城市土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務的影響——以西安市為例

鐘 媛，趙敏娟

（西北農(nóng)林科技大學 經(jīng)濟管理學院，陜西 楊凌712100）

Costanza［1］和 Daily［2］等在1997年提出“生態(tài)系統(tǒng)服務功能是指生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過程中所形成的，維持人類賴以生存的自然環(huán)境條件及其效用”，其通過生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過程和功能直接或間接得到的生命支持產(chǎn)品和服務，而這些產(chǎn)品和服務支撐并保障了人類的生活。而土地作為人類社會生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，任何經(jīng)濟社會活動都需要通過土地來進行［3］。人類對土地的利用以及由此導致的土地覆被變化必然會導致其生態(tài)系統(tǒng)類型結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生改變，從而影響生態(tài)系統(tǒng)提供的服務種類和強度，引起生態(tài)系統(tǒng)服務價值的變化［4－5］。單純以經(jīng)濟增長為目的的土地利用方式已經(jīng)不能適應當代社會經(jīng)濟系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的要求了，必須在土地利用決策中引入生態(tài)系統(tǒng)服務價值核算，才能促進自然資源的合理開發(fā)，實現(xiàn)土地資源的可持續(xù)發(fā)展。

西安市作為西北地區(qū)的經(jīng)濟、政治和文化中心，其區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務價值受人類活動干擾甚巨，從區(qū)域生態(tài)安全與可持續(xù)發(fā)展的角度出發(fā)，研究土地利用／覆蓋變化背景下的土地生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化具有重要的意義。本文將從生態(tài)系統(tǒng)服務價值的角度，利用2001—2011年的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，運用各種土地利用相關(guān)指數(shù)，研究在土地利用變化下西安市的生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化，明晰兩者的關(guān)系，以期為區(qū)域土地資源的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護決策提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

西安市位于黃河流域中游的關(guān)中平原中部，地處東經(jīng)107°40′—109°49′、北緯33°49′—34°35′，南北寬約116km，東西長約204km，呈狹長形狀，總面積為10 108km2。西安市土地資源相對豐富，市域內(nèi)山地、丘陵、平原、臺塬、河谷等地貌類型多樣，其地勢南高北低，南部為橫亙東西的秦嶺中、高山地，以林地、牧草地、未利用地為主；北部為渭河沖積平原和黃土臺塬，以耕地、園地、城鎮(zhèn)建設用地和文物遺址保護用地為主。市域?qū)贃|亞暖濕帶半濕潤大陸性季風氣候，四季分明，氣候溫和，西安市及各郊縣年均氣溫13.0～14.5℃，溫度最高的7月，其平均氣溫為27.4℃，而1月最冷，月平均氣溫為－0.2℃；年日照時數(shù)達1 594h，年均降水量723.6mm，具有夏豐秋多，冬欠春少的特點，且地域分布南多北少，西大于東。西安市下轄未央、蓮湖、新城、碑林、雁塔、灞橋、閻良、長安、臨潼9區(qū)和周至、戶縣、高陵、藍田4縣，作為西北地區(qū)的經(jīng)濟、政治、文化中心，2011年末常住人口為851.34萬人，其中非農(nóng)業(yè)人口為596.79萬，占70.10%。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及地類劃分

本文所涉及的西安市土地利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于2001—2011年《陜西省土地利用數(shù)據(jù)現(xiàn)狀集》，人口、經(jīng)濟、社會數(shù)據(jù)來自西安市統(tǒng)計局發(fā)布的《西安統(tǒng)計年鑒》（2002—2012年）及其他公開發(fā)表物。為使數(shù)據(jù)具有可比性，土地利用類型系統(tǒng)采用二調(diào)分類標準，根據(jù)研究需要以及實際情況，將其分為耕地、林地、園地、草地、水域、建設用地和未利用地7種類型。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用變化分析 土地變化速度可用單一土地利用動態(tài)度和綜合土地利用動態(tài)度來表示［6－7］。單一土地利用動態(tài)度可以對研究區(qū)一定時間內(nèi)某種土地利用類型變化的速度進行定量分析，其計算公式為：

式中：Ua——研究期初某種利用類型的土地面積；Ub——研究期末某種利用類型的土地面積；T——研究時長（年）；K——研究期內(nèi)該種利用類型土地的動態(tài)度。

