應(yīng)用新的模型和技術(shù)對城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行更精確的評價還需要深入研究。

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