1988—2013年重慶市主城九區生態用地空間結構及其生態系統服務價值變化

張 騫,高 明,楊 樂,陳成龍,孫 宇, 王金柱

1 西南大學資源環境學院, 重慶 400715 2 河南城建學院測繪工程學院, 平頂山 467036 3 重慶市規劃設計研究院, 重慶 401147

1988—2013年重慶市主城九區生態用地空間結構及其生態系統服務價值變化

張 騫1,2,高 明1,*,楊 樂3,陳成龍1,孫 宇1, 王金柱1

1 西南大學資源環境學院, 重慶 400715 2 河南城建學院測繪工程學院, 平頂山 467036 3 重慶市規劃設計研究院, 重慶 401147

在當前快速城市化的背景下,理解和把握城市生態系統服務功能退化原因及規律的最有效手段是對其生態用地結構及其生態系統服務價值進行準確的評估。采用RS、GIS技術以及生態系統服務價值評估等方法,對重慶市主城九區1988、1996、2004、2013年4個時段遙感影像進行解譯及比較分析,結果表明：1988—2013年間,重慶市主城九區城市化水平經歷了加速階段、減速階段及飽和階段,城市化水平的提高對城市建設用地增長的影響顯著；重慶市主城九區生態用地主要為城市提供了食物生產、提供原材料、廢物處理、土壤形成與保護、氣候調節、氣體調節、生物多樣性以及水源涵養等生態系統服務,在結構變化上呈現出“二減三增”的結構變化特點；25年間重慶市主城九區共減少生態系統服務價值260.60×106元,整體處于下降趨勢,其中農地的生態系統服務價值損失最大,共減少24.50%；在空間分布上,隨著城市建設用地向“南—北—西”方向擴展,生態系統服務價值以中梁山與銅鑼山之間的區域減少最為嚴重,整個研究區生態系統服務價值下降的主要原因來自于農地的大量減少以及城市建設用地擴張所帶來的生態負影響。研究結果表明在重慶市主城九區生態用地空間格局與生態系統服務變化之間存在密切相關性,在城市化率達到飽和階段后應嚴格控制建設用地增長,促進建設用地集約節約利用,加大農地的保護力度以及對林地、水體、草地的維護,維持整個區域的生態平衡。研究可為科學合理布局和保護城市生態用地提供信息資料和決策參考。

城市化；生態用地；生態系統服務價值；用地結構；重慶

20世紀以來,城市化已成為人類社會發展的最顯著特征[1]。當前城市化與生態環境協調發展是國內外研究的熱點問題[2]。城市是以人類活動為主導的一類自然-經濟-社會復合生態系統[3],作為人類最主要的棲息地[4],受人類活動影響,往往會導致其他環境因素發生改變[5-6]。當前高速城市化帶來了一系列的生態環境問題[7],如生物多樣性減少和棲息地破壞[8-9],熱島效應增強[10-11]、環境污染等[12-13]。城市生態用地可以保護城市生態系統和生物棲息地、改善居民生活質量,其數量和空間分布都會對城市生態安全產生重要影響[14-16]。基于土地利用/土地覆被的城市生態用地優化配置研究已成為統籌解決高速城市化帶來的城市建設用地擴展與自然生態保護矛盾的重要綜合途徑[17-19]。

董雅文等[20]在國內最早提出生態用地這一概念。國外研究中并未對生態用地進行單獨分類,但在其土地分類體系中滲透了生態用地的思想[21]。近年來一些國內學者圍繞土地生態功能對生態用地概念進行了分析與探討,基于土地覆被類型、土地利用程度及生態服務質量對生態用地類型進行了劃分[21-24]。

生態系統服務是指生態系統形成和所維持的人類賴以生存和發展的環境條件與效用[25]。目前關于生態系統服務的評估可分為價值量評估和物質量評估兩類[26]。自1997年Costanza等[27]在Nature上發表的關于全球生態系統服務價值評估的文章,吸引了眾多學者對生態系統服務及其價值量評估方法的關注[28-33]。謝高地等[31]結合中國實際情況,對 Costanza 公布的生態系統服務價值量系數進行修正,得到了中國陸地系統的生態系統服務價值系數,被眾多中國學者用來估算中國生態系統的價值變化。

