宜昌市城市边缘区土地生态效率及效益初探

李桂媛　郭　琦　杨凡星

(1. 三峡大学 鄂西山地城镇建设与发展三峡大学协同创新中心， 湖北 宜昌　443000； 2. 三峡大学 生物与制药学院， 湖北 宜昌　443002； 3. 三峡大学 土木与建筑学院， 湖北 宜昌　443002)



宜昌市城市边缘区土地生态效率及效益初探

李桂媛1，2，3郭琦2杨凡星3

(1. 三峡大学 鄂西山地城镇建设与发展三峡大学协同创新中心， 湖北 宜昌443000； 2. 三峡大学 生物与制药学院， 湖北 宜昌443002； 3. 三峡大学 土木与建筑学院， 湖北 宜昌443002)

摘要：以宜昌城市边缘区2000年、2005年、2010年和2015年遥感数据为基础，参考Costanza和谢高地的生态系统服务价值测算方法，对宜昌城市边缘区生态服务价值变化进行分析；并结合2015年宜昌市边缘区遥感数据，运用FRAGSTAS景观格局分析方法对其内土地景观格局指标进行分析．结果表明：在土地生态效益上，区域内4个时期所能提供的生态服务价值总量均大幅下降，呈恶性发展趋势；在土地利用格局上，区域内土地斑块分散且破碎，斑块面积小．说明交通及工矿用地对林地、草地等生态用地的侵占，导致了边缘区整体景观格局失衡．改善土地利用结构、优化景观格局，是提高宜昌城市边缘区生态价值和人居环境质量的重要保证．

关键词：宜昌城市边缘区；土地利用生态性；生态系统服务价值；景观格局指数

快速城镇化推动经济发展的同时，生态安全及生活品质也日益被关注和重视．城市边缘区作为城市的生态屏障，起到农产品输出、交通运输及生态涵养的功能．同时，城市边缘区也是城市和农村交替的复杂敏感地带，土地利用繁杂．城市的快速扩张导致生态用地被占用，一系列的生态问题逐渐威胁着整个城市的健康、生态和可持续发展[1]．对于土地利用的生态性研究主要体现在资源消耗、生态效率及生态效益三个方面，研究方法有生态足迹法、景观格局分析和生态服务价值评估等[2]．城市边缘区作为城市空间扩展的主要储备及城市生态涵养的重要补给，对其土地生态效率和生态效益的评估与预测，能够定量的分析城市空间扩展与生态保护之间的互动关系，指导城市空间有序扩展．本文首先对宜昌市城市边缘区2000年、2005年、2010年和2015年4个时期土地的生态效益进行评估，定量分析宜昌城市边缘区土地利用的现状生态问题及影响因素；再结合景观格局指数方法，以2015年宜昌市城市边缘区遥感数据为基础，分析边缘区土地的生态效率现状，为宜昌城市边缘区土地集约利用、生态过程良性循环提供指导依据和相关建议．

1研究对象

宜昌市作为长江经济节点城市和湖北省域副中心城市，近年来吸引大量企业进驻，社会经济发展和城市建设突飞猛进，原有的城市规模已无法满足需求．从建成区规划变化来看，其城市用地扩张模式是以中心城区为核心，以长江为纽带形成圈层式扩张．由于需配合经济及社会发展需求，城区的扩张模式快速且粗犷．在对生态循环需求思考欠缺的情况下，盲目以人工景观取代自然景观以满足建设需求，导致区域内生态问题频发，急需改善以配合其可持续发展．

随着城市空间的扩张，城市边缘区的范围在不断变化．分析之初需对宜昌城市边缘区进行范围界定．利用RS遥感影像提取出区域内各种数据源，运用GIS和Excel软件对数据进行处理和总结．采用信息熵法得出从中心城区至外围区域的熵值发生了两次突变．第一次从0～50区间变为50～65区间，而熵值60是在已有的研究中，对于反映用地类型从纯城市建设用地到边缘区多种用地类型交错的混合地带的变化界限[3]．因此城市边缘区内边界突变点的熵值取60；第二次突变熵值从50～65以上区间降至0～50区间，由于边缘区景观紊乱度较中心城区略高，所以城市边缘区的外边界熵值取值应比内边界取值高．因此，根据研究区域熵值的分布特点，确定65为外边界突变点的熵值．最后，根据内外边界熵值的确定，得到宜昌市城市边缘区范围(如图1所示)．

