长春市土地利用时空演变及生态系统服务价值测度
逯惠艳1，周双双2，郑晓东3，王士君2
(1.中共吉林省委党校，吉林省行政学院应急管理教研部，吉林 长春 130061；2.东北师范大学地理科学学院，吉林 长春 130024；3.长春汽车经济技术开发区第六中学，吉林 长春130011)
[摘 要] 基于长春市中心城区2001，2007，2011，2016年4期土地利用遥感影像数据，分析了长春市土地利用时空演变特征，并通过单位面积价值当量因子的生态系统服务价值化改进方法，估算了研究区的生态系统服务价值.结果表明：长春市中心城区的土地利用变化有较明显的空间分异，土地利用模式由以草地为主向以建设用地为主转变；生态系统服务价值总量不断下降，其中草地贡献率最高，其次为水体；生态系统服务以水文调节的价值最高.
[关键词] 土地利用；生态系统服务价值；时空变化；长春市
生态安全作为国家总体安全的重要组成部分，是在准确把握新时代国家安全形势变化基础上做出的重大战略部署，更是在我国经济社会快速发展，而资源约束日益趋紧、生态系统不断退化的严峻形势下的顶层设计安排.土地利用是人类对土地自然属性的利用方式和状况，即人类根据土地自然特点，按照一定的经济与社会目的，采取生物、技术等手段，对土地长期性和周期性的经营管理与治理活动[1].然而，随着城市化进程的加快，土地利用变化的进程发生了显著的变化[2].个别地方土地利用强度已经达到甚至超过了区域土地的生态承载能力，使生态安全面临严峻挑战.土地利用变化是人地关系的主要外在表现形式[3]，驱动着生态系统服务能力的变化[4].生态系统服务的概念由Daily和Costanza于1997年提出，指人类从生态系统中获得的各种恵益，包括有形的物质产品供给与无形的服务提供两方面[5-6].正确认识生态系统服务的价值，有利于增强人类的环保意识，从而为制定合理的城市发展政策提供基础，进而实现城市的可持续发展，维护生态安全[7].
目前，国内外开展了大量对土地利用变化和生态系统服务评估的研究，前者集中于对土地利用变化的动态研究[8]、驱动力研究[9]、空间特征研究[10]等方面；后者在理论框架、尺度、方法及应用等方面均取得了显著的进展，其中以Costanza[6]和联合国千年生态系统评估工作组[11]的研究最为突出.在中国，谢高地等[12-13]的研究颇具有代表性.本文基于遥感影像，分析了长春市中心城区2001—2016年的土地利用和生态系统服务价值的动态变化，旨为生态安全发展形势下研究区的城市发展政策提供参考.
首先，用无菌水将斜面上成熟的孢子洗下，转入装有玻璃珠的无菌50 ml三角瓶中，在摇床上振荡10～20 min，使孢子充分分散，得到孢子悬液。其次，将1 ml孢子悬液转入灭菌的装有种子培养基的300 ml三角瓶中，培养22 h。最后，将培养好的种子培养液以体积分数12%的接种量转入灭菌的装有添加不同浓度梯度的微量元素与发酵增效剂的发酵培养基的300 ml三角瓶中，用正常培养基作为对照，培养166 h。
1 研究区域及数据处理
1.1 研究区域
长春市是吉林省省会，是吉林省政治、文化、教育和经济中心.其中，长春市中心城区作为城市化水平最高的区域，其土地利用矛盾最为突出，以其为研究对象更具有代表性.长春市中心城区包括朝阳、南关、宽城、绿园、二道5个行政区和高新、净月、经开、汽开4个国家级开发区(见图1)，总面积约为608.32 km2.
图1 研究区区位图
1.2 数据处理
本次遥感监测包括2001，2007，2011，2016共4个时段的7景遥感影像，数据来源于地理空间数据云平台.参照中国科学院资源环境数据库土地利用分类体系，结合研究区土地利用特征，将土地利用划分为建设用地、草地、水体、林地、耕地、未利用地6种类型.经检验各期分类精度均超过80%，达到了本研究的精度要求.
三月二十一日，救援伊犁时所调之十苏木500名厄鲁特、察哈尔蒙古步队到城。[注]《钦定平定陕甘新疆回匪方略》卷110，同治四年七月丁卯条。该官兵到城后，向参赞大臣武隆额建议，将他们派到城南平庆庙，请求那里主持寺庙的喇嘛棍噶扎勒参率领僧徒和十苏木蒙古兵防守塔尔巴哈台城和蒙古游牧地。
2 研究方法
2.1 土地利用综合动态度
区域土地利用类型的综合变化率反映某一研究时段内土地利用变化的剧烈程度，即综合土地利用动态度.计算公式如下：
式中：C 为综合土地利用动态度；ΔU ij 为研究时段内第i 类土地利用类型转化为第j 类土地利用类型的面积；U i 为研究初期i 类土地利用类型的面积.
2.2 土地利用程度综合指数
土地利用程度综合指数用来反映某一时间的土地利用程度状况，同时可用于评价某区域的土地利用集约度.计算公式如下：
3.1.1 城市土地利用变化总体特征
2.3 土地利用转移矩阵
从土地利用综合动态度来看，2001—2007，2007—2011，2011—2016年分别为36.70%，34.96%，31.82%，总体变化率呈不断下降的状态，反映了研究时段内土地利用的变化稳定；土地利用的综合年均变化率分别为6.12%，8.74%，6.36%，反映了2007—2011年年均土地利用变化程度最为剧烈.长春市中心城区2001，2007，2011，2016年土地利用程度综合指数分别为302.80，318.92，339.26，354.95，总体呈不断上升的特点，反映了研究区对土地的利用程度不断加强.
