上海市土地利用变化对生态系统服务价值的影响研究.pdf
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1、上海国土资源Shanghai Land&Resources 2023Vol.44.3 79doi:10.3969/j.issn.2095-1329.2023.03.013上海市土地利用变化对生态系统服务价值的影响研究王丹妮(上海市地质调查研究院,上海 200072)摘 要:面对资源约束趋紧、环境污染严重、生态系统退化的严峻形势,建设生态文明是当前改善生态环境的迫切需要。研究土地利用变化对地区生态系统服务价值的影响,能够为土地资源的可持续利用与生态环境保护建设提供科学依据。本文以上海市(陆域)为研究对象,基于 20102020 年土地利用变更数据,采用当量因子法和 GIS 空间分析技术,分析上海
2、市 2010、2020 年两期的土地利用变化特征与生态系统服务价值时空变化的关系。结果表明:(1)20102020 年,上海市土地利用格局变化明显,除草地和林地的面积增长外,其他各类用地面积均有不同程度的减少,其中水域面积减少最多,林地面积增加最多。(2)20102020 年间上海市生态系统服务价值减少 52.65 亿元,主要是因为水域面积减少所致。(3)在 500 m500 m 格网尺度下,上海市生态系统服务价值在空间上总体表现为高高、低低集聚,局部呈现高低、低高集聚的特点,人类活动是其主要驱动因素。关键词:土地利用;生态系统;服务价值;空间分析;驱动因素中图分类号:F293.22;X171
3、.1 文献标志码:A 文章编号:2095-1329(2023)03-0079-06生态系统服务是指生态系统与生态过程中所形成及所维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用。量化生态系统服务价值(ecosystem service value,ESV)有利于了解生态系统的供给情况与生态效益的大小。近年来,随着人类活动的不断加剧,土地不合理利用导致的生态环境、资源利用等严重问题不断涌现,也对生态系统服务价值产生了一系列影响。随着 2001 年联合国组织千年生态系统评估项目的启动,国内外掀起了一股生态系统服务价值相关的研究热潮1-3。目前,国内外对于土地利用变化与生态系统服务价值的动态研究多从土地利用方
4、式、类型、格局变化的响应角度出发4,各研究者之间仅研究尺度略有不同,从国家、流域到省市、县域5-7。在城市方面,有学者基于乐山市 2010、2017 年遥感影像,探析乐山市土地利用变化对 ESV 空间分布差异的影响,结果表明乐山市 ESV 的变化呈现极化效应,需进一步加强区域生态管控8;一些学者发现在 1 km1 km 格网尺度下,南昌市 ESV 在空间上表现为高高、低低集聚,自然资源禀赋与人类活动是其主要驱动因素9。对于上海市,有学者基于 Costanza 的生态系统服务单价和我国国情,评估了上海中心城区 19472006 年土地利用变化对区域生态系统服务功能的影响,结果表明 60 年间生态
5、系统服务功能呈现 4 个发展阶段,除水域和耕地的生态系统服务功能显著下降外,其余地类均有上升10;另一些学者同样基于 Costanza 模型,结合谢高地等的研究成果,计算了 20032007 年间上海市 ESV 的变化情况,结果显示ESV 对价值系数的变化是缺乏弹性的11。这两项针对上海市的研究均缺乏土地利用变化与ESV的空间对应研究,故本文以上海市(陆域)为研究对象,基于 20102020年土地利用变更数据,采用当量因子法和 GIS 空间分析技术,分析上海市 2010、2020 年两期的土地利用变化特征与生态系统服务价值时空变化的关系,旨在为土地资源的可持续利用与生态环境保护建设提供科学依据