而其綜合土地利用動態(tài)度可以用以下公式計算：

式中：LUi——監(jiān)測期初第i類土地利用轉(zhuǎn)換面積；ΔLUi－j——i類土地利用類型轉(zhuǎn)換為非i類土地利用類型面積的絕對值；T——監(jiān)測時長，當T時段設置為年時，LC的值為研究區(qū)的綜合土地利用動態(tài)度。

2.2.2 土地利用程度綜合指數(shù) 土地利用程度綜合指數(shù)是衡量土地利用深度與廣度的指標，通過其能對區(qū)域土地利用的綜合水平和變化趨勢進行定量分析，其計算公式可以表示為：

式中：Ai——區(qū)域內(nèi)第i級土地利用程度分級指數(shù)；Ci——區(qū)域內(nèi)i級土地利用程度分級面積百分比；n——土地利用程度分級數(shù)；L——研究區(qū)域土地利用綜合指數(shù)。根據(jù)劉紀遠等［8］的分級方法并結(jié)合本文實際情況，將西安市的土地利用類別賦值為：未利用土地為1級；林地、牧草地、水域為2級；耕地、園地為3級；建設用地為4級。當土地利用程度變化大于0時，代表該區(qū)域的土地利用處于發(fā)展期，否則就屬于衰退期或調(diào)整期。

2.2.3 土地利用結(jié)構(gòu)分析 土地利用系統(tǒng)的有序程度，可以用信息熵、優(yōu)勢度和均衡度來描述刻畫［9］。土地利用信息熵H表達式如下：

式中：Ai——第i種土地利用類型的面積；A——研究區(qū)土地總面積；Pi——第i種地類占總面積的百分比。基于信息熵公式可以計算土地利用結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢度和均衡度。

土地利用結(jié)構(gòu)信息熵大小，反映土地利用多樣性以及復雜程度。均衡度反映土地利用結(jié)構(gòu)的均衡性，計算公式為：J＝H／Hm，其中J∈［0，1］，Hm是指當各土地利用類型面積相等時的最大信息熵。優(yōu)勢度L＝1－J，反映了研究區(qū)域內(nèi)一種或幾種地類支配該區(qū)域土地類型的程度，與多樣性成反比。

2.2.4 土地生態(tài)系統(tǒng)服務價值核算 以Costanza等［1］對全球生態(tài)服務價值評估的部分成果為參考，謝高地［10－11］等人根據(jù)中國國情，將生態(tài)系統(tǒng)服務重新劃分為食物生產(chǎn)、原材料生產(chǎn)、氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、水文調(diào)節(jié)、廢物處理、保持土壤、生物多樣性保護和娛樂文化9項，通過調(diào)查問卷，在2003年建立了“中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位服務價值表”，并于2007年對其進行了修正。基于謝高地2007版生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量表，按以下原則計算生態(tài)系統(tǒng)服務價值：耕地對應農(nóng)田，園地取森林和草地的平均值，林地對應森林，牧草地對應草地，水域?qū)恿鳎矗蠢玫貙哪槍ξ靼彩械木唧w情況，以2001—2011年平均糧食產(chǎn)量4 793.83kg／hm2為基準，按2011年當?shù)厥袃r2.15元／kg，考慮到在沒有人力投入的自然生態(tài)系統(tǒng)提供的經(jīng)濟價值為1／7，求出不同生態(tài)系統(tǒng)單位面積的生態(tài)服務價值系數(shù)（表1）［12－13］。

表1 西安生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務價值 元／（hm2·a）

考慮到研究區(qū)實際情況以及目前研究進展，本文采用Costanza等的ESV估算公式來估算生態(tài)系統(tǒng)服務價值。計算公式為：

式中：ESV——生態(tài)系統(tǒng)服務價值；Ak——研究區(qū)第k種土地利用類型的面積；VCk——k種地類生態(tài)價值系數(shù)，即為單位面積上土地利用類型k的生態(tài)功能總服務價值系數(shù)；ESVf——生態(tài)系統(tǒng)單項（f項）服務價值功能；VCfk——研究區(qū)第k種土地利用類型的單項服務功能價值系數(shù)。