图1　宜昌市城市边缘区范围图

2研究方法及计算

2.1理论及方法

生态服务价值评估和景观格局指数，是不同层面的两种土地利用生态性研究方法．生态服务价值注重经济属性能定量分析各类用地所能提供的生态价值及总量；而景观格局指数注重土地斑块的自然属性．从自然和经济双重维度分析土地利用现状．

1)生态服务价值评估

生态效益最早由Hinterberger F和Stiller H[4]提出，指的是生态系统中各类物质要素，在对于满足人类生产和生活过程中发挥的作用．谢高地[5]等结合我国具体情况将Constanza[6]评价模型原本的17个类别修改划分为气候调节、气体调节等9类，得出适合我国陆地生态系统的单位面积生态服务价值当量表．本文参照已有研究成果，将土地类型分为林地、草地、耕地等8大类，并提取各用地类型的面积数据．

计算过程：生态系统服务价值量会因市场价格的波动而产生变化[7]，为了减少价格波动的影响，本文以2000年全国粮食的平均价格为标准，并根据区域内粮食作物的面积及产量，运用式(1)计算得出宜昌市农业用地生态服务价值纯收益为898.17元/hm2．

(1)

式中，i指作物种类；A指作物种植面积；Qi指i种作物总产量(t)；pi指i种作物全国均价(元/t)．

根据研究区域中土地利用类型情况，运用生态服务价值系数计算公式分别计算林地、耕地等用地类型生态服务价值系数．其中交通用地、居民点及工矿用地为建设用地，已有研究表明其生态服务价值可忽略不计[8]，因此取值为0．

(2)

其中，γi指i种生态系统内j种生态服务功能系数(元/hm2)；νij表示生态系统内j种生态服务功能相对于农田提供食物生产的生态服务功能；i表示生态系统类型；j指生态系统服务功能；Ea指单位农田提供生态服务的经济价值(元/hm2)．

将计算得出的生态服务价值系数结合宜昌市城市边缘区土地利用资料，运用生态服务价值计算公式进行估算，并将各年份计算结果汇总得到各类土地利用类型的生态系统服务价值总量．

(3)

式中，Ak指研究区域内k种土地利用类型总面积(hm2)；VCk指k种土地的单位面积生态服务价值量(元/hm2·a)．

2)景观格局指数法

景观指数是一种能高度浓缩景观格局信息的分析方法，并能够定量反映区域内景观结构及空间配置等方面的景观格局信息指标[9]．景观格局指数的指标种类众多且无统一分类标准，需根据研究所需选取适合的指标进行分析计算．本文根据景观生态学基本原理，结合区域特点，选取斑块数(NP)、边缘密度(ED)、斑块密度(PD)、斑块类型面积(CA)、斑块类型占景观面积比例(PLAND)、平均斑块面积(MPS)和聚集度指数(AI)7个指标，各类指标含义见表1．

表1　景观格局指数指标含义表

数据来源：经作者归纳整理

2.2计算结果

综合宜昌城市边缘区(2000、2005、2010、2015四个时期)各类用地的面积，并结合通过公式(1)～(3)计算得出的数据，整理见表2．

表2　宜昌市城市边缘区各类土地利用类型面积及生态系统服务价值总量表

数据来源：经作者归纳整理

基于前文对研究区域内各类用地面积的提取，此阶段直接将各类用地面积数据通过景观格局分析软件Fragstats3.4进行相关景观格局指数测算[10]，整理得到2015年宜昌市城市边缘区各类用地斑块景观格局指数表(见表3)．

