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(jí)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(dòng)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(dòng)密切相關(guān),是自然與人文過(guò)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(guò)程變化,從而對(duì)生態(tài)環(huán)境的各個(gè)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(wèn)題之一[1-3],研究土地利用變化及其對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響,對(duì)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(dòng)下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(ecosystem services values,ESV)變化,作為土地利用變化環(huán)境效應(yīng)的一個(gè)重要量化指標(biāo)。通過(guò)計(jì)算特定研究區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,可定量分析生態(tài)環(huán)境質(zhì)量對(duì)土地利用演變的響應(yīng),進(jìn)而對(duì)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(zhǎng)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(lè)山-中梁山、南山,主要干流為長(zhǎng)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(dòng)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(zhǎng)江上游、三峽庫(kù)區(qū)庫(kù)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(zhǎng),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(lái)研究區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的變化情況,無(wú)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(duì)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(gè)波段,采用7,5,4波段組合。TM 5影像具有7個(gè)波段,本研究對(duì)TM 5選取運(yùn)用Chaveztal[8]提出的最佳指數(shù)(OIF-Optimum index)法計(jì)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(tái)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(xiàng)式對(duì)遙感影像進(jìn)行幾何精校正。同時(shí),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(duì)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(jì)、過(guò)濾分析、去除分析,對(duì)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(duì)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(dòng)態(tài)度 利用土地利用動(dòng)態(tài)度模型來(lái)定量反映區(qū)域土地利用變化的速率,對(duì)比較不同時(shí)段土地利用變化差異和預(yù)測(cè)未來(lái)土地利用變化的趨勢(shì)具有積極的意義。

單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度表示某研究區(qū)域一定時(shí)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(shí)段內(nèi)某一土地利用類型動(dòng)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(shí)段長(zhǎng)。當(dāng)T設(shè)為年時(shí),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(jià)值評(píng)價(jià)方法 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其價(jià)值的研究開始于20世紀(jì)70年代,但由于缺乏相應(yīng)的價(jià)值評(píng)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(jià)值評(píng)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(duì)全球生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價(jià)值進(jìn)行了估算。謝高地[11]根據(jù)中國(guó)的具體情況,制定了中國(guó)不同陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值表(表1)。

本文根據(jù)重慶主城區(qū)具體情況,參照中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)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(jià)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(jià)值(表2),并運(yùn)用Costanza的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值公式,計(jì)算重慶主城區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。其公式為

式中:ESV——生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)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(jià)值系數(shù);ESV f——生態(tài)系統(tǒng)第 f項(xiàng)服務(wù)功能價(jià)值;VCfk——研究區(qū)第k種土地利用類型的第 f項(xiàng)服務(wù)功能價(jià)值系數(shù)。

表1 中國(guó)不同陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)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(jià)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(shí)間變化對(duì)VC變化的依賴程度。CS的含義是指VC變動(dòng)1%引起ESV的變化情況,如果CS＞1,說(shuō)明ESV對(duì)VC是富有彈性的;反之說(shuō)明ESV對(duì)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(guò)分別調(diào)整50%的VC來(lái)計(jì)算CS,從而來(lái)說(shuō)明ESV對(duì)VC的敏感程度。敏感性指數(shù)計(jì)算公式為:

式中:ESV,VC,k的含義同前;i,j——代表初始價(jià)值和調(diào)整生態(tài)價(jià)值系數(shù)以后的價(jià)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(guò)對(duì)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(jì)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(dòng)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(dòng)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(gè)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(shí)段增加量的近6倍,平均每年增加16.77 km2,其動(dòng)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(shì),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(dòng)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(dòng)態(tài)度為-3.61%和-5.76%。

將兩個(gè)時(shí)段的土地利用動(dòng)態(tài)度進(jìn)行對(duì)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(shuō)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(zhǎng),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(shì)。

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(lái),不合理的土地利用所引起的生態(tài)環(huán)境問(wèn)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(gè)方面,其中負(fù)面的環(huán)境效應(yīng)相對(duì)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(jià)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(jià)值變化

對(duì)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(jià)值系數(shù)(表2)和各土地利用類型面積(表3),計(jì)算出研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值來(lái)定量化分析生態(tài)環(huán)境質(zhì)量相對(duì)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(jià)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(jià)值增長(zhǎng)了6.22億元,而1993年后生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值減少了2.39億元。其中建設(shè)用地和水田在兩個(gè)時(shí)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(zhǎng)14.73億元后在后期也出現(xiàn)了減少的趨勢(shì)。旱地和有林地在兩個(gè)時(shí)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(jià)值的變化說(shuō)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(jià)值總量在1978-1993年間呈增長(zhǎng)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(jià)值變化來(lái)看,近年來(lái)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(jià)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(jià)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(jià)值和敏感性指數(shù)

3.2 生態(tài)服務(wù)價(jià)值敏感性評(píng)價(jià)

應(yīng)用上述敏感性指數(shù)的計(jì)算方法,對(duì)不同土地利用類型的生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)分別下調(diào)整50%,計(jì)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(jià)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(jià)值系數(shù)增加1%時(shí),總價(jià)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(jià)值系數(shù)增加 1%,總價(jià)值增加0.81%。這說(shuō)明,主城區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值對(duì)于生態(tài)服務(wù)價(jià)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(jià)值,確定出重慶主城區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)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(jià)值的變化。結(jié)果表明,本文所選用的生態(tài)價(jià)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(jià)值動(dòng)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(jià)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(jià)值減少到了18.56億元,其中灌木林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的減少最為顯著,占了總服務(wù)價(jià)值減少量的70.44%,另外水田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的持續(xù)減少對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)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(lái),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(jià)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(huì)持續(xù)惡化,危及區(qū)內(nèi)的生態(tài)環(huán)境安全。本文對(duì)1978-2007年研究區(qū)因土地利用類型時(shí)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(méi)有對(duì)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。

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