基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值最大化的皖江城市帶土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化

周振宏，朱慶山，周 敏，王繪繪，胡 琦，劉東義，湯偉宏

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園林學(xué)院，安徽合肥 230036)

0 引言

近年來，隨著城市快速發(fā)展，土地利用結(jié)構(gòu)也在快速改變，當(dāng)土地利用變化改變?cè)械纳鷳B(tài)系統(tǒng)，其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值也會(huì)隨之改變[1-3].因此，研究土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響具有重要意義[4-6].目前，國內(nèi)外已有很多學(xué)者對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行了研究.在全球、國家尺度上，Costanza對(duì)全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行分類核算[7].在Costanza研究的基礎(chǔ)上，謝高地對(duì)700位生態(tài)專家進(jìn)行了問卷調(diào)查，然后根據(jù)中國的生態(tài)特點(diǎn)改進(jìn)了適用于中國的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量系數(shù)表[8].在區(qū)域尺度上，涂小松等利用土地覆被遙感解譯數(shù)據(jù)分析鄱陽湖地區(qū)2000—2010年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間格局及其動(dòng)態(tài)演化[9].張騫等分析了重慶市1988—2013年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化及生態(tài)用地空間變化[10].但是，目前對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的研究大多是根據(jù)某一時(shí)期的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)，對(duì)于未來動(dòng)態(tài)變化預(yù)測(cè)以及土地結(jié)構(gòu)優(yōu)化的相關(guān)研究較少.本文以皖江城市帶作為研究對(duì)象，通過優(yōu)化皖江城市帶的用地結(jié)構(gòu)及提升區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值以此達(dá)到生態(tài)效益最大化的目標(biāo).揭示皖江城市帶土地利用與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值間的互動(dòng)關(guān)系，為合理配置環(huán)境資源、制定區(qū)域保護(hù)政策、推動(dòng)人與自然可持續(xù)發(fā)展提供了數(shù)據(jù)支持及相關(guān)參考資料.

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

皖江城市帶(見圖1)位于安徽省中南部地區(qū)，沿江通海、承東啟西，地處東經(jīng)115°45'～119°40'，北緯29°56'～33°22'之間.皖江城市帶包括合肥、蕪湖、馬鞍山、滁州、安慶、池州、銅陵、宣城8個(gè)地級(jí)市以及六安市的金安區(qū)和舒城縣,位于長三角西部,是長江經(jīng)濟(jì)帶重要的組成部份[11].

圖1 皖江城市帶區(qū)位圖Fig.1 Location map of the Wanjiang River Urban Belt

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究從土地植被覆蓋數(shù)據(jù)集(http://globeland30.org/)中獲取30 m土地覆蓋圖，運(yùn)用ARCGIS軟件繪制出皖江城市帶2000年、2010年、2020年三個(gè)時(shí)期的土地利用圖(準(zhǔn)確率均超過85%).根據(jù)皖江城市帶實(shí)際土地類型情況，使用的30 m土地覆蓋圖數(shù)據(jù)中，涉及的土地類型有耕地、林地、草地、濕地、水域、人造地表與未利用地.文章使用的社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)包括土地面積、糧食產(chǎn)量和平均糧食價(jià)格等來源于《安徽省統(tǒng)計(jì)年鑒》(2000—2020年)《農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編》(2019年).

2 研究方法

2.1 分析土地利用變化

土地利用動(dòng)態(tài)變化分析：指的是研究區(qū)一定時(shí)間范圍內(nèi)某種土地利用類型的變化情況[12].計(jì)算公式如下：

ΔS=Sb-SaK=(Sb-Sa)/Sa×100%

(1)

式中：Sa表示初期土地利用的面積；Sb表示末期土地利用的面積.

2.2 修正與計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值

修正生態(tài)因子當(dāng)量:本文參照謝高地等制定的中國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子表[8]，結(jié)合皖江城市帶實(shí)際情況修正計(jì)算出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量為1.36.皖江城市帶2019年耕地的年均糧食產(chǎn)量為5 902 kg/hm2，代替研究期內(nèi)平均糧食產(chǎn)量，計(jì)算出研究區(qū)耕地的1個(gè)當(dāng)量因子的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值為1 846.48元.

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空變化:可表明研究時(shí)期內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化趨勢(shì)及速度，并且可減少土地面積及不同當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響[12]，計(jì)算公式為：

(2)

2.3 敏感性指數(shù)分析

敏感性指數(shù)(coefficient of sensitivity，CS)可判斷ESV對(duì)價(jià)值當(dāng)量系數(shù)的依賴程度.當(dāng)CS>1，表明ESV對(duì)生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量系數(shù)(VC)是有彈性的；當(dāng)CS<1，則說明缺乏彈性[13].敏感性計(jì)算公式如下：

(3)

式中：i和j表示調(diào)整前后的系數(shù)，ESVi和ESVj表示調(diào)整前后的生態(tài)價(jià)值量[13].

