朱曉南,劉艷中,陳 勇,張 祚,宋改鳳

(1.武漢科技大學 資源與環(huán)境工程學院,武漢 430081;2.冶金礦產資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室,武漢 430081;3.華中師范大學 公共管理學院,武漢 430079)

生態(tài)系統(tǒng)服務(Ecosystem Service,ES)指人類從生態(tài)系統(tǒng)中直接或間接獲得的各種惠益[1]，對維持人類生存具有十分重要的作用[2]。目前，我國處于城鎮(zhèn)化快速發(fā)展階段，城市用地迅速擴張。而城市用地擴張屬于土地利用/覆蓋變化(Land Use/Cover Change,LUCC)之一，其通過改變土地面積、類型及格局直接影響生態(tài)系統(tǒng)服務價值(Ecosystem Service Value,ESV)的多少[3]，是區(qū)域ES水平不斷下降的主要原因[4-8]。因此，定量研究城市用地擴張對ES的影響，有利于全面正確認識城市用地擴張帶來的負面生態(tài)效應，為城市用地的合理擴張?zhí)峁﹨⒖家罁?，對減少城市用地擴張造成的ES損失具有重要意義。

目前，國內外眾多學者開展了LUCC對生態(tài)系統(tǒng)服務的影響研究，初步揭示了城市用地擴張對生態(tài)系統(tǒng)服務造成的影響。如，劉曉等[9]、張志強等[10]、王寬等[11]、Yi等[12]、Fu等[13]、邵小云等[14]通過分析土地利用與ESV的變化，初步揭示了城市用地擴張導致區(qū)域ESV不斷下降；虎陳霞等[15]、王雅等[16]、孟悅[17]等應用相關性分析法對城市面積和ESV進行分析，定性揭示了城市用地擴張對ESV造成的影響；劉亞茹等[18]、榮益等[19]構建了LUCC對ESV影響程度的評估模型，定量評價了城市用地擴張對ESV的影響。但上述研究較多的關注了城市用地擴張面積變化對ESV的影響，未揭示出城市用地擴張的空間變化(梯度、高程、坡度)對ESV造成的不同影響。雖有部分學者[20-21]對城市用地比例和ESV進行了空間自相關分析，體現出了城市用地與ESV相關性的空間分布特征，但其實質上是城市用地與ESV的相關性研究，未能定量揭示城市用地擴張的空間特征變化對ESV造成的影響。這些研究均只能從限制城市用地擴張的角度來保護ES，與城市發(fā)展需求所沖突，未能以改變城市用地擴張空間分布的角度來減少ES的損失。

武漢市位于漢江和長江交匯之處，是長江經濟帶重要的生態(tài)節(jié)點，維持武漢市的生態(tài)環(huán)境對保護長江中下游地區(qū)的生態(tài)安全具有重要意義。而在快速城鎮(zhèn)化的背景下，武漢市城市用地不斷擴張，生態(tài)環(huán)境日益惡化。如何實現經濟與環(huán)境的協調可持續(xù)發(fā)展，成為武漢市面臨的巨大挑戰(zhàn)。因此，以武漢市為例，定量化評價武漢市城市用地擴張的時空變化特征；基于動態(tài)的當量因子法，逐地塊的計算ESV，分析武漢市ESV的時空動態(tài)特征。進一步利用回歸分析建立城市用地擴張變化與ESV變化的聯系，揭示城市用地擴張對生態(tài)系統(tǒng)服務的時空影響特征。從改變城市用地擴張空間分布的角度減少ES的損失，在保障城市擴張面積的基礎上減少城市用地擴張對ES造成的破壞，以期為武漢市的國土空間規(guī)劃提供參考，為促進武漢市經濟與環(huán)境的協調可持續(xù)發(fā)展提供一定的理論支撐和科學依據。

1 研究區(qū)概況與數據來源

武漢地處長江中下游平原，江漢平原東部，是國家區(qū)域中心城市(華中)、副省級市和湖北省省會。位于東經113°41′—115°05′，北緯29°58′—31°22′，境內水系豐富，對維持長江流域的生態(tài)環(huán)境具有重要作用。同時，武漢市作為長江經濟帶的核心城市、中部崛起的重點城市，城市規(guī)模不斷擴大，2004—2008年期間，擴張強度達全國第四[22]。而城市的快速發(fā)展導致武漢市的生態(tài)環(huán)境日益惡化，環(huán)境問題不斷突出，如水土流失程度不斷加重[23]，湖泊濕地的減少導致城市內澇頻發(fā)[24]。