6、。1 数据来源与研究方法1.1 研究区概况上海市位于中国华东地区,平均海拔高度 2.19 m。上海市包括黄浦区、徐汇区、长宁区、静安区、普陀区、虹口区、杨浦区、闵行区、宝山区、嘉定区、浦东新区、收稿日期:2023-06-30修回日期:2023-08-08作者简介:王丹妮,1988 年生,女,硕士,工程师,主要从事土地质量监测与评价等研究。电子邮箱:基金项目:上海市规划和自然资源局科研项目“上海市土地质量调查与监测”“上海市土地质量环境质量监测网优化研究”上海国土资源 Shanghai Land&Resources80 2023Vol.44.3 金山区、松江区、青浦区、奉贤区、崇明区的 16 个
7、区,常住人口约为 2475.89 万人。1.2 数据来源研究数据来源于上海市 2010 年、2020 年土地利用变更数据,依据中国科学院土地利用/覆被分类标准,将各细分土地利用类型归并为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地 6 种土地利用类型(图 1)。社会经济数据主要来自上海统计年鉴(20112021 年)。1.3 研究方法(1)生态系统服务价值当量的确定采用我国学者提出的中国生态系统价值系数12,结合上海市具体情况,依据上海市 20102020 年粮食作物产值、粮食单产数据,综合相关文献和区域自然情况,采用一个标准生态服务当量子的经济价值等于研究区单位面积农田粮食产值的 1/7 的中
8、国生态系统服务系数修正方法13,得出上海市一个生态系统服务价值当量为 2491.64元/hm2。(2)基于格网的 ESV 空间表达结合上海市地形特征、面积大小等因素,采用 500 m500 m 格网作为评价单元,利用 ArcGIS 10.6 软件确立覆盖上海市陆域的格网。格网确定后,以每个格网内土地利用类型数据为基础,计算出各个格网中的 ESV:nmnmEALU=(1)1ksnnEE=(2)式中:nE 是每一个格网单元内第 n 类土地利用类型的生态系统服务价值;sE 是每一个格网单元内生态系统服务价值总量;mnA为第 m 个网格中第 n 种土地利用类型的面积(2hm);mLU 为第 m 种土地
9、利用类型的单位面积生态系统服务价值;k 为土地利用类型个数。(3)空间自相关分析本文中的全域空间自相关是利用 Morans I 指数来判断上海市 ESV 在空间上是否有聚集特性存在,局域空间自相关是利用 Anselin Local Morans I 指数判断上海市ESV 在空间上的聚集空间单元及其空间自相关性的显著性。2 土地利用结构变化2.1 土地利用数量变化表 1 反映出 20102020 年上海市主要土地利用类型一直是建设用地、耕地,2010 年、2020 年这两种地类总面积分别占上海市总面积的 70.81%、66.82%。从变化量可知,林地和草地面积分别增加 39270.09 hm2、
10、17263.71 hm2,林地增幅为 57.29%,草地增长了 10.52 倍;水域和耕地面积大幅减少,面积分别缩减 28287.43 hm2、19245.35 hm2,降幅分别为 21.61%、10.14%,建设用地面积缩减 8474.49 hm2,降幅达 2.81%。2.2 土地利用转移分析由表 2 可知,20102020 年间上海市耕地的转出面积最多,转出 67010.97 hm2,主要转变为林地、建设用地,面积分别为 35686.95 hm2、21318.34 hm2;其次是建设用地,转出 49405.24 hm2,主要转变为林地、耕地,面积分别为 18502.13 hm2、14375
11、.76 hm2;水域转出面积达 45698.66 hm2,主要转变为耕地、建设用地、林地,面积 分 别 为 20202.66 hm2、10709.78 hm2、10407.45 hm2。林地的转入面积最多,为 65164.72 hm2,主要由耕地、建表 1 20102020 年上海市土地利用面积和变化率Table 1 The land use area and rate of change in Shanghai from 2010 to 2020 时间项目耕地林地草地水域建设用地未利用地2010 年面积(hm2)189739.2168544.001640.19130897.38301268.
