長沙市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值對土地利用變化的響應(yīng)研究

何宣利， 萬大娟， 褚明輝， 石 雪

(湖南師范大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410081)

長沙市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值對土地利用變化的響應(yīng)研究

何宣利， 萬大娟*， 褚明輝， 石 雪

(湖南師范大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410081)

基于謝高地等確立的中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)，通過價值系數(shù)修正，分析長沙市24年間土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響.研究表明：耕地、林地、草地、水域、未利用土地的面積逐漸減少，城鎮(zhèn)建設(shè)用地逐漸增加.1900～2014年的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值逐漸減少，價值損失量為169 329.89萬元，損失率為5.44%.各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能對長沙市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的貢獻(xiàn)率排在前三位是土壤形成與保護(hù)，水源涵養(yǎng)，生物多樣性保護(hù).食物生產(chǎn)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的貢獻(xiàn)率最小.生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值敏感性指數(shù)由大到小依次為：林地、耕地、水域、城鎮(zhèn)建設(shè)用地、草地、未利用土地，敏感性指數(shù)均小于1，研究結(jié)果合理可信.圖1，表7，參13.

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值；長沙；土地利用變化；土地利用動態(tài)度；敏感性指數(shù)

“Ecosystem Service”[1]，即生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，其評價研究最早是在1997年，以Costanza為首的生態(tài)學(xué)家，針對全球主要類型的生態(tài)系統(tǒng)(森林、草地、濕地、農(nóng)田、水域、荒漠)建立了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評價體系，并構(gòu)建了各種土地類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估系數(shù)，對全球生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價值進(jìn)行評價，揭開了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值研究的序幕[2].生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(Ecosystem Service Value，ESV)研究，現(xiàn)已成為生態(tài)學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，成為生態(tài)學(xué)、生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)研究的前沿課題[3].我國的諸多學(xué)者如歐陽志云、陳仲新等[4，5]對Costanza等人建立的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估方法進(jìn)行改進(jìn)，用以對中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能以及生態(tài)經(jīng)濟(jì)價值與效益進(jìn)行評價.根據(jù)Costanza等建立的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評價體系，謝高地等[6，7]對其評價系數(shù)進(jìn)行了修正，提出了我國陸地生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)價值當(dāng)量因子，并確立了我國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值.隨著GIS、RS技術(shù)引入到ESV的評估研究當(dāng)中，國內(nèi)眾多學(xué)者基于LUCC，對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的評估開展了諸多研究[8-10].基于長沙市土地利用變化數(shù)據(jù)，評價生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值對長沙市土地利變化的影響，以期能夠?yàn)殚L沙市土地利用的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)，為長沙市土地資源的優(yōu)化配置提供決策支持.

1 研究區(qū)概況

長沙市位于湖南省東部偏北地區(qū)，湘江下游和長瀏盆地西緣，地處東經(jīng)111°53′～114°15′E，北緯27°51′～28°41′N，總面積為11 819.46 km2，其中市區(qū)面積1 909.9 km2，建成區(qū)面積336.25 km2.2014年地區(qū)生產(chǎn)總值為7 824.81億元，第一產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值為311.90億元，第二產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值為4 241.25億元，第三產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值為3 547.93億元.2014年末常住總?cè)丝跒?31萬人.

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 土地利用數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)來源于1990～2014年6個時段的美國陸地遙感衛(wèi)星landsatTM數(shù)據(jù)，影像分辨率為30 m.結(jié)合數(shù)據(jù)處理軟件ENVI5.1，ArcGIS10.0，將研究區(qū)的土地利用類型為耕地、草地、林地、水域、建設(shè)用地、未利用土地6類(圖1)，對1990～2014年6個時段的土地利用變化數(shù)據(jù)進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的評價研究.

2.2 評價方法

2.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)(VC)確定

根據(jù)謝高地等確立的生態(tài)服務(wù)價值系數(shù)，結(jié)合不同地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)生物量因子(湖南省生物量因子為1.95)，對全國平均水平的不同土地類型的生態(tài)服務(wù)價值系數(shù)進(jìn)行修正，確定出長沙市林地、草地、耕地、水域、未利用土地的單位面積生態(tài)服務(wù)價值量.未利用土地的系數(shù)修正以荒漠的生態(tài)服務(wù)價值系數(shù)為依據(jù)，由于城鎮(zhèn)建設(shè)用地對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的負(fù)面效應(yīng)比較大，其生態(tài)服務(wù)價值系數(shù)以董家化等[11]以太倉市為例、段瑞娟等[12]以大同市為例進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估的系數(shù)為參照依據(jù).長沙市不同土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)見表1.