本文采用的主要數據包括：1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年6個時期武漢市土地利用數據和武漢市高程數據，源自中國科學院資源環(huán)境數據中心(http:∥www.resdc.cn)；1990—2015年武漢市NPP數據，來源于國家地球系統(tǒng)科學數據共享服務平臺(http:∥www.geodata.cn)和中國科學院資源環(huán)境數據中心(http:∥www.resdc.cn)；武漢市糧食單位面積產量來源于武漢市統(tǒng)計年鑒；農產品收益價值來源于《全國農產品成本收益資料匯編》。

2 研究方法

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務價值計算

ESV計算方法主要為物質量評估法、價值量評估法、能值分析法和生態(tài)模型法[25]。由Costanzo等[1]提出當量因子法作為物質量評估法之一，具有易于計算、標準化的優(yōu)點[26]，被廣泛應用于LUCC與ES聯系的相關研究[27]。因此，本文采取當量因子法對武漢市的ES進行量化分析。

2.1.1 當量因子計算 謝高地等[28]通過專家知識法將1 hm2農田食物生產能力為一個標準當量因子，以各地類各生態(tài)系統(tǒng)服務功能對農田食物生產功能的相對重要性為當量因子，構建了中國生態(tài)系統(tǒng)當量因子表(表1)。參考謝高地等[29]的處理方法，將單位面積農田糧食生產經濟價值的1/7作為1個標準當量因子的價值量，計算公式如式(1)：

表1 生態(tài)系統(tǒng)當量因子

(1)

式中：Dj為第j年1個武漢市標準當量因子的價值量(元/hm2)；Sij為第j年第i類農作物武漢市單位面積平均生產價值(元/hm2)。

為消除貨幣通貨膨脹等經濟因素對ESV的影響[30-31]，本文以2015年ESV為基線，根據貨幣的時間價值對當量因子進行修正[32]，修正模型見公式(2)：

(2)

式中：DTj為時間修正后第j年武漢市1個標準當量因子的價值量(元/hm2)；γm為第m年銀行一年定期利率(%)，當m大于2014時，γm為0。

2.1.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值計算模型 由于同種生態(tài)系統(tǒng)的ESV具有空間差異性[26]，而傳統(tǒng)的當量因子法按生態(tài)系統(tǒng)類型進行ESV的核算，無法體現出各生態(tài)系統(tǒng)內的空間差異性，需按地塊進行微觀空間尺度上的ESV核算。通常，植被凈初級生產力(NPP)能體現出ESV的大小[26]，因此，以各地塊的單位面積NPP與該地塊所屬類型的生態(tài)系統(tǒng)平均單位面積NPP的比值為修正系數，修正模型見公式(3—4)：

(3)

(4)

式中：χij為修正系數；NPPij為第i個空間單元第j年的單位面積NPP值；ESVjk為生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值(元/hm2)；Fik為生態(tài)系統(tǒng)服務功能當量；Sij為面積(hm2)；i為地塊；j為年份；k為生態(tài)系統(tǒng)服務功能。(由于水域NPP值為0，修正系數均設為1) 。

2.2 城市用地擴張分析

2.2.1 城市用地擴張地類分析 由于城市用地擴張侵占不同地類對ES造成的影響不同，僅使用城市用地擴張面積無法全面體現城市用地擴張的負面生態(tài)效應，需根據各地類各生態(tài)系統(tǒng)服務功能的相對重要性(當量因子)賦予權重。同時為體現同種地類不同地塊的時空差異性，采取NPP對當量因子進行修正，修正模型見公式(5—6)：

(5)

(6)

式中：βij為權重修正系數；UGDjk為城市用地擴張對生態(tài)系統(tǒng)服務功能的單位面積平均破壞權重(以下簡稱“擴張破壞權重”)；Sij為城市用地擴張面積；Sl(j+5)為城市用地轉化為其他地類面積。擴張破壞值可在一定程度上表示城市用地擴張侵占地類的比例變化，如食物生產擴張破壞值增大可表示出農田被城市用地侵占比例增大。

2.2.2 城市用地擴張空間分析 為探討武漢市城市用地擴張的空間分布特征，引入梯度分析、高程分析和坡度分析。以武漢市1990年城市用地的幾何中心為原點，以1 km為間距設置緩沖區(qū)，各地塊所屬緩沖區(qū)編號即為距武漢市中心的距離。通過城市用地擴張地塊距市中心的單位面積平均距離、高程和坡度(以下分別簡稱“擴張距離”、“擴張高程”和“擴張坡度”)分析城市用地擴張的空間變化特征。

