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项目名称：快速城市化地区土地利用变化对生态服务价值的影响——以重庆市北碚区为例负责人：邵雪亚成员：孙小峰、徐佳艳、张国阳指导老师：刘勇研究意义项目名称：快速城市化地区土地利用变化对生态服务价值的影响——以重庆市北碚区为例国内外研究现状研究方法研究结果及结论综述生态系统服务是指通过生态系统的结构、过程和功能直接或间接得到的生命支持产品和服务，包括人类生活的必需品和人类生活质量的保证两部分[1,2]。1997年，Costanza等在《Nature》上发表了“全球生态服务价值和自然资本”一文[3]，对生态服务价值（ESV）进行了定量评估，引发了国内外众多学者对生态服务价值的理论、评价、核算方法和应用的研究。土地利用变化是引起生态服务价值变化的关键因素，它通过自然现象和生态过程的变化，如土壤养分和水分的变化、地表径流与侵蚀等[4,5]与生态服务互相影响、相互制约。目前，对生态服务价值在土地利用方面的应用研究，较多关注土地利用对生态系统服务总量的影响，但对空间差异和结构变化的研究较少。在快速城市化地区，土地利用结构发生剧烈变化，自然生态系统面积减少，生态服务价值减弱，由此产生的经济增长实质上是建立在自然资源消耗基础之上，因此在土地利用决策中，考虑土地利用的生态服务变化具有重要意义[6]。北碚区作为重庆市外环时代和两江新区重点建设区域，对促进重庆经济的高速发展具有重要意义，同时城市化的快速发展导致了土地利用结构的剧烈变化。中国城市化率由1990年的31.4%上升到2009年的46%，随着城市化步伐的不断加快，不可避免的导致城市化地区土地利用的剧烈变化，而土地利用变化又反作用于区域生态系统。人类活动造成的土地利用变化可引发各类陆地生态面积、空间分布与格局变化，导致生境与结构破碎，出现环境污染等一系列问题，影响生态系统服务功能。北碚是国家级社会发展综合实验区和山水园林城区，是典型的生态城市，城市化率由2000年53.1%上升到2009年的79.3%。城市化的快速发展使得土地利用发生了剧烈变化，导致生态环境的破坏，从而对生态系统服务功能造成了明显损害。因而探究土地利用变化对生态服务价值的影响机制成为协调“城市发展”与“生态稳定”的关键问题。因此，本课题以北碚为研究案例，采用土地利用结构变化分析和经济生态位模型方法开展土地利用变化研究，以Costanza、谢高地等提出的生态服务价值表为依据，根据北碚区的实际情况进行修正，获取北碚区生态服务价值的评估值及其动态变化，揭示土地利用变化对生态服务价值的影响机制。本项目的研究成果将会为北碚地区土地合理利用、生态安全保护提供重要参考依据与对策，有助于缓解快速城市化过程中土地利用变化带来的生态服务价值减少的问题。研究意义：国内外研究现状20世纪40年代国外学者提出生态系统服务功能是指自然生态系统及其组成物种产生的对人类生存和发展有支持作用的状况和过程。上世纪90年代后期才取得较大发展，国际科学联合会环境委员会于1991年组织了一次会议，会议成果促进了生态系统服务功能经济价值评估方法的发展。Costanza真正将生态系统服务功能推向了研究的前沿，[5,6,7,8]其将全球生态系统划分为热带林、温带林等16种生态类型，将生态系统功能的划分为水调节、休闲和文化等17个类型进行估算，并以货币形式显示了结果，货币化成果的显示为生态系统服务价值在研究中的应用作出了重要贡献。但Costanza等对全球生态系统服务价值的估算中未包含城市化生态系统的休闲和文化功能，且对耕地的估价过低，对湿地估价偏高。中国学者谢高地等在2006年评述了当前生态系统服务研究中存在的局限性，针对以往方法的不足，在Costanza方法的基础上提出了“中国陆地生态系统服务价值当量因子表”为我国生态系统服务价值的计算提供了标准。随着全球变化研究的深入和发展，各国科学家越来越深刻地感觉到人类对土地开发利用以及由此引起的土地覆被变化被认为是全球环境变化的重要组成部分和主要原因[9-10]。