資源型城市土地利用變化對生態系統服務價值的影響
——以安徽省淮南市為例

陳永春, 鄧國志

土地是人類賴以生存的基礎，土地利用作為人類最基本的實踐活動，人類發展的歷史就是不斷對土地加以開發利用和對土地覆蓋進行改造的歷史[1]。隨著各類開發活動對土地利用方式產生的影響日益廣泛,土地利用/土地覆被變化(LUCC)不僅帶來了地表結構的巨大變化，而且對生態服務造成重要的影響。全球生態系統服務價值的變化等問題越來越被人們關注，并且逐漸成為全球研究的熱點之一[2]。生態系統服務指生態系統的結構、組成與生態過程所形成及維持的人類賴以生存的自然環境條件及效用[3-4]。土地利用變化會引起相關生態系統的結構和功能發生變化,生態系統服務價值(ecosystem service values， ESV)也隨之改變。生態系統服務價值的喪失和退化影響著土地利用結構和效率，嚴重影響著人類安全與健康，直接威脅著區域乃至全球的生態安全[5]。因此，在資源開發和社會經濟快速發展的大背景下，研究土地利用變化對生態系統服務價值的影響，對于識別區域生態環境變化趨勢、指導土地利用格局優化調整、促進經濟—社會—生態三者之間的協調可持續發展具有重要意義[6-8]。自20世紀70年代起，國外眾多學者[9-14]對生態系統服務價值的理論、評價、估算和應用進行了大量的探索和研究，其中Costanza[9]研究提出的生態系統服務價值的核算方法為定量評估土地利用/覆蓋變化對生態系統服務價值的影響提供了有效途徑。國內學者對生態系統服務價值的研究進程相對較晚，從20個世紀90年代開始，國內學者借鑒了國外的研究成果和經驗，并取得了一定的成就國內學者[15-22]也開展了生態系統服務價值評價模型和生態系統服務價值系數等研究。謝高地等[15-18]在參照美國科學家Costanza部分成果的基礎上．制定出符合中國實際的生態服務價值系數。近些年來，學者們開始研究土地利用變化過程中的生態環境效應．但其中大多局限于對生態效益的定性分析．對生態系統服務價值進行定量分析的鮮見報道，尤其對受人類干預較大，產業結構單一，典型資源型城市土地利用變化過程中的生態環境效應綜合研究更少。淮南市是一個典型以煤炭為支柱產業的資源型城市，煤炭資源極為豐富，擁有中國東南地區資源條件最好、規模最大的煤田，是中國6大煤電基地之一。與此同時，淮南市地處淮河平原，是我國重要的糧食生產基地。由于淮南地區煤層埋藏較深，且潛水位較高，煤炭長期持續開采，導致地表沉陷，區域土地利用類型發生變化，生態系統類型發生轉變(由陸地生態系統轉變為水陸生態系統)，導致地區生態系統服務功能發生變化，進而影響整個地區經濟、社會和環境的可持續發展。本研究以淮南市為研究區域，以土地利用遙感解譯數據為信息源，以生態系統服務價值為量化指標，通過測算出淮南市10 a間的生態服務價值的變化量，揭示該區的自然生態環境的變化情況，為淮南市生態、經濟、環境可持續發展和生態環境保護提供科學依據，同時也對淮南市今后進行城市開發建設和農業發展提供參考。

1 研究區概況

淮南市位于淮河中游，安徽省中部偏北，地處東經116°21′—117°11′，北緯32°32′—32°56′。地形多樣，地勢南高北低。土地利用類型以耕地為主，水域和工礦用地面積達到土地總面積20%以上，而林地及草地相對較少。淮南屬大陸性暖溫帶半濕潤季風氣候，氣候溫和，雨量適中，日照充足，四季分明。2011年淮南市國內生產總值達到709.54億元,同比增長17%。人口為245.6萬，其中農業人口為131.9萬。

