城市土地利用變化對生態系統服務的影響
——以淮北市為例

趙 丹，李 鋒，王如松

(城市與區域生態國家重點實驗室，中國科學院生態環境研究中心，北京 100085)

生態系統服務是指生態系統為維護人類社會的生產、消費、流通、還原和調控活動而提供有形或無形的自然產品、環境資源和生態公益能力，是生態系統的一種產出和功效［1-4］。土地利用是人與自然交叉最為密切的環節，土地利用/覆蓋變化必然會引起自然生態系統結構和生態系統服務的變化［5］。資源型城市由于其粗放的經濟增長方式和強烈的資源指向性，顯著地改變了當地的土地利用結構，并對當地生態環境系統造成極大的損害［6］。然而，廢棄的采煤區由于塌陷而形成的大面積的濕地，卻會使礦區原本破壞的生態系統轉化而提供新的生態系統服務。因此，深入研究資源型城市的土地利用結構及生態系統服務的時空變化，對于資源型城市的土地可持續利用和生態環境保護具有重要意義。

本文以資源枯竭型的典型城市——淮北市為研究對象，對1987—2007年間淮北市土地利用及生態系統服務價值的時空演變進行定量評價，以期為資源型城市的土地合理調控和管理提供一定的科學依據。

1 研究區概況

淮北市位于安徽省北部，東鄰宿州市，南連懷遠、蒙城，西與渦陽、河南永城市接壤，北與肖縣、江蘇徐州市毗鄰。海拔20—40 m，南北長150 km，東西寬50 km。淮北市轄三區一縣，總面積2740.91 km2?；幢笔惺俏覈笮兔禾可a基地之一，為國家經濟建設做出重要的貢獻，同時經過40多年的開采也引發了嚴重的環境污染、環境破壞、地質災害等多種生態環境問題，造成巨大的經濟損失。自1958年開采煤礦以來，淮北礦區總的地表沉陷影響面積為17233 hm2，地表沉陷積水面積為5620 hm2，截至2010年底，全市已累計塌陷土地達16667 hm2。

2 研究方法

城市土地利用變化對生態服務功能影響的研究越來越受到國內外學者們的關注。目前，主要的研究方法有生態系統評估法、典型相關分析法以及多元線性回歸法等。其中，生態系統服務評估法能夠定量地反映不同時期土地單項及綜合生態服務功能的差異，有利于規劃和決策者對土地生態系統服務更直觀的認識和了解，廣泛地應用于城市生態系統服務的評估和比較。

2.1 數據來源及地類劃分

研究中使用的主要數據是淮北市1987、2000和2007年的土地利用矢量專題圖，比例尺1∶50 000。為了便于分析，土地利用類型的劃分以生態系統類型劃分為基礎，參考我國1984年土地利用分類體系將土地利用類型分為耕地、林地、水體和城鎮用地四類，并歸并為生態用地與建設用地兩個一級分類［7］。其中，建設用地是指人工硬化地表，包括居民點、交通用地和工礦用地在內的建設用地，但居住用地中的綠地不包括在內。生態用地是維持城市生態平衡重要的用地類型，為城市人類活動提供重要的生態系統服務，主要包含農田、林地和水體。具體土地分類見表1。

表1 基于土地生態系統服務的土地利用分類［8］Table 1 Classification of land use based on land services

2.2 土地利用動態度

土地利用動態度分為單一土地利用動態度和綜合土地利用動態度。單一土地利用動態度表示研究區一年內某種土地利用/土地覆蓋類型的變化幅度，直接反映了研究區某種土地利用/覆蓋類型變化速度的快慢［9］。其計算公式為

式中，Ua、Ub分別為研究初期與末期某一種土地利用類型的數量;T為研究時段。

綜合土地利用動態度從總體上反映研究區一定時間范圍內各土地利用/覆蓋類型相互轉化的劇烈程度［10］。其公式表示為:

式中，LUi為監測起始時間第i類土地利用類型面積;△LUi－j為監測時段第i類土地利用類型轉化為非i類土地利用類型面積的絕對值;T為監測時段長度［5］。

2.3 城市土地生態服務功能價值估算

本文依據Costanza等［11］和謝高地等［12-13］的研究成果確定不同土地利用類型的生態系統服務價值系數(表2)，并結合謝高地對中國陸地系統提出的價值當量換算方法，確定了淮北市區不同土地利用類型單位面積的單一生態系統服務價值系數(表3)。

表2 中國陸地生態系統服務價值系數Table 2 Ecological service value per unit area of land ecosystem in China

表3 中國不同陸地生態系統單位面積的單一生態系統服務價值表 /(元·hm－2·a－1)Table 3 The single ecological service value per unit area of different ecosystem types

其中，農田參考農田生態系統單位面積生態系統服務價值，林地參考森林生態系統單位面積生態系統服務價值，水體對濕地、水體生態系統單位面積生態系統服務價值取平均，建設用地的生態系統服務價值為負，由生態用地價值的損失來計算。生態系統服務價值的計算公式:

式中，V為研究區生態系統總服務價值(萬元);Ai為研究區第i種土地利用類型面積(hm2);Rv，i為研究區第i種土地利用類型的生態系統服務價值系數。

3 結果分析

3.1 土地利用動態變化

根據淮北市1987，2000和2007年3期土地利用圖(圖1)，并參照上表中土地利用二級分類，對不同土地利用類型進行歸并，得到1987—2007年淮北市土地利用的面積變化及空間格局的差異。

圖1 1987—2007年淮北市土地利用變化Fig.1 Land use pattern in Huaibei city during the period 1987—2007

表4結果表明:淮北市整體土地利用分布由1987年:農田＞林地＞建設用地＞水體，變化為2007年:農田＞建設用地＞林地＞水體。生態用地中農田所占的比例最大，林地次之，水體最少。1987—2007年間生態用地空間結構和面積發生劇烈變化，生態用地占市區面積的比例由91.45%降低至71.86%(圖2)。由單一動態度指數計算結果可知，從1987至2000年，農田面積明顯下降，而林地、水體和建設用地的面積呈不同程度的增加趨勢，其中，建設用地面積增長最為迅速。從2000至2007年，林地和水體面積下降，而農田面積有所增加。建設用地總面積沒有明顯變化，但從圖1可以看出其聚集度顯著增加，市區正逐漸由生態用地為主的景觀格局轉變為以建設用地為主導的城市景觀格局?？傮w而言，近20年來淮北市的綜合土地利用動態度有所下降，反映出近期土地流轉趨于平緩。

表4 1987—2007年土地利用變化率Table 4 Land use changes of Huaibei city between 1987 and 2007

3.2 生態服務價值動態演變

根據各類土地的面積以及單位面積土地的生態系統服務價值系數，計算得到淮北市不同時期土地生態系統服務的差異(表5)。

由表5可知，20a間，淮北市的生態系統服務的總價值呈現先增加后減少的變化趨勢，2000年生態系統服務價值達最高值，為31.32億元。由于1987—2000年間建設用地增加面積主要是農田的轉化，而2000—2007年間建設用地增加的面積主要是林地的轉化。因而，2000年和2007年建設用地的生態系統服務價值為負，分別由農田和林地價值的損失來計算?？傮w而言，淮北市土地生態系統服務在1987—2000年間，由于大量植樹造林，生態服務有所提高，2000—2007年，由于城市的快速擴展，侵占大量林地和水體，導致生態系統服務價值的下降。

圖2 不同時期淮北市建設用地和生態用地的差異Fig.2 Proportion change of ecological land and built-up area in Huaibei city from 1987，2000 to 2007

表5 淮北市不同土地利用類型的生態系統服務價值Table 5 Ecosystem service value of Huaibei city from 1987 to 2007

另外，根據表3對不同時期土地利用類型的單一生態系統服務價值分別進行核算，可以看出:除食物生產功能之外，2000年各種類型的生態系統服務均明顯高于1987年和2007年。2000—2007年期間，城市急速擴展和不透水地面的鋪設，使得生態用地面積顯著減少，城市生態系統服務下降，而以廢物處理和水源涵養功能退化最為嚴重。另外食物生產的生態系統服務的變化主要是由農田面積的改變而引起的。

