基于土地利用规划的西咸新区生态系统服务研究

蒙小波, 曹国良, 安文辉, 鱼智霞

西安建筑科技大学, 环境与市政工程学院, 西安 710055

基于土地利用规划的西咸新区生态系统服务研究

蒙小波, 曹国良, 安文辉, 鱼智霞

西安建筑科技大学, 环境与市政工程学院, 西安 710055

参照谢高地等人修正的单位面积生态系统服务价值当量, 结合区域实际情况对研究区生态系统服务价值系数进行调整, 利用西咸新区2011—2020年土地利用规划数据, 采用生态系统服务价值计算公式和敏感性分析, 对研究区生态系统服务价值进行了估算及分析。结果表明: 2010年到2020年, 西咸新区生态系统服务总价值呈不断下降趋势,生态系统服务价值总量减少了 4.5224亿元, 其中耕地和园地的贡献最大, 分别占减少总量的 41.5%和 37.4%; 通过生态系统服务价值敏感性分析, 生态系统服务价值对生态系统服务价值系数是缺乏弹性的, 研究结果可信。西咸新区土地利用规划(2011—2020)实施中, 其区域生态系统服务总价值为经济目标GDP总量的1.16%—2.35%, 生态价值损失是巨大的, 从可持续发展的观点来看, 以单纯经济增长为目的的土地利用结构调整是不可取的。

西咸新区; 土地利用规划; 生态系统服务价值; 敏感性分析

1 前言

土地利用是人与自然交叉最为密切的环节, 土地利用/覆盖(LUCC)变化必然会引起自然生态系统结构和功能的变化, 是生态系统服务功能变化的重要驱动力[1]。生态系统(Ecosystem)是人类生存发展的基础, 是无法代替的自然资源和自然资产。生态系统服务(Ecosystem Services)是人类从生态系统所获得的所有惠益, 通过生态系统的结构、过程和功能直接或间接得到的生产生活资料和赖以生存的生命支持服务, 其生态服务价值评估是生态红线划分、生态环境保护和生态补偿决策的重要依据和基础[2–3]。国内外对于生态系统服务价值的研究还没有统一的评估体系[4–7], 方法的不同也导致了研究结果的较大差异。目 前生态系统服务价值的研究主要分为两类, 即欧阳志云等[8–9]基于单位服务功能价格的方法(功能价值法)和 Costanza、谢高地等[10–11]基于单位面积价值当量因子的方法(当量因子法)。由于当量因子法较为直观易用, 数据需求少, 特别适用于区域生态服务价值的评估而被广泛应用[12–13]。在区域生态服务价值评估研究中, 大部分学者直接采用谢高地等人提出的生态系统单位面积的生态价值系数进行服务价值的估算, 忽略了区域的差异性[14–16]。

2014年西咸新区正式设立以来, 土地利用结构发生了显著变化, 生态系统类型及空间格局的变化导致区域生态系统服务受到影响。本文参照谢高地等人[17]修正的单位面积生态系统服务价值当量, 根据区域农田每年自然粮食产量的经济价值, 对不同生态系统单位生态面积生态服务价值系数做出调整,估算出西咸新区不同生态系统单位生态面积生态服务价值, 并对2010年—2020年的生态服务价值做出了评价及分析, 为区域土地资源可持续利用和生态环境保护与建设提供决策支持。

2 研究区概况

西咸新区地处关中平原, 介于东经 108°31′47″—108°58′19″, 北纬 34°10′15″—34°33′16″之间。土地总面积 882平方公里, 行政区划涉及西安、咸阳两市的7个县(区), 23个乡镇(街办)。区内自然气候属于温带大陆性季风气候, 年平均降水量为 600—700 mm, 年平均温度13.6 ℃, 年日照时数1983.4 h。北部为泾河冲击平原, 中部为泾河、渭河分水岭的黄土台塬和谷地, 南部为渭河冲击平原, 区内主要河流有渭河、泾河、沣河, 均属黄河水系。地势平坦, 土壤肥沃, 适合多种农作物生长。主要有小麦、玉米等, 果树以杏、桃、梨、苹果、樱桃等杂果为主。

3 研究方法

3.1 数据获取

本文采用的基本数据主要来源于西咸新区管委会提供的《西咸新区土地利用规划2011—2020》, 研究的数据主要包括 2010年—2020年的土地利用变化数据。根据研究需要, 将西咸新区土地利用类型主要分为六类: 耕地、园地、林地、牧草地、水域和建筑用地。

3.2 土地利用变化动态度

引进土地利用类型动态度(K)来描述规划区域内各类型土地的变化情况, 即研究区一定时间范围内某种土地利用类型数量的变化情况, 应用的公式为:

式中, Ua、Ub分别为研究初期及研究末期某一土地利用类型的数量; T为研究时段; 当T的时段设定为年时, K值即是该研究区域某种土地利用类型的年变化率[18]。

