臨湘市“三生”用地變化及其生態系統服務價值響應

劉艷中, 孫榮澤, 陳 章, 陳 勇, 張 祚, 李曉林

(1.武漢科技大學 資源與環境工程學院/冶金礦產資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室, 武漢 430081; 2.華中師范大學 公共管理學院, 武漢 430079; 3.湖北沐源科技有限公司, 湖北 宜昌 443000)

我國現行的土地利用分類體系著重于關注土地的生產和生活功能，較少考慮生態功能，因而忽視了土地利用中可能引起的生態系統失衡[1]。隨著社會經濟的快速發展，以經濟利益為主要目的的土地利用方式，以犧牲城市生態用地為代價換取生產、生活用地的發展模式，導致生態系統結構發生演變，生態系統服務功能逐漸減弱。為了“生產空間集約高效、生活空間宜居適度、生態空間山清水秀”的“三生”空間建設，開展“三生”用地生態系統服務價值研究，有助于土地利用空間優化與管理改良[2]，對優化區域“三生”用地的結構和布局，改善生態環境、生產條件與人居環境，促進生態系統平衡及人口、資源與環境的可持續發展具有重要的意義。

生態系統服務是指人類從生態系統中獲得的各種惠益，MA(Millennium Ecosystem Assessment)，Costanza等將生態系統服務劃分為4個類型：供給服務、調節服務、支持服務與文化服務[3-4]。國外學者對生態系統服務價值模型方法、單項服務評估等研究較國內更完善，針對不同區域特點的個案評估研究更加全面[5-7]。我國學者在不斷探索適宜我國特點的生態系統服務價值理論及核算方法[8-11]的同時，迅速積累了豐富的實踐評估經驗[12]。國內生態系統服務價值評估研究大致分為兩類：(1) 土地利用變化對生態系統服務價值影響的研究，多集中于上海、廣州、杭州等城市化進程較快的區域[13-14]。(2) 核算研究區內的流域、森林、濕地等的生態系統服務價值，及其對區域發展狀況的響應[15-17]。此類生態系統服務價值研究的地類劃分，大多數仍局限于傳統的“三大類”土地利用分類體系框架，缺乏對土地“三生”功能的綜合考量，尤其是對生態特性考慮不足，忽視了土地功能與生態系統服務功能之間的內在聯系。本文擬以臨湘市為例，采用生態系統服務當量因子法，開展基于“三生”用地利用變化的生態系統服務價值研究，探討生態系統服務對“三生”用地變化的響應機理，為豐富相關研究提供局地個案參考。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

臨湘市位于湖南省岳陽市東北部，總面積171 860.78 hm2。境內雨量充沛，但分布不均；地勢南高北低，土地利用類型多樣；礦產及水資源豐富，有黃蓋湖、冶湖等16個大小湖泊作為水源涵養地，提供較為豐富的生態系統服務。2016年統計資料顯示臨湘市現轄2個街道辦事處、18個鄉鎮，常住總人口為52.87萬人。

臨湘市是我國重要的能源資源戰略保障基地，于2013年被國務院定義為成熟型資源城市，其資源開發處于穩定階段，資源保障能力強，經濟社會發展水平較高。然而，資源開采帶來經濟快速發展的同時，也對研究區生態環境造成破壞。“三廢”污染、水資源破壞、地質災害、占用和破壞土地等生態環境問題日益突出，該地區生態服務價值正遭到嚴重的威脅，嚴重制約著城市的轉型和可持續發展，其土地利用結構的優化和生態系統服務功能的發揮對生態文明建設具有重要作用。故以資源型城市臨湘市為例，研究生態系統服務價值對“三生”用地變化的響應，成果具有一定的代表性。

1.2 數據來源

本文所采用的基本數據來自臨湘市2009—2016年土地利用詳查及變更調查資料、臨湘市土地利用總體規劃數據(2006—2020年)、臨湘市統計局歷年社會經濟統計年鑒及公開出版刊物。生態系統服務價值核算中當量因子選取自謝高地等[10]發表的全國尺度“基礎當量表”，并修正到研究區市域尺度。

