资源型城市生态服务价值与景观多样性关系研究

朱晓磊，张建军,2

(1.中国地质大学(北京)土地科学技术学院，北京 100083;2. 国土资源部土地整治重点实验室，北京100083)

资源型城市生态服务价值与景观多样性关系研究

朱晓磊1，张建军1,2

(1.中国地质大学(北京)土地科学技术学院，北京 100083;2. 国土资源部土地整治重点实验室，北京100083)

利用文献统计方法收集国内资源型城市研究案例23个，从中提取302个研究数据构成研究数据库，建立针对不同研究区生态服务价值的统一计量方法，并利用生态服务价值、反映生态系统分布均衡性的Shannon-Wiener多样性指数进行研究，最后基于不同生态系统服务功能展开土地利用优化研究。结果表明：①多样性指数高低并不能决定一个地区生态价值的高低，但多样性指数的变化程度与地均价值的波动性趋势相同；②按照生态系统分布均衡程度对研究区进行分类，只有少数地区处于生态系统分布较均衡状态，多数地区生态系统分布处于不均衡状态；③分类地区的平均价值高低可以表明当生态系统分布趋于均衡状态时，生态价值会呈提高的趋势, 但生态价值较高的生态系统会影响这一趋势; ④基于不同生态系统服务功能研究得出较优的生态型用地配置比例，以此为基础对不同研究区进行优化，结果显示随着资源型城市非生态型用地比例的增加，生态服务价值呈明显下降趋势。

资源型城市；生态服务价值；多样性指数；平衡性

0 引言

自Costanza在1997年对全球生态系统进行服务价值评估[1]之后，国内外学者对生态系统服务价值进行了大量研究[2-6]。生态系统服务价值是由生态系统多种多样的生态过程所形成的维持人类赖以生存的自然效用[1-2]，生态系统服务价值变化的实质就是景观格局动态变化的定量化反映和具体表现[7-8]，景观格局由于景观内部及外部因素不同尺度上的扰动而处于不断变化的状态[9-10]。随着人类活动的增强，自然景观与人文景观格局的变化日趋激烈，全球范围内城镇建设用地不断增加[11]，森林、草地和农田等生态用地不断被侵占，这种趋势不断改变自然环境，同时加速了人类生存环境的恶化。

资源型城市指以本地区矿产、石油、天然气等自然资源开采为主导产业的城市，与其他城市相比而言，第二产业的发展往往可以达到当地国民经济的50%～90%，这也是资源型城市区别于其他城市的重要特征。矿产资源的开采虽大力促进资源型城市的经济发展，但在矿产资源分布带及其周围形成污染严重的工业经济带，造成资源型地区严峻的生态问题，严重危害生态系统健康及其服务的提供[12-13]。因此，如何保持资源型地区土地的合理利用及可持续发展，成为现阶段资源型城市亟待解决的土地利用问题。

不同于其他城市的是，采矿用地造成的废弃采矿坑、废弃货场、土地塌陷等问题是资源型城市独有的环境问题，这不仅严重改变资源型城市的景观多样性，还会影响生态系统的各类服务功能，导致生态系统服务提供能力的衰减甚至停止，但目前国内学者少有针对多个资源型城市进行景观多样性与生态服务价值之间的关系研究。自20世纪70年代以来，国外景观生态学家提出一系列景观格局分析指数[14-17]，国内学者在20世纪90年代也较早的开展了景观格局指数的研究，例如对多样性指数的研究[18-20]。因此，本文尝试引入反映景观结构的Shannon-Wiener多样性指数[21]，针对国内多个不同资源型地区，进行景观多样性变化与生态系统服务提供之间的关系研究，并以不同生态服务功能的内部平衡状态为基础，进行土地利用结构优化研究，同时在此基础上分析资源型城市中工矿用地、建设用地等非生态型用地对生态服务价值的影响，以期为资源型城市土地利用提供合理化建议。

1 数据与方法

1.1 数据来源

为促进资源型城市可持续发展，推动资源型城市建设资源节约和环境友好型社会，2013年12月3日国务院颁布了《全国资源型城市可持续发展规划(2013～2020年)》，提出到2020年要基本解决资源枯竭型城市的历史遗留问题，基本完成资源型城市的转型任务[22]。因此，为获取研究数据，本文制定以下筛选条件：①研究地区为《全国资源型城市可持续发展规划(2013～2020年)》中列出的“262个资源型城市” ；②研究内容与生态系统服务价值相关。然后在中国知网(CNKI)中进行检索，最终得到参考文献23篇，共涉及23个研究区[23-45]。从收集到的23篇已有研究案例中，筛选出与生态系统服务价值与Shannon-Wiener多样性指数相关的数据共计302个变量，构成本文研究的基础数据库。

