基于生态服务价值量的土地利用变化环境效应研究

胡其玉, 陈松林,*

基于生态服务价值量的土地利用变化环境效应研究

胡其玉1,2, 陈松林1,2,*

1. 福建师范大学福建省亚热带资源与环境重点实验室, 福州 350007 2. 福建师范大学地理研究所, 福州 350007

随着社会经济的快速发展, 探究土地利用变化所引发的生态环境影响成为热点。运用土地利用程度综合指数、城乡建设用地年均扩展强度指数进行土地利用变化分析, 并基于有无土地利用变化的生态系统服务价值评估生态环境效应状况。结果表明：福州市2015年土地利用程度综合指数为241.53, 2009—2015年变化率0.011, 处于稳定状态, 而各县(市、区)之间呈不同程度的空间差异; 2009—2015年福州土地利用变化环境效应指数为0.983, 各县(市、区)皆低于但接近1, 表明研究期间区域土地利用变化对生态环境有微弱的消极影响。此外, 结合生态—经济协调度模型判定福州市及各县(市、区)生态、经济发展基本处于均衡状态, 平潭综合实验区在建设扩张中需优先考虑其生态脆弱性。

土地利用变化; 生态系统服务价值; 生态—经济协调度; 生态环境效应

0 前言

自1995年IGBP和IHDP共同提出LUCC相关研究计划以来, 土地利用/土地覆被变化已成为区域生态环境领域不可或缺的研究方向。伴随着社会经济的高速发展, 人类利用土地的范围和强度日益增加[1], 导致土地覆被剧烈变化。受制于社会、经济、自然、技术等客观因素及人类行为, 土地开发利用过程中人类不合理利用活动不仅会导致土地自身的衰退, 还常常引发整个区域生态环境的破坏[2]。不合理土地利用会使区域生态系统结构功能紊乱, 造成水土流失、土地沙化、土地次生盐渍化、土地贫瘠化、土壤污染等土地生态质量问题[3], 这些问题实则是生态系统对不可持续开发利用活动的负反馈效应。

生态系统要素包含于大气环境、土壤环境、水环境中[4], 要素间相互联系、相互影响而形成综合的生态效应。生态服务功能即是生态系统内各组织结构和要素间、系统与外部环境间相互作用, 形成的物质循环和能量流动机制, 为人类生存发展提供所需的自然环境条件及效用, 包括粮食、医药和其他物质生活产品, 以及水源、原材料供给等人类生存所必需的服务功能[5]。在快速城市化进程中, 为满足建设需要占用水域、草地、园地、林地、耕地等生态源地, 对生态系统的过度消耗会使生态服务功能受损[6]。土地生态系统功能兼具自然和社会经济性质, 是自然经济综合系统耦合的结果[7]。运用生态系统服务价值当量表定量评估系统经济价值, 表征生态系统服务功能强弱, 其时空动态差异能够反映区域可持续发展情况[8]。目前, 从土地利用变化角度研究地区生态环境与经济建设的协调关系还在不断深入[9], 研究方法和实践经验亦需逐步完善积累。

在全社会对良好生态环境的强烈需求下, 土地利用类型的调整变化具有改变生态系统服务功能与价值的内涵[10]。通过测度土地利用程度变化, 并结合土地生态系统服务价值定量模型[11]评估福州市生态—经济协调情况和土地利用变化生态环境效应。选取福州市2009、2012、2015年3期土地利用变更数据进行生态环境效应的定量估算, 揭示福州市生态—经济发展特点和趋势, 研究结果可为今后土地利用结构的合理调整和区域生态补偿机制、生态账户制度的完善提供依据和参考。

1 研究区概况及数据来源

福州市位于欧亚大陆东南边缘, 濒临中国东南沿海, 沿福建省中东部的闽江口分布, 与台湾省隔海相望。经纬跨度在北纬25°15’—26°39’和东经118°08’—120°31’之间。属于亚热带季风气候, 湿润温暖, 四季常绿, 光温水资源充沛, 霜少而无雪, 冬短夏长, 山地、丘陵约占全市土地总面积的72.68%; 作为福建省省会, 福建省政治、文化、交通中心, 海峡西岸经济区中心城市, 是全国对外开放度和市场化程度较高的地区, 城镇化率达到64.8%, 在海西建设中发挥龙头作用。

土地利用基础数据来自于福州市2009、2012、2015年3年土地利用变更数据, 行政区划图来源于中国科学院资源环境科学数据中心, 主要作物产值与降水量数据取自《福州市统计年鉴》。

