土地利用方式轉變的生態服務價值研究——以城鄉交錯帶西安郭杜教育科技產業開發區為例

張珊珊，李書恒*，劉 瑤，程 鑠

(西北大學城市與環境學院，陜西西安710127)

土地利用方式轉變的生態服務價值研究
——以城鄉交錯帶西安郭杜教育科技產業開發區為例

張珊珊，李書恒*，劉 瑤，程 鑠

(西北大學城市與環境學院，陜西西安710127)

城鄉交錯帶土地利用方式的演變對區域生態服務價值變化影響顯著。該研究基于1990～2010年西安市城鄉交錯帶的土地利用/土地覆被變化情況，運用生態系統服務功能價值模型評估方法，研究土地利用方式轉變與生態服務價值之間的關系，通過空間尺度的縱向與橫向分析，進而推斷出影響生態系統服務價值的主要驅動因素。結果表明:近20年來城鄉交錯帶的土地利用結構決定其生態服務價值，該地區生態服務價值總體呈增加趨勢，但建設用地面積劇增，林地、水域和草地面積的減少是總服務價值增加緩慢的主要影響因素;引起城鄉交錯帶生態服務價值變動的主要因素由人口質量和城市化速率決定，并日趨明顯。

土地利用/土地覆被變化(LUCC);生態系統服務價值(ESV);城鄉交錯帶

土地是人類賴以生存的基礎，人類的發展就是對土地加以開發利用從而使土地利用方式不斷變化的歷史。20世紀90年代以來，隨著社會經濟的發展，城鎮化速度加快，土地利用方式更新速度更快，土地利用/覆被變化(LUCC)研究已成為全球環境變化的一個重要領域，引起國際組織和世界各國的普遍關注［1］。國際地圈－生物圈計劃(IGBP)和全球變化中的人文領域計劃(HDP)在1995年聯合提出了“土地利用和土地覆蓋變化”研究計劃［2］。土地利用/覆被變化及人類活動對生態系統服務的影響是當前我國生態系統研究的重要方向之一［3］。劉紀遠等研究了中國土地利用變化，揭示了土地利用變化的空間格局與驅動因素［4－5］。由于LUCC產生的環境效應十分巨大，它可引起各類陸地生態系統面積及其空間分布格局的變化，從而影響區域的生態與環境質量。因此，研究LUCC背景下區域生態系統服務價值(ESV)變化具有重要意義。

筆者將關注點放在了城鄉交錯帶，以西安郭杜教育科技產業開發區為例，利用1990～2010年的影像圖分析可得此區域土地利用轉變明顯迅速，轉變方式為耕地向高新產業園區發展，故研究高新產業園區具有時代性，對耕地利用變化開展生態價值服務價值研究，分析其驅動因素對提高耕地的集約利用水平，改善盲目的“圈地運動”，促進經濟穩步增長和生態環境質量的不斷提高都有著重要的意義。

1 研究區概況

西安郭杜教育科技產業開發區位于古城西安的西南方向，地處關中平原腹地，南依秦嶺，北接西安高新技術產業開發區，屬于市區的邊緣地帶。地勢平坦，交通便利，西萬公路、西戶公路、西漢高速以及西安繞城高速公路貫穿其中，“八水繞長安”之中的潏河、滈河穿境而過。該開發區是經國家五部委驗收審核后保留下來的開發區(原名西安市郭杜工業園區)，總規劃面積28 km2，是陜西省唯一一個以教育科研及成果轉化、高新技術產業和文化產業發展為主導的省級開發區。在“新長安戰略”的指引下，為充分發揮地區潛力和集群輻射效應，園區把推動城市化與推進教育科技產業的快速發展相結合，建設了校區、商業區、住宅區等多種集群形式(圖1)，極大地促進了區域的經濟發展。但是，這些集群是在耕地被大量占用的基礎上建設而成的，耕地的銳減已成為園區的一大特征。

圖1 西安郭杜教育產業開發區示意

該研究以耕地轉變為其他利用類型為主要研究對象，結合長安區1990～2010年的影像圖，選取1990年利用方式為耕地，如今已轉變為其他利用類型的區域，包括5種轉變方式:校區、商業區、工業區、住宅區、公園。經過實地調查，分析影像圖得到各區域的面積，代入模型計算，得知轉變前后各區生態服務價值并分析其驅動因素。

2 研究方法與數據來源

2.1 研究方法

2.1.1 生態系統服務價值(ESV)。生態系統服務功能是指生態系統與生態過程所形成及維持的人類賴以生存的自然環境條件與效用。它不僅為人類提供食物、醫藥及其他工農業生產的原料，而且維持人類賴以生存和發展的生命支持系統［6］。Costanza將生態系統服務功能劃分為17類，即水供應、大氣調節、氣候調節、擾動調節、水調節、土壤流失控制和沉積物保持、土壤形成、營養物質循環、水處理、傳粉、生物控制、躲避居留區、食物生產、原材料、遺傳資源、娛樂、文化等，并采用不同的方法對不同生態系統的服務價值進行了計算［7］。該研究考慮到計算中的限制性因子，對生態系統服務價值采用如下4種分類:供給功能、調節功能、支持功能和文化娛樂功能。這4種功能完全涵蓋了Costanza提出的17種功能，兩者內涵一致。

