資源型城市生態服務價值與景觀多樣性關系研究

朱曉磊，張建軍,2

(1.中國地質大學(北京)土地科學技術學院，北京 100083;2. 國土資源部土地整治重點實驗室，北京100083)

資源型城市生態服務價值與景觀多樣性關系研究

朱曉磊1，張建軍1,2

(1.中國地質大學(北京)土地科學技術學院，北京 100083;2. 國土資源部土地整治重點實驗室，北京100083)

利用文獻統計方法收集國內資源型城市研究案例23個，從中提取302個研究數據構成研究數據庫，建立針對不同研究區生態服務價值的統一計量方法，并利用生態服務價值、反映生態系統分布均衡性的Shannon-Wiener多樣性指數進行研究，最后基于不同生態系統服務功能展開土地利用優化研究。結果表明：①多樣性指數高低并不能決定一個地區生態價值的高低，但多樣性指數的變化程度與地均價值的波動性趨勢相同；②按照生態系統分布均衡程度對研究區進行分類，只有少數地區處于生態系統分布較均衡狀態，多數地區生態系統分布處于不均衡狀態；③分類地區的平均價值高低可以表明當生態系統分布趨于均衡狀態時，生態價值會呈提高的趨勢, 但生態價值較高的生態系統會影響這一趨勢; ④基于不同生態系統服務功能研究得出較優的生態型用地配置比例，以此為基礎對不同研究區進行優化，結果顯示隨著資源型城市非生態型用地比例的增加，生態服務價值呈明顯下降趨勢。

資源型城市；生態服務價值；多樣性指數；平衡性

0 引言

自Costanza在1997年對全球生態系統進行服務價值評估[1]之后，國內外學者對生態系統服務價值進行了大量研究[2-6]。生態系統服務價值是由生態系統多種多樣的生態過程所形成的維持人類賴以生存的自然效用[1-2]，生態系統服務價值變化的實質就是景觀格局動態變化的定量化反映和具體表現[7-8]，景觀格局由于景觀內部及外部因素不同尺度上的擾動而處于不斷變化的狀態[9-10]。隨著人類活動的增強，自然景觀與人文景觀格局的變化日趨激烈，全球范圍內城鎮建設用地不斷增加[11]，森林、草地和農田等生態用地不斷被侵占，這種趨勢不斷改變自然環境，同時加速了人類生存環境的惡化。

資源型城市指以本地區礦產、石油、天然氣等自然資源開采為主導產業的城市，與其他城市相比而言，第二產業的發展往往可以達到當地國民經濟的50%～90%，這也是資源型城市區別于其他城市的重要特征。礦產資源的開采雖大力促進資源型城市的經濟發展，但在礦產資源分布帶及其周圍形成污染嚴重的工業經濟帶，造成資源型地區嚴峻的生態問題，嚴重危害生態系統健康及其服務的提供[12-13]。因此，如何保持資源型地區土地的合理利用及可持續發展，成為現階段資源型城市亟待解決的土地利用問題。

不同于其他城市的是，采礦用地造成的廢棄采礦坑、廢棄貨場、土地塌陷等問題是資源型城市獨有的環境問題，這不僅嚴重改變資源型城市的景觀多樣性，還會影響生態系統的各類服務功能，導致生態系統服務提供能力的衰減甚至停止，但目前國內學者少有針對多個資源型城市進行景觀多樣性與生態服務價值之間的關系研究。自20世紀70年代以來，國外景觀生態學家提出一系列景觀格局分析指數[14-17]，國內學者在20世紀90年代也較早的開展了景觀格局指數的研究，例如對多樣性指數的研究[18-20]。因此，本文嘗試引入反映景觀結構的Shannon-Wiener多樣性指數[21]，針對國內多個不同資源型地區，進行景觀多樣性變化與生態系統服務提供之間的關系研究，并以不同生態服務功能的內部平衡狀態為基礎，進行土地利用結構優化研究，同時在此基礎上分析資源型城市中工礦用地、建設用地等非生態型用地對生態服務價值的影響，以期為資源型城市土地利用提供合理化建議。

1 數據與方法

1.1 數據來源

為促進資源型城市可持續發展，推動資源型城市建設資源節約和環境友好型社會，2013年12月3日國務院頒布了《全國資源型城市可持續發展規劃(2013～2020年)》，提出到2020年要基本解決資源枯竭型城市的歷史遺留問題，基本完成資源型城市的轉型任務[22]。因此，為獲取研究數據，本文制定以下篩選條件：①研究地區為《全國資源型城市可持續發展規劃(2013～2020年)》中列出的“262個資源型城市” ；②研究內容與生態系統服務價值相關。然后在中國知網(CNKI)中進行檢索，最終得到參考文獻23篇，共涉及23個研究區[23-45]。從收集到的23篇已有研究案例中，篩選出與生態系統服務價值與Shannon-Wiener多樣性指數相關的數據共計302個變量，構成本文研究的基礎數據庫。

