基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平的臨港區(qū)域土地利用演變研究

， ，

(大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連 116024)

1 研究背景

土地利用變化是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要特征反映[1]。港口是水陸運(yùn)輸?shù)臉屑~，是港口城市的重要組成部分[2]，對(duì)臨港地區(qū)土地利用和生態(tài)演變具有深遠(yuǎn)影響。隨著城市化的推進(jìn)和港口功能的拓展，臨港地區(qū)已經(jīng)成為土地利用和生態(tài)系統(tǒng)功能變化最集中的區(qū)域之一[3]。在濱海地區(qū)，尤其是臨港地區(qū)土地資源日益緊張和生態(tài)環(huán)境不斷惡化的情況下，研究臨港區(qū)域土地利用演變規(guī)律，分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的變化，能夠?yàn)閮?yōu)化港口空間布局和臨港空間開(kāi)發(fā)提供有益參考。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于土地利用的研究已經(jīng)取得了大量成果。劉紀(jì)遠(yuǎn)等[4]基于土地利用/土地覆蓋(LUCC)對(duì)20世紀(jì)80年代末以來(lái)我國(guó)土地利用變化的基本特征和空間格局進(jìn)行了研究；吳紅霞等[5]利用地學(xué)信息圖譜方法分析阿克蘇灌區(qū)土地利用格局變化規(guī)律；賀秋華[6]分析了江蘇濱海地區(qū)LUCC變化及驅(qū)動(dòng)因素。土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生直接影響，崔朝偉等[7]對(duì)北京綠色空間生態(tài)服務(wù)功能進(jìn)行了評(píng)估；趙丹等[8]以淮北市為例研究了城市土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生的影響；Lin等[9]以廈門(mén)為例分析了城市空間擴(kuò)張對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和土地利用的影響；Peng等[1]以深圳為例將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和土地利用結(jié)合起來(lái)，對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平進(jìn)行評(píng)價(jià)。對(duì)于港口城市，港口的發(fā)展對(duì)區(qū)域土地利用和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響深遠(yuǎn)，但是關(guān)于這方面的研究還比較少。

從已有研究中可知，土地利用及土地覆蓋變化是影響生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和服務(wù)的重要因素，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平評(píng)價(jià)是研究?jī)烧哧P(guān)系的有效方法，能夠分析土地利用類(lèi)型、格局和強(qiáng)度產(chǎn)生的影響。所以本文基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平的方法來(lái)研究臨港地區(qū)土地利用演變規(guī)律，通過(guò)對(duì)大連市臨港地區(qū)的土地進(jìn)行分類(lèi)，分析1993—2014年臨港地區(qū)土地類(lèi)型面積變化和不同生態(tài)系統(tǒng)功能的服務(wù)水平變化情況，結(jié)合港口發(fā)展情況，分析港口發(fā)展對(duì)區(qū)域土地利用和生態(tài)功能的影響。

2 研究區(qū)域與方法

2.1 研究區(qū)域

大孤山地區(qū)擁有大窯灣港區(qū)、大孤山西港區(qū)、和尚島東西港區(qū)等大連港主要港區(qū)(見(jiàn)圖1中“一島三灣”核心港區(qū))，港口基礎(chǔ)設(shè)施和后方配套較為完善。截至2014年，港口已經(jīng)占據(jù)大孤山地區(qū)48.1%的岸線資源，是典型的港口主導(dǎo)下的濱?？臻g利用模式。近年來(lái)，大孤山地區(qū)生態(tài)環(huán)境和土地利用問(wèn)題逐步顯現(xiàn)。本文基于大孤山地區(qū)1993年、2000年、2007年和2014年4個(gè)時(shí)期的遙感影像(TM/ETM+，30 m×30 m)，提取歷年的土地利用變化數(shù)據(jù)，分析評(píng)價(jià)大孤山地區(qū)的土地資源變化和生態(tài)服務(wù)水平，總結(jié)港口建設(shè)與后方土地利用的關(guān)系，為臨港地區(qū)的合理開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。