生態(tài)系統(tǒng)服務變差貢獻率是指某一區(qū)域的各種土地利用類型生態(tài)服務價值變化量所占生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化總量的比例，借此我們能測算出各種土地利用類型對生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化的影響程度［14－15］。其表達式為：

式中：ESVcc——生態(tài)系統(tǒng)服務變差貢獻率；ESVka，ESVkb——第k種土地利用類型在期初和期末的生態(tài)服務價值。

2.2.5 敏感性分析 生態(tài)環(huán)境敏感度是指在人類活動的影響下，區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生變化（改善或退化）的潛在可能性及其程度［16－17］。考慮到人為干擾、科技進步等各種因素對各生態(tài)系統(tǒng)生物量的影響，通過對相應的生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行調(diào)整，在單位面積服務價值的基礎(chǔ)上分別上下調(diào)整50%，利用敏感度（CS）來估算ESV隨時間變化對生態(tài)系統(tǒng)價值系數(shù)（VC）變化的依賴程度。計算公式如下：

式中：CS——敏感度；ESV——土地生態(tài)系統(tǒng)總服務價值量；VC——價值系數(shù)；i，j——生態(tài)價值系數(shù)調(diào)整前后的價值。當CS＞1時，表明ESV對VC富有彈性，當CS＜1時，說明ESV對VC——缺乏彈性的。

3 結(jié)果與分析

3.1 西安市土地利用結(jié)構(gòu)變化分析

3.1.1 土地利用變動分析 由表2可知，2001—2006年西安市土地利用格局有了明顯的變化，總趨勢為耕地、牧草地、水域和未利用地的面積在減少，林地、建設用地與水域的面積在增加。2001—2011年，林地面積所占的比例一直最高，且從41.30%上升到了47.69%；其次為耕地，雖然其面積從33.35%下降到29.29%，但仍然穩(wěn)居第二；建設用地的面積從10.78%上升到14.93%，以上三者由于比重高，雖然變化幅度也較大，但面積比例排行較穩(wěn)定。而牧草地的面積所占比例由7.78%急劇下降到2.35%，是面積變化幅度最大的土地利用類型，面積比由第四位下降到第五位，水域面積則先經(jīng)過小幅度增加后大量減少，面積百分比下降到第六位，園地面積在小幅度減少后大量增加，面積比一舉超越草地、水域面積上升到第四位，而未利用地面積則一直處于末位。

3.1.2 土地利用動態(tài)度及利用程度綜合指數(shù)分析 根據(jù)式（1），（2），（3），我們可獲得表3，表3可知，其從2001—2011年，土地的單一動態(tài)度都較快，其中牧草地的動態(tài)度是最大的，下降面積較為迅速，建設用地的單一動態(tài)度排第二，而未利用地在前五年稍有增加后大量減少，其動態(tài)度排第三。而10a間土地的綜合動態(tài)度達到了1.10%，從表3數(shù)據(jù)我們可以看出土地變動明顯集中在后五年。

在2001—2011年，隨著時間的發(fā)展，西安市各種土地利用類型的總體開發(fā)程度不斷在提高，都在250以上，說明研究區(qū)的土地利用程度相對較高，且西安市的土地利用2001—2011年總體處于發(fā)展期，耕地、牧草地、水域與未利用地在衰退，但在2001—2006年，出于衰退期的土地利用類型為耕地、園地和牧草地，其他地類都處于發(fā)展期，而2006—2011年，園地經(jīng)過調(diào)整后處于發(fā)展期，水域與未利用地反轉(zhuǎn)進入衰退期，其余趨勢不變。

在2001—2011年，隨著時間的發(fā)展西安市各種土地利用類型的總體開發(fā)程度不斷在提高，都在250以上，說明研究區(qū)的土地利用程度相對較高，且西安市的土地利用2001—2011年總體處于發(fā)展期，耕地、水域與未利用地在衰退，但在2001—2006年，除了耕地、園地和未利用地，其他地類都處于發(fā)展期，而從2006—2011年，園地經(jīng)過調(diào)整后處于發(fā)展期，草地與水域反轉(zhuǎn)進入衰退期，其余趨勢不變。

表2 2001－2011年西安市土地利用／覆蓋變化

表3 土地利用動態(tài)度及程度綜合指數(shù)

