快速城市化地區土地利用變化的生態環境效應——以杭州市中心城區為例

黃忠華, 杜雪君

(1.浙江工業大學 經貿管理學院, 浙江 杭州 310023; 2.浙江省哲學社會科學重點研究基地

技術創新與企業國際化研究中心， 浙江 杭州 310023; 3.浙江科技學院 經濟管理學院, 浙江 杭州 310023)

快速城市化地區土地利用變化的生態環境效應——以杭州市中心城區為例

黃忠華1,2, 杜雪君3

(1.浙江工業大學 經貿管理學院, 浙江 杭州 310023; 2.浙江省哲學社會科學重點研究基地

技術創新與企業國際化研究中心， 浙江 杭州 310023; 3.浙江科技學院 經濟管理學院, 浙江 杭州 310023)

摘要：[目的] 評價和分析杭州中心城區1995—2014年土地利用變化的生態環境綜合效應，為土地利用管理和城市生態環境治理提供依據。 [方法] 基于杭州市中心城區1995，2000，2005，2010和2014年5期TM影像數據，獲取不同時段土地利用變化數據，并利用生態系統價值評估、碳排放核算和景觀格局指數等分析方法。 [結果] 近20 a來，杭州市生態系統服務總價值從1995年的32.43億元下降至2014年的23.96億元，共減少26%，占同期GDP比重從5.86%下降至0.56%；土地利用凈碳排放從1995年的4.26×10t增加至2014年的1.51×107t，碳吸收從7.22×105t下降至6.49×105t，2014年碳排放的社會成本已高達145億元；生態服務低價值區主要以中部為中心向周圍蔓延，土地利用生態景觀分析結果顯示破碎化程度降低，連通性提高趨勢，但多樣性銳減。 [結論] 研究區內林地和水體面積減少，建設用地增加是生態系統服務總價值減少的主要原因。建設用地碳排放急劇增加和林地的碳吸收銳減是土地利用凈碳排放增加的主要原因。研究區土地利用變化引起的生態景觀格局變化明顯，生態服務價值空間分布不均。

關鍵詞：土地利用變化; 生態環境效應; 生態系統服務價值; 碳排放; 杭州市

土地利用/覆蓋變化(LUCC)，作為人類活動對區域和全球變化的重要驅動因素，其引起的生態環境效應是地理學、生態學和環境經濟學等學科關注的焦點[1]。人類在追求經濟價值而進行的土地開發利用活動中，對生態系統和環境產生劇烈影響，并最終影響其為人類所提供的服務和價值[2-4]。盡管對LUCC引起的生態環境效應定義和評估未統一，但大家越來越深刻認識到，要將生態環境價值和影響納入到土地利用決策中來，以糾正過去土地開發利用中忽略生態環境價值而帶來的環境降級和資源錯配[5]。現有對土地利用變化生態環境效應研究主要涉及： (1) 土地利用變化的生態系統服務價值評估。隨著Costanza[6]、歐陽志云[7]、謝高地[8]等學者對生態系統服務價值評估理論方法研究的不斷進展，針對不同區域土地利用變化生態系統服務功能價值評估研究日益增加[9-10]。 (2) 土地利用利用變化的碳排放效應評估。土地利用變化是影響陸地生態系統碳循環過程的重要因素，特別是人類活動引起的建設用地“平臺”上碳排放量的急劇增加，土地利用變化與碳排放研究正不斷發展[11-14]。 (3) 土地利用變化的生態景觀格局效應評價。主要采用景觀指數分析土地利用變化帶來的生態景觀格局變化[15-16]。

