基于生態系統服務價值最大化的皖江城市帶土地利用結構優化

周振宏，朱慶山，周 敏，王繪繪，胡 琦，劉東義，湯偉宏

(安徽農業大學林學與園林學院，安徽合肥 230036)

0 引言

近年來，隨著城市快速發展，土地利用結構也在快速改變，當土地利用變化改變原有的生態系統，其生態系統服務價值也會隨之改變[1-3].因此，研究土地利用結構優化對生態系統服務價值的影響具有重要意義[4-6].目前，國內外已有很多學者對生態系統服務價值進行了研究.在全球、國家尺度上，Costanza對全球生態系統服務價值進行分類核算[7].在Costanza研究的基礎上，謝高地對700位生態專家進行了問卷調查，然后根據中國的生態特點改進了適用于中國的生態系統服務價值當量系數表[8].在區域尺度上，涂小松等利用土地覆被遙感解譯數據分析鄱陽湖地區2000—2010年生態系統服務價值空間格局及其動態演化[9].張騫等分析了重慶市1988—2013年生態系統服務價值變化及生態用地空間變化[10].但是，目前對于生態系統服務價值的研究大多是根據某一時期的基礎數據進行分析、統計，對于未來動態變化預測以及土地結構優化的相關研究較少.本文以皖江城市帶作為研究對象，通過優化皖江城市帶的用地結構及提升區域生態系統服務價值以此達到生態效益最大化的目標.揭示皖江城市帶土地利用與生態系統服務價值間的互動關系，為合理配置環境資源、制定區域保護政策、推動人與自然可持續發展提供了數據支持及相關參考資料.

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

皖江城市帶(見圖1)位于安徽省中南部地區，沿江通海、承東啟西，地處東經115°45'～119°40'，北緯29°56'～33°22'之間.皖江城市帶包括合肥、蕪湖、馬鞍山、滁州、安慶、池州、銅陵、宣城8個地級市以及六安市的金安區和舒城縣,位于長三角西部,是長江經濟帶重要的組成部份[11].

圖1 皖江城市帶區位圖Fig.1 Location map of the Wanjiang River Urban Belt

1.2 數據來源

本研究從土地植被覆蓋數據集(http://globeland30.org/)中獲取30 m土地覆蓋圖，運用ARCGIS軟件繪制出皖江城市帶2000年、2010年、2020年三個時期的土地利用圖(準確率均超過85%).根據皖江城市帶實際土地類型情況，使用的30 m土地覆蓋圖數據中，涉及的土地類型有耕地、林地、草地、濕地、水域、人造地表與未利用地.文章使用的社會經濟數據包括土地面積、糧食產量和平均糧食價格等來源于《安徽省統計年鑒》(2000—2020年)《農產品成本收益資料匯編》(2019年).

2 研究方法

2.1 分析土地利用變化

土地利用動態變化分析：指的是研究區一定時間范圍內某種土地利用類型的變化情況[12].計算公式如下：

ΔS=Sb-SaK=(Sb-Sa)/Sa×100%

(1)

式中：Sa表示初期土地利用的面積；Sb表示末期土地利用的面積.

2.2 修正與計算生態系統服務價值

修正生態因子當量:本文參照謝高地等制定的中國生態系統服務價值當量因子表[8]，結合皖江城市帶實際情況修正計算出一個標準當量為1.36.皖江城市帶2019年耕地的年均糧食產量為5 902 kg/hm2，代替研究期內平均糧食產量，計算出研究區耕地的1個當量因子的生態系統服務價值為1 846.48元.

生態系統服務價值時空變化:可表明研究時期內生態系統服務價值的變化趨勢及速度，并且可減少土地面積及不同當量標準對生態系統服務價值的影響[12]，計算公式為：

(2)

2.3 敏感性指數分析

敏感性指數(coefficient of sensitivity，CS)可判斷ESV對價值當量系數的依賴程度.當CS>1，表明ESV對生態服務價值當量系數(VC)是有彈性的；當CS<1，則說明缺乏彈性[13].敏感性計算公式如下：

(3)

式中：i和j表示調整前后的系數，ESVi和ESVj表示調整前后的生態價值量[13].

