朱康文， 雷 波， 李月臣， 何 君， 楊春華

1.重慶市環(huán)境科學(xué)研究院， 重慶 401147 2.重慶師范大學(xué)職教師資學(xué)院， 重慶 401331 3.重慶師范大學(xué)三峽生態(tài)環(huán)境遙感研究所， 重慶 401331

生態(tài)紅線保護(hù)下的兩江新區(qū)土地利用/覆蓋情景模擬及生態(tài)價(jià)值評(píng)估

朱康文1,3， 雷 波1*， 李月臣2,3， 何 君1,3， 楊春華1

1.重慶市環(huán)境科學(xué)研究院， 重慶 401147 2.重慶師范大學(xué)職教師資學(xué)院， 重慶 401331 3.重慶師范大學(xué)三峽生態(tài)環(huán)境遙感研究所， 重慶 401331

生態(tài)保護(hù)紅線的劃定對(duì)于維護(hù)國(guó)家和區(qū)域生態(tài)安全具有非常重要的作用，是我國(guó)在生態(tài)環(huán)境保護(hù)方面的重要舉措. 為分析生態(tài)保護(hù)紅線劃定后區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化情況，以重慶市兩江新區(qū)為例，采用CLUE-S模型對(duì)未來(lái)的土地利用變化情況進(jìn)行情景模擬，并在此基礎(chǔ)上對(duì)各地類價(jià)值系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估優(yōu)化模型，對(duì)不同情景下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行定量計(jì)算，分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的敏感度及變化度. 結(jié)果表明：①采用CLUE-S模型對(duì)兩江新區(qū)的未來(lái)土地利用進(jìn)行空間模擬效果較好(Kappa系數(shù)達(dá)到0.82以上)，模型的普適性較好. ②生態(tài)價(jià)值敏感度結(jié)果表明兩江新區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值對(duì)價(jià)值系數(shù)的變化缺乏彈性，結(jié)果的可信度高. ③2020年生態(tài)保護(hù)情景下，林地的面積增加量大于自然增長(zhǎng)情景，城鎮(zhèn)和工礦用地則相反，生態(tài)保護(hù)紅線對(duì)于城鎮(zhèn)擴(kuò)張起到了一定的約束作用. ④2014年現(xiàn)狀、2020年自然增長(zhǎng)情景和2020年生態(tài)保護(hù)情景下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值分別約為10.53×108、10.50×108和10.88×108元，兩種未來(lái)情景下耕地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值減少最為明顯，林地、水域服務(wù)價(jià)值均表現(xiàn)出增加的趨勢(shì). ⑤林地和水域的生態(tài)價(jià)值變化度表明其面積變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響較大. 研究顯示，CLUE-S模型進(jìn)行小區(qū)域的土地利用變化情景模擬效果較好，構(gòu)建的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估優(yōu)化模型計(jì)算結(jié)果的可信度較高. 政府相關(guān)部門(mén)可以根據(jù)生態(tài)保護(hù)紅線及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估結(jié)果，進(jìn)一步優(yōu)化生活、生產(chǎn)和生態(tài)空間，使其在城市規(guī)劃、績(jī)效考核和生態(tài)補(bǔ)償中得到實(shí)際運(yùn)用，在區(qū)域的經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展中起到支撐作用.

生態(tài)保護(hù)紅線； 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值； CLUE-S模型； 兩江新區(qū)

近年來(lái)隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境破壞范圍的擴(kuò)大，國(guó)內(nèi)外均對(duì)如何處理好經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)保護(hù)之間的關(guān)系，提出了相關(guān)政策[1]. 習(xí)近平同志在中央政治局第六次集體學(xué)習(xí)會(huì)上指出，不能以犧牲環(huán)境為代價(jià)換取一時(shí)的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，牢固樹(shù)立生態(tài)保護(hù)紅線的觀念，十八屆三中全會(huì)提出將劃定生態(tài)保護(hù)紅線作為深化改革的重要內(nèi)容，2015年新環(huán)境保護(hù)法(《環(huán)保法修訂案》)明確提出要控制城市發(fā)展的邊界，劃定生態(tài)保護(hù)紅線，嚴(yán)控生態(tài)空間中的開(kāi)發(fā)建設(shè)等對(duì)生態(tài)產(chǎn)生破壞的項(xiàng)目[2]. 表明我國(guó)已開(kāi)始高度重視生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，生態(tài)保護(hù)紅線的劃定對(duì)于進(jìn)一步優(yōu)化“三生空間[3](生活空間、生產(chǎn)空間、生態(tài)空間)”具有很好的推動(dòng)作用，是治理生態(tài)環(huán)境問(wèn)題、推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的重要舉措之一[4-7]. 那么如何評(píng)判生態(tài)保護(hù)紅線劃定所帶來(lái)的生態(tài)價(jià)值？如何衡量區(qū)域管理者在生態(tài)紅線保護(hù)工作中的成效？如何讓生態(tài)紅線在生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制中得到實(shí)際運(yùn)用？都是目前的關(guān)注熱點(diǎn)和急需解決的問(wèn)題. 該研究通過(guò)模擬生態(tài)紅線保護(hù)下未來(lái)的土地利用/覆蓋變化情況，對(duì)劃定前后的多種變化情景的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行評(píng)估，以此來(lái)解決上述存在的問(wèn)題.

