土地利用變化對長沙市生態系統服務價值影響

摘要:分析了1995—2005年長沙市快速城市化的5城區土地利用/覆蓋變化，參照謝高地等人的中國陸地生態系統單位面積生態服務價值表，計算并研究了土地利用變化引起生態系統服務價值的變化以及生態系統服務價值與土地利用結構的關系.結果表明:研究期內，研究區耕地、園地、林地、水域和未利用地減少，耕地減少最多，草地和建設用地增加，建設用地增加最多;研究區內土地利用程度存在明顯差異，其中芙蓉區土地利用程度最大，開福區最小;生態系統服務價值由1995年的655.15×106元減少到2005年的589.26×106元，年變化率-1.01%，水域和林地面積減少，建設用地面積大幅度增加是ESV減少的主要原因;研究區單位ESV與林地、水域、建設用地所占比例明顯相關，用多元線性回歸方程可很好地表示.由此預測2010年長沙市城區的單位ESV將進一步下降，總ESV將減少為541.47×106元.

關鍵詞:土地利用變化;生態系統服務價值;土地利用結構;長沙市

中圖分類號:TU984文獻標識碼:A

EffectsofLandUseChangeontheEcosystem

ServiceValueinChangshaCity

LIUShaobo1，XULi2，WANGXiaofan1，WEIChunyu，YINYicheng1

(1.CollageofArchitecture，HunanUniv，Changsha，Hunan410082，China;

2.CollageofEnvironmentalScienceandEngineering，HunanUniv，Changsha，Hunan410082，China)

Abstract:Thispaperaimstoanalyzingthelanduse/coverchangeandexaminingtheireffectsonESVintherapidurbanizationareaofChangshacitybetween1995and2005，anddoingsomeresearchontherelationshipbetweenESVandlandusestructure.ThemethodswerebasedonESVcomputingformulaandESVcoefficients.Theresultsshowedthat:From1995to2005，theareaofarableland，gardenland，woodland，waterareaandunusedlanddecreased，whilerangelandandconstructionlandincreased;arablelanddecreasedmostandconstructionlandincreasedmost.Thepercentageofarablelanddecreasedfrom23.485%to17.982%andtheproportionofconstructionlandincreasedfrom34.659%to44.579%.Thereareobviousdifferencesoflandusedegreeinthecity，furongdistricthasthebiggest，andKaifudistricthasthesmallest.ThetotalESVinthestudyareadecreasedfrom655.15×106yuanof1995to589.26×106yuanof2005，withanannualchangerateof-1.01%.ThereductionofwaterareaandwoodlandandthedramaticincreaseofconstructionlandweremainlyresponsibleforthedecreaseoftheESV.TheunitESVinChangshacityhasanobviousrelationwiththeareapercentageofwoodland，waterareaandconstructiveland.Itcanbemodeledwithmultiplelinearregressionequation.Accordingtotheequation，ESVwilldecreaseto541.47×106yuanin2010.

Keywords:landusechange;ecosystemservicesvalue;landusestructure;Changshacity

生態系統服務是指通過生態系統的結構、過程和功能直接或間接得到的生命支持產品和服務[1].生態系統服務價值(EcosystemServicesValue，ESV)的定量評估已成為國際可持續發展研究的熱點之一，其在理論、評價和核算方法研究方面取得了很大進展[1-5].土地利用/覆蓋變化(LandUse/CoverChange，LUCC)是全球環境變化研究的核心領域之一.同時，LUCC驅動下的ESV變化，也是LUCC環境效應的一個重要量化指標[6]，因此，研究LUCC下的ESV變化具有重要意義，目前這一工作在國內外得到開展[7-9]

長沙市位于湖南省東北部，總面積11819.5km2，其中城區面積556km2.近年來，長沙市經濟發展快速，城市化水平不斷提高，是生態環境變化的熱點區域.本文選取快速城市化的5城區(芙蓉區、雨花區、開福區、天心區、岳麓區)為研究區域，利用2期LUCC數據，在研究土地利用變化的基礎上分析了ESV的時空變化特點，并定量分析了ESV與土地利用結構的關系，為長沙市土地可持續利用和生態環境保護提供參考.

1研究方法

11土地利用變化數據來源

研究采用的基本數據來源于遙感資料分析以及長沙市國土局提供的1995年末至2005年末10年土地利用變更資料.根據研究需要和實際情況，將長沙市的土地分為耕地、園地、林地、草地、水域、建設用地(包括居民點及工礦用地、交通用地、水利設施用地)和未利用地7種類型.

12土地利用變化分析

土地利用動態度可以定量描述區域土地利用變化的速度[10].這里引入單一土地利用動態度(K)來描述長沙市土地利用的變化，其表達式為:

K=Ub-UaUa1T×100%.(1)

式中:Ua和Ub分別為研究期初和研究期末某一種土地利用類型的數量;T為研究時段長，當T的時段設定為年時，K的值就是該研究區某種土地利用類型年變化率.