本文根據文獻數據類型將統計文獻分為三類：第一，土地利用分類中不包含園地的文獻單獨分為一類，共涉及12個研究區；第二，土地利用類型中包含交通用地的單獨分為一類，共涉及4個研究區；第三，其余文獻分為一類，共涉及7個研究區。具體分類見表1。

表1 研究區分類表

1.2 數據處理

第一，不同研究區評估方法不同，本文采用謝高地2007年不同生態系統單位面積服務價值表[3]進行價值修正；第二，一些文獻并未對建設用地、工礦用地進行服務價值的估算，因此本文參照相關學者[23-25]處理方法對不同研究區服務價值進行修正；第三，部分研究區[42-45]將交通用地從建設用地中分離出來，本文參照其他19個研究區中土地利用分類方法，將其合并歸入建設用地；第四，文中統計到的若干研究區[35-45]有園地的分布，因此本文參照相關學者處理方法[38,41,44]將園地單位面積服務價值取為林地和草地的平均值(表2)。

表2 不同生態系統單位面積服務價值表

1.3 研究方法

利用式(1)求取各地區的地均價值，利用式(2)求取各研究區起始時間點、終止時間點的相對變化率；Shannon-Wiener多樣性指數計算方法參見式(3)，利用式(4)求取多樣性指數的相對變化率。

(1)

(2)

H=-∑PilnPi

(3)

(4)

式中：式(1)中M代表各研究區的地均價值，TESV代表各研究區的生態系統服務總價值，TAREA代表從統計年鑒中獲取的各研究區總面積；式(2)中，M代表地均價值起始時間點、終止時間點的變化率，M0代表起始時間點的地均價值，M1代表終止時間點的地均價值；式(3)中，H代表Shannon-Wiener多樣性指數，Pi代表各研究區不同土地利用類型所占總面積的比率；式(4)中，H代表多樣性指數起始時間點、終止時間點的變化率，H0代表起始時間點的多樣性指數，H1代表終止時間點的多樣性指數。

不同生態系統提供的各項生態系統服務能力并不相同，結合文中選取的23個資源型城市土地利用現狀，本文認為未來的土地利用方向為既要考慮各生態系統分布比例的均衡性，又要注重不同生態系統內部功能的平衡性。因此，本文首先從生態系統分布均衡性角度進行價值差異化分析，再從生態系統內部出發，針對不同服務功能的平衡性進行研究，同時在建設用地、工礦用地、未利用地等非生態型用地生態系統服務提供能力較弱的情況下，僅針對生態型用地求取生態系統不同功能平衡狀態時的各生態系統分布比例，在此基礎上分析非生態型用地對生態服務價值的影響，為資源型城市土地利用提供借鑒。研究方法見式(5)、式(6)。

(5)

(6)

式中：ESVimax代表第i項生態系統服務功能中單位面積服務價值的最大值，文中將其值標準化為1；ESVij代表第i項生態系統服務功能中各生態系統單位面積服務價值；SCij代表標準化后的數值；TSCi代表單個生態系統標準化后數值相加的總和，PADi代表不同生態系統基于生態系統服務功能均衡化的分布比例。

2 結果分析

2.1 多樣性指數與地均價值趨向性分析

利用式(2)及式(4)計算得出地均價值與多樣性指數的相對變化，結果見圖1。由圖1可以看出，不同研研究區多樣性指數變化與地均價值變化趨勢并不一致。當多樣性指數變化較大時，地均價值不一定會產生相應變化，例如山東濟寧市2008年多樣性指數相對于1987年變化了39.41%，地均價值僅產生了1.75%的變化。而多樣性指數變化很小時也可以引起地均價值產生很大變化，例如朔州市多樣性指數變化為0.11%，地均價值變化卻達到11.64%。同時，從圖1寶雞至雞西段可以看出，除山西朔州之外，當多樣性指數變化程度較小時，地均價值產生的波動也較小，而隨著多樣性指數變化程度的增大，地均價值也會產生較強烈的波動。