目前對(duì)于未來(lái)土地利用/覆蓋變化的情景模擬方法較多，包括CA-Markov模型[8-10]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[11-12]、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法[13-16]、CLUE-S模型[17-18]等. 但是不論是用何種模型進(jìn)行空間模擬基本都是考慮自然增長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、政策調(diào)整、發(fā)展規(guī)劃等方面[19-20]，對(duì)于生態(tài)保護(hù)紅線劃定這種生態(tài)空間管控情景下的模擬研究尚不多見(jiàn). 該研究將生態(tài)保護(hù)紅線作為未來(lái)情景下的空間要素之一，采用既可以加入空間化限制因子又能夠?qū)⒛M結(jié)果空間化的CLUE-S模型(與ArcGIS軟件結(jié)合使用). CLUE-S模型是一種高分辨率的土地利用/覆蓋變化情景模擬空間模型[21-23]，它的優(yōu)點(diǎn)是可以展現(xiàn)不同情景不同時(shí)空尺度下的土地利用/覆蓋變化情況，能準(zhǔn)確模擬和預(yù)測(cè)小范圍內(nèi)的土地利用/覆蓋變化，能兼顧影響土地利用/覆蓋變化的自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)因子[24-26]. 不同發(fā)展模式下模擬結(jié)果的空間及數(shù)量的對(duì)比分析可以直觀地判斷哪種模式有利于城市的健康發(fā)展，該研究以2008年為基礎(chǔ)，對(duì)2014年的土地利用/覆蓋變化情況進(jìn)行模擬，并與2014年現(xiàn)狀數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析以確定模擬的參數(shù)和驗(yàn)證模型的模擬精度，然后以2014年為基礎(chǔ)對(duì)2020年的土地利用/覆蓋變化情況進(jìn)行情景模擬. 為了更清晰地展現(xiàn)生態(tài)保護(hù)紅線劃定對(duì)生態(tài)環(huán)境帶來(lái)的益處，定量化地體現(xiàn)生態(tài)保護(hù)將帶來(lái)的生態(tài)價(jià)值，需要對(duì)不同情景下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行評(píng)估. 國(guó)內(nèi)外目前針對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估的方法較多，很大一部分主要是針對(duì)某一種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，如生物多樣性保護(hù)價(jià)值、水源涵養(yǎng)價(jià)值等[27-28]，另外一部分則比較注重多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的綜合評(píng)估[29-32]. 以Costanza等[30]對(duì)全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及價(jià)值的研究最具代表性，其將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能劃為氣候調(diào)節(jié)、水分控制等17種功能，對(duì)全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行估算，并提出各種土地類型的生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù). 我國(guó)學(xué)者,如歐陽(yáng)志云等[33-34]運(yùn)用或改進(jìn)該評(píng)估方法對(duì)我國(guó)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行了評(píng)估. 目前使用較多的是謝高地等[35]結(jié)合我國(guó)實(shí)際特點(diǎn)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)修正后的方法，并對(duì)我國(guó)一級(jí)生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行了估算，但該方法沒(méi)有考慮城市生態(tài)系統(tǒng)娛樂(lè)和文化價(jià)值. 鑒于此，筆者在參考Costanza等[36]研究基礎(chǔ)上，以重慶兩江新區(qū)為例，充分考慮不同土地利用類型的正負(fù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，并結(jié)合區(qū)域的實(shí)際情況及相關(guān)專家給出的意見(jiàn)，提出優(yōu)化的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估體系. 引入生態(tài)價(jià)值敏感度和變化度分析區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值對(duì)不同土地利用類型的價(jià)值系數(shù)和面積變化的響應(yīng)情況[37]，以此判斷計(jì)算結(jié)果的可信度，并對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化的影響機(jī)制進(jìn)行初步分析，以期為城市布局、價(jià)值評(píng)估、生態(tài)補(bǔ)償以及政府宏觀決策提供參考，進(jìn)一步推進(jìn)兩江新區(qū)的生態(tài)文明建設(shè)，推動(dòng)“在保護(hù)中發(fā)展，在發(fā)展中保護(hù)”理念的實(shí)施.