2 研究方法

2.1 土地利用程度综合分析

从生态学角度对各土地利用类型的利用强度进行等级划分[12], 定量化测度研究区土地利用强度; 依据不同土地利用的性质, 并根据需要在土地变更调查数据基础上对各个等级对应的土地利用类型进行合理归并, 划分为4个等级。其中未利用地包括难利用地等受制于自然环境及开发利用技术而保持较为原始状态的地类, 将其划分为第1级, 林地、草地及水域等利用程度不高的作为第2级, 第3级主要是农用地包括耕地、园地等, 第4级是各类建设用地包括城乡居住用地、交通用地、设施服务用地等, 随着土地利用等级提升, 挖潜的难度、生态环境影响强度也逐级增强。土地利用综合指数计算结果将介于100—400之间, 反映区域土地利用综合情况, 并将区域内各县(市、区)进行对比研究, 把握区域整体和内部差异状况。根据土地利用程度年度变化情况, 进一步评估土地利用程度的稳定度。

土地利用程度综合指数模型[13]计算方法如式(1):

式中,为区域土地利用程度综合指数,M为区域各级土地利用程度分级指数(表1), N为区域内第级土地利用程度的土地利用类型占总面积的百分率。

表1 土地利用程度分级表

土地利用变化分析各指数如式(2)、式(3):

式中,为土地利用程度变化量,N和N分别是区域末期和初期第级土地利用程度土地利用类型面积占总面积的百分率,为土地利用程度变化率,X、X分别是区域土地利用强度综合指数基期值和末期值。当=0或者=0, 则该区域土地利用状况处在平稳阶段; 当>0或者>0, 则区域土地利用状况处在上升发展阶段; 当<0或者<0, 则区域土地利用状况处在下降衰退阶段。值越大则区域内土地利用动态变化程度就愈强, 再对比分析区域内各县(市、区)值大小, 得到区域内土地利用变化分异特征。

2.2 建设用地年均扩展强度

受制于建设用地供给的稀缺性, 城市化过程常出现溢出效应[14], 建设用地呈平铺式扩张, 而后由于自然环境和政府政策的约束逐渐采取高成本改良实现土地利用方式转变。因此, 有必要在分析城乡建设用地扩展强度的基础上把握区域发展的空间拓展趋势, 促使土地资源高效集约配置。

采用年均扩展强度指数表示城乡建设用地扩张的强度[15], 计算方法如式(4):

式中,表示区域的年均扩展强度指数,UA表示在年时的城乡建设用地规模,UA则表示年时城乡建设用地规模;为区域土地总面积。

2.3 生态系统服务价值评估

2.3.1 标准单位生态系统服务价值当量因子价值修正

在借鉴众多学者所认同的价值当量因子法基础上, 综合研究区社会经济自然特点修正标准当量因子的价值量。选取区域内种植面积大、经济产值高的主要作物评估标准生态系统类型的价值量[16], 以1 hm2粮食、蔬菜、水果和茶叶的平均产值作为标准当量因子价值量(表2), 得到标准生态系统单位生态服务功能价值量为34530.77元·hm-2。

2.3.2 单位面积生态服务价值当量表修正

以2009年为评估基期年, 依据研究需要将原调查数据的土地利用生态类型重新划分。田坎归入耕地类型, 水利设施用地与各种建设用地的生态系统服务价值相同[17], 难利用地和未利用地划为一类, 水域单独作为一种类型, 包括河面、坑塘水面、滩涂等。结合福建省存在大面积种植果园的实际情况并根据已有研究[18], 基于2009年福州市单位面积生态系统服务价值当量表(表3)参照谢高地单位面积生态服务价值动态修正方法[19]获取2012年和2015年生态服务功能价值当量表, 公式如式(5):

式中,F基期年后第年类生态服务功能单位面积价值当量因子,P基期年后第年单位面积平均降水量,P基期年单位面积平均降水量,F为原类生态系统服务价值当量因子。

表2 2009年福州主要作物产值表

表3 福州市单位面积生态系统服务价值当量表

2.3.3 区域生态系统服务总价值

运用上述修正结果, 进一步评估区域内生态系统服务总价值, 计算公式如式(6)[20]:

式中,表示研究区各生态系统服务功能总价值;S表示研究区内土地利用类型的规模(面积)大小;W则表示土地利用类型的单位面积生态系统服务功能价值量。

2.3.4 生态系统服务价值—地区经济协调度

采用生态—经济协调指数分析地区生态系统与经济发展的匹配情况[21], 通过地区单位面积GDP与单位面积生态服务价值的比值(公式7), 判断区域内经济—生态协调状况的一致性, 再运用生态—经济协调度指数判别各地区的生态—经济协调程度(公式8)。