2.4 GM(1,1)模型

GM(1,1)模型基于累加生成的數列預測模型，對應的標準型解為[14]：

(4)

其中：為驗證模型的精度，采用后驗差檢驗法進行檢驗，后驗差比值C與小誤差頻率P定義為[14]：

(5)

2.5 Lingo模型目標函數設置

2.5.1 模型變量及目標函數設置 基于皖江城市帶土地利用情況和參考文獻[16]模型變量的設定，本文選取了7個變量，X1—X7分別為耕地、林地、草地、濕地、水域、人造地表、未利用地.根據城市帶的經濟、社會情況，設定目標函數為：

F(x)max=V1X1+V2X2+V3X3+V4X4+V5X5-V6X6+V7X7

(6)

式中，F(x)代表生態系統服務總價值，V代表各土地利用類型的單位面積價值.

2.5.2 模型約束條件設置 土地結構優化受到多方面因素影響，因此本文根據城市帶的經濟、社會可持續發展和相關政府規劃政策，對不同土地利用類型設置了以下相應的約束條件.

(1)總用地約束：根據總面積不變的原則，優化后城市帶面積總量應與優化前保持一致，即：

S=X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7=75 826.41 km2

(7)

(2)耕地需求約束：為保障城市帶可持續化發展，因此設定優化后城市的耕地面積不得低于2020年耕地面積，即X1≥39 613.98 km2.

(3)林地需求約束：由于皖江城市帶當前生態承載力較弱，極易發生水土流失、石漠化等現象，因此應以目前保有量為底線，即X2≥23 319.49 km2.

(4)草地需求約束：在保障生態安全的情況下,根據土地利用現狀確定草地面積上限為2 394.09 km2，即X3≤2 394.09 km2.

(5)濕地需求約束：為保障城市帶的生態環境，擬恢復濕地面積不低于2010年水平，即X4≥656.69 km2.

(6)水域需求約束：為保證生產及居民生活用水，選取城市帶2010年的水域面積為最大值，不應超過2010年水域面積，即4 862.06 km2≤X5≤5 052.01 km2.

(7)人造地表需求約束：為滿足城市帶可持續、快速發展需求，人造地表面積不低于現有面積，即3 810.33 km2≤X6≤5 300.42 km2.

(8)未利用地需求約束：為優化城市的生態結構，將集中對城市帶內的未利用地進行整治，因此未利用地面積將會減少，設定未利用面積為3.86 km2≤X7≤4.78 km2.

3 結果分析

3.1 皖江城市帶2000—2020年土地利用變化格局

如圖2和表1所示，2000—2020年期間，皖江城市帶經歷了快速的城市化過程，同時也經歷了廣泛的土地利用變化.耕地一直是皖江城市帶土地利用的主要類型，在2000年和2020年分別占54.30%和52.24%，但我們可以看到自2000年以來耕地持續減少.林地是皖江城市帶的第二大主要土地覆蓋類型，有著微弱的下降趨勢，從2000年的31.70%不斷減少到2020年的30.75%.在整個研究的區域中，未利用地的土地覆蓋率最小，變化的趨勢也不明顯，從2000年的0.01%增加到2020年的0.03%.

圖2 皖江城市帶2000—2020年土地利用變化圖Fig.2 Land use changes in the Wanjiang River Urban Belt from 2000 to 2020

表1 土地利用動態變化表Tab.1 Land use dynamic change table

3.2 皖江城市帶2000—2020年生態系統價值服務的變化格局

皖江城市帶2000—2020年土地類型的生態系統服務價值變化總體呈增長的趨勢(表2).皖江城市帶總生態系統服務價值由2000年215.36億元增加到2010年的249.77億元，在2020年達到237.54億元，總體趨勢看2000年到2020年是增長的，變化率為10.3%.2020年皖江城市帶生態系統的服務價值排序依次為：水域>林地>耕地>草地>濕地>未利用地>人造地表.綜上所述，皖江城市帶總生態系統價值服務與土地利用類型的變化緊密，土地類型之間的變化改變了生態系統服務價值.

