基于城鄉(xiāng)接合部土地利用變化的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值研究

羅春香++楊君++段建南

摘要：基于2000年、2008年和2013年3期土地矢量數(shù)據(jù)，根據(jù)土地利用結(jié)構(gòu)分析其動態(tài)變化；針對城鄉(xiāng)接合部特點，考慮建設(shè)用地生態(tài)負(fù)效應(yīng)，對單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值（ecosystem service value，ESV）系數(shù)進行修正；采用 Costanza 等計算方法，估算各土地類型的ESV并分析其時空變化特征；采用相關(guān)分析法，探討了城鄉(xiāng)接合部土地利用類型變化與ESV之間的關(guān)聯(lián)特征。結(jié)果表明：耕地面積快速減少，建設(shè)用地比重上升；ESV總體呈下降趨勢，降幅達(dá)16.10%，各單項生態(tài)服務(wù)功能價值也有不同程度減少；各鎮(zhèn)空間變化存在明顯差異，總體上是離中心城區(qū)越近變化越顯著；ESV與耕地、林地、草地、建設(shè)用地在0.01水平上顯著相關(guān)，與草地、耕地、林地、水域、未利用地面積呈正相關(guān)并且相關(guān)系數(shù)為降序排列，與建設(shè)用地面積呈負(fù)相關(guān)。

關(guān)鍵詞：土地利用；生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值；城鄉(xiāng)接合部；時空變化

中圖分類號： F323.211文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2016）05-0420-05

生態(tài)系統(tǒng)是當(dāng)前生態(tài)學(xué)和地理學(xué)研究的前沿和熱點問題，它是連接自然和人文的紐帶。城鄉(xiāng)接合部作為人工和自然2種截然不同的生態(tài)系統(tǒng)的過渡區(qū)，在城鄉(xiāng)發(fā)展過程中，其土地利用與生態(tài)環(huán)境是變化最劇烈且最容易被忽略的，隨著城市擴展速度和強度不斷提高，城鄉(xiāng)接合部的生態(tài)環(huán)境問題越來越受到重視。Costanza在20世紀(jì)90年代開展全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值計算的研究后，生態(tài)服務(wù)價值成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱潮，國內(nèi)學(xué)者對全球或區(qū)域性[1-4]，以及中國陸地[5]、中國地表水[6]、中國草地[7]、中國森林[8]等大尺度區(qū)域ESV進行了評估。但是，對城鄉(xiāng)接合部土地利用變化和ESV之間關(guān)系的研究并不多見。

本研究把城鄉(xiāng)建設(shè)用地等人工生態(tài)系統(tǒng)納入到ESV的核算體系，在城鄉(xiāng)接合部小尺度區(qū)域背景下對ESV進行定量分析、比較其區(qū)域間變化特征，可為城鄉(xiāng)接合部土地利用規(guī)劃、城市擴張?zhí)峁嵶C數(shù)據(jù)，從生態(tài)價值經(jīng)濟核算角度來保護耕地和實現(xiàn)社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展，對促進區(qū)域生態(tài)建設(shè)、合理有序進行城市擴張具有重要意義。

1研究區(qū)域與研究方法

1.1研究區(qū)概況

本研究區(qū)域包括湖南省長沙市望城區(qū)的星城鎮(zhèn)、黃金鄉(xiāng)、雷鋒鎮(zhèn)、白箬鋪鎮(zhèn)4個鄉(xiāng)鎮(zhèn)（圖1），位于湖南省長沙市區(qū)西北角，西臨湘江，南接長沙市岳麓區(qū)，北連望城城區(qū)，西接寧鄉(xiāng)夏鐸鋪鎮(zhèn)，是望城區(qū)與省會長沙的接合部。境內(nèi)交通干道漁網(wǎng)交錯，交通極為便捷，區(qū)位優(yōu)勢得天獨厚，是長沙通往湘西北的咽喉要地。其中星城鎮(zhèn)、黃金鎮(zhèn)現(xiàn)已納入長沙市區(qū)規(guī)劃范圍；雷鋒鎮(zhèn)是中國村鎮(zhèn)建設(shè)試點集鎮(zhèn)，工商業(yè)發(fā)達(dá)，2008年起委托長沙高新區(qū)管理；白箬鋪鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境優(yōu)美，境內(nèi)金洲大道、長常高速、國道G319橫貫東西，交通便利。2013年末研究區(qū)域總面積為30 198.69 hm2，總?cè)丝跒?78 327人。