1 研究區(qū)概況

兩江新區(qū)成立于2010年6月，是我國(guó)第三個(gè)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)的新區(qū)，位于重慶主城區(qū)長(zhǎng)江以北、嘉陵江以東，包括江北區(qū)、北碚區(qū)、渝北區(qū)部分區(qū)域，規(guī)劃總面積 1 200 km2(見(jiàn)圖1). 兩江新區(qū)區(qū)域內(nèi)縉云山、中梁山、銅鑼山、明月山呈南北向平行分布，屬于典型的山地城市，地形起伏度大. 兩江新區(qū)是歐亞國(guó)際物流大通道的樞紐地區(qū)、中國(guó)發(fā)展戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型的熱點(diǎn)地區(qū)、長(zhǎng)江上游地區(qū)的金融中心和創(chuàng)新中心、中國(guó)內(nèi)陸地區(qū)第一個(gè)國(guó)家級(jí)開(kāi)發(fā)開(kāi)放新區(qū)[38]. 目前在重慶市乃至全國(guó)都具有非常重要的地位，其作為西部地區(qū)和長(zhǎng)江上游地區(qū)經(jīng)濟(jì)中心的地位和作用進(jìn)一步增強(qiáng)，對(duì)周邊地區(qū)的輻射和帶動(dòng)作用日趨明顯，2010—2015年GDP從 1 001×108元增至 2 020×108元，年均增長(zhǎng)達(dá)17.5%.

圖1 兩江新區(qū)行政區(qū)劃Fig.1 The administrative map of Liangjiang New Area

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度的加快，對(duì)于生態(tài)環(huán)境的污染和破壞也隨之增加，兩江新區(qū)在未來(lái)發(fā)展中如何處理好經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的關(guān)系成為關(guān)注的焦點(diǎn). 為了落實(shí)“在保護(hù)中發(fā)展，在發(fā)展中保護(hù)”的綠色發(fā)展理念，兩江新區(qū)更應(yīng)堅(jiān)守生態(tài)保護(hù)紅線這條底線和生命線，因此在生態(tài)保護(hù)紅線劃定的前提下，結(jié)合兩江新區(qū)的基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)(鄉(xiāng)鎮(zhèn)點(diǎn)、DEM、不同級(jí)別道路、水系等數(shù)據(jù))對(duì)兩江新區(qū)未來(lái)的土地利用覆蓋變化情況進(jìn)行模擬，可以反映其城市發(fā)展布局的趨勢(shì). 定量化的生態(tài)價(jià)值評(píng)估將體現(xiàn)出生態(tài)保護(hù)紅線劃定對(duì)兩江新區(qū)未來(lái)經(jīng)濟(jì)健康持續(xù)發(fā)展的保障作用，對(duì)于進(jìn)一步促進(jìn)經(jīng)濟(jì)建設(shè)、城市建設(shè)和生態(tài)建設(shè)的同步實(shí)施，全面提升兩江新區(qū)的生態(tài)文明建設(shè)水平及其未來(lái)城市發(fā)展布局提供參考.

2 研究方法

2.1數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

2008年和2014年兩江新區(qū)土地利用數(shù)據(jù)是根據(jù)2008年和2014年兩期Landsat TM/ETM影像經(jīng)過(guò)大氣校正、幾何校正、拼接、裁剪等預(yù)處理過(guò)后，利用ArcGIS軟件平臺(tái)，采用人機(jī)交互和野外核查相結(jié)合的解譯方法，通過(guò)選擇控制點(diǎn)的方式進(jìn)行實(shí)地核對(duì)，檢驗(yàn)結(jié)果顯示誤差均在1個(gè)像元內(nèi)，符合精度要求，得到兩期分辨率為30 m的土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)，土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、城鎮(zhèn)和工礦用地、未利用地. 高程、坡度、起伏度通過(guò)25 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)提取得到. 鄉(xiāng)鎮(zhèn)點(diǎn)、國(guó)道、省道、高速公路、市區(qū)主干道、其他道路、鐵路、地鐵、水系等數(shù)據(jù)均為shp格式的矢量數(shù)據(jù). 兩江新區(qū)生態(tài)保護(hù)紅線數(shù)據(jù)〔主要是“四山(縉云山、中梁山、銅鑼山、明月山)”管制區(qū)的禁建區(qū)〕來(lái)自重慶市環(huán)境保護(hù)局的《重慶市生態(tài)保護(hù)紅線劃定方案》(渝府辦發(fā)〔2016〕230號(hào))，此方案已經(jīng)通過(guò)重慶市政府常務(wù)會(huì)，方案的數(shù)據(jù)格式為shp格式的矢量數(shù)據(jù). 為滿足CLUE-S模型的輸入要求并結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，在ArcGIS軟件中將所有數(shù)據(jù)均重采樣為40 m分辨率的柵格數(shù)據(jù)，并按照模型的輸入要求在ArcGIS軟件中轉(zhuǎn)換為ASCⅡ碼文件，模擬的時(shí)間步長(zhǎng)為6 a.

2.2CLUE-S模型及輸入要素介紹

CLUE-S模型通過(guò)計(jì)算每個(gè)單元內(nèi)土地利用類型的變化情況來(lái)反映該區(qū)域內(nèi)土地利用/覆蓋變化情況[18,39]，主要由需求模塊和空間分配模塊構(gòu)成[40](見(jiàn)圖2)，輸入要素主要包括4個(gè)方面：土地需求文件、限制區(qū)文件(生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)域)、各土地利用類型的轉(zhuǎn)換規(guī)則及轉(zhuǎn)換彈性系數(shù)以及各土地利用類型與各驅(qū)動(dòng)因子之間的關(guān)系.

