城乡二元结构地区生态服务价值变化分析(7)
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【摘要】0 引 言城市在如今逐渐成为社会、经济、生态3种属性相结合的复合生态系统[1]。不断增长的城市边界和肆意的人类活动加重了各类用地之间的矛盾,对区
0 引 言城市在如今逐渐成为社会、经济、生态3种属性相结合的复合生态系统[1]。不断增长的城市边界和肆意的人类活动加重了各类用地之间的矛盾,对区域生态系统服务功能产生重大影响。土地利用变化是人类活动对环境影响最直接的表现,基于土地利用变化的生态系统服务价值估算是研究讨论区域生态现状变化的有效途径之一。生态系统服务是指人类能够从生态系统中获取的包括供给、调节、支持和文化服务的各种惠益[2],通过定量化生态系统服务价值ESV(ecosystem service value)研究生态系统的结构和功能,能对人类生存发展的基本条件提供参考[3]。近年来,生态系统服务价值分析成为生态学研究的热点,其中,以等[4]对全球生态系统服务价值进行了全面分类与评估;谢高地等[5,6]在的基础上,结合我国地理特点得出中国陆地生态系统单位面积生态服务价值当量表。此后,许多学者从不的空间尺度和土地利用类型开展了生态服务价值研究,姚成胜等[7]、张紫萍等[8]从省域尺度总结了大尺度范围下生态系统服务价值变化的驱动因素;张彩霞等[9]、杨柳英等[10]对典型人类活动区域进行了研究,发现了人类活动对区域生态系统服务价值变化的影响方式和规律;王飞等[11]、王克晓等[12]等则对特殊地貌区域生态系统服务价值进行了分析。如今更多的研究开始集中于城市,李峰等[13]、邵雪亚等[14]将区域城市化发展与生态系统服务变化进行分析,揭示了地区在城市化进程中土地利用变化与生态服务价值的关系。学界对区域内部生态系统服务价值变化的差异性也进行了深入研究,陈奕竹等[15]基于多期遥感数据,对湘西地区内部地形差异与生态系统服务价值的关系进行了探索,王红等[16]重点分析了陕南3市2期生态系统服务价值的时空变化特征。城乡二元结构是一种城市和农村社会经济并存的结构[17],是发展中国家典型发展结构[18],是一种典型的土地利用冲突形式,通常造成空间资源分配不均、土地开发效率低下、社会经济和生态发展失衡等问题[19]。在二元结构下,城市与乡镇发展不均衡,区域协调发展问题日益突出,土地资源整合成为解决城乡二元结构问题的重点。长久以来,作为最大的发展中国家,我国的发展政策与规划基本以城市为主体,乡镇发展滞后,主要表现为乡镇基础设施落后、土地资源配置不合理、生态环境保护不利等[20],加剧了区域二元结构问题。巴南区是重庆市主城区之一,具有典型的城乡二元结构,发达的中心城区与较为落后的乡镇地区并存,对比两个区域生态系统服务变化,相比于武汉城市圈[21]、长三角[22]等快速城市化地区的生态系统服务价值研究,以及南昌市[23]等慢城市化地区的总体研究,笔者更注重探讨典型城乡二元结构区域内部生态系统服务价值变化的异质性,并希望能通过研究展现此类区域发展过程中土地利用的不合理之处,为类似区域的研究提供参考基于此,笔者利用3S技术,以重庆市巴南区为例,通过长时间序列的3期遥感影像提取巴南区土地利用基础数据,进而研究巴南区二元结构下2类地区的土地利用类型的变化,分析土地利用变化背景下巴南区2区域的生态系统服务价值变化原因与趋势,通过对生态系统服务价值的定量化评估对区域土地资源进行整合,对区域生态环境进行评估,对巴南区土地利用规划、生态保护以及城乡二元结构地区的研究提供参考。1 研究区概况与数据来源1.1 研究区概况重庆市巴南区位于东经106°26′2″—106°59′53″、北纬29°7′44″—29°45′43″之间。幅员面积1 834.23 km2,辖有22个乡镇街道。丘陵地貌,地势南高北低,平均海拔603 m;日均气温18.7 ℃;年均总降水量1 000~1 200 mm,属亚热带湿润气候,四季分明,日照少,风力小,湿度大。巴南区2005年城市化率为62.90%,2015年城市化率为78.28%,城市化进程较快,二元结构突出,比较发达的城区与较为落后的乡镇并存,龙洲湾滨江片区、鹿角片区、环樵坪经济区等中心城区城镇化率较高,周围乡镇城市化率较低 数据来源图像数据资料分别来自于2005、2010年空间分辨率为30 m的Landsat TM5遥感图像,成像时间分别为2005年8月和2010年8月;2015年资料来自于空间分辨率为15 m的Landsat-8 OLI遥感图像,成像时间为2015年10月。