2.4 GM(1,1)模型

GM(1,1)模型基于累加生成的數(shù)列預(yù)測(cè)模型，對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)型解為[14]：

(4)

其中：為驗(yàn)證模型的精度，采用后驗(yàn)差檢驗(yàn)法進(jìn)行檢驗(yàn)，后驗(yàn)差比值C與小誤差頻率P定義為[14]：

(5)

2.5 Lingo模型目標(biāo)函數(shù)設(shè)置

2.5.1 模型變量及目標(biāo)函數(shù)設(shè)置 基于皖江城市帶土地利用情況和參考文獻(xiàn)[16]模型變量的設(shè)定，本文選取了7個(gè)變量，X1—X7分別為耕地、林地、草地、濕地、水域、人造地表、未利用地.根據(jù)城市帶的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)情況，設(shè)定目標(biāo)函數(shù)為：

F(x)max=V1X1+V2X2+V3X3+V4X4+V5X5-V6X6+V7X7

(6)

式中，F(xiàn)(x)代表生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值，V代表各土地利用類型的單位面積價(jià)值.

2.5.2 模型約束條件設(shè)置 土地結(jié)構(gòu)優(yōu)化受到多方面因素影響，因此本文根據(jù)城市帶的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和相關(guān)政府規(guī)劃政策，對(duì)不同土地利用類型設(shè)置了以下相應(yīng)的約束條件.

(1)總用地約束：根據(jù)總面積不變的原則，優(yōu)化后城市帶面積總量應(yīng)與優(yōu)化前保持一致，即：

S=X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7=75 826.41 km2

(7)

(2)耕地需求約束：為保障城市帶可持續(xù)化發(fā)展，因此設(shè)定優(yōu)化后城市的耕地面積不得低于2020年耕地面積，即X1≥39 613.98 km2.

(3)林地需求約束：由于皖江城市帶當(dāng)前生態(tài)承載力較弱，極易發(fā)生水土流失、石漠化等現(xiàn)象，因此應(yīng)以目前保有量為底線，即X2≥23 319.49 km2.

(4)草地需求約束：在保障生態(tài)安全的情況下,根據(jù)土地利用現(xiàn)狀確定草地面積上限為2 394.09 km2，即X3≤2 394.09 km2.

(5)濕地需求約束：為保障城市帶的生態(tài)環(huán)境，擬恢復(fù)濕地面積不低于2010年水平，即X4≥656.69 km2.

(6)水域需求約束：為保證生產(chǎn)及居民生活用水，選取城市帶2010年的水域面積為最大值，不應(yīng)超過2010年水域面積，即4 862.06 km2≤X5≤5 052.01 km2.

(7)人造地表需求約束：為滿足城市帶可持續(xù)、快速發(fā)展需求，人造地表面積不低于現(xiàn)有面積，即3 810.33 km2≤X6≤5 300.42 km2.

(8)未利用地需求約束：為優(yōu)化城市的生態(tài)結(jié)構(gòu)，將集中對(duì)城市帶內(nèi)的未利用地進(jìn)行整治，因此未利用地面積將會(huì)減少，設(shè)定未利用面積為3.86 km2≤X7≤4.78 km2.

3 結(jié)果分析

3.1 皖江城市帶2000—2020年土地利用變化格局

如圖2和表1所示，2000—2020年期間，皖江城市帶經(jīng)歷了快速的城市化過程，同時(shí)也經(jīng)歷了廣泛的土地利用變化.耕地一直是皖江城市帶土地利用的主要類型，在2000年和2020年分別占54.30%和52.24%，但我們可以看到自2000年以來耕地持續(xù)減少.林地是皖江城市帶的第二大主要土地覆蓋類型，有著微弱的下降趨勢(shì)，從2000年的31.70%不斷減少到2020年的30.75%.在整個(gè)研究的區(qū)域中，未利用地的土地覆蓋率最小，變化的趨勢(shì)也不明顯，從2000年的0.01%增加到2020年的0.03%.

圖2 皖江城市帶2000—2020年土地利用變化圖Fig.2 Land use changes in the Wanjiang River Urban Belt from 2000 to 2020

表1 土地利用動(dòng)態(tài)變化表Tab.1 Land use dynamic change table

3.2 皖江城市帶2000—2020年生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值服務(wù)的變化格局

皖江城市帶2000—2020年土地類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化總體呈增長的趨勢(shì)(表2).皖江城市帶總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值由2000年215.36億元增加到2010年的249.77億元，在2020年達(dá)到237.54億元，總體趨勢(shì)看2000年到2020年是增長的，變化率為10.3%.2020年皖江城市帶生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價(jià)值排序依次為：水域>林地>耕地>草地>濕地>未利用地>人造地表.綜上所述，皖江城市帶總生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值服務(wù)與土地利用類型的變化緊密，土地類型之間的變化改變了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值.

