长沙市生态系统服务价值对土地利用变化的响应研究

何宣利， 万大娟， 褚明辉， 石 雪

(湖南师范大学 资源与环境科学学院，湖南 长沙 410081)

长沙市生态系统服务价值对土地利用变化的响应研究

何宣利， 万大娟*， 褚明辉， 石 雪

(湖南师范大学 资源与环境科学学院，湖南 长沙 410081)

基于谢高地等确立的中国陆地生态系统服务价值系数，通过价值系数修正，分析长沙市24年间土地利用变化对生态系统服务价值的影响.研究表明：耕地、林地、草地、水域、未利用土地的面积逐渐减少，城镇建设用地逐渐增加.1900～2014年的生态系统服务总价值逐渐减少，价值损失量为169 329.89万元，损失率为5.44%.各生态系统服务功能对长沙市生态系统服务价值的贡献率排在前三位是土壤形成与保护，水源涵养，生物多样性保护.食物生产的生态系统服务价值的贡献率最小.生态系统服务价值敏感性指数由大到小依次为：林地、耕地、水域、城镇建设用地、草地、未利用土地，敏感性指数均小于1，研究结果合理可信.图1，表7，参13.

生态系统服务价值；长沙；土地利用变化；土地利用动态度；敏感性指数

“Ecosystem Service”[1]，即生态系统服务，其评价研究最早是在1997年，以Costanza为首的生态学家，针对全球主要类型的生态系统(森林、草地、湿地、农田、水域、荒漠)建立了生态系统服务功能评价体系，并构建了各种土地类型的生态系统服务价值评估系数，对全球生态系统的服务价值进行评价，揭开了生态系统服务功能价值研究的序幕[2].生态系统服务价值(Ecosystem Service Value，ESV)研究，现已成为生态学领域研究的热点，成为生态学、生态经济学研究的前沿课题[3].我国的诸多学者如欧阳志云、陈仲新等[4，5]对Costanza等人建立的生态系统服务价值评估方法进行改进，用以对中国陆地生态系统服务功能以及生态经济价值与效益进行评价.根据Costanza等建立的生态系统服务价值评价体系，谢高地等[6，7]对其评价系数进行了修正，提出了我国陆地生态系统生态服务价值当量因子，并确立了我国陆地生态系统单位面积生态服务价值.随着GIS、RS技术引入到ESV的评估研究当中，国内众多学者基于LUCC，对区域生态系统服务价值的评估开展了诸多研究[8-10].基于长沙市土地利用变化数据，评价生态系统服务价值对长沙市土地利变化的影响，以期能够为长沙市土地利用的可持续发展和生态环境保护提供科学依据，为长沙市土地资源的优化配置提供决策支持.

1 研究区概况

长沙市位于湖南省东部偏北地区，湘江下游和长浏盆地西缘，地处东经111°53′～114°15′E，北纬27°51′～28°41′N，总面积为11 819.46 km2，其中市区面积1 909.9 km2，建成区面积336.25 km2.2014年地区生产总值为7 824.81亿元，第一产业总产值为311.90亿元，第二产业总产值为4 241.25亿元，第三产业总产值为3 547.93亿元.2014年末常住总人口为731万人.

2 数据来源与研究方法

2.1 土地利用数据来源

研究区土地利用数据来源于1990～2014年6个时段的美国陆地遥感卫星landsatTM数据，影像分辨率为30 m.结合数据处理软件ENVI5.1，ArcGIS10.0，将研究区的土地利用类型为耕地、草地、林地、水域、建设用地、未利用土地6类(图1)，对1990～2014年6个时段的土地利用变化数据进行生态系统服务价值的评价研究.

