基于城鄉接合部土地利用變化的生態系統服務價值研究

羅春香++楊君++段建南

摘要：基于2000年、2008年和2013年3期土地矢量數據，根據土地利用結構分析其動態變化；針對城鄉接合部特點，考慮建設用地生態負效應，對單位面積生態系統服務價值（ecosystem service value，ESV）系數進行修正；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；采用相關分析法，探討了城鄉接合部土地利用類型變化與ESV之間的關聯特征。結果表明：耕地面積快速減少，建設用地比重上升；ESV總體呈下降趨勢，降幅達16.10%，各單項生態服務功能價值也有不同程度減少；各鎮空間變化存在明顯差異，總體上是離中心城區越近變化越顯著；ESV與耕地、林地、草地、建設用地在0.01水平上顯著相關，與草地、耕地、林地、水域、未利用地面積呈正相關并且相關系數為降序排列，與建設用地面積呈負相關。

關鍵詞：土地利用；生態系統服務價值；城鄉接合部；時空變化

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

生態系統是當前生態學和地理學研究的前沿和熱點問題，它是連接自然和人文的紐帶。城鄉接合部作為人工和自然2種截然不同的生態系統的過渡區，在城鄉發展過程中，其土地利用與生態環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，城鄉接合部的生態環境問題越來越受到重視。Costanza在20世紀90年代開展全球生態系統服務價值計算的研究后，生態服務價值成為國內外學者的研究熱潮，國內學者對全球或區域性[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]等大尺度區域ESV進行了評估。但是，對城鄉接合部土地利用變化和ESV之間關系的研究并不多見。

本研究把城鄉建設用地等人工生態系統納入到ESV的核算體系，在城鄉接合部小尺度區域背景下對ESV進行定量分析、比較其區域間變化特征，可為城鄉接合部土地利用規劃、城市擴張提供實證數據，從生態價值經濟核算角度來保護耕地和實現社會經濟可持續發展，對促進區域生態建設、合理有序進行城市擴張具有重要意義。

1研究區域與研究方法

1.1研究區概況

本研究區域包括湖南省長沙市望城區的星城鎮、黃金鄉、雷鋒鎮、白箬鋪鎮4個鄉鎮（圖1），位于湖南省長沙市區西北角，西臨湘江，南接長沙市岳麓區，北連望城城區，西接寧鄉夏鐸鋪鎮，是望城區與省會長沙的接合部。境內交通干道漁網交錯，交通極為便捷，區位優勢得天獨厚，是長沙通往湘西北的咽喉要地。其中星城鎮、黃金鎮現已納入長沙市區規劃范圍；雷鋒鎮是中國村鎮建設試點集鎮，工商業發達，2008年起委托長沙高新區管理；白箬鋪鎮生態環境優美，境內金洲大道、長常高速、國道G319橫貫東西，交通便利。2013年末研究區域總面積為30 198.69 hm2，總人口為178 327人。

1.2數據來源與處理

空間數據源為研究區2000年、2008年和2013年土地利用矢量數據。其中，2000年和2008年數據來源于中國科學院的土地利用/土地覆被矢量數據；2013年土地利用矢量數據，是根據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。社會經濟數據來源于國家統計局、同期《湖南統計年鑒》、《長沙統計年鑒》和《望城年鑒》。

本研究參照中國科學院資源環境數據庫土地資源分類體系，結合研究區域自然條件和土地利用特征，將研究區域土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用土地6大類，利用Arcgis 9.3軟件匯總不同年度各鄉鎮土地利用結構數據（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度[9]來描述研究區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T的時段設定為年時，K為該區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土地利用程度綜合指數能反映區域土地利用集約程度高低[9]，Lb-La表示從a時間到b時間區域土地利用程度的變化量。當Lb-La>0時表示該研究區域土地利用處于發展時期，反之則處于調整期或者衰退期。

L=100×∑ni=1At×Ci，L∈[100，400]。（2）

式中：L為區域土地利用程度綜合指數；Ai為區域內第i級土地利用分級指數[10]；Ci為區域內第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。

1.3.3生態系統服務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：林地對應森林生態系統，草地對應草地生態系統；耕地對應農田生態系統；濕地與河流湖水面對應水域生態系統；未利用土地對應荒漠生態系統。

建設用地包括城鄉、工礦及居民用地，它不屬于自然生態系統，是只有消耗者沒有生產者的人工生態系統。許多學者在研究ESV時，常不考慮建設用地的生態服務價值，本研究根據城鄉接合部的實際情況，計算建設用地的服務價值總量。主要考慮三廢的排放和城鄉用水問題對環境的負作用，分別應用市場價值法和防治成本法，對建設用地的水源涵養功能和廢物處理功能的ESV系數進行估算。

建設用地單項ESV系數計算方法：

水文調節（負）VCa=Qa×Pa/A；（3）

廢物處理（負）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ESV計算方法：

ESV=∑Ak×VCk；（5）

ESVf=∑Ak×VCfk。（6）

式中：ESV為研究區生態服務總價值，元；Ak為第k種土地利用類型面積，hm2；VCk為單位面積生態系統服務價值，元/hm2；VCfk為單項生態功能價值系數，元/hm2；ESVf為單項生態功能價值。

2土地利用變化分析

2.1土地利用類型結構變化

圖2表示2000年、2008年和2013年研究區的土地利用結構變化，土地總面積為30 198.69 hm2，土地利用率達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，大河西先導區和湘江旅游黃金走廊的規劃覆蓋。