盡管相關研究日益增加，但大多評估了某方面的生態環境影響，研究時期較短，研究范圍也多集中在生態環境脆弱地區或欠發達地區，尚缺乏對快速城市化地區土地利用引起的生態環境影響的深入研究[17]。在快速工業化和城市化發展進程中，土地利用急劇變化引起的生態環境影響日益凸顯，特別是現行單純追求經濟價值而忽略生態環境影響的土地開發利用活動，導致生態環境損害和危及城市可持續發展。因此，對快速城市化地區土地利用變化的生態環境綜合效應進行評估，有助于揭示土地利用變化與生態環境的聯系，并重新審視土地利用配置和城市可持續發展的關系。

近20 a來杭州一直經歷著快速的經濟增長和城市化過程，同時所面臨的資源與環境壓力也越來越大。本研究嘗試綜合生態服務價值、碳排放和景觀格局指數等多種評價分析方法，在對杭州市中心城區近20 a來LUCC分析的基礎上，多角度評價土地利用變化引起的生態環境綜合效應，為土地利用決策，城市增長管理和生態環境治理提供參考。

1數據來源與處理

1.1　研究區概況

研究區杭州市中心城區位于長三角南翼，浙江省中北部，地理坐標119°59′32″—120°24′23″E，30°4′44″—30°24′16″N，包括西湖、上城、下城、拱墅、江干和濱江區。杭州市中心城區土地總面積為704.6 km2，生態景觀資源豐富，有西湖、西溪濕地和錢塘江等風景旅游資源。近年來，杭州中心城區經歷了快速的經濟發展，GDP從1995年的369.78億元增加到2012年3 763.85億元，同期人口從143.52萬增加至232.82萬人，人均GDP已達16.17萬元；與此同時，杭州中心城區也經歷了急劇土地利用變化，并引起生態環境顯著變化，據杭州市統計年鑒數據估計，1995—2012年，杭州中心城區溫室氣體排放中碳排放從4.97×106t增加至1.49×107t。

1.2　數據來源

研究數據源于杭州市中心城區1995，2000，2005，2010和2014年Landsat(其中2014年為Landsat 8影像，其余年份為Landsat 5影像)TM影像數據。運用ENVI 5.1軟件對Landsat的TM影像進行5，4，3波段組合后，借助1∶10萬地形圖和Google Earth進行幾何精校準，精度控制在0.5個像元左右。根據土地利用現狀分類(GB/T21010—2007)和杭州市中心城區土地利用和覆蓋特征，最后將研究區的地類分為耕地、園地、林地、水體和建設用地5類進行分析。在判讀解譯過程中，充分結合土地利用現狀圖及野外考察結果建立土地分類標準。5個時相的綜合分類精度分別達到98.7%，96.8%，93.5%，94.5%和89.1%，各地類的Kappa系數也都超出70%的最低允許精度要求。最后利用ArcGIS 10.0軟件形成5期土地利用數據庫，以分析土地利用變化的生態環境綜合效應。

2研究方法

2.1　生態系統服務價值評估

2.1.1生態系統服務價值標準確定根據Costanza[6]、謝高地[8]等學者的研究，對杭州市中心城區生態系統服務價值當量因子及價值進行修訂，得到各地類單位面積生態服務價值(文中名義變量用消費者價格指數折算成實際變量，以2012年為基期)詳見表1。

表1　杭州市中心城區生態系統服務價值當量因子　元/(hm2·a)

2.1.2生態系統服務價值計算在確定各地類單位面積生態服務價值后，就可估算當年生態系統服務總價值，計算公式為：

(1)

式中：ESV——年生態系統服務總價值；Ai——研究區第i種地類面積； VCi——i地類生態系統服務價值當量。下同。

(2)

式中：ESVf——第f類型的生態系統服務功能系數； VCfi——單項生態系統服務功能系數。

為檢驗各地類生態系統服務價值系數設定對估值的影響，利用公式(2)對其進行敏感性分析。

(2)

式中：CS——價值系數敏感度； VCik，VCjk——地類k調整前后的價值系數； ESVi，ESVj——相應的生態系統服務價值。若CS>1，表示價值系數設定敏感，反之不敏感。

