鄧偉,楊 華,崔艷君

(1.重慶師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,重慶400047;2.重慶高校市級GIS應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶400047)

土地利用是人類活動最直接的一種表現(xiàn)形式,土地利用變化一方面與自然環(huán)境演變相關(guān),另一方面與不斷增強(qiáng)的人類活動密切相關(guān),是自然與人文過程交叉最為密切的產(chǎn)物。土地利用變化可引起許多自然現(xiàn)象和生態(tài)過程變化,從而對生態(tài)環(huán)境的各個方面產(chǎn)生深刻影響。土地利用及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)目前已成為土地科學(xué)及全球變化研究的熱點(diǎn)問題之一[1-3],研究土地利用變化及其對生態(tài)環(huán)境的影響,對于了解區(qū)域生態(tài)環(huán)境乃至全球環(huán)境變化具有重要意義[4]。由于土地利用與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系密切,相關(guān)研究把土地利用變化驅(qū)動下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(ecosystem services values,ESV)變化,作為土地利用變化環(huán)境效應(yīng)的一個重要量化指標(biāo)。通過計算特定研究區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值,可定量分析生態(tài)環(huán)境質(zhì)量對土地利用演變的響應(yīng),進(jìn)而對土地資源的可持續(xù)利用提出有益建議[5]。

1 研究區(qū)概況、實(shí)驗(yàn)材料和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

重慶主城區(qū)分布于長江與嘉陵江交匯處及其附近河谷地帶,界于縉云山與明月山之間。本研究區(qū)包括渝中區(qū)、沙坪壩區(qū)全部,北碚區(qū)、渝北區(qū)、江北區(qū)、南岸區(qū)、巴南區(qū)、大渡口區(qū)、九龍坡的主城區(qū)部分,面積為1 612.79 km2。區(qū)內(nèi)以山地、丘陵為主,平地較少,山地有縉云山、歌樂山-中梁山、南山,主要干流為長江、嘉陵江,城區(qū)座落在這兩江交匯處,四面環(huán)山,江水回繞,城市傍水依山,層疊而上。區(qū)內(nèi)人口密集,工農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá),經(jīng)濟(jì)活動頻繁,是重慶市政治、文化、經(jīng)濟(jì)的中心地區(qū)。重慶地處長江上游、三峽庫區(qū)庫尾,城市的生態(tài)地位十分重要。重慶成為直轄市后,城市建設(shè)速度高速增長,在10 a間擴(kuò)張了6倍多。區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能發(fā)生了巨大變化,所以利用土地利用變化來研究區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的變化情況,無疑具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1.2 數(shù)據(jù)源介紹

參照《土地利用現(xiàn)狀分類》[6],針對重慶主城區(qū)特點(diǎn),根據(jù)影像解譯能力以及參考前人研究結(jié)果[7],將全區(qū)土地利用/覆蓋分為建設(shè)用地、旱地、有林地、水田、灌木林、未利用地和水體7大類。

本研究分別采用 1978年 7月份MSS影像、1993年5月份的TM 5影像及2007年7月份TM 5影像為基本數(shù)據(jù)源。三期遙感影像的空間分辨率分別為78 m、28.5m和28.5m。MSS影像具有4個波段,采用7,5,4波段組合。TM 5影像具有7個波段,本研究對TM 5選取運(yùn)用Chaveztal[8]提出的最佳指數(shù)(OIF-Optimum index)法計算出的適合本區(qū)研究的7,4,3波段進(jìn)行組合。研究工作平臺建立在專用遙感數(shù)據(jù)圖像處理軟件(ERDAS 9.1)、地理信息系統(tǒng)軟件(A rcGIS 9.2)上。

本研究區(qū)以主城區(qū)1∶50 000地形圖為基準(zhǔn),利用二次多項式對遙感影像進(jìn)行幾何精校正。同時,為了保證研究區(qū)域幾何校正的精度,選取控制點(diǎn)多集中在研究區(qū)域范圍內(nèi),并使控制點(diǎn)分布盡可能均勻,在整體RMS＜0.5的前提下,研究區(qū)域的幾何畸變得到了有效的控制[9]。