2.2土地利用動態變化

由表2可知，研究區土地利用類型結構發生了顯著變化，土地利用變化幅度大，總體趨勢是：耕地、林地持續減少，建設用地持續增加。2008—2013年耕地減少最多（1 181.36 hm2），降幅達10.55%；建設用地增加最多（2 35630 hm2），增幅達42.30%。

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

2.3土地利用強度變化

研究區土地利用程度綜合指數在265.34%～313.74%之間，各鎮土地綜合利用強度均有所增長；La-Lb均大于零，表明研究期內該區域的土地利用處于發展時期。城鎮建設用地比重能反映區域社會發展的程度，比重越高，說明土地利用變化越活躍，利用程度也越高。城鎮建設用地由2000年的13.27%增加到2013年的26.25%，表明其在土地利用結構中的影響力越來越大。其中星城鎮建設用地比重最大，由2000年的13.95%增加到42.53%（表1），土地利用程度綜合指數受其影響，指數值也較高，土地利用程度變化率達到1487%，農業主導用地轉變為城鄉結合用地速度最快；白箬鋪鎮土地利用強度變化率較小，林地為主導用地，利用強度還有很大提升空間（表3）。

2.4土地利用轉移

建設用地的轉入率較高，耕地和林地流出量大，耕地轉出的數量明顯比轉入大得多，其中耕地轉化為建設用地是轉化最多的類型。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%，基本上都轉為建設用地；林地流出面積分別占初期林地面積的5.81%、9.55%，全部轉為建設用地。這種變化類型多集中于人類活動比較活躍的地區，如中心城區的邊緣區以及原有的農村居民點附近，城市與鄉村用地、耕地與建設用地矛盾最為突出的地區。

3生態系統服務價值的評估結果及分析

3.1單位面積生態系統服務價值系數

借鑒Costanza等的ESV計算方法[11]，對中國生態系統單位面積生態服務價值當量表[12]進行農田生態系統生物量因子[13]修正（湖南省系數為1.95）。查詢同期《湖南省統計年鑒》[14]相關數據，計算得到2000—2013年望城縣和湖南省糧食單產分別為6 543.14、5 767.81 kg/hm2，2013年望城糧食平均價格為2.63元/kg，為全國農田ESV系數平均水平的195×1.13=2.2倍。參考謝高地等關于單位生態服務價值當量因子的經濟價值為當年平均糧食產量市場價值1/7的方法[15]，計算得到研究區農田自然糧食產量的經濟價值約為（6 543.14×2.63）/7=2 458.35元/hm2。研究區域不同生態系統單位面積ESV見表4和表5。

3.2生態系統服務價值時序變化

以研究區域2000年、2008年、2013年3期土地利用矢量數據為基礎，根據公式（5）、公式（6）分別計算出2000—2013年研究區ESV變化（表6）和生態系統單項服務功能價值變化（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99%以上的生態服務價值。從價值總量的時序變化看，2000年、2008年、2013年研究區的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16.10%。從ESV減少數量類型看，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。這表明研究區域ESV整體呈下降趨勢，主要原因是建設用地急劇增加，占用生態價值相對較高的林地、耕地等。

從表7可知，研究期間區域單項生態服務功能價值也呈減少趨勢，在2000—2008年、2008—2013年2個時期，生態系統單項服務價值總量分別減少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研究區建設用地生態系統單位面積生態服務價值

生態系統服務類型水文調節（負）廢物處理（負）計算方法居民用水工業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：數據來源于《長沙統計年鑒》、中國水網；固體廢棄物計費標準按《排污征收標準及計算方法》；廢氣主要為二氧化硫和煙粉塵，計費標準按發改價格[2014]2008號文件《關于調整排污費征收標準等有關問題的通知》，每當量1.2元（二氧化硫和煙粉塵的當量值分別為0.95 kg和2.18 kg）。

文調節>保持土壤>維持生物多樣性>廢物處理>氣候調節>氣體調節>原材料>食物生產>提高美學景觀。各單項生態系統服務價值減少，主要和各生態系統類型地類面積有關，如原材料主要由森林生態系統供應，林地面積的減少可導致原材料功能價值的減少，建設用地面積增加導致水文調節和廢物處理功能等多項價值減少。

3.3生態系統服務價值空間分異

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

3.4生態系統服務價值與土地利用變化的關系

ESV與土地利用變化是相互制約和影響的關系，但是它們之間不是簡單的線性關系。運用SPSS 17.0軟件進行Pearson相關性分析，結果顯示：耕地、林地、草地、建設用地在001水平上顯著相關，水域和未利用地在0.05水平上顯著相關，研究區ESV與草地的相關系數最大，為0.766；其次是耕地、林地、水域、未利用地、建設用地，分別為0.515、0.318、0.193、0.156、-0.309。研究區ESV變化與建設用地面積呈負相關，此類用地的增長是導致研究區總體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系統服務效益遠低于耕地、林地減少和建設用地擴張所產生的生態價值損耗。因此保護當地生態環境要根據ESV與各土地利用類型面積相關性程度來調節各類用地面積，同時還要提高建設用地節約集約程度。

4結論與討論

（1）研究區土地利用情況在2000—2013年間發生了較大的變化，總體上為耕地、林地、水域面積快速減少，建設用地比重呈上升趨勢，導致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16.10%，說明隨著城鎮化的加速，研究區生態環境面臨的壓力將越來越大。

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

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

采用時空分析方法，可直觀地描述研究區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，由于土地矢量數據與實際情況存在一定誤差，加上生態系統本身的復雜性和動態性，以及存在重復計算、尺度轉換等問題，決定了本研究所采用方法計算的生態系統服務價值只是一個粗略的估算。因此，如何規避由于以上因素產生的同一地區ESV絕對量存在差異的現象值得進一步探討。

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