圖2 CLUE-S模型模擬基本流程Fig.2 The basic process of simulation of the CLUE-S model

2.2.1土地利用需求

土地利用需求是指計(jì)算模擬期間內(nèi)每年各土地利用類型的需求量，該研究采用情景分析法進(jìn)行分析，即2020年自然增長(zhǎng)情景(簡(jiǎn)稱自然增長(zhǎng)情景)和2020年生態(tài)保護(hù)情景(簡(jiǎn)稱生態(tài)保護(hù)情景). ①自然增長(zhǎng)情景，即按照前一個(gè)研究期間的多年平均變化速度進(jìn)行變化. 土地利用需求不受外部干擾，均按照2008—2014年的變化率恒定變化，如耕地、林地、草地、水域、城鎮(zhèn)和工礦用地、未利用地的變化率分別為-7.28%、3.18%、-6.45%、1.57%、4.66%、-12.12%，2020年各土地利用類型的需求量分別為 22 636.96、41 105.44、47.36、4 754.72、48 668.32、0.48 hm2. ②生 態(tài)保護(hù)情景，即在自然增長(zhǎng)的基礎(chǔ)上，加大對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，降低城市擴(kuò)張的速度，提升林地覆蓋率等，調(diào)整各類型的變化速度. 土地利用需求以生態(tài)保護(hù)為主，生態(tài)保護(hù)紅線范圍內(nèi)嚴(yán)格限制人類開(kāi)發(fā)作為限制因子，因此耕地、草地、水域、未利用地的變化率基本不變，林地增速加快，城鎮(zhèn)和工礦用地增速將減緩，以此來(lái)調(diào)整每年的各土地利用類型的需求[25-26]，如耕地、林地、草地、水域、城鎮(zhèn)和工礦用地、未利用地的變化率分別為-7.29%、4.03%、-6.11%、1.58%、3.89%、-12.12%，2020年各土地利用類型的需求量分別為 22 633.76、42 865.44、48.96、4 756.32、46 908.32、0.48 hm2.

2.2.2轉(zhuǎn)換系數(shù)

根據(jù)不同土地利用類型的歷史變化情況和未來(lái)的實(shí)際土地規(guī)劃情況設(shè)置各土地利用類型的穩(wěn)定程度，可由模型參數(shù)ELAS(轉(zhuǎn)換系數(shù))定義：①一般情況下，不會(huì)轉(zhuǎn)換為其他土地利用類型的ELAS設(shè)為1；②極易變化的土地利用類型的ELAS設(shè)為0；③0

2.2.3Logistic回歸分析

二項(xiàng)Logistic回歸是目前最常用的二項(xiàng)選擇模型，其因變量只有2個(gè)值——0和1，選取某一土地利用類型作為因變量，驅(qū)動(dòng)因子作為自變量[41]，回歸分析結(jié)果為CLUE-S模型中必須輸入的文件，表示不同土地利用類型與不同驅(qū)動(dòng)因子之間關(guān)系. 假設(shè)一個(gè)柵格出現(xiàn)土地利用類型i的條件概率為Pi=P(yi=1|xi)，則Logistic回歸模型假定此概率的Logistic函數(shù)可以表達(dá)為

式中：X1i,X2i，…，Xni表示土地利用類型i的各驅(qū)動(dòng)因子;n為驅(qū)動(dòng)因子數(shù)量;β0為常數(shù)，β1，β2，…，βn為解釋變量Xk(k=1,2，…，n)對(duì)應(yīng)的回歸系數(shù).將式(1)變換為線性函數(shù)[17]：

(2)

在SPSS 20.0軟件將6種土地利用類型與11種驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行回歸分析，可以得到土地利用類型回歸方程的系數(shù)(β)和回歸方程常量，用Pontius等[42]提出的ROC(receiver operating characteristic)方法對(duì)回歸結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1.

以耕地為例(其他回歸模型以此類推)，Logistic回歸模型為

0.000 01X2+0.000 04X3-0.000 09X4-

0.000 1X5+0.000 03X6+0.000 56X7+

0.000 07X8+0.000 12X9+0.000 27X10

(3)

2.2.4動(dòng)態(tài)模擬

CLUE-S模型的動(dòng)態(tài)模擬主要是基于初期土地利用類型分布現(xiàn)狀圖、土地利用空間分布概率適宜圖、驅(qū)動(dòng)因子、Logistic回歸方程、轉(zhuǎn)換規(guī)則等基礎(chǔ)上進(jìn)行的，土地利用需求進(jìn)行空間分配主要依據(jù)總概率TPROP的大小，通過(guò)多次迭代實(shí)現(xiàn)[43-44]. 迭代分配過(guò)程：

表1 Logistic回歸分析結(jié)果

TPROPw,i=Pw,i+ELASi+ITERi

(4)

式中,w為柵格代碼，ELAS表示轉(zhuǎn)換系數(shù)，ITERi為迭代變量值.

