城市土地开发强度变化的生态环境效应

赵亚莉　刘友兆　龙开胜

摘要

城市土地开发强度增长是一个城市建设用地不断扩张、城市人口不断集聚、城市经济不断发展的过程。这一过程中，城市各项活动从自然界索取物质和能量，并向环境排放废弃物，对生态环境产生影响或干扰。通过阐述城市土地开发强度变化与生态环境演化的关系，从资源消耗、污染物排放和生态系统服务价值3个方面构建生态环境效应的指标体系，并对2002-2011年我国省会城市土地开发强度变化的生态环境效应进行评价。结果表明：①城市土地开发强度变化对生态环境有显著影响，其中，资源消耗、污染物排放与城市土地开发强度正相关，生态系统服务价值与城市土地开发强度负相关；②城市土地开发强度变化的生态环境效应表现出明显的区域分异性，西部地区省会城市土地开发强度变化对生态环境的边际影响明显大于东、中部地区省会城市；③随着城市土地开发强度的变化，其生态环境效应变化的显著程度为：土地开发强度低于10%的城市>土地开发强度大于20%的城市>土地开发强度在10%至20%之间的城市，并且城市土地开发强度低于10%时，土地开发强度变化对生态环境的边际影响要大于土地开发强度高于10%的城市。研究结果刻画了城市土地开发强度增长过程中生态环境效应的变化路径，即随着城市土地开发强度由低到高的增长，生态环境效应指标发生先快速后慢速的变化，这也是在城市土地开发强度较低时就要强化生态环境保护的原因所在。今后，限制高开发强度城市土地的扩张，合理安排低开发强度城市的用地结构，提高生态资源利用效率，是我国生态环境可持续的必由之路。

关键词城市土地；土地开发强度；生态环境效应；固定效应模型；省会城市

中图分类号X37； X24文献标识码A文章编号1002-2104（2014）07-0023-07doi：103969/jissn1002-2104201407005

改革开放以来，我国工业化、城镇化快速发展给土地利用变化和生态环境带来巨大影响。目前，城市化与生态环境关系[1-3]、土地利用变化的生态环境效应[4-6]等受到学术界广泛关注，已有成果为探讨生态环境效应表征指标以及城市土地利用变化的生态环境效应奠定了基础。但这些文献主要以土地利用类型面积变化为研究对象，针对土地开发强度变化的较少。尽管也有研究从土地开发活动的广度、深度与频度的综合度量出发[7]，探讨了我国耕地资源开发强度演化特征[8]、区域开发强度与资源环境水平的耦合关系[9]等问题，关于城市土地开发强度变化及其生态环境效应的研究仍有待加强。按照全国主体功能区规划，在我国经济总量大、人口密集的地区，以一个区域建设空间占该区域总面积的比例所表征的土地开发强度较高且资源承载力已接近极限，合理控制土地开发强度，保护生态环境尤为必要。因此，本研究选择全国主体功能区规划采用的土地开发强度指标，在阐述城市土地开发强度与生态环境演化关系的基础上，构建生态环境效应指标体系并以省会城市为例收集数据，分析城市土地开发强度变化的生态环境效应特征，试图为生态环境保护提供参考依据。

1城市土地开发强度变化与生态环境演化的关系

城市土地开发强度受到城市经济增长、城市化水平、产业发展、土地规划管理政策等因素的综合影响[10-11]。城市土地开发强度的增长过程，就是一个城市建设用地不断扩张、人口不断集聚、经济总量不断增大的过程。这一过程中，城市各项活动从自然界索取物质和能量，并向环境排放废弃物，对生态环境产生影响或干扰。两者关系可以从以下层面加以认识：

