重慶主城區近30年土地利用變化的生態環境效應評價*

鄧偉,楊 華,崔艷君

(1.重慶師范大學地理科學學院,重慶400047;2.重慶高校市級GIS應用研究重點實驗室,重慶400047)

土地利用是人類活動最直接的一種表現形式,土地利用變化一方面與自然環境演變相關,另一方面與不斷增強的人類活動密切相關,是自然與人文過程交叉最為密切的產物。土地利用變化可引起許多自然現象和生態過程變化,從而對生態環境的各個方面產生深刻影響。土地利用及其生態環境效應目前已成為土地科學及全球變化研究的熱點問題之一[1-3],研究土地利用變化及其對生態環境的影響,對于了解區域生態環境乃至全球環境變化具有重要意義[4]。由于土地利用與生態系統服務關系密切,相關研究把土地利用變化驅動下的生態系統服務價值(ecosystem services values,ESV)變化,作為土地利用變化環境效應的一個重要量化指標。通過計算特定研究區域的生態系統服務價值,可定量分析生態環境質量對土地利用演變的響應,進而對土地資源的可持續利用提出有益建議[5]。

1 研究區概況、實驗材料和研究方法

1.1 研究區概況

重慶主城區分布于長江與嘉陵江交匯處及其附近河谷地帶,界于縉云山與明月山之間。本研究區包括渝中區、沙坪壩區全部,北碚區、渝北區、江北區、南岸區、巴南區、大渡口區、九龍坡的主城區部分,面積為1 612.79 km2。區內以山地、丘陵為主,平地較少,山地有縉云山、歌樂山-中梁山、南山,主要干流為長江、嘉陵江,城區座落在這兩江交匯處,四面環山,江水回繞,城市傍水依山,層疊而上。區內人口密集,工農業發達,經濟活動頻繁,是重慶市政治、文化、經濟的中心地區。重慶地處長江上游、三峽庫區庫尾,城市的生態地位十分重要。重慶成為直轄市后,城市建設速度高速增長,在10 a間擴張了6倍多。區內生態系統的服務功能發生了巨大變化,所以利用土地利用變化來研究區內生態系統服務功能的變化情況,無疑具有重要的現實意義。

1.2 數據源介紹

參照《土地利用現狀分類》[6],針對重慶主城區特點,根據影像解譯能力以及參考前人研究結果[7],將全區土地利用/覆蓋分為建設用地、旱地、有林地、水田、灌木林、未利用地和水體7大類。

本研究分別采用 1978年 7月份MSS影像、1993年5月份的TM 5影像及2007年7月份TM 5影像為基本數據源。三期遙感影像的空間分辨率分別為78 m、28.5m和28.5m。MSS影像具有4個波段,采用7,5,4波段組合。TM 5影像具有7個波段,本研究對TM 5選取運用Chaveztal[8]提出的最佳指數(OIF-Optimum index)法計算出的適合本區研究的7,4,3波段進行組合。研究工作平臺建立在專用遙感數據圖像處理軟件(ERDAS 9.1)、地理信息系統軟件(A rcGIS 9.2)上。

本研究區以主城區1∶50 000地形圖為基準,利用二次多項式對遙感影像進行幾何精校正。同時,為了保證研究區域幾何校正的精度,選取控制點多集中在研究區域范圍內,并使控制點分布盡可能均勻,在整體RMS＜0.5的前提下,研究區域的幾何畸變得到了有效的控制[9]。

應用監督分類和目視解譯相結合的方式,分別對1978年、1993年和2007年三期的遙感影像進行分類,獲取7類土地利用類型,然后運用分類疊加、聚類統計、過濾分析、去除分析,對得到的結果進行重新編碼。完成編碼后,將柵格圖轉換為可以編輯的矢量圖,并建立拓撲關系,最后利用A rcGIS 9.2對矢量圖進行編輯修改,最終得到三期重慶主城區土地利用現狀數據。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用動態度 利用土地利用動態度模型來定量反映區域土地利用變化的速率,對比較不同時段土地利用變化差異和預測未來土地利用變化的趨勢具有積極的意義。

單一土地利用類型動態度表示某研究區域一定時間范圍內某種土地利用類型的數量變化情況,表達式為

式中:K——研究時段內某一土地利用類型動態度;U a,U b——研究期初和研究期末某一種土地利用類型的數量;T——研究時段長。當T設為年時,K就是該研究區域某種土地利用類型的年變化率。