2.2 评价方法

2.2.1 生态系统服务价值系数(VC)确定

根据谢高地等确立的生态服务价值系数，结合不同地区生态系统生物量因子(湖南省生物量因子为1.95)，对全国平均水平的不同土地类型的生态服务价值系数进行修正，确定出长沙市林地、草地、耕地、水域、未利用土地的单位面积生态服务价值量.未利用土地的系数修正以荒漠的生态服务价值系数为依据，由于城镇建设用地对生态系统服务的负面效应比较大，其生态服务价值系数以董家化等[11]以太仓市为例、段瑞娟等[12]以大同市为例进行生态系统服务价值评估的系数为参照依据.长沙市不同土地利用类型生态系统服务价值系数见表1.

2.2.2 生态系统服务价值(ESV)确定

表1 长沙市不同土地利用类型单位面积生态系统服务价值系数Tab.1 Ecosystem service value cofficients of unit area of different land use types in Changsha

生态系统服务价值计算见公式(1)：

(1)

其中，ESVi代表研究区第i种土地利用类型的生态系统服务价值，ESVj代表研究区第j种生态系统服务功能价值，ESV代表研究区总生态系统服务价值，Ai代表第i种土地类型的分布面积(hm2)，Vvcij代表第i种土地类型、第j种生态系统服务功能的生态系统服务价值系数(元·hm2·a).

2.2.3 土地利用动态度

土地利用动态度计算见公式(2)：

(2)

其中，Ua，Ub表示研究区初期和末期某一类土地类型的面积(hm2)，T为研究区时长(a)，当T单位设定为年时，K表示土地利用类型的年变化率(%).

2.2.4 敏感度分析方法

敏感度分析方法见公式(3)：

(3)

其中，CS表示敏感度，VC表示生态系统服务价值系数，VCik、VCjk分别表示初始价值系数和调整后的价值系数，K表示土地利用类型.如果CS>1，表明ESV对CS富有弹性，如果CS<1，表明ESV对CS缺乏弹性，CS值越大，表明生态系统服务价值系数的准确性对区域生态价值的评价越关键，将不同土地类型的生态系统服务价值系数上下调整50%，以此衡量研究区生态系统服务价值的变化[13].

图1 长沙市1990～2014年不同土地利用类型面积变化图Fig 1 Area chang of different land use types in Changsha from1990 to 2014

3 结果与分析

3.1 长沙市土地利用变化分析

通过对比长沙市1990～2014年六个时段不同土地利用类型面积变化数据结果可以看出，1990～2010年长沙市土地利用类型面积从大到小依次为林地>耕地>城镇建设用地>水域>未利用土地>草地；2010～2014年转变为林地>耕地>城镇建设用地>水域>草地>未利用土地.

根据表2可知，林地从1900年616 382 hm2净减少到2014年599 141 hm2，净减少17 241 hm2；耕地从1990年376 046 hm2净减少到2014年343 628 hm2，净减少32 418 hm2；草地从1990年13 999 hm2净减少到2014年13 615 hm2，净减少384 hm2；水域面积在24年间呈现减少—增加—再减少的变化过程，1990～1995年为净减少阶段，净减少3 410 hm2，1995～2010年为净增加阶段，净增加2 696 hm2，2010年之后又转变为净减少阶段，净减少2 469 hm2；城镇建设用地面积在24年间逐年净增加，由1990年98 147 hm2净增加到2014年169 641 hm2，净增加71 494 hm2，其中以2000～2005年，2010～2014年两个时间段内的变化最为明显，分别净增加113 301 hm2、34 881 hm2；未利用土地面积在24年间先增加后减少，由1990年30 436 hm2减少到2014年12 195 hm2，净减少18 241 hm2，1990～1995年为净增加阶段，净增加2 794 hm2，1995～2014年为净减少阶段，净减少21 035 hm2.根据表3可知，1900～2014年长沙市土地利用变化的趋势为：城镇建设用地大幅增加，变化率为72.84%；耕地、林地、草地、水域、未利用土地减少，未利用土地面积减少幅度最大，变化率达到-59.93%，耕地、水域减少幅度较大，变化率分别达到-8.62%、-6.84%，林地、草地面积减少幅度不大.

