城市土地利用变化对生态系统服务的影响——以淮北市为例

赵 丹，李 锋，王如松

(城市与区域生态国家重点实验室，中国科学院生态环境研究中心，北京 100085)

生态系统服务是指生态系统为维护人类社会的生产、消费、流通、还原和调控活动而提供有形或无形的自然产品、环境资源和生态公益能力，是生态系统的一种产出和功效［1-4］。土地利用是人与自然交叉最为密切的环节，土地利用/覆盖变化必然会引起自然生态系统结构和生态系统服务的变化［5］。资源型城市由于其粗放的经济增长方式和强烈的资源指向性，显著地改变了当地的土地利用结构，并对当地生态环境系统造成极大的损害［6］。然而，废弃的采煤区由于塌陷而形成的大面积的湿地，却会使矿区原本破坏的生态系统转化而提供新的生态系统服务。因此，深入研究资源型城市的土地利用结构及生态系统服务的时空变化，对于资源型城市的土地可持续利用和生态环境保护具有重要意义。

本文以资源枯竭型的典型城市——淮北市为研究对象，对1987—2007年间淮北市土地利用及生态系统服务价值的时空演变进行定量评价，以期为资源型城市的土地合理调控和管理提供一定的科学依据。

1 研究区概况

淮北市位于安徽省北部，东邻宿州市，南连怀远、蒙城，西与涡阳、河南永城市接壤，北与肖县、江苏徐州市毗邻。海拔20—40 m，南北长150 km，东西宽50 km。淮北市辖三区一县，总面积2740.91 km2。淮北市是我国大型煤炭生产基地之一，为国家经济建设做出重要的贡献，同时经过40多年的开采也引发了严重的环境污染、环境破坏、地质灾害等多种生态环境问题，造成巨大的经济损失。自1958年开采煤矿以来，淮北矿区总的地表沉陷影响面积为17233 hm2，地表沉陷积水面积为5620 hm2，截至2010年底，全市已累计塌陷土地达16667 hm2。

2 研究方法

城市土地利用变化对生态服务功能影响的研究越来越受到国内外学者们的关注。目前，主要的研究方法有生态系统评估法、典型相关分析法以及多元线性回归法等。其中，生态系统服务评估法能够定量地反映不同时期土地单项及综合生态服务功能的差异，有利于规划和决策者对土地生态系统服务更直观的认识和了解，广泛地应用于城市生态系统服务的评估和比较。

2.1 数据来源及地类划分

研究中使用的主要数据是淮北市1987、2000和2007年的土地利用矢量专题图，比例尺1∶50 000。为了便于分析，土地利用类型的划分以生态系统类型划分为基础，参考我国1984年土地利用分类体系将土地利用类型分为耕地、林地、水体和城镇用地四类，并归并为生态用地与建设用地两个一级分类［7］。其中，建设用地是指人工硬化地表，包括居民点、交通用地和工矿用地在内的建设用地，但居住用地中的绿地不包括在内。生态用地是维持城市生态平衡重要的用地类型，为城市人类活动提供重要的生态系统服务，主要包含农田、林地和水体。具体土地分类见表1。

表1 基于土地生态系统服务的土地利用分类［8］Table 1 Classification of land use based on land services

2.2 土地利用动态度

土地利用动态度分为单一土地利用动态度和综合土地利用动态度。单一土地利用动态度表示研究区一年内某种土地利用/土地覆盖类型的变化幅度，直接反映了研究区某种土地利用/覆盖类型变化速度的快慢［9］。其计算公式为

式中，Ua、Ub分别为研究初期与末期某一种土地利用类型的数量;T为研究时段。

综合土地利用动态度从总体上反映研究区一定时间范围内各土地利用/覆盖类型相互转化的剧烈程度［10］。其公式表示为:

式中，LUi为监测起始时间第i类土地利用类型面积;△LUi－j为监测时段第i类土地利用类型转化为非i类土地利用类型面积的绝对值;T为监测时段长度［5］。

2.3 城市土地生态服务功能价值估算

本文依据Costanza等［11］和谢高地等［12-13］的研究成果确定不同土地利用类型的生态系统服务价值系数(表2)，并结合谢高地对中国陆地系统提出的价值当量换算方法，确定了淮北市区不同土地利用类型单位面积的单一生态系统服务价值系数(表3)。

表2 中国陆地生态系统服务价值系数Table 2 Ecological service value per unit area of land ecosystem in China

表3 中国不同陆地生态系统单位面积的单一生态系统服务价值表 /(元·hm－2·a－1)Table 3 The single ecological service value per unit area of different ecosystem types

其中，农田参考农田生态系统单位面积生态系统服务价值，林地参考森林生态系统单位面积生态系统服务价值，水体对湿地、水体生态系统单位面积生态系统服务价值取平均，建设用地的生态系统服务价值为负，由生态用地价值的损失来计算。生态系统服务价值的计算公式:

式中，V为研究区生态系统总服务价值(万元);Ai为研究区第i种土地利用类型面积(hm2);Rv，i为研究区第i种土地利用类型的生态系统服务价值系数。

3 结果分析

3.1 土地利用动态变化

根据淮北市1987，2000和2007年3期土地利用图(图1)，并参照上表中土地利用二级分类，对不同土地利用类型进行归并，得到1987—2007年淮北市土地利用的面积变化及空间格局的差异。

图1 1987—2007年淮北市土地利用变化Fig.1 Land use pattern in Huaibei city during the period 1987—2007

表4结果表明:淮北市整体土地利用分布由1987年:农田＞林地＞建设用地＞水体，变化为2007年:农田＞建设用地＞林地＞水体。生态用地中农田所占的比例最大，林地次之，水体最少。1987—2007年间生态用地空间结构和面积发生剧烈变化，生态用地占市区面积的比例由91.45%降低至71.86%(图2)。由单一动态度指数计算结果可知，从1987至2000年，农田面积明显下降，而林地、水体和建设用地的面积呈不同程度的增加趋势，其中，建设用地面积增长最为迅速。从2000至2007年，林地和水体面积下降，而农田面积有所增加。建设用地总面积没有明显变化，但从图1可以看出其聚集度显著增加，市区正逐渐由生态用地为主的景观格局转变为以建设用地为主导的城市景观格局。总体而言，近20年来淮北市的综合土地利用动态度有所下降，反映出近期土地流转趋于平缓。

表4 1987—2007年土地利用变化率Table 4 Land use changes of Huaibei city between 1987 and 2007

3.2 生态服务价值动态演变

根据各类土地的面积以及单位面积土地的生态系统服务价值系数，计算得到淮北市不同时期土地生态系统服务的差异(表5)。

由表5可知，20a间，淮北市的生态系统服务的总价值呈现先增加后减少的变化趋势，2000年生态系统服务价值达最高值，为31.32亿元。由于1987—2000年间建设用地增加面积主要是农田的转化，而2000—2007年间建设用地增加的面积主要是林地的转化。因而，2000年和2007年建设用地的生态系统服务价值为负，分别由农田和林地价值的损失来计算。总体而言，淮北市土地生态系统服务在1987—2000年间，由于大量植树造林，生态服务有所提高，2000—2007年，由于城市的快速扩展，侵占大量林地和水体，导致生态系统服务价值的下降。

图2 不同时期淮北市建设用地和生态用地的差异Fig.2 Proportion change of ecological land and built-up area in Huaibei city from 1987，2000 to 2007

表5 淮北市不同土地利用类型的生态系统服务价值Table 5 Ecosystem service value of Huaibei city from 1987 to 2007

另外，根据表3对不同时期土地利用类型的单一生态系统服务价值分别进行核算，可以看出:除食物生产功能之外，2000年各种类型的生态系统服务均明显高于1987年和2007年。2000—2007年期间，城市急速扩展和不透水地面的铺设，使得生态用地面积显著减少，城市生态系统服务下降，而以废物处理和水源涵养功能退化最为严重。另外食物生产的生态系统服务的变化主要是由农田面积的改变而引起的。