20世纪90年代，众多国外学者依据Costanza生态系统服务价值核算方法，对美国Texas等地区进行了较长时间尺度下的土地利用变化对生态系统服务功能影响的研究，[11-12]探究了土地利用变化对生态服务价值的影响机制，研究表明：城市类型的转变、大规模城市建设等人类活动导致水域和耕地等用地面积和比例急剧减少，生态服务价值急剧下降，其余绿地、城市住宅用地和公共建筑用地的生态服务价值均有不同程度的上升。研究揭示了土地利用变化过程中地类转变对生态服务价值的影响，介于生态服务价值核算方法的缺陷，未能体现不同单项生态服务价值的变化。根据Costanza、谢高地[13,14]等人的方法，汤洁等分析了松嫩平原腹地土地利用变化情况，制定区域单位面积生态系统服务价值系数[15]，生态服务价值系数的修订为区域生态服务价值地精确计算提供了保证。程丽丽等在遥感和地理信息系统技术支持下，以TM图像解译数据为基础，全面分析了1986—2000年松嫩平原西部土地利用动态变化特征，以谢高地的中国陆地生态系统服务单位面积价值为基础制定区域生态系统服务价值系数，计算生态服务价值并分析了土地利用变化对生态服务价值的影响[16]，但计算侧重于生态环境功能，忽略了休闲、文化等人文方面。针对以往研究中的不足，程江等（2009）以Costanza等的分类法为基础兼顾城市生态系统的休闲和文化价值，[17]评估了上海中心城区1947—2006年土地利用变化对区域生态系统服务价值功能的影响，揭示了土地利用变化对生态服务价值的影响机制。研究区域概况：重庆市北碚区位于东经106°18′14″、106°56′53″、北纬29°39′10″、30°3′53，是重庆都市圈的重要组成部分，全区幅员面积755km2，快速城市化区域面积208.73km2，包括北温泉、朝阳、天生街道三个城区；龙凤桥、东阳街道两个郊区；歇马、蔡家岗镇两个工业主导区。城市化率从2002年36.22%上升到2008年63.70%，工业总产值由2002年56．76亿元上升到2008年155.86亿元，同比增长172.83%。研究方法：1、土地利用数据来源研究采用的基本数据来源于北碚区2002、2005、2008年土地利用变更调查资料，城区内部分林地、水域等短缺数据由相应3期遥感影像补充；其他数据由统计年鉴及相关职能部门提供。2.土地利用变化表达依据可以提供生态系统服务功能的地类，将土地利用类型划分为耕地、园地、林地、水域、未利用土地、湿地和建设用地，水域面积计为坑塘水面、水库水面、湖泊及河流水面的总和，湿地面积为滩涂面积，仅工业主导区内有湿地分布，对其利用变化的研究缺乏可比性，于是没有进行相关研究。引进土地利用变化率(R)等指标，描述研究区内的变化情况，指标表达式为：R=（kbi-kai）/Kai（1）式中：kai—某区内特定土地利用类型研究期初的面积，kbi—某区内特定土地利用类型研究期末的面积。3.生态服务价值修订谢高地等人在Costanza的基础上，根据中国的实际情况，总结了气体调节、气候调节、水分调节、土壤形成、废物处理、生物多样性维持、食物生产、原材料生产和娱乐文化等在内的9项生态系统服务功能，并对中国200位生态学者进行问卷调查，得到了“中国不同陆地生态服务价值当量因子表”。研究中采用了该当量因子表，但针对北碚区具体情况，对单位面积农田每年自然粮食产量的经济价值进行了修正：以北碚区2002～2008年平均粮食产量5727kg/hm2为基准单产，粮食价格具有一定的波动性，故按2008年当地市价1.75元/kg计算，考虑到在没有人力投入的自然生态系统提供的经济价值为1/7，得出北碚区农田自然粮食产量的经济价值为1431元/hm2，得到“北碚地区不同陆地生态系统单位面积生态服务价值”。4.