对3期遥感图像进行了预处理和增强处理,采用面向对象的阈值分类方法,获取巴南区土地利用分类结果。运用kappa系数和混淆矩阵,对3期影像解译结果进行精度验证,3者的kappa系数分别为0.84(2005年)、0.86(2010年)、0.87(2015年),总体精度分别为90.12%(2005年),89.52%(2010年),93.56%(2015年),kappa指数均大于0.7,总体精度均大于85%,达到最低允许判别精度要求[24]。文献资料主要有巴南区统计年鉴(2005—2015年)、巴南区国民经济和社会发展统计公报(2005—2015年)、巴南区第2次土地调查资料。2 研究方法巴南区“四区一基地”、“一带三区”建设规划蓝皮书提出龙洲湾、环樵坪、麻柳等地区的优势发展战略。结合2015年巴南区各乡镇街道的城市化率,笔者对巴南区各地区发展现状进行综合考量,将研究区域划分为城镇化率较高的核心区CA(core area)与城镇化率较低的边缘区FA(fringe area),如图1。通过计算核心区、边缘区的3期土地利用类型变化面积和生态系统服务价值,对3个时期的两个区域进行定量分析、敏感性分析,以及生态系统服务价值动态分析,得到关于区域生态系统服务价值的现状结果以及未来发展建议。注:基于国家测绘计理信息局地图审图号为S(2019)080的标准地图制作,底图无修改。图1 巴南区核心区与边缘区Fig. 1 Core area and fringe area of Ba’nan 生态系统服务价值计算采用当量法计算各地类生态系统服务价值。结合巴南区土地利用类型面积与“中国陆地生态系统单位面积生态服务价值表”[5],运用生态服务价值公式[4]进行计算:αESV=At×VCt(1)式中:αESV表示区域的具体生态服务价值;VCt为某地类生态价值系数,元·hm-2·a-1;At为研究区某地类的面积 生态系统服务价值动态分析可视化区域生态系统服务价值动态变化趋势,可以直观的表达十年以来巴南区在空间尺度上的生态系统服务价值变化特征。笔者运用ArcGIS软件格网工具,获取研究区格网大小为100 m×100 m的3期地类数据。根据生态系统服务价值计算结果,将各土地利用类型生态系统服务价值效益分为6个等级,分别对3期土地利用分类格网数据中各地类赋予不同等级,将邻近2期数据进行叠加分析,获取区域生态系统服务价值变化趋势 敏感性指数敏感性指数CS(coefficient sensitivity)[25]指生态系统服务价值系数变动1%引起生态系统服务价值的变化情况,如果敏感性指数大于1,则表明ESV相对于VC是富有弹性的;比值越大,表明生态系统服务价值系数的准确性越关键。敏感性指数的计算如式(2):βCS=|[(αESV,d-αESV,t)/αESV,t]/[(VCdk-VCtk)/VCtk)]|(2)式中:k为某种土地利用类型;VC为某种土地利用类型生态价值系数;t、d分别表示初始的生态系统服务价值和生态系统服务价值系数调整后的价值;βCS表示区域土地利用类型的具体敏感性指数。3 研究结果3.1 土地利用类型变化趋势对巴南区3期遥感影像数据进行分类,依据第2次全国土地调查土地分类体系将每期影像数据分为6类(耕地、林地、建设用地、水域、草地、未利用地),在此基础上统计核心区和边缘区的各土地利用类型的面积。由表1可知,核心区林地面积先减后增,总体上增加69.84 km2,而耕地面积则先增后减,2005—2010年增加24.47 km2,2010—2015年大幅减少,共减少耕地154.63 km2。主要是前一时期国家农业政策提高了农民积极性,使得部分林地被开垦为耕地,后一时期重庆市全面实行退耕还林政策,对林地面积的增长起到关键作用;草地面积在4.05~7.57 km2之间小幅变动,水域总体上保持不变。边缘区草地面积在2005—2010年减少 7.25 km2,2010—2015年间增长至12.89 km2,增减幅度较大;由于严格实施保护耕地和基本农田政策,耕地面积在10年间保持在466.95 km2左右;林地面积呈现先增后减的趋势,这是由于后一时期建设用地大量占用林地所造成的;水域面积10年间逐渐增加,由5.80 km2增至13.55 km2,从三峡大坝蓄水情况来看,该地类的变化与实际情况较为吻合。