1.2數(shù)據(jù)來源與處理

空間數(shù)據(jù)源為研究區(qū)2000年、2008年和2013年土地利用矢量數(shù)據(jù)。其中，2000年和2008年數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院的土地利用/土地覆被矢量數(shù)據(jù)；2013年土地利用矢量數(shù)據(jù)，是根據(jù)Landsat TM 10 m分辨率的遙感影像，利用ENVI 4.8軟件對影像進行輻射校正、幾何校正、圖像拼接和裁剪等，綜合多種方法對遙感影像解譯獲得。社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來源于國家統(tǒng)計局、同期《湖南統(tǒng)計年鑒》、《長沙統(tǒng)計年鑒》和《望城年鑒》。

本研究參照中國科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)庫土地資源分類體系，結(jié)合研究區(qū)域自然條件和土地利用特征，將研究區(qū)域土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用土地6大類，利用Arcgis 9.3軟件匯總不同年度各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地利用結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)（表1）。

1.3研究方法

1.3.1土地利用變化分析本研究采用單一土地利用類型動態(tài)度[9]來描述研究區(qū)土地利用類型變化速度和幅度：

K=Ub-UaUa×1T×100%。（1）

式中：Ua、Ub分別表示研究初期、末期某一種土地利用類型的面積；T為研究時段長，當(dāng)T的時段設(shè)定為年時，K為該區(qū)域某種土地利用類型年變化率。

1.3.2土地利用強度綜合指數(shù)土地利用程度綜合指數(shù)能反映區(qū)域土地利用集約程度高低[9]，Lb-La表示從a時間到b時間區(qū)域土地利用程度的變化量。當(dāng)Lb-La>0時表示該研究區(qū)域土地利用處于發(fā)展時期，反之則處于調(diào)整期或者衰退期。

L=100×∑ni=1At×Ci，L∈[100，400]。（2）

式中：L為區(qū)域土地利用程度綜合指數(shù)；Ai為區(qū)域內(nèi)第i級土地利用分級指數(shù)[10]；Ci為區(qū)域內(nèi)第i級土地利用程度分級面積百分比；n為土地利用程度分級數(shù)。

1.3.3生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值計算方法各類土地在計算ESV時，土地利用類型按以下原則歸類：林地對應(yīng)森林生態(tài)系統(tǒng)，草地對應(yīng)草地生態(tài)系統(tǒng)；耕地對應(yīng)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)；濕地與河流湖水面對應(yīng)水域生態(tài)系統(tǒng)；未利用土地對應(yīng)荒漠生態(tài)系統(tǒng)。

建設(shè)用地包括城鄉(xiāng)、工礦及居民用地，它不屬于自然生態(tài)系統(tǒng)，是只有消耗者沒有生產(chǎn)者的人工生態(tài)系統(tǒng)。許多學(xué)者在研究ESV時，常不考慮建設(shè)用地的生態(tài)服務(wù)價值，本研究根據(jù)城鄉(xiāng)接合部的實際情況，計算建設(shè)用地的服務(wù)價值總量。主要考慮三廢的排放和城鄉(xiāng)用水問題對環(huán)境的負(fù)作用，分別應(yīng)用市場價值法和防治成本法，對建設(shè)用地的水源涵養(yǎng)功能和廢物處理功能的ESV系數(shù)進行估算。

建設(shè)用地單項ESV系數(shù)計算方法：

水文調(diào)節(jié)（負(fù)）VCa=Qa×Pa/A；（3）

廢物處理（負(fù)）VCb=Qb×Pb/A。（4）

式中：Qa為用水量；Pa為用水價格；Qb為廢物排放量；Pb廢物治理成本。

研究區(qū)ESV計算方法：

ESV=∑Ak×VCk；（5）

ESVf=∑Ak×VCfk。（6）

式中：ESV為研究區(qū)生態(tài)服務(wù)總價值，元；Ak為第k種土地利用類型面積，hm2；VCk為單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，元/hm2；VCfk為單項生態(tài)功能價值系數(shù)，元/hm2；ESVf為單項生態(tài)功能價值。