2 研究方法

2.1 “三生”用地分類

中國學者已經開始關注土地的“三生”功能內涵[18-20]、探索基于“三生”功能的土地利用分類，同時嘗試構建了各自的“三生”用地分類體系。陳婧等[21]提出生態功能、生產功能和生活功能三大類，但未充分考慮土地具備復合功能的特性，大類劃分有待完善。張紅旗等[22]構建了全國尺度的土地利用分類體系，將“三生”用地分為生態用地、生態生產用地、生產生態用地以及生活生產用地4個大類，張紅旗等提出的“三生”用地分類體系對部分地類的歸并不夠明確，缺少對“濕地類”的歸并。鑒于此，本文參考張紅旗的分類理念，先劃分功能區、后劃分地類[23]，充分考慮土地的多功能復合性，依照功能的主次順序作為分類標準，將“三生”用地分為生態用地、生態生產用地、生產生態用地、生活生產用地共4項一級類。本文對最新的《土地利用現狀分類》標準(GBT21010—2017)中的各地類進行“三生”功能的歸并整合，綜合考慮臨湘市的土地利用現狀情況、土地功能復合性與差異性，構建了臨湘市“三生”用地分類體系。

生態用地定義為以提供生態功能為主、人類開發利用較少的用地[23]，具體到研究區內包括濕地、冰川、荒漠、裸地、河流湖泊及其他草地；生態生產用地定義為具備生態與生產雙重功能[23]，且以生態功能占主導的用地，具體到研究區內包括部分牧草地、林地、水庫及坑塘水面；生產生態用地定義為以生產為主要目的，兼顧部分生態功能的用地[23]，具體到研究區內包括旱地、水田及園地。生活生產用地則定義為供人類活動與生產[23]，且對生態環境幫助甚少的用地，具體到研究區內包括城鎮用地、農村居民點、工礦及建設用地。

2.2 生態系統服務價值評價方法

生態系統服務價值核算方法從采用的基礎指標角度分類，一般分為單位面積當量因子法與單位服務功能價值法兩類[9]。Costanza等[4]于1997年提出當量因子法評估生態系統服務價值，并逐步改進研究應用于全球自然資產的評估，得到學術界廣泛認可。謝高地等[10-11]將其引入國內并進行了適用性改進研究，分別在2002年、2008年、2015年構建并逐步改進更新了適合中國陸地生態系統的單位面積價值當量因子匯總表，涵蓋了14種生態系統類型、4大類共計11項生態系統服務。本研究基于構建的臨湘市”三生”用地土地利用分類體系，參考謝高地發表的最新生態系統服務價值當量因子表研究成果[10-11]，核算臨湘市“三生”用地生態系統服務價值。由于謝高地等的研究成果呈現的是全國平均狀態，故本研究依據研究區現狀，對部分當量因子進行修正，構建臨湘市“三生”用地生態系統服務價值當量因子表(表1)。

其中，牧草地對應謝高地等制定的“中國陸地生態系統服務價值當量因子表”草原；林地對應闊葉林；園地取林地、旱地、水田三者平均值；除水資源供給服務外，城鎮用地與農村居民點對應荒漠，工礦及建設用地對應裸地。生活生產用地的水資源服務當量因子依據《2016年中國水資源公報》中生活、工業、農業用水比例，以及城鎮與農村居民點用水比例進行計算。

表1 “三生”用地生態系統服務價值當量因子

鑒于1個生態系統服務當量因子的經濟價值相當于每年每公頃糧食的市場價值的1/7[11]。根據歷年《臨湘市統計年鑒》提供的臨湘市年糧食總產值與糧食總面積數據，計算得到臨湘市2009—2016年的平均單位農田產出糧食的經濟價值(市場價值的1/7)為2 036.52元/hm2，即1個生態系統服務當量因子的價值為2 036.52元/hm2。據此，計算得到研究區不同土地類型的單位面積生態系統服務價值，即生態系統服務價值系數(表2)。