(1)供給功能，即從生態系統獲得的產品，包括糧食、潔凈水、燃料、纖維生物化學物質、基因資源。

(2)調節功能，即從生態系統過程的調節作用而獲得的效益，包括調節氣候、控制疾病、調節水分、凈化水源。

(3)支持功能，包括土壤形成、養分循環、初級生產。

(4)文化娛樂功能，即從生態系統獲得的非物質效用與收益，包括精神與宗教方面、娛樂與生態旅游、美學方面、教育功能、故土情、文化繼承等。

2.1.2 生態服務功能價值模型。謝高地等［8］、冉圣宏等［9］在對我國不同省市研究討論確定的中國主要土地利用類型單位面積的生態價值，確定了中國土地利用類型單位面積生態服務價值模型(表1)。

首先根據當地實際情況對數據進行修正。尤其是水域，因為研究區水域已遭受大面積污染，并且相當一部分水域為景觀水域，根據其污染程度和開放時間對數據進行修正。其次結合生態服務4大功能分類的內涵，把表1模型歸結為研究區不同土地利用類型單位面積的生態價值(表2)。

表1 中國不同土地利用類型單位面積生態服務價值 元/(hm2·年)

表2 研究區不同土地利用類型單位面積的生態價值 元/(hm2·年)

其中耕地包括旱田和水田;林地包括林地、灌木林地、疏林地、未成林造林、跡地、苗圃;草地包括天然草地、改良草地、人工牧草、荒草地;住宅用地包括城市用地、建制鎮用地、農村居民點和交通用地;水域包括河流、湖泊、水塘和景觀水域;其他為未利用地。

根據Costanza等對ESV估算原理和方法的研究，生態系統服務價值的計算公式如下:

式中，ESV為生態系統服務總價值(元);VCk為各土地類型單位面積服務價值［元/(hm2·年)］;Ak為研究區內土地利用類型的分布面積(hm2);ESVf為生態系統單項服務總價值(元);VCfk為單項服務功能價值系數［元/(hm2·年)］。

2.2 數據來源及處理 基礎數據來源于1990～2010年《西安統計年鑒》，實地觀測調研及同區域1990年、2010年影像圖。根據土地利用現狀及研究需要，將西安郭杜教育科技產業開發區的土地分為草地、林地、水域、建設用地(包括居民點及工礦用地、交通運輸用地、水利設施用地)和未利用地5種類型作為研究對象。

3 結果與分析

3.1 縱向分析 研究區1990年耕地與2010年轉變為住宅區、商業區、工業區、校區及公園后產生的生態服務價值對比見表3。

1990～2010 年西安市城市化迅速發展，尤其是城鄉結合部的產業園區，耕地日益減少，建設用地逐年增加，呈現郊區城市化現象。由表3可知，耕地轉變為其他土地利用區域后，供給功能下降，調節功能劇增，總體生態服務價值呈上升趨勢。相較之下，公園區提供的生態服務價值最高，而工業區及住宅區偏低。

表3 1990～2010年郭杜教育產業園區生態服務價值元/(hm2·年)

3.2 橫向分析 以2010年為例，在同一時間尺度上對郭杜產業園區內的不同區域的展開調查研究。各區域的選取面積及生態服務價值見表4。

表4 2010年郭杜教育產業園區各分區不同土地利用類型的面積及生態服務價值 元/(hm2·年)

由表4可知，2010年各分區土地利用結構均以建筑用地為主，其所占比例分別為:工業區85%、住宅區70%、商業區65%、校區56%、公園25%，表明1990～2010年研究區土地利用轉型變化較大，建設用地持續增加，由于城鄉交錯帶的進一步城市化，在未來時段內城市化與工業化將進一步推進，與區域戰略相吻合的同時帶來人們不易察覺的生態效益問題。土地轉變為不同利用方式的生態服務價值變化動向，促使人們更加關注土地轉型過程中的生態效益變化。從各分區的年平均生態服務價值可以看出，公園區的生態服務價值最高，給人們帶來的環境享受貢獻最大;但在以提高GDP為主的城市化進程中，經濟的發展必不可少，因此，提高商業區及工業區的生態服務價值也顯得尤為重要。

3.3 驅動因素分析 在LUCC機制研究中，驅動力問題一直備受關注。雖然影響耕地數量變化的因素繁多，但起主要作用的還是自然因素和人文因素兩個方面。目前，在耕地利用變化驅動力的研究中，運用主成分分析方法來探究西安市城鄉交錯帶的土地利用變化與驅動力之間的相互關系的方法較為常用［10］。

3.3.1 自然驅動因素。據考證，從大的時間尺度看，自然因素能對耕地數量產生重要的影響，但在研究期(1990－2010年)這樣的小尺度時間范圍(20年)內，自然因素對耕地利用的影響相對于人類活動所造成的影響來說并不明顯［11］。因此，自然因素不是西安市城鄉交錯帶土地利用動態變化的主要驅動因素。