2.3生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估優(yōu)化模型

在Costanza等[36]確定的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)基礎(chǔ)上，考慮所有土地利用類型的正負(fù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，并結(jié)合兩江新區(qū)實(shí)際情況和相關(guān)專家的意見(jiàn)，對(duì)該研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，建立優(yōu)化的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估模型(見(jiàn)表2). 表2中所有價(jià)值均折算成2003年價(jià)格進(jìn)行核算，由于各地區(qū)耕地(水田和旱地)面積變化較小，采用謝高地等[35]確定的中國(guó)陸地耕地的平均價(jià)值系數(shù)；根據(jù)兩江新區(qū)這種山地城市的實(shí)際情況及專家的意見(jiàn)，林地價(jià)值系數(shù)在謝高地等[35]確定的價(jià)值系數(shù)上增加15%；城鎮(zhèn)和工礦用地對(duì)兩江新區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生了較大的負(fù)面影響，根據(jù)專家意見(jiàn)和謝高地等[35]確定的價(jià)值系數(shù)為0的基礎(chǔ)上，以及張鳳太等[37]在重慶市主城區(qū)開(kāi)展的相關(guān)研究，價(jià)值系數(shù)在其基礎(chǔ)上每hm2降低8%，因此城鎮(zhèn)和工礦用地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)為每hm2減少 5 800元hm2；參考張鳳太等[37]對(duì)重慶市主城區(qū)的相關(guān)研究及Costanza等[36]的研究，鑒于長(zhǎng)江和嘉陵江流經(jīng)該區(qū)域，故結(jié)合專家意見(jiàn)，草地價(jià)值系數(shù)按照Costanza等[36]確定的平均值，水域價(jià)值系數(shù)在張鳳太等[37]研究結(jié)果基礎(chǔ)上增加1.5%；未利用地價(jià)值系數(shù)參考謝高地等[35]研究結(jié)果.

表2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)

Table 2 The coefficient of ecosystem services value 元hm2

表2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)

土地利用類型Costanza等[36](全球陸地生態(tài)系統(tǒng))謝高地等[35](中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng))張鳳太等[37](重慶市主城區(qū))兩江新區(qū)林地16658196132067222500草地202564984261542615旱地764620362036203水田764620362036203濕地16251456290——水域703634126455813556800荒漠03714——城鎮(zhèn)和工礦用地00-53721-5800未利用地———3714

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的計(jì)算公式：

(5)

式中：V為研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)總服務(wù)價(jià)值，元；Ai為第i種土地利用類型的面積，hm2；CV,i為第i種土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù).

2.4土地利用變化率

土地利用變化率(K)用來(lái)表示兩江新區(qū)耕地、林地、草地、水域、城鎮(zhèn)和工礦用地、未利用地的變化狀況[45]，計(jì)算公式：

(6)

式中：Ua、Ub分別為研究初期和末期某土地利用類型的面積，hm2；T為時(shí)間步長(zhǎng)，當(dāng)T的單位為a時(shí)，K值就是某土地利用類型的年變化率.

2.5生態(tài)價(jià)值敏感度

生態(tài)價(jià)值敏感度(CS)反映生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值對(duì)價(jià)值系數(shù)的依賴程度，表示某土地利用類型的生態(tài)價(jià)值系數(shù)變化引起的總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化.CS>1表示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值具有彈性;CS<1表示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值缺乏彈性[46]. 計(jì)算公式:

(7)

式中：V為估算的生態(tài)系統(tǒng)總服務(wù)價(jià)值，元；CV為生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)；f和g分別表示生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)調(diào)整前后的狀況.

2.6生態(tài)價(jià)值變化度

生態(tài)價(jià)值變化度(RC)表示某類土地利用面積的增加或減少引起的生態(tài)系統(tǒng)總服務(wù)價(jià)值的變化狀況.RC>1時(shí)表明某類土地利用面積的變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)總服務(wù)價(jià)值影響明顯，RC<1時(shí)表明某類土地利用面積的變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)總服務(wù)價(jià)值影響不明顯[47]. 計(jì)算公式：

(8)

式中,A為某土地利用類型的面積，hm2.

3 結(jié)果與討論

3.1土地利用/覆蓋變化情景模擬結(jié)果

以2008年兩江新區(qū)的土地利用覆蓋數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)對(duì)2014年土地利用覆蓋進(jìn)行模擬，并將結(jié)果與2014年土地利用覆蓋現(xiàn)狀數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析以驗(yàn)證模擬的精度，采用Kappa精度分析方法對(duì)模擬結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，Kappa指數(shù)為0.82，表示模擬結(jié)果較好，達(dá)到了模擬的精度要求，模型的普適性很好，模型的精度主要取決于驅(qū)動(dòng)因子、輸入?yún)?shù)等選取是否恰當(dāng)；然后以2014年土地利用覆蓋現(xiàn)狀數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行2020年土地利用覆蓋的情景模擬，結(jié)果如圖3所示.