2土地利用變化分析

2.1土地利用類型結(jié)構(gòu)變化

圖2表示2000年、2008年和2013年研究區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)變化，土地總面積為30 198.69 hm2，土地利用率達(dá)9957%，以耕地和林地為主要土地利用類型。其中，林地、耕地減少速度比較均勻，草地、水域和未利用地變化不明顯，建設(shè)用地面積從2000年13.27%到2013年26.25%，呈顯著增加趨勢，以2008—2013年的變化最為明顯，主要原因是2008年以后，大河西先導(dǎo)區(qū)和湘江旅游黃金走廊的規(guī)劃覆蓋。

2.2土地利用動態(tài)變化

由表2可知，研究區(qū)土地利用類型結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化，土地利用變化幅度大，總體趨勢是：耕地、林地持續(xù)減少，建設(shè)用地持續(xù)增加。2008—2013年耕地減少最多（1 181.36 hm2），降幅達(dá)10.55%；建設(shè)用地增加最多（2 35630 hm2），增幅達(dá)42.30%。

從單一土地利用動態(tài)度來看，2000—2013年，建設(shè)用地變化最明顯，年均增長7.53%；其次是耕地和林地，年均減少1.31%、1.14%，說明城鎮(zhèn)用地大規(guī)模擴展、耕地急劇減少是近十幾年城市化的必然結(jié)果。

2.3土地利用強度變化

研究區(qū)土地利用程度綜合指數(shù)在265.34%～313.74%之間，各鎮(zhèn)土地綜合利用強度均有所增長；La-Lb均大于零，表明研究期內(nèi)該區(qū)域的土地利用處于發(fā)展時期。城鎮(zhèn)建設(shè)用地比重能反映區(qū)域社會發(fā)展的程度，比重越高，說明土地利用變化越活躍，利用程度也越高。城鎮(zhèn)建設(shè)用地由2000年的13.27%增加到2013年的26.25%，表明其在土地利用結(jié)構(gòu)中的影響力越來越大。其中星城鎮(zhèn)建設(shè)用地比重最大，由2000年的13.95%增加到42.53%（表1），土地利用程度綜合指數(shù)受其影響，指數(shù)值也較高，土地利用程度變化率達(dá)到1487%，農(nóng)業(yè)主導(dǎo)用地轉(zhuǎn)變?yōu)槌青l(xiāng)結(jié)合用地速度最快；白箬鋪鎮(zhèn)土地利用強度變化率較小，林地為主導(dǎo)用地，利用強度還有很大提升空間（表3）。

2.4土地利用轉(zhuǎn)移

建設(shè)用地的轉(zhuǎn)入率較高，耕地和林地流出量大，耕地轉(zhuǎn)出的數(shù)量明顯比轉(zhuǎn)入大得多，其中耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地是轉(zhuǎn)化最多的類型。2000—2008年、2008—2013年，耕地流出面積最大分別為874.51 hm2、1 250.64 hm2，分別占初期耕地面積的7.25%、11.7%，基本上都轉(zhuǎn)為建設(shè)用地；林地流出面積分別占初期林地面積的5.81%、9.55%，全部轉(zhuǎn)為建設(shè)用地。這種變化類型多集中于人類活動比較活躍的地區(qū)，如中心城區(qū)的邊緣區(qū)以及原有的農(nóng)村居民點附近，城市與鄉(xiāng)村用地、耕地與建設(shè)用地矛盾最為突出的地區(qū)。

3生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的評估結(jié)果及分析

3.1單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)

借鑒Costanza等的ESV計算方法[11]，對中國生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值當(dāng)量表[12]進行農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生物量因子[13]修正（湖南省系數(shù)為1.95）。查詢同期《湖南省統(tǒng)計年鑒》[14]相關(guān)數(shù)據(jù)，計算得到2000—2013年望城縣和湖南省糧食單產(chǎn)分別為6 543.14、5 767.81 kg/hm2，2013年望城糧食平均價格為2.63元/kg，為全國農(nóng)田ESV系數(shù)平均水平的195×1.13=2.2倍。參考謝高地等關(guān)于單位生態(tài)服務(wù)價值當(dāng)量因子的經(jīng)濟價值為當(dāng)年平均糧食產(chǎn)量市場價值1/7的方法[15]，計算得到研究區(qū)農(nóng)田自然糧食產(chǎn)量的經(jīng)濟價值約為（6 543.14×2.63）/7=2 458.35元/hm2。研究區(qū)域不同生態(tài)系統(tǒng)單位面積ESV見表4和表5。