式中：S 代表土地面积；i ，j 分别代表研究初和研究末期的土地利用类型；n 代表土地利用类型总数.
式中：E SV为生态系统服务价值；A k 为研究区第k 种土地利用类型的面积；V k 为研究区第k 种土地利用类型的生态系统服务价值系数.
2.4 生态系统服务价值估算
生态系统服务价值估算参考谢高地等[13-14]提出的基于单位面积价值当量因子的生态系统服务价值化方法，以2010年长春市区玉米、水稻、大豆三大粮食主产物计算其标准当量，结果为3 681.6元/hm2，由此确定研究区域的生态系统服务价值系数.其中林地、草地、水体、耕地、未利用地分别采用针阔混交林、灌丛、水系、旱地、裸地的价值当量，并假定建设用地的价值当量均为0.计算公式如下：
E SV=∑A k ×V k .
在特性上，风景园林行业相关安全技术规范规定了园林绿地建设的基本要求，不涉及技术细节。而各类标准则是法规标准体系的技术支撑，数量众多，涉及的内容十分广泛。规范与各类标准相互融合、互不排斥、协调发展，构成和谐统一的体系。
3 结果分析
3.1 土地利用时空变化
式中：L 为土地利用程度综合指数；A i 为第i 级土地利用程度分级指数；C i 为第i 级土地利用程度分级面积百分比；n 为土地利用程度分级数.
土地利用转移矩阵反映某一研究时段内某种土地利用类型面积增加或减少的来源和去向.其数学形式如下：
1.信息技术有利于馆藏书籍的数字化。信息技术对传统图书管理最大的影响就是数字化保存技术。传统图书保存工作量大，保存环境苛刻，需要大量空间，容易造成图书丢失损坏。信息化技术通过扫描，把大量书籍、海量数据录入到计算机中，再利用多媒体技术展现出来，还可以计算机联网，实现远程传播。比如上海世博会上和故宫博物院里，都可以看到电子版的《清明上河图》，真迹保存完好，珍贵典藏依然可以广泛传播。同时，对书籍的数字化可以增加图书馆的教育能力和传播能力，借阅者通过对电子版的借阅看到完整的书籍内容，在更大范围内进行共享，并不受图书馆场地所在和闭馆时间的影响。
2001—2007年，建设用地、林地、水体数量增加，草地、耕地、未利用地数量减少.其中草地主要转化为建设用地；林地和水体的增加主要来源于草地；耕地和未利用地主要转化为草地.2007—2011年建设用地快速增加，水体略有增加，草地、林地、耕地、未利用地数量减少.其中草地主要转化为建设用地，且建设用地的增加也主要来源于草地，分布在原有建设用地的外围区域，较2001—2007年有所扩张；耕地主要转化为草地和建设用地，分布在东部、西南部和西北部；林地主要转化为草地，集中分布在东南部；未利用地主要转化为建设用地，其最突出的特点是原有建设用地内部的未利用地被充分利用，表征了城市发展过程中的内填式扩张.2011—2016年，除建设用地增加外，其他土地类型均出现不同程度的减少，其中，草地主要转化为建设用地；耕地主要转化为草地和建设用地，在研究区的东部、西南部和西北部进一步集中；林地主要转化为草地，集中分布在净月区的东部；水体主要转化为建设用地，集中分布在河流沿岸；未利用地主要转化为草地和建设用地(见表1).
表1 2001—2016年土地利用转移矩阵 km2
由图2可见，研究区的土地利用模式由以草地为主向以建设用地为主转变.2001—2016年，草地面积由270.98 km2减少至152.63 km2，其减少面积的近85%转化为建设用地；建设用地面积由186.91 km2增加至389.83 km2，其中由草地转化来的建设用地面积约占69%，其次为耕地和未利用地，分别占转化面积的20%和10%.各土地利用类型除直接转化为建设用地外，趋向于向草地直接转化，进而转化为建设用地，反映了城市发展过程中对除草地外其他土地利用类型的变相间接侵占.
采用SPSS 18.0统计学软件处理数据，计量资料用（±s）表示，采用 t检验，计数资料用百分比（%）表示，采用χ2检验，P＜0.05为差异有统计学意义。
图2 土地利用变化分析
3.2 生态系统服务价值变化
由表2可以看出，研究区2001，2007，2011，2016年的生态系统服务价值(E SV)总量分别为24.191 2，25.003，21.212 4，16.184 8亿元，总体呈下降趋势.2001—2016年间E SV总量下降了8.006 4亿元，降幅达33.1%，年均下降率达2.2%.这主要是由城市快速发展中建设用地大量占用其他土地利用类型所致.
3.1.2 城市土地利用状态转移特征
从土地利用类型来看，不同年份E SV总量最高的均为草地，但下降趋势明显，反映了城市发展过程中草地总量的减少；其次为水体，总体表现为增加，表征了城市发展过程中对水库和河流建设的重视.草地和水体两种土地利用类型的E SV总量占据了研究区E SV总量的绝大部分，在4个时间点分别为90.1%，85.3%，92.7%、93.2%.从2001—2016年E SV的变化来看，除水体的E SV上升外，草地、耕地、林地、未利用地的E SV均下降，反映了城市发展中建设用地对草地、耕地、林地、未利用地的占用.
运行稳定后，砂滤单元和生物活性炭单元都具备去除铁、锰、氨氮、色度的能力，故对出水水质有双重保障作用，出水稳定性很高；同时，由于该工艺的分级控制作用，当进水水质波动较大时，砂滤出水随原水波动，但其出水已大大降低了污染物浓度（如表1），减轻了生物活性炭的处理负荷，生物活性炭能有效控制砂滤出水中超标的污染物，从而消除出水的波动。另外，当砂滤单元运行异常导致浊度、色度泄露时，活性炭单元能够有效截留去除，进一步保障