3.3.2 人文驅動因素。

(1)人口增長對該區土地利用變化的驅動力影響機制。人口數量的變化是影響耕地變化的主要因素之一，目前開發區內外已有陜西師范大學、西北大學、西安電子科技大學等20多所高校入駐，在校生人數超過15萬。人口迅速增長導致對工業用地、商業用地、建設用地、綠化用地等方面的需求進一步增大，隨著資源深化的利用(即內部挖掘與重組以擴大量)，其結果是土地利用格局發生變化，加劇耕地面積的減少。從1990～2010年郭杜鎮人口統計資料可以看出，開發區人口總數呈現迅猛增加趨勢，尤其2000～2010年人口躍升幅度達105.8%，增幅明顯(表5)。該區人口的增長，一方面導致建設用地的增加，農用地面積的減少;另一方面，引起產業結構和城鎮化水平的變化，從而影響土地用途的使用，促使土地利用也發生變化。

表5 1990～2010年長安區郭杜鎮長住人口統計

(2)產業結構調整對該區土地利用變化的驅動力影響機制。自1990年起，郭杜鎮經濟快速發展;從1995年西安郭杜教育科技產業開發區成立后到2010年，其發展更是全面駛入快車道，城鄉居民收入快速增長，生活質量明顯提高。此成就得益于這20年來的產業結構調整，區域經濟系統產業結構的演進也引起土地資源在不同產業部門間的重新分配［12］。經過多年的發展，該區已形成了科研開發和產業基地型科技園區的雛形，2008年開發區實現社會總產值25.14億元，財政總收入2.4億元;固定資產投資24.1億元;招商引資總額26億元。到2010年郭杜開發區GDP達到130億元，財政收入5億元，農民人均收入1萬元，促使長安區的生產總值、財政一般預算收入、城鄉居民收入等主要經濟指標增速在西安市排名前三。目前，開發區已累計引進招商投資項目195個，引資額219億元，同時也相繼建成櫻花廣場、郭杜公園、森林公園等城市生態功能區域。開發區為保持區域經濟和社會事業的持續快速發展，必然會改變土地利用結構，導致耕地面積進一步減少。

4 結論與展望

總結Costanza、謝高地等提出的生態服務價值模型［13］，將西安市長安區城鄉交錯帶郭杜教育科技產業開發區1990～2010年的土地利用結構做了調查歸納，分析了土地利用/覆被變化(LUCC)的背景下的生態服務價值效應。研究表明西安市城鄉交錯帶在城市化發展過程中生態服務價值總體呈增加趨勢，主要得益于本區草地面積的增加，但建設用地面積劇增，林地和水域面積的減少是總服務價值增加緩慢的主要影響因素。郭杜開發區人口增長及產業結構調整是城鄉交錯帶城市化過程中顯著的基本特征，表現在建筑用地通過大量占用耕地擴展，非城鎮用地間結構變化明顯。土地利用過程中既帶來了巨大的經濟效益，同時也引發了生態環境問題，因此，在土地資源利用的同時必須注重其環境效應的影響，促進生態服務價值的不斷提高。

基于以上分析，提出西安市城鄉交錯帶土地資源可持續利用的相關對策和措施:首先，要正確處理人口、資源、環境與發展的關系;其次，合理調整土地利用結構，切實保護耕地，尤其是減少非農用地對耕地的占用;劃定基本農田保護區，提高土地利用率;最后，充分利用土地資源并加強土地管理，完善土地管理的各項制度和法規。在土地資源利用的同時須重視環境問題，減少污染，切實確保西安市城鄉交錯帶，實現土地利用及生態系統服務的協調可持續發展。

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Ecological Service Value Research about the Changes in the Modes of Land Use—Taking Urban-rural Fringe Xi＇an Guodu Education Science and Technology Industrial Development Zone as an Example

ZHANG Shan-shan，LIShu-heng et al (College of Urban and Environment，Northwest University，Xi’an，Shaanxi710127)

The evolution of land utilization in rural-urban fringe hasa significanteffecton the value change in regionalecological service.Based on variation of land use/land coverage in urban-rural fringe in Xi’an City during 1990-2010，using assessmentmethod of eco-system service functional valuemodel，the relationship between land useway conversion and eco-service valuewas elaborated.Through vertical and horizontalanalysis of spatial scale，themain driving factors influencing eco-system service valuewere obtained.The results showed that in recent20 years，the land use structure of urban-rural fringe determines its ecological service value，and the value ofecosystem services in the region overall showed an increasing trend.But the sharp increase in construction area，and the reduction in area of forest land，water and grassland are themain factors for the slow increase of the total service value.Themain factors causing the changes in ecological service value ofurban-rural fringe are the quality of the population and the rate of urbanization，which have become increasingly obvious.

Land use/land cover change(LUCC);Ecosystem services value(ESV);Urban-rural fringe

S28;F301.24

A

0517－6611(2014)18－06008－04

國家級大學生創新創業訓練性計劃項目和西北大學創新創業計劃項目(2012015)。

張珊珊(1992－)，女，山東萊蕪人，本科生，專業:環境科學。

*通訊作者，副教授，博士，從事環境演變與人類活動的關系研究。

2014-05-23