式中,表示单位面积的生态系统服务价值(万元·hm-2),表示单位面积上地区生产总值(万元·hm-2),为其比值。

式中,为生态—经济协调指数,表示末期年,表示初始年。

根据算法及地区状况, 当<1时, 则该地区面临生态—经济不协调的威胁; 当>=1时, 表示地区生态—经济状况基本协调, 值越大, 则协调程度越高。

2.4 土地利用变化的生态环境效应

土地生态系统服务价值的定量评估基于系统内部结构功能特性并综合社会经济条件[22], 土地利用结构、数量变化会导致土地生态系统内部功能结构转变[23], 体现于生态系统服务功能价值量的增减幅度。评估土地利用生态环境效应的方法[24]如式(9):

式中,表示土地利用变化生态环境效应指数,ESV、ESV'表示年有无土地利用变化情况下生态服务功能价值, 设定基期年值为1。当<1时, 则表示该区域内土地利用变化引发生态环境负效应, 生态环境质量日益衰退; 而当>1时, 则表示该区域内土地利用变化具有生态环境正效应, 生态环境质量逐步改善;=1则表示区域内土地利用生态环境影响趋于稳定。

3 结果分析

应用上述模型分析福州市及其辖区2009、2012、2015年3期土地利用变更数据, 得到福州市近些年来土地利用变化情况及土地利用空间分异特点, 估算区域土地生态系统服务功能价值, 并与经济发展指标相比较, 评估生态—经济协调状况, 揭示2009—2015年福州市土地利用变化的生态环境效应。

3.1 福州市土地利用时空差异状况

2009—2015年间福州市土地利用结构变化趋于稳定状态(图1)。其中, 林地面积占比远高于其他用地类型, 凸显其作为“森林城市”的优势; 耕地比例减少与交通运输用地、城镇建设用地规模扩大基本一致, 表明在城镇扩张过程中, 耕地保护与建设用地扩张之间的矛盾亟需缓解; 同时, 草地、园地等用地规模有所增长。

Figure 1 Land use structure change in Fuzhou

由公式(1)计算得到福州市2009、2012、2015年3年土地利用综合指数分别是238.94、238.17、241.53, 2009—2012年福州市处于经济平稳发展时期, 而2012—2015年仅3年土地利用程度大幅度增长, 区域内土地开发利用活动加强。2011年国务院发布《海峡西岸经济区发展规划》后, 福州市社会经济发展进程加快, 随着各项工程建设的开展土地利用程度提升的趋势显著。福州市各辖区土地利用综合状况(表4)表明2009—2015年间福州市内各地区间土地利用程度也有不同程度的提升。2015年土地利用综合程度处于前三位的地区是: 台江、鼓楼、仓山, 这3个地区是福州经济密度相对集中的区域, 土地利用平面扩展空间有限, 尤其是鼓楼和台江已接近土地利用程度的极限值。

土地利用程度变化率反映土地利用程度时间尺度上的变化幅度, 表征区域内部产业发展的用地拓展速度的差异。在2009—2015年福州市各地区的土地利用变化率及其排名状况(表4)基础上, 运用自然断点分级, 结果如图2所示。2009—2015年福州土地利用变化最为明显的地区分别是平潭、仓山、长乐、马尾, 另外, 连江、福清、闽侯等地土地利用程度提升幅度也较大。平潭综合实验区自2013年“政区合一”, 在国家政策支持下, 各大企业入驻该地区, 土地开发利用强度扩大。仓山、长乐的土地利用程度、变化率双高, 仓山在当前扩张趋势下尚有扩展空间, 是福州市实现土地利用内部挖潜的重点区域; 长乐濒临海洋且民营企业发达, 未来可作为福州经济建设中心延伸的重点区域。由此可以预见, 福州市的开发扩展趋向仓山、马尾、平潭、长乐等地区, 这些地区未来面临维持生态平衡的压力。台江、鼓楼与罗源、闽清、永泰等地区土地利用变化率低于其他地区, 前者作为福州市经济集聚中心, 区域面积小, 经过长期开发利用, 扩张强度有限; 而罗源、闽清、永泰等地经济发展相对平缓, 存在大面积的生态服务源地, 可凭借区域生态效益增强综合竞争力。总体上, 福州市及其各辖区土地利用程度均处于上升阶段, 并有向东部沿海扩张的趋势, 符合福州城市规划设计, 但需注重土地利用效率, 维护好生态用地。