两个地区的建设用地面积在原有基础上均有较大幅度增长,核心区与边缘区分别扩张1.74倍以及3.13倍,这与近年来巴南区快速的城镇化趋势相符;此外,两地区未利用地面积在10年间均有大幅减少,总量剩余4.92 km2,区域未利用地基本开发完毕。表1 土地利用分类结果Table 1 Land use classification results区域年份/年土地利用面积/ km2草地耕地建设用地林地水域未利用地总计边缘区(FA)..9525.. 150...2738.. 150... 150.33核心区(CA)............163.2 生态系统服务价值变化趋势参考文献[5]中国生态系统服务价值当量因子表,采用市场价值法对区域ESV进行计算。当量因子定义为1 hm2农田在全国年平均自然粮食产量水平下产生的经济价值,确定1个生态服务价值当量因子的经济价值量等于当年全国平均粮食单产市场价值的1/7。考虑到粮食价格时限性,笔者以巴南区2005—2015年年均粮食产量[26](5.52×103kg/hm2)及2015年粮食平均价格[27](4.78元/kg)为基准,确定巴南区1个生态服务价值当量因子的经济价值为3.77×103元/hm2。为统一量纲,将生态服务价值当量因子经济价值中的面积单位换算为km2,即3.77×105元/ km2。千年生态系统评估MA报告将生态系统服务分为调节、支持、供给服务和文化服务4个部分[22],并进一步细分为气候调节、气体调节、土壤形成与保护、水源涵养、生物多样性、废物处理、原材料、食物生产、娱乐文化9个服务。单位面积下,每类服务的生态系统服务价值即为该类服务在不同地类中的当量因子值与单个生态服务价值当量因子的经济价值的乘积。建设用地作为特殊的土地利用类型,主要考虑到人工建筑、基础设施等在水源涵养和废物处理方面对生态系统服务价值的影响,笔者根据文献[29]将建设用地能提供的废物处理服务的当量因子值设为-2.46,水源涵养服务当量因子值设为-7.55;结合文献[5]中国生态系统服务价值当量因子值,获取适用于巴南区的单位生态系统服务价值,结果如表2。表2 巴南区生态系统服务价值Table 2 Ecosystem service value of Ba’nan district元/(km2·a-1)生态系统服务类型单位生态系统服务价值耕地林地草地水域未利用地建设用地气体调节1.89×1051.32×1063.02×气候调节3.36×1051.02×1063.39×1051.73×水源涵养2.26×1051.21×1063.02×1057.68×1061.13×104-2.85×106土壤形成与保护5.51×1051.47×1067.35×1废物处理6.18×1054.94×1054.94×1056.86×-9.28×105生物多样性2.68×1051.23×1064.11×1059.39×1051.28×1050食物生产3.77×1053.77×1041.13×1053.77×原材料3.77×1049.80×1051.89×0娱乐文化3.77×1034.83×1051.51×1041.64×0总计2.61×1068.24×1062.73×1061.73×1071.58×105-3.77×106基于表2中巴南区单位生态系统服务价值与巴南区土地利用数据,计算核心区与边缘区两大区域的ESV,结果如表3。其中,贡献率为度量地类面积变化对区域αESV变化贡献程度的比值。结果表明,核心区在2005—2015年间,αESV先减后增,总体上基本不变; 2005—2010年有小幅下降,从24.53×108元减少至22.07×108元;2010—2015年小幅上升至25.03×108元。边缘区2005—2015年年间αESV先增后减,总体上αESV有大幅下降;2005—2010年αESV从63.2×108元增至67.08×108元,增加3.89×108元,增加率为6.16%;2010—2015年αESV大幅下降,αESV降至57.99×108元,降幅达到13.56%。表3 核心区以及边缘区生态系统服务价值及其变化Table 3 Ecosystem service value and its change of core and fringe area区域项目 年份/年生态服务价值耕地林地草地水域未利用地建设用地总计核心区(CA)总量/亿元αESV变化/亿元贡献率/%..