3.1.3 土地利用結(jié)構(gòu)分析 隨著時間的推移，西安市土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大的改變，信息熵從2001年的1.42上升到2011年的1.30，優(yōu)勢度從2001年的0.21上升到11a的0.27，均衡度從0.79下降到0.73（表4），說明這10a來，隨著西安市經(jīng)濟社會的發(fā)展，其土地利用結(jié)構(gòu)總體朝著不均勻、單一化發(fā)展，耕地、林地以及建設用地處于主導地位，不利于生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)健康發(fā)展。

表4 西安市2001－2011年土地利用結(jié)構(gòu)指數(shù)

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化分析

3.2.1 各地類生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化 根據(jù)式（5）、表1計算得出西安市2001—2011年生態(tài)系統(tǒng)服務價值總變化以及各地類的變化（表5）：（1）2001—2006年，西安市的生態(tài)系統(tǒng)服務價值呈現(xiàn)出一種平穩(wěn)狀態(tài)，總體生態(tài)系統(tǒng)服務價值由255.02億元上升到261.17億元，變化率僅為0.28%，其中林地的生態(tài)服務功能貢獻率最大，由172.85億元上升到176.63億元，貢獻率上升了1.29個百分點，對總生態(tài)服務價值起正面作用，對其增加的價值變差貢獻率為529.51%；其余的地類中，耕地、園地和草地的生態(tài)服務價值分別下降了2.67億元，0.03億元，0.49億元，水域及未利用地價值則有所上升，分別增加0.08億元，0.04億元。（2）在2006—2011年，西安市的生態(tài)系統(tǒng)服務價值呈緩慢上升趨勢，其總量增加了5.435億元，林地依然是貢獻率最大的地類，耕地、草地、水域、未利用地的生態(tài)系統(tǒng)服務價值相對2006年少，而園地、林地的價值則有所上升。

10a間，西安的生態(tài)系統(tǒng)服務價值上升2.41個百分點，雖然耕地的面積一直在減少，其ESV由2001年的39.21億元下降到34.44億元，但其因為面積基數(shù)大，貢獻率一直占居于第二，在2011年為13.19%；而園地的生態(tài)服務價值變化由于其面積總體呈增加趨勢，2011年相對2001年增加了1.25億元，占總服務價值的3.44%，在各土地類型中排名第四；林地的ESV貢獻率一直是最大的，并隨著時間逐步提高，于2011年達到了76.42%，生態(tài)系統(tǒng)服務價值為199.59億元；而草地的急劇減少顯著降低了總體生態(tài)系統(tǒng)服務價值，10a來其服務價值減少了9.44億元，貢獻率由5.30%下降到1.56%，貢獻率排名第五；水域的生態(tài)服務價值系數(shù)是最高的，由它面積的減少使總體服務價值下降了7.57億元，貢獻率從8.44%下降到5.34%，但貢獻率仍排第三；未利用地整體變化趨勢與水域相似，其生態(tài)系統(tǒng)服務價值在2011年為0.13億元，占0.05%。各地類的生態(tài)服務價值排名由2001年的林地＞耕地＞水域＞草地＞園地＞未利用地變?yōu)?011年的林地＞耕地＞水域＞園地＞草地＞未利用地。從生態(tài)系統(tǒng)服務價值的構(gòu)成來看，耕地與林地的生態(tài)系統(tǒng)服務價值占據(jù)整個價值的近90%，是生態(tài)系統(tǒng)的主體部分。

3.2.2 單項生態(tài)服務價值變化及生態(tài)價值構(gòu)成分析 表6表明，在2001—2011年，食物生產(chǎn)、水文調(diào)節(jié)和廢物處理的生態(tài)服務價值呈下降趨勢，分別下降了8.92%，1.88%和10.00%。而原材料生產(chǎn)、氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、保持土壤、生物多樣性保護、娛樂文化都出現(xiàn)上升趨勢，分別上升 10.95%，7.69%，5.49%，3.46%，4.67%和2.94%。由于建設用地面積的大幅度增加，使得生態(tài)系統(tǒng)服務功能中的廢物處理與水文調(diào)節(jié)功能價值大幅度下降，但因為西安市生態(tài)退耕工程的有力實施，使大量土地轉(zhuǎn)化為林地和園地，且這兩種地類的各項生態(tài)價值系數(shù)較高，使得生態(tài)系統(tǒng)服務的總體價值得以鞏固并上升。在2001年，西安市各項土地生態(tài)服務價值排序為水文調(diào)節(jié)＞生物多樣性保護＞保持土壤＞氣候調(diào)節(jié)＞氣體調(diào)節(jié)＞廢物處理＞原材料生產(chǎn)＞娛樂文化＞食物生產(chǎn)，這個排序直至2011年，氣體調(diào)節(jié)價值超過氣候調(diào)節(jié)，上升至第四位。