Figure 2 The spatial distribution ofvalues in Fuzhou

为探索建设用地扩张时空分异规律, 运用建设用地年均扩展指数测定福州市及其各辖区建设用地状况(表5)。2009—2012年、2012—2015年福州市建设用地扩展强度分别为0.2866、0.2790, 2009—2015年建设用地总体扩展强度为0.2828, 表明福州建设用地呈平缓扩张态势, 建设用地空间扩展与经济发展总体协调一致。仓山区、平潭综合实验区、长乐区等地的建设用地扩展强度较大, 与高土地利用程度变化率区域一致。

3.2 生态服务功能价值评估结果与分析

3.2.1 生态系统服务价值计算结果

由公式(5)计算得到2009、2012、2015年标准当量因子价值量分别为34530.77、50336.07、62800.01元·hm-2。基于2009年福州市单位面积生态系统服务价值当量表, 运用区域平均降水量因子修正得到2012、2015年当量表, 算得2009、2012、2015年福州生态系统服务价值量分别为80566935.45、147110547.8、198778778.3万元, 各年不同生态系统类型价值变化趋势如图3所示; 根据2015年区域内不同生态系统类型的各项服务功能的价值量(表6), 得出2015年福州市各县(市、区)生态服务价值量及地区排名(表8)。

表5 福州市建设用地规模年均扩张强度表

2009—2015年间, 福州市生态系统服务价值增长明显, 主要体现在林地、水域等土地利用生态类型价值的增加。福州各县(市、区)间生态服务价值差异显著(图4), 说明经济社会快速发展背景下, 生态服务功能受到地域差异条件的限制, 区域生态竞争力不均衡。

表6 2015年福州市生态系统服务价值表

图3 福州市各生态系统服务价值变化

Figure 3 Changes in ecosystem service value in Fuzhou City

(1)高生态服务价值地区包括永泰、闽侯、福清、闽清、罗源等地, 由于其良好的自然环境基础, 具有旅游休闲、水源涵养、土壤特性改良和水质净化等高质量的生态服务价值, 通过生态建设可成为整个福州市的生态服务区, 生产优质的市场化产品。其中, 福清市土地利用程度较高, 说明生态维护与土地利用较为均衡。

(2)长乐、晋安、平潭、马尾等地的生态服务价值处于中等水平, 可作为福州城市扩展开发的潜力区域, 在保留优质基础性生态用地的条件下, 吸引并集聚区域内外的优质资源进行高水平综合发展, 化解高密度经济建设地区的压力。

图4 2015年福州市生态服务价值空间分布

Figure 4 Distribution of ecological services value in Fuzhou in 2015

(3)仓山、鼓楼、台江等地生态服务价值较低, 分布有较多的商服及公共建设用地, 人口、经济高度集中。由于城市边界的局限, 建成区内部土地挖潜加大, 土地利用程度高, 高生态服务价值用地数量少, 削弱了该区域的生态服务功能。可通过优化建成区内部的生态用地格局, 融合多样性、多层次的生态服务功能。

3.2.2 福州市生态—经济协调程度

福州市及各县(市、区)的值有不同程度的提升(图5), 表明福州地区生态服务能力逐渐加强, 展现出“生态文明典范城市”的优势。2009—2015年, 福州市值整体提升15.2%, 生态系统稳定性加强。2015年鼓楼、台江、仓山等经济、人口密集区域的值分别为0.01、0.02、0.31, 远低于1, 虽然较2009年有一定提升, 但增长幅度不大。福州整个区域处于较高水平(图6), 绝大部分地区都大于1, 表明其处于生态—经济协调发展的良好态势; 而平潭综合实验区的值有所下降,为0.90, 较差于其他县(市、区), 面临生态—经济发展不协调的压力, 沿岸易受海风、海水侵蚀, 面临自然环境的威胁, 而近年来社会经济飞速发展, 加深了对原有生态系统稳定性的影响,故需完善生态管控措施, 加大环保投入。

3.3 土地利用变化的生态环境效应

通过生态系统服务价值测度土地利用变化生态环境效应, 得到2009—2015年福州市各类型及整体和各县(市、区)的生态环境效应指数, 如表7、表8所示。设2009年为基期年、2015年为终期年, 评估期间有无土地利用变化情况下区域生态服务价值, 估算两者之比, 结果显示: 福州市2009—2015年间土地利用变化环境效应指数为0.983, 小于1, 说明土地利用变化引起了生态环境衰退, 但影响程度微弱, 主要集中在园地、耕地、水域等土地利用类型环境效益的衰减。福州市的城乡建设占用了耕地、园地、水域等, 使原有耕地、园地、水域等拥有较高生态服务价值的用地类型的面积和生态效益减少, 干扰了生态系统整体结构与功能的平衡。其中, 仓山、平潭、长乐等地的土地利用变化引发环境衰弱程度较大, 近几年作为福州经济建设扩展的重点区域, 土地开发利用范围及强度不断扩大, 区域内生态功能受到限制。在全市范围内推动的“东扩南进、沿江向海”区域扩张计划一定程度上加剧了这种环境效应。因而, 在发展的同时需注重土地利用效率的优化和生态环境的维护。