首先，随着城市土地开发强度增加，大量自然资源被占用和消耗。一方面，耕地、绿地等生态用地转变为建设用地，城市原有的土地覆盖类型被钢筋混凝土和水泥地面替代，植被及其生长条件遭到破坏；另一方面，城市人口和产业扩张需要消耗大量水资源、电力、矿产能源以及其他生物性资源，特别是随着城市人均消费水平的提高，城市发展对各种生活与生产资料的需求会成倍增长。由于城市开发占用和损耗的资源一般具有不可再生性，城市土地开发强度变化将会减少可供开发利用的自然资源存量；其次，自然资源大量消耗又会导致废弃物排放增加。一般而言，废弃物排放与资源消耗量成正比。目前，城市人口活动与经济发展日益活跃，工业废水、废气、固体废弃物、生活污水、城市垃圾以及其他有害污染气体的持续不断排放，是生态环境恶化的重要根源。与之密切相关的环境净化能力却提升缓慢，区域生态空间不断萎缩，加之城市污染物排放对环境要素损害的积累性，城市过度开发利用带来的环境污染将超过生态环境容量，生态环境也会相应地发生不可逆转的变化，自然资源自我更新能力趋于微弱。进一步看，不同城市人类活动的深度和广度，以及不同地域的资源禀赋、经济社会发展条件与生态环境容量，决定了城市土地开发所能承受的资源消耗和环境污染水平，因而产生不同的生态环境效应。

综上分析，城市土地开发强度变化对生态环境的作用，可通过“自然资源消耗”和“污染物排放”得以体现，并最终导致生态资源短缺、环境污染与退化、生态系统服务价值降低等一系列问题，破坏生态系统平衡。图1具体描述了两者关系。

2研究指标选择与数据

2.1指标选择

城市土地开发强度指标（INT），采用城市建设用地占市区面积百分比表征，反映城市区域范围内土地总体开发利用水平，与《全国主体功能区规划》中土地开发强度内涵一致。

生态环境效应指标（E），已有研究中区域综合生态效应主要采用景观格局指数、生态环境指数、生态系统服务价值等指标表征[4-6，12]。结合已有研究成果，以及上文城市土地开发强度变化与生态环境关系的理论分析结果，生态资源消耗水平、污染物排放水平与生态系统服务价值变化反映了城市土地开发强度对生态环境的影响，本文采用这三个层次的指标反映生态环境效应。进一步考虑指标数据完整性和可取得性，具体指标选择如下：

（1）生态资源消耗水平（ER）。对于一个城市而言，其消耗的资源越多，对生态环境的压力也就越大。水、电资源是一个城市正常运转的基础，本研究采用地均用水量（ER1，104 t/km2）、地均用电量（ER2，104 kW·h/km2）表征资源消耗水平。

（2）污染物排放指标（EP）。一个城市污染物排放越多，对生态环境的影响就越大，生态环境恶化程度就越高。工业废弃物排放是城市的主要污染源，本研究选择工业废水、废气排放和固体废物产生量三个方面的指标衡量污染物排放水平（见表1）。

（3）生态系统服务价值（EV）。已有多数研究并不考虑城市建设用地的生态系统服务价值，实际上建设用地对生态系统整体服务价值产生重大影响[12-15]。本研究通过考察城市建设用地的生态系统服务价值，揭示城市土地开发强度变化的生态环境效应。生态系统服务价值计算公式为：

EV=∑Ai×Ri （1）

其中：EV为城市建设用地生态系统服务价值总和；Ai为第i类城市建设用地面积；Ri为第i类城市建设用地的生态系统服务价值系数。本文城市建设用地划分为城镇及工矿用地、城市绿地两大类，城镇及工矿用地生态系统服务价值系数为-5 372.1元·hm-2·a-1[14]；城市绿地生态系统服务价值系数为2 696元·hm-2·a-1[15]。城镇及工矿用地由《中国城市建设统计年鉴》中的居住用地、公共设施用地、工业用地、仓储用地、对外交通用地、道路广场用地、市政公用设施用地和特殊用地归并而来；城市绿地面积直接来源于《中国城市建设统计年鉴》的绿地面积。考虑各城市之间生态系统服务价值的可比性，下文采用地均生态系统服务价值为分析指标，记为EVS。

