上海临港新城开发对土地利用及生态系统服务价值的影响

马 凤，蔡永立

（华东师范大学 资源与环境科学学院 上海市城市化生态过程与生态恢复重点实验室，上海200062）

从1979至2010年我国城市化率实现了从18%到50%的快速增长[1].随之而来的城市用地快速扩张，对区域生态产生了重大影响；相关影响最直接的表现为土地利用变化，已成为全球生态环境研究的核心领域[2]，土地利用变化会在很大程度上改变生态系统的结构，导致生态系统功能的退化，对自然资源和能源的可持续利用形成严重威胁[3，4].

生态系统服务（Ecosystem Services）是指人类直接或间接从生态系统得到的效益，是人类生存和发展的物质基础和基本条件.20世纪90年代Daily等[5]和Costanza等[6]的研究极大地推动了生态系统功能价值评估研究.谢高地等[7]根据中国的实际情况，制定出了“中国陆地生态系统单位面积服务价值当量因子表”，得到了广泛的应用.但现有研究对生态系统服务价值的计算，往往使用统一的标准机械地应用在自然和社会条件相差很大的区域，而且以瞬时静态评估为主，与社会经济特征结合较少[3]，制约了研究结果在现实决策中的作用.

目前关于城市化过程对区域生态的研究集中于现有建成区扩张对土地利用和生态系统服务价值的影响[3，4，8]，对新城开发影响的研究还很少.而新城开发会改变所在区域的主导功能，从自然生态转变为承载密集人类活动，对区域生态的影响可能会更为剧烈，对其进行研究有重要的理论价值和意义.

以1994、2000和2006年3期遥感解译数据为基础，本文对上海临港新城中周边区域土地利用变化及利用强度进行了定量分析，改进了生态系统服务价值计算方法.在空间上，根据上海本地情况核准生态服务价值当量因子的经济价值量；在时间上，基于生态价值发展系数，将经济发展和生活水平的提高引起的支付意愿的变化作为影响因素纳入生态系统服务估值过程.本文在研究区域土地利用变化分析的基础上，发展了生态系统服务价值的计算方法，提出了切合区域实际情况、与社会经济发展相结合、适用于远期决策支持的综合生态系统服务评估方法，对研究土地利用与生态系统服务间的耦合机制，探索我国当前生态资源环境约束下的可持续发展路径有重要的理论价值和实践指导意义.

1 研究区域概况

临港新城位于上海南汇东南，长江与杭州湾交汇处，通过东海大桥与洋山深水港连接，并与上海浦东机场相邻，交通便利，地理位置优越.该地区气候属于北亚热带沿海季风气候区，春季温暖湿润，夏季炎热多雨、以东南风为主，秋季先湿后干，冬季寒冷干燥、以西北风为主[9]；地势平坦，土地高程平均为4.3m；湿地面积较大，沿海滩涂湿地和纵横交错的河流湖塘湿地形成了多样的水生植被群落，是上海市域生物多样性较高的地区之一.临港新城的前期规划研究始于1998年，2002年大量项目开始正式建设，2007年开始对规划编制进行优化完善[10].临港新城由主城区、重装备产业区、物流园区、主产业区、综合区五个功能区组成.规划辖区面积4.53×104Hm2，人口近6.0×105人.临港新城是上海国际航运中心建设的重要组成部分和核心功能区，在上海新一轮的发展中具有举足轻重的地位和作用，是未来上海中心城区的重要辅城.

2 研究方法

2.1 数据源

以上海市城市信息发展研究中心提供的1994年（5月）、2000年（3月）和2006年（7月）彩红外航空影像为信息源，精度为1m.在ArcGIS9.3环境下对各时期航空影像进行地理配准和几何精度校正，并进行影像拼接；通过目视解译与屏幕数字化相结合的技术手段得到研究区域土地利用矢量数据，经野外调查验证和校正后建立土地利用类型数据库.在此基础上合并和重分类，结合临港新城地区土地资源的性质和特点，将临港新城九四海堤西侧土地利用类型划分为耕地、园地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地等7大类.参考地面资料数据，通过抽样检验方法对分类结果进行kappa指数检验，结果分别是0.92（1994年），0.93（2000年），0.95（2006年），可满足本研究分析的需要.