2.2　土地利用變化碳排放效應核算

土地利用類型中林地、園地和水體為碳匯，建設用地是主要的碳源，耕地是微量的碳源。其中林地、園地、耕地和水體的碳排放量計算公式為：

E=∑ei=∑Ti·δi

(3)

式中：E——碳排放總量；ei——各地類的碳排放量；Ti，δi——各地類面積和碳排放(吸收)系數。根據蘇雅麗和張艷芳，孫賢斌等研究[13，18]，設定林地、園地、耕地和水體的碳排放系數分別為-57.7，28.861，0.422和-0.29 t/hm2(負值表示為碳匯)。

建設用地碳排放量通過間接估算其所承載的能源消耗獲得，根據GDP、單位GDP能耗和單位標準煤碳排放系數3者乘積來計算，其計算公式為

Ecl=GDP·δe·δc

(4)

式中：Ecl——建設用地碳排放量； GDP——當年國內生產總值；δe——GDP能耗強度(t標準煤/萬元)；δc——單位標準煤碳排放系數，根據孫賢斌等[18]研究，設定為0.733。

2.3　景觀格局效應

景觀指數不僅能描述生態系統外部特征，也可定量反映生態環境功能狀態及變化特征屬性[16]。為避免相同景觀指數的重復使用，本研究選取景觀水平上的邊緣密度指數(ED)、平均最近距離指數(ENN-MN)和Simpson多樣性指數(SIDI)等3個指標來定量評價杭州市中心城區土地利用變化的生態效應，指數計算采用Fragstats 4.2軟件。

3結果分析

3.1　杭州市中心城區生態系統服務價值及其空間格局

3.1.1生態系統服務價值變化根據表1數據和公式(1)—(2)，在ArcGIS 10.0通過相交分析分別計算杭州市中心城區1995—2014年各土地利用的生態系統服務價值及變化，結果詳見表2。由表2可見，1995—2014年杭州市中心城區生態系統服務價值不斷下降，從1995年的3.24×105萬元(占同期GDP的5.86%)下降到2014年2.40×105萬元(占同期GDP的0.56%，2014年GDP根據趨勢預測)，生態系統服務總價值共下降26.11%，其占GDP比重下降90.50%，更為嚴重。其中，2000—2005年，2010—2014年生態系統服務價值下降最為顯著，分別降低10.24%和14.38%。2000—2005年生態系統服務總價值急劇減少，主要是因為生態系統功能價值較高的林地和水體面積大量減少，導致其生態系統服務價值分別減少30.04%和14.42%，如原蔣村濕地地區的大規模開發；2010—2014年生態系統服務總價值劇烈減少，主要是由于水體面積再次大量減少，導致其生態系統服務下降28.39%，如下沙原養殖水面大規模被開發。從表2還可看出，各地類中水體產生的生態系統服務價值最大，其面積雖約占土地總面積的11.2%，但其產生的生態系統服務價值平均約占總價值的47.8%；其次是林地，其面積約占15.8%，產生的生態系統服務價值平均約占總價值的32.4%，再次是耕地和園地，其產生的生態系統服務價值平均分別約占16.4%和3.4%。因此，濕地(水體)和林地生態系統服務價值變化對杭州市中心城區生態系統服務總價值變化起到關鍵性作用，在生態環境保護中應予以特別重視。

3.1.2空間分布及變化圖1顯示不同時期杭州市中心城區生態服務價值等級的空間分布特征。由圖1可以看出，高于10萬元/hm2的區域主要分布在西湖、西溪濕地和錢塘江，在運河和養殖水面等地也有零星分布。5～10萬元/hm2的區域主要集中在西部的林地區和北部半山林地區，在東南部也有零星林地分布。0～5萬元/hm2的區域主要集中在北部、南部和東南角的大片耕地區。0元/hm2區域占據了較大部分的土地面積，主要集中在以中部為中心，向周圍蔓延，這部分地類主要是城鎮建設用地。