表2 生態系統服務價值變化表(107CNY/year)Tab.2 Table of changes in ecosystem service values (107CNY/year)

3.3 敏感性分析

將土地利用類型的生態價值系數調動50%來分析生態系統服務價值的變化及對價值系數的敏感程度(表3).耕地和林地的敏感性指數高達0.543、0.317，說明耕地、林地的VC分別每提高1%，城市帶總生態系統服務價值將分別增加0.543%和0.317%，遠超其他地類.結果表明，城市帶總生態系統服務價值對耕地和林地的價值系數比較敏感，因此需要關注耕地、林地面積的變化對城市帶生態系統服務價值的影響.

3.4 皖江城市帶土地及生態系統服務價值預測

如表4所示，基于2000年皖江城市帶的各土地利用類型面積作為基礎數據，設置5年為一期，通過GM(1,1)動態預測模型推算出2020—2030年皖江城市帶各土地類型的預測，并計算出2025、2030年皖江城市帶的生態系統服務價值.其中耕地、水域、林地面積均呈現下降趨勢；濕地和草地面積均保持增加趨勢，未利用地和人造地表則出現了異常的上升趨勢，變化率為70.81%、37.30%.由于城市擴張速度極快、生態環境承載力下降、水土流失嚴重及未利用地面積較小，導致這兩類土地類型變化率較高.

表4 2025—2030年土地面積及生態系統服務價值預測Tab.4 Forecast of land area and value of ecosystem services, 2025—2030

從各土地類型的生態系統服務價值來說，在2020—2030期間，耕地、林地和水域的生態系統服務價值呈現下降，分別減少了0.65、1.92、4.08億元；草地、濕地增加了0.24、0.43億元；未利用地增幅雖高達70.81%，但對總生態系統服務價值影響不大；人造地表的快速增加使得總生態系統服務價值快速減少，約為6.22億元.2025年皖江城市帶生態系統服務價值為229.44億元，2030年為217.24億元，相對于2020年的237.54億元，變化率分別為了5.61%、8.54%，降幅速度很快.

3.5 生態系統服務價值優化前后變化

運用LINGO軟件對皖江城市帶生態系統服務總價值的函數進行迭代計算，得出最優解，即基于生態系統服務價值最大化的皖江城市帶土地利用結構優化方案(表5).通過對皖江城市帶的土地利用結構進行優化調整，城市帶總生態系統服務價值將提高至2 451.76×107元，較優化前提高了3.20%，其中主要因為濕地與水域提高了生態系統服務的供給能力.在土地利用類型方面，變化幅度較大的未利用地通過人工造林及開墾旱地等舉措轉變為林地與耕地，價值減少了0.48×107元；濕地與水域價值分別增加了33.02×107元、44.05×107元，人造地表通過集約土地等方式，面積有所減少，但對總生態系統服務價值影響不大.

表5 土地利用優化前后生態系統服務價值變化Tab.5 Changes in the value of ecosystem services before and after land use optimization

4 結論與討論

(1)皖江城市帶2000—2020年主要土地利用類型以林地與耕地為主，大概占到城市帶總面積的85.00%以上.

(2)在2000—2020年內，城市生態系統服務價值總體上呈現先上升后下降趨勢，20年間約增長了22.18億元，變化率為10.30%.

(3)基于生態系統服務價值最大化對對研究區進行土地利用結構優化調整后，皖江城市帶總生態系統服務價值將提高至2 451.76×107元，較優化前提高了3.20%.

本文利用一階線性動態模型(GM1,1)預測2020—2030年皖江城市帶的生態系統服務價值，討論如何優化皖江城市帶土地利用結構方案，達到生態效益最大化的目標，可為皖江城市帶生態發展規劃提供一定的數據支持.然而，本研究也存在著一些不足.在預測未來城市土地需求時，僅采用了線性回歸方法，導致預測精度有限.未來可采用系統動力學模型，從機理上更精確地預測城市土地的需求量，提高土地數據準確性.