基于LUCC的蘭州城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值動態(tài)分析

林棟, 馬暉玲,*, 任正超, 李元恒

1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院 草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室, 蘭州 730070 2. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院, 蘭州 7300703. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所, 呼和浩特010010

基于LUCC的蘭州城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值動態(tài)分析

林棟1, 馬暉玲1,*, 任正超2, 李元恒3

1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院 草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室, 蘭州 730070 2. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院, 蘭州 730070
3. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所, 呼和浩特010010

林棟, 馬暉玲, 任正超, 等. 基于LUCC的蘭州城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值動態(tài)分析[J]. 生態(tài)科學(xué), 2016, 35(2): 134-142.

LIN Dong, MA Huiling, REN Zhengchao, et al. Dynamic analysis of ecosystem service value based on land use/cover change in Lanzhou City[J]. Ecological Science, 2016, 35(2): 134-142.

生態(tài)脆弱型城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估是保育和合理開發(fā)城市生態(tài)系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。構(gòu)建典型生態(tài)脆弱型城市生態(tài)服務(wù)價值評估模型, 以蘭州城市生態(tài)系統(tǒng)為例, 運(yùn)用GIS和遙感技術(shù)分析LUCC特征, 計算1989年、1999年和2009年6類主要土地利用類型的9項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)項目價值。結(jié)果表明: 1)20a間蘭州市耕地面積減少幅度最大為42.54%, 水體濕地、草地次之?？們r值呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢, 1999年蘭州城市生態(tài)服務(wù)價值最大為4.4377×108元, 2009年生態(tài)服務(wù)價值是1989年的1.5倍。2)土壤形成與保護(hù)服務(wù)功能價值占總價值的比例最高約20%, 食物生產(chǎn)和娛樂文化服務(wù)功能價值占總價值比例較低為3.7%、3.4%, 氣體調(diào)節(jié)、娛樂文化和原材料生態(tài)服務(wù)價值增幅最大。3)各年份林地、草地、耕地和水體濕地生態(tài)服務(wù)價值均為總價值構(gòu)成的主要部分, 林地和草地生態(tài)系統(tǒng)對總服務(wù)價值的貢獻(xiàn)率最高。城市擴(kuò)張中應(yīng)注重林草地的保育與合理規(guī)劃。4)價值系數(shù)敏感性檢驗表明, 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值對其缺乏彈性, 模型能夠合理評估該區(qū)域生態(tài)服務(wù)價值波動。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù); 價值評估; 土地利用/覆蓋變化; 模型構(gòu)建

1 前言

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能是人類社會賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)[1–2], 人類當(dāng)前面臨的多種生態(tài)問題的本質(zhì)是由于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能受到破壞或退化的結(jié)果[3]。土地利用/覆蓋變化(Land Use/Cover Change, LUCC)通過改變生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能, 對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和人類福祉產(chǎn)生影響。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能也是土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)影響的綜合性表征指標(biāo)[4],貨幣化后的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值可直觀地度量該影響[5]。因此, 在時空序列上分析 LUCC對城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響, 可定量評估生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能對土地利用類型及社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的響應(yīng)。

脆弱型城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能對LUCC非常敏感[6–7], 評估其生態(tài)服務(wù)價值動態(tài)過程可揭示不同土地利用類型格局在區(qū)域生態(tài)安全中發(fā)揮的作用。蘭州市作為我國西部重要的生態(tài)地域單元, 根據(jù)其水資源、氣候、生物、土壤及人類活動影響特征, 是典型的生態(tài)脆弱型地區(qū)[8–10]。目前國內(nèi)外學(xué)者對城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估的主要方法可歸納為市場價值法和替代成本法兩大類[11–15]。以Costanza等[16]對全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估模型為基礎(chǔ), 從價值系數(shù)、價值波動因素、城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能分類和價格換算方法等[17–21]方面進(jìn)行修訂, 并在不同尺度下開展的實證研究居多[22–25]。為增強(qiáng)區(qū)域研究的可比性, 在已有研究成果基礎(chǔ)上, 根據(jù)脆弱型城市生態(tài)系統(tǒng)的特征及區(qū)域生態(tài)-社會-經(jīng)濟(jì)復(fù)合系統(tǒng)現(xiàn)狀, 提出改進(jìn)的城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估方法,并對近20a典型生態(tài)脆弱型城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進(jìn)行動態(tài)分析。準(zhǔn)確估計和評價脆弱型城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值, 有利于正確認(rèn)識城市生態(tài)系統(tǒng)支撐人類社會經(jīng)濟(jì)活動的重要性, 有利于制訂正確的城市發(fā)展策略、生態(tài)資源利用尺度和城市生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策。