表2　杭州市中心城區1995-2014年

圖1　1995-2014年杭州生態系統服務價值空間分布

3.1.3敏感性分析根據公式(2)，將各地類價值系數調整50%，計算價值系數的敏感度(CS)，結果詳見表3。由表3可見，各價值系數敏感度較小，其值均小于1。水體的敏感度系數最高，為0.5左右，這與水體的生態系統服務價值較高有關(約占生態系統服務總價值的50%)。其次是林地，價值系數敏感度為0.3左右，再次是耕地，價值系數敏感度約在0.17左右。園地的生態系統服務價值不及水體和林地，所占面積也較小，故其敏感度不超過0.04。敏感度分析也從側面反映了各地類對生態系統服務總價值的影響程度，總體而言，水體和林地價值系數設定對生態系統服務總價值的影響較大，但影響的彈性不大。

表3　杭州市中心城區生態系統服務價值系數設定的敏感性分析

注：比例表示各地類價值系數調整50%，相應地生態系統服務價值變化百分比； CS表示敏感性系數，無量綱。

3.2　土地利用變化的碳排放效應

1995—2014年，由于城市化和工業化快速發展，杭州市中心城區土地利用變化引起了碳排放的顯著變化(表4)，凈碳排放總量為從4.26×106t增加到1.51×107t。從不同地類對碳排放貢獻來看，建設用地的碳排放所占比重最大，是主要碳源，其次是耕地，但其貢獻較小，不及建設用地碳排放總量的3.5‰。林地是主要碳匯，園地次之，園地碳吸收量約為林地的9.5%，而水體的碳吸收能力較小，對碳吸收的貢獻不及林地的1%。雖然林地的碳吸收能力較強，但由于經濟快速增長伴隨的能源消耗大幅度增加，建設用地碳排放急劇增加，最終導致凈碳排放量中林地碳吸收貢獻下降，而建設用地碳排放占絕對主導地位。根據國際上常用的瑞典碳稅率(150美元/t)來估算碳排放社會成本[19]，1995—2014年杭州市中心城區土地利用碳排放的社會成本從45.76億元增加到144.99億元(以2014年匯率折算，此結果可作為碳排放社會成本的上限參考值)，增加了217%。碳排放的社會成本值大于生態系統服務價值，表明在評估土地利用變化生態環境影響時，除考慮生態系統服務價值外，還需考慮碳排放的重要影響。最后，建設用地增加是導致杭州市中心城區碳排放增加的主要原因，減少碳排放的關鍵在于降低建設用地的碳排放強度、降低單位GDP能耗。

表4　杭州市中心城區1995-2014年土地利用碳排放

3.3　土地利用變化的景觀格局效應

1995—2014年杭州市中心城區的景觀指數總體呈下降趨勢(表5)。

首先，邊緣密度指數(ED)從1995年35.90增加到37.70，之后下降到34.75，表明1995—2000年急劇的工業發展和土地開發活動帶來景觀破碎度加劇，之后隨著工業化和城鎮化的深度發展，土地利用景觀的破碎化程度不斷降低。其次，Simpson多樣性指數(SIDI)呈下降趨勢，從0.71不斷下降至0.63，表明近年來杭州市中心城區的土地利用呈現內部均質化發展，景觀異質性降低，生態系統日益脆弱化。

最后，平均最近距離指數(ENN-MN)先從1995年的426.46下降到2000年415.18，再增加至2005年的434.76，之后不斷下降至2014年的392.67。其原因是：1995—2000年杭州市中心城區土地開發和建設不斷合并周圍的小型建成區斑塊，形成組團式格局，帶來同類土地利用斑塊間距離不斷減少；2000—2005年土地開發活動劇烈向外擴張和蔓延，導致這期間土地開發土地的連通性較差；2005—2014年，城市土地填充式開發態勢明顯，導致地類斑塊間距離降低。總之，因快速工業化和城市化的發展，中心城區土地開發的集聚性增強，土地利用生態環境景觀呈現破碎化降低，多樣性下降和連通性提高的態勢。