12、741302.26占比(%)27.369.890.2418.8843.450.192020 年面积(hm2)170493.86107814.0918903.91102609.96292794.24775.72占比(%)24.5915.552.7314.8042.230.1120102020 年面积(hm2)-19245.3539270.0917263.71-28287.43-8474.49-526.55变化率(%)-10.1457.291052.54-21.61-2.81-40.43图 1 不同时期上海市土地利用现状图Fig.1 Land use status map of Shanghai
13、in different periods上海国土资源Shanghai Land&Resources 2023Vol.44.3 81设用地、水域转入,面积分别为 35686.95 hm2、18502.13 hm2、10407.45 hm2;其次是耕地,转入面积为 47765.62 hm2,主要由水域、建设用地、林地转入,面积分别为20202.66 hm2、14375.76 hm2、12512.20 hm2。其中,耕地林地是永久基本农田划定过程中耕地从严判定的体现,建设用地林地、耕地是上海市近 5 年大力推进集建区外低效建设用地减量化,将低效建设用地转为农用或生态用地功能的行动结果,水域耕地、林地
14、多为沿海滩涂围垦造田、郊区以坑塘水面为代表的水域土地整治的结果,而耕地、水域建设用地是上海市城市化进程中集建区建设开发的结果。3 生态系统服务价值变化3.1 生态系统服务价值数量变化通过确立的上海市生态系统服务价值当量(2491.64元/hm2),由此计算出上海市 6 种土地利用类型的单位面积生态系统服务价值(见表 3)。在确立各种土地利用类型的单位面积生态服务价值的基础上,采用生态系统服务价值计算公式,计算上海市土地生态系统服务价值:1niiiEVCA=(3)式中:E 代表研究区生态系统服务价值总量;iVC 代表第i 类土地利用类型的单位面积生态系统服务价值(当量/hm2);iA 代表第 i
15、 类土地利用类型的面积(hm2);n 为研究区所有土地利用类型个数。表 4 反映的是 20102020 年上海市土地利用的 ESV变化情况。由表可知,10 年间 ESV 共减少了 52.65 亿表 2 20102020 年上海市土地利用和生态系统服务价值转移矩阵Table 2 Conversion matrix of the change of land use and ESV from 2010 to 2020类别2010 年耕地林地草地水域建设用地未利用地转入2020 年耕地面积(hm2)12512.20315.5420202.6614375.76359.4647765.62ESV(万元)
16、-59421.29-592.80-538624.0413933.69330.50林地面积(hm2)35686.95355.2010407.4518502.13212.9965164.72ESV(万元)169479.681019.56-228047.92105800.981207.36草地面积(hm2)1243.143110.994372.759718.67141.4218586.97ESV(万元)2335.48-8929.71-108366.9727678.22395.71水域面积(hm2)8745.592382.64142.456060.0580.5117411.24ESV(万元)23316
17、6.6652208.313530.36167441.052220.20建设用地面积(hm2)21318.347887.28510.0610709.78505.2840930.74ESV(万元)-20662.77-45101.90-1452.63-295914.49-25.18未利用地面积(hm2)16.951.520.006.02748.63773.12ESV(万元)-15.59-8.62-165.9837.31转出面积(hm2)67010.9725894.631323.2545698.6649405.241299.66表 4 20102020 年上海市土地利用的 ESV 变化情况Table
18、4 Changes of ESV about land use in Shanghai from 2010 to 2020类型ESV(亿元)ESV变化量(亿元)ESV变化率(%)2010 年2020 年2010-2020 年2010-2020 年耕地18.39016.525-1.865-10.14林地39.19661.65122.45557.29草地0.4675.3844.9171052.89水域361.673283.514-78.159-21.61建设用地0.000.000未利用地0.0060.004-0.002-33.33总计419.733367.079-52.654-12.54表 3 2
