快速城市化地区土地利用变化对生态服务价值的影响——以重庆市北碚区为例.doc

快速城市化地区土地利用变化对生态服务价值的影响
——以重庆市北碚区为例
邵雪亚，刘勇，王三，孙小峰，徐佳艳，张国阳
（西南大学 资源环境学院，重庆 北碚，400715）
摘要：目前生态服务价值(ESV)的研究是生态研究的热点之一，本文以快速城市化地区土地利用变化对生态服务价值的影响为研究目的，按照服务功能的不同将北碚划分为城区、郊区和工业主导区；在谢高地等人“中国不同陆地生态系统单位面积生态服务价值表”的基础上，采用因子比较法，制定了“北碚区不同陆地生态系统单位面积生态服务价值表”；分2个时段研究了2002～2008年北碚土地利用时空变化，并计算了由此导致的生态服务价值及其结构的时空变化。研究结果表明:（1）土地利用和ESV变化的热点均集中在城区和工业主导区；（2）北碚总ESV先增加后减少，且减少量大于增加量，但不同分区存在差异；（3）除休闲娱乐外，其他单项ESV均有减少，变化量主要体现在2005～2008年。加强绿地建设，科学实施规划改善土地利用结构，提高土地利用率，注重经济与生态协调发展是缓解生态服务价值问题的关键。
关键字：土地利用；生态服务价值变化；快速城市化；北碚区
中图分类号：F301.24
The impacts of land use change on ecosystem service value in rapidly urbanized area: A case of Beibei District in Chongqing Municipality
Shao Xueya, Liu Yong, Sun Xiaofeng, Xu Jiayan, Zhang Guoyang
(College of Resource and Environment, Southwest University, Chongqing 400715)
Abstract: The current value of ecosystem services is one of the hotspots of ecological research. The research purpose of this paper is to evaluate the changes on ecosystem service value in rapidly urbanized area. In the highlands of China, Xie Gaodi present service value per unit area for the terrestrial ecosystems in the context of China. Based on his research result, we used factor comparison method to revise the ecosystem service value per unit area according to the situation of Beibei District. The case study area was divided into urban area, suburban area and industrial Park in consideration of their differences on ecosystem function. From 2002 to 2005 and from 2005 to 2008, spatial and temporal changes of land use and ecosystem service value were explored in Beibei. The results show that: (1) the hotspots of changes in land use and ESV are concentrated in urban areas and industrial parks; (2) ESV increased in the first period and then decreased in the second period, but the total ESV in the two periods decreased. In addition, the ESV varied from urban area, suburban area to industrial Park; (3) The individual ESV showed a decreasing trend in all kinds of ecosystem function, apart from the entertainment function. The change of ecosystem service value mainly occurred from 2005 to 2008. According the above analysis, we suggest that the government and the public should improve land use structure, and focus on harmonious development of economy and ecology, and realize sustainable development of land use, in order to ease the problem of ecosystem service value.
Keywords: land use; changes in the value of ecosystem services; rapid urbanization; Beibei District