2.2 土地利用动态度

土地利用变化率[8]是指研究区域内某种土地利用类型的数量变化情况，表达式:

单一土地利用动态度表达的是某研究区域一定时间范围内某种土地利用类型的数量变化情况，其表达式为[2]:

式（1）和（2）中，C为研究时段内某一土地利用类型的变化率，K为研究时段内某一土地利用类型的动态度，Ua、Ub分别为研究期初和研究期末某一种土地利用类型的数量，T为研究时段长.当T的单位设定为年时，K值就是该研究区域某一种土地利用类型的年平均变化率.

2.3 土地利用强度综合指数

土地利用强度主要反映土地利用的深度和广度，不仅反映土地本身在土地利用中的自然属性，也反映研究区域内人类开发利用土地的强度.根据樊玉山、刘纪远等提出的土地利用强度的综合分析方法[11]，将土地利用强度按照土地自然综合体在社会因素影响下的自然平衡状态（即把研究区域的各种土地利用类型按照利用程度）分为4级.通过每级土地利用类型在研究区域中所占的百分比乘以其分级指数进行加权求和，最后得到研究区域的土地利用强度综合指数值.表达式:

式（3）中LUD是研究区域土地利用强度综合指数；Li是研究区域内第i类土地利用类型的土地利用强度分级指数，其中，难利用地Li取值为1，林地、园地、草地和水域Li取值为2，耕地Li取值为3，建设用地Li取值为4；Ai是研究区域内第i类土地利用类型在区域内的面积百分比；n是土地利用强度分级数.

2.4 生态系统服务价值评价

2.4.1 生态系统服务价值当量因子和基准单价修正

考虑到研究区域的实际情况，基于Costanza[6]的生态系统服务价值计算方法，参考谢高地[7]等制定的中国陆地生态系统生态服务价值系数，结合上海地区的现状对单位生态系统服务价值当量因子（f为单位生态系统服务价值当量因子）表进行修订，由于上海耕地以水田地为主，考虑到该区域作物熟制为两年三熟，生态系统服务价值较高，将耕地生态服务价值系数定为全国的1.5倍.定义一个当量因子为全国1hm2平均产量的农田每年自然粮食产量的经济价值，相当于当年全国平均粮食单产市场价值的1／7.根据《上海市统计年鉴》，上海市1994～2006年平均粮食产量为6 532.81kg·hm－2，粮食单价以2006年上海市的平均价格为标准，根据在没有人力投入的自然粮食生态系统提供的经济价值是现有单位面积农田提供的食物生产服务经济价值的1／7，得出临港地区九四大堤西侧农田自然粮食产量的经济价值约为1 203.9元·hm－2.

表1 研究区域生态系统单位面积生态服务价值当量因子表Tab.1 Ecosystem service value unit area of the studied region

2.4.2 生态系统服务功能价值评估方法

以修正后的机制系数为基础，对临港新城生态系统服务价值进行评估，计算得出生态系统单位面积生态系统服务价值当量表（表1），其中林地与森林对应，耕地与农田对应，园地取森林和草地的平均值，未利用地对应难利用地，建设用地赋值为0.生态系统服务价值估算公式:

式（4），（5）中，ESV为生态系统服务总价值（元），Ak为土地利用类型k的面积（hm2），VCk为土地利用类型k的生态系统服务单价（元·hm－2·a－1），ESVf为生态系统服务功能f的总价值（元），VCfk为土地利用类型k的生态系统服务功能f的单价（元·hm－2·a－1）.

2.4.3 支付意愿发展调整

生态系统服务价值是一个动态、发展的概念，它随着社会经济和人民生活水平的发展而不断提高，可利用生态价值发展阶段系数对生态系统服务功能价值的评估结果进行调整，调整后的生态系统服务功能价值（AESV）根据式（6）计算公式:

式（6）中，ESV为生态系统服务总价值，l为生态价值发展阶段系数.生态服务价值发展阶段系数可根据（7）式计算:

式（7）中，l为与现实支付意愿有关的社会发展阶段系数；L为极富阶段的支付意愿，取值为1；e为自然对数；En为恩格尔系数[12].