2.3 城市用地擴張影響分析

為定量分析城市用地擴張對區(qū)域各生態(tài)系統(tǒng)服務功能的影響，采用SPSS 22.0線性回歸分析中的逐步分析法和顯著性檢驗剔除不顯著的變量，構造最優(yōu)的回歸方程[33]。并通過各方程的非標準化系數分析各影響因素對生態(tài)系統(tǒng)服務功能的實際影響，標準化系數分析各因素對生態(tài)系統(tǒng)服務功能的影響程度。

3 結果與分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化分析

3.1.1 生態(tài)系統(tǒng)服務價值時間變化分析 通過公式(4)求得1990—2015年武漢市各生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值(圖1)：1990—2015年武漢市生態(tài)服務功能價值從99.34億元減少至82.98億元，降幅為16.47%，年平均減少率為0.66%。其中降幅最大的時間段為2010—2015年，降幅為6.67%；降幅最小的時間段為2000—2005年，降幅為1.77%。ESV整體呈線性遞減過程，經歷了“快速—緩慢—快速”的降低過程。

從各生態(tài)系統(tǒng)服務功能來看，水文調節(jié)和廢物處理構成了武漢市ESV的主體，二者的減少值也最大，但水文調節(jié)的降幅僅高于美學景觀，降幅為13.71%，其次是廢物處理，降幅為15.49%；食物生產的降幅最高，達26.19%，其次保持土壤，降幅為23.44%；原材料生產、氣體調節(jié)和維持生物多樣性降幅略高于ESV整體降幅，降幅分別為18.03%，19.26%和17.51%。就各階段而言，各生態(tài)系統(tǒng)服務功能均呈線性遞減過程，水文調節(jié)、廢物處理、保持土壤、維持生物多樣性和美學景觀在1990—2000年，減少速度逐漸加快；在2000—2005年，減少速度變緩；在2005—2015年減少速度又逐漸加快，與ESV整體變化相似；原材料生產和氣體調節(jié)在1990—2015年，減少速度不斷加快；氣候調節(jié)在1990—2005年，減少速度逐漸變緩，在2005—2015年，減少速度迅速加快；食物生產在1990—1995年，2000—2005年，減少速度較緩慢，在1995—2000年，2005—2015年，減少速度較迅速。

注：虛線數據坐標為次坐標。

3.1.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值空間變化分析 在ArcGIS軟件中，將單位ESV分為6類，得到ESV分布圖(圖2)。由圖2可知，武漢市ESV分布較為復雜，中部地區(qū)ESV極高和極低地區(qū)交錯分布；東北部地區(qū)ESV較低；正北地區(qū)除在最北邊ESV較高外，其余地區(qū)ESV較低；西部地區(qū)ESV極高和較低地區(qū)交錯分布；南部地區(qū)ESV普遍較高。生態(tài)系統(tǒng)價值高值的區(qū)域與水域分布較為一致，主要位于中部和南部地區(qū)。生態(tài)系統(tǒng)價值極低值的區(qū)域與建設用地分布較為一致，主要分布在中部地區(qū)；ESV較低值區(qū)域與農田分布一致，遍布武漢市境內，在中部和南部與水系交錯分布，在北部分布較為集中。由于建設用地不斷擴張，中部地區(qū)的極低值區(qū)域不斷擴大，在2005—2015年，建設用地擴張進一步加劇，東部地區(qū)，北部地區(qū)和東北部地區(qū)的極低值區(qū)域迅速增加，較低值區(qū)域不斷減少。

圖2 武漢市單位面積ESV

在ArcGIS軟件中，根據武漢市高程(圖3)，通過坡度分析得到武漢市坡度圖(圖4)。由圖3可知，武漢市ESV高值區(qū)域分布與水域和林地相同，分布位于武漢市高程極低和極高區(qū)域，ESV低值區(qū)域和極低值區(qū)域均分布于高程較低區(qū)域。由圖4可知，武漢市坡度較為平坦，除北部和中南部坡度較高之外，其余地區(qū)坡度均較低。