城市化的高速發展具有強烈的人類活動特征,自然生態系統也受到人類活動的影響而發生改變[34],所以高速城市化中城市土地利用方式的改變必然導致其生態系統服務發生改變。相關學者針對重慶主城區在土地利用結構[35-36]、土地利用的景觀格局[37]、土地利用變化所引起的生態環境效應[38]等方面,分別得出在特定時間段內,主城區建設用地重心向北部轉移,其中農用地向建設用地轉入最強烈,景觀格局變化主要表現為耕地、林地、建設用地之間的轉換,期間該區域生態系統服務價值持續下降,其中林地的變化對生態系統服務價值影響最為顯著。

本文以高速城市化背景下的重慶市主城九區作為研究對象,采用遙感與地理信息系統相結合的技術手段,針對城市化進程中的城市生態用地空間結構變化及其生態系統服務價值演變的科學問題,定量分析了1988—2013年間重慶市主城九區城市生態用地與其生態系統服務價值兩者間的相互關系,以期為合理規劃布局和保護城市生態用地以及城市可持續發展提供重要的科學依據。

1 研究區概況

重慶市主城九區位于重慶市西部核心區,主要包括9個行政區：渝北區、江北區、沙坪壩區、渝中區、南岸區、北碚區、九龍坡區、大渡口區以及巴南區。全區面積5468.71km2,常住人口808.53萬人,2013年國內生產總值5391.84億元,人均GDP達到66686.95元,城市化率為87.87%。全區地貌類型主要有山地、丘陵、臺地、平壩等,其中山地和丘陵較多,而臺地和平壩分布較少[39]。縉云山、中梁山、銅鑼山、明月山等多條華鎣山余脈從北至南嵌入城市,長江與嘉陵江交匯于渝中區朝天門后向東北向切割城市,“兩江四山”形成了重慶市主城九區的基本控制性地貌單元。研究區多年平均氣溫為17—18.8℃,多年平均降雨量為975.1—1301.7mm,相對濕度為77%—83%。

2 研究方法

2.1 地類劃分

結合生態用地概念及類型的相關研究[20-24],從土地的生態功能和生態服務質量來考慮,結合國內學者的一些分類辦法[14,16],根據重慶市土地利用的實際情況以及《土地利用現狀分類》(GB/T 21010—2007),在ArcGIS 10.0中合并土地類型后將重慶市主城九區用地類型分為林地、農地、水體、草地、未利用地、建設用地六類。其中林地、農地、水體、草地和未利用地為生態用地。具體分類情況詳見表1。

大豆出苗后進行查苗、缺苗補苗，確保苗全，并及時間苗剔除疙瘩苗。達到苗全、苗壯是栽培中一個重要環節。補苗時可以補種或芽苗移栽。

表1 重慶市主城九區土地利用類型

2.2 數據來源及技術處理

選擇的4期Landsat TM/ETM遙感影像分別是1988、1996、2004和2013年。另有1∶50000重慶市主城九區行政圖供參考。通過隨機取樣方法對分類結果進行Kappa檢驗,結果分別是0.78(1988年),0.81(1996年),0.73(2004年),0.84(2013年),均高于0.7的精度要求。在此基礎上,對1988、1996、2004、2013年4期TM/ETM遙感影像進行監督分類和目視修改,獲得重慶市主城九區各地類土地利用類型,然后在ArcGIS 10.0中分類統計。

2.3 土地利用動態度

土地類型變化率公式：

(1)

式中,C為土地類型變化率,Ai、Aj研究區一種土地利用類型2個時期的面積(hm2)。

單一土地利用類型變化動態度公式：

(2)

式中,K為研究時段內某一土地利用類型動態度；Ua、Ub別為研究初期和研究末期某一土地利用類型數量；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。