2.5 敏感性指数

为验证生态系统类型对于土地利用类型的代表性以及生态价值系数的准确性，引入生态系统价值敏感性指数（CS）[13].该指数通过计算ESV对生态价值单价变化的响应来度量ESV对生态价值系数的敏感程度.CS的含义是指VC变动1%引起ESV的变化情况，CS＞1，说明ESV对VC是敏感的、富有弹性的；CS＜1，则说明ESV对VC是缺乏弹性的.比值越大，表明VC的准确性对估算的ESV就越关键.本文通过将各种土地利用类型的生态价值系数分别上调和下调50%来计算CS，从而来分析ESV对VC的敏感程度.计算公式如下:

式（8）中，ESV为生态系统服务总价值；VC为生态服务价值系数，i和j为最初价值系数和调整后价值系数；k为某种土地利用类型；CS为生态系统服务价值敏感度.

3 结果与分析

3.1 土地利用结构变化

临港新城区域土地利用类型以耕地为主，其次为水域和建设用地，三者面积之和超过研究区域的90%（见图1）.1994年，耕地面积比例为61.95%，水域面积比例为17.42%，建设用地面积比例为17.46%.2000年，耕地面积略有下降，比例为61.24%；水域和建设用地面积略有上升，分别为18.10%和17.57%.2006年，耕地面积急剧下降至53.52%；水域面积也下降了两个百分点，降至16.15%；而建设用地面积猛增至24.72%，几乎扩大为2000年的1.5倍.1994年和2000年，建设用地和水域面积相当，均不足研究区域面积的五分之一，但2006年建设用地面积已大幅超过水域，占整个研究区域面积的四分之一，说明新城开发过程中建设用地的扩张改变了研究区域的土地利用结构.

图1 1994～2006年研究区域土地利用结构变化Fig.1 Land use structures of the studied region during 1994—2006

1994～2006年，研究区域发生变化的面积达5 589.44hm2，占土地总面积的19.57%；耕地、水域和建设用地是研究区域主要的地类，也是面积变化最大的地类.表2和图2总结了研究区域土地利用变化的特征.整个时间段（1994～2006年），研究区域土地利用变化的总体趋势是:耕地、水域、未利用地减少，其中耕地减少最多；林地、园地、草地、建设用地增加，其中建设用地增加最多.具体来看，第一时间段（1994～2000年），耕地、林地、草地减少，园地和未利用地基本不变，水域和建设用地增加，其中耕地减少最多，减少了203.24hm2，减少率为1.15%，水域增加最多，增加了193.56hm2，增加率为3.89%；第二时间段（2000～2006年），与总体趋势相似，其中耕地减少2207.63hm2，减少率为12.62%，建设用地增加了2 041.47hm2，增加率为40.69%，水域减少了556.42hm2，减少率为10.76%.两个研究时段中，水域用地先增后减；这与刘富刚[14]对德州的研究结论相似；水域在前一时段增加，该时段发展水产养殖增加了水域面积，在后一时段减少，这与耕地的开垦和坑塘水面被填埋以及农田合理布局等有关.耕地是持续减少的，且耕地一直是研究区域面积减少最多的地类，主要转换为建设用地、水域和园地，与当地建成区的扩张以及发展水产养殖和果园有关.建设用地持续增加，在前一时段增加趋势不显著，但在后一时段成为面积增加最多的地类；这与2000年以后在研究区域各类建设项目开始大规模建设有关.

由于各地类变化受到研究初期面积基数的影响，研究区域土地利用动态度的总体情况是:整个时间段（1994～2006年），园地增加最快，动态度为18.25%，其次是草地，动态度为9.33%，未利用地减少最快，动态度为－7.08%，再次是耕地，动态度为－1.14%；第一时间段（1994～2000年），各地类动态度在±1.5%以内波动，相对来说，其中草地减少最快，动态度为－1.42%，建设用地增加最快，动态度为0.10%；第二时间段（2000～2006年），园地增加最快，动态度为36.50%，其次是草地，动态度为21.95%，未利用地减少最快，动态度为14.17%，再次是耕地，动态度为2.10%.这说明两个研究时段中，土地利用动态度是不同的，前一时段动态度整体很低，后一时段各地类动态度较高；在整个研究时段中，由于研究初期面积基数不同，虽然园地、草地、未利用地动态度较大，但变化的面积并不大，园地、草地分别增加了457.07，264.04hm2，未利用地减少了107.14hm2，虽然耕地、建设用地的动态度不大，但变化面积很大，其中耕地减少了2 410.86hm2，建设用地增加了2 072.57hm2.

