基于生态系统服务价值最大化的皖江城市带土地利用结构优化

周振宏，朱庆山，周 敏，王绘绘，胡 琦，刘东义，汤伟宏

(安徽农业大学林学与园林学院，安徽合肥 230036)

0 引言

近年来，随着城市快速发展，土地利用结构也在快速改变，当土地利用变化改变原有的生态系统，其生态系统服务价值也会随之改变[1-3].因此，研究土地利用结构优化对生态系统服务价值的影响具有重要意义[4-6].目前，国内外已有很多学者对生态系统服务价值进行了研究.在全球、国家尺度上，Costanza对全球生态系统服务价值进行分类核算[7].在Costanza研究的基础上，谢高地对700位生态专家进行了问卷调查，然后根据中国的生态特点改进了适用于中国的生态系统服务价值当量系数表[8].在区域尺度上，涂小松等利用土地覆被遥感解译数据分析鄱阳湖地区2000—2010年生态系统服务价值空间格局及其动态演化[9].张骞等分析了重庆市1988—2013年生态系统服务价值变化及生态用地空间变化[10].但是，目前对于生态系统服务价值的研究大多是根据某一时期的基础数据进行分析、统计，对于未来动态变化预测以及土地结构优化的相关研究较少.本文以皖江城市带作为研究对象，通过优化皖江城市带的用地结构及提升区域生态系统服务价值以此达到生态效益最大化的目标.揭示皖江城市带土地利用与生态系统服务价值间的互动关系，为合理配置环境资源、制定区域保护政策、推动人与自然可持续发展提供了数据支持及相关参考资料.

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

皖江城市带(见图1)位于安徽省中南部地区，沿江通海、承东启西，地处东经115°45'～119°40'，北纬29°56'～33°22'之间.皖江城市带包括合肥、芜湖、马鞍山、滁州、安庆、池州、铜陵、宣城8个地级市以及六安市的金安区和舒城县,位于长三角西部,是长江经济带重要的组成部份[11].

图1 皖江城市带区位图Fig.1 Location map of the Wanjiang River Urban Belt

1.2 数据来源

本研究从土地植被覆盖数据集(http://globeland30.org/)中获取30 m土地覆盖图，运用ARCGIS软件绘制出皖江城市带2000年、2010年、2020年三个时期的土地利用图(准确率均超过85%).根据皖江城市带实际土地类型情况，使用的30 m土地覆盖图数据中，涉及的土地类型有耕地、林地、草地、湿地、水域、人造地表与未利用地.文章使用的社会经济数据包括土地面积、粮食产量和平均粮食价格等来源于《安徽省统计年鉴》(2000—2020年)《农产品成本收益资料汇编》(2019年).

2 研究方法

2.1 分析土地利用变化

土地利用动态变化分析：指的是研究区一定时间范围内某种土地利用类型的变化情况[12].计算公式如下：

ΔS=Sb-SaK=(Sb-Sa)/Sa×100%

(1)

式中：Sa表示初期土地利用的面积；Sb表示末期土地利用的面积.

2.2 修正与计算生态系统服务价值

修正生态因子当量:本文参照谢高地等制定的中国生态系统服务价值当量因子表[8]，结合皖江城市带实际情况修正计算出一个标准当量为1.36.皖江城市带2019年耕地的年均粮食产量为5 902 kg/hm2，代替研究期内平均粮食产量，计算出研究区耕地的1个当量因子的生态系统服务价值为1 846.48元.

生态系统服务价值时空变化:可表明研究时期内生态系统服务价值的变化趋势及速度，并且可减少土地面积及不同当量标准对生态系统服务价值的影响[12]，计算公式为：

(2)

2.3 敏感性指数分析

敏感性指数(coefficient of sensitivity，CS)可判断ESV对价值当量系数的依赖程度.当CS>1，表明ESV对生态服务价值当量系数(VC)是有弹性的；当CS<1，则说明缺乏弹性[13].敏感性计算公式如下：

(3)

式中：i和j表示调整前后的系数，ESVi和ESVj表示调整前后的生态价值量[13].