模擬結(jié)果顯示，自然增長(zhǎng)情景下，耕地面積減至 22 716.48 hm2，林地、城鎮(zhèn)和工礦用地面積分別增至 41 218.24、48 586.24 hm2，耕地主要轉(zhuǎn)為林地、城鎮(zhèn)和工礦用地，新增林地主要分別在海拔較高靠近“四山”的區(qū)域，新增城鎮(zhèn)和工礦用地主要分布在長(zhǎng)江和嘉陵江附近區(qū)域，與山地城市的實(shí)際發(fā)展情況一致. 生態(tài)保護(hù)情景下，林地面積增至 43 223.36 hm2，相比自然增長(zhǎng)情景增加 2 005.12 hm2，但城鎮(zhèn)和工礦用地面積僅增至 46 920.80 hm2，比自然增長(zhǎng)情景減少 1 665.44 hm2. 生態(tài)保護(hù)情景下的新增林地主要由耕地轉(zhuǎn)入，新增城鎮(zhèn)和工礦用地在紅線范圍內(nèi)沒(méi)有增加. 為了更清晰地展現(xiàn)不同土地利用類型的變化情況，引入土地利用變化率進(jìn)行分析(見(jiàn)表3)，發(fā)現(xiàn)兩種情景下，到2020年，耕地的面積減少最多，自然增長(zhǎng)情景和生態(tài)保護(hù)情景下分別減少 17 518.4 和 17 572 hm2，變化率分別為-7.26% 和-7.28%，說(shuō)明耕地轉(zhuǎn)換為其他用地類型最多，并且生態(tài)保護(hù)情景下高于自然增長(zhǎng)情景. 林地在自然增長(zhǎng)情景和生態(tài)保護(hù)情景下變化率分別達(dá)到3.23%和4.20%，城鎮(zhèn)和工礦用地在自然增長(zhǎng)情景和生態(tài)保護(hù)情景下變化率分別達(dá)到4.63%和3.90%. 從表3可以明顯地看出，生態(tài)保護(hù)情景下林地的變化率增大，城鎮(zhèn)和工礦用地的變化率變小，生態(tài)保護(hù)對(duì)城市的發(fā)展起到了一起的約束作用. 總體來(lái)說(shuō)，兩種情景下的各地類變化趨勢(shì)與山地城市的發(fā)展?fàn)顩r基本一致，城鎮(zhèn)用地基本由耕地和林地轉(zhuǎn)換而來(lái)，城鎮(zhèn)擴(kuò)展基本在坡度較小的沿河或山頂平壩區(qū)域，但是由于生態(tài)保護(hù)紅線的劃定限制了森林覆蓋率高的“四山”管制區(qū)區(qū)域的城鎮(zhèn)擴(kuò)張，城鎮(zhèn)擴(kuò)張開(kāi)始向山下等還未城鎮(zhèn)化的區(qū)域蔓延，說(shuō)明宏觀政策調(diào)控對(duì)于區(qū)域發(fā)展的影響較大，這與王日明等[48]對(duì)重慶市其他區(qū)域的研究結(jié)論基本一致，表明其他區(qū)域城鎮(zhèn)擴(kuò)張也出現(xiàn)與兩江新區(qū)類似的變化趨勢(shì). 目前全國(guó)大部分省市已啟動(dòng)并完成了生態(tài)保護(hù)紅線劃定工作，這種全國(guó)性的政策調(diào)控對(duì)于有效構(gòu)建“生活空間、生產(chǎn)空間、生態(tài)空間”有很好的推動(dòng)作用，同時(shí)也反映出生態(tài)保護(hù)紅線劃定對(duì)于維護(hù)國(guó)家和區(qū)域生態(tài)安全至關(guān)重要.

表3 兩江新區(qū)各土地利用類型面積變化情況

3.2生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值分析

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值計(jì)算結(jié)果(見(jiàn)表4)顯示，2014年兩江新區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值約10.53×108元，自然增長(zhǎng)情景下有所降低，生態(tài)保護(hù)情景下則表現(xiàn)出增加的趨勢(shì). 自然增長(zhǎng)情景和生態(tài)保護(hù)情景下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值分別約10.50×108和10.88×108元. 兩種情景下，耕地、草地、未利用地面積均有所降低，其中耕地減少最明顯，林地、水域均表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，城鎮(zhèn)和工礦用地的負(fù)向價(jià)值更大. 生態(tài)保護(hù)情景下林地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值較自然增長(zhǎng)情景高0.45×108元左右，表明生態(tài)保護(hù)所帶來(lái)的價(jià)值非?？捎^. 生態(tài)保護(hù)情景下城鎮(zhèn)和工礦用地的負(fù)向生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值較自然增長(zhǎng)情景低0.1×108元左右，表明城鎮(zhèn)建設(shè)對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞非常嚴(yán)重，無(wú)序的城鎮(zhèn)擴(kuò)張不利于經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展. 土地利用變化對(duì)于區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值影響較大[49-52]，生態(tài)保護(hù)紅線的劃定相當(dāng)于對(duì)區(qū)域土地利用變化加了限制區(qū)，其劃定對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展意義重大，相關(guān)研究顯示，我國(guó)近年來(lái)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展基本都是用綠水青山換取而來(lái)[53]，生態(tài)保護(hù)紅線的劃定將帶來(lái)持久的生態(tài)價(jià)值，其保護(hù)的綠水青山就是金山銀山，與習(xí)近平同志提出的綠色發(fā)展理念高度契合.