綜合土地利用類型動態度公式：

(3)

2.4 城市土地生態系統服務價值的評估方法

生態系統服務功能受多種因素影響,因此也有多種測算模型[41],其中以Costanza等人的研究成果最具代表性。本文以Costanza等[27]和謝高地等[30-32]的研究成果確定生態系統服務價值系數,結合謝高地等[31,42]的價值當量換算方法,最終確定重慶市主城九區生態系統單位面積服務價值(表2)。

表2 重慶市主城九區生態系統單位面積服務價值

生態系統服務功能價值的測評公式為：

(4)

(5)

式中,ESV表示研究區的生態系統的總服務價值；Ai表示研究區第i種土地利用類型的面積(hm2)；VCi表示第i種土地利用類型的生態系統服務價值系數；ESVf表示生態系統第f項服務功能的價值；VCfi表示研究區第i種土地利用類型的第f項生態系統服務價值系數。

2.5 城市化水平

城市化水平是指居住在城市的人口占總人口的比例,它既反映了一個地區城市發展的水平,也反映了該地區國民經濟整體發展水平。

計算城市化水平的公式:

Y=(P2+A1)/P0

(6)

式中,Y為城市化水平,P2為非農業人口,A1為從事二、三產業的農業勞動力數,P0為該區域總人口[43]。

3 結果分析

3.1 重慶市主城九區1988—2013年度建設用地空間結構變化

根據重慶市主城九區1988、1996、2004和2013年4期土地利用分布圖(圖1),1988—1996年建設用地主要集中在中梁山、銅鑼山之間,城市以“多中心—組團狀”方式發展。這期間城市發展緩慢,8年間建設用地由3.19%增加到3.56%。比較1988—1996年土地利用變化率(表3),這期間土地綜合動態度只有0.26%,城市用地空間結構整體而言變化不大。重慶市直轄以來,城市化進程加快,1996—2004年,8年間城市建設用地由3.56%增加到5.23%,呈現出“南—北”擴張趨勢,土地綜合動態度提高到1.14%,其主要來自于農地向建設用地的轉化。2010年重慶市兩江新區正式建立,城市建設用地呈現出“南—北—西”片狀發展模式,2004—2013年其重心逐漸向北轉移。建設用地單一動態度在這一時期達到19.51%,城市建設用地飛速擴張,生態用地逐漸被建設用地所占據,破碎化加劇,這一時期土地綜合動態度達到6.88%,城市用地空間結構變化處于快速發展期。

圖1 重慶市主城九區1988—2013年土地利用狀況Fig.1 Land use of the nine key districts of Chongqing City from 1988—2013

3.2 重慶市主城九區1988—2013年度生態用地空間結構變化

圖2反映了研究區各用地類型的數量結構變化。1988—2013年間農地比例下降最多,25年間占地比率由71.81%下降為54.22%,整個研究期內除了1988—1996年農地以小幅度增長外,其余時期均處于下降狀態,空間表現為城市建設用地向“南—北—西”方向擴張而減少,其中又以2004—2013年間減少最為嚴重。自1998年重慶市政府制定《重慶市林地保護管理條例》以來,重慶市主城九區林地占地比例由1996年的20.92%增加到研究期末2013年的26.09%,從空間分布來看,林地的增長主要集中在縉云山、中梁山、銅鑼山、明月山區域,以2004—2013年間增長幅度最大。自2007年由重慶市人大常委會通過《重慶市環境保護條例》以來,水體所占比例增長明顯。水體比例由2004年的2.67%增加為2013年的3.33%,空間增長主要體現在較為分散的各個區的水庫面積的增長。自2000年重慶市實施退耕還林還草工程以來,草地比例由0.81%增加為1.93%,特別是在1996—2013期間年均增長率達到7.36%,空間增長主要體現在渝北區東部。研究區未利用地主要以裸地為主,其所占比例偏低,在整個研究期內先增加后減少,占地比例由0.07%下降為0.02%。從圖3中可以看出各類型生態用地與建設用地的變化比例。