2 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于隴西黃土高原西部(E102°36＇—104°34＇, N35°35＇—37°7＇), 青藏高原東北緣的蘭州市。屬于大陸性干旱氣候, 雨量少且集中, 年均降雨量311.7 mm, 年蒸發(fā)量1486 mm, 年均氣溫9.3 , ℃市中心海拔 1500 m。研究選取典型城市生態(tài)系統(tǒng),以主城區(qū): 城關(guān)、七里河、安寧及西固 4個行政區(qū)為對象。蘭州地處黃河上游, 其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的發(fā)揮對上游三江源地區(qū)湖泊萎縮、濕地退化、江河徑流量減少等生態(tài)問題的解決至關(guān)重要。

3 數(shù)據(jù)來源與研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來源

土地利用與覆被數(shù)據(jù)來源于地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺和全球土地覆被網(wǎng)絡(luò)。1︰10萬土地利用數(shù)據(jù)及同期陸地衛(wèi)星精糾正分縣假彩色合成影像結(jié)合植被類型與土壤類型數(shù)據(jù), 在MGE和ArcGIS環(huán)境下, 通過專家分析和遙感自動分類進(jìn)行專題制圖。為保持?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)一性, 將 3期數(shù)據(jù)分類體系進(jìn)行對應(yīng)和整合, 形成基于知識規(guī)則的分類體系, 并結(jié)合植被調(diào)查報告與野外觀測站進(jìn)行實地比對驗證。統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于《蘭州市統(tǒng)計年鑒》(1989年); 《蘭州年鑒》(1999—2009年); 《甘肅年鑒》(2009年);《甘肅城市年鑒》(2012年); 《甘肅發(fā)展年鑒》(2013年)和《甘肅省國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》(1999—2013年)。

3.2 LUCC分析方法

按照6類土地利用/覆蓋類型分別對三期數(shù)據(jù)產(chǎn)品逐像元累加求和, 計算各類在研究區(qū)總面積中所占的比例。計算各土地覆蓋類型最終狀態(tài)與起始狀態(tài)的面積轉(zhuǎn)移Aij, 分析土地覆蓋類型的空間變化過程[26]。

式中,Aij表示研究區(qū)t時段內(nèi)由i類轉(zhuǎn)移為j類的面積(km2);Si(x,t1)是起始時間i類在x處的面積(km2);Sj(x,t2)是結(jié)束時間j類在x處的面積(km2);x=1, 2, …,n,n為研究區(qū)柵格數(shù)據(jù)含有的單元格數(shù)量; 若i=j,表示t時段內(nèi)在x處未發(fā)生i類向j類轉(zhuǎn)移的情況。

土地覆蓋類型i類和j類可隨時間相互轉(zhuǎn)移, 其轉(zhuǎn)移概率可用以下矩陣表示。

式中,ΔSij為i類轉(zhuǎn)移為j類的面積(km2);P為開始時間到結(jié)束時間研究區(qū)土地覆蓋類型轉(zhuǎn)移概率矩陣。Pij表示i類轉(zhuǎn)移為j類的概率,N表示土地覆蓋類型的數(shù)量,i,j=1, 2, …, 6。

3.3 城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值計算

以Costanza等[16–17]的評估模型為基礎(chǔ), 根據(jù)生態(tài)脆弱型城市土地利用類型分布情況, 對謝高地等的生態(tài)服務(wù)價值當(dāng)量表進(jìn)行修正, 加入支付意愿與支付能力調(diào)整指數(shù)。為增強(qiáng)數(shù)據(jù)的可比性和整齊度, 1989年、1999年和2009年的經(jīng)濟(jì)價值均用1990年不變價格計算。生態(tài)脆弱型城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值計算公式如下:

式中:V為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能總價值;θt為支付意愿調(diào)整指數(shù);μt為支付能力調(diào)整指數(shù);Aj為j類生態(tài)系統(tǒng)的面積;Ea為單位面積農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)提供食物生產(chǎn)服務(wù)功能的經(jīng)濟(jì)價值(元·hm-2);eij為j種生態(tài)系統(tǒng)i類生態(tài)服務(wù)功能相對于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)提供生態(tài)服務(wù)單價的當(dāng)量因子。