圖1研究區(qū)域位置
Fig.1Locationofthestudyarea

2.2 土地分類(lèi)

參考我國(guó)土地利用分類(lèi)體系，考慮大孤山地區(qū)的實(shí)際情況，將研究區(qū)域土地利用類(lèi)型分為生態(tài)用地、建筑用地和未開(kāi)發(fā)用地3大類(lèi)，其中生態(tài)用地包括林地、農(nóng)田和水域等；建筑用地指人工硬化地表[8]；未開(kāi)發(fā)用地是向建設(shè)用地的過(guò)渡階段，能夠表現(xiàn)未來(lái)建設(shè)情況。本文先應(yīng)用最鄰近分類(lèi)器的方法，定義不同土地類(lèi)別的樣本和特征空間，采集樣本對(duì)象，完成初步的斑塊分類(lèi)。再應(yīng)用隸屬度函數(shù)法，分析調(diào)整不同土地類(lèi)型的特征范圍，包括不同波段值、歸一化水體指數(shù)(NDWI，式(1))、歸一化植被指數(shù)(NDVI，式(2))、歸一化建筑指數(shù)(NDBI，式(3))、坡度等，插入隸屬度函數(shù)，進(jìn)行分類(lèi)細(xì)化和改正，完成土地的分類(lèi)提取。

NDWI=(Band2-Band4)/(Band2+Band4);

(1)

NDVI=(Band4-Band3)/(Band4+Band3);

(2)

NDBI=(Band5-Band4)/(Band5+Band4)。

(3)

式中Band代表波段。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平是對(duì)生態(tài)系統(tǒng)提供支撐人類(lèi)生存發(fā)展的資源和環(huán)境的能力的評(píng)價(jià)[8,10]。本文按照式(4)計(jì)算研究區(qū)域不同生態(tài)功能的服務(wù)水平，參考謝高地等[11-12]、Hu等[13]關(guān)于單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量的研究，將單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值按照各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能中所有土地利用類(lèi)型的絕對(duì)值大小進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，統(tǒng)一為0～100之間的相對(duì)值，從而確定大連市不同土地類(lèi)型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平系數(shù)(見(jiàn)表1)，建筑用地的相對(duì)權(quán)重系數(shù)都取為0。

ESV=∑Ai×Rv,i

。

(4)

式中：ESV表示區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)總的服務(wù)水平(萬(wàn)元)；Ai表示不同土地利用類(lèi)型面積(m2)；Rv,i是不同土地利用類(lèi)型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平相對(duì)權(quán)重系數(shù)。

3 研究結(jié)果

3.1 土地利用變化

通過(guò)提取分析大孤山地區(qū)1993年、2000年、2007年、2014年的土地利用數(shù)據(jù)，得到4個(gè)時(shí)期土地利用類(lèi)型情況，如圖2所示。

圖2大孤山地區(qū)4個(gè)時(shí)期土地利用情況
Fig.2LandusepatternsinDagushanareabetween1993and2014

土地利用類(lèi)型面積變化見(jiàn)圖3。1993—2014年間，大孤山地區(qū)土地利用類(lèi)型變化較大，最為明顯的就是林地和建筑用地的變化，林地在1993年是大孤山地區(qū)面積最大的土地利用類(lèi)型，占比達(dá)到34.9%，隨后下降迅速，2014年大孤山地區(qū)最主要的土地利用類(lèi)型已經(jīng)變成建筑用地，占比達(dá)到60.6%。

表1 大連市不同土地類(lèi)型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平相對(duì)權(quán)重系數(shù)(每104m2)Table 1 Standardized equivalent weighting factor of ecosystem services value for each land type in Dalian

圖3大孤山地區(qū)土地利用類(lèi)型面積變化
Fig.3VariationsofareasoflandusetypesofDagushanarea

建筑用地：研究區(qū)域建筑用地面積持續(xù)快速增長(zhǎng)。大孤山建筑用地面積占比從1993年的32.8%增加到2014年的60.6%，年均增長(zhǎng)1.32%。