表4 兩江新區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值

3.3生態(tài)價(jià)值敏感度分析

通過(guò)調(diào)整各類型土地利用的價(jià)值系數(shù)(以2.3節(jié)確定的兩江新區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)為基礎(chǔ)，變幅為5%)分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值對(duì)價(jià)值系數(shù)的敏感性. 結(jié)果(見(jiàn)表5)顯示，所有土地利用類型的敏感性指數(shù)均小于1，其中林地的敏感性指數(shù)最高，2014年現(xiàn)狀、自然增長(zhǎng)情景和生態(tài)保護(hù)情景分別約為0.74、0.89和0.90，說(shuō)明林地價(jià)值系數(shù)每增加1%，對(duì)應(yīng)的林地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值分別增加0.74%、0.89%和0.90%. 未利用地、草地的敏感性指數(shù)趨近于0，說(shuō)明未利用地和草地的價(jià)值系數(shù)變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值的影響較小. 總體結(jié)果表明，兩江新區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值對(duì)價(jià)值系數(shù)的變化缺乏彈性，說(shuō)明計(jì)算結(jié)果是可信的. 通過(guò)參考相關(guān)研究的結(jié)果[54-55]發(fā)現(xiàn)，一般情況下大部分區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值對(duì)價(jià)值系數(shù)的變化缺乏彈性，即價(jià)值系數(shù)的變化對(duì)區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值影響較小，因此如果是長(zhǎng)時(shí)間序列的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值研究，價(jià)值系數(shù)的精準(zhǔn)度對(duì)區(qū)域的相關(guān)研究影響較小，且也可體現(xiàn)不同區(qū)域的空間差異性. 生態(tài)保護(hù)紅線劃定后對(duì)區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的評(píng)估將是不同避免的工作，其計(jì)算結(jié)果將在生態(tài)補(bǔ)償、績(jī)效考核等工作中作為主要指標(biāo)之一，因此該研究相關(guān)方法不夠完善，但研究結(jié)果也可以作為主要依據(jù)之一，并且在今后的實(shí)際工作將對(duì)研究方法進(jìn)行進(jìn)一步完善.

表5 兩江新區(qū)生態(tài)價(jià)值敏感度

3.4生態(tài)價(jià)值變化度分析

通過(guò)調(diào)整各土地利用類型的面積(以現(xiàn)狀面積為基礎(chǔ)，變幅為5%)，分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值對(duì)土地利用面積的敏感性. 結(jié)果(見(jiàn)表6)顯示，林地、水域的價(jià)值變化度大于1，2014年現(xiàn)狀、自然增長(zhǎng)情景和生態(tài)保護(hù)情景下的價(jià)值變化度分別接近于2.3和5.0，表明其面積變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響較大，水域面積的變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響最大，其他四類土地利用類型的面積變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響不大，未利用地的價(jià)值變化度趨近于0，表明其面積變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值幾乎沒(méi)有影響. 總體結(jié)果說(shuō)明，林地和水域的面積變化對(duì)兩江新區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值影響最大，因此在城市建設(shè)過(guò)程中應(yīng)增加林地和水域的面積，以提高區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值. 在相關(guān)研究[54-55]中也有類似的結(jié)論，反映出區(qū)域內(nèi)各土地利用類型面積的比例對(duì)區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值影響較大. 因此合理的比例分配才能保證區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值維持穩(wěn)定甚至上升的趨勢(shì)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)說(shuō)水域面積基本維持穩(wěn)定. 其他區(qū)域的土地利用變化分析研究表明，我國(guó)目前的發(fā)展?fàn)顩r林地面積處于急劇下降或林地質(zhì)量持續(xù)下降的趨勢(shì)[56]，生態(tài)保護(hù)紅線的劃定即是為了保護(hù)具有重要生態(tài)功能或生態(tài)敏感脆弱的區(qū)域不被繼續(xù)破壞，以保障區(qū)域的生態(tài)安全. 政府相關(guān)部門(mén)應(yīng)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)更加重視生態(tài)空間的保護(hù)，設(shè)置生活、生產(chǎn)空間的邊界，不斷提升生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)域的空間連通度，構(gòu)建帶狀連續(xù)的生態(tài)空間，有利于生物多樣性維護(hù)及提高生物棲息地的質(zhì)量.

