城市土地利用变化对生态系统服务价值的影响——以柳州市为例

黎良财 ，邓 利 ，吴 锐

（1.北京林业大学 林学院，北京 100083； 2.广西生态工程职业技术学院，广西 柳州 545004；3.国家林业局调查规划设计院，北京 100714）

城市土地利用变化对生态系统服务价值的影响
——以柳州市为例

黎良财1,2，邓 利2，吴 锐3

（1.北京林业大学 林学院，北京 100083； 2.广西生态工程职业技术学院，广西 柳州 545004；3.国家林业局调查规划设计院，北京 100714）

以柳州市区为例，采用2000年、2010年ETM遥感影像，通过CART决策树分类方法，提取研究区土地利用信息，并根据Costanza提出的方法计算研究区生态系统服务价值，分析了土地利用变化情况及对生态系统服务价值的影响。结果表明：从2000年到2010年林地面积一直居于首位，耕地面积减少，耕地主要向林地和建设用地转变；林地和水域面积的增加，导致研究期内生态系统服务价值总体呈上升的趋势，年均增长率0.68%；从功能方面，水源涵养、土壤形成与保护等服务性功能的价值远大于原材料和食物生产的价值；从结构方面，林地占生态系统服务总价值的65% 以上。因此，在柳州市城市建设和产业发展的过程中应加强对林地的保护，以实现工业柳州的可持续发展。

城市土地利用；土地利用变化；生态系统服务价值；柳州市

土地是人类赖以生存和发展的物质基础。20世纪90年代以来，土地利用/土地覆被变化（Land Use/ Land Cover Change, LUCC）问题引起世界各国政府、国际组织和学者的普遍关注，国际科学联合会的国际地圈生物圈计划（IGBP）和国际社会科学联合会的全球环境变化人文因素计划（IHDP）联合将LUCC列为全球变化研究的核心问题之一[1-2]。生态系统服务指通过生态系统的结构、过程和功能直接或间接得到的生命支持产品和服务，可分为提供人们生活必需的生态系统产品和保证人类生活质量的生态功能两部分[3]。土地是各种陆地生态系统的载体，LUCC是人与自然交叉最为密切的环节，LUCC可以引起许多自然现象和生态过程的变化，对维持生态系统服务功能起着决定性作用[4-8]。因而研究LUCC背景下的区域生态系统服务价值(Ecosystem Services Value,ESV)变化具有重要意义。

本文选取了西南喀斯特典型地貌区的重要工业化城市柳州市作为研究对象，在3S技术的支持下，以遥感影像数据为主要信息源，分析了2000～2010年城市快速扩张期间各主要类型用地的变化情况以及对生态系统服务价值的影响，为将其纳入国民经济核算体系进行研究准备，以期促进自然资源开发的合理决策，避免损害生态系统服务的短期经济行为，为柳州市区域土地资源可持续利用和科学、有序发展提供决策参考。

1 研究区概况

柳州市位于广西壮族自治区中北部，地处北纬23°54′～ 26°03′，东经 108°32′～ 110° 28′之间，下辖4城区和6县，全市总面积18 686 hm2。柳州属于典型的喀斯特地貌，形成了“拔地奇峰画卷开”的山水特点，柳江穿越市区，把市区环绕成一个“U”字形半岛。柳州属中亚热带季风气候，影响柳州市的大气环流主要是季风环流，夏半年盛行偏南风，高温、高湿、多雨；冬半年盛行偏北风，寒冷、干燥、少雨。夏长冬短、雨热同季，光、温、水气候资源丰富。

柳州是我国西南地区的工业重镇、广西最大的制造业基地，也是我国中南、西南地区的交通枢纽。随着经济的持续快速发展，城镇化率不断提高，城镇及其周边地区土地利用迅速变化，城市的扩张面临着日益严重的“人口、资源与环境”问题。本文选择柳州市市本级为研究对象，行政区域包括柳北区、柳南区、城中区、鱼峰区，面积658 km2，2010年建成区面积约为135 km2，具体位置如图1所示。