3.3 生态服务价值估算

采用谢高地等人修正的单位面积生态系统服务价值当量, 将生态系统服务概括为供给服务、调节服务、支持服务、文化服务 4个一级类型, 在一级类型之下进一步划分出食物生产、原料生产、水资源供给、气体调节、气候调节、净化环境、水文调节、土壤保持、维持养分循环、生物多样性、美学景观11 种二级类型[17](表1)。

参考谢高地等[11]的处理方法, 将西咸新区单位面积农田生态系统每年自然粮食产量的经济价值作为 1个标准当量因子的生态系统服务价值量。以2003—2013年西安市平均粮食产量为该研究区基准单产, 粮食单价按2009—2013年陕西省粮食平均价格计算, 考虑在没有人力投入的自然生态系统提供的经济价值是现有单位面积农田提供的食物生产服务经济价值的 1/7[19]。结合该地区的实际情况,对农田生态系统的食物生产每单位面积服务价值估计如下:

式中, Ea为单位面积农田提供食物生产服务功能的经济价值[元·(hm2·a)–1]; i为作物种类; mi为 i种粮食作物面积(hm2); pi为i种作物平均价格(元/t); qi为i种粮食作物单产(t·hm–2); M为n种粮食作物总面积(hm2)。西咸新区主要粮食作物为小麦和玉米, 其价格按照近5年陕西省粮食平均价格 2252.6、1982元·t–1计算;粮食作物单产按照4.49、5.24 t·hm–2计算。依据《西安市统计年鉴2014》[20]。

表1 单位面积生态系统服务价值当量Tab. 1 Ecosystem service equivalent value per unit area

由公式(2)得出研究区单位面积农田生态系统的食物生产服务价值为2928.55元·hm–2, 利用公式(3)计算西咸新区各生态系统单位面积的价值系数VC(表2)。

式中: VCij为第i种土地利用类型第j种生态服务的价值系数[元·(hm2·a)–1]; fij表示第 i 种土地利用类型第j种生态服务的价值当量因子。

区域生态系统服务总价值计算模式:

式中: ESV为区域生态系统服务总价值(元), VCi为第 i类生态系统的单位面积生态系统服务功能价值(元·hm–2), Ai为第 i类生态系统的分布面积(hm2)。

3.4 生态服务价值演变敏感性分析

敏感性指数(CS)的计算公式如下:

表2 西咸新区不同生态系统单位生态面积生态服务价值 [元·(hm2·a)1]Tab. 2 Xixian New Area ecosystem services value unit area of different ecosystem types [yuan·(hm2·a)–1]

式中: ESV为总生态服务价值; VC为生态价值系数;K为各土地利用类型; i和j代表初始价值和生态价值系数调整后的总价值。结果CS>1表示ESV相对VC富有弹性; CS＜1表示ESV相对VC缺乏弹性; CS值越大生态系统服务价值系数的准确性越关键[21]。

4 结果与分析

4.1 土地利用规划分析

根据《西咸新区土地利用规划2011—2020》数据, 利用公式(1), 计算得2010—2020年西咸新区土地利用变化动态度(表3)。

西咸新区规划期间内, 除建筑用地面积增加外,其他类型用地面积均呈减少趋势。随着新区的开发建设, 第一阶段建设用地增加了 55.4%, 耕地和林地分别减少了18.6%和44.5%; 第二阶段建设用地增加了17.1%, 耕地和林地分别减少了11.6%和15.4%,说明第一阶段实施期间, 西咸新区城市化建设在大规模进行, 在经济发展的推动下迅速扩张, 侵占了大量农 用地面积, 在第二阶段新区的基础设施建设相对完善, 趋于成熟, 建设用地增加幅度减小,相对于第一阶段规划区内各类型土地的变化情况趋于稳定。耕地和水域在一、二阶段的动态度分别为 18.58%—11.64%、3.24%—2.09%, 变化幅度相对较小, 这与切实保护耕地和基本农田的规划目标一致。

表3 2010—2020年西咸新区土地利用类型及变化情况Tab. 3 Area and change rate of each land use category(2010-2020) in Xixian New Area

4.2 生态系统服务价值估算及变化分析

西咸新区土地覆盖类型中耕地、林地、牧草地和水域分别属于农田、森林、草地和水体生态系统,;建筑用地参考 Costanza的研究成果, 将其生态价值系数取 0; 园地介于林地和耕地之间的一种用地类型, 生态价值系数取两者平均值; 对不同土地利用类型各项功能的服务价值进行加和, 得到平均状态下生态服务价值系数(表4); 西咸新区规划期间生态系统服务价值及其变化情况(表5)。