4 讨论与结论

城市土地利用/覆被的变化将引发陆地生态系统结构和格局的变化，进而影响了水循环、生物地球化学循环、土壤更新等生态过程，导致城市生态系统服务的改变［14-16］。淮北市是一个因皖北地区煤炭开采而设立的新兴工业城市。从20世纪50年代开始闸河煤田开采煤矿至今，土地利用类型的变化使得淮北市矿区的生态系统服务发生变化。

生态用地(农田、林地和水体)是区域或城镇土地中以提供生态系统服务为主的土地利用类型，具有涵养水源、保持水土、净化空气、美化环境、休闲娱乐等重要生态功能［17-18］。1987—2007年间生态用地空间结构和面积发生剧烈变化，生态用地占市区面积的比例由91.45%降低至71.86%，进而显著影响了城市的生态系统服务和人居环境。由图3可知，1987年至2000年，由于煤矿开采，占用大面积的耕地，使得地表大面积下沉变成了荒滩洼地，致使大量农田失去，食物生产的生态系统服务显著下降。但与此同时，由于淮北特有的水文地质条件，促使塌陷地形成大面积的湿地，水体面积有所增加，加之退耕还林和人工造林等生态建设使林地面积显著增加，因而其他各项生态系统服务均明显提高。从2000至2007年，一方面由于经济利益驱动，盲目地砍伐森林、围湖造田、填湖盖楼等行为，使得林地和水体变为建设用地和裸地;另一方面，新城区建设也使得部分水体用地面积不断减少，导致生态系统服务总体下降，其中由林地和水体主要提供的涵养水源、废物处理、提供原材料、生物多样性维持等生态系统服务随其土地面积的减少而显著降低。因此，保育城市生态用地，加强城市生态基础设施建设，对于提高城市生态系统服务和改善城市人居环境具有重要意义。资源型城市的土地利用中更应当重视生态修复和生态建设，在资源开发利用的同时加强土地规划和管理，促进城市健康、可持续地发展。

本文将国内外学者们的陆地生态系统服务价值相结合，并结合谢高地对中国陆地系统提出的价值当量换算方法，确定了淮北市区不同土地利用类型单位面积的生态系统服务价值系数，其精确性还有待进一步提高。另外，本文应用生态服务功能的价值系数法对淮北市土地利用结构改变所导致的生态系统服务变化的经济价值评估，只是提供一个大致相对的数据，为领导和有关部门提供一个决策依据，但不能表征一些无法量化的生态服务功能的指标，因而并不能准确反映实际价值量。

通过1987、2000和2007年的土地利用变化对淮北市生态系统服务价值进行估算并分析了其变化特点，主要结论如下:

(1)从1987年到2007年，在20年间淮北市生态用地面积减少20%，而建设用地的面积则明显增加且聚集度显著增加，但总体土地利用类型的流转频率有所下降。

(2)在各项生态系统服务中，废物处理产生的价值最大，其次为土壤更新，两者之和约占总价值的40%，从1987年到2007年，生态系统服务价值总量呈现先增加后减少的变化趋势;从2000年到2007年，生态系统服务价值的减少以废物处理和水源涵养功能的退化最为严重。

(3)从空间上看，高服务价值的地区主要集中在淮北市南半部，农田和林地较为集中，而低服务价值的地区主要集中在淮北市主城区，建设用地聚集度高，生态用地面积显著减少。

图3 不同时段淮北市生态系统不同服务价值变化量Fig.3 Values of ecosystem services of Huaibei city from 1987 to 2007

(4)由于生态系统的复杂性和多样性，目前生态系统服务的评价方法还存在许多不完善之处。本文只是从空间和时间角度，探讨了城市土地利用变化对生态系统服务的影响，如何应用新的模型和技术对城市生态系统服务进行更精确的评价还需要深入研究。

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