根據(jù)價值熵理論, 社會貧困低速發(fā)展階段, 對生態(tài)資源的需求低; 當(dāng)進(jìn)入快速發(fā)展的工業(yè)化、城市化階段后, 由于自然資源日漸匱乏, 人們對舒適性服務(wù)的需求提高; 但在繼續(xù)發(fā)展到極富階段時,這種需求便會趨于飽和。該過程可以用 Logistic模型來刻畫:

式中:θt為社會發(fā)展階段有關(guān)的現(xiàn)實支付意愿系數(shù),即支付意愿調(diào)整指數(shù);m為時間變量, 在此表示社會發(fā)展階段系數(shù)。通常以經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展水平和人民生活水平的恩格爾系數(shù)的倒數(shù)與研究各年發(fā)展階段對應(yīng)起來。

式中:Entc、Entr表示城鎮(zhèn)和農(nóng)村第t年恩格爾系數(shù);Ptc、Ptr表示城鎮(zhèn)和農(nóng)村第t年人口比例。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)最終的支付價值量不僅與民眾支付意愿密切相關(guān), 同時也與民眾的支付能力密切相關(guān)。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的價值支付最終是以個人為單位表現(xiàn)出來的, 人均生產(chǎn)水平越高, 則支付能力越高。因此, 通過支付能力系數(shù)調(diào)節(jié)服務(wù)價值當(dāng)量, 能夠有效解釋因支付意愿存在而支付能力不足所造成生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值支付的困境。

式中:μt為支付能力調(diào)整指數(shù);GDPlt表示第t年研究區(qū)人均國內(nèi)生產(chǎn)總值;GDPct表示第t年全國人均國內(nèi)生產(chǎn)總值。

3.4 敏感性指數(shù)

為驗證所選生態(tài)系統(tǒng)類型對于研究區(qū)各土地覆蓋類型的代表性和經(jīng)過調(diào)整的城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能單價的準(zhǔn)確性, 應(yīng)用經(jīng)濟(jì)學(xué)中常用的彈性系數(shù)概念來計算價值系數(shù)的敏感性指數(shù)(CS), 以確定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值隨時間的變化情況對于價值系數(shù)的依賴程度。

式中,Ejl是j類生態(tài)系統(tǒng)調(diào)整后的價值系數(shù);Vl是j類生態(tài)系統(tǒng)價值系數(shù)調(diào)整后的區(qū)域總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值。

4 結(jié)果與分析

4.1 蘭州城市生態(tài)服務(wù)價值當(dāng)量與邊際性調(diào)整

第j類生態(tài)系統(tǒng)的第i類生態(tài)服務(wù)功能單價的計算用單位面積生態(tài)服務(wù)價值當(dāng)量表和蘭州市單位農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)提供食物生產(chǎn)服務(wù)功能的經(jīng)濟(jì)價值估算。選取研究區(qū) 5種主要作物: 小麥、玉米、油菜籽、甜菜和棉花, 價格以該作物在甘肅省的平均市場價格計算, 確定單位面積農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)提供食物生產(chǎn)服務(wù)的經(jīng)濟(jì)價值。蘭州市各土地利用類型單位面積生態(tài)服務(wù)價值當(dāng)量見表1。

表1 蘭州市各土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值當(dāng)量表Tab. 1 Ecosystem services value of Lanzhou urban ecosystem in unit area

根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織對恩格爾系數(shù)的劃分標(biāo)準(zhǔn), 0.59以上為絕對貧困; 0.50—0.59為勉強(qiáng)度日; 0.40—0.49為小康; 0.20—0.39為富裕生活; 0.20以下為絕對富足。以小康與富裕階段的過渡點作為支付意愿集聚上升的拐點, 因此恩格爾系數(shù)為 0.4作為支付意愿曲線拐點。根據(jù)公式計算可得,θ1989為0.6704,θ1999為0.8889,θ2009為1.0362。

以1989年、1999年和2009年蘭州市人均國內(nèi)生產(chǎn)總值與對應(yīng)年的全國人均國內(nèi)生產(chǎn)總值的比值對支付能力進(jìn)行模擬, 從而確定出生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值支付能力調(diào)整指數(shù)。計算可得,μ1989為1.2049,μ1999為1.3218,μ2009為0.5510。