由图2, 从生态系统的构成可以看出, 西咸新区水域生态系统的服务价值量最高, 2010年占总生态服务价值的 52.76%, 其次是耕地和园地生态系统,分别占总价值的27.51%和17.55%(图1)。在规划期间, 西咸新区生态系统服务总价值在2010—2020年呈下降趋势(表 5), 规划目标年 2020年比规划基期年2010年减少了18.60%, 其中林地变化幅度最大,减少了 52.99%, 耕地和园地分别减少了 28.07%和39.70%。在2010—2015年第一规划阶段, 生态系统服务总价值下降趋势明显, 从2010年的24.3026亿元下降到2015年的21.171亿元, 减少了3.1316亿元, 下降幅度达 12.88%, 其中耕地相对贡献最大,减少了1.2427亿元, 占下降总量的39.68%。林地的变化幅度最大, 减少了44.46%; 在2015—2020年第二规划阶段, 生态系统服务总价值下降趋势减缓, 较2015年减少了1.3908亿元, 下降幅度6.56%, 其中耕地相对贡献最大, 减少了0.6338亿元, 占下降总量的45.57%。林地的变化幅度最大, 减少了 15.34%。其中变化幅度: 林地>园地>牧草地>耕地>水域。

表 4 不同土地类型生态系统服务价 [元·(hm2·a)–1]Tab. 4 Ecosystem services value of each land type in the study area [yuan·(hm2·a)–1]

表5 2010—2020年规划区土地生态系统服务价值变化 (亿元, %)Tab. 5 The change of ecosystem service value (2010-2020) (billion yuan, %)

图1 2010年不同土地利用类型的生态服务价值比重Fig. 1 The proportion of ecosystem services value of each and type in 2010

图2 2010—2020年不同土地利用类型服务价值比较Fig. 2 The comparison of ecosystem service value of each and type from 2010 to 2020

表 5的计算结果同时反映出, 从 2010年到2020年, 西咸新区耕地、园地、林地、牧草地、水域生态系统服务价值均显著减少。其中水域在各土地利用类型中服务价值贡献率最大, 具有不可忽视的重要影响; 耕地的服务价值变化量最大, 耕地在各土地利用类型中占规划区总面积最大, 其生态服务价值系数较低, 但耕地面积的大规模减少也会直接导致区域 生态服务价值的下降, 人口增加引发建设用地增加, 不可避免的要占用耕地, 耕地的保护任务十分艰巨; 西咸新区林地的变化幅度最为显著, 林地的生态服务价值系数在各土地利用类 型中较大, 但林地的覆盖面积较小, 其大幅度的变化对区域生态服务价值影响较小; 牧草地覆盖面积最小, 其变化对区域生态服务价值影响甚微。可见建设用地增加所造成农用地面积、水域面积减少是区域生态系统服务价值大幅度下降的主要因素。

西咸新区2010年区内生产总值为130亿元, 生态系统服务总价值为 24.3026亿元, 相当于区内生产总值的0.19倍; 2015年、2020年西咸新区的经济目标—区内生产总值分别为900亿元、1700亿元, 其生态系统服务总价值分别为 GDP总量的 2.35%、1.16%。因此, 规划期间, 西咸新区生态价值损失是巨大的, 区内生产总值的增长是以牺牲生态环境为代价的, 从可持续发展的观点来看, 以单纯经济增长为目的的土地利用结构调整是不可取的。

4.3 生态系统服务价值敏感性分析

根据生态系统敏感性分析方法(公式5), 将不同生态系统土地利用类型的生态服务价值系数分别上下调整50%, 以此计算西咸新区2010年、2015年、2020年各生态系统服务价值的敏感性指数(表6), 结果表明: ESV对VC的敏感性指数均小于1, 表明生态系统服务价值对价值系数缺乏弹性, 研究结果是可信的。由表6可知, 在不同阶段, 除水域生态系统敏感性指数呈上升趋势, 其他生态系统类型敏感性指数均处下降趋势。其中不同时期

表6 生态系统服务价值敏感性分析Tab. 6 Sensitive analysis of ecosystem service value

生态系统敏感性指数: 水域>耕地>园地>林地>牧草地, 表示各生态系统类型中, 水域对生态系统服务价值产生变化的影响较大, 其次是耕地和园地生态系统。在规划期间, 耕地、园林、林地生态系统敏感性指数呈下降趋势, 表示对西咸新区生态服务价值变化产生缩小作用; 水域生态系统敏感性指数呈上升趋势, 表示对西咸新区生态服务价值变化产生放大作用; 牧草地生态系统敏感性指数趋于 0,表示牧草地对西咸新区不同时期生态系统服务价值变化影响较小。