2 研究方法

2.1 數據來源及土地分類處理

土地利用變化數據是以中國遙感衛星地面站2000和2010年Landsat TM衛星影像為數據源(分辨率為30 m)。以橫軸墨卡托投影建立地理坐標系統，將兩期TM衛星影像與研究區地形圖進行幾何精校正。

土地利用調查表明淮南地區的未利用土地數量較少，且使用的Landsat遙感數據空間分辨率受限，無法將未利用土地單獨區分。因此，本研究在參照中國科學院資源環境科學數據庫的土地利用類型分類基礎上，將未利用土地納入到耕地，即將土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、建設用地5大類。

2.2 土地利用變化數據獲取方法

主要包括： ①根據遙感影像，參照研究區地形圖、野外GPS點位及其它輔助資料，建立五種不同地類解譯標志。②在ERDAS軟件支持下，對影像進行監督分類及柵格矢量轉換，形成初步分級的coverage圖件。③借助ARC/INFO操作命令，將人工勾繪及拓撲成區后coverage圖件轉換成ARCGIS可編輯的shape文件。④在ARCGIS中，根據地類的解譯標志，進行人機交互式判讀解譯，對shape文件的土地利用類型代碼進行屬性賦值，制作形成2000,2010年的土地利用/覆蓋分布圖(圖1)。

圖1 淮南市2000，2010年土地利用解譯結果

2.3 土地利用類型動態度

為了定量反映研究時段內，研究區域某種土地利用類型的數量變化，本研究引入土地利用類型動態度(K)進行描述，其計算公式為：

(1)

式中：K——研究時段內某一土地利用類型動態度，即該研究區某種土地利用類型年變化率；Ua，Ub——研究初期及研究末期某一種土地利用類型的數量；T——研究時段長(a)。

2.4 生態系統服務價值評價方法

自20世紀70年代起，人類就開始對生態系統服務及其價值進行研究，但由于地球生態系統提供的服務絕大部分價值難以準確計量，以及缺乏相應的價值評估理論與方法體系等原因，導致研究進展緩慢。1997年Costanza等[9]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。本文應用Costanza等提出的估算方法來評估研究區的生態系統服務價值，具體計算公式為：

ESV=∑Ak·VCk

(2)

ESVf=∑Ak·VCfk

(3)

式中：ESV——研究區生態系統服務價值；Ak——研究區第k類土地利用類型的面積； VCk——第k種土地利用類型的生態系統服務功能的價值系數，即單位面積生態系統的服務價值(元/hm2·a); ESVf——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。

2.5 生態系統服務價值系數的確定

早期，國內外學者均采用Costanza給定的生態系統服務價值系數對不同類型生態系統服務價值進行核算。隨著應用日趨廣泛，發現Costanza所給定的耕地生態系統服務價值系數偏低，而濕地偏高[23]。因此，謝高地等[15-17,24]根據中國實情，參考Costanza的研究成果，將不同類型生態系統服務功能分為歸納為氣體調節、氣候調節、水源涵養、土壤形成與保護、廢物處理、生物多樣性、食物生產、原材料、娛樂文化9項，制定了我國陸地生態系統單位面積生態服務價值表(生態系統服務價值系數)。為了盡量減少在中國應用時的誤差，本研究采用價值量評價法，借鑒謝高地等[17]提出的中國陸地生態系統單位面積生態服務價值表和生態服務價值的區域修正系數，確定淮南市不同土地利用類型相對應的生態系統類型及生態價值系數，其中建設用地不考慮在內。

2.6 敏感性分析

生態環境敏感度是指區域生態系統在人類活動的影響下發生變化(退化或改善)的潛在可能性及其程度[25]。為了確定ESV隨時間變化對單項服務功能價值系數(VC)變化的依賴程度，本研究借用敏感性指數(coefficient of sensitivity, CS)對此進行分析，CS的含義是指VC變動引起ESV的變化情況，如果CS>1，說明ESV對VC是富有彈性的，即1%的自變量變動將引起應變量大于1%的變動，這種情況準確度差，可信度較低；如果CS<1，則說明ESV對VC是缺乏彈性的，即1%的自變量變動將引起應變量小于1%的變動，這種情況是可信的。