2.2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(ESV)確定

表1 長沙市不同土地利用類型單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)Tab.1 Ecosystem service value cofficients of unit area of different land use types in Changsha

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值計(jì)算見公式(1)：

(1)

其中，ESVi代表研究區(qū)第i種土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，ESVj代表研究區(qū)第j種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值，ESV代表研究區(qū)總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，Ai代表第i種土地類型的分布面積(hm2)，Vvcij代表第i種土地類型、第j種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)(元·hm2·a).

2.2.3 土地利用動態(tài)度

土地利用動態(tài)度計(jì)算見公式(2)：

(2)

其中，Ua，Ub表示研究區(qū)初期和末期某一類土地類型的面積(hm2)，T為研究區(qū)時長(a)，當(dāng)T單位設(shè)定為年時，K表示土地利用類型的年變化率(%).

2.2.4 敏感度分析方法

敏感度分析方法見公式(3)：

(3)

其中，CS表示敏感度，VC表示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)，VCik、VCjk分別表示初始價值系數(shù)和調(diào)整后的價值系數(shù)，K表示土地利用類型.如果CS>1，表明ESV對CS富有彈性，如果CS<1，表明ESV對CS缺乏彈性，CS值越大，表明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)的準(zhǔn)確性對區(qū)域生態(tài)價值的評價越關(guān)鍵，將不同土地類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)上下調(diào)整50%，以此衡量研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化[13].

圖1 長沙市1990～2014年不同土地利用類型面積變化圖Fig 1 Area chang of different land use types in Changsha from1990 to 2014

3 結(jié)果與分析

3.1 長沙市土地利用變化分析

通過對比長沙市1990～2014年六個時段不同土地利用類型面積變化數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，1990～2010年長沙市土地利用類型面積從大到小依次為林地>耕地>城鎮(zhèn)建設(shè)用地>水域>未利用土地>草地；2010～2014年轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?耕地>城鎮(zhèn)建設(shè)用地>水域>草地>未利用土地.

根據(jù)表2可知，林地從1900年616 382 hm2凈減少到2014年599 141 hm2，凈減少17 241 hm2；耕地從1990年376 046 hm2凈減少到2014年343 628 hm2，凈減少32 418 hm2；草地從1990年13 999 hm2凈減少到2014年13 615 hm2，凈減少384 hm2；水域面積在24年間呈現(xiàn)減少—增加—再減少的變化過程，1990～1995年為凈減少階段，凈減少3 410 hm2，1995～2010年為凈增加階段，凈增加2 696 hm2，2010年之后又轉(zhuǎn)變?yōu)閮魷p少階段，凈減少2 469 hm2；城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積在24年間逐年凈增加，由1990年98 147 hm2凈增加到2014年169 641 hm2，凈增加71 494 hm2，其中以2000～2005年，2010～2014年兩個時間段內(nèi)的變化最為明顯，分別凈增加113 301 hm2、34 881 hm2；未利用土地面積在24年間先增加后減少，由1990年30 436 hm2減少到2014年12 195 hm2，凈減少18 241 hm2，1990～1995年為凈增加階段，凈增加2 794 hm2，1995～2014年為凈減少階段，凈減少21 035 hm2.根據(jù)表3可知，1900～2014年長沙市土地利用變化的趨勢為：城鎮(zhèn)建設(shè)用地大幅增加，變化率為72.84%；耕地、林地、草地、水域、未利用土地減少，未利用土地面積減少幅度最大，變化率達(dá)到-59.93%，耕地、水域減少幅度較大，變化率分別達(dá)到-8.62%、-6.84%，林地、草地面積減少幅度不大.