2.2数据来源及处理

由于2002年以前统计数据不完整，本研究拟探讨2002-2011年全国30个省会城市土地开发强度变化的生态环境效应（拉萨数据缺失较多、台港澳数据难以取得没有纳入）。数据来源上，城市建设用地面积、城市市区面积数据来源于《中国城市统计年鉴》（2003-2012）、《中国城市建设统计年鉴》（2002-2011）；分类型的城市建设用地面积来源于《中国城市建设统计年鉴》（2002-2011）。由于城市行政区划调整和不同年份统计口径变化的原因，个别城市土地面积在不同年份间差异较大，本研究对由于统计口径造成的异常数据，按照本年度城市土地面积不大于下一年度土地面积的原则对相关城市土地面积数据进行调整。非地均的生态资源消耗、污染物排放基础数据来源于《中国统计年鉴》（2003-2012）、《中国环境年鉴》（2003-2012）、《中国环境统计年鉴》（2003-2012）。所有“地均”指标均以城市市区面积为分母计算而来，这样能够更好地反映城市整体区域所承受的生态环境压力。

由于污染物排放指标（EP）数量较多、量纲也不一致，为减少指标数量便于聚焦，并考虑污染物排放指标具有时间和空间两个维度的特点，引入“全局主成分分析法（GPCA）”对污染物排放指标进行处理。污染物排放指标体系包含10a间30城市5个相同的指标所表达的生态环境变化信息，且每1a为1张单年份的数据表，10a共有10张表，将10 张单年份数据表按时序从上到下排列构成 1 个 30 ×5 ×10 的3维时序立体数据表（即全局数据表）。在此基础上，采用方差最大旋转法提取主成分，实施经典主成分分析。KMO和Bartlett球形检验结果显示，KMO值

达到0.788，主成分分析有意义。进一步提取特征根大于

1的2个主成分，其累积方差贡献率达到89.520%（见表2），判断污染物排放指标可归结为2个主成分，分别记为EPF1、EPF2。根据2个主成分不同年份得分，计算得出30个城市每年污染物排放水平的综合得分EPF，作为生态环境效应分析的基础数据。

3研究结果及分析

由上述数据来源和处理方法，得到2002-2011年我国省会城市生态资源消耗指标（ER1、ER2）和污染物排放水平（EPF）的具体数据；考虑生态系统服务价值变化的长期性和延续性，本研究仅计算各城市2002年、2005年、2008年、2011年地均生态系统服务价值（EVS），据此分析城市土地开发强度变化及其生态环境效应的特征和规律。

3.1城市土地开发强度变化及其生态环境效应总体特征

3.1.1城市土地开发强度及其生态环境效应变化趋势

2002-2011年，我国省会城市平均土地开发强度从9.16%增长到11.16%，总体上呈历年连续增长趋势（因城市行政区划调整引起土地开发强度机械性减少除外）。各省会城市之间土地开发强度差异明显，上海、石家庄、合肥、长沙、南昌等城市土地开发强度接近或者超过30%，乌鲁木齐、海口、南宁等城市则低于5%。在地域分布上，东部地区（京、津、冀、辽、沪、苏、浙、闽、鲁、粤、琼）、中部地区（晋、黑、吉、皖、赣、豫、鄂、湘）省会城市土地开发强度较高，多数超过10%；而西部地区（渝、川、桂、黔、滇、陕、甘、宁、青、新、内蒙古）城市土地开发强度较低，多数低于10%。随着城市土地开发强度的增长，多数城市生态资源消耗也在不断增长。2002-2011年间，我国省会城市地均用水量维持在13×104 t/km2-17×104 t/km2的水平，其中地均用水量增加的城市占60%；地均用电量则从389×104 kW·h/km2增长到649×104 kW·h/km2，其中地均用电量翻倍的城市占70%。污染物排放方面，石家庄、郑州、长沙等土地开发强度超过20%的城市，每年污染物排放水平的综合得分均较大，特别是石家庄市每年污染物排放水平的综合得分在6以上，远远高于其他城市；西部地区土地开发强度较小的城市污染物排放综合得分较低，多数城市小于0。与此同时，城市土地开发强度增长也导致城市单位面积土地上的生态系统服务价值不断减少。2002-2011年间，我国省会城市地均生态系统服务价值损失维持在3.45×104元km2·a-1至3.80×104元·km-2·a-1的水平。上海、石家庄、合肥、长沙等高土地开发强度城市地均生态系统服务价值损失更是超过10×104元·km-2·a-1。可以初步判断，城市土地开发强度变化的生态环境效应具有“城市土地开发强度越高，生态资源消耗数量和污染物排放数量越大，生态系统服务价值越低”的特征。