表2 长沙市1990～2014年不同土地利用类型面积Tab.2 Area of different land use type in Changsha from 1990 to 2014

表3 长沙市1990～2014年不同土地利用类型面积变化率Tab.3 Area change rate of different land use types in Changsha from 1990 to 2014

根据表4长沙市土地利用动态度可知，1990～2014年总体变化过程是城镇建设用地增加速度最快，土地利用动态度为3.04，2010～2014年增加速度最快，动态度达到了6.47；未利用土地减少速度最快，土地利用动态度为-2.50，2010～2014年减少速度最快，动态度为-5.24，其次为耕地、水域，土地利用动态度分别为-0.36、-0.28，耕地在2010～2014年减少速度最快，土地利用动态度为-1.44，水域在1990～1995年减少速度最快，土地利用动态度为-1.45，在1995～2010年缓慢增加，动态度分别达到为0.21、0.55、0.46，在2000～2005年增加速度最快；林地和草地动态变化不大.

表4 长沙市1990～2014年不同土地利用类型动态度Tab.4 dynamics of different land use types in Changsha from 1990 to 2014

3.2 长沙市生态系统服务价值变化分析

利用表1核算修正的长沙市单位面积生态系统服务价值系数，结合ESV计算公式，确定长沙市1990～2014年生态系统服务价值变化情况.根据表5可知，长沙市各土地类型的生态系统服务价值贡献值依次为：林地、耕地、水域、草地、未利用土地，城镇建设用地对生态系统服务的负面效应比较大，生态系统服务价值为负值.生态系统服务价值总量由1990年的3 111 643.57万元变为2014年的2 942 313.68万元.价值损失量为169 329.89万元，损失率为5.44%.1990～1995年，价值损失量为32 270.10万元，损失率为1.04%，林地和草地的生态价值量趋于稳定，主要是由于耕地和水域面积减少，未利用土地和城镇建设用地增加造成的了区域生态价值减少；1995～2000年，价值损失量为9 372.02万元，损失率为0.3%，生态系统服务价值总量变化在5个时段内变化幅度最小，主要是城镇建设用地增加造成区域生态价值减少，其他土地利用类型面积变化不明显；2000～2005年，价值损失量为21 786.97万元，损失率为0.7%，草地面积趋于稳定，水域面积小幅增加弥补了一部分价值损失，价值损失是由于林地、耕地等高生态系统服务价值指数的用地向生态服务价值指数低的城镇建设用地转移造成的；2005～2010年，价值损失量为12 841.01万元，草地面积趋于稳定，价值量变化不大，主要是由于城镇建设用地持续增加，未利用土地、耕地和林地减少造成的；2010～2014年，价值损失量为93 059.57万元，生态价值总量在5个时段内变化幅度最大，草地面积趋于稳定，价值量变化不大，主要原因是城镇建设用地面积显著增加，耕地、林地的面积大幅度减少，水域和未利用土地的小幅度减少.

表5 长沙市1990～2014年生态系统服务价值Table 5 Ecosystem services value of Changsha from 1990 to 2014

根据表6可知，各生态系统服务功能对长沙市生态系统服务价值的贡献率排在前三位是土壤形成与保护，水源涵养，生物多样性保护.土壤形成与保护的生态系统服务价值贡献率最高，主要是生态系统服务价值系数在林地、草地、耕地方面比较高，分别为6 729.68元/hm2、3 364.84元/hm2、2 519.32元/hm2，其次为水源涵养，主要是水域在水源涵养方面的价值系数高，达到35 166.91元/hm2，生物多样性保护的生态系统服务价值贡献率位居第三，主要是林地、水域在生物多样性保护方面的价值系数很高，分别达到5 625.33元/hm2、4 296.64元/hm2.食物生产的生态系统服务价值的贡献率最小，在于其生态系统服务价值系数过低.总体而言，土壤形成与保护服务功能的生态系统服务价值贡献率在24年间处于净增加的趋势，其他生态系统服务功能的生态系统服务价值贡献率处于净减少的趋势.