表3　宜昌市城市边缘区各类用地斑块景观格局指数表

续表3　宜昌市城市边缘区各类用地斑块景观格局指数表

数据来源：经作者归纳整理

3研究区域生态效率及效益分析

3.1生态服务价值测算结果分析

宜昌城市边缘区各类用地随城市空间扩展而发生变化，如图2～3所示．

图2　各类土地利用类型面积变化图

图3　各类土地利用类型生态服务价值变化图

2000～2005年间，区内林地面积增长198.3%，耕地面积下降44.9%，而水域面积由57 hm2减少到24.23 hm2．工矿用地和农村居民点增长较缓，区内总生态服务价值由491.48万元增长到498.784万元；2005～2010年间，城镇建设用地、工矿和交通用地面积基本保持不变，林地面积略有所增加．而草地面积由29.65 hm2骤降至4.23 hm2，降低面积约85.7%．水域面积有所增加，并因水域斑块生态服务功能系数较高，能够提供的生态服务价值比其他斑块类型高，所以区域内生态服务价值总量为588.691万元，呈现出较大幅度增长；2010～2015年期间，城镇建设用地、工矿及交通用地面积涨幅分别为247%和101%．而区内草地面积下降至仅2.36 hm2，耕地、水域及未利用地面积也分别下降24.6%、12.8%、60.5%，生态服务价值总量呈下降趋势．

说明2000～2005年，由于退耕还林，林地面积得到增长，区内生态服务价值总量得到提高．开荒利用裸地等措施也一定程度上增加了整个区域的生态价值；2005～2010年，林地面积增长幅度虽因退耕还林速度放缓而降低，导致其生态服务价值上涨放缓．耕地与未利用地面积与其能提供的生态服务价值，与上期相比基本持平．水域斑块虽仅有小幅度增加，但因水域斑块能够提供的生态服务系数比其他斑块高出较多，因而其生态服务价值也比其他斑块高．故此，区域内生态服务价值总量持续增长；2010～2015年正值宜昌市“十二五”规划发展时期，随着快速城镇化及宜昌特大城市建设实施，城镇建设用地、工矿及交通用地面积激增，区域内草地、耕地及水域等生态功能用地被占用，导致区域生态服务价值总量持续下降．城市边缘区作为城市主要的生态涵养区，最为直接和快速的为城区提供生态环境净化等服务功能，但由于区域内生态服务价值总量大幅度下降，则在很大程度上对整个城市生态系统维持稳定及良性循环造成不良影响，从而导致其生态环境状况恶化且威胁其生态系统的生态安全．

3.2景观格局指数分析

结合2015年宜昌城市边缘区土地利用现状，具体从数量和面积特征、斑块分布特征两个方面进行分析．从土地斑块类型、数量特征可知(如图4所示)，宜昌城市边缘区内景观斑块类型以林地和耕地为主，建设用地次之，水域和未利用地斑块数量较少；耕地、城镇用地、交通及工矿用地，以及农村居民点斑块数量比其他斑块类型高出许多，草地斑块数量最低；在平均斑块面积方面(如图5所示)，区域内林地分布相对集中，斑块破碎程度最低．耕地、水域、城镇用地及交通工矿用地平均斑块面积次之，农村居民点及草地则较小；斑块密度方面(图5)，耕地斑块密度达到1.512块/hm2，农村居民点、城镇用地和交通及工矿用地斑块均较高．除草地和未利用地因整体面积较小而导致其斑块密度低外，林地及水域的斑块密度情况则验证了其他指标对其斑块大并集中等特征的描述；从斑块分布特征可知(图4)，水域和林地斑块聚集度较高，城镇用地和交通及工矿用地斑块次之，说明其斑块分布相对集中．农村居民点、耕地、未利用地和草地类型斑块分布较分散．