1.3.2 生態系統服務價值評價方法 生態系統服務及其價值的研究開始于20世紀70年代,但由于缺乏相應的價值評估理論與方法體系而進展緩慢。1997年Costanza等人[10]的研究成果使生態系統服務價值評估的原理與方法從科學意義上得以明確,將生態系統服務研究推向生態經濟學研究的前沿。Costanza等人將全球生態系統劃分為16大類26小類,將生態系統服務功能劃分為17種功能,并以此為基礎對全球生態系統的服務價值進行了估算。謝高地[11]根據中國的具體情況,制定了中國不同陸地生態系統單位面積生態服務價值表(表1)。

本文根據重慶主城區具體情況,參照中國陸地生態系統服務價值表,并結合張鳳太等[12]確定的重慶城鎮生態服務價值,確定出重慶主城區生態系統單位面積生態服務價值(表2),并運用Costanza的生態系統服務價值公式,計算重慶主城區生態系統服務價值。其公式為

式中:ESV——生態系統服務價值;Ak——研究區第k種土地利用類型的面積;VCk——生態系統價值系數;ESV f——生態系統第 f項服務功能價值;VCfk——研究區第k種土地利用類型的第 f項服務功能價值系數。

表1 中國不同陸地生態系統單位面積生態服務價值 元/hm2

表2 重慶主城區生態系統單位面積生態服務價值 元/hm2

1.3.3 敏感性分析方法 相關研究[13]借用敏感性指數(Coefficient of sensitivity,CS)確定ESV隨時間變化對VC變化的依賴程度。CS的含義是指VC變動1%引起ESV的變化情況,如果CS＞1,說明ESV對VC是富有彈性的;反之說明ESV對VC是缺乏彈性的,其比值越大,表明 VC的準確性越關鍵。本文通過分別調整50%的VC來計算CS,從而來說明ESV對VC的敏感程度。敏感性指數計算公式為:

式中:ESV,VC,k的含義同前;i,j——代表初始價值和調整生態價值系數以后的價值。

表3 1978-2007年重慶主城區土地利用類型變化

2 土地利用/土地覆蓋變化狀況

經過對重慶主城區的遙感影像解譯以及數據處理,分別統計出重慶主城區在1978年、1993年和2007年的各類土地利用現狀面積以及土地利用變化情況(如表3所示),可以發現:(1)1978-1993年,重慶主城區土地利用結構發生了一些變化,灌木林地增加幅度最大,由1978年的36.41 km2增加到了1993年的798.36 km2,增加了761.95 km2,平均每年增加50.80 km2,其動態度為139.50%。其次建設用地由53.47 km2增加到了94.33 km2,平均每年增加2.72 km2。水田面積在1978-1993年間減少量最為顯著,由653.78減少到84.79 km2,減少了568.99 km2,平均每年減少37.93 km2,其動態度為-5.80%。

另外旱地和有林地減少量也較多,分別由476.59 km2和 221.63 km2減少到362.96 km2和137.96 km2,分別減少了113.63 km2和83.67 km2。未利用地和水體也有所減少,分別減少了 14.84 km2和21.65 km2,平均每年減少0.99 km2和1.44 km2。但是由于未利用地和水體本身的面積很小,所以其影響在整個研究區域內并不明顯。(2)1993-2007年,主城區土地利用結構變化劇烈。特別是建設用地的變化幅度,由1993年的94.33 km2增加到2007年的329.07 km2,增加了234.74 km2,其增加量是前一時段增加量的近6倍,平均每年增加16.77 km2,其動態度為17.77%。其次旱地、有林地和水體也有所增加,分別增加了21.6 km2、26.59 km2和13.54 km2。1993-2007年間,灌木林地呈現大量減少的趨勢,由798.36 km2減少到608.72 km2,減少了 189.64 km2,平均每年減少 13.55 km2,其動態度為-1.70%。另外水田和未利用地也有所減少,分別減少了42.84 km2和64.01 km2,平均每年減少3.06 km2和4.57 km2,其動態度為-3.61%和-5.76%。

將兩個時段的土地利用動態度進行對比,可以發現,后期土地利用變化的劇烈程度遠大于前期的變化程度,這說明在重慶成為直轄市之后,加大了經濟投資力度,城市建設的高速增長,占用了城市周邊的大量林地和耕地,使得林地出現大幅度減少,耕地繼續呈減少趨勢。