4.2 蘭州市LUCC動態(tài)分析

根據(jù)1989年、1999年和2009年蘭州市主要土地利用類型面積(表2), 1989—2009年20a間, 蘭州市草地、耕地和水體濕地總體上呈現(xiàn)減少趨勢。耕地面積減少幅度最大為 42.54%, 其次為水體濕地21.32%, 草地19.32%。林地面積呈現(xiàn)出先小幅減少,后逐漸增加的趨勢。為便于研究及近20a分類體系的一致性, 將水體類與濕地類按照分布面積比例進(jìn)行加權(quán)修正后合并為水體濕地類。

從轉(zhuǎn)移矩陣分析(表3), 林地主要轉(zhuǎn)移為城鎮(zhèn)建設(shè)用地、耕地和草地。造成該變化趨勢的原因可能是前期的城市擴(kuò)張過程中林地開墾為耕地或退化演替為草地, 以及后來蘭州市南北兩山造林綠化效果的顯現(xiàn)。城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積增幅為26.20%, 林地為16.30%。草地和耕地的減少主要被城市化擴(kuò)張所占用, 轉(zhuǎn)換為城鎮(zhèn)建設(shè)用地, 部分耕地、林地和草地被征用后未及時開發(fā), 轉(zhuǎn)變?yōu)殡y利用地。水體濕地的減少主要源于河漫灘、近河階地的開發(fā)利用和地下水位變化造成的濕地萎縮。難利用地呈現(xiàn)增加趨勢,主要由耕地、草地和城鎮(zhèn)建設(shè)用地轉(zhuǎn)入, 另外與新征地撂荒和農(nóng)村人口轉(zhuǎn)移有關(guān)。

表2 1989年、1999年和2009年蘭州市主要土地利用類型面積 (單位km2)Tab. 2 Land use of Lanzhou City in 1989, 1999 and 2009 (km2)

表3 蘭州市1989—2009年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣 (單位km2)Tab. 3 Land use transfer matrix from 1989 to 2009 in Lanzhou city (km2)

從蘭州市土地利用與覆蓋類型的空間變化看(圖1), 1999—2009年蘭州市耕地向其他類型轉(zhuǎn)換主要發(fā)生在七里河區(qū)、安寧區(qū)和西固區(qū)河漫灘或地勢較為平坦的區(qū)域。由于城關(guān)區(qū)城市建設(shè)密度加大,趨近于飽和, 城市化建設(shè)向西推進(jìn), 大量的耕地被征用轉(zhuǎn)變?yōu)槌擎?zhèn)建設(shè)用地, 而被圈占未及時利用的耕地則轉(zhuǎn)變?yōu)殡y利用土地。林地向其他類型轉(zhuǎn)換主要發(fā)生在海拔高度和坡度較大的山區(qū)和城市建成區(qū)的公共綠地區(qū)域。水體濕地向其他類型的轉(zhuǎn)變主要發(fā)生在黃河沿岸, 除水位下降濕地萎縮外, 一部分由于季節(jié)變化的黃河水位漲落, 原本水域的區(qū)域被解譯為難利用地。1989—2009年蘭州市耕地和林地向其他類型轉(zhuǎn)換面積有所擴(kuò)大, 包括河漫灘和地勢較為平坦的區(qū)域, 甚至在部分山谷地區(qū)都有所發(fā)生,主要轉(zhuǎn)移為城鎮(zhèn)建設(shè)用地和難利用土地。城關(guān)區(qū)土地利用類型變化較大, 逐漸趨向單一類型, 南北兩山出現(xiàn)較多難利用土地類型。LUCC呈現(xiàn)出隨蘭州城市不斷發(fā)展, 林地和耕地逐漸大量轉(zhuǎn)換為其他土地利用類型, 范圍向安寧區(qū)、西固區(qū)擴(kuò)張, 山區(qū)土地利用類型逐漸多樣, 開發(fā)區(qū)土地利用與覆蓋類型變化明顯, 中心城區(qū)及輻射區(qū)建設(shè)用地和難利用土地增加。

4.3 蘭州城市生態(tài)服務(wù)價值變化

根據(jù)生態(tài)脆弱型城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值計算模型, 可得1989年、1999年和2009年蘭州城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值分別為: 1.9982×108元、4.4377×108元和3.0181×108元, 20a間總價值呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢。從1989年到1999年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值增加2.4395×108元, 增幅為1989年的1.2倍。1999—2009年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)損失1.4196×108元, 損失幅度為 31.99%。2009年蘭州城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值是1989年的1.5倍。