圖3 武漢市高程、坡度

3.2 城市用地擴張變化分析

武漢市城市用地擴張變化如表2所示：過去25 a武漢市建設用地擴張量顯著，增加了4倍。就發(fā)展階段而言，1990—2005年武漢城市擴張面積緩慢增長，在2005—2015年迅速增長；但就增加速率而言，在1990—1995年，增長速率最大，為50.92%，2000—2005年最小，為31.27%。在空間形態(tài)上，在1990—2010年，武漢市擴張距離穩(wěn)定在20～25 km內，而在2010—2015年，迅速擴散至30 km以上；在坡度上則變化不大，城市用地擴張的地形較為平坦；在高程上，1990—1995年，擴張高程最高，平均達35 m以上，在1995—2000年，擴張高程最低，平均為25 m，在2000—2015年，擴張高程較為穩(wěn)定，平均為30 m；擴張破壞權重呈“W”波動變化，在1990—1995年，2010—2015年最大，1995—2000，2005—2010年最小，證明武漢城市用地擴張侵占的地類在1990—1995年，2010—2015年，高生態(tài)價值地類(水域、林地)的比例較大，對生態(tài)的破壞性相對較高。

3.3 城市用地擴張影響分析

由SPSS 22.0逐步回歸分析可得城市用地擴張對生態(tài)系統(tǒng)服務功能的影響系數如表3所示：ESV整體受城市擴張面積、擴張高程、擴張距離和擴張破壞權重影響，其中ESV受擴張面積和擴張破壞權重負面影響，即擴張面積和擴張破壞權重分別每增加1 hm2，1單位，ESV減少值分別增加51 573，88 351 543元；ESV受高程權重和距離權重正面影響，這是由于武漢市高ESV區(qū)域主要分布于低高程地區(qū)和武漢市中南部，而武漢市城市擴張主要集中在中部和中北部區(qū)域，因此ESV減少值會隨著城市擴張高程和距離的增多而減少；而坡度高值區(qū)域和低值區(qū)域均主要為高ESV區(qū)域，坡度中值區(qū)域則為低ESV區(qū)域，因此，城市用地擴張的坡度變化對ESV整體影響較低。進一步通過標準化系數分析各因素對生態(tài)系統(tǒng)服務功能的影響程度，擴張面積的影響程度最大，其次是距離權重，高程權重的影響程度相對最低，但除坡度外，影響程度相差不大。

表3 城市用地擴張影響系數

就各生態(tài)系統(tǒng)服務功能而言，氣體調節(jié)、氣候調節(jié)、維持生物多樣性受城市用地擴張的影響與ESV整體較為相同，但由于各地類的氣體調節(jié)能力和氣候調節(jié)差值不大，導致氣體調節(jié)和氣候調節(jié)主要受擴張面積影響；而各地類的維持生物多樣性能力構成與ESV整體構成相似，所以各因素對維持生物多樣性影響程度與ESV整體相似。食物生產和保持土壤受城市用地擴張影響相同，均受擴張面積、坡度權重、擴張破壞權重負面影響，且擴張面積和擴張破壞權重的影響程度均較高，坡度權重的影響程度稍弱。這是由于食物生產主要由農田提供，保持土壤主要由農田和森林提供，但由于武漢市森林面積較少且變化不大，所以食物生產和保持土壤主要受農田變化影響，擴張破壞權重影響程度較高；食物生產和保持土壤高值區(qū)域主要分布于中低坡度地區(qū)，低值區(qū)域則分布于低坡度地區(qū)，所以食物生產和保持土壤減少值隨城市用地擴張的坡度增加而增加。除森林外，各地類的單位面積原材料生產價值變化不大，而森林面積較少且變化不大，導致原材料生產受城市用地擴張的影響與其余生態(tài)系統(tǒng)服務功能均不相同，其僅受擴張面積影響。水文調節(jié)、廢物處理和美學景觀構成較為單一，主要由水域和濕地構成，且兩者的單位面積水文調節(jié)和美學景觀價值遠大于其余地類，也主要分布于低高程區(qū)域，導致擴張破壞權重的影響程度與擴張面積相同，高程的影響程度略低于擴張面積。

4 討論與結論

4.1 討 論

本研究定量化評價了武漢市城市用地擴張的時空特征，利用回歸分析建立起城市用地擴張變化與ESV變化的聯系，定量化表達了城市用地時空變化因素對各生態(tài)系統(tǒng)服務功能的影響程度，揭示了城市用地擴張對ES的時空影響特征，可為武漢市更加科學合理的空間規(guī)劃提供依據，也可為LUCC對ES影響的相關研究提供空間分析上的參考。但城市用地擴張對ES造成的影響不僅有城市用地擴張侵占地類所造成的直接影響，還應包括城市用地擴張侵占地類引起的其他地類的轉化而造成的間接影響，如城市用地擴張侵占基本農田，導致其他地類轉化為基本農田以補充基本農田的損失，如何定量化分析間接影響有待進一步研究。