表2 長沙市1990～2014年不同土地利用類型面積Tab.2 Area of different land use type in Changsha from 1990 to 2014

表3 長沙市1990～2014年不同土地利用類型面積變化率Tab.3 Area change rate of different land use types in Changsha from 1990 to 2014

根據(jù)表4長沙市土地利用動態(tài)度可知，1990～2014年總體變化過程是城鎮(zhèn)建設(shè)用地增加速度最快，土地利用動態(tài)度為3.04，2010～2014年增加速度最快，動態(tài)度達(dá)到了6.47；未利用土地減少速度最快，土地利用動態(tài)度為-2.50，2010～2014年減少速度最快，動態(tài)度為-5.24，其次為耕地、水域，土地利用動態(tài)度分別為-0.36、-0.28，耕地在2010～2014年減少速度最快，土地利用動態(tài)度為-1.44，水域在1990～1995年減少速度最快，土地利用動態(tài)度為-1.45，在1995～2010年緩慢增加，動態(tài)度分別達(dá)到為0.21、0.55、0.46，在2000～2005年增加速度最快；林地和草地動態(tài)變化不大.

表4 長沙市1990～2014年不同土地利用類型動態(tài)度Tab.4 dynamics of different land use types in Changsha from 1990 to 2014

3.2 長沙市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化分析

利用表1核算修正的長沙市單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)，結(jié)合ESV計(jì)算公式，確定長沙市1990～2014年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化情況.根據(jù)表5可知，長沙市各土地類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值貢獻(xiàn)值依次為：林地、耕地、水域、草地、未利用土地，城鎮(zhèn)建設(shè)用地對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的負(fù)面效應(yīng)比較大，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值為負(fù)值.生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總量由1990年的3 111 643.57萬元變?yōu)?014年的2 942 313.68萬元.價值損失量為169 329.89萬元，損失率為5.44%.1990～1995年，價值損失量為32 270.10萬元，損失率為1.04%，林地和草地的生態(tài)價值量趨于穩(wěn)定，主要是由于耕地和水域面積減少，未利用土地和城鎮(zhèn)建設(shè)用地增加造成的了區(qū)域生態(tài)價值減少；1995～2000年，價值損失量為9 372.02萬元，損失率為0.3%，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總量變化在5個時段內(nèi)變化幅度最小，主要是城鎮(zhèn)建設(shè)用地增加造成區(qū)域生態(tài)價值減少，其他土地利用類型面積變化不明顯；2000～2005年，價值損失量為21 786.97萬元，損失率為0.7%，草地面積趨于穩(wěn)定，水域面積小幅增加彌補(bǔ)了一部分價值損失，價值損失是由于林地、耕地等高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值指數(shù)的用地向生態(tài)服務(wù)價值指數(shù)低的城鎮(zhèn)建設(shè)用地轉(zhuǎn)移造成的；2005～2010年，價值損失量為12 841.01萬元，草地面積趨于穩(wěn)定，價值量變化不大，主要是由于城鎮(zhèn)建設(shè)用地持續(xù)增加，未利用土地、耕地和林地減少造成的；2010～2014年，價值損失量為93 059.57萬元，生態(tài)價值總量在5個時段內(nèi)變化幅度最大，草地面積趨于穩(wěn)定，價值量變化不大，主要原因是城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積顯著增加，耕地、林地的面積大幅度減少，水域和未利用土地的小幅度減少.

表5 長沙市1990～2014年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值Table 5 Ecosystem services value of Changsha from 1990 to 2014

根據(jù)表6可知，各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能對長沙市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的貢獻(xiàn)率排在前三位是土壤形成與保護(hù)，水源涵養(yǎng)，生物多樣性保護(hù).土壤形成與保護(hù)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值貢獻(xiàn)率最高，主要是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)在林地、草地、耕地方面比較高，分別為6 729.68元/hm2、3 364.84元/hm2、2 519.32元/hm2，其次為水源涵養(yǎng)，主要是水域在水源涵養(yǎng)方面的價值系數(shù)高，達(dá)到35 166.91元/hm2，生物多樣性保護(hù)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值貢獻(xiàn)率位居第三，主要是林地、水域在生物多樣性保護(hù)方面的價值系數(shù)很高，分別達(dá)到5 625.33元/hm2、4 296.64元/hm2.食物生產(chǎn)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的貢獻(xiàn)率最小，在于其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)過低.總體而言，土壤形成與保護(hù)服務(wù)功能的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值貢獻(xiàn)率在24年間處于凈增加的趨勢，其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值貢獻(xiàn)率處于凈減少的趨勢.