图1 柳州市所在位置及Landsat ETM+影像Fig.1 Location and Landsat ETM+ image of Liuzhou city

2 材料与方法

2.1 数据源选择

本研究选取了两个时段（2000年、2010年）的Landsat7 ETM+晴空影像，共2景，轨道号为125～043，数据级别为Level 1T（L1T），L1T数据经过系统辐射校正和地面控制点几何校正，并且通过DEM进行了标准地形校正，地图投影为UTM，坐标系统为WGS84。成像时间分别为2000年11月6日（ETM, SLC-On）和2010年11月2日（ETM, SLC-Off），存储为tiff格式单波段灰度影像。辅助数据有柳州市行政区划矢量图层，Shapef i le格式；柳州市30 m分辨率数字高程模型，tiff格式。

2.2 土地利用信息提取

2.2.1 遥感图像预处理

所选用遥感数据中，由于2010年ETM影像机载扫描行校正器（ScanLinesCorrector，简称SLC）发生故障，导致获取的图像出现数据重叠和大约25%的数据丢失，因此首先需要采用SLCOff模型进行校正[9]。然后以柳州市区Shapef i le矢量图为掩膜，对两个时期影像进行裁切，得到研究区遥感影像。接着将遥感影像的DN值转换成对应像元的辐射亮度值，这是保持数据一致性和数据精度的重要基础。

2.2.2 影像特征波段构造

ETM多光谱影像由7个波段组成，虽然这7个波段具有丰富的光谱信息，但针对于城市土地利用分类所需的光谱特征而言还稍显不足，应从其他角度增加光谱信息。本文构造的波段有：植被指数NDVI，数字高程模型DEM，坡度slope，K-T变换生成的亮度、绿度、湿度分量等。通过特征波段构造新产生了6个波段，与原始的6个（除去热红外波段ETM6）多光谱波段叠加产生一个12波段的影像，能够更好地反映地物信息，对提高影像的分类精度具有一定的帮助。

2.2.3 CART决策树分类

以2007年8月国土资源部颁布执行的《土地利用现状分类》国家标准为依据[10]，结合柳州市土地利用的实际情况，同时兼顾遥感图像的地类可识别性，将国家标准的12个一级地类略做归并，可得到研究区的5个土地利用类型：耕地、林地、建设用地、水域、未利用地（包括开发用地）。

对柳州市5个土地利用类型进行野外样地调查，利用手持GPS记录野外样地的经纬度，并将样地叠加到遥感影像上，作为提取土地利用信息的训练样地。遥感影像的分类采用了CART（Classif i cation And Regression Trees）决策树方法，CART分类算法是由Breman L, Friedman J H和Olshen R A等在1984年提出的[11]。CART算法采用一种二分递归分割的技术，是将当前样本集分为两个子样本集，因此，CART算法生成的决策树是结构简洁的二叉树。对两期影像分类精度进行随机实地勘察验证，土地利用定性总体精度均超过95%。

2.3 土地利用变化分析

土地利用变化可用土地利用变化幅度和变化速度反映。土地利用变化幅度主要反映不同土地利用类型面积总量上的变化，可以清晰了解土地利用变化总体趋势。土地资源数量变化的速度可用土地利用动态度来表示，其可定量描述一定时间范围内某种土地利用类型的变化速度[12]，表达式见式（1）：

式中：K为研究时段某一土地利用类型的动态度，Ua、Ub分别为研究期始末某一土地利用类型的面积，T为研究时段，根据公式（1）计算出柳州市各土地利用类型的变化速度。

2.4 生态系统服务价值评估

利用Costanza等[3]提出的生态系统服务价值评估公式，可以计算出柳州市区域生态系统服务价值量，该公式见式（2）：

式中：ESV为研究区域所有生态系统的服务总价值（元）；k为研究区域土地利用类型的数目；Ak为研究区域第k种土地利用类型的面积；Vk为第k种土地利用类型单位面积的生态服务价值，单位：元 /(hm2·a)。

上式中，Vk的取值可根据谢高地等研究制定的中国不同陆地生态系统单位面积生态服务价值表[13]，结合农田生态系统价值的区域修正系数[14]，把每种土地利用类型与最接近的生态系统类型对应，建设用地取值为0[15-17]，最终可确定柳州市区域不同土地利用类型的单位面积生态服务价值表，见表1。

表1 柳州市各土地利用类型单位面积生态服务价值Table 1 Ecological services value coefficients of different land use in Liuzhou City [Yuan·(hm-2a-1)]