3.2生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時序變化

以研究區(qū)域2000年、2008年、2013年3期土地利用矢量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)公式（5）、公式（6）分別計算出2000—2013年研究區(qū)ESV變化（表6）和生態(tài)系統(tǒng)單項服務(wù)功能價值變化（表7）。由表6可見：從各類用地提供的ESV總量來看，林地的ESV始終最高，其次為耕地、水域，這3類用地提供了研究區(qū)99%以上的生態(tài)服務(wù)價值。從價值總量的時序變化看，2000年、2008年、2013年研究區(qū)的ESV分別為68 041.52萬元、63 817.33萬元、57 083.81萬元，13年間下降了10 957.71萬元，減少率達(dá)16.10%。從ESV減少數(shù)量類型看，林地減少最多，為6 017.13萬元，其次為耕地3 991.16萬元，僅水域增加了260.16萬元。從價值變化率來看，變化幅度最大的為耕地，減少了17.03%，其次為林地，減少了1478%，草地和未利用地變化不明顯。這表明研究區(qū)域ESV整體呈下降趨勢，主要原因是建設(shè)用地急劇增加，占用生態(tài)價值相對較高的林地、耕地等。

從表7可知，研究期間區(qū)域單項生態(tài)服務(wù)功能價值也呈減少趨勢，在2000—2008年、2008—2013年2個時期，生態(tài)系統(tǒng)單項服務(wù)價值總量分別減少4 224.19萬元、6 733.51萬元，減少量呈遞增趨勢。2000—2013年按減少量排序，為水表4研究區(qū)建設(shè)用地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型水文調(diào)節(jié)（負(fù)）廢物處理（負(fù)）計算方法居民用水工業(yè)用水二氧化硫排放煙粉塵排放廢水固體廢棄物總用（排）量（萬t）573.79127.420.190.08555.659.36價格（處理費）（元）1.531.681.201.200.2025.00單位面積服務(wù)價值（元/hm2）-1 576.02-384.29-422.86-82.87-199.50-420.02合計（元/hm2）-1 960.31-1 125.24注：數(shù)據(jù)來源于《長沙統(tǒng)計年鑒》、中國水網(wǎng)；固體廢棄物計費標(biāo)準(zhǔn)按《排污征收標(biāo)準(zhǔn)及計算方法》；廢氣主要為二氧化硫和煙粉塵，計費標(biāo)準(zhǔn)按發(fā)改價格[2014]2008號文件《關(guān)于調(diào)整排污費征收標(biāo)準(zhǔn)等有關(guān)問題的通知》，每當(dāng)量1.2元（二氧化硫和煙粉塵的當(dāng)量值分別為0.95 kg和2.18 kg）。

文調(diào)節(jié)>保持土壤>維持生物多樣性>廢物處理>氣候調(diào)節(jié)>氣體調(diào)節(jié)>原材料>食物生產(chǎn)>提高美學(xué)景觀。各單項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值減少，主要和各生態(tài)系統(tǒng)類型地類面積有關(guān)，如原材料主要由森林生態(tài)系統(tǒng)供應(yīng)，林地面積的減少可導(dǎo)致原材料功能價值的減少，建設(shè)用地面積增加導(dǎo)致水文調(diào)節(jié)和廢物處理功能等多項價值減少。