4 討論與結論

城市土地利用/覆被的變化將引發陸地生態系統結構和格局的變化，進而影響了水循環、生物地球化學循環、土壤更新等生態過程，導致城市生態系統服務的改變［14-16］。淮北市是一個因皖北地區煤炭開采而設立的新興工業城市。從20世紀50年代開始閘河煤田開采煤礦至今，土地利用類型的變化使得淮北市礦區的生態系統服務發生變化。

生態用地(農田、林地和水體)是區域或城鎮土地中以提供生態系統服務為主的土地利用類型，具有涵養水源、保持水土、凈化空氣、美化環境、休閑娛樂等重要生態功能［17-18］。1987—2007年間生態用地空間結構和面積發生劇烈變化，生態用地占市區面積的比例由91.45%降低至71.86%，進而顯著影響了城市的生態系統服務和人居環境。由圖3可知，1987年至2000年，由于煤礦開采，占用大面積的耕地，使得地表大面積下沉變成了荒灘洼地，致使大量農田失去，食物生產的生態系統服務顯著下降。但與此同時，由于淮北特有的水文地質條件，促使塌陷地形成大面積的濕地，水體面積有所增加，加之退耕還林和人工造林等生態建設使林地面積顯著增加，因而其他各項生態系統服務均明顯提高。從2000至2007年，一方面由于經濟利益驅動，盲目地砍伐森林、圍湖造田、填湖蓋樓等行為，使得林地和水體變為建設用地和裸地;另一方面，新城區建設也使得部分水體用地面積不斷減少，導致生態系統服務總體下降，其中由林地和水體主要提供的涵養水源、廢物處理、提供原材料、生物多樣性維持等生態系統服務隨其土地面積的減少而顯著降低。因此，保育城市生態用地，加強城市生態基礎設施建設，對于提高城市生態系統服務和改善城市人居環境具有重要意義。資源型城市的土地利用中更應當重視生態修復和生態建設，在資源開發利用的同時加強土地規劃和管理，促進城市健康、可持續地發展。

本文將國內外學者們的陸地生態系統服務價值相結合，并結合謝高地對中國陸地系統提出的價值當量換算方法，確定了淮北市區不同土地利用類型單位面積的生態系統服務價值系數，其精確性還有待進一步提高。另外，本文應用生態服務功能的價值系數法對淮北市土地利用結構改變所導致的生態系統服務變化的經濟價值評估，只是提供一個大致相對的數據，為領導和有關部門提供一個決策依據，但不能表征一些無法量化的生態服務功能的指標，因而并不能準確反映實際價值量。

通過1987、2000和2007年的土地利用變化對淮北市生態系統服務價值進行估算并分析了其變化特點，主要結論如下:

(1)從1987年到2007年，在20年間淮北市生態用地面積減少20%，而建設用地的面積則明顯增加且聚集度顯著增加，但總體土地利用類型的流轉頻率有所下降。

(2)在各項生態系統服務中，廢物處理產生的價值最大，其次為土壤更新，兩者之和約占總價值的40%，從1987年到2007年，生態系統服務價值總量呈現先增加后減少的變化趨勢;從2000年到2007年，生態系統服務價值的減少以廢物處理和水源涵養功能的退化最為嚴重。

(3)從空間上看，高服務價值的地區主要集中在淮北市南半部，農田和林地較為集中，而低服務價值的地區主要集中在淮北市主城區，建設用地聚集度高，生態用地面積顯著減少。

圖3 不同時段淮北市生態系統不同服務價值變化量Fig.3 Values of ecosystem services of Huaibei city from 1987 to 2007

(4)由于生態系統的復雜性和多樣性，目前生態系統服務的評價方法還存在許多不完善之處。本文只是從空間和時間角度，探討了城市土地利用變化對生態系統服務的影響，如何應用新的模型和技術對城市生態系統服務進行更精確的評價還需要深入研究。

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