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(CS)計算公式為：

(4)

式中：ESV——估算的總生態系統服務價值； VC——單項服務功能價值系數；i，j——初始總價值和生態價值系數調整以后的總價值；k——各土地利用類型。

3 結果與分析

3.1 淮南市土地利用變化

由表1可知，2000及2010年淮南市土地利用類型以耕地、居民地及工礦用地和水域為主，三者面積占90%以上，林地和草地面積相對較小。其中耕地面積所占比例最大，2000及2010年分別占73.43%及62.16%，草地所占面積最小，分別占0.69%及0.93%。總體上，從2000—2010年，淮南市耕地、林地面積呈下降趨勢，其中下降百分比最大是是耕地，而草地、居民地及工礦用地、水域呈增加趨勢，增加百分比最大的是居民地及工礦用地，其次是水域。淮南市減少的耕地主要轉化為居民地及工礦用地和水域，這與淮南市近年來煤礦開采力度加大，相關產業快速發展密切相關。隨著煤礦開采，導致大面積地表沉陷，形成積水水域，從而導致水域面積明顯增大。進一步分析淮南市土地利用類型動態度(K)發現，在所有增加的地類中，居民地及工礦用地年變化率最大，每年增加4.90%；水域、草地的年增長速率也較大，分別達到4.19%，3.57%，而林地的年減少速率為3.26%。但是，由于林地和草地的面積底數很小，故空間變化不顯著；雖然耕地的年變化速率最小，為1.53%，但因其基數最大，所以面積減少較多，空間變化明顯。

表1 淮南市典型年土地利用類型面積統計及動態變化

3.2 淮南市生態系統服務價值變化

土地利用類型及植被覆蓋變化，導致區域生態系統服務價值發生變化。本研究利用謝高地制定的生態系統服務價值的價值系數，并根據Costanza提出的計算生態系統服務價值的計算公式(2)，對淮南地區典型年2000及2010年的生態系統服務價值進行計算，結果詳見表2。從表2可以看出，2010年淮南市生態系統服務價值為11.33億元，與2000年生態系統服務價值11.72億元相比,減少了0.39億元，減幅達3.33%。生態系統服務功能的主要提供者是耕地和水域；2000年這兩類生態系統的服務價值分別占總服務價值的62.55%和33.94%,2010年占總服務價值的50.97%，46.35%。從生態系統服務價值動態變化來看，10 a間耕地、林地和居民地及工礦用地所提供的生態服務價值呈明顯下降趨勢,其中耕地的生態系統服務價值減少了1.30億元,減幅達15.31%；林地的生態系統服務價值減少了0.12億元,減幅達30.77%。

由于居民地及工礦用地土地利用類型生態系統的服務價值為負值，因此即使該類型土地面積增加，總的服務價值反而減少，10 a間減少了0.91億元,減幅達48.66%。10 a間，水域和草地的生態系統服務價值呈明顯增加趨勢，其中水域生態系統服務價值增加了1.93億元,增幅達41.87%；草地的生態系統服務價值增加了0.03億元,增幅達37.50%。總體上，水域增加的難以彌補耕地減少和居民地及工礦地增加所造成的生態價值損失，從而導致10 a間總體生態系統服務價值下降。

表2 淮南市各類型生態系統服務價值及其變化

3.3 淮南生態系統單項服務功能價值(ESVf)變化

采用公式(3)計算得出淮南市生態系統單項服務功能價值(ESVf)，結果詳見表3。由表3可知，廢物處理、土壤形成于保護、氣候調節、食物生產和生物多樣性是其主要的生態服務功能。2000—2010年淮南市生態系統單項服務功能價值變化的總體趨勢是：土壤形成與保護、廢物處理、休閑娛樂在增加，氣候調節、氣候調節、水源涵養、生物多樣性保護、原材料和食物生產在減少。