表6 長沙市1990～2014年單項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值Table 6 Single ecosystem services value of Changsha from 1990 to 2014

3.3 長沙市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值敏感性檢驗(yàn)

應(yīng)用敏感性指數(shù)計(jì)算公式對長沙市不同土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)上下調(diào)整50%，計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)的敏感性(表7).計(jì)算結(jié)果表明，其敏感性指數(shù)均小于1，由大到小依次為：林地、耕地、水域、城鎮(zhèn)建設(shè)用地、草地、未利用土地.林地敏感性指數(shù)呈現(xiàn)增長趨勢，由1990年的0.747變?yōu)?014年的0.768，對長沙市24年間的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響比較大；城鎮(zhèn)建設(shè)用地的敏感性指數(shù)介于0.017～0.031之間，敏感性指數(shù)逐漸變大，表明隨著城鎮(zhèn)建設(shè)用地的增加，對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的負(fù)面影響在增大，是24年間區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值減小的主要因素；未利用土地的敏感性指數(shù)呈減少趨勢，在0～0.001之間，隨著時間的遷移，其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)的變化對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響不大.

由于CS<1，表明ESV對CS缺乏彈性，研究結(jié)果可信.

表7 長沙市不同土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值敏感性檢驗(yàn)Table 7 Sensitivity test of ecosystem services value of different land use types in Changsha

4 結(jié) 論

通過對1990～2014年的土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析可知，24年間耕地、林地、草地、水域、未利用土地的面積逐漸減少，未利用土地減少幅度最大，其次為耕地、水域，變化最不明顯的為林地和草地，城鎮(zhèn)建設(shè)用地逐年增加，增加幅度逐漸變大.

長沙市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總量由1990年的3 111 643.57萬元變?yōu)?014年的2 942 313.68萬元.價值損失量為169 329.89萬元，損失率為5.44%.城鎮(zhèn)建設(shè)用地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總量為負(fù)，變動幅度最大，草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總量的變化最小.

各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能對長沙市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值貢獻(xiàn)率排在前三位是土壤形成與保護(hù)，水源涵養(yǎng)，生物多樣性保護(hù).食物生產(chǎn)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值貢獻(xiàn)率最小.土壤形成與保護(hù)服務(wù)功能的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值貢獻(xiàn)率在24年間處于凈增加的趨勢，其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值貢獻(xiàn)率處于凈減少的趨勢.各土地類型下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值敏感性指數(shù)由大到小依次為：林地、耕地、水域、城鎮(zhèn)建設(shè)用地、草地、未利用土地，24年間的敏感性指數(shù)均小于1，研究結(jié)果合理可信.

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Abstract：Analyze the effect of land use change on ecosystem service value in Changsha during 24 years based on the land ecosystem service value coefficient established by Xie Gao-di et al. The results showed as follows:The area of cultivated land,forest land,grassland,water area and unused land decreased gradually while Urban construction land increased gradually. The total value of ecosystem services decreased gradually from 1900 to 2014,the loss of its total value was 169 329.89 million yuan and its loss rate was 5.44%. The top three contribution rates of the ecosystem service value in Changsha were soil formation and protection,water conservation,biodiversity protection. The smallest contribution rate was ecosystem service value of food production. The sensitivity index of ecosystem service value was ranked from big to small:forest land,cultivated land,water area,urban construction land,grassland,unused land. Each sensitivity index was less than 1,and the results were reasonable.1fig.,7tabs.,13refs.

Keywords：ecosystem service value; Changsha; land use change; land use dynamic degree; sensitivity index

Biography：HE Xuan-li,male,born in 1992,master,research direction:ecological environmental planning and evaluation.

ResponseofEcosystemServiceValuetolandUseChangeinChangsha

HEXuan-li,WANDa-juan*,CHUMing-hui,SHIXue

(College of Resources and Environment Science，Hunan Normal University，Changsha Hunan 410081,China)

F062.2;X37

A

2017-05-17

何宣利(1992-)，男，四川瀘州人，碩士，研究生，研究方向：生態(tài)環(huán)境規(guī)劃與評價.

*通訊作者，E-mail:dajuanwan@163.com.

10.3969/j.issn.2095-7300.2017.03-041