生态服务价值计算结果分析1、土地利用变化1.1土地利用时间变化1.2土地利用变化空间差异2、生态服务价值的评估结果及分析2.1生态服务价值的时间变化2.2生态服务价值空间差异2.3生态服务价值结构变化1、土地利用变化1.1土地利用时间变化根据2002～2008年土地利用变化数据，分2个时段计算了区域土地利用面积变化(表2)得出了区域土地利用时间变化特征，首先，2002～2008年，土地利用变化总体趋势是：耕地和未利用土地减少，耕地减少最多；园地、林地、水域和建设用地增加，以建设用地最多；但城区内园地、林地、水域持续减少。其次，2002～2005年，各分区园地和建设用地增加，以建设用地最多，其中工业主导区增量最大，城区其次，但城区出现了林地和水域减少的特有现象;相比之下，2005～2008年各分区耕地、园地、林地和未利用地减少，仅建设用地增加，其中耕地减少最多，工业主导区建设用地增量最大，城区其次。1.2土地利用变化空间差异根据土地利用变化数据，分区计算了2002～2005，2005～2008年土地利用变化率。变化率的分析不仅能反映单独地类的变化情况，同时不同分区间的对比，也反映了土地利用变化的空间差异，若某区域某种土地利用类型的变化率RR(整体)，则表示该区域这种土地利用类型变化较全区域大，即为土地利用变化的热点地区[9]。2002～2005年，土地变化的热点地区为城、郊区，其主要原因为：一方面，城、郊区农业内部结构调整；另一方面，由于城市基础设施的不断完善，城、郊区也逐渐成为农地非农化频繁发生的区域。2005～2008年，土地利用变化的热点地区为工业主导区，其主要原因为：一方面，工业的大规模发展导致大量其他土地转变为建设用地；另一方面是工业的快速发展导致部分农民放弃务农，地类结构发生剧烈变化。从整体看2002～2008年土地变化的热点地区为城区和工业主导区。2、生态服务价值的评估结果及分析2.1生态服务价值的时间变化从整体看，2002～2008年北碚总ESV减少，但2002～2005年，2005～2008年先增后减(表4)。2002～2005年，总ESV减少0.0474×108元，年均减少1.58×106元，年均变化-0.60%，耕地、未利用土地和建设用地ESV减少，其中，耕地ESV减少最多为0.0589×108元；2005～2008年总ESV减少0.1897×108元，年均减少6.32×106元，年均变化-2.45%，除湿地外，其他地类ESV均有减少，建设用地最多为0.1121×108元。综合以上分析，建设用地的快速增加是总ESV减少的主要驱动因素。2.2生态服务价值空间差异从整体看林地ESV所占比重最大，其他地类上各分区存在差异，建设用地比重呈负值体现。2002～2008年，城区部分耕地、林地ESV占总ESV比重逐年减少，但2005～2008年的减少比重要小于2002～2005年，园地、水域的比重基本保持稳定。与城区相比，郊区拥有生态服务价值的地类主要有耕地、林地、水域、园地和建设用地，2002～2008年，耕地占总ESV的比重呈逐年平均减少趋势，林地、水域所占的比重维持稳定，整体看，随着时间的推移，郊区生态服务价值组成基本维持稳定。在工业主导区，耕地、园地、林地、水域、湿地和建设用地组成了生态服务价值的主要部分，2002年到2008年间，耕地ESV占总ESV的比重逐年减少，可视为均匀变化，建设用地减少量最多，整体上看，产生生态服务价值的主要地类没有发生变化，只是不同地类占总ESV比重发生了变化。2.3生态服务价值结构变化2002～2008年间，生态服务价值总量降低，其中除娱乐休闲功能外，其他各项ESV均有不同程度的降低，以水源涵养和生物多样性保护功能降幅最大。从具体研究时段来看，2002～2005年气体调节、原材料和娱乐休闲功能呈小幅增长，其他各单项呈降低趋势；2005～2008年各项功能均有不同程度减少，仍以水源涵养和生物多样性降幅最大。结论：发现2002～2008年北碚总ESV先增后减，减少量大于增加量，共减少了0.05×108元，年均减少0.01×108元，年均变化率为0.32%；同时生态服务价值结构变化较大，废物处理、生物多样性和原材料等某