表5 西安市2001－2011年生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化

表6 2001－2011年各項服務功能產(chǎn)生的價值

3.3 敏感性分析

根據(jù)公式（7），將各土地利用類型的價值系數(shù)上下調(diào)整50%，由此計算出的價值系數(shù)的敏感度（CS）如表7所示。從中我們可以知道2001年，2006年以及2011年的敏感度指數(shù)都小于1，按敏感度排序為林地＞耕地＞水域＞草地＞園地＞未利用地，其中林地的敏感度指數(shù)最大，在0.7左右，這是因為林地的占地面積大，單位面積服務價值系數(shù)高所導致的，而未利用地的敏感度指數(shù)最小，接近于0，其余地類的敏感度指數(shù)都介與0～0.15之間。以上結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)服務價值對其價值系數(shù)缺乏彈性，研究結(jié)果是可信的。

表7 價值系數(shù)調(diào)整后總服務價值的百分比變化和價值系數(shù)的敏感度

4 結(jié) 論

土地利用／覆蓋變化是人們改造自然的主要方式，土地利用在給人類帶來巨大的經(jīng)濟效益的同時，也因為改變了地表的生態(tài)系統(tǒng)而影響到其為人類提供的服務功能及價值。定量化的反映生態(tài)系統(tǒng)服務價值的變化可以得知土地利用的生態(tài)結(jié)果，而這種定量描述的土地利用結(jié)果對于把握土地利用的生態(tài)效益，合理編制土地利用規(guī)劃具有重要的意義。本文通過對2001—2011年西安市土地利用變化以及生態(tài)系統(tǒng)服務價值演變進行研究，可以得出以下結(jié)論：

（1）研究區(qū)10a來土地利用變化表現(xiàn)為2001—2006年穩(wěn)定變化與2006—2011年快速變化兩個階段，整體變現(xiàn)為“三增四減”，具體為林地、建設用地和園地面積增加，耕地、草地、水域、未利用地面積減少。西安市土地利用總體朝著單一化發(fā)展，多樣性和均衡性均有所下降，這不利于生態(tài)環(huán)境的發(fā)展。

（2）西安市生態(tài)系統(tǒng)服務價值由2001年的255.02億元上升到2011年的261.17億元，凈增加6.15億元，主要是林地的面積增加帶來的，由于其增加面積大，生態(tài)價值系數(shù)高，在建設用地面積大量增加的同時，使得總體生態(tài)系統(tǒng)服務價值不降反升。而在西安市提供的各項生態(tài)系統(tǒng)服務中，水文調(diào)節(jié)產(chǎn)生的價值最大，其次是生物多樣性保護、保持土壤、氣候調(diào)節(jié)和氣體調(diào)節(jié)功能，而廢物處理、原材料生產(chǎn)、娛樂文化功能相對較弱，食物生產(chǎn)則為最弱的生態(tài)服務功能。

（3）區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務價值的變化與土地利用變化密切相關(guān)。在分期研究中，西安市前五年的生態(tài)系統(tǒng)服務價值平穩(wěn)運行略有增加，而后五年的價值則提高較快，與之相對應的是研究期前五年研究區(qū)的單一土地利用變化和土地利用程度綜合指數(shù)較小，而后五年西安市的土地利用變化動態(tài)度較大。

（4）生態(tài)系統(tǒng)服務價值對于生態(tài)系統(tǒng)價值系數(shù)的敏感度指數(shù)（CS）均小于1，說明本研究基于謝高地價值系數(shù)的生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值核算結(jié)果在本區(qū)域內(nèi)具有較高的可信度，其中林地的敏感度指數(shù)最高，說明林地的變化對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響最大。

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