表5　杭州市中心城區1995-2014年生態環境景觀指數

圖2顯示1995—2014年杭州市中心城區土地利用景觀格局指數與生態系統服務和凈碳排放的變化率。由圖2可知，生態系統服務價值和凈碳排放變化趨勢總體一致，與邊緣密度、多樣性指數和平均距離指數相反。通常，景觀指數中多樣性指數越低，平均距離越高，邊緣密度越大，生態系統服務價值就越差，凈碳排放就越高。可見，景觀格局指數，生態系統服務價值和凈碳排放核算從不同角度刻畫了土地利用變化的生態環境效應。

圖2　杭州市中心城區1995-2014年生態景觀格局與

3.4　將生態環境影響納入土地利用決策的情景模擬

分別設計經濟價值導向、弱和強生態環境價值導向3種不同發展戰略情景，其中經濟發展和碳排放等相關情景參數參考杭州市土地利用總體規劃和經濟社會發展規劃等研判設定，模擬2030年杭州市中心城區土地利用變化的生態環境效應，其結果詳見表6。

由表6可見，當保持原粗放型經濟發展戰略下，對應的具體情景可假定GDP每年增加7%，碳排放總量減少30%，建設用地增加23%，則生態系統服務價值將下降15%，建設用地碳排放強度將下降43%，單位GDP碳排放將下降76%。當在發展戰略中開始考慮生態環境價值時，即采用弱生態環境價值導向的經濟發展戰略時，對應的情景假定GDP每年增長6%，建設用地總量不變，碳排放總量減少50%，則建設用地碳排放和單位GDP碳排放將分別下降50%和80%，生態服務價值將保持不變。但采用強生態環境導向的經濟發展戰略時，假定GDP每年增加5%，建設用地壓縮30%，碳排放總量減少30%，則生態系統服務價值將增加20%，建設用地和單位GDP碳排放強度將進一步顯著下降，分別下降57%和86%。可見，在經濟發展中重視生態環境價值時，碳排放強度將顯著下降，生態系統服務價值將顯著增加，即使是犧牲一小點GDP增長率但換來生態環境的顯著改善是值得的。此外，上述是筆者基于“思想試驗”的保守估計，更可能的情形是，在綠色發展大背景下，重視生態環境價值導向的發展戰略很可能不但不會帶來GDP下降，反而將促進GDP更高的增長，如綠色技術革命將顯著推動GDP增長，此時發展經濟和保護生態環境從“兩難”轉向“共贏”。

表6　研究區2030年土地利用變化與生態環境影響情景模擬

注：假設情景1、情景2和情景3下GDP年均增長率分別為7%，6%和5%； 結合歷年土地利用變化情況，假設建設用地變化來源70%耕地、20%林地和10%園地。

4結論與討論

(1) 近20 a來，杭州市中心城區土地利用的生態系統服務總價值從1995年32.43億元下降至2014年的23.96億元，共減少26%，占同期GDP比重從5.86%下降至0.56%，林地和水體面積減少，建設用地增加是其主要原因。

(2) 土地利用變化帶來顯著的溫室氣體排放效應，土地利用凈碳排放從1995年4.25×106t增加至2014年的1.51×107t，主要原因是建設用地碳排放急劇增加和林地的碳吸收銳減。

(3) 生態服務價值空間分布不均，低價值區主要以中部為中心向周圍蔓延，土地利用生態景觀呈現破碎化降低和連通性提高趨勢，但多樣性銳減。

(4) 情景模擬發現，在發展戰略中考慮生態環境價值和影響，即在土地利用決策中考慮生態環境影響，能有效降低碳排放強度和維護生態系統服務價值，而犧牲GDP的代價卻較小，發展經濟和保護生態環境的“兩難”甚至可能在綠色增長大背景下實現共贏。