農(nóng)田：呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。大孤山地區(qū)農(nóng)田比例一直維持在20%以內(nèi)，同時(shí)穩(wěn)定下降，2014年已低至5.4%。

水域和林地面積都表現(xiàn)出下降趨勢(shì)。大孤山水域面積下降了65%；林地面積下降速度較快，面積減少44%，年均下降2.1%，但其中在2000—2007年之間出現(xiàn)階段性上升。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平變化

以土地分類(lèi)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)應(yīng)相應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平系數(shù)，計(jì)算得到大孤山地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平，發(fā)現(xiàn)各生態(tài)功能服務(wù)水平總值下降較快，從1993年的1 453.31萬(wàn)元下降到2014年的724.50萬(wàn)元，年均下降2.39%。4個(gè)時(shí)期的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平變化情況如圖4所示。由圖4可以看出，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平整體呈現(xiàn)快速下降趨勢(shì)。1993年生態(tài)多樣性、氣候調(diào)節(jié)和土壤保持是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平最高的功能，達(dá)到247.40萬(wàn)元、221.96萬(wàn)元和220.57萬(wàn)元；到2014年，服務(wù)水平最高的功能順序變?yōu)橥寥辣３?、生態(tài)多樣性和氣候調(diào)節(jié)，價(jià)值分別為131.86萬(wàn)元、126.43萬(wàn)元和123.85萬(wàn)元。

由圖4可見(jiàn)，生態(tài)多樣性、土壤保持、氣候調(diào)節(jié)、大氣調(diào)節(jié)、原材料這5種生態(tài)功能變化特征相似，在1993—2000年、2007—2014年這2個(gè)階段下降速度很快，尤其是2007—2014年間，分別下降了37.3%，29.6%，34.5%，35.8%，41.1%，2000—2007年間保持平穩(wěn)。食物生產(chǎn)、娛樂(lè)文化、水源涵養(yǎng)和廢物處理功能持續(xù)下降。

圖44個(gè)時(shí)期生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平變化情況
Fig.4Changesofecosystemservicesvaluesduring1993-2014

林地、農(nóng)田和水域等生態(tài)用地的減少是導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平下降的重要原因。大孤山地區(qū)除草地外，其他類(lèi)型的生態(tài)用地面積下降明顯，都不同程度地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄖ玫兀瑢?dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)9種功能下降，其中2000—2007年間受林地面積上升的影響，生態(tài)多樣性等功能服務(wù)水平出現(xiàn)小幅上升。廢物處理、水源涵養(yǎng)和娛樂(lè)文化是下降比例最大的3個(gè)服務(wù)功能，下降比例分別達(dá)到76.9%，73.5%，68.2%，水域面積下降了90.6%，但受水域面積影響最大的水源涵養(yǎng)功能只下降了73.5%，主要是因?yàn)榱值氐淖饔谩?/p>

林地是面積最大的生態(tài)用地類(lèi)型，且其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平高，一直是大孤山地區(qū)最重要的生態(tài)用地。盡管20 a間面積持續(xù)快速下降，但截至2014年，除了食物生產(chǎn)外，依然是其余8項(xiàng)功能中服務(wù)水平最高的用地類(lèi)型。

4 分析討論

4.1 土地利用空間格局變化

基于ArcGIS軟件技術(shù)，繪制1993—2014年大孤山地區(qū)土地利用類(lèi)型空間格局變化，見(jiàn)圖5。

圖54個(gè)時(shí)期土地利用類(lèi)型空間格局變化
Fig.5Spatialchangesoflandusetypesduring1993-2014