2.4 GM(1,1)模型

GM(1,1)模型基于累加生成的数列预测模型，对应的标准型解为[14]：

(4)

其中：为验证模型的精度，采用后验差检验法进行检验，后验差比值C与小误差频率P定义为[14]：

(5)

2.5 Lingo模型目标函数设置

2.5.1 模型变量及目标函数设置 基于皖江城市带土地利用情况和参考文献[16]模型变量的设定，本文选取了7个变量，X1—X7分别为耕地、林地、草地、湿地、水域、人造地表、未利用地.根据城市带的经济、社会情况，设定目标函数为：

F(x)max=V1X1+V2X2+V3X3+V4X4+V5X5-V6X6+V7X7

(6)

式中，F(x)代表生态系统服务总价值，V代表各土地利用类型的单位面积价值.

2.5.2 模型约束条件设置 土地结构优化受到多方面因素影响，因此本文根据城市带的经济、社会可持续发展和相关政府规划政策，对不同土地利用类型设置了以下相应的约束条件.

(1)总用地约束：根据总面积不变的原则，优化后城市带面积总量应与优化前保持一致，即：

S=X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7=75 826.41 km2

(7)

(2)耕地需求约束：为保障城市带可持续化发展，因此设定优化后城市的耕地面积不得低于2020年耕地面积，即X1≥39 613.98 km2.

(3)林地需求约束：由于皖江城市带当前生态承载力较弱，极易发生水土流失、石漠化等现象，因此应以目前保有量为底线，即X2≥23 319.49 km2.

(4)草地需求约束：在保障生态安全的情况下,根据土地利用现状确定草地面积上限为2 394.09 km2，即X3≤2 394.09 km2.

(5)湿地需求约束：为保障城市带的生态环境，拟恢复湿地面积不低于2010年水平，即X4≥656.69 km2.

(6)水域需求约束：为保证生产及居民生活用水，选取城市带2010年的水域面积为最大值，不应超过2010年水域面积，即4 862.06 km2≤X5≤5 052.01 km2.

(7)人造地表需求约束：为满足城市带可持续、快速发展需求，人造地表面积不低于现有面积，即3 810.33 km2≤X6≤5 300.42 km2.

(8)未利用地需求约束：为优化城市的生态结构，将集中对城市带内的未利用地进行整治，因此未利用地面积将会减少，设定未利用面积为3.86 km2≤X7≤4.78 km2.

3 结果分析

3.1 皖江城市带2000—2020年土地利用变化格局

如图2和表1所示，2000—2020年期间，皖江城市带经历了快速的城市化过程，同时也经历了广泛的土地利用变化.耕地一直是皖江城市带土地利用的主要类型，在2000年和2020年分别占54.30%和52.24%，但我们可以看到自2000年以来耕地持续减少.林地是皖江城市带的第二大主要土地覆盖类型，有着微弱的下降趋势，从2000年的31.70%不断减少到2020年的30.75%.在整个研究的区域中，未利用地的土地覆盖率最小，变化的趋势也不明显，从2000年的0.01%增加到2020年的0.03%.

图2 皖江城市带2000—2020年土地利用变化图Fig.2 Land use changes in the Wanjiang River Urban Belt from 2000 to 2020

表1 土地利用动态变化表Tab.1 Land use dynamic change table

3.2 皖江城市带2000—2020年生态系统价值服务的变化格局

皖江城市带2000—2020年土地类型的生态系统服务价值变化总体呈增长的趋势(表2).皖江城市带总生态系统服务价值由2000年215.36亿元增加到2010年的249.77亿元，在2020年达到237.54亿元，总体趋势看2000年到2020年是增长的，变化率为10.3%.2020年皖江城市带生态系统的服务价值排序依次为：水域>林地>耕地>草地>湿地>未利用地>人造地表.综上所述，皖江城市带总生态系统价值服务与土地利用类型的变化紧密，土地类型之间的变化改变了生态系统服务价值.