為探究不同礦產資源類型的開采對研究結果的影響，文中將研究區分為金屬礦產資源開采和非金屬礦產資源開采兩種類型，結果見表3。結合圖1可知，不論是多樣性指數變化較大的地區例如銅川、唐山、易縣、濟寧，還是多樣性指數變化較小的其他地區，研究結果并未因開采資源類型不同產生顯著變化，因此本文以下研究對此因素進行簡化忽略處理。

表3 研究區資源型類分區表

為探究多樣性指數高低對生態服務價值的影響程度，本文選取各研究區終止時間點數據，利用式(1)、式(3)計算得出多樣性指數與地均價值關系圖，從圖2可以看出，隨著多樣性指數的增加，地均價值并未呈現規律性的變化，且當多樣性指數處于同一水平時，不同研究區的生態服務價值差別明顯。

圖1 多樣性指數與地均價值相對變化趨勢

圖2 多樣性指數與地均價值關系圖

結合數據庫情況可以看出，這是由于研究區內部之間生態系統的分布差異造成的，因此本文從生態系統整體分布均衡性與生態系統內部功能平衡性兩個角度進行進一步分析，從而更加合理的確定多樣性指數與生態服務價值之間的相對關系。

2.2 多樣性指數與地均價值關聯分析

2.2.1 不同研究區關聯性分類

文中參照生態系統分布制定以下分類原則：第一，當優勢生態系統分布比例超過60%時，此地區生態系統分布處于不均衡狀態；第二，當優勢生態系統分布比例為40%～60%時，此地區生態系統分布處于較不均衡狀態；第三，當優勢生態系統分布比例不超過30%～40%時，此地區處于生態系統分布較均衡狀態。在分類時選取時點為各研究區生態服務價值的評估終止時間點，原因如下：一是終止時間點代表了近幾年土地利用的發展現狀，可以更加準確的反映經濟發展對生態系統產生的影響；二是利用終止時間點的評估結果可以為資源型城市的未來發展提出更加合理的建議。分類結果見表4。

表4 基于生態系統分布均衡程度的研究區分類表

2.2.2 整體分布均衡性分析

經計算得知，生態系統服務提供能力的大小順序為較均衡區>較不均衡區>不均衡區。對于不均衡區，地均價值最高地區與最低地區分別為吉林通化市與河南禹州市，其中通化市林地生態系統分布面積為66.40%，禹州市耕地生態系統分布面積為69.22%，雖然兩者生態系統分布均衡性相似，生態服務提供能力卻差別很大，結合表2可知，這是由于林地單位面積服務價值為12 628.69元/(hm2·a)，遠高于耕地的單位面積服務價值3 547.89元/(hm2·a)，從而使吉林省通化市整體地均價值高于河南省禹州市。對于較不均衡區，各研究區生態系統分布均衡程度高于不均衡區，其中陜西延安市地均價值為最高，這得益于延安市林地生態系統分布面積為51.30%，遠高于其他生態系統的分布面積，而新疆和田市雖多樣性指數高于其他地區，卻由于單位面積服務價值較低的草地生態系統分布比例為52.59%使得整體服務價值處于最低狀態。對于較均衡區，有些地區例如山東東營市、山西朔州市地均價值相較于不均衡區、較不均衡區較低，原因為各生態系統分布較均衡，單位面積服務價值較高的生態系統所占比例低于其他地類造成。

2.2.3 內部功能平衡性分析

不同于其他城市的是，資源型城市中采礦用地會對區域生態系統產生強烈擾動，一方面產生的環境問題如煤矸石和尾礦壓占土地、廢棄尾礦坑、地面塌陷等對景觀多樣性產生不可逆轉的破壞，尤其在礦產資源集中開采地帶植被破壞、土地沙化等土地利用問題非常嚴重；另一方面，資源型城市還面臨資源開采枯竭后的城市轉型問題，這不僅需要大量資金投入，礦產開采后廢棄地的難以修復性還對修復技術有很高要求。以上所述環境問題在一般性城市中并不存在，因此，對于資源型城市而言，在采礦用地及相關建設用地難以利用、修復的情況下，對于其他生態型用地進行結構優化研究顯得尤為迫切與重要。

文中統計研究區均從土地利用變化角度分析生態服務價值變化，并未發現從生態系統服務不同功能平衡角度出發進行分析，因此，在非生態型用地難以利用與修復的情況下，結合文中數據統計情況，在此將建設用地、工礦用地、未利用地歸為非生態型用地，以此為基準進行土地利用優化結構研究，結果見表5。對于優化結果的合理性，文中基于23個研究區土地利用現狀，利用多樣性指數、地均價值進行土地結構優化結果驗證，結果見圖3、圖4。由圖3可知，優化后的多數研究區在多樣性指數、地均價值方面均有所提升，說明表5優化結果的合理性。圖4是在非生態型用地不變的基礎上對生態型用地進行結構調整，并根據非生態型用地所占比例對各研究區進行排序，可以看出，隨著非生態型用地的增加，生態服務價值呈下降趨勢，說明非生態型用地對生態系統服務提供能力干擾強烈。