本文根据文献数据类型将统计文献分为三类：第一，土地利用分类中不包含园地的文献单独分为一类，共涉及12个研究区；第二，土地利用类型中包含交通用地的单独分为一类，共涉及4个研究区；第三，其余文献分为一类，共涉及7个研究区。具体分类见表1。

表1 研究区分类表

1.2 数据处理

第一，不同研究区评估方法不同，本文采用谢高地2007年不同生态系统单位面积服务价值表[3]进行价值修正；第二，一些文献并未对建设用地、工矿用地进行服务价值的估算，因此本文参照相关学者[23-25]处理方法对不同研究区服务价值进行修正；第三，部分研究区[42-45]将交通用地从建设用地中分离出来，本文参照其他19个研究区中土地利用分类方法，将其合并归入建设用地；第四，文中统计到的若干研究区[35-45]有园地的分布，因此本文参照相关学者处理方法[38,41,44]将园地单位面积服务价值取为林地和草地的平均值(表2)。

表2 不同生态系统单位面积服务价值表

1.3 研究方法

利用式(1)求取各地区的地均价值，利用式(2)求取各研究区起始时间点、终止时间点的相对变化率；Shannon-Wiener多样性指数计算方法参见式(3)，利用式(4)求取多样性指数的相对变化率。

(1)

(2)

H=-∑PilnPi

(3)

(4)

式中：式(1)中M代表各研究区的地均价值，TESV代表各研究区的生态系统服务总价值，TAREA代表从统计年鉴中获取的各研究区总面积；式(2)中，M代表地均价值起始时间点、终止时间点的变化率，M0代表起始时间点的地均价值，M1代表终止时间点的地均价值；式(3)中，H代表Shannon-Wiener多样性指数，Pi代表各研究区不同土地利用类型所占总面积的比率；式(4)中，H代表多样性指数起始时间点、终止时间点的变化率，H0代表起始时间点的多样性指数，H1代表终止时间点的多样性指数。

不同生态系统提供的各项生态系统服务能力并不相同，结合文中选取的23个资源型城市土地利用现状，本文认为未来的土地利用方向为既要考虑各生态系统分布比例的均衡性，又要注重不同生态系统内部功能的平衡性。因此，本文首先从生态系统分布均衡性角度进行价值差异化分析，再从生态系统内部出发，针对不同服务功能的平衡性进行研究，同时在建设用地、工矿用地、未利用地等非生态型用地生态系统服务提供能力较弱的情况下，仅针对生态型用地求取生态系统不同功能平衡状态时的各生态系统分布比例，在此基础上分析非生态型用地对生态服务价值的影响，为资源型城市土地利用提供借鉴。研究方法见式(5)、式(6)。

(5)

(6)

式中：ESVimax代表第i项生态系统服务功能中单位面积服务价值的最大值，文中将其值标准化为1；ESVij代表第i项生态系统服务功能中各生态系统单位面积服务价值；SCij代表标准化后的数值；TSCi代表单个生态系统标准化后数值相加的总和，PADi代表不同生态系统基于生态系统服务功能均衡化的分布比例。

2 结果分析

2.1 多样性指数与地均价值趋向性分析

利用式(2)及式(4)计算得出地均价值与多样性指数的相对变化，结果见图1。由图1可以看出，不同研研究区多样性指数变化与地均价值变化趋势并不一致。当多样性指数变化较大时，地均价值不一定会产生相应变化，例如山东济宁市2008年多样性指数相对于1987年变化了39.41%，地均价值仅产生了1.75%的变化。而多样性指数变化很小时也可以引起地均价值产生很大变化，例如朔州市多样性指数变化为0.11%，地均价值变化却达到11.64%。同时，从图1宝鸡至鸡西段可以看出，除山西朔州之外，当多样性指数变化程度较小时，地均价值产生的波动也较小，而随着多样性指数变化程度的增大，地均价值也会产生较强烈的波动。

为探究不同矿产资源类型的开采对研究结果的影响，文中将研究区分为金属矿产资源开采和非金属矿产资源开采两种类型，结果见表3。结合图1可知，不论是多样性指数变化较大的地区例如铜川、唐山、易县、济宁，还是多样性指数变化较小的其他地区，研究结果并未因开采资源类型不同产生显著变化，因此本文以下研究对此因素进行简化忽略处理。