根據臨湘市生態系統服務價值系數表，測算不同時期“三生”用地體系下的生態系統服務總價值，及單項生態系統服務價值。生態系統服務價值計算公式如下：

ESV=∑Ak×VCk

(1)

ESV=ESVe+ESVep+ESVpe+ESVlp

(2)

式中：ESV為研究區年生態系統服務總價值(元)；Ak為土地利用類型k的面積(hm2)；VCk為土地利用類型k單位面積生態系統價值[元/(hm2·a)]；ESVe，ESVep，ESVpe和ESVlp分別代表生態用地、生態生產用地、生產生態用地和生活生產用地的生態系統服務價值。

2.3 敏感性分析

經濟學的彈性原理指出，存在函數關系的兩個變量之間，可以用彈性來反映出因變量對自變量變化響應的敏感程度。由于謝高地等[10]的估算是依據傳統的土地分類體系、在全國尺度上進行的，將它運用到局地尺度的不同土地分類體系下時，單位面積某項生態系統服務功能價值估測不可避免會出現偏差。為了驗證修訂后的臨湘市“三生”用地生態系統服務價值系數的準確性，以及該分類體系的合理性，本文采用敏感性指數(Coefficient of Sensitivity，CS)來測度“三生”生態系統服務價值對價值系數的依賴程度。

表2 生態系統服務價值系數 元/hm2

CS代表VC變動1%所引起ESV的變化情況，其計算公式如下：

(3)

式中：CS為生態系統服務價值的敏感度；ESVi，ESVj分別代表價值系數調整前、調整后的生態系統服務總價值；VCri，VCrj分別代表r類用地調整前、調整后的價值系數，本研究r包括“三生”用地的4項一級地類以及15項二級地類。

如果CS>1，代表自變量每變動1%將引起因變量大于1%的變動，說明ESV對VC富有彈性、是敏感的，生態系統服務價值系數的準確性較低；如果CS<1，代表自變量每變動1%將引起因變量小于1%的變動，則說明ESV對VC缺乏彈性，表明生態系統服務價值系數的準確性較高。若一級地類與二級地類的敏感性指數均小于1，則表明一級地類的總體價值系數是準確的，其二級地類歸并是合理可信的。本文通過將各“三生”用地類型的價值系數分別上調和下調50%來計算CS，從而來分析ESV對VC的敏感程度。

3 結果與分析

3.1 臨湘市“三生”用地土地利用變化分析

從表3可知，2009—2016年臨湘市“三生”用地結構比例特征為：生態生產用地>生產生態用地>生態用地>生活生產用地，前三者面積占90%以上。總體上，生態用地、生態生產用地面積均有所減少，生產生態用地、生活生產用地均有不同程度的增加。其中，生態用地變化量最大，共減少了702.51 hm2；生產生態用地增加最多，達532.29 hm2；生活生產用地面積所占比例最小，但變化幅度最大，變化率為4.67%。

城市化進程加快是造成研究區生態用地與生態生產用地減少、生產生態用地與生活生產用地增加的主要原因。根據GIS軟件分析結果發現，研究期內臨湘市增加的城鎮用地與工礦及建設用地主要是占用了林地和耕地，而耕地在大量轉向城鎮用地與工礦及建設用地的同時，又有部分林地及坑塘水面轉向耕地以保證糧食生產，因此耕地面積反而有所增加。臨湘市園地主要分為茶園與果園，研究期內由于經濟效益不佳，部分園地轉型調整為耕地或其他用地。同時由于水土流失嚴重、環境惡化造成小部分林地減少和濕地退化。雖然減少的牧草地主要流向了林地，但較林地的損失量而言還是微不足道的。以生態功能的衰減為代價換取生產功能的提升，重視短期的經濟效益而忽視長期的生態效益是人為破壞林地、濕地等生態功能用地的根本原因。