圖2 重慶市主城九區1988—2013年各土地利用類型變化Fig.2 Different types of land use changes in the nine key districts of Chongqing City from 1988—2013

圖3 1988—2013年不同類型生態用地與建設用地比例變化Fig.3 Proportion change of different types ecological land and built-up area in the nine key districts area of Chongqing City from 1988—2013

整個研究期內生態用地結構由以農地為主導的景觀類型逐漸向“農林水草”各生態用地相互協調發展的方向發生改變,并呈現出“二減三增”的結構變化特點。政策的實施對于生態用地結構優化影響顯著,又以2004—2013年這一時期結構變化最為激烈。

表3 1988—2013年重慶市主城九區土地利用變化率

3.3 重慶市主城九區1988—2013年生態系統服務功能價值變化

結合重慶市主城九區4期土地利用變化數據,參考重慶市主城九區不同生態用地的單位面積服務價值系數(表2),得出重慶市主城九區城市化過程中土地利用結構變化所引起的生態系統服務價值變化(表4)。

農地提供的生態系統服務功能主要有食物生產、提供原材料、廢物處理等。1988—2013年重慶市主城九區生態系統服務價值處于下降趨勢,其中農地損失最多,達到596.31×106元,占其生態系統服務價值總比例的24.50%。重慶市1988年糧食產量為565.02萬t,到2013年增長為1148.20萬t。雖然耕作技術的提升與優良種子的使用使得糧食增產,但是隨著研究期內農地面積的大幅減少,農地在提供原材料和廢物處理等方面的價值減少是該區域農地生態系統服務價值下降的主要原因。

林地提供的生態系統服務功能主要有土壤形成與保護、氣候調節、氣體調節、維持生物多樣性等。林地在2013年在主城九區用地比率只有26.09%,但是其生態系統服務價值貢獻卻占到生態系統服務總價值的53.03%,是主城九區生態系統服務價值的主要貢獻者。特別是2004—2013年期間,隨著重慶市政府落實了森林工程的實施,主城九區林地占地面積增加了4.95%,而林地生態系統服務價值卻增加了23.4%；由于山地城市的特殊地況地貌,重慶市主城九區的林地主要分布在“四山”區域及城市建設用地的交接地帶。林地面積的增加對治理水土流失、改善長江水質、保障三峽工程正常運行具有重要意義。同時,在水土保持、改良土壤、固碳釋氧、增加野生動物群落、改善人居環境、美化城市方面,也產生了極大地生態效益。

表4 重慶市主城9區1988—2013年生態系統服務價值變化(106元)

水體提供的生態系統服務功能主要有水源涵養、娛樂文化等。長江與嘉陵江穿城而過構成了重慶市獨特的水文景觀。“兩江”水體以及零星分布的水庫水面、大小河流、湖泊水面為重慶市水源涵養、水路運輸、水資源循環、娛樂休閑、生活游憩提供了極大地生態服務功能。研究期內水體的生態系統服務價值增加了109.37×106元,主要發生在2004—2013年間,這與政府對長江、嘉陵江以及城市周邊湖泊、水庫水面等水體的保護政策有關。在水體的保護上,除了注重水體面積的增加外,同時應注重各支流之間的連通度以及因排放污水、養殖投放飼料所帶來的水體污染及富營養化問題。

草地提供的生態系統服務功能主要有廢物處理、提供生物棲息地、營養循環等。研究期內草地生態系統服務價值增長239%,受退耕還林還草政策影響顯著。自2000年重慶市實施退耕還林還草工程以來,對坡度在25°以上的耕地進行退耕還林還草,使得草地面積大量增加,其生態效益也逐漸加強。需要注意的是,草地屬于生態系統較為脆弱的生態用地類型,在其保護過程中要防止其生態退化、沙化、過度放牧及二次復墾等問題。