—.—.—..002010—..00边缘区(FA)总量/亿元αESV变化/亿元贡献率/%..—.—.—.002010—.00林地的大量减少和建设用地的扩张导致核心区在205—2010年间αESV有小幅下降,两者αESV的变化占总αESV变化贡献率的66.99%;水域αESV有大幅上升,αESV变化贡献率达到 22.65%。核心区在2010—2015年间,林地αESV有大幅增加,但该区域城市化进程加快,建设用地αESV减少,抵消了部分林地αESV增加所带来的效益。边缘区在2005—2010年间林地αESV增加11.42%,同时水域αESV也有小幅增加,耕地αESV与建设用地αESV的降低遏制了总αESV的增长幅度。2010—2015年间,边缘区由于林地面积减少、建设用地不合理扩张,同时耕地侵蚀生物量相对较高的其他地类,降低了该区域的αESV。生态系统单项服务功能价值变化如图2,生态系统单项服务价值变化上,核心区水源涵养αESV及废物处理αESV在10年间有大幅度下降,食物生产αESV有小幅下降,其他单项服务的αESV均上升。边缘区十年内各单项服务αESV均有不同程度的下降;其中,水源涵养αESV降幅最大,气体调节αESV、生物多样性αESV和废物处理αESV的降幅其次。图2 生态服务功能变化Fig. 2 Change of ecological service 敏感性分析将各类土地利用类型的生态服务价值分别上下调整50%,观察ESV在调整前后的变化情况,如表4。核心区耕地、林地、水域βCS值处于1之间上下波动,表明耕地、林地、水域的VC变化对该区域的ESV产生的影响极不稳定;建设用地βCS呈上升趋势,表明该地类VC变化对该区域的ESV产生放大作用;草地与未利用地βCS值较小,说明两者βCS变化对该区域ESV影响极小。边缘区各地类βCS按照从大到小排序为林地、耕地、建筑用地、水域、草地和未利用地;该区域耕地与林地βCS同样表现出波动性,林地βCS处于2.67~2.91之间,林地的变化极大影响了该区域的ESV;建设用地βCS呈上升趋势,表现该地类的VC变化对该区域ESV产生放大作用;草地、水域、未利用地βCS值较小,对区域ESV影响极小。表4 生态系统服务价值敏感性指数Table 4 Sensitivity index of ecosystem services value区域年份/年 敏感性指数草地耕地建设用地林地水域未利用地边缘区(FA).核心区(CA).3.4 生态系统服务价值动态变化基于土地利用类型单位面积生态系统服务价值,对每个土地利用类型效益划定等级。通过各地类11种生态系统服务功能的服务价值总和,对每个地类的生态系统服务价值效益进行衡量。由表2可知巴南区6个地类的生态系统服务价值效益由水域到建设用地依次降低,其中水域的单位面积生态服务价值效益最高,效益等级为6,林地效益等级为5,草地效益等级为4,耕地效益等级为3,未利用地效益等级为2,建设用地效益等级为1,赋予不同地类效益等级后,基于3期土地利用分类结果进行生态系统服务价值动态分析,得到研究区生态系统服务价值动态变化结果,如图3。当某区域趋势值大于0时,说明该区域生态系统服务价值效益升高,土地单位面积所带来的生态系统服务价值高于前一时期,反之同理;当某区域趋势值等于0时,表明该区域生态系统服务价值效益没有变化。注:基于国家测绘计理信息局地图审图号为S(2019)080的标准地图制作,底图无修改。图3 生态系统服务价值动态变化Fig. 3 Dynamic change of ecosystem service value2005—2010年,核心区半数以上地区的趋势值保持不变,剩余地区中,趋势值小于0的地区多于趋势值大于0的地区,此外,表现为负值的区域中有约二分之一的趋势值小于-2;2010—2015年,半数以上地区趋势值不变,但趋势值大于0地区多于趋势值小于0的地区。边缘区的趋势值变化上,2005—2010年趋势值变化较小,趋势值发生变化的地区中,趋势值为负的地区与趋势值为正的地区面积差异小;2010—2015年,边缘区生态系统服务价值效益的等级变化明显,多数地区趋势值表现为负值。将核心区和边缘区进行对比论证。