5 结论与讨论

5.1 结论

(1) 按照西咸新区土地利用规划(2011—2020)发展, 2010年到2020年, 西咸新区土地利用结构变化较大, 其中建筑用地面积增加了 82.0%, 耕地减少了28.1%, 园地减少了39.7%, 林地减少了52.9%,牧草地减少了 12.6%, 水域减少了 5.3%。耕地面积在西咸新区规划面积中覆盖最大, 2010年占总面积的54.8%, 规划期间减少了13581.9公顷。反映了人口增加引发建设用地增加, 不可避免的要占用耕地等农用地面积, 从而加剧了未来区域内耕地资源的供需矛盾, 耕地保护任务十分艰巨。

(2) 通过对区域生态系统服务价值研究, 2010年到2020年, 西咸新区生态系统服务总价值呈下降趋势, 生态系统服务价值总量减少了4.5224亿万元,其中耕地和园地的贡献最大, 分别占减少总量的41.5%和37.4%; 通过生态系统服务价值敏感性分析,规划阶段, 除水域生态系统敏感性指数呈上升趋势, 其他生态系统类型敏感性指数均处下降趋势。随着新区的规划建设, 水域生态系统对西咸新区生态服务价值变化敏感性较强。

(3) 西咸新区土地利用规划(2011—2020)实施中, 其区域生态系统服务总价值为经济目标GDP总量的 1.16%—2.35%, 则规划期间, 生态价值损失是巨大的, 区内生产总值的增长是以牺牲生态环境为代价的, 从可持续发展的观点来看, 以单纯经济增长为目的的土地利用结构调整是不可取的。

5.2 讨论

西咸新区规划期(2011—2020)土地利用变化和生态系统服务价值的变化趋势反映了西咸新区土地利用结构调整的不合理性, 表明了生态系统存在一定威胁。其中, 耕地等农用地生态系统面临严重威胁。耕地资源的保护是维护粮食安全、经济安全、生态安全和社会可持续发展的前提, 西咸新区应该严格保护耕地, 建立高标准耕地、基本农田“红线绿心”保护区, 建立严格耕地保护制度, 确保规划期内耕地保有量目标的实现。在经济发展进程中, 西咸新区应保障和完善生态系统服务功能, 统筹土地资源的开发、利用和保护, 优化土地利用结构。严格划定生态保护区范围, 实行严格的管控措施, 保障生态用地面积, 促进社会、经济和生态的可持续发展。

生态系统服务有着极高的潜在价值, 与人类福祉关系及其密切。生态系统服务价值评价现在已是生态补偿、生态服务有偿使用等政策措施实施的迫切需求。本研究基于谢高地等人改进的价值当量表,从生态系统类型和服务功能类型上有了更进一步细分, 考虑了水资源供给和养分循环维持功能, 使评价结果的可信度有所提高, 但由于生态系统本身的复杂性及环境条件的多样性, 生态系统服务价值估算也存在一定的偏差。基于单位面积价值当量因子的方法尽管还不是非常完善, 但在实际应用中易于操作、结果便于比较, 常作为区域生态系统服务价值快速核算的一个工具。因此, 在生态系统服务价值评估技术未完全成熟之前, 基于单位面积价值当量因子法是快速实现区域生态系统服务价值估算的有效手段。

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Study on ecosystem services of Xixian New Area based on land use planning

MENG Xiaobo, CAO Guoliang, AN Wenhui, YU Zhixia
School of Environmental and Municipal Engineering, Xi'an University of Architecture & Technology, Xi’an 710055, China

This paper carried on an adjustment on the value coefficient of ecosystem services according to local situation by eference to the equivalent value of the ecosystem service per unit area modified by Xie Gaodi, and the ecosystem service value was estimated and analyzed by using computational formula and sensitivity analysis based on land-use planning data of Xixian New Area during 2011-2020. The results indicated that the total value of ecosystem services reduced 452.24 million Yuan and ended to decline in planning period. Farmland and garden accounted for 41.5% and 37.4%, respectively. The sensitivity analysis suggested that these estimates were relatively lacking in elasticity, so the result was credible. During actualizing land use planning of Xixian New Area, the total value of ecosystem services took up 1.16%-2.35% of GDP goals, so the eco-service value loss was enormous. It is not advisable to have adjustment of land use structure for the purpose of economic growth purely at the perspective of sustainable development.

Xixian New Area; land use planning; ecosystem service value; sensitivity analysis

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.03.020

X826

A

1008-8873(2017)03-142-07

蒙小波, 曹国良, 安文辉, 等. 基于土地利用规划的西咸新区生态系统服务研究[J]. 生态科学, 2017, 36(3): 142-148.

MENG Xiaobo, CAO Guoliang, AN Wenhui, et al. Study on ecosystem services of Xixian New Area based on land use planning[J].Ecological Science, 2017, 36(3): 142-148.

2015-12-28;

2016-03-08

国家科技支撑计划资助项目(2014BAC16B03)

蒙小波(1990—), 男, 陕西汉中人, 硕士研究生, 主要从事环境影响评价工作, E-mail: xiaobo_data@163.com