3.3生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值空間分異

以鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）為單位，計算ESV變化量和變化率：2000—2013年各鎮(zhèn)的ESV總量都有不同程度的減少，減少量最大的是星城鎮(zhèn)，為5 659.04萬元，然后依次是黃金鄉(xiāng)、雷鋒鎮(zhèn)、白箬鋪鎮(zhèn)；各鎮(zhèn)2008—2013年較2000—2008年減少幅度大，減少幅度最大的是星城鎮(zhèn)，為33.87%，其次是雷鋒鎮(zhèn)、黃金鄉(xiāng)、白箬鋪鎮(zhèn)，該情況與2000—2013年土地利用動態(tài)度高度吻合。由于星城鎮(zhèn)和雷鋒鎮(zhèn)的林地、耕地大面積轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，造成區(qū)域ESV大幅減少；黃金鄉(xiāng)盡管林地、耕地減少面積沒有雷鋒鎮(zhèn)大，但水域面積減少量較其他鎮(zhèn)大，因而其ESV減少幅度也相對較大；白箬鋪鎮(zhèn)ESV減少幅度較小，是因較其他3鎮(zhèn)與長沙市區(qū)距離稍遠(yuǎn)，城鎮(zhèn)發(fā)展相對較慢，說明距離中心城區(qū)的遠(yuǎn)近與其ESV的變化幅度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（表8）。

3.4生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值與土地利用變化的關(guān)系

ESV與土地利用變化是相互制約和影響的關(guān)系，但是它們之間不是簡單的線性關(guān)系。運用SPSS 17.0軟件進行Pearson相關(guān)性分析，結(jié)果顯示：耕地、林地、草地、建設(shè)用地在001水平上顯著相關(guān)，水域和未利用地在0.05水平上顯著相關(guān)，研究區(qū)ESV與草地的相關(guān)系數(shù)最大，為0.766；其次是耕地、林地、水域、未利用地、建設(shè)用地，分別為0.515、0.318、0.193、0.156、-0.309。研究區(qū)ESV變化與建設(shè)用地面積呈負(fù)相關(guān)，此類用地的增長是導(dǎo)致研究區(qū)總體ESV下降的根源所在，2000—2013年間水域面積雖有所增加，但是水域面積增加所帶來的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)效益遠(yuǎn)低于耕地、林地減少和建設(shè)用地擴張所產(chǎn)生的生態(tài)價值損耗。因此保護當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境要根據(jù)ESV與各土地利用類型面積相關(guān)性程度來調(diào)節(jié)各類用地面積，同時還要提高建設(shè)用地節(jié)約集約程度。

4結(jié)論與討論

（1）研究區(qū)土地利用情況在2000—2013年間發(fā)生了較大的變化，總體上為耕地、林地、水域面積快速減少，建設(shè)用地比重呈上升趨勢，導(dǎo)致ESV從2000年的68 041.52萬元，減少到2013年的57 083.81萬元，ESV下降了10 957.71萬元，降幅達(dá)16.10%，說明隨著城鎮(zhèn)化的加速，研究區(qū)生態(tài)環(huán)境面臨的壓力將越來越大。

（2）分析顯示除水文調(diào)節(jié)（負(fù)）、與廢物處理（負(fù)）帶來的服務(wù)價值負(fù)效應(yīng)有一定程度的增加外，各單項生態(tài)服務(wù)功能價值均有不同程度減少，其主要原因是建設(shè)用地大量占用耕地、林地和水域；其次，各鎮(zhèn)空間變化也存在明顯差異，總體上是離中心城區(qū)越近變化越顯著，說明城市化程度越高，“經(jīng)濟”與“生態(tài)”的矛盾越激烈。

（3）ESV與耕地、林地、草地、建設(shè)用地在0.01水平上顯著相關(guān)，水域和未利用地在0.05水平上顯著相關(guān)；ESV與草地、耕地、林地、水域、未利用地面積呈正相關(guān)并且相關(guān)系數(shù)為降序排列，與建設(shè)用地面積呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.309。

采用時空分析方法，可直觀地描述研究區(qū)ESV時空演化特征，但無法對其變化的局部異常特征進行精確描述，由于土地矢量數(shù)據(jù)與實際情況存在一定誤差，加上生態(tài)系統(tǒng)本身的復(fù)雜性和動態(tài)性，以及存在重復(fù)計算、尺度轉(zhuǎn)換等問題，決定了本研究所采用方法計算的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值只是一個粗略的估算。因此，如何規(guī)避由于以上因素產(chǎn)生的同一地區(qū)ESV絕對量存在差異的現(xiàn)象值得進一步探討。

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