表6 兩江新區(qū)生態(tài)價(jià)值變化度

4 結(jié)論

a) CLUE-S模型進(jìn)行空間模擬效果較好(Kappa系數(shù)達(dá)到0.82以上)，空間化的結(jié)果對(duì)于未來(lái)城市布局有很好的參考價(jià)值.

b) 模擬結(jié)果表明生態(tài)保護(hù)紅線對(duì)于城市布局有一定的約束作用. 生態(tài)保護(hù)情景下新增城鎮(zhèn)和工礦用地均分布在生態(tài)保護(hù)紅線范圍外.

c) 2014年現(xiàn)狀、2020年自然增長(zhǎng)情景和2020年生態(tài)保護(hù)情景下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值分別約10.53×108、10.50×108和10.88×108元. 生態(tài)保護(hù)情景有利于減緩負(fù)向價(jià)值的增加速度. 生態(tài)保護(hù)紅線的劃定使生態(tài)保護(hù)紅線范圍內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值能夠得到保證，有利于保障整個(gè)區(qū)域的生態(tài)安全.

d) 生態(tài)價(jià)值敏感度和變化度對(duì)于分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值對(duì)不同土地利用類型的價(jià)值系數(shù)和面積的變化的響應(yīng)程度效果很好. 生態(tài)敏感度結(jié)果表明，價(jià)值系數(shù)的變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值影響較小. 生態(tài)變化度的結(jié)果顯示，林地和水域面積變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值影響較大.

e) 生態(tài)保護(hù)紅線的劃定總體上提高了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，使城鎮(zhèn)和工礦用地的分布更加趨于合理，更加符合目前把生態(tài)保護(hù)作為城市建設(shè)基礎(chǔ)的理念和要求.

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LandUseCoverScenarioSimulationandEcologicalValueAssessmentbasedontheEcologicalProtectionRedLine:LiangjiangNewAreaCaseStudy

ZHU Kangwen1,3, LEI Bo1*, LI Yuechen2,3, HE Jun1,3, YANG Chunhua1

1.Chongqing Academy of Environmental Science, Chongqing 401147, China 2.College of Vocational Education Teachers, Chongqing Normal University, Chongqing 401331, China 3.Institute of Eco-Environment Remote Sensing in Three Gorges Reservoir, Chongqing Normal University, Chongqing 401331, China

Ecological protection based on the red line delineated for the maintenance of national and regional ecological security plays an important role and is an important measure of ecological environmental protection in China. In order to analyze the regional ecosystem service value after the delineation of the ecological protection red line, the CLUE-S model was used to simulate the situation of land use change in the future, and the ecosystem service value of different scenarios was calculated quantitatively using the optimization model of ecosystem service value assessment. The sensitivity and rate of change of the ecosystem service value were analyzed. The results showed that: (1) The use of the CLUE-S model to simulate the future land use of the Liangjiang New Area had a good effect, and the kappa coefficient reached more than 0.82. The general applicability of the model was better. (2) The ecological value of sensitivity was less than one, indicating that the ecosystem service value of Liangjiang New Area was lacking elasticity in the change of value coefficient. (3) In 2020, the area of forest land was increased more than the natural growth scenario, while the urban and industrial land use showed the opposite results. (4) The ecosystem service value was about 1053 million RMB in 2014, and the values in the natural growth scenario and ecological protection scenario were about 1050 million and 1088 million RMB respectively in 2020. The value of ecosystem services of cultivated land decreased most obviously under the two scenarios. The forest land and water area showed an increasing trend, while the negative values of the urban, industrial and mining areas were greater. (5) The change of the ecological value of forest land and water area was more than one, indicating that the change of the area of forest land and water area has a great influence on ecosystem service value. Reasonable adjustment of the area around the area ratio and increase of the protection of ecological space were conducive to enhancing the value of ecosystem services. In conclusion, the CLUE-S model of land use change scenarios for small area simulation was better, and the evaluation results of ecosystem service value optimization model showed high reliability. The research ideas and methods could be popularized in other regions. The analysis results showed that the delineation of the ecological protection red line for ecological environment quality improvement of Liangjiang New Area and regional ecological security has a very good effect. The same ecosystem service value assessment could be effectively carried out for evaluation in different regions in different periods. The relevant government departments could be evaluated according to the results of ecological protection of the red line and the value of ecosystem services, and further optimize the life, production and ecological space. The results could be applied in city planning, performance assessment and ecological compensation, and play a supporting role in the sustainable development of regional economies.

ecological protection red line; ecosystem service value; CLUE-S model; Liangjiang New Area

2017-09-26

2017-07-24

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41571419); 國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2012ZX07104-003); 重慶市基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)計(jì)劃項(xiàng)目(2016-hky-jcyj-01702)

朱康文(1990-)，男，湖南張家界人，工程師，碩士，主要從事GIS應(yīng)用相關(guān)研究，zhukangwen0927@163.com.

*責(zé)任作者，雷波(1978-)，男，四川自貢人，教授級(jí)高級(jí)工程師，碩士，主要從事環(huán)境生態(tài)學(xué)研究，leilibo@hotmail.com

朱康文,雷波,李月臣,等.生態(tài)紅線保護(hù)下的兩江新區(qū)土地利用/覆蓋情景模擬及生態(tài)價(jià)值評(píng)估[J].環(huán)境科學(xué)研究,2017,30(11):1801-1812.

ZHU Kangwen,LEI Bo,LI Yuechen,etal.Land use/cover scenario simulation and ecological value assessment based on the ecological protection red line: Liangjiang New Area case study[J].Research of Environmental Sciences,2017,30(11):1801-1812.

X171

1001-6929(2017)11-1801-12

A

10.13198j.issn.1001-6929.2017.03.07

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