經(jīng)濟快速發(fā)展時期土地利用變化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值研究
——以重慶市渝北區(qū)為例

李 強， 廖和平，2， 李義龍， 房傲雪， 褚遠恒， 廖漣漪， 羅 剛

(1.西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，重慶 400715； 2.西南大學(xué)國土資源研究所，重慶 400715；3.西南大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院，重慶 400715)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是人類從生態(tài)系統(tǒng)中所獲取的各種利益，包括物質(zhì)產(chǎn)品與無形服務(wù)2個方面，是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)[1-3]。人類通過土地利用改變地表形態(tài)，從而導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生變化，進而影響生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價值。因此，基于土地利用變化背景，研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值對了解區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化、促進區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)保護協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義。

20世紀70年代，從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能概念的提出[4]，再到Costanza對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的貨幣化估算[2]，土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估受到國內(nèi)眾多學(xué)者關(guān)注[5-11]。1999年歐陽志云對我國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進行初步測算[12]，2003年謝高地等結(jié)合我國實際情況對Costanza提出的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值估算的不足進行了修正[13]，為我國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化的研究提供了依據(jù)。近年來國內(nèi)眾多學(xué)者對重慶市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進行了大量研究[14-16]，而關(guān)于土地利用變化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值關(guān)系的研究相對較少，現(xiàn)有研究多集中在省級層面?；谕恋乩米兏{(diào)查數(shù)據(jù)，對縣(區(qū))級層面土地利用變化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值關(guān)系的研究較少。

隨著重慶市的直轄以及我國內(nèi)陸首個國家級開發(fā)區(qū)“兩江新區(qū)”的成立，重慶市的社會經(jīng)濟環(huán)境發(fā)生了巨大變化，國內(nèi)生產(chǎn)總值(gross domestic produc，簡稱GDP)總量由2005年的3 467.72億元增加到2015年的15 717.27億元，GDP增長速率連續(xù)多年位居全國前列。渝北區(qū)屬重慶市“都市發(fā)達經(jīng)濟圈”，兩江新區(qū)產(chǎn)業(yè)核心區(qū)，并且擁有重慶市乃至西部地區(qū)唯一的立體交通樞紐，同時也是重慶市統(tǒng)籌城鄉(xiāng)發(fā)展和內(nèi)陸開放型經(jīng)濟示范區(qū)。經(jīng)濟的快速發(fā)展使得區(qū)內(nèi)土地利用類型發(fā)生了顯著變化，而與之密切相關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值也發(fā)生了變化。本研究采用2005、2010、2015年的土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)，估算渝北區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，分析近10年來土地利用類型變化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化的關(guān)系，再結(jié)合生態(tài)經(jīng)濟協(xié)調(diào)度，研究經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護之間的協(xié)調(diào)程度，以期為渝北區(qū)等經(jīng)濟快速發(fā)展區(qū)域的經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

渝北區(qū)(106°27′～106°57′E，29°34′～30°07′N)位于重慶市主城區(qū)東北部(圖1)，地處長江以北、嘉陵江以東的夾角地帶，幅員面積1 457 km2。研究區(qū)地處川東平行嶺谷和低山丘陵區(qū)，區(qū)內(nèi)華鎣山、銅鑼山、明月山自西向東縱列分布，地勢從西北向東南緩緩傾斜；渝北區(qū)屬亞熱帶季風性濕潤氣候，年平均氣溫16～18 ℃，年均降水量為1 100 mm左右。根據(jù)2016年《渝北區(qū)統(tǒng)計年鑒》，截至2015年年底，渝北區(qū)常住人口為155.09萬人，其中城鎮(zhèn)常住人口123.23萬人，城鎮(zhèn)化率為79.46%。全區(qū)實現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)總值1 193.34億元，居重慶市首位，是重慶市經(jīng)濟發(fā)展的重要增長極。

2 數(shù)據(jù)來源與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與地類劃分

本研究使用的資料包括重慶市渝北區(qū)2005、2010、2015年土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)，并搜集了2005—2016年《重慶市統(tǒng)計年鑒》以及渝北區(qū)2005—2015年的糧食總產(chǎn)量、種植面積、價格等數(shù)據(jù)，各個年份的信息統(tǒng)一采用年末數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)主要運用ARCGIS 10.2、Excel等軟件進行處理分析。由于2009年進行的全國土地第二次調(diào)查與第一次土地調(diào)查統(tǒng)計口徑的差異，導(dǎo)致第二次土地調(diào)查后渝北區(qū)行政區(qū)劃面積發(fā)生小幅度變化，為保證數(shù)據(jù)的真實性，本研究不對數(shù)據(jù)進行調(diào)整。