表3 研究区资源型类分区表

为探究多样性指数高低对生态服务价值的影响程度，本文选取各研究区终止时间点数据，利用式(1)、式(3)计算得出多样性指数与地均价值关系图，从图2可以看出，随着多样性指数的增加，地均价值并未呈现规律性的变化，且当多样性指数处于同一水平时，不同研究区的生态服务价值差别明显。

图1 多样性指数与地均价值相对变化趋势

图2 多样性指数与地均价值关系图

结合数据库情况可以看出，这是由于研究区内部之间生态系统的分布差异造成的，因此本文从生态系统整体分布均衡性与生态系统内部功能平衡性两个角度进行进一步分析，从而更加合理的确定多样性指数与生态服务价值之间的相对关系。

2.2 多样性指数与地均价值关联分析

2.2.1 不同研究区关联性分类

文中参照生态系统分布制定以下分类原则：第一，当优势生态系统分布比例超过60%时，此地区生态系统分布处于不均衡状态；第二，当优势生态系统分布比例为40%～60%时，此地区生态系统分布处于较不均衡状态；第三，当优势生态系统分布比例不超过30%～40%时，此地区处于生态系统分布较均衡状态。在分类时选取时点为各研究区生态服务价值的评估终止时间点，原因如下：一是终止时间点代表了近几年土地利用的发展现状，可以更加准确的反映经济发展对生态系统产生的影响；二是利用终止时间点的评估结果可以为资源型城市的未来发展提出更加合理的建议。分类结果见表4。

表4 基于生态系统分布均衡程度的研究区分类表

2.2.2 整体分布均衡性分析

经计算得知，生态系统服务提供能力的大小顺序为较均衡区>较不均衡区>不均衡区。对于不均衡区，地均价值最高地区与最低地区分别为吉林通化市与河南禹州市，其中通化市林地生态系统分布面积为66.40%，禹州市耕地生态系统分布面积为69.22%，虽然两者生态系统分布均衡性相似，生态服务提供能力却差别很大，结合表2可知，这是由于林地单位面积服务价值为12 628.69元/(hm2·a)，远高于耕地的单位面积服务价值3 547.89元/(hm2·a)，从而使吉林省通化市整体地均价值高于河南省禹州市。对于较不均衡区，各研究区生态系统分布均衡程度高于不均衡区，其中陕西延安市地均价值为最高，这得益于延安市林地生态系统分布面积为51.30%，远高于其他生态系统的分布面积，而新疆和田市虽多样性指数高于其他地区，却由于单位面积服务价值较低的草地生态系统分布比例为52.59%使得整体服务价值处于最低状态。对于较均衡区，有些地区例如山东东营市、山西朔州市地均价值相较于不均衡区、较不均衡区较低，原因为各生态系统分布较均衡，单位面积服务价值较高的生态系统所占比例低于其他地类造成。

2.2.3 内部功能平衡性分析

不同于其他城市的是，资源型城市中采矿用地会对区域生态系统产生强烈扰动，一方面产生的环境问题如煤矸石和尾矿压占土地、废弃尾矿坑、地面塌陷等对景观多样性产生不可逆转的破坏，尤其在矿产资源集中开采地带植被破坏、土地沙化等土地利用问题非常严重；另一方面，资源型城市还面临资源开采枯竭后的城市转型问题，这不仅需要大量资金投入，矿产开采后废弃地的难以修复性还对修复技术有很高要求。以上所述环境问题在一般性城市中并不存在，因此，对于资源型城市而言，在采矿用地及相关建设用地难以利用、修复的情况下，对于其他生态型用地进行结构优化研究显得尤为迫切与重要。

文中统计研究区均从土地利用变化角度分析生态服务价值变化，并未发现从生态系统服务不同功能平衡角度出发进行分析，因此，在非生态型用地难以利用与修复的情况下，结合文中数据统计情况，在此将建设用地、工矿用地、未利用地归为非生态型用地，以此为基准进行土地利用优化结构研究，结果见表5。对于优化结果的合理性，文中基于23个研究区土地利用现状，利用多样性指数、地均价值进行土地结构优化结果验证，结果见图3、图4。由图3可知，优化后的多数研究区在多样性指数、地均价值方面均有所提升，说明表5优化结果的合理性。图4是在非生态型用地不变的基础上对生态型用地进行结构调整，并根据非生态型用地所占比例对各研究区进行排序，可以看出，随着非生态型用地的增加，生态服务价值呈下降趋势，说明非生态型用地对生态系统服务提供能力干扰强烈。