3 土地利用/土地覆蓋的生態環境效應分析

近幾十年來,不合理的土地利用所引起的生態環境問題日益突出,土地利用變化的生態環境效應研究開始受到人們的關注。土地利用的環境效應存在正負兩個方面,其中負面的環境效應相對更加突出,是土地利用環境效應研究的主要內容[14]。

表4 1978-2007年重慶主城區生態服務價值變化 億元

3.1 土地利用變化引起生態系統服務價值變化

對土地利用變化的環境效應的定量分析,根據重慶主城區生態系統服務價值系數(表2)和各土地利用類型面積(表3),計算出研究區的生態系統服務價值來定量化分析生態環境質量相對土地利用變化的演變。

由表4可以看出:1978年重慶主城區生態系統服務總價值為14.73億元,1993年為20.95億元,2007年為18.56億元,1978-1993年生態系統服務價值增長了6.22億元,而1993年后生態系統服務價值減少了2.39億元。其中建設用地和水田在兩個時段內呈持續減少,近30 a間共減少了1.48億元和3.74億元。灌木林在前期大幅度的增長14.73億元后在后期也出現了減少的趨勢。旱地和有林地在兩個時段也分別共減少了0.56億元和1.10億元。生態系統服務價值的變化說明是重慶直轄后,城市建設力度加大,建成區面積不斷擴大,侵占大量林地和耕地(旱地和水田),使得生態系統服務價值總量在1978-1993年間呈增長后在1993-2007年間出現減少。從各種土地利用類型引起的生態系統服務價值變化來看,近年來重慶主城區內建設用地增加,旱地和水田顯著減少,生態系統服務價值減少。30 a間土地利用結構的變化從生態服務價值角度判斷為不可持續。

表5 1978-2007年重慶主城區生態系統服務價值和敏感性指數

3.2 生態服務價值敏感性評價

應用上述敏感性指數的計算方法,對不同土地利用類型的生態服務價值系數分別下調整50%,計算出研究區的敏感性指數CS,如表5。結果表明:各種情況下,價值系數的敏感性指數CS都小于1,最低值為0.000 3,即當未利用地生態價值系數增加1%時,總價值增加0.000 3%;最高值為0.81,即林地生態系統服務價值系數增加 1%,總價值增加0.81%。這說明,主城區生態系統服務價值對于生態服務價值系數的變化是缺乏彈性的,研究結果可信。

4 結論與討論

(1)根據重慶主城區1978年、1993年、2007年 3期土地利用數據,分析了主城區近30年土地利用狀況,參照Costanza及謝高地等提出的相關生態系統的生態系統服務價值,確定出重慶主城區的生態系統服務價值系數,并估算了土地利用變化所引起的主城區生態系統服務價值的變化。結果表明,本文所選用的生態價值系數是比較合理的,以土地利用/覆被變化為基礎研究生態系統服務價值動態是可行的。

(2)重慶主城區近30 a間,城市建設用地面積由53.47 km2增加到329.07 km2,增加了6倍多,特別是1993-2007年,城市建設用地面積增加量占總增加量的85.17%。水田面積持續減少,總減少量為611.83 km2。灌木林在前期大幅度增加后也有相當量向城市建設用地轉化。生態系統總服務價值由1978年的14.74億元增加到1993年的22.58億元,生態環境朝著好的方向發展。但1993-2007年,生態系統總服務價值減少到了18.56億元,其中灌木林生態系統服務價值的減少最為顯著,占了總服務價值減少量的70.44%,另外水田生態系統服務價值的持續減少對生態系統服務總價值減少也有一定影響。這表明重慶成為直轄市后,城市建設速度加快,占用了城市周邊的大量林地和耕地,特別是林地的大面積減少,導致生態系統受到嚴重影響,今后應加強城市退耕還林措施的實施及環境保護、城市綠化等工作的有效開展。

(3)重慶成為直轄市以來,由于城市建設的高速發展致使區內生態系統價值有較大幅度的降低,生態系統受到嚴重影響。如不根據實際情況采取措施,土地利用變化所產生的生態環境效應會持續惡化,危及區內的生態環境安全。本文對1978-2007年研究區因土地利用類型時間變化而導致的ESV變化進行了初步探討,并做了定量分析,但沒有對ESV變化空間差異進行討論,這是今后應繼續加強研究的方面。

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