為統(tǒng)一地類標準，便于研究，根據(jù)土地利用現(xiàn)狀分類標準及渝北區(qū)土地利用實際，并結(jié)合國內(nèi)學(xué)者的一些分類辦法[14-17]，在ARCGIS 10.2中合并不同年份的土地類型，將渝北區(qū)土地利用類型分為耕地、園地、林地、草地、建設(shè)用地、水域、未利用地等7類。具體土地利用分類見表1。

表1 重慶市渝北區(qū)土地利用分類

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用動態(tài)變化 單一土地利用類型變化動態(tài)度用來表達某一區(qū)域一定時間范圍內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化情況，其表達式為[18]

(1)

式中：K為研究區(qū)域某一時段內(nèi)某一土地利用類型動態(tài)度；Ua、Ub分別為研究初期、末期某一土地利用類型的數(shù)量；T為研究時段長(當T的單位設(shè)定為年時，K表示某種土地利用類型年變化率)。

2.2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的計算 為測算研究時段渝北區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化情況，本研究以謝高地的中國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當量因子表[13]為基礎(chǔ)，以渝北區(qū)2015年主要糧食作物的播種面積、產(chǎn)量及其對應(yīng)的重慶市糧食作物平均價格為基準，考慮到?jīng)]有人力投入的自然生態(tài)系統(tǒng)提供的經(jīng)濟價值是現(xiàn)有單位面積農(nóng)田提供的生產(chǎn)服務(wù)經(jīng)濟價值的 1/7，計算得出，渝北區(qū)農(nóng)田自然糧食產(chǎn)量的經(jīng)濟價值約為 2 039.87元/hm2，最終得到渝北區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)(表2)。

表2 渝北區(qū)土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù) 元/hm2

此外，參考前人研究成果[17]，將研究區(qū)的土地利用類型與相近的生態(tài)系統(tǒng)類型進行對應(yīng)得出，耕地對應(yīng)農(nóng)田，園地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)取農(nóng)田和草地的平均值，林地對應(yīng)森林，草地對應(yīng)草地，未利用地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)取草地和荒漠的平均值；對建設(shè)用地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)暫不予計算。最后采用Costanza的方法[2]計算渝北區(qū)各土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，即

ESV=∑(Ak×VCk)。

(2)

式中：ESV為研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，元；Ak為研究區(qū)第k種土地利用類型的面積，hm2；VCk為第k種土地利用類型的單位面積生態(tài)系統(tǒng)價值系數(shù)，元/hm2；k為研究區(qū)土地利用類型。

2.2.3 敏感性分析 為檢驗渝北區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值研究的可靠性，本研究引入經(jīng)濟學(xué)中常用的敏感性指數(shù)，通過將已確定的價值系數(shù)上下調(diào)整50%來確定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值對價值系數(shù)的依賴程度。計算公式為

(3)

式中：CS表示敏感性指數(shù)；i、j表示初始數(shù)值、調(diào)整后數(shù)值。如果CS>1，則表示ESV相對于VC是富有彈性的；如果CS<1，則表示ESV相對于VC是缺乏彈性的。CS越大，表示VC的準確性越關(guān)鍵[19-20]。

2.2.4 生態(tài)經(jīng)濟協(xié)調(diào)度 為研究環(huán)境變化與經(jīng)濟發(fā)展之間的關(guān)系，本研究引入生態(tài)經(jīng)濟協(xié)調(diào)度(ecological economic harmony，簡稱EEH)[21-23]來衡量經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)程度。其計算公式為

(4)

(5)

(6)

式中：GDPpr表示單位面積GDP的變化率；GDPpi、GDPpj分別為研究區(qū)某時期始、末年份單位面積GDP，元/hm2；ESpr表示單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化率；ESpi、ESpj分別為研究區(qū)某時期始、末年份單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，元/hm2。目前生態(tài)經(jīng)濟協(xié)調(diào)度的劃分還沒有形成統(tǒng)一的標準，結(jié)合相關(guān)學(xué)者的研究成果，本研究將生態(tài)經(jīng)濟協(xié)調(diào)度進行以下分類：EEH≥1表示經(jīng)濟增長速度不高于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的增長速度；0≤EEH<1表示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值增長速度低于經(jīng)濟增長速度，生態(tài)環(huán)境存在潛在威脅；-1≤EEH<0表示研究期內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值為負增長，社會經(jīng)濟發(fā)展已經(jīng)對生態(tài)環(huán)境造成負面影響；EEH<-1表示研究區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值顯著降低，生態(tài)環(huán)境惡化，發(fā)展不可持續(xù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化分析