由圖5可以看出，隨著東部地區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄖ玫氐拿娣e增多，大孤山地區(qū)建筑用地中心在不斷向東移動(dòng)。西部地區(qū)是大連市城市中心和大連港老港區(qū)所在地，土地存量有限，未來(lái)發(fā)展也將主要以建筑用地的功能轉(zhuǎn)變?yōu)橹?，不?huì)出現(xiàn)建筑用地的大幅增加。與1993—2000年和2000—2007年變化分散的特征相比，2007—2014年建筑用地增加速度最快，且呈現(xiàn)在臨港和濱海地區(qū)集聚增加的趨勢(shì)?？傮w而言，大孤山地區(qū)建筑用地空間格局更加均勻和連片聚集，生態(tài)用地被割裂在地區(qū)邊緣。

4.2 港口影響

港口的發(fā)展是影響臨港地區(qū)土地利用和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平的重要因素。大孤山地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平持續(xù)下降，是因?yàn)樯鷳B(tài)用地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄖ玫兀劭诘慕ㄔO(shè)是導(dǎo)致建筑用地快速增加的主要原因。港口在大孤山地區(qū)岸線的占比從1993年的23.2%增加到2014年的48.1%，而大孤山地區(qū)的建筑用地也從32.8%增加到60.6%，幾乎是同步增長(zhǎng)，對(duì)兩者4 a的數(shù)據(jù)作相關(guān)性分析，相關(guān)性系數(shù)為0.982。從圖2并結(jié)合遙感影像分析可以發(fā)現(xiàn)，大部分港口的建設(shè)占用林地，港口岸線后方建設(shè)用地的范圍也呈現(xiàn)逐步擴(kuò)大的趨勢(shì)。

受到城市空間擴(kuò)張的影響，西部的港口功能逐步弱化，而大孤山東面的大窯灣港區(qū)發(fā)展較快，與此同時(shí)其后方的建筑用地面積快速增加，港口重心的東移和整個(gè)地區(qū)建筑用地的空間移動(dòng)趨勢(shì)一致。

大孤山地區(qū)在1993—2014年間港口建設(shè)和城市建設(shè)高速發(fā)展，建筑用地面積已經(jīng)占據(jù)到60.6%，生態(tài)用地面積明顯不足，且呈現(xiàn)破碎和邊緣化發(fā)展趨勢(shì)，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平快速降低。可以分析得出，未來(lái)容許大孤山地區(qū)建筑用地繼續(xù)擴(kuò)張的空間十分有限，同時(shí)需要面對(duì)生態(tài)環(huán)境的巨大壓力，港口建設(shè)和建筑用地增加的速度將迅速放緩，內(nèi)部用地結(jié)構(gòu)優(yōu)化將成為以后很長(zhǎng)一段時(shí)間港口和城市建設(shè)的主要手段。

5 結(jié) 論

本文以大連市大孤山地區(qū)為研究對(duì)象，運(yùn)用地理信息技術(shù)提取分析土地利用類(lèi)型變化，并基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平理論，計(jì)算各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的演變情況，評(píng)價(jià)臨港地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平，能夠?yàn)楦劭谥鲗?dǎo)下的濱?？臻g未來(lái)發(fā)展提供參考，得出以下主要結(jié)論：

(1)港口建設(shè)占用生態(tài)用地，港口主導(dǎo)型地區(qū)港口建設(shè)會(huì)推動(dòng)后方建筑用地不斷增加，港口岸線占比和建筑用地占比增長(zhǎng)速度相近，港口重心的移動(dòng)和臨港地區(qū)建筑用地空間移動(dòng)趨勢(shì)是一致的。

(2)林地是大孤山地區(qū)最重要的生態(tài)用地類(lèi)型，水源涵養(yǎng)和廢物處理是最弱的2項(xiàng)服務(wù)功能，未來(lái)要更加注重保護(hù)生態(tài)用地，尤其是林地和水域。

(3)地區(qū)發(fā)展初期通過(guò)占用生態(tài)用地，建筑用地面積增長(zhǎng)迅速，但受到生態(tài)環(huán)境和土地資源的限制，后期將主要通過(guò)內(nèi)部用地結(jié)構(gòu)優(yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。