其中，休閑娛樂增幅最大，變化率達37.7%，這主要是由休閑娛樂價值系數最高的水域的增加引起的；水源涵養減少最大，變化率為78.36%，主要是對水源涵養產生負效應的居民地及工礦用地增加造成的。

表3 淮南市生態系統各單項服務價值及其貢獻率

3.4 淮南生態系統服務價值敏感性分析

本文前述公式(4)給出了敏感性指數(CS)的計算方法，為了計算方便，本文將各土地利用類型的生態價值系數分別上下調整50%來計算淮南市2000,2010年的生態系統服務價值(ESV)變化及CS值詳見表4，以此說明ESV對單項服務功能價值系數(VC)的敏感程度。

表4 淮南市生態系統服務價值敏感度

從表4可以看出,在典型年2000,2010年不同土地利用類型之間價值系數的敏感性指數變動較大，具體表現為：耕地>水域>居民及工礦用地>林地>草地，兩年之間差別較小,均小于1，由此表明研究區內ESV對VC是缺乏彈性的，所采用的生態服務價值系數是適合當地情況的，區域研究結果是可信的。從計算的敏感性系數可以發現林地、草地的敏感性指數都很小，在0.006 8～0.033 0之間，表明林地、草地的生態系統服務價值系數變化對淮南市生態系統服務價值的變化影響不大。而耕地的敏感性指數最高，在0.63～0.72之間，表明耕地的生態系統服務價值系數對區域生態系統服務總價值產生放大作用，貢獻率很大。

4 結 論

(1) 2000—2010年淮南市耕地、林地面積呈下降趨勢，其中下降率最大的是耕地，而草地、居民地及工礦用地、水域呈增加趨勢，增加百分比最大的是居民地及工礦用地，其次是水域。

(2) 對淮南市生態系統服務價值的分析表明，從2000—2010年淮南市生態系統服務的價值總量呈下降趨勢，減少0.39億元，減幅達3.33%，其中林地地生態服務價值的減幅最大，達到-30.7%，其次是耕地。居民及工礦用地生態服務價值的增幅最大，達到48.66%，其次是水域和草地。

(3) 對淮南市生態系統單項服務價值的分析表明，從2000—2010年淮南市生態系統單項服務功能價值中,娛樂休閑增加幅度最大，達37.70%,這主要是由于娛樂休閑價值系數最高的水域增加引起的。水源涵養減少最大達78.36%,這主要是由于對水源涵養產生負效應的居民地及工礦用地增加造成的。

(4) 敏感性指數表明，研究區耕地、水域、林地、草地和居民地及工礦用地的敏感性指數都小于1，表明研究區生態系統服務價值對于生態價值系數是缺乏彈性的。

(5) 土地利用變化改變著生態系統結構和過程，也影響著區域生態系統向社會提供產品和服務能力的大小。人類活動對生態系統的干擾和破壞，是導致生態系統結構功能脆弱及生態系統服務價值降低的主要原因。

淮南作為一個資源型城市，煤炭資源的持續不斷開發，土地沉陷面積增加，水域和居民地及工礦用地增加造成的生態價值損失，從而導致2000—2010年總體生態系統服務價值下降。因此，當地政府管理部門應高度重視土地利用變化生態系統服務價值的影響，從生態系統服務的角度，更加科學進行土地利用規劃及生態環境保護等，優化調整土地利用結構，注重增加生態用地，穩步提升區域生態系統服務價值。另外，多數學者僅開展土地利用數量和結構變化對生態系統服務價值的影響進行了研究，缺乏土地質量變化和土地利用變化對生態系統服務價值空間差異的研究，下一步應加強這方面的研究。