表5 基于不同生態系統服務功能的結構優化表

圖3 優化后地均價值和多樣性指數變化率

圖4 不同生態服務功能平衡下非生態型用地增加對生態價值的影響

3 結論

本文統計了國內學者關于資源型城市生態系統服務價值的實際研究案例，通過一定方法建立生態系統服務價值的統一計量標準，進而分析案例中地均價值與Shannon-Wiener多樣性指數的相對變化趨勢與內在關系。經過研究，得出以下結論。

1)資源型城市特殊的土地利用引起的不同程度的景觀多樣性變化并不會相應的引起相同程度的生態系統服務價值的變化，這是由于不同研究區生態系統分布的不同方式所決定的，隨著多樣性指數變化程度的增大，地均價值波動性呈現增強的趨勢。因此，為保持資源型城市的可持續發展，應適當調整資源型城市的生態系統配置，保持生態系統分布的合理性。

2)本文以生態系統分布均衡性為基準對國內23個資源型城市進行了均衡性分區，通過對不同分區進行差異化分析得知，隨著研究區多樣性指數即土地利用結構趨向更加合理的同時，地均價值會呈現逐漸升高的趨勢。且當多樣性指數相同時，地均價值也會有較大區別，原因為單位面積服務價值較高的生態系統對不同研究區生態服務能力提供有很大影響。而生態系統較均衡區，是近年來國內資源型城市中經濟與生態發展較協調的地區，其生態經濟發展方式可以作為其他資源型城市的借鑒。

3)不同于其他一般性城市，本文基于資源型城市采礦用地及相關建設用地對生態系統產生的破壞性及資源枯竭后的難以利用與修復性，利用不同生態系統服務功能平衡性對資源型城市中的生態型用地進行了結構優化研究，得出不同服務功能平衡狀態時的生態系統分布比例，并利用Shannon-Wiener多樣性指數與地均價值對結構優化結果進行了驗證，表明了此結果的可行性。圖4結果還表明隨著資源型城市非生態用地的增加，生態系統服務提供能力顯著下降。因此本文結果可以為資源型城市土地利用規劃與調整提供指導。

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Study on relationships between ecosystem services and landscape diversity in Resource-based cities

ZHU Xiaolei1, ZHANG Jianjun1,2

(1. School of Land Science and Technology，China University of Geosciences (Beijing)，Beijing 100083，China; 2. Key Laboratory of Land Consolidation and Rehabilitation，Ministry of Land and Resources，Beijing 100083，China)

In this paper, 23 research cases of resource-based cities in China were collected by means of collecting the existing data, 302 research data were extracted to form research database, and unified measurement methods for ecosystem service values of different research areas were established, then using Ecosystem Service Values(ESVs) as well as the Shannon-Wiener Diversity Index (SHDI) which can reflect the balance of ecosystem distribution to do research on the basis of the database, and finally study on land use optimization under different ecosystem service functions. The results tell us that: ①The SHDI does not determine the ESVs of a region, but the trend of variation of the SHDI is the same as that of the ESVs’; ② We classify the 23 study areas according to the balance of ecosystem distribution and find that only 6 regions in a relatively balanced state while the remaining regions are not so much well; ③The average value of the classified areas shows that the ESVs tend to increase when the ecosystem is more balanced, however, ecosystems with higher ESV will affect this trend; ④ Based on the study of different ecosystem service functions, the optimum proportion of ecological land allocation is obtained, and it is found that with the increase of proportion of non-ecological land in the resource-based cities, the ESVs show a clear downward trend.

resource-based city; ecosystem service values; shannon-wiener diversity index; balance

2016-10-15

國家自然科學基金項目資助(編號：41571507；41101531)；北京高等學校青年英才計劃項目資助(編號：YETP0639); 中央高校基本科研業務費專項資金項目資助

朱曉磊(1988-)，男，河北石家莊人，碩士研究生，研究方向為土地生態保護與可持續利用，E-mail: zhuxiaolei_cugb@163.com。

張建軍(1982-)，男，副教授，博士生導師，主要從事土地利用與生態經濟方面的教學與研究工作，E-mail: zhangjianjun_bj@126.com。

F407.1；X171

A

1004-4051(2017)02-0088-07