表2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化表(107CNY/year)Tab.2 Table of changes in ecosystem service values (107CNY/year)

3.3 敏感性分析

將土地利用類型的生態(tài)價(jià)值系數(shù)調(diào)動(dòng)50%來分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化及對(duì)價(jià)值系數(shù)的敏感程度(表3).耕地和林地的敏感性指數(shù)高達(dá)0.543、0.317，說明耕地、林地的VC分別每提高1%，城市帶總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值將分別增加0.543%和0.317%，遠(yuǎn)超其他地類.結(jié)果表明，城市帶總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值對(duì)耕地和林地的價(jià)值系數(shù)比較敏感，因此需要關(guān)注耕地、林地面積的變化對(duì)城市帶生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響.

3.4 皖江城市帶土地及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值預(yù)測(cè)

如表4所示，基于2000年皖江城市帶的各土地利用類型面積作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，設(shè)置5年為一期，通過GM(1,1)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型推算出2020—2030年皖江城市帶各土地類型的預(yù)測(cè)，并計(jì)算出2025、2030年皖江城市帶的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值.其中耕地、水域、林地面積均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；濕地和草地面積均保持增加趨勢(shì)，未利用地和人造地表則出現(xiàn)了異常的上升趨勢(shì)，變化率為70.81%、37.30%.由于城市擴(kuò)張速度極快、生態(tài)環(huán)境承載力下降、水土流失嚴(yán)重及未利用地面積較小，導(dǎo)致這兩類土地類型變化率較高.

表4 2025—2030年土地面積及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值預(yù)測(cè)Tab.4 Forecast of land area and value of ecosystem services, 2025—2030

從各土地類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值來說，在2020—2030期間，耕地、林地和水域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值呈現(xiàn)下降，分別減少了0.65、1.92、4.08億元；草地、濕地增加了0.24、0.43億元；未利用地增幅雖高達(dá)70.81%，但對(duì)總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值影響不大；人造地表的快速增加使得總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值快速減少，約為6.22億元.2025年皖江城市帶生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值為229.44億元，2030年為217.24億元，相對(duì)于2020年的237.54億元，變化率分別為了5.61%、8.54%，降幅速度很快.

3.5 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值優(yōu)化前后變化

運(yùn)用LINGO軟件對(duì)皖江城市帶生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值的函數(shù)進(jìn)行迭代計(jì)算，得出最優(yōu)解，即基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值最大化的皖江城市帶土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案(表5).通過對(duì)皖江城市帶的土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，城市帶總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值將提高至2 451.76×107元，較優(yōu)化前提高了3.20%，其中主要因?yàn)闈竦嘏c水域提高了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給能力.在土地利用類型方面，變化幅度較大的未利用地通過人工造林及開墾旱地等舉措轉(zhuǎn)變?yōu)榱值嘏c耕地，價(jià)值減少了0.48×107元；濕地與水域價(jià)值分別增加了33.02×107元、44.05×107元，人造地表通過集約土地等方式，面積有所減少，但對(duì)總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值影響不大.

表5 土地利用優(yōu)化前后生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化Tab.5 Changes in the value of ecosystem services before and after land use optimization

4 結(jié)論與討論

(1)皖江城市帶2000—2020年主要土地利用類型以林地與耕地為主，大概占到城市帶總面積的85.00%以上.

(2)在2000—2020年內(nèi)，城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總體上呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì)，20年間約增長了22.18億元，變化率為10.30%.

(3)基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值最大化對(duì)對(duì)研究區(qū)進(jìn)行土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整后，皖江城市帶總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值將提高至2 451.76×107元，較優(yōu)化前提高了3.20%.

本文利用一階線性動(dòng)態(tài)模型(GM1,1)預(yù)測(cè)2020—2030年皖江城市帶的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，討論如何優(yōu)化皖江城市帶土地利用結(jié)構(gòu)方案，達(dá)到生態(tài)效益最大化的目標(biāo)，可為皖江城市帶生態(tài)發(fā)展規(guī)劃提供一定的數(shù)據(jù)支持.然而，本研究也存在著一些不足.在預(yù)測(cè)未來城市土地需求時(shí)，僅采用了線性回歸方法，導(dǎo)致預(yù)測(cè)精度有限.未來可采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，從機(jī)理上更精確地預(yù)測(cè)城市土地的需求量，提高土地?cái)?shù)據(jù)準(zhǔn)確性.