图2 研究区域1994～2006年各土地利用比例及强度变化Fig.2 Ratio and strength of land－use in studied region from 1994，2001to 2006

表2 研究区域1994～2006年各土地利用类型面积变化率和动态度Tab.2 Change rate and dynamic degree of land－use areas of the studied region in 1994—2006

3.2 生态系统服务价值变化

根据公式（4）可计算出临港新城九四大堤西侧各类型土地的生态系统服务价值（表3，见第74页）.结果表明:构成研究区域生态系统服务价值的主要土地利用类型是水域，其次是耕地，两者价值之和占到总价值的90%以上；生态系统服务总价值前6年增加0.08亿元，变化率为1.56%，后6年减少0.46亿元，变化率为－8.81%，12年间ESV净减少0.38亿元，变化率为－7.39%，呈现前6年稳中有增、后6年减少的态势；这说明新城开发逆转了研究区域生态系统服务发展的趋势，对其造成了显著影响.

表3 1994～2006年研究区域生态系统服务价值变化Tab.3 Changes in ecosystem services value of studied region during 1994—2006

1994～2000年，水域面积增加193.56hm2，其生态系统服务价值增幅为3.89%.由于水域的生态价值系数最大，其面积的提高能显著提升整体生态系统服务价值，使其总价值由1994年的5.11亿元增加到2000年的5.19亿元.在此期间，草地的生态系统服务价值降幅最大，降幅为8.51%，减少了0.002亿元；耕地和林地有所减少，降幅分别为1.15%和0.23%.

2000～2006年，由于新城开发建设用地面积迅速增加，耕地和水域面积迅速减少；同时这两种用地类型具有较高的价值系数，使得生态系统服务总价值减少了0.58亿元.其中耕地是面积减少最多的土地类型，减少了2 207.62hm2，其损失的生态系统服务价值为0.3亿元；其次是水域，损失的生态系统服务价值为0.2亿元.在此期间，林地、园地和草地的面积有所增加，但由于其生态价值系数低于耕地和水域，其面积的增加不能补偿耕地和水域减少带来的生态系统服务总价值的减少.

结合两个时段各土地利用类型对生态系统服务价值的贡献以及前面对土地利用变化情况的分析，我们可以发现，由于生态系统服务价值系数存在差异且各地类变化面积不同，土地利用变化对生态系统服务价值的影响也存在差异，如1994～2006年间，虽然草地增加的面积是林地的三倍还多，但是草地的生态系统服务价值增加等于林地.总体来看，新城开发带来的土地利用变化对生态系统服务总价值产生了显著影响.

从图3所显示的生态系统各单项服务功能的价值量看，临港新城九四大堤西侧范围生态系统主要服务功能为水源涵养和废物处理，二者之和占生态系统服务总价值的一半以上.

图3 1994～2006年研究区域生态系统单项服务价值变化Fig.3 Changes in value of different ecosystem services of studied region during 1994—2006

1994～2000年，水源涵养、废物处理、生物多样性保护、娱乐文化等功能价值呈增加态势.其中水源涵养和娱乐文化功能价值增加最多，分别增加了3.15%和3.72%，共计0.06亿元；主要是水域生态服务价值当量中水源涵养和娱乐文化功能较强所导致.气体调节、气候调节、土壤形成与保护、食物生产和原材料等价值呈减少趋势，6年中分别减少了1.13%、0.74%、1.18%、1.07%和0.82%，原因是在此期间园地、草地和耕地面积均有所减少，提供木材、食物等的能力减少，气体、气候调节功能降低，导致相应的价值减少.

2000～2006年间，除原材料外其余八项服务价值均呈减少态势，生态系统服务总价值从5.19亿元减少到4.73亿元.其中废物处理价值减少最多；水源涵养次之，主要原因是在此期间水域面积大量减少，致使水源涵养和废物处理功能价值下降.该时段，原材料功能价值增长主要是由于园地面积的增加，但增长的原材料功能价值对研究区域生态系统服务总价值变化的贡献率仅为1.29%；研究区域的生态服务功能比较脆弱.