3.1.2城市土地开发强度与生态环境变化的相关性

为进一步探讨城市土地开发强度变化与其生态环境效应的关系，根据城市土地开发强度与生态环境效应指标的变化趋势，构建两者之间的线性关系模型，并采用2002-2011年全国30个省会城市的面板数据进行计量分析。设定模型表达式为：

E=α+β×INT+ε（2）

其中：E为生态环境效应指标，具体分析中用生态资源消耗、污染物排放、生态系统服务价值指标替换；INT为城市土地开发强度。α为常数项；β为估计系数，表示城市土地开发强度每变化1个单位，引起生态环境效应指标平均变化β个单位，反映了城市土地开发强度变化对生态环境的影响程度；ε为随机误差项。下文估计模型表达式均与此相同。由于各省会城市土地开发强度及生态资源消耗、污染物排放、生态系统服务价值等存在明显差异，估计模型设定固定效应模型并进行[WTBZ]GLS估计。为避免自相关影响，对D-W值不符合要求的模型作包含AR（1）项的回归估计，从而得到未包含AR（1）的模型I和包含AR（1）项的模型II，以便对模型效果进行对比（见表3）。

表3显示，所有模型Adj.R2均大于0.95，F值较大，且修正后的D-W值接近2，基本上消除了序列自相关，模型总体效果好。在修正后的模型II中，城市土地开发强度指标（INT）估计系数均通过1%的显著性水平检验，且在不考虑其他因素影响的条件下，城市土地开发强度每增长1%，地均用水量（ER1）相应地增长0.434个单位，地均用电量（ER2）增长32.320个单位，污染物排放水平（以100×EPF为因变量）增长0.973个单位，地均生态系统服务价值（EVS）则减少0.352个单位。由此可见，在全国省会城市总体层面上，城市土地开发强度与生态资源消耗指标（ER1、ER2）、污染物排放指标（EPF）显著正相关，与生态系统服务价值指标（EVS）显著负相关，这也验证了上文关于城市土地开发强度变化的生态环境效应特征的判断。

3.2按地域分区的生态环境效应结果及分析

按照我国东、中、西部地域分区，将全部省会城市分成3大组，然后分别进行模型估计（见表4）。表4显示，所有模型Adj.R2、F、D-W值均符合显著性检验要求，总体效果好。整体上，不同地域城市土地开发强度变化与生态资源消耗、污染物排放正相关，与生态系统服务价值负相关，与全国总体分析结果一致。

表4也表明，在不同区域模型中，城市土地开发强度指标（INT）估计系数大小及显著性水平存在差异。从模型估计系数大小来看，西部省会城市土地开发强度每增长1%，地均用水量、地均用电量、污染物排放水平（以100×EPF为因变量）、地均生态系统服务价值变化幅度分别为1.049个单位、24.912个单位、14.285个单位、-0.403个单位，要远远大于东、中部地区生态环境效应指标的变化幅度；从模型估计系数显著性看，东部、西部地区城市土地开发强度指标估计系数均在1%或者5%的水平下显著，中部地区以污染物排放为因变量的估计系数不显著。由此可见，城市土地开发强度变化的生态环境效应具有明显的区域分异性，西部地区省会城市土地开发强度变化对生态环境的影响显著大于东、中部地区省会城市。究其原因在于，东部和中部地区经济及城市化的快速发展，已经使