對1989年、1999年和2009年蘭州城市生態(tài)系統(tǒng)各服務(wù)類型價值計算(表4)可知, 近20a蘭州城市生態(tài)系統(tǒng)的土壤形成與保護(hù)服務(wù)功能價值占總價值的比例最高, 約占20%。1989年和1999年娛樂文化服務(wù)功能價值占總價值比例最低, 為3.4%。2009年食物生產(chǎn)服務(wù)功能價值占總價值比例最低, 為3.7%。近20a廢物處理和食物生產(chǎn)服務(wù)功能價值在總價值中所占比例略有減少, 原材料服務(wù)功能價值所占比例增加。從1989—2009年各項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型價值的變化率看, 娛樂文化、原材料和氣體調(diào)節(jié) 3項生態(tài)服務(wù)價值增幅最大, 分別為 93.4%、91.6%和62.7%; 食物生產(chǎn)、廢物處理和土壤形成與保護(hù)增幅最小, 分別為17.2%、35.1%和48.2%。2009年蘭州城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能總價值比 1989年增加了1.0199×108元, 增幅為51%。

對1989年、1999年和2009年蘭州城市不同土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化分析可知(圖 2),各年份林地、草地和耕地生態(tài)服務(wù)價值均為總價值構(gòu)成的主要部分, 1989年和1999年草地生態(tài)服務(wù)價值在各土地利用類型價值中最高, 2009年林地生態(tài)服務(wù)價值在各地類中最高。林地、草地、耕地和水體濕地生態(tài)服務(wù)價值從1989—2009年20a間均呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢, 難利用土地和城鎮(zhèn)建設(shè)用地生態(tài)服務(wù)價值20a間持續(xù)增加。其中, 1999年草地生態(tài)服務(wù)價值最高為1.7280×108元, 其次為1999年和2009年林地生態(tài)服務(wù)價值分別為 1.2459×108元和1.1577×108元。從 20a間各土地利用類型生態(tài)服務(wù)價值整體變化情況看, 林地2009年生態(tài)服務(wù)價值是1989年的 2倍, 耕地生態(tài)服務(wù)價值基本保持不變,草地和水體濕地生態(tài)服務(wù)價值增幅分別為 41.39% 和37.90%。

4.4 價值系數(shù)敏感性檢驗

為評估該研究中構(gòu)建的生態(tài)脆弱型城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值計算模型的可靠性, 需要對其價值系數(shù)敏感性進(jìn)行檢驗。若敏感性系數(shù)＞1, 表明 1%的自變量變動引起因變量大于 1%的變動, 如果敏感性系數(shù)＜1, 則1%的自變量變動引起因變量小于1%的變動。

圖1 蘭州市土地利用與覆蓋類型空間變化 (A: 1989—2009年; B: 1999—2009年)Fig. 1 Spatial variation of land use/cover in Lanzhou City (A: 1989 to 2009; B: 1999 to 2009)

即使CS值小于1, 過高或過低賦值的生態(tài)價值系數(shù)也可能在很大程度上影響生態(tài)價值隨時間變化的真實性。因此, 本文進(jìn)一步分析較大的生態(tài)價值系數(shù)的變化對于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化的影響。將研究區(qū)各土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)分別增減 50%, 評價生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值的變化情況。

表4 1989年、1999年和2009年蘭州城市生態(tài)系統(tǒng)各項服務(wù)價值變化Tab. 4 Change in ecosystem services value of Lanzhou City in 1989, 1999 and 2009

圖2 1989年、1999年和2009年蘭州不同土地利用類型生態(tài)服務(wù)價值變化Fig. 2 Change in ecosystem services value of Lanzhou City in different land use type from 1989 to 2009

表5 蘭州城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值敏感度Tab. 5 The coefficients of sensitivity of ecosystem service value in Lanzhou city