由表3可知，2005—2015年重慶市渝北區(qū)土地利用類型發(fā)生了巨大變化，總體上看渝北區(qū)土地利用類型由以耕地、林地為主向以耕地、建設(shè)用地為主轉(zhuǎn)變，其中建設(shè)用地面積增加得明顯(圖2)。具體表現(xiàn)為耕地、草地、水域及未利用地單一土地利用類型動態(tài)度為負數(shù)，其面積減少。其中，未利用地的面積減少量最多，達15 400.32 hm2，年均減少6.16%；其次是耕地、水域，分別減少4 202.50、490.89 hm2；草地面積總量較小且變化不明顯。園地、林地、建設(shè)用地的單一土地利用類型動態(tài)度為正數(shù)，其面積增加。其中建設(shè)用地的面積增加量最多，達17 073.62 hm2，年均增加7.92%；園地、林地分別增加342.27、3 027.12 hm2。林地面積的增加，得益于重慶市城市森林工程以及大力實施的退耕還林等措施；建設(shè)用地面積由西南不斷向東、向北快速增長，主要源于城鎮(zhèn)化和產(chǎn)業(yè)化進程的加快，導(dǎo)致其需求量增大，特別是在2010年“兩江新區(qū)”設(shè)立后，其他地類均向建設(shè)用地轉(zhuǎn)化，建設(shè)用地面積增長迅速。總體上看，城鎮(zhèn)化和產(chǎn)業(yè)化進程的加快，加劇了對城鎮(zhèn)周邊農(nóng)田、水域的侵占及對未利用地的開發(fā)，因而農(nóng)田(耕地)、水域、未利用地面積明顯減少。

表3 重慶市渝北區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)及動態(tài)度變化

注：動態(tài)度根據(jù)式(1)計算得出。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化分析

3.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的時間變化分析 由表4可知，研究區(qū)2005年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值為291.95×107元，2010年為306.55×107元，2015年為293.75×107元，10年間增加了1.80×107元。其中2005—2010年重慶市渝北區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值從291.95×107元增加到306.55×107元，增加了 14.60×107元，渝北區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值的增加主要是源于生態(tài)價值較高的林地的增加；2015年渝北區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值又減少到293.75×107億元，較2010年減少12.80×107元，主要源于這一時間段內(nèi)經(jīng)濟的快速發(fā)展，其他土地類型都不同程度地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)化，使得渝北區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值又有所下降。總體來看，耕地與林地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值占整個系統(tǒng)的75%以上，是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的主體部分。2005—2015年，耕地面積減少4 202.50 hm2，生態(tài)服務(wù)價值減少5.92×107元；園地面積增加342.27 hm2，生態(tài)服務(wù)價值增加0.49×107元；林地面積增加3 027.12 hm2，生態(tài)服務(wù)價值增加13.49×107元；草地面積減少231.31 hm2，生態(tài)服務(wù)價值減少了0.34×107元；水域面積減少490.89 hm2，生態(tài)服務(wù)價值減少4.60×107元；未利用地面積減少 15 400.32 hm2，生態(tài)服務(wù)價值減少1.32×107元?？梢钥闯?，林地、耕地的生態(tài)價值變化在一定程度上決定了渝北區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化。

表4 重慶市渝北區(qū)2005—2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化

3.2.2 生態(tài)系統(tǒng)的空間變化分析 為了解重慶市渝北區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的空間變化情況，本研究根據(jù)渝北區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值計算結(jié)果，將渝北區(qū)24個鎮(zhèn)(街)合并為14個鎮(zhèn)(街)進行空間變化研究，并結(jié)合重慶市城市總體規(guī)劃將渝北區(qū)分為中心城區(qū)內(nèi)(玉峰山鎮(zhèn)、雙龍湖街道、回興街道、悅來街道、北部新區(qū)、龍溪-龍山-龍塔)、中心城區(qū)外(統(tǒng)景鎮(zhèn)、興隆鎮(zhèn)、木耳鎮(zhèn)、古路鎮(zhèn)、大盛-洛磧鎮(zhèn)、大灣-茨竹鎮(zhèn)、龍興-石船鎮(zhèn)、雙鳳橋街道)等2個區(qū)域，得到渝北區(qū)2005—2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的空間變化情況，見表5、圖3。

總體上看，渝北區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值由西南向東北增加，由中心城區(qū)內(nèi)向中心城區(qū)外增加，地區(qū)差異明顯。中心城區(qū)2005—2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值僅玉峰山鎮(zhèn)表現(xiàn)為增加，其他街道均呈減少趨勢，其中北部新區(qū)減少得最多，減少 10.27×107元，這主要是由于中心城區(qū)內(nèi)建設(shè)用地面積急劇增加，其他生態(tài)價值較高地類不斷減少造成。中心城區(qū)外除龍興-石船鎮(zhèn)、雙鳳橋街道外，其余鎮(zhèn)(街)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值均表現(xiàn)為增加，其中大灣-茨竹鎮(zhèn)增加得最多，增加5.03×107元，這主要是由于退耕還林政策使得林地等生態(tài)價值較高的地類面積增加，因而中心城區(qū)外生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值整體呈增加趨勢。此外2005—2010年年間渝北區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值僅雙鳳橋街道、回興街道、悅來街道、北部新區(qū)、龍溪-龍山-龍塔街道呈減少趨勢，2010—2015年年間僅興隆鎮(zhèn)、大灣-茨竹鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值呈增加趨勢。