表6 长沙市1990～2014年单项生态系统服务功能价值Table 6 Single ecosystem services value of Changsha from 1990 to 2014

3.3 长沙市生态系统服务价值敏感性检验

应用敏感性指数计算公式对长沙市不同土地利用类型的生态系统服务价值系数上下调整50%，计算生态系统服务价值系数的敏感性(表7).计算结果表明，其敏感性指数均小于1，由大到小依次为：林地、耕地、水域、城镇建设用地、草地、未利用土地.林地敏感性指数呈现增长趋势，由1990年的0.747变为2014年的0.768，对长沙市24年间的生态系统服务价值的影响比较大；城镇建设用地的敏感性指数介于0.017～0.031之间，敏感性指数逐渐变大，表明随着城镇建设用地的增加，对区域生态系统服务价值的负面影响在增大，是24年间区域生态系统服务总价值减小的主要因素；未利用土地的敏感性指数呈减少趋势，在0～0.001之间，随着时间的迁移，其生态系统服务价值系数的变化对区域生态系统服务价值的影响不大.

由于CS<1，表明ESV对CS缺乏弹性，研究结果可信.

表7 长沙市不同土地利用类型生态系统服务价值敏感性检验Table 7 Sensitivity test of ecosystem services value of different land use types in Changsha

4 结 论

通过对1990～2014年的土地利用结构进行分析可知，24年间耕地、林地、草地、水域、未利用土地的面积逐渐减少，未利用土地减少幅度最大，其次为耕地、水域，变化最不明显的为林地和草地，城镇建设用地逐年增加，增加幅度逐渐变大.

长沙市生态系统服务价值总量由1990年的3 111 643.57万元变为2014年的2 942 313.68万元.价值损失量为169 329.89万元，损失率为5.44%.城镇建设用地的生态系统服务价值总量为负，变动幅度最大，草地生态系统服务价值总量的变化最小.

各生态系统服务功能对长沙市生态系统服务价值贡献率排在前三位是土壤形成与保护，水源涵养，生物多样性保护.食物生产的生态系统服务价值贡献率最小.土壤形成与保护服务功能的生态系统服务价值贡献率在24年间处于净增加的趋势，其他生态系统服务功能的生态系统服务价值贡献率处于净减少的趋势.各土地类型下生态系统服务价值敏感性指数由大到小依次为：林地、耕地、水域、城镇建设用地、草地、未利用土地，24年间的敏感性指数均小于1，研究结果合理可信.

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Abstract：Analyze the effect of land use change on ecosystem service value in Changsha during 24 years based on the land ecosystem service value coefficient established by Xie Gao-di et al. The results showed as follows:The area of cultivated land,forest land,grassland,water area and unused land decreased gradually while Urban construction land increased gradually. The total value of ecosystem services decreased gradually from 1900 to 2014,the loss of its total value was 169 329.89 million yuan and its loss rate was 5.44%. The top three contribution rates of the ecosystem service value in Changsha were soil formation and protection,water conservation,biodiversity protection. The smallest contribution rate was ecosystem service value of food production. The sensitivity index of ecosystem service value was ranked from big to small:forest land,cultivated land,water area,urban construction land,grassland,unused land. Each sensitivity index was less than 1,and the results were reasonable.1fig.,7tabs.,13refs.

Keywords：ecosystem service value; Changsha; land use change; land use dynamic degree; sensitivity index

Biography：HE Xuan-li,male,born in 1992,master,research direction:ecological environmental planning and evaluation.

ResponseofEcosystemServiceValuetolandUseChangeinChangsha

HEXuan-li,WANDa-juan*,CHUMing-hui,SHIXue

(College of Resources and Environment Science，Hunan Normal University，Changsha Hunan 410081,China)

F062.2;X37

A

2017-05-17

何宣利(1992-)，男，四川泸州人，硕士，研究生，研究方向：生态环境规划与评价.

*通讯作者，E-mail:dajuanwan@163.com.

10.3969/j.issn.2095-7300.2017.03-041