表5 基于不同生态系统服务功能的结构优化表

图3 优化后地均价值和多样性指数变化率

图4 不同生态服务功能平衡下非生态型用地增加对生态价值的影响

3 结论

本文统计了国内学者关于资源型城市生态系统服务价值的实际研究案例，通过一定方法建立生态系统服务价值的统一计量标准，进而分析案例中地均价值与Shannon-Wiener多样性指数的相对变化趋势与内在关系。经过研究，得出以下结论。

1)资源型城市特殊的土地利用引起的不同程度的景观多样性变化并不会相应的引起相同程度的生态系统服务价值的变化，这是由于不同研究区生态系统分布的不同方式所决定的，随着多样性指数变化程度的增大，地均价值波动性呈现增强的趋势。因此，为保持资源型城市的可持续发展，应适当调整资源型城市的生态系统配置，保持生态系统分布的合理性。

2)本文以生态系统分布均衡性为基准对国内23个资源型城市进行了均衡性分区，通过对不同分区进行差异化分析得知，随着研究区多样性指数即土地利用结构趋向更加合理的同时，地均价值会呈现逐渐升高的趋势。且当多样性指数相同时，地均价值也会有较大区别，原因为单位面积服务价值较高的生态系统对不同研究区生态服务能力提供有很大影响。而生态系统较均衡区，是近年来国内资源型城市中经济与生态发展较协调的地区，其生态经济发展方式可以作为其他资源型城市的借鉴。

3)不同于其他一般性城市，本文基于资源型城市采矿用地及相关建设用地对生态系统产生的破坏性及资源枯竭后的难以利用与修复性，利用不同生态系统服务功能平衡性对资源型城市中的生态型用地进行了结构优化研究，得出不同服务功能平衡状态时的生态系统分布比例，并利用Shannon-Wiener多样性指数与地均价值对结构优化结果进行了验证，表明了此结果的可行性。图4结果还表明随着资源型城市非生态用地的增加，生态系统服务提供能力显著下降。因此本文结果可以为资源型城市土地利用规划与调整提供指导。

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Study on relationships between ecosystem services and landscape diversity in Resource-based cities

ZHU Xiaolei1, ZHANG Jianjun1,2

(1. School of Land Science and Technology，China University of Geosciences (Beijing)，Beijing 100083，China; 2. Key Laboratory of Land Consolidation and Rehabilitation，Ministry of Land and Resources，Beijing 100083，China)

In this paper, 23 research cases of resource-based cities in China were collected by means of collecting the existing data, 302 research data were extracted to form research database, and unified measurement methods for ecosystem service values of different research areas were established, then using Ecosystem Service Values(ESVs) as well as the Shannon-Wiener Diversity Index (SHDI) which can reflect the balance of ecosystem distribution to do research on the basis of the database, and finally study on land use optimization under different ecosystem service functions. The results tell us that: ①The SHDI does not determine the ESVs of a region, but the trend of variation of the SHDI is the same as that of the ESVs’; ② We classify the 23 study areas according to the balance of ecosystem distribution and find that only 6 regions in a relatively balanced state while the remaining regions are not so much well; ③The average value of the classified areas shows that the ESVs tend to increase when the ecosystem is more balanced, however, ecosystems with higher ESV will affect this trend; ④ Based on the study of different ecosystem service functions, the optimum proportion of ecological land allocation is obtained, and it is found that with the increase of proportion of non-ecological land in the resource-based cities, the ESVs show a clear downward trend.

resource-based city; ecosystem service values; shannon-wiener diversity index; balance

2016-10-15

国家自然科学基金项目资助(编号：41571507；41101531)；北京高等学校青年英才计划项目资助(编号：YETP0639); 中央高校基本科研业务费专项资金项目资助

朱晓磊(1988-)，男，河北石家庄人，硕士研究生，研究方向为土地生态保护与可持续利用，E-mail: zhuxiaolei_cugb@163.com。

张建军(1982-)，男，副教授，博士生导师，主要从事土地利用与生态经济方面的教学与研究工作，E-mail: zhangjianjun_bj@126.com。

F407.1；X171

A

1004-4051(2017)02-0088-07