3.3 敏感性分析

根據(jù)敏感性指數(shù)的計算方法，本研究把各土地類型的價值系數(shù)分別上、下調(diào)整50%，應(yīng)用調(diào)整后的價值系數(shù)對研究區(qū)總的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進行估算，得到研究區(qū)2005年、2010年、2015年的敏感性指數(shù)，見表6。

分析表明，價值系數(shù)調(diào)整±50%后，林地的敏感性指數(shù)最高，為0.52～0.58，耕地的敏感性指數(shù)次之，為0.20～0.23，表明林地和耕地對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的貢獻較大。其他地類的敏感性指數(shù)≤0.06，表明其他地類的敏感性變化對渝北區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值影響較小。敏感性指數(shù)的計算結(jié)果顯示，各土地利用類型敏感性指數(shù)在研究期內(nèi)保持平穩(wěn)，且敏感性指數(shù)均小于1。表明研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值對所采用的價值系數(shù)缺乏彈性，本研究所估算的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值可信。

3.4 生態(tài)經(jīng)濟協(xié)調(diào)度分析

對重慶市渝北區(qū)2005—2015年生態(tài)經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展狀況進行評估，在參考蘇飛等對-0.5

表5 重慶市渝北區(qū)2005—2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化 ×107元

注：由于一調(diào)、二調(diào)的統(tǒng)計口徑的差異，未將2010、2015年北部新區(qū)長江統(tǒng)計入內(nèi)，因此鎮(zhèn)(街)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)匯總價值不等于全區(qū)總價值。

表6 重慶市渝北區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的敏感性

4 結(jié)論與討論

本研究以2005年、2010年、2015年重慶市渝北區(qū)變更調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用Costanza等的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值估算方法[2]，結(jié)合謝高地的單位面積服務(wù)價值當量因子表[13]，對渝北區(qū)生態(tài)服務(wù)價值的變化進行評估。

表7 重慶市渝北區(qū)生態(tài)經(jīng)濟協(xié)調(diào)度

通過對渝北區(qū)土地利用變化分析發(fā)現(xiàn)，2005—2015年間，全區(qū)土地利用類型發(fā)生了明顯變化，建設(shè)用地面積持續(xù)增加，耕地、園地、林地面積先增加后減少，草地、水域、未利用地面積持續(xù)減少，各類土地利用類型的面積變化趨勢與土地利用動態(tài)度變化相一致。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市化進程的不斷加快，建設(shè)用地急劇膨脹，研究期內(nèi)渝北區(qū)主要土地利用類型由以耕地、林地為主向以耕地、建設(shè)用地為主轉(zhuǎn)變。

渝北區(qū)2005、2010、2015年的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值分別為291.95×107、306.55×107、293.75×107元，10年間生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值增加了1.80×107元。這主要是由于生態(tài)價值系數(shù)更高的林地增加所致。從生態(tài)系統(tǒng)服價值構(gòu)成來看，耕地、林地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值占整個系統(tǒng)的75%以上，是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的主體部分，對整個區(qū)域生態(tài)服務(wù)價值的變化起決定作用，因此，應(yīng)尤其注重對區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值較高的耕地、林地等地類的保護。

通過對各土地利用類型的敏感度分析得出，敏感性指數(shù)均小于1，但不同地類的敏感性指數(shù)差異較大，其中林地最大，未利用地最小，與渝北區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值的變化相契合，表明研究所選的生態(tài)價值系數(shù)較為合理，結(jié)果可信。

渝北區(qū)當前生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的增長速度低于經(jīng)濟增長速度，雖然在本研究期間渝北區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值有所增加，但生態(tài)經(jīng)濟協(xié)調(diào)度卻在不斷減小，其生態(tài)建設(shè)與經(jīng)濟發(fā)展已處于不協(xié)調(diào)的邊緣。區(qū)域土地資源實現(xiàn)合理有效利用是可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，因此，區(qū)域未來的發(fā)展必須加強對建設(shè)用地的合理控制，加大對林地、水域等生態(tài)用地的保護，努力促進生態(tài)建設(shè)與經(jīng)濟發(fā)展相協(xié)調(diào)。

本研究對2005—2015年年間研究區(qū)土地利用類型變化導(dǎo)致的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化的趨勢進行了探討，但忽略了建設(shè)用地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，建設(shè)用地等非自然類陸地生態(tài)系統(tǒng)類型的生態(tài)價值仍有待進一步研究。

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