ESV的計算方法尚未統(tǒng)一，采用不同標準計算得到的價值量往往存在差異，但并不影響其為區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展提供參考依據[21]。目前，動態(tài)的當量因子法由于其體現出同一地塊同一地類的ESV在不同時間上的差異性，逐漸被采用[34-35]，但由于受通貨膨脹等經濟因素的影響，其當量因子隨時間增大而增大，且差值往往較大，導致ESV往往偏大。因此，部分學者[30-31]對當量因子進行了時間修正，以期剔除通貨膨脹等對ESV的影響。本文以貨幣的時間價值對當量因子進行時間修正，既體現出同一地塊同一地類的ESV在不同時間上的差異性，又使當量因子受經濟因素影響較小，使ESV在時間上的變化分析更加準確，為ESV時間變化上的研究提供了參考。但時間修正的方法也尚未統(tǒng)一，可表示通貨膨脹的指標較多，采用不同指標的修正結果存在差異，如何更加準確的在時間上修正ESV有待進一步探索。

本研究采用NPP對各地塊的ESV進行逐一修正，體現出了同種地類ESV的空間差異性，使ESV在空間上的分布更為細致，為ESV在空間上的研究提供了參考。但水域的NPP往往為0，無法對其進行空間上的修正，而河流和海洋的其他ESV計算方法[36-37]均無法體現出ESV的空間差異性。因此，未能分析水域的ESV的空間分布特征，城市用地擴張對ES的時空影響研究不夠細化，需進一步研究。

根據武漢市城市用地擴張對生態(tài)系統(tǒng)服務的影響分析結果，武漢市侵占高程較高的、較遠的地塊對生態(tài)系統(tǒng)服務破壞較小，侵占農田對食物生產和保持土壤的破壞性較大，但對其余生態(tài)系統(tǒng)服務功能破壞較小。在滿足城市用地擴張需求的條件下，可適當犧牲食物生產和保持土壤能力換取對其余生態(tài)系統(tǒng)服務功能的保護。因此，武漢市在未來的城市用地擴張中，應控制中心城區(qū)的范圍，通過挖掘存量建設用地的內部潛力，逐步提高建設用地集約利用水平；在距市中心較遠、高程較高的地區(qū)建立新城區(qū)，從而在城市擴張面積不變的基礎上減少ES的損失。同時，該建議與《武漢市城市總體規(guī)劃(2017—2035年)》所提出的主城+新城+3副城+3組團的格局相符合。

4.2 結 論

(1) 1990—2015年，武漢市ESV不斷下降。其中，食物供給的降幅最大，保持土壤次之，水文調節(jié)和美學景觀的降幅最小。在空間分布上，中北部和東北部ESV較低，受到城市用地擴張的影響較高；極北地區(qū)ESV較高，受到城市用地擴張的影響最低；ESV高值區(qū)域和低值區(qū)域在武漢市南部交錯分布，該區(qū)域受武漢市城市用地擴張的影響較低，變化不大；ESV高值和極低值區(qū)域在武漢市中部交錯分布，該區(qū)域受城市用地擴張影響最高，ESV極低值區(qū)域不斷擴大，逐漸擴散至西部和東部區(qū)域。

(2) 武漢市在1990—2015年的城市用地擴張面積不斷增加，在2005—2015年擴張速度迅速增加。擴張破壞權重變化幅度不大，城市用地擴張侵占的地類比例構成相對較穩(wěn)定，主要為農田，次要為水域；而水域和農田的坡度均較平緩，所以擴張坡度變化不大；由于農田在高程上分布并不規(guī)律，高程權重呈波動變化；擴張距離在1990—2010年緩慢增加，穩(wěn)定在20～25 km，該階段城市用地擴張主要聚集在城市中心附近，在2010—2015年，擴張距離迅速增加，上一階段將市中心25 km范圍內可供開發(fā)地塊基本開發(fā)完畢，所以該階段城市邊界迅速向外擴張。

(3) 近25 a來，武漢市城市用地擴張面積對各生態(tài)系統(tǒng)服務功能均起主要影響作用；擴張坡度僅影響食物生產和保持土壤，且影響程度較低；擴張高程對氣體調節(jié)、氣候調節(jié)的影響較低，對ESV整體和維持生物多樣性影響適中，對水文調節(jié)、廢物處理和美學景觀影響較高；擴張距離氣體調節(jié)和氣候調節(jié)影響較低，對ESV整體和維持生物多樣性影響適中；擴張破壞權重除對原材料生產無影響，對氣體調節(jié)和氣候調節(jié)影響較低之外，對其他生態(tài)系統(tǒng)服務功能影響較高。