2地均用电量，EPF污染物排放水平，EVS地均生态系统服务价值。

其地均用水、用电量以及污染物排放和生态系统服务价值损失等指标处于较高的绝对值水平，在生态环境承载力有限的情况下，西部地区生态环境指标增长的空间无疑大于东、中部地区，并且最终体现在城市土地开发强度变化对生态环境的边际影响上。

3.3按土地开发强度水平分组的生态环境效应结果分析

按照各省会城市土地开发强度与全国省会城市平均土地开发强度（约10%）的关系，将全部省会城市划分土地开发强度低于10%、介于10%-20%、大于20%等3组。具体分组时，对跨分界点的城市按照就近原则归于某一组，即一个城市只能处于一个组，这样处理的目的是为了取得连续的面板数据便于模型估计，估计结果见表5。

2地均用电量，EPF污染物排放水平，EVS地均生态系统服务价值。

-0.425个单位，且各系数在1%的水平下显著。在其他两组中，随着城市土地开发强度的变化，其生态环境效应指标变化幅度不但小于开发强度小于10%的组，且土地开发强度大于20%的城市组以污染物排放水平（100×EPF）为因变量的估计系数不显著，土地开发强度介于10%-20%的城市组以地均用电量（ER2）和污染物排放水平（100×EPF）为因变量的估计系数均不显著。这表明，处于不同土地开发强度阶段的城市，其土地开发强度变化对生态环境的边际影响也不一样。这一结果刻画了城市土地开发强度变化的生态环境效应的变化路径，即随着城市土地开发强度由低到高的增长，生态环境效应指标发生先快速后慢速的变化。当城市土地开发强度大到一定程度后，其变化对生态环境效应指标的边际影响将越来越小，不过此时生态环境资源消耗、污染物排放以及生态系统服务价值减损均处于较高水平，生态环境系统平衡已经被破坏并恶化，也表明了在城市土地开发强度较低时就要强化生态环境保护的必要性。

4研究结论及启示

本文从理论和经验两个层面分析城市土地开发强度变化的生态环境效应，并以省会城市为例，论证了生态环境效应的整体特征、区域分异性和阶段性。主要研究结论及思考如下：

（1）城市土地开发强度变化带来明显的生态环境效应。2002-2011年全国30个省会城市生态环境指标数据也显示，城市土地开发强度越高，地均用水量、地均用电量、污染物排放水平相应地越高，地均生态系统服务价值则越低。计量分析进一步表明，城市生态资源消耗、污染物排放与城市土地开发强度显著正相关，生态系统服务价值与城市土地开发强度显著负相关。

（2）城市土地开发强度变化的生态环境效应具有区域分异性与阶段性。地域分区上，西部地区省会城市土地开发强度变化对生态环境的影响显著大于东、中部地区省会城市；土地开发强度水平分组上，城市土地开发强度低于10%时，土地开发强度变化对生态环境的边际影响要大于土地开发强度高于10%的城市。这一结论揭示了高土地开发强度城市的生态环境效应的形成路径，以及低强度开发地区、西部地区城市土地开发利用中也应特别关注其生态环境效应的原因。

（3）合理控制城市土地开发强度，限制高开发强度城市土地的扩张，合理安排低开发强度城市的用地结构，提高生态资源的利用效率，是未来我国生态环境可持续的必由之路。处于高开发强度的城市，生态环境承受巨大压力，已不适合进行建设用地扩张，需要充分利用存量建设用地，提高资源利用效率；土地开发强度较低的城市，则需要在建设用地规模扩大过程中合理安排绿地、湿地和水域等用地比例，形成合理的用地结构，避免开发强度增长过程中对生态环境造成不可逆转的损害。

（编辑：王爱萍）

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