由表5可知, 蘭州城市生態(tài)系統(tǒng)各土地利用類型價值系數(shù)增加和減少50%時, 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值20a間的變化率從42.29%到57.61%, 均與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)調(diào)整前的變化率51.04%相差不大。CS值均小于1, 最低值為0.0001, 即當(dāng)難利用土地的生態(tài)服務(wù)價值系數(shù)增加1%時, 總價值只增加0.0001%;最高為0.3822, 即當(dāng)草地生態(tài)服務(wù)價值系數(shù)增加1% 時, 總價值只增加0.3822%。這表明, 相對于所構(gòu)建的脆弱型城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值計算模型中的價值系數(shù)來說, 研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值缺乏彈性, 研究結(jié)果是可信的。

5 討論

對城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值的評估, 盡管目前諸多學(xué)者提出了各種計算方法, 但以可操作性、直觀性、可比性和突出研究區(qū)特點的角度看, 以Costanza等的評估模型為基礎(chǔ)的改進(jìn)計算方法仍被廣泛接受和認(rèn)可。為提高動態(tài)分析中各年份生態(tài)服務(wù)價值的可比性和整齊度, 研究中20 a間的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)經(jīng)濟(jì)價值均用1990年不變價格計算。所得結(jié)果與現(xiàn)行貨幣尺度在直觀上有一定差距, 但生態(tài)服務(wù)價值評估的重點不在單個價值量確切的高低[27–29],而是探討單位自然資產(chǎn)生態(tài)服務(wù)價值的邊際變化和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能在城市可持續(xù)發(fā)展過程中的重要作用。因此并不影響區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值動態(tài)趨勢的評估和各土地利用類型、各項生態(tài)服務(wù)功能價值貢獻(xiàn)的分析。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的價值大小在很大程度上取決于當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)發(fā)展條件下民眾對其支付意愿的大小, Costanza和謝高地等學(xué)者基于支付意愿調(diào)查的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估很好地驗證了這一點。同一類型的生態(tài)系統(tǒng), 因不同地區(qū)之間經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、居民收入狀況、價值認(rèn)識和消費偏好甚至政策制度的不同, 對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的支付意愿和支付能力不盡相同。脆弱型城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值評估體系中引入價值熵理論, 如果社會對其給定較高的價值權(quán)重, 說明社會對生態(tài)服務(wù)價值具有較強(qiáng)的支付意愿, 則其價值熵越高。對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的判定須綜合考慮特定歷史時期研究區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和環(huán)境保護(hù)策略等方面的因素, 才能給出較為客觀真實的評估。

城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能具有明顯的時空異質(zhì)性,在生態(tài)服務(wù)價值計算中產(chǎn)量因子和當(dāng)量因子選取應(yīng)盡量精確, 否則將忽略不同區(qū)域、不同土地利用類型間的差異。依據(jù)研究區(qū)城市生態(tài)系統(tǒng)的特點, 選取當(dāng)?shù)刂饕魑餅閮r值評估的參考系, 并根據(jù)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展因素用支付能力、支付意愿系數(shù)對評估價值進(jìn)行調(diào)整, 更加貼切地體現(xiàn)區(qū)域生態(tài)-社會-經(jīng)濟(jì)耦合系統(tǒng)特征和可接受的價值區(qū)間。

在用邊際性調(diào)整指數(shù)進(jìn)行修正的過程中, 由于建設(shè)用地對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能主要起負(fù)向作用, 其主要減少生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值, 從現(xiàn)實情況考慮, 人們對建設(shè)用地在改善生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能方面的支付意愿幾乎為零, 故在本研究的修正過程中不對建設(shè)用地的價值當(dāng)量因子進(jìn)行修正, 維持原值。

6 結(jié)論

1) 構(gòu)建了生態(tài)脆弱型城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估方法與計算模型, 并對其可靠性進(jìn)行了檢驗。在Costanza、謝高地等研究成果的基礎(chǔ)上, 依據(jù)西部典型生態(tài)脆弱型城市生態(tài)系統(tǒng)特征, 對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的評估方法作了進(jìn)一步改進(jìn)。通過核算當(dāng)?shù)剞r(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值, 計算區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值參考基準(zhǔn)單價; 引入支付意愿調(diào)整指數(shù)和支付能力調(diào)整指數(shù)兩個邊際性因子, 訂正不同類型草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值; 從而體現(xiàn)區(qū)域城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的空間異質(zhì)性和價值評估的針對性。