土地利用相對變化率[11]可以較為準確地反映土地利用變化不同區域間的差異.其表達式為:

R=Kb-Ka/KaCb-Ca/Ca.(2)

式中:Ka，Kb分別表示某區域某一特定土地利用類型研究期初和期末的面積;Ca，Cb分別為整個研究區某一特定土地利用類型研究期初和期末的面積.如果某區域某種土地利用類型的相對變化率R>1，則表示該區域這種土地利用類型變化較全區域大，為土地利用變化的熱點地區.

土地利用程度變化模型是一個特定區域內多種土地利用類型程度變化的綜合結果，可以反映區域土地利用的廣度和深度，定量地揭示土地利用的綜合水平和變化趨勢.某研究區土地利用程度綜合指數可表達為:

L=100∑ni=1AiCi.(3)

湖南大學學報(自然科學版)2010年

第4期劉少博等:土地利用變化對長沙市生態系統服務價值影響

式中:L為某研究區域土地利用程度綜合指數;Ai為研究區域內第i級土地利用程度分級指數;Ci為研究區域內第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.根據劉紀遠[12]提出的土地利用程度綜合分析方法，將土地利用程度按照土地自然綜合體在社會因素影響下的自然平衡狀態分為若干級，并賦予分級指數，從而計算出土地利用程度綜合指數.

土地利用程度變化量和土地利用程度變化率可表示為:

ΔLb-a=Lb-La=100×(∑ni=1AiCib-

∑ni=1AiCia)，(4)

R=∑ni=1AiCib-∑ni=1AiCia∑ni=1AiCia.(5)

式中:Lb和La分別為b時間和a時間的區域土地利用程度綜合指數;Cia和Cib分別為某區域a時間和b時間第i級土地利用程度面積百分比.如ΔLb-a或R>0，則該區域土地利用處于發展時期，否則處于調整期或衰退期.

13生態系統服務價值評估方法

CostanzaRD等人[1]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[13].謝高地等人[4-5]根據中國的實際情況，制定了中國陸地生態系統單位面積生態系統服務價值表.本文參照謝高地等人的研究成果，考慮到研究區的具體情況，確定了長沙市區與土地利用類型相對應的生態系統類型及其生態價值系數表(見表1).

本文利用Costanza的生態系統服務價值公式來計算長沙市區陸地生態系統服務價值，其公式為:

ESV=∑AkVCk.(6)

式中:ESV為生態系統服務價值;Ak為研究區k種土地利用類型的面積;VCk為生態系統價值系數.

14ESV與土地利用結構關系分析

目前關于ESV和土地利用結構關系的研究多是定性的，定量研究其關系有助于確定土地利用變化和ESV變化的關系，更準確地指出土地利用類型如何影響ESV，同時也為土地利用結構優化提供數據支持.本文利用SPSS統計軟件分析了ESV與各類土地利用類型所占面積比例的相關性，并嘗試建立其函數關系.

2結果與分析

21土地利用的時空變化

研究區土地利用類型變化見表2.研究區10年來土地利用/覆蓋發生了較大的變化(見表2).耕地、園地、林地、水域和未利用地減少，其中耕地減少最多，為3061.36hm2;草地和建設用地在增加，其中建設用地增加最多，達5518.76hm2.從土地利用動態度來看，由于受到研究初期面積的影響，草地的增加速度最快，其次是建設用地，動態度分別為31.02%和2.86%;耕地減少速度最快，達2.34%，然后依次是林地、園地、未利用地和水域.

長沙市5城區土地利用相對變化情況見表3.從土地利用類型來看，耕地變化的熱點區域集中在芙蓉區、雨花區、岳麓區和天心區，開福區耕地變化幅度較研究區小，原因可能是在長沙市多個耕地保

護政策性文件的實施下，比值上占有最大數量耕地的開福區受政策的阻力影響要大，耕地轉化較慢[14].園地變化的熱點區域集中在天心區和岳麓區，芙蓉區、天心區和雨花區林地的變化較大，草地變化的熱點區域在雨花區，水域變化的熱點區域在雨花區、天心區和芙蓉區，建設用地變化的熱點區域主要是岳麓區，其次是雨花區.

從區域變化來看，芙蓉區是耕地、林地、水域和未利用變化的熱點區域，雨花區除園地以外其他土地利用類型都較全研究區變化大，開福區各類型土地利用變化皆較研究區小，天心區是除建設用地以外的土地利用類型變化的熱點區域，岳麓區是耕地、園地和建設用地變化的熱點區域.

利用土地利用程度變化模型計算分析了長沙市5區土地利用程度情況，表明長沙市土地利用程度存在著明顯的區域差異.1995年5區土地利用程度L=293.95，其中最大的是芙蓉區L=336.71，最小的是開福區L=279.23;2005年5區土地利用程度L=308.16，芙蓉區、雨花區、天心區高于5區水平，開福區和岳麓2區低于5區水平.1995—2005年5區土地利用程度變化率R>0，說明5區土地利用處于發展期，雨花區>天心區>岳麓區>芙蓉區>開福區，雨花區、天心區、岳麓區土地利用程度變化較大，大于5區水平，處于較快發展期，芙蓉區與5區總體水平相當，開福區的土地利用程度相對較小.