生态系统服务是指通过生态系统的结构、过程和功能直接或间接得到的生命支持产品和服务，包括人类生活的必需品和人类生活质量的保证两部分[1,2]。1997年，Costanza等在《Nature》上发表了“全球生态服务价值和自然资本”一文[3] ，对生态服务价值（ESV）进行了定量评估，引发了国内外众多学者对生态服务价值的理论、评价、核算方法和应用的研究。土地利用变化是引起生态服务价值变化的关键因素，它通过自然现象和生态过程的变化，如土壤养分和水分的变化、地表径流与侵蚀等[4,5]与生态服务互相影响、相互制约。目前，对生态服务价值在土地利用方面的应用研究，较多关注土地利用对生态系统服务总量的影响，但对空间差异和结构变化的研究较少。
在快速城市化地区，土地利用结构发生剧烈变化，自然生态系统面积减少，生态服务价值减弱，由此产生的经济增长实质上是建立在自然资源消耗基础之上，因此在土地利用决策中，考虑土地利用的生态服务变化具有重要意义[6]。北碚区作为重庆市外环时代和两江新区重点建设区域，对促进重庆经济的高速发展具有重要意义，同时城市化的快速发展导致了土地利用结构的剧烈变化。因此，本文选取了典型快速城市化地区——北碚区作为研究对象，基于2002、2005、2008年土地利用数据，分析其土地利用数量和结构变化，采用因子比较法根据研究区具体情况对生态服务价值当量因子进行了修正，并获取了北碚生态系统服务功能价值总量和结构的时空变化。本文旨在定量揭示研究区内生态服务价值变化与土地利用的关系，以期为区域土地资源可持续利用和生态环境保护提供决策参考[7]，也可供其他快速城市化地区借鉴。
1 研究概况
1.1 研究区域概况
重庆市北碚区位于东经106°18′14″、106°56′ 53″、北纬29°39′10″、30°3′53"，是重庆都市圈的重要组成部分，全区幅员面积755km2，快速城市化区域面积208.73km2，包括北温泉、朝阳、天生街道三个城区；龙凤桥、东阳街道两个郊区；歇马、蔡家岗镇两个工业主导区。城市化率从2002年36.22%上升到2008年63.70%，工业总产值由2002年56．76亿元上升到2008年155.86亿元，同比增长172.83%。
2 研究方法
2.1 土地利用数据来源及土地利用变化表达
研究采用的基本数据来源于北碚区2002、2005、2008年土地利用变更调查资料，城区内部分林地、水域等面积短缺，由相应3期遥感影像补充。依据可以提供生态系统服务功能的地类，将土地利用类型划分为耕地、园地、林地、水域、未利用土地、湿地和建设用地，水域面积计为坑塘水面、水库水面、湖泊及河流水面的总和，湿地面积为滩涂面积，仅工业主导区内有湿地分布，对其利用变化的研究缺乏可比性，于是没有进行相关研究。引进土地利用变化率(R)等指标，描述研究区内的变化情况，指标表达式为：
R=（kbi-kai）/ Kai （1）
式中：kai—某区内特定土地利用类型研究期初的面积，kbi—某区内特定土地利用类型研究期末的面积。
2.2生态服务价值计算方法
谢高地等人在Costanza的基础上，根据中国的实际情况，总结了气体调节、气候调节、水分调节、土壤形成、废物处理、生物多样性维持、食物生产、原材料生产和娱乐文化等在内的9项生态系统服务功能，并对中国200位生态学者进行问卷调查，得到了“中国不同陆地生态服务价值当量因子表”[8]。
本文采用了该当量因子表，但针对北碚区具体情况，对单位面积农田每年自然粮食产量的经济价值进行了修正：以北碚区2002～2008年平均粮食产量5727 kg/hm2 为基准单产，粮食价格具有一定的波动性，故按2008年当地市价1.75元/kg计算，考虑到在没有人力投入的自然生态系统提供的经济价值为1/7，得出北碚区农田自然粮食产量的经济价值为1431元/hm2，得到“北碚地区不同陆地生态系统单位面积生态服务价值”（表1），根据表1，套用Costanza等的生态服务价值计算公式，来计算北碚区生态服务价值，其公式为：
ESVi=Ai*VC (2)
ESV= (3)
式中：ESVi—某种土地利用类型的生态服务价值，Ai—研究区某种土地利用类型的面积(hm2)；VCi—某种土地利用类型生态价值系数(元·hm-2·a-1)；ESV—服务功能总价值，i—土地利用类型，n—区域内利用类型数目。
表1 北碚区不同陆地生态系统单位面积生态服务价值 (单位：元·hm-2·a-1)
服务功能
农田
森林
湿地
水体
未利用地
建设用地
气体调节
575.12
4026.1
2070.51
0
0
0
气候调节
1024.14
3105.8
19670.17
529.1
0
0
水源涵养
690.17
3680.95
17829.76
23443.16
34.45
-8593.96
土壤形成与保护
1679.21
4486.17
1967.03
11.44
23.01
0
废物处理
1886.56
1506.96
20912.58
20912.58
11.44
0
生物多样性保护
816.66
3749.98
2875.86
2864.29
391.04
-2830.47
食物生产
1150.37
115.05
345.15
115.05
11.44
0
原材料
115.05
2990.78
80.47
11.44
0
0
娱乐休闲
11.00
1472.38
6384.17
4945.46
11.44
0
合计
7948.28
25134.2
72135.7
52619.32
482.82
-11424.43
3 结果分析
3.1 土地利用变化
3.1.1 土地利用时间变化
根据2002～2008年土地利用变化数据，分2个时段计算了区域土地利用面积变化(表2)得出了区域土地利用时间变化特征，首先，2002～2008年，土地利用变化总体趋势是：耕地和未利用土地减少，耕地减少最多；园地、林地、水域和建设用地增加，以建设用地最多；但城区内园地、林地、水域持续减少。其次，2002～2005年，各分区园地和建设用地增加，以建设用地最多，其中工业主导区增量最大，城区其次，但城区出现了林地和水域减少的特有现象;相比之下，2005～2008年各分区耕地、园地、林地和未利用地减少，仅建设用地增加，其中耕地减少最多，工业主导区建设用地增量最大，城区其次。以上说明，2个研究时段中耕地和未利用地持续减少，以耕地最多; 建设用地是唯一持续增加的地类，园地先增加后减少，林地减少量主要集中在2005～2008年，其中城区林地持续减少。