應(yīng)用監(jiān)督分類和目視解譯相結(jié)合的方式,分別對1978年、1993年和2007年三期的遙感影像進(jìn)行分類,獲取7類土地利用類型,然后運(yùn)用分類疊加、聚類統(tǒng)計、過濾分析、去除分析,對得到的結(jié)果進(jìn)行重新編碼。完成編碼后,將柵格圖轉(zhuǎn)換為可以編輯的矢量圖,并建立拓?fù)潢P(guān)系,最后利用A rcGIS 9.2對矢量圖進(jìn)行編輯修改,最終得到三期重慶主城區(qū)土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用動態(tài)度 利用土地利用動態(tài)度模型來定量反映區(qū)域土地利用變化的速率,對比較不同時段土地利用變化差異和預(yù)測未來土地利用變化的趨勢具有積極的意義。

單一土地利用類型動態(tài)度表示某研究區(qū)域一定時間范圍內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化情況,表達(dá)式為

式中:K——研究時段內(nèi)某一土地利用類型動態(tài)度;U a,U b——研究期初和研究期末某一種土地利用類型的數(shù)量;T——研究時段長。當(dāng)T設(shè)為年時,K就是該研究區(qū)域某種土地利用類型的年變化率。

1.3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評價方法 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其價值的研究開始于20世紀(jì)70年代,但由于缺乏相應(yīng)的價值評估理論與方法體系而進(jìn)展緩慢。1997年Costanza等人[10]的研究成果使生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估的原理與方法從科學(xué)意義上得以明確,將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究推向生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)研究的前沿。Costanza等人將全球生態(tài)系統(tǒng)劃分為16大類26小類,將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能劃分為17種功能,并以此為基礎(chǔ)對全球生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價值進(jìn)行了估算。謝高地[11]根據(jù)中國的具體情況,制定了中國不同陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值表(表1)。

本文根據(jù)重慶主城區(qū)具體情況,參照中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值表,并結(jié)合張鳳太等[12]確定的重慶城鎮(zhèn)生態(tài)服務(wù)價值,確定出重慶主城區(qū)生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值(表2),并運(yùn)用Costanza的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值公式,計算重慶主城區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值。其公式為

式中:ESV——生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值;Ak——研究區(qū)第k種土地利用類型的面積;VCk——生態(tài)系統(tǒng)價值系數(shù);ESV f——生態(tài)系統(tǒng)第 f項服務(wù)功能價值;VCfk——研究區(qū)第k種土地利用類型的第 f項服務(wù)功能價值系數(shù)。

表1 中國不同陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值 元/hm2

表2 重慶主城區(qū)生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值 元/hm2

1.3.3 敏感性分析方法 相關(guān)研究[13]借用敏感性指數(shù)(Coefficient of sensitivity,CS)確定ESV隨時間變化對VC變化的依賴程度。CS的含義是指VC變動1%引起ESV的變化情況,如果CS＞1,說明ESV對VC是富有彈性的;反之說明ESV對VC是缺乏彈性的,其比值越大,表明 VC的準(zhǔn)確性越關(guān)鍵。本文通過分別調(diào)整50%的VC來計算CS,從而來說明ESV對VC的敏感程度。敏感性指數(shù)計算公式為:

式中:ESV,VC,k的含義同前;i,j——代表初始價值和調(diào)整生態(tài)價值系數(shù)以后的價值。

表3 1978-2007年重慶主城區(qū)土地利用類型變化

2 土地利用/土地覆蓋變化狀況

經(jīng)過對重慶主城區(qū)的遙感影像解譯以及數(shù)據(jù)處理,分別統(tǒng)計出重慶主城區(qū)在1978年、1993年和2007年的各類土地利用現(xiàn)狀面積以及土地利用變化情況(如表3所示),可以發(fā)現(xiàn):(1)1978-1993年,重慶主城區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了一些變化,灌木林地增加幅度最大,由1978年的36.41 km2增加到了1993年的798.36 km2,增加了761.95 km2,平均每年增加50.80 km2,其動態(tài)度為139.50%。其次建設(shè)用地由53.47 km2增加到了94.33 km2,平均每年增加2.72 km2。水田面積在1978-1993年間減少量最為顯著,由653.78減少到84.79 km2,減少了568.99 km2,平均每年減少37.93 km2,其動態(tài)度為-5.80%。