22生態系統服務價值的變化

根據土地利用/覆蓋數據和各類生態系統服務價值系數，利用Costanza的公式計算了研究區1995—2005年間生態系統服務價值變化情況，如表4和表5所示.

長沙市區的生態系統服務價值由1995年的655.15×106元下降到2005年的589.26×106元，10年減少了65.89×106元，占1995年總ESV的10.06%，年變化率為-1.01%.

在生態系統服務價值的構成中，水域的生態服務價值最大，1995年和2005年分別為410.84×106元和385.98×106元，分別占總ESV的比例為62.71%和65.50%;其次是林地，所占總ESV的比例分別為26.77%，26.54%;再次是耕地，分別占8.66%和7.37%.

從空間上看，5個區總ESV均在減少，其中雨花區減少最多，為18.92×106元.ESV相對變化率為:雨花區>天心區>芙蓉區>1>岳麓區>開福區，這基本與前面土地利用程度變化率相一致.開福區土地利用變化較小，所以總ESV變化也就相對不明顯.岳麓區雖然為土地利用變化的熱點區，但由于建設用地所對應的生態系統類型的生態價值系數為0，園地和耕地的價值系數也遠遠小于水域的生態價值系數，而該區中水域的變動很小，所以岳麓區并非ESV變化的熱點區域.

由于面積不同，各區總的ESV不具有可比性，比較分析各區的單位面積ESV和人均ESV發現，1995年二者的排序都為:岳麓區>開福區>雨花區>天心區>芙蓉區;2005年二者的排序為:岳麓區>開福區>天心區>雨花區>芙蓉區(見圖1).由此可知，如果注意了土地利用類型結構的調整，可以緩和生態服務價值整體下降的變化趨勢，例如岳麓區，雖然其建設用地增加很快，但有其他類型用地轉變為林地和水域，促使該區在建設用地擴張同時，單位面積ESV始終居5區之首.

年份

圖1研究區單位ESV及人均ESV變化

Fig.1ChangesofunitESVandpercapitalESVinstudyarea

23ESV與土地利用結構的關系

結合前面土地利用變化情況的分析可以發現，由于生態系統服務價值系數的差異，土地利用變化對ESV的影響也存在差異.為明確ESV與土地利用結構的關系以及ESV變化與土地利用變化的關系，本文對各區2期單位ESV和各土地利用類型所占百分比做了相關分析.結果表明，ESV與林地相關性最顯著，r=0.826，概率值p=0.003，在顯著性水平0.01的條件下，呈顯著正相關;其次是建設用地，r=-0.762，p=0.01，呈顯著負相關.ESV和水域的相關系數r=0.535，p=0.111，與耕地的相關系數r=0.398，p=0.255，都呈正相關，但不是太顯著.園地、草地和未利用地與ESV的相關性不顯著.

將ESV作為因變量(Y)，選取林地(X1)、水域(X2)、建設用地(X3)、和耕地(X4)為自變量，選擇向前引入法做多元回歸分析，發現單位ESV與林地、水域、建設用地所占百分比的關系可用多元回歸方程Y=3796.745+137.543X1+443.676X2-38.668X3(R2=1)很好地表示.說明林地、水域、建設用地是影響ESV變化的主要用地類型，其所占比例發生變化對ESV的影響大于其他用地類型，其中又以水域的影響最大.因此，長沙市區ESV不斷減少的主要原因是水域和林地面積的減少，建設用地的大幅度增加.提高研究區ESV的主要途徑是應該是增加水域、林地面積，嚴格控制建設用地面積.根據《長沙市總體土地利用規劃(1997—2010年)》中對5城區土地利用結構的調整規劃，到2010年，林地比例調整為14.75%，水域為12.58%，建設用地為43.3%，預測2010年長沙市市區的單位ESV將降為9732.62元，則總ESV降為541.47×106元，對比1995年下降17.35%，對比2005年下降8.11%.

3結論

本文分析了1995—2005年長沙市區土地利用變化以及由此引起的ESV時空變化情況.長沙市區土地利用處于發展期，耕地面積減少最多，建設用地面積大幅度增加，ESV下降較快，年變化率達-1.01%.根據ESV與土地利用結構的關系式以及長沙市土地利用規劃，預測長沙市區的ESV在未來還將進一步下降，說明規劃在生態效益方面的重視還有待加強，應采取積極的生態保護措施，緩減ESV的下降趨勢.其中芙蓉區土地利用程度大，單位ESV在5區中最低，ESV減少率居中間水平，在今后的發展中應嚴格控制未利用地轉為建設用地，保持耕地面積，增加林地和水域面積;開福區是5區中土地利用變化率最低，ESV減少率最小的區，單位ESV居第2位，說明從生態效益的角度看，該區的土地利用結構較為合理;天心區、雨花區和岳麓區土地利用變化程度大，其中天心區和雨花區ESV下降較快，而岳麓區雖然也在下降，但相對緩慢，原因是在其建設用地增加的同時，有大量其他類型用地轉變為林地和水域.說明如果注意了土地利用類型結構的調整，可以緩和生態服務價值整體下降的變化趨勢.這3個區域應該盡量控制建設占地的速度和規模，同時努力提高林地、水域的占地比例.

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