表2 土地利用面积变化统计 （单位：公顷）
土地类型
2002~2005年
2005~2008年
城区
郊区
工业主导区
整体
城区
郊区
工业主导区
整体
耕地
-80.09
-137.22
-254.32
-471.63
-6.96
-56.29
-518.72
-581.97
园地
5.97
91.55
4.2
101.72
-9.09
-0.61
-9.48
-19.18
林地
-6.19
85.43
12.07
91.31
-0.61
-12.09
-24.45
-37.15
水域
-3.43
20.30
-0.58
16.29
-0.70
-8.65
3.2
-6.15
建设用地
75.68
69.28
311
455.96
129.34
103.78
708.31
941.43
未利用地
-0.90
-26.52
-14.39
-41.81
-2.70
-1.29
-4.69
-8.68
3.1.2 土地利用变化空间差异
根据土地利用变化数据，分区计算了2002～2005，2005～2008年土地利用变化率。变化率的分析不仅能反映单独地类的变化情况，同时不同分区间的对比，也反映了土地利用变化的空间差异，若某区域某种土地利用类型的变化率R>R(整体)，则表示该区域这种土地利用类型变化较全区域大，即为土地利用变化的热点地区[9]。2002～2005年，土地变化的热点地区为城、郊区，其主要原因为：一方面，城、郊区农业内部结构调整；另一方面，由于城市基础设施的不断完善，城、郊区也逐渐成为农地非农化频繁发生的区域。2005～2008年，土地利用变化的热点地区为工业主导区，其主要原因为：一方面，工业的大规模发展导致大量其他土地转变为建设用地；另一方面是工业的快速发展导致部分农民放弃务农，地类结构发生剧烈变化。从整体看2002～2008年土地变化的热点地区为城区和工业主导区。
表3 土地利用变化率统计 （%）
土地类型

耕地
园地
林地
水域
建设用地
未利用地

2002~
2005年
城区
-21.01
3.48
-0.61
-1.49
24.78
-3.84
郊区
-4.95
13.51
4.54
3.53
6.31
-14.56
工业主导区
-5.24
0.90
0.67
-0.13
22.76
-2.68
整体
-5.89
7.73
1.95
1.31
17.13
-5.63

2005~
2008年
城区
-2.31
-5.12
-0.60
-0.31
27.78
-11.98
郊区
-2.14
-0.08
-0.62
-1.45
8.89
0.83
工业主导区
-11.27
-2.02
-1.35
0.73
42.23
-0.90
整体
-7.72
-1.35
-2.25
-0.49
27.82
-1.24
3.2 生态服务价值的评估结果及分析
运用“北碚区不同陆地生态系统单位生态服务价值表”（表1）和北碚区土地详查数据，估算了北碚及各研究分区2002～2008年间生态价值的变化情况，在估算过程中，园地取森林和耕地的平均值。
表4 生态服务价值变化
生态服务价值及其变化
耕地
园地
林地
湿地
水体
未利用地
建设用地
总价值
总量（亿元）

2002年
0.6367
0.2176
1.2132
0.0598
0.8152
0.0036
-0.3132
2.6329
2005年
0.5993
0.2344
1.2361
0.0606
0.8238
0.0034
-0.3721
2.5855
2008年
0.5530
0.2312
1.2092
0.0622
0.8205
0.0033
-0.4842
2.3958
变化率（%）