程琳等[15]对上海市生态系统服务进行了研究，从生态系统服务的结构上看，与本研究基本一致.但从生态系统服务的价值量来看，上海地区生态系统服务价值近年来有所增长；而本研究区域生态系统服务总价值却呈减少趋势.临港新城作为上海未来重点发展的三大新城之一，其建设与发展从一定程度上影响了周边区域生态环境和生态系统服务价值的提高；可见在新城建设中应对生态系统服务的维护和发展引起足够的重视并进行适宜的政策引导.

3.3 生态系统服务价值计算结果的调整

根据1994、2000、2006年的恩格尔系数En和公式（7）得到该地区发展阶段系数，将所得的系数分别代入公式（6）得到生态系统服务功能价值的调整值AESV，如表4所示，研究区域1994、2000和2006年的生态服务价值分别为5.11、5.19和4.73亿元，呈下降趋势；经生态服务价值系数调整后的生态服务功能的价值分别为1.25、1.66和2.14亿元.不同时期生态系统服务价值的变化反映了当地人支付意愿的变化，也反映了人们对生态系统服务的不同重视程度.对各类生态系统功能的支付意愿随着新城的开发而不断提高，不同开发阶段提高的幅度也不同.随着经济的发展，新城自然资源受到人类活动的干扰将会更加剧烈，而人们对于生态系统服务功能的支付意愿与当地自然资源的丰富程度并不协调，所以，在新城开发过程中一定要加强环境保护和生态可持续发展观念的宣传.通过引入生态服务价值发展阶段系数，将社会经济发展带来的支付意愿的改变纳入了生态服务价值的计算过程.这在社会经济水平发生改变的情况下，对提高生态环境决策的科学性有一定的参考价值，更有利于实现环境、经济和社会的和谐可持续发展.

表4 1994～2006年调整后的生态服务价值Tab.4 Adjusted ecosystem service values during 1994—2006

3.4 生态系统价值敏感性分析

根据敏感性指数的计算方法，把各类土地的生态价值当量分别上、下调整了50%，计算出研究区域1994、2000、2006年的敏感性指数，各种情况下，价值系数的敏感性指数CS都小于1，由高到低依次为水域、耕地、林地、园地、草地、未利用地，最低值为0.000 12，即当未利用地的生态价值系数增加1%时，总价值只增加0.000 12%；最高值为0.551 49，即当水域的生态价值系数增加1%时，总价值增加0.551 49%.这表明研究区域内ESV对于价值系数缺乏弹性，研究结果是可信的.

现有的关于城市化对土地利用和生态系统服务影响的研究多集中于已有建成区的扩张过程，对新城开发过程进行研究的案例还很少.本文以临港新城为典型案例，对其开发前后两个阶段的土地利用和生态系统服务价值的变化进行了系统的综合的多视角的分析，揭示了新城开发对周边区域生态产生的重要影响，是对现有研究的重要补充.研究发现1994～2000年和2000～2006年前后两个时间段，研究区域土地利用动态变化由缓慢到剧烈，利用强度由下降到升高，生态系统服务总价值先增后减；以此推断新城开发会显著加快建成区扩张的面积和速度，改变土地利用的格局和发展趋势，甚至逆转土地利用的强度和生态系统服务价值的发展趋势.

基于以上研究结果，我们建议在今后的发展和规划中，必须优化调整土地利用结构，控制建设用地规模，保护耕地和水域面积，努力提高林地、草地比重，保护自然生态过程和功能，促进区域生态安全和社会经济的持续健康发展.

在技术方法上，本文通过空间、时间因素的调整对生态系统服务价值的计算方法进行了改进，从实用性的角度进行了推进.但由于各研究区域自然生态社会经济条件的不同，在接下来的研究中应根据研究区域的实际情况继续提高谢高地等人价值当量表的本地化水平，改进估算结果的精确程度.此外，今后的研究应综合考虑环境、社会、经济和人类活动等多方面的因素，进一步完善生态系统服务价值评估方法，提高评估结果的可靠性、科学性，使其更好地服务于生态环境决策.

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