2.5 敏感性分析

生态系统价值敏感性指数（Coeff i cient of Sensitivity, CS）是为了验证生态系统类型对于土地利用类型的代表性以及生态服务价值系数的准确性而引入的[18]。该指数是指Vk变动1%引起ESV的变化情况，如果CS＞1，说明ESV相对于Vk是富有弹性的；如果CS＜1，则说明ESV是缺乏弹性的，比值越大，表明Vk的准确性越关键。本研究通过将各种土地利用类型的生态价值系数分别上下调整50%来计算CS，从而来说明ESV对Vk的敏感程度[19-20]。敏感性指数计算公式见（3）式：

式中：ESVi和ESVj分别代表调整前后的生态系统服务总价值，Vik和Vjk为研究区第K种土地利用类型调整前后的价值系数。

3 结果与分析

3.1 土地利用现状及动态度分析

对柳州市两期遥感影像分类后进行统计，得到各种土地利用类型的面积；并计算变化幅度、变化率和动态度，结果见表2。

由表2可知，柳州市各土地利用类型的面积依次是林地＞耕地＞建设用地＞水域＞未利用地，林地面积最大，为城市提供了良好的生态资源本底。从2000年～2010年，除耕地面积减少外，其余地类均增加，其中林地增加面积最多；按面积变化从大到小依次是耕地、林地、未利用地、水域和建设用地，分别占总变化面积的50.0%、20.23%、13.33%、13.10%和3.34%。从土地利用类型动态度指标来看，未利用地和水域的动态度为4.65%和4.23%，远高于其他土地利用类型；未利用地（主要是开发用地）的动态度高说明土地开发增长速度和潜力还十分巨大，而水域的面积大幅增加主要由于红花水利枢纽建成截流后，研究区河道水位上升所致。

表2 2000～2010年柳州市土地利用现状及变化特征†Table 2 Present land use and changing characteristics of Liuzhou city from 2000 to 2010

3.2 生态系统服务价值（ESV）变化

根据公式2，可计算出柳州市各生态系统服务价值（见表3）。从生态系统服务价值的构成来看，2000～2010年林地、耕地、水域的生态系统服务价值占总价值的99.5% 以上，是生态系统服务价值的主体部分。研究期内生态系统服务价值总体呈缓慢上升的趋势，年均增长率0.68%，其中生态系统服务价值增加最多的为水域和林地，净增422.57×105元和310.27×105元，主要因为河道水位上升导致水域面积增加和退耕还林政策的实施、果业种植的发展导致林地面积增加所致；服务价值减少来自耕地，净减237.61×105元，主要因为城市扩张和种植结构调整等带来的耕地面积减少；未利用地面积增加幅度虽然大于水域，但其单位面积生态服务价值较低，仅净增3.93×105元。

表3 2000～2010年柳州市生态系统服务价值变化Table 3 Change of ecosystem service values of Liuzhou city from 2000 to 2010

3.3 生态系统单项服务价值（ESV）变化

由表4可知，2000～2010年柳州市生态系统的食物生产价值下降，其余各项服务价值均有明显的上升，其中水源涵养和废物处理的服务价值量增加最多，分别为212.43×105元和129.42×105元。主要由于耕地面积减少导致了食物生产价值的下降，而同期林地和水域面积增加，且林地和水域的单位面积生态系统服务价值最高，导致水源涵养、废物处理、文化娱乐、生物多样性保护、原材料、气体调节等的生态系统服务价值增加。水源涵养、土壤形成与保护和废物处理在总生态服务功能价值中占较大比例，达到47.71%～49.11%，这与水域和林地强大的水源涵养功能及林地与耕地较强的土壤形成与保护能力有很大关系。

表4 2000～2010年柳州市生态系统各项服务功能价值变化Table 4 Change of ecosystem service function values of Liuzhou city from 2000 to 2010

2000～2010年，研究区内生态系统各项服务价值的结构顺序没有发生变化，按贡献率排序依次为水源涵养＞土壤形成与保护＞废物处理＞生物多样性保护＞气体调节＞气候调节＞原材料＞娱乐文化＞食物生产。原材料和食物生产贡献率均较小，分别为不大于8.15%和不大于3.25%，说明柳州市生态系统的服务性功能远大于生产性功能，且生产性功能有弱化的趋势。