(5) 通過定量評估土地利用變化對生態環境的綜合影響，可建立土地利用變化和生態環境影響的聯系，這對快速城市化地區的土地利用決策、城市增長管理和生態環境治理尤為重要。現行的土地利用規劃和土地利用決策未充分考慮這些生態環境效應，由此導致土地利用變化的生態環境負效應凸現及生態環境價值銳減。未來土地利用規劃編制專題研究中應重視土地利用變化生態環境效應測算、分析生態系統服務價值及變化和空間分布，并科學劃定生態紅線、顯化土地利用變化在生態環境方面的社會成本。本研究為探討將生態環境價值納入土地利用決策做初步嘗試，進一步研究可探索在微觀主體土地利用決策中如何同時考慮經濟價值和生態環境價值，實現經濟發展和生態環境保護的共贏。

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Eco-environmental Effects of Land Use Change in Rapid Urbanization Area -A Case Study at Central District of Hangzhou City

HUANG Zhonghua1,2, DU Xuejun3

(1.CollegeofEconomicsandManagement,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou，Zhejiang310023,China; 2.ZhejiangTechnologicalInnovationandEnterpriseInternationalizationResearchCenter,KeyResearchBaseofHumanitiesandSocialSciencesofZhejiangProvince,Hangzhou，Zhejiang310023,China; 3.SchoolofEconomicsandManagement,ZhejiangUniversityofScienceandTechnology,Hangzhou，Zhejiang310023,China)

Abstract：[Objective] The comprehensive effects of land use change on eco-environment during 1995—2014 were assessed to provide a support for land use management and urban eco-environment governance. [Methods] Based on the TM image data of central district of Hangzhou City in 1995, 2000, 2005, 2010 and 2014, methods of ecosystem service value, carbon emission and landscape pattern assessment were used. [Results] The ecosystem service value in Hangzhou City was 3.24 billion Yuan in 1995 and 2.40 billion Yuan in 2014, which decreased by 26%. The ratio of ecosystem service value to GDP decreased from 8% in 1995 to 0.5% in 2014. The carbon emission increased from 4.26×106t in 1995 to 1.51×107t in 2014, and the carbon sink decreased from 7.22×105t in 1995 to 6.49×105t in 2014. The social cost of carbon emission was about 14.5 billion Yuan in 2014.Areas with low ecosystem service value spread its coverage from city center to periphery. Landscape pattern analysis showed that, in the past 20 years, land use had tendencies of decreasing fragmentation, increasing connectivity and decreasing diversify. [Conclusion] In the study area, the sharp decrease of ecosystem service value can be attributed to the decrease of forest land and water body, and the increase of construction land. The increase of carbon emission linked with land use change was a consequence of increased carbon emitted from construction land and decreased sink of forest land. Land use transformation caused the change of landscape pattern remarkably, and the spatial distribution of ecosystem service value was uneven.

Keywords:land use change; eco-environmental effect; ecosystem service value; carbon emission; Hangzhou City

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)06-0223-07

中圖分類號：F301.2

通信作者：杜雪君(1981—),女(漢族),浙江省寧波市人,博士,副教授，主要從事土地管理與土地政策方面的研究。E-mail:duxuejun@aliyun.com。

收稿日期：2014-09-25修回日期：2014-10-08

資助項目：國家自然科學基金項目“土地資源錯配的形成機理及其對生產率影響的實證研究(71373243)， “快速城市化背景下土地財政對城市增長的影響機理與管治策略研究(71203197); 浙江省自然科學基金項目(LY13G030026); 浙江省哲學社科一般項目(15NDJC163YB); 浙江省哲學社科一般項目(15NDJC185YB); 2016年度浙江省重點軟科學研究項目(2016C25G2020012)

第一作者：黃忠華(1981—),男(漢族),浙江省紹興市人,博士,副教授，主要從事土地利用與管理方面的研究。E-mail:zhonghuahuang2006@aliyun.com。

綜合治理