另外旱地和有林地減少量也較多,分別由476.59 km2和 221.63 km2減少到362.96 km2和137.96 km2,分別減少了113.63 km2和83.67 km2。未利用地和水體也有所減少,分別減少了 14.84 km2和21.65 km2,平均每年減少0.99 km2和1.44 km2。但是由于未利用地和水體本身的面積很小,所以其影響在整個研究區(qū)域內(nèi)并不明顯。(2)1993-2007年,主城區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)變化劇烈。特別是建設(shè)用地的變化幅度,由1993年的94.33 km2增加到2007年的329.07 km2,增加了234.74 km2,其增加量是前一時段增加量的近6倍,平均每年增加16.77 km2,其動態(tài)度為17.77%。其次旱地、有林地和水體也有所增加,分別增加了21.6 km2、26.59 km2和13.54 km2。1993-2007年間,灌木林地呈現(xiàn)大量減少的趨勢,由798.36 km2減少到608.72 km2,減少了 189.64 km2,平均每年減少 13.55 km2,其動態(tài)度為-1.70%。另外水田和未利用地也有所減少,分別減少了42.84 km2和64.01 km2,平均每年減少3.06 km2和4.57 km2,其動態(tài)度為-3.61%和-5.76%。

將兩個時段的土地利用動態(tài)度進(jìn)行對比,可以發(fā)現(xiàn),后期土地利用變化的劇烈程度遠(yuǎn)大于前期的變化程度,這說明在重慶成為直轄市之后,加大了經(jīng)濟(jì)投資力度,城市建設(shè)的高速增長,占用了城市周邊的大量林地和耕地,使得林地出現(xiàn)大幅度減少,耕地繼續(xù)呈減少趨勢。

3 土地利用/土地覆蓋的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)分析

近幾十年來,不合理的土地利用所引起的生態(tài)環(huán)境問題日益突出,土地利用變化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究開始受到人們的關(guān)注。土地利用的環(huán)境效應(yīng)存在正負(fù)兩個方面,其中負(fù)面的環(huán)境效應(yīng)相對更加突出,是土地利用環(huán)境效應(yīng)研究的主要內(nèi)容[14]。

表4 1978-2007年重慶主城區(qū)生態(tài)服務(wù)價值變化 億元

3.1 土地利用變化引起生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化

對土地利用變化的環(huán)境效應(yīng)的定量分析,根據(jù)重慶主城區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)(表2)和各土地利用類型面積(表3),計算出研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值來定量化分析生態(tài)環(huán)境質(zhì)量相對土地利用變化的演變。

由表4可以看出:1978年重慶主城區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值為14.73億元,1993年為20.95億元,2007年為18.56億元,1978-1993年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值增長了6.22億元,而1993年后生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值減少了2.39億元。其中建設(shè)用地和水田在兩個時段內(nèi)呈持續(xù)減少,近30 a間共減少了1.48億元和3.74億元。灌木林在前期大幅度的增長14.73億元后在后期也出現(xiàn)了減少的趨勢。旱地和有林地在兩個時段也分別共減少了0.56億元和1.10億元。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化說明是重慶直轄后,城市建設(shè)力度加大,建成區(qū)面積不斷擴(kuò)大,侵占大量林地和耕地(旱地和水田),使得生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總量在1978-1993年間呈增長后在1993-2007年間出現(xiàn)減少。從各種土地利用類型引起的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化來看,近年來重慶主城區(qū)內(nèi)建設(shè)用地增加,旱地和水田顯著減少,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值減少。30 a間土地利用結(jié)構(gòu)的變化從生態(tài)服務(wù)價值角度判斷為不可持續(xù)。

表5 1978-2007年重慶主城區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值和敏感性指數(shù)

3.2 生態(tài)服務(wù)價值敏感性評價

應(yīng)用上述敏感性指數(shù)的計算方法,對不同土地利用類型的生態(tài)服務(wù)價值系數(shù)分別下調(diào)整50%,計算出研究區(qū)的敏感性指數(shù)CS,如表5。結(jié)果表明:各種情況下,價值系數(shù)的敏感性指數(shù)CS都小于1,最低值為0.000 3,即當(dāng)未利用地生態(tài)價值系數(shù)增加1%時,總價值增加0.000 3%;最高值為0.81,即林地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)增加 1%,總價值增加0.81%。這說明,主城區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值對于生態(tài)服務(wù)價值系數(shù)的變化是缺乏彈性的,研究結(jié)果可信。

4 結(jié)論與討論

(1)根據(jù)重慶主城區(qū)1978年、1993年、2007年 3期土地利用數(shù)據(jù),分析了主城區(qū)近30年土地利用狀況,參照Costanza及謝高地等提出的相關(guān)生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值,確定出重慶主城區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù),并估算了土地利用變化所引起的主城區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化。結(jié)果表明,本文所選用的生態(tài)價值系數(shù)是比較合理的,以土地利用/覆被變化為基礎(chǔ)研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值動態(tài)是可行的。