3.4 敏感性分析

根据公式（3）给出的敏感性计算方法，将耕地、林地、水域和未利用地的单位面积生态价值系数分别上下调整50%，应用调整后的生态价值系数对研究区2000年和2010年的总服务价值进行了估算，最终得到研究区不同地类生态服务价值的比例情况和敏感性指数，结果见表5。区域生态系统服务总价值对生态价值系数的敏感性指数均小于1，这表明生态系统服务总价值对于采用的生态系统服务价值系数是缺乏弹性的，也证明了本研究估算的生态系统服务价值是可靠的。

表5 价值系数调整后生态系统总服务价值的变化及敏感性指数Table 5 Total ecosystem service value changes resulted from adjustments and sensitive indexes

4 结论与讨论

(1)从2000年～2010年柳州市林地面积一直居于首位，约占40%，各土地利用类型的面积依次是林地＞耕地＞建设用地＞水域＞未利用地。土地利用变化表现为，受退耕还林、种植结构调整和城市扩张等因素的驱动，耕地面积减少，其余地类均增加，耕地向林地和建设用地转变。未利用地的变化速度最快，动态度达4.65%。在未来的城市发展模式中，建议从外延式扩张向内涵式建设转变。

(2)从生态系统服务价值的构成来看，林地、耕地、水域的生态系统服务价值占总价值的99%以上，是生态系统服务价值的主体部分。研究期内生态系统服务价值总体呈缓慢上升的趋势，年均增长率0.68%，其中除耕地外其余土地利用类型的生态系统服务价值增加，增加最多的为水域和林地，其增量超过了耕地生态系统服务价值的减量。

(3)2000～2010年柳州市生态系统各项服务功能的价值贡献率没有发生变化。其中，水源涵养、土壤形成与保护和废物处理的联合贡献率达到47.71%～49.11%，而原材料和食物生产贡献率均不大于8.15%和3.25%，说明柳州市生态系统的服务性功能远大于生产性功能，各单项服务功能中只有食物生产价值减少，达到-13.5%，主要由耕地大面积减少引起。

(4)本研究对生态系统服务价值结果的准确性进行了敏感性评估，敏感性指数均＜1，且大部分接近于0，这说明本文选取的价值系数是比较合理的，本研究的结论也是比较可信的。

(5)但应指出，由于区域的差异性和生态系统的极度复杂性，本评估结果可能不尽准确，但将相同的标准应用到具体区域后，不同时间的价值变化趋势具有可比性，能够反映出研究区生态系统服务价值的变化情况以及存在的问题，从而为生态环境建设，土地开发利用与管理等提供科学依据。

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Effects of land use changes on ecosystem service values: a case study of Liuzhou city

LI Liang-cai1,2, DENG Li2, WU Rui3
(1. Forestry College, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China; 2. Guangxi College of Ecological Engineering Vocational and Technical, Liuzhou 545004, Guangxi, China; 3. Forest Inventory and Planning of Chinese Academy, State Forestry Administration,Beijing 100714, China)

Based on the data of Landsat ETM+ of Liuzhou City, the informations of land use were extracted by using classif i cation and regression trees method from 2000 to 2010. The ecosystem service values (ESV) were estimated with ESV computing formula, and the coeff i cients and the effects of land use changes on ESV were explored. The results show that from 2000 to 2010the forested area has been stood the fi rst on the list of all types land, the area of cultivated land has decreased largely and the cultivated land has mainly converted to forest and construction land; the total ecosystem services value of Liuzhou increased with the annual percent change of 0.68% as the area increases of forest land and waters. Among all ecosystem service functions, the water supply and soil formation and protection made the biggest contributions while the contribution rates of raw material and food production were smaller, which indicated that the service function was much larger than the productive function; from the structure of ecosystem service values, the forest lands were the main components with a contribution rate over 65%. In the course of city construction and industrial development in Liuzhou city, the forest land should be protected especially in order to achieve sustainable development of “Industrial Liuzhou City”.

urban land use; land use change；ecosystem service values; Liuzhou City

S771.8；F301.24；F062.2

A

1673-923X(2013)07-0102-05

2012-10-16

教育部高等学校博士学科点专项科研基金课题（20100014110002）；柳州市科技基金项目 (2009021603)

黎良财（1978-），男，湖北天门人，讲师，博士生，主要从事3S技术在森林资源及环境等方面的监测与评价；E-mail：llc100@163.com

吴 锐（1977-），男，四川南充人，工程师，主要从事森林资源、湿地等监测与评价；E-mail：viandy28@126.com

[本文编校：吴 毅]