2002~2005年
-5.89
7.73
1.88
1.34
1.05
-5.63
-18.82
-1.80
2005~2008年
-7.72
-1.35
-2.18
2.58
-0.40
-1.24
-30.13
-7.34
3.2.1生态服务价值的时间变化
从整体看，2002～2008年北碚总ESV减少，但2002～2005年，2005～2008年先增后减(表4)。2002～2005年，总ESV减少0.0474×108元，年均减少1.58×106元，年均变化-0.60%，耕地、未利用土地和建设用地ESV减少，其中，耕地ESV减少最多为0.0589×108元；2005～2008年总ESV减少0.1897×108元，年均减少6.32×106元，年均变化-2.45%，除湿地外，其他地类ESV均有减少，建设用地最多为0.1121×108元。综合以上分析，建设用地的快速增加是总ESV减少的主要驱动因素。
3.2.2生态服务价值空间差异
由图1可知，从整体看林地ESV所占比重最大，其他地类上各分区存在差异，建设用地比重呈负值体现。2002～2008年，城区部分耕地、林地ESV占总ESV比重逐年减少，但2005～2008年的减少比重要小于2002～2005年，园地、水域的比重基本保持稳定。与城区相比，郊区拥有生态服务价值的地类主要有耕地、林地、水域、园地和建设用地，2002～2008年，耕地占总ESV的比重呈逐年平均减少趋势，林地、水域所占的比重维持稳定，整体看，随着时间的推移，郊区生态服务价值组成基本维持稳定。在工业主导区，耕地、园地、林地、水域、湿地和建设用地组成了生态服务价值的主要部分，2002年到2008年间，耕地ESV占总ESV的比重逐年减少，可视为均匀变化，建设用地减少量最多，整体上看，产生生态服务价值的主要地类没有发生变化，只是不同地类占总ESV比重发生了变化。

图1 不同地类生态服务价值比重
3.2.3生态服务价值结构变化
生态系统服务总价值结构变化是指生态系统各单项服务功能价值的动态变化趋势。Tilman等根据草地生态系统小区试验研究发现，生态系统功能多样性及其组成对生态系统过程的影响比物种多样性更显著，生态系统提供的某种生态系统服务并非独立存在，而是与其它服务和功能有着密切的联系[10]。随着社会经济的发展，人们对生活质量的要求越来越高，人类对生态系统服务的需求(如食物、新鲜的空气、娱乐休闲环境等) 正在增加[11] 。生态系统服务总价值的增加或减少并不代表生态系统各单项服务功能价值的变化，于是，研究生态系统服务总价值结构的变化情况，对衡量区域生态效应具有重要意义。
2002～2008年间，生态服务价值总量降低，其中除娱乐休闲功能外，其他各项ESV均有不同程度的降低，以水源涵养和生物多样性保护功能降幅最大。从具体研究时段来看，2002～2005年气体调节、原材料和娱乐休闲功能呈小幅增长，其他各单项呈降低趋势；2005～2008年各项功能均有不同程度减少，仍以水源涵养和生物多样性降幅最大。

图2 单项生态服务价值变化
4 结论
本文对2002～2008年北碚土地利用变化引起的生态服务价值的变化进行了探讨，分析了北碚生态服务价值及其结构的时空变化。发现2002～2008年北碚总ESV先增后减，减少量大于增加量，共减少了0.05×108元，年均减少0.01×108元，年均变化率为0.32%；同时生态服务价值结构变化较大，废物处理、生物多样性和原材料等某些单项服务功能相对减弱；变化热点集中在城区与工业主导区，郊区各项指标维持稳定。
城市的快速发展使得大量农用地向非农用地转变是导致生态系统服务价值急剧降低的根本原因。由于建设用地的大量增加，农田、林地和水域面积的迅速减少等导致了生态系统服务价值的下降，为缓解北碚生态系统服务功能降低的问题, 必须对该地区的人类活动进行科学管理。第一，需要加强对林地的保护，通过植树造林、建设城区绿化带和外围防护林带扩大城镇绿化范围, 推进沿江、沿河区域的景观绿化建设；第二，科学规划西南大学城这一 “十二五”规划重点建设区域期间城区建设的重点区域，在大学科技园的不同分区之间设立绿地隔离带，规划建设绿地公园、规划人工湖泊等高生态服务价值用地；第三，加强城镇拓展区和沿江地区的湿地保护，设立沿江湿地保护区，禁止破坏利用湿地，重点保护蔡家岗镇等发展型城市的湿地资源，提高区域生态服务功能。
此外，本文仅在研究北碚ESV时空变化的基础上分析了生态系统服务价值结构的变化，较少涉及不同地类最佳组成比例及各单项ESV占总ESV的最佳比例，留待下一步研究。
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