表2 生态系统服务价值变化表(107CNY/year)Tab.2 Table of changes in ecosystem service values (107CNY/year)

3.3 敏感性分析

将土地利用类型的生态价值系数调动50%来分析生态系统服务价值的变化及对价值系数的敏感程度(表3).耕地和林地的敏感性指数高达0.543、0.317，说明耕地、林地的VC分别每提高1%，城市带总生态系统服务价值将分别增加0.543%和0.317%，远超其他地类.结果表明，城市带总生态系统服务价值对耕地和林地的价值系数比较敏感，因此需要关注耕地、林地面积的变化对城市带生态系统服务价值的影响.

3.4 皖江城市带土地及生态系统服务价值预测

如表4所示，基于2000年皖江城市带的各土地利用类型面积作为基础数据，设置5年为一期，通过GM(1,1)动态预测模型推算出2020—2030年皖江城市带各土地类型的预测，并计算出2025、2030年皖江城市带的生态系统服务价值.其中耕地、水域、林地面积均呈现下降趋势；湿地和草地面积均保持增加趋势，未利用地和人造地表则出现了异常的上升趋势，变化率为70.81%、37.30%.由于城市扩张速度极快、生态环境承载力下降、水土流失严重及未利用地面积较小，导致这两类土地类型变化率较高.

表4 2025—2030年土地面积及生态系统服务价值预测Tab.4 Forecast of land area and value of ecosystem services, 2025—2030

从各土地类型的生态系统服务价值来说，在2020—2030期间，耕地、林地和水域的生态系统服务价值呈现下降，分别减少了0.65、1.92、4.08亿元；草地、湿地增加了0.24、0.43亿元；未利用地增幅虽高达70.81%，但对总生态系统服务价值影响不大；人造地表的快速增加使得总生态系统服务价值快速减少，约为6.22亿元.2025年皖江城市带生态系统服务价值为229.44亿元，2030年为217.24亿元，相对于2020年的237.54亿元，变化率分别为了5.61%、8.54%，降幅速度很快.

3.5 生态系统服务价值优化前后变化

运用LINGO软件对皖江城市带生态系统服务总价值的函数进行迭代计算，得出最优解，即基于生态系统服务价值最大化的皖江城市带土地利用结构优化方案(表5).通过对皖江城市带的土地利用结构进行优化调整，城市带总生态系统服务价值将提高至2 451.76×107元，较优化前提高了3.20%，其中主要因为湿地与水域提高了生态系统服务的供给能力.在土地利用类型方面，变化幅度较大的未利用地通过人工造林及开垦旱地等举措转变为林地与耕地，价值减少了0.48×107元；湿地与水域价值分别增加了33.02×107元、44.05×107元，人造地表通过集约土地等方式，面积有所减少，但对总生态系统服务价值影响不大.

表5 土地利用优化前后生态系统服务价值变化Tab.5 Changes in the value of ecosystem services before and after land use optimization

4 结论与讨论

(1)皖江城市带2000—2020年主要土地利用类型以林地与耕地为主，大概占到城市带总面积的85.00%以上.

(2)在2000—2020年内，城市生态系统服务价值总体上呈现先上升后下降趋势，20年间约增长了22.18亿元，变化率为10.30%.

(3)基于生态系统服务价值最大化对对研究区进行土地利用结构优化调整后，皖江城市带总生态系统服务价值将提高至2 451.76×107元，较优化前提高了3.20%.

本文利用一阶线性动态模型(GM1,1)预测2020—2030年皖江城市带的生态系统服务价值，讨论如何优化皖江城市带土地利用结构方案，达到生态效益最大化的目标，可为皖江城市带生态发展规划提供一定的数据支持.然而，本研究也存在着一些不足.在预测未来城市土地需求时，仅采用了线性回归方法，导致预测精度有限.未来可采用系统动力学模型，从机理上更精确地预测城市土地的需求量，提高土地数据准确性.