3.2 臨湘市生態系統服務價值對“三生”用地變化的響應

3.2.1 生態系統服務總價值變化 根據土地利用變化數據和生態系統服務價值系數，計算得到臨湘市2009—2016年生態系統服務價值變化情況，見表4。

表3 2009-2016年臨湘市“三生”用地結構變化情況

表4 2009-2016年臨湘市生態系統服務價值變化 106元

根據表4可以看出，研究期內臨湘市生態系統服務總價值呈負增長，2009年和2016年臨湘市生態系統服務價值總量分別為106.758 8億元，105.233億元，7年間臨湘市生態系統服務總價值共減少1.525 8億元，其中河流湖泊的價值量變化幅度最大，減少1.250 1億元。

由圖1可知，生態用地的生態系統服務價值(ESVe)逐年減少；生態生產用地的生態系統服務價值(ESVep)先減后增，整體呈減小態勢；生產生態用地的生態系統服務價值(ESVpe)變化幅度較小，整體較穩定；生活生產用地的生態系統服務價值(ESVlp)則逐年增加。

從生態系統服務價值變化幅度來看(表5)，ESVe減少速度最快，期間共減少了1.424 8億元；ESVlp增長比例最大，期間增加了40萬元；ESVep與ESVpe變化率相對較小。從臨湘市2016年的“三生”用地生態系統服務價值構成看，生態用地、生態生產用地、生產生態用地和生活生產用地的生態系統服務價值比例分別為31.42%，63.60%，4.87%，0.11%。其中，ESVep占生態系統服務價值總量的比例最大，ESVe次之，且兩者之和始終占“三生”用地生態系統服務價值總量的90%以上，這主要是由于生態用地、生態生產用地的生態系統服務價值系數普遍較高，且各地類提供的生態系統服務相對更加豐富，如濕地、河流湖泊、林地與水庫坑塘。對比同期生產生態用地、生活生產用地與生態用地，前兩者土地利用面積之和約為后者的3倍，但ESVpe與ESVlp之和不及ESVe的1/6，主要是由于水田、園地、農村居民點等用地在水資源供給服務這一項上提供了負價值。

3.2.2 單項生態系統服務價值變化 研究期內生態用地的生態系統服務價值變化最大，占總變化量的91.64%，共減少1.424 8億元，年變化率為0.59%。城鎮用地、旱地、水田等的生態系統服務價值有所增加，濕地、荒漠、河流湖泊、林地、水庫及坑塘水面與園地等的生態系統服務價值均在減少，其中濕地的價值量減少最多，達1.250 1億元。土地利用面積增長較多的水田、城鎮用地、農村居民點等地類，價值系數普遍較低，且對水資源供給服務有明顯副作用，因此其他10項服務價值的增加遠遠不能彌補水資源供給服務價值減少所帶來的損失。

圖1 “三生”用地生態系統服務價值變化趨勢

表5 臨湘市“三生”用地生態系統服務價值構成 106元

對二級地類生態系統服務價值結構及變化進行分析發現，林地生態服務價值所占比例最大，2009年和2016年分別為40.476 5億元，40.376 7億元，占生態系統服務總價值的39.91%，38.37%；其次是河流湖泊，占價值總量的28.22%，27.44%。生態系統服務價值系數的差異代表單位面積地類直接具備的生態服務功能的量不同，是造成各土地利用類型對生態系統服務價值的影響不同的主要原因，如2009年水田面積占總面積的18.47%，生態系統服務價值卻只占到2.36%；同期河流湖泊的面積雖只有研究區總面積的6.85%，但其生態系統服務價值占總量的28.88%。其他類型用地大量轉向價值系數較小的生產生態用地與生活生產用地，生態系數服務價值相對較高的生態用地與生態生產用地卻大面積減少，是導致2009—2016年臨湘市生態系統服務總價值下降的主要因素。