2) LUCC分析表明20a間蘭州市耕地面積減少幅度最大, 水體濕地、草地次之。林地面積呈現(xiàn)出先小幅減少, 后逐漸增加的趨勢。造成該變化的主要原因是近年來城市擴(kuò)張的加劇和南北兩山造林綠化取得一定成效。林地主要轉(zhuǎn)移為城鎮(zhèn)建設(shè)用地、耕地和草地, 草地和耕地的減少主要被城市化擴(kuò)張所占用, 轉(zhuǎn)換為城鎮(zhèn)建設(shè)用地, 部分耕地、林地和草地被征用后未及時開發(fā), 轉(zhuǎn)變?yōu)殡y利用地。

3) 1989年、1999年和2009年蘭州城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值分別為: 1.9982×108元、4.4377×108元和3.0181×108元, 表明該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值有先增加后減少的趨勢。但從各土地利用類型面積變化情況看, 林地面積先略微減少后增加, 草地、耕地和水體濕地面積持續(xù)減少。引起價值波動的主要因素是隨著區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成的民眾支付意愿和支付能力的邊際性變化。

4) 近20a蘭州城市生態(tài)系統(tǒng)的土壤形成與保護(hù)服務(wù)功能價值占總價值的比例最高, 娛樂文化和食物生產(chǎn)服務(wù)功能價值占總價值比例較低, 近 10a生態(tài)服務(wù)價值增加主要由氣體調(diào)節(jié)、娛樂文化和原材料生態(tài)服務(wù)價值增加引起。從土地利用類型看, 林地、草地、耕地和水體濕地均為近20a區(qū)域生態(tài)服務(wù)價值的主要組成部分, 且林地和草地的生態(tài)服務(wù)價值最高。因此, 在后期蘭州城市擴(kuò)張中應(yīng)注重林草地的保育與合理規(guī)劃。

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Dynamic analysis of ecosystem service value based on land use/cover change in Lanzhou City

LIN Dong1, MA Huiling1,*, REN Zhengchao2, LI Yuanheng3
1.College of Pratacultural Science,Gansu Agricultural University,Key Laboratory of Grassland Ecosystem,Ministry of Education,Lanzhou730070,China2.College of Economics and Management,Gansu Agricultural University,Lanzhou730070,China3.Institute of Grassland Research,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Hohhot010010,China

Quantitative evaluation of the services provided by fragile urban ecosystem is an important foundation for protecting and developing urban ecosystem. Geographic information system and remote sensing technology were used to analyze the characteristics of land use/cover change. The evaluation model for the fragile urban ecosystem services was constructed to estimate the ecosystem value of Lanzhou City in 1989, 1999 and 2009. The results showed are as follows. 1) The cropland was reduced the most by 42.54% while the water/wetland and the grassland were reduced by 21.32% and 19.32%, respectively, from 1989 to 2009. The total value of the urban ecosystem service increased from 1989 to 1999 reaching the highest value of 4.4377×108RMB then decreased from 1999 to 2009. During the entire period, the total ecosystem service value increased 50%. 2) Of the different types of ecosystem services, the value of soil formation and retention was the highest at 20% of the total value, while recreation/culture value and food value were the lowest ones at 3.4% and 3.7%, respectively. The types of ecosystem services with the most percentage of value increases were gasregulation, recreation/culture and raw materials during the period studied. 3) The main components of ecosystem service value came from woodland, grassland, cropland and water/wetland ecosystems, of which, woodland and grassland ecosystems contributed the most to the total value. Thus, much attention should be paid in conservation and rational planning of woodland and grassland in the process of Lanzhou urban expansion. 4) The sensitivity coefficients of ecosystem service value for each land use type were less than 1, indicating that the ecosystem service value lacked flexibility on its index. Therefore, the dynamic of ecosystem service value in Lanzhou City can be evaluated reasonably using this model.

ecosystem service; valuation; land use/cover change; model construction

10.14108/j.cnki.1008-8873.2016.02.021

Q14; X171

A

1008-8873(2016)02-134-09

2015-04-29;

2015-08-29

甘肅省高等學(xué)校研究生導(dǎo)師科研項目(1202-05); 甘肅省青年基金項目(1308RJYA083)

林棟(1983—), 男, 甘肅武威人, 博士生, 助理研究員, 主要從事土地利用變化與草地生態(tài)學(xué)研究, E-mail: lind@gsau.edu.cn

*通信作者:馬暉玲, 女, 博士, 教授, 主要從事草地生物技術(shù)與種質(zhì)資源研究, E-mail: mahl@gsau.edu.cn