研究區未利用地主要以裸地為主,裸地的生態系統服務功能主要有廢物處理、維持生物多樣性。整體而言研究區裸地面積較低,在研究期末處于逐年減少的趨勢,其生態服務功能也較為單一。在對未利用地進行優化時應首先考慮向生態服務功能較多的生態用地類型進行轉化。

3.4 重慶市主城九區1988—2013年度城市化水平與建設用地變化關系

通過對重慶市歷年統計年鑒進行數據統計,計算出重慶市主城九區1988—2013年城市化水平(圖4)。根據Logistic增長模型[44-47]以及Northam的 “S”型城市化水平增長曲線的研究進展[48-52],得出在1988—2013年期間重慶市主城九區城市化水平經歷了加速階段,減速階段和飽和階段,各階段之間界定主要依據是陳彥光等[45]對城市化的Logistic過程階段劃分的宏觀修正。1988—1996年重慶市主城九區處于城市化水平的加速階段,該階段雖然初始城市化水平較高,但是增長速度緩慢,年均增速僅為0.78%；1996—2004年重慶市主城九區城市化水平由加速階段到減速階段的轉折期,該階段年均增速為3.82%,2002年之后增速放緩；2004—2013年重慶市主城九區城市化水平由減速階段向飽和階段過渡,年均增速為0.31%,期末城市化水平達到飽和階段,并在2010年首次出現下降,主要原因是由于在2010年末非農人口增長速率要小于該區域總人口增長速率,同時從事二、三產業的農業勞動力數也首次出現下降。由圖(5)可知,城市建設用地面積隨著城市化水平的提高而增加,兩者呈“Γ”型變化：城市化的快速提高是城市建設用地規模高速增長的主要原因,而重慶市主城九區的城市建設用地增長要滯后于城市化水平的提高。具體表現為在2004—2013年期間,城市化水平由減速階段達到飽和階段,城市化年均增速明顯放緩,而該時期城市建設用地年均增長率達到19.5%,為研究區城市建設用地增長的最快時期。從長期來看,城市化水平與城市建設用地相關性顯著,城市建設用地的擴張是城市化推進的必然結果,而城市建設用地的增加則對城市化水平的貢獻有限[53-54]。25年間整個研究區生態系統服務價值下降的主要原因來自于農地的減少以及城市建設用地擴張所帶來的生態負影響。研究表明,生態用地結構變化導致生態系統服務價值變化,兩者之間聯系緊密。而生態系統服務價值的變化則影響整個區域的生態效益,造成城市建設用地與生態用地新結構的形成。

圖4 城市化水平曲線Fig.4 The curve of the urbanization level

圖5 城市化水平與建設用地變化關系圖Fig.5 Relationship between built-up area change and urbanization level

4 結論

本文收集了重慶市主城九區四期遙感數據,年份跨度大、間隔較平均,較好的還原了25年間重慶市主城九區城市建設用地與生態用地結構的變化情況,在此基礎上對研究區生態用地所提供的生態系統服務功能進行貨幣化評估。主要結論如下：

(1)重慶市主城九區城市空間演變主要經歷了3個時期：1988—1996年處于緩慢增長期,該時期城市建設用地增長緩慢,其生態效益減弱也不明顯。1996—2004年處于平穩增長期,重慶市自1997年直轄以來,城市建設用地快速增長,生態效益開始出現衰減,城市發展開始呈現出“南—北”擴張趨勢。2004—2013年處于飛速增長期,城市建設用地9年間增長276%,城市發展呈現出“南—北—西”片狀發展模式。

(2)25年間生態用地內部結構呈現出“二減三增”結構變化特征。其中農地損失最多,達到596.31×106元。在2004—2013年間,政府的退耕還林還草工程以及一系列政策的實施加大了長江、嘉陵江的水體保護和縉云山、中梁山、銅鑼山、明月山的種植以及耕地的退耕還林還草力度,這段時間內林地、水體、草地生態系統服務價值各增加了530.27×106、203.32×106、26.16×106元。