2个区域不同时期的效益等级变化表现出不同的发展态势:2005—2010年间,核心区趋势值整体上表现为负值,边缘区趋势值整体上表现为正值;2010-2015年间,核心区趋势值整体上表现为正值,边缘区趋势值整体上表现为负值。此外,在变化趋势上,核心区与边缘区在2010—2015年的趋势值变化率均大于2005—2010年的变化率 区域生态服务价值变化驱动力分析林地面积的变化促使核心区在10年间总αESV由减到增,其总αESV有小幅增长,原因主要是水域αESV和林地αESV的提升;边缘区10年间总αESV由增到减,主要原因是耕地、建设用地和林地面积变化,αESV减少的主要因素是林地面积快速下降和建设用地不合理扩张,及耕地面积增加的逆政策行为。因此,边缘区在扩张建设用地时应尽量避免破坏林地,积极植树育林,恢复林地,同时注意水资源的保护和利用,加强人工水利设施的建设力度。核心区各单项生态系统服务价值除水源涵养和废物处理外均有上升,边缘区各单项生态系统服务价值则有不同程度下降,调整各土地利用类型面积,合理配置区域土地利用类型,可促进区域单项αESV达到最佳状态。敏感性方面,核心区范围内的耕地、林地、水域βCS值围绕一定区间上下波动且βCS值均较大,反映出现阶段核心区的生态系统服务功能极不稳定,有关部门应采取措施,促使3类土地利用类型保持长时间稳定。生态系统服务价值动态变化趋势值能体现区域生态系统服务能力的变化情况。应特别关注核心区中南部生态系统服务能力持续恶化现象,采取相应防治措施;除中南部地区与西部小部分地区,核心区其他地区生态系统服务效益变化趋势向好发展;边缘区东南部10年间生态系统服务价值变化趋势由好转坏,林地退化是该区域生态环境恶化的主要原因,因此应采取必要的护林措施。核心区趋势值变化高于边缘区,高城镇化率使得城镇周围土地利用类型变化速度加快,导致区域生态系统服务效益变化,从而在生态系统服务价值变化上体现出较大波动性,应严格控制城镇化进程,引导区域生态系统服务能力稳定向好发展。边缘区生态系统服务能力由好转坏,核心区生态系统服务能力由坏转好,2个区域发展趋势不同,在对待2者的生态发展问题时要有的放矢。4 结 语笔者基于市场价值法,采用巴南区粮食产量对谢高地“中国生态系统单位面积生态系统服务价值当量”进行修正,使得修正后的当量因子适用于研究区,引入敏感性分析对研究结果进行验证,验证结果达标。同时,应用ArcGIS可视化区域生态系统服务价值动态变化特征,使得研究得以从空间上解释区域的生态服务价值动态变化情况,相比于传统的定量化研究,笔者对研究区域生态系统服务价值变化的表达更直观清晰。研究结果表明:1)生态系统服务价值定量评估方面,研究期内核心区生态服务价值小幅增长,由24.53亿元升至25.03亿元,边缘区生态服务价值大幅减少,由63.20亿元降至57.99亿元,边缘区在扩张建设用地时应避免破坏林地,积极植树育林,注意水资源的保护和利用,注重人工水利设施的建设。2)核心区与边缘区的单项生态服务功能变化不同,但水源涵养服务价值均呈下降态势合理配置区域土地利用类型,可促进区域单项ESV达到最佳状态。3)研究期内边缘区的生态系统服务功能效益先上升后下降,核心区则先下降后上升,应严格控制区域城镇化进程,在对待两者的生态发展问题时要有的放矢。由于数据的局限性,笔者忽略了区域园地生态系统服务价值的研究,在一定程度上影响了生态系统服务价值总量和动态变化趋势研究的准确性;另一方面,文章对特定区域下可能具有显著变化的生态系统服务如水源涵养、废物处理、生物多样性等的当量因子未进行深入研究,这将是接下来的研究重点之一。参考文献(References):[1] 马世骏,王如松. 社会—经济—自然复合生态系统 [J]. 生态学报, 1984, 4(1): l-9.MA Shijun, WANG social-economic-natural complex ecosystem [J].ActaEcologicaSinica, 1984, 4(1): 1-9.[2] 傅伯杰,田汉勤,陶福禄,等. 全球变化对生态系统服务的影响[J]. 中国基础科学,2017,19(6):14-18.FU Bojie, TIAN Hanqin, TAO Fulu, et al. 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文章来源:《环境工程》 网址: http://www.hjgczzs.cn/qikandaodu/2021/0205/436.html