图4　各类斑块CA、NP、AI指数示意图

图5　各类斑块PD、MPS指数示意图

上述分析说明宜昌城市边缘区内，林地的景观格局较好；耕地虽斑块数量较多，但平均斑块面积较小．这是由于工业征地、交通干线分割所导致的耕地分散和减少，致使耕地总量不高；农村居民点斑块以分散的小型斑块为主，并逐渐转换为建设用地斑块，说明农村社区零散、混乱，且由于城镇化建设速度持续加快而被陆续被城镇用地取代；水域分布虽相对集中，但多以长江和水库等大型斑块为主，池塘、小溪等小型斑块较少，水土流失发生的几率逐渐增加；城镇建设用地及交通工矿用地斑块数量和聚集度均较高，但平均斑块的面积较小．说明边缘区工矿及交通用地选址较为不合理，多以小型厂房单独选址为主，并未集中布置．从而对区域内其他土地造成分割，进而导致土地生态效率降低．

4结语

“十二五”期间是宜昌市城市建设和经济高速发展的时期，城市边缘区承担了建成区扩张的任务．区域内城镇建设用地和工矿及交通用地的面积大幅增长，其他用地类型面积均呈下降趋势．林地、耕地、草地和水域等自然景观斑块出现分散和破碎的情况，且正逐渐被人工景观斑块侵蚀，区域内景观多样性下降并难以维持生态系统的良性循环．同时，随着自然景观用地面积的减少，不合理的土地利用导致区域内生态服务价值总量大幅降低，边缘区土地利用的生态问题逐渐明显．

但由于城市发展必要性，短期内无法通过恢复自然用地的方式提高区域内生态服务价值总量[11]．因此本文建议：通过生态规划使土地集约化、规模化，并从单纯性的保护转变为发展结合保护的模式，控制生态环境继续恶化的同时配合城市发展需要，达到优化边缘区土地利用的目的．对于破碎程度较高的斑块，建立生态廊道或通过植物布置将其合理串联，形成具有自我更新和恢复能力的良性循环系统；并在建设用地中建设绿道、公园等形式的绿色空间，提高居民生活质量的同时提高建设用地的生态价值．

城镇化是城市发展的必然选择，城镇化推进必然会对生态效益产生很大的影响．规划人员需结合土地生态效率及经济生态效益，对应解决相关问题，使区域内生态与经济建设相结合，达到可持续发展的状态．优化宜昌城市边缘区土地利用结构，提升区域生态效益，对促进宜昌城市健康、生态、舒适、宜居、可持续发展有着重要的参考价值．

参考文献：

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[责任编辑周文凯]

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.03.012

收稿日期：2016-03-24

基金项目：教育部人文社科研究规划基金“城市化背景下山地城镇生态安全格局与景观特色研究”(12YJA760029)

通信作者：李桂媛(1969-)，女，教授，硕士生导师，主要从事城乡规划及城镇生态景观设计与规划研究．E-mail：lgy@ctgu.edu.cn

中图分类号：TU983

文献标识码：A

文章编号：1672-948X(2016)03-0048-05

Research on Land Ecological Efficiency and Benefits of Fringe Area for Yichang City

Li Guiyuan1,2,3Guo Qi2Yang Fanxing3

(1. Collaborative Innovation Center for Mountainous Town Construction and Development of Western Hubei Province, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China; 2. College of Biotechnology & Pharmaceutical Engineering, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China; 3. College of Civil Engineering & Architecture, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

AbstractThe study aims at researching the change of ecosystem services value in Yichang city as the sample of the urban fringe area.With the method of ecosystem services value calculation of Costanza and Gaodi Xie by using the GIS technology, based on the remote sensing images in 2000, 2005, 2010, 2015. And Combined with the remote sensing images in 2015, the area change of landscape patterns is calculated and analyzed by the software FRAGSTAS. The results show that the amount of ecosystem service value has sharply fallen in land-using eco-efficiency. In land-using patterns, land patches are fragmented and broken; Plaque areas are small; which means the ecological land is seized by traffic and industrial land, so as to lead the landscape patterns of urban fringe area imbalanced. So improving the land-using structure and optimizing the landscape pattern are important guarantees for improving ecological value and quality of human settlement.

Keywordsurban fringe area for Yichang;land-using ecology;ecosystem service value;landscape pattern index