根據土地利用變化數據和生態系統服務價值系數，計算臨湘市2009—2016年單項生態系統服務價值量及其變化情況(表6)，可以發現在所有服務功能中水文調節的服務價值所占比例最大，氣候調節次之。分析生態系統各項服務價值的變化發現，2009—2016年所有服務功能價值量中，除食物生產有小幅度增加外，其余10項生態系統服務功能的價值均有不同程度的降低，其中水文調節和水資源供給服務的價值量下降幅度最大，下降最多的水文調節服務價值量減少了1.108億元；食物生產服務的價值量僅增長121萬元。

3.3 敏感性分析

從表7可以看出，臨湘市“三生”用地類型的生態系統服務價值對價值系數VC的敏感性指數均小于1，其中最低的是生活生產用地，2009年與2016年的敏感性指數分別為0.001 0與0.001 1，即當生活生產用地價值系數每增加1%，生態系統服務價值總量增加0.001 0%與0.001 1%。在“三生”用地二級地類中，各個地類的生態系統服務價值對其價值系數的敏感性指數也均小于1。以上結果表明，對于VC來說，總生態系統服務價值是缺乏彈性的，即該研究中所選取的生態系統服務價值系數是準確的，修正當量因子的生態系統服務價值核算結果在本區域是可信的，“三生”用地的分類歸并對于研究區而言是合理的。

表6 臨湘市單項生態系統服務價值變化 106元

表7 2009-2016年臨湘市生態系統服務價值敏感性分析

4 討論與結論

4.1 討 論

本研究針對研究區現狀對“三生”用地分類體系進行了調整與完善，補充了濕地類等的歸并，但部分地類仍有待進一步劃分，以增加“三生”用地分類體系的實用性與普適性。研究采用修正當量因子法進行價值核算，具備一定的可信度，但仍受諸多因素如時間、尺度等的影響，單項生態系統服務價值核算模型還不完善，評估結果有待進一步精確。本文以臨湘市為例，研究生態系統服務價值對“三生”用地變化的響應，具備一定的參考價值，后續將更新數據資料，驗證并完善該響應的研究，更加全面地從“三生”用地的生態、生產、生活功能性角度出發，為生態環境保護與經濟文化建設協同發展提供決策建議。

4.2 結 論

(1) 2009—2016年研究區“三生”用地的土地利用發生了明顯變化，人類活動增加，生產、生活功能性用地擴張迅速，生態功能性用地持續減少。大量生態用地、生態生產用地如濕地、荒漠、林地和草地被侵占利用，變更為耕地、城鎮用地、農村居民點及工礦建設用地等生產生態用地和生活生產用地。研究區“三生”用地變化的主要因素為人類活動，如耕地的開墾和城鎮擴張等。

(2) 通過分析研究區生態系統服務功能變化，發現生態系統服務價值對生態用地、生態生產用地變化的響應更為顯著。研究期內生產生態用地、生活生產用地的面積與生態系統服務價值均呈現增長態勢，但研究區總體生態系統服務價值逐年減少。城鎮建設用地的快速擴張、林地與濕地面積大幅縮減是造成這一結果的主要因素，根本原因在于：前者較之后者，直接經濟效益顯著，城市發展往往更重視生產、生活功能性用地帶來的短期經濟效益，而忽視生態功能性土地所具有的長期生態效益。

(3) 研究區在后續的土地總體規劃及可持續發展過程中，應嚴格控制生活生產用地與生產生態用地的擴張，提高土地集約利用水平。同時加大對濕地、林地與園地等的保護，充分發揮生態用地、生態生產用地的各項生態服務功能，有效規避發展過程中的生態失衡。

(4) 敏感性分析結果表明，研究區“三生”用地的生態系統服務價值核算結果具有較高的可信度，“三生”用地分類體系對地類的歸并具備一定的準確性。“三生”用地分類體系的建立能夠為土地利用總體規劃優化協調生產、生活和生態功能區布局提供一定的依據，“三生”生態系統服務價值的響應可為科學指導、管理土地和協調區域生態平衡提供參考。