图5 生态服务价值与地区生产总值比值

Figure 5 Ratio of ecological service value to regional GDP

图6 福州各县(市、区)生态—经济协调度

Figure 6 Ecological-economic coordination among districts and counties in Fuzhou

表7 2009—2015年福州市土地利用生态环境影响指数表

表8 2009—2015年福州各地区土地利用变化生态环境效应指数表

4 结论

综合运用相关指数模型, 评估并分析2009—2015年福州市土地利用变化状况及区域发展过程导致的生态环境效应, 得出如下结论:

(1)福州市土地利用程度仍有提升空间, 林地面积占比较大, 但随着各类建设用地扩张, 面临被挤占的压力。其中台江、鼓楼等土地利用程度高的地区在经济社会条件发展到较高水平后, 土地利用变化渐趋稳定; 晋安临近福州中心城区, 土地利用程度及变化率较低, 具备土地挖潜的优势, 可缓解城市建设用地供给。总体上, 福州城市建设扩展趋势向仓山、马尾、长乐、平潭等东南沿海地区延伸。

(2)福州市各县(市、区)间的生态服务价值与土地利用程度呈现出明显的地区差异。而福州市及各县(市、区)建设的生态—经济效益水平处于均衡状态, 福州市土地利用变化生态环境效应指数值为0.983, 各县(市、区)效应指数值皆接近于1, 表明福州市整体土地利用变化的环境影响基本处于平稳状态, 各辖区间具有微弱差异。

从土地利用变化角度阐释区域生态环境效应状况, 可以展现基于区域承载力的生态—经济均衡态势。在城乡建设过程中, 由于土地利用程度的增强, 不同类型用地的生态服务价值会出现缩减效应, 引发生态系统结构功能波动, 影响区域环境。因此, 新时期生产建设应重点考虑生态成本, 推进生态修复与改善工程, 加强区域生态竞争力。而土地利用变化与生态环境互动过程中, 作用因素间、因素与生态系统间的影响机制将是今后待深入研究的方向。

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Research on environmental effects of land use change based on ecosystem service values

HU Qiyu1,2, CHEN Songlin1,2,*

1. Provincial Key Lab of Subtropical Resources and Environment of Fujian, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China 2. Institute of Geography, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China

Exploring the impact of land use changes on the ecological environment has become a hot spot with the rapid development of social economy. The comprehensive index of land use degree and the average expansion index of urban and rural construction land were used to analyze the land use change; furthermore, the ecological environmental effects were assessed based on the ecosystem service values with or without land use change. The comprehensive index of land use in Fuzhou in 2015 was 241.53, and the rate of change from 2009 to 2015 was 0.011, which was in a stable state, and there were spatial differences among counties (cities, districts). From 2009 to 2015, the environmental effect index of land use change in Fuzhou was 0.983. All the districts and counties were lower than but close to 1, indicating that the changes in land use during theresearch period had a slight negative impact on the ecological environment. Combined with the eco-economic coordination model, it was determined that the ecological and economic development of Fuzhou and its districts and counties was basically in a state of equilibrium. Pingtan Comprehensive Experimental Area should be given priority to its ecological vulnerability in its construction expansion.

land use change; ecosystem service value; eco-economy coordination degree; eco-environmental effect

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.05.009

F301.24; X171.1

A

1008-8873(2019)05-058-10

2018-04-04;

2018-04-27

国家自然科学基金(41771136); 福建省科技重大专项(2012NZ0002)

胡其玉(1993—), 男, 四川成都人, 硕士研究生, 主要从事土地利用评价方面的研究, E-mail: zhongguo999long@qq.com

陈松林(1964—), 男, 福建南安人, 博士, 教授, 主要从事土壤地理与土地资源研究, E-mail: slchen6@163.com

胡其玉, 陈松林. 基于生态服务价值量的土地利用变化环境效应研究[J]. 生态科学, 2019, 38(5): 58-67.

HU Qiyu, CHEN Songlin. Research on environmental effects of land use change based on ecosystem service values[J]. Ecological Science, 2019, 38(5): 58-67.