(2)重慶主城區(qū)近30 a間,城市建設(shè)用地面積由53.47 km2增加到329.07 km2,增加了6倍多,特別是1993-2007年,城市建設(shè)用地面積增加量占總增加量的85.17%。水田面積持續(xù)減少,總減少量為611.83 km2。灌木林在前期大幅度增加后也有相當(dāng)量向城市建設(shè)用地轉(zhuǎn)化。生態(tài)系統(tǒng)總服務(wù)價值由1978年的14.74億元增加到1993年的22.58億元,生態(tài)環(huán)境朝著好的方向發(fā)展。但1993-2007年,生態(tài)系統(tǒng)總服務(wù)價值減少到了18.56億元,其中灌木林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的減少最為顯著,占了總服務(wù)價值減少量的70.44%,另外水田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的持續(xù)減少對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值減少也有一定影響。這表明重慶成為直轄市后,城市建設(shè)速度加快,占用了城市周邊的大量林地和耕地,特別是林地的大面積減少,導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)受到嚴(yán)重影響,今后應(yīng)加強(qiáng)城市退耕還林措施的實(shí)施及環(huán)境保護(hù)、城市綠化等工作的有效開展。

(3)重慶成為直轄市以來,由于城市建設(shè)的高速發(fā)展致使區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)價值有較大幅度的降低,生態(tài)系統(tǒng)受到嚴(yán)重影響。如不根據(jù)實(shí)際情況采取措施,土地利用變化所產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)會持續(xù)惡化,危及區(qū)內(nèi)的生態(tài)環(huán)境安全。本文對1978-2007年研究區(qū)因土地利用類型時間變化而導(dǎo)致的ESV變化進(jìn)行了初步探討,并做了定量分析,但沒有對ESV變化空間差異進(jìn)行討論,這是今后應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)研究的方面。

[1] Bo lund P,H unhammar S.Ecosystem services in urban areas[J].Ecological Econom ics,1999,29:293-301.

[2] Bjork lund J,Limburg K,Rydberg T.Impact of p roduction intensity on the ability of the agricultural landscape to generate ecosystem services:an exam ple from Sweden[J].Eco logical Economics,1999,29:269-291.

[3] H olmund C,Hammer M.Ecosystem services generated by fish popu lations[J].Eco logical Eonom ics,1999,29:253-268.

[4] 郭玉雙,臧淑英.土地利用變化生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究方法探討[J].黑龍江科技信息,2008(33):111.

[5] 張健.安徽東部地區(qū)土地利用變化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評價[J].安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2008,35(3):352-358.

[6] 中華人民共和國質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.土地利用現(xiàn)狀分類[Z].2007.

[7] 曾志遠(yuǎn),潘賢章.數(shù)字衛(wèi)星圖像分類和航空像片目視判讀所確定的地面覆蓋和土地利用類型面積的初步比較[J].土壤學(xué)報,2004,41(5):810-814.

[8] Chavez P S,Berlin G L,Sower L B.Statisticalmethod for selecting Landsat MSS ratios[J].Journalof Applied Photographic Engineering,1982,8(1):22-30.

[9] 劉琳.基于RS和GIS的合肥市土地利用變化分析[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2008,31(10):1684-1687.

[10] Costanza R,d'A rge R,deG root R,etal.The Value of the world's Ecosystem Services and Natural Capital[J].Nature,1997,387:253-260.

[11] 謝高地,魯春霞,冷允法,等.青藏高原生態(tài)資產(chǎn)的價值評估[J].自然資源學(xué)報,2003,18(2):189-196.

[12] 張鳳太,蘇維詞,趙衛(wèi)權(quán).基于土地利用/覆被變化的重慶城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值研究[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報,2008,24(3):21-25,50.

[13] 王宗明,張樹清,張柏.土地利用變化對三江平原生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響[J].中國環(huán)境科學(xué),2004,24(1):125-128.

[14] 楊風(fēng)亭,劉紀(jì)遠(yuǎn),莊大方,等.中國東南紅壤丘陵區(qū)土地利用變化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究進(jìn)展[J].地理科學(xué)進(jìn)展,2004,23(5):43-55.