(3)25年間,政府一系列政策的實施雖然極大地緩解了研究區生態效益的降低并改善了生態用地結構,但是整體來看重慶市主城9區的生態效益依然處于下降趨勢,生態系統服務價值整體降低4.7%,主要原因來自于農地的大量減少以及城市建設用地擴張所帶來的生態負影響。

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Changes in the spatial structure of ecological land and ecosystem service values in nine key districts of Chongqing City over the past 25 years

ZHANG Qian1,2, GAO Ming1,*, YANG Le3, CHEN Chenglong1, SUN Yu1, WANG Jinzhu1

1CollegeofResourcesandEnvironment,SouthwestUniversity,Chongqing400715,China2CollegeofSurveyingEngineering,HenanUniversityofUrbanConstruction,Pingdingshan467036,China3ChongqingPlanningandDesignInstitute,Chongqing401147,China

Land-use change is a major factor that drives changes in ecosystem services. Measuring variations in the values of ecosystem services that correspond to changes in land use is an effective way of assessing environmental costs and benefits for environmental policy planning. The present study adopted the above approach in the current context of rapid urbanization, using the nine key districts of Chongqing City (a typical fast-growing Chinese city) as a case study. Conducting accurate assessments of the structure of ecological land and associated ecosystem service values has emerged as the most effective approach for understanding the causes and patterns of the functional degradation of ecological services. Together with accurate spatial datasets of LandsatTMimages from 1988 to 2013, we used remote sensing, geographic information system (GIS) technologies, and ecosystem service value assessment methods to analyze the urbanization levels of Chongqing`s nine key districts. The present study explored variations in the spatial structure of urban ecological land and the effects of different levels of urbanization across these districts on the expansion of urban construction land. The study further assessed changes in monetized values of ecosystem services that were caused by changes in the structure of urban ecological land. The results showed that from 1988 to 2013, urbanization levels of the study districts first underwent an acceleration phase, subsequently shifting to a deceleration phase, and finally reaching a saturation phase. Increased urbanization levels had a significant impact on the expansion of urban construction land. The ecological land in these districts of Chongqing provides a number of ecosystem services, including food production, supplemental raw materials, waste treatment, soil formation and protection, climate regulation, gas regulation, and biodiversity and water conservation. The structural changes of ecological land evidenced a “two minus three growth” pattern. The value of ecosystem services calculated for the study districts revealed a total loss of 260.60 × 106Yuan over the past 25 years. The greatest loss was incurred for the value of farmland ecosystem services that showed a reduction of 24.5%. Together with the spatial distribution change, entailing the expansion of urban construction land toward the west, north, and south, the greatest loss in terms of the ecosystem service value was incurred in the region between the Zhongliang and Tongluo mountains. The main reason for the decline in ecosystem service values over the entire study area was the negative impact resulting from farmland reduction and the expansion of construction land. The present study revealed a strong correlation between the spatial pattern of ecological land and changes in ecosystem service values in relation to the different urbanization levels of Chongqing′s nine key districts. Once the urbanization level reach saturation, strict regulations should be implemented to control the expansion of construction land and promote its intensive use. Efforts to protect farmlands, forests, grasslands, and wetlands should be enhanced to maintain the ecological balance of the entire region. This research can provide information and guidelines to facilitate decision-making in relation to the design of scientific and rational layouts as well as urban ecological land protection.

urbanization; ecological land; ecosystem service value; land use structure; Chongqing City

國家“十二五”科技支撐計劃資助項目(2012BAD14B18)

2015-08-08;

日期:2016-06-13

10.5846/stxb201508081672

* 通訊作者Corresponding author.E-mail: gaoming@swu.edu.cn,

張騫,高明,楊樂,陳成龍,孫宇, 王金柱.1988—2013年重慶市主城九區生態用地空間結構及其生態系統服務價值變化.生態學報,2017,37(2):566-575.

Zhang Q, Gao M, Yang L, Chen C L, Sun Y, Wang J Z.Changes in the spatial structure of ecological land and ecosystem service values in nine key districts of Chongqing City over the past 25 years.Acta Ecologica Sinica,2017,37(2):566-575.