19、0102020 年上海市 6 种土地利用类型的单位面积生态系统服务价值Table 3 The ESV per unit of six types of land use in Shanghai from 2010 to 2020服务类型评价指标耕地(元/hm2)林地(元/hm2)草地(元/hm2)水域(元/hm2)建设用地(元/hm2)未利用地(元/hm2)供给服务食物生产3388.50722.58548.161848.800.000.00原料生产224.321644.48822.24707.630.000.00水资源供给-6552.35847.16448.5017815.230.000.00
20、调节服务气体调节2765.615406.862840.472481.670.0049.83气候调节1420.1816195.667524.756358.670.000.00净化环境423.564808.872491.6412856.860.00249.16水文调节6776.6511810.375506.52215870.710.0074.75支持服务土壤保持25.176602.853463.383004.920.0049.83维持养分循环473.39498.33274.08229.230.000.00生物多样性523.226004.853164.389004.790.0049.83文化服务美学
21、景观224.242641.141395.326124.450.0024.92上海国土资源 Shanghai Land&Resources82 2023Vol.44.3 元,降幅达 12.54%。从土地利用类型上看,水域是上海市 ESV 的主体,在 2010 年 ESV 达 361.673 亿元,占总价值量的 86.17%;其次是林地和耕地,2010 年 ESV 分别为 39.196 亿元、18.390 亿元,占比到达 9.34%、4.38%。到了 2020 年,六种土地利用类型中,林地和草地的 ESV分别增长了 22.455 亿元、4.917 亿元;水域和耕地的 ESV分别减少了 78.159
22、 亿元、1.865 亿元。比较不同生态系统服务类型的 ESV 可知,水文调节的 ESV 占比最高,2010、2020 年分别达到 72.34%、67.24%。主要原因一是提供水文调节的水域基础当量远远大于其他地类,二是在上海市土地利用类型中水域面积较大(见表 5)。比较生态系统服务价值变化量(见表 2)可知,在土地利用转移过程中,耕地水域、耕地林地、建设用地水域、建设用地林地使得 ESV 增加,分别增加 23.317亿元、16.948 亿元、16.744 亿元、10.580 亿元,共占土地利用类型转移过程中 ESV 增加量的 86.57%;水域耕地、水域建设用地、水域林地、水域草地会导致ESV
23、 减少,分别减少 53.862 亿元、29.591 亿元、22.805亿元、10.837 亿元,减少量占土地利用类型转移过程中ESV 减少量的 89.57%。可知,20102020 年间,上海市水域转向其他用地类型导致了 ESV 的减少,而耕地、建设用地转向水域、林地导致了 ESV 的增加,水域的转入转出是引起 ESV 较大变化的主要原因。3.2 生态系统服务价值空间分布变化以 500 m500 m 的格网作为研究单元,计算每个格网的 ESV,并按照自然断点法将上海市 ESV 分为五个等级,一级最低,五级最高。图 2 反映的是 20102020 年上海市 ESV 分布情况,由图可知:(1)20
24、10 年上海市ESV 高值区主要分布于崇明岛的长江北港北支、北湖、东滩、东风西沙、青草沙,宝山区的陈行宝钢水库、青浦区的淀山湖金泽水库一带、浦东新区的南汇沿岸新围垦滩地、奉贤区的杭州湾北岸沿海滩涂以及黄埔江等水域占比高的沿河沿岸地区;2020 年 ESV 高值区在南汇沿岸、崇明地区面积大量缩小,仅在东风西沙地区有所扩大。(2)2010 年较高值区除沿高值区外围分布外,主要集中分布于崇明岛、青浦以及奉贤等郊区中河流水面、坑塘水面密集分布的地区,2020 年较高值区在青浦、奉贤区范围缩小,在崇明岛内整体向岛内、东部转移。(3)中值区与较低值区交错分布,主要分布于郊区的城郊结合带地区,2020 年分
25、布情况基本一致。(4)上海市ESV 低值区主要位于中心城区、郊区集建区等建设用地占比高的城镇化地区,2020 年上海市 ESV 低值区范围进一步扩大,沿已有集建区外围扩张,低值区的增长主要集中在金山南部、浦东新区临港新城地区。3.3 生态系统服务价值空间自相关变化分析表 6 反映的是上海市 ESV 各年份 Morans I 统计值计算结果,由表可知:2010 年、2020 年上海市 ESV 的Morans I 值均大于 0,P 值均小于 0.001,表明上海市表 5 20102020 年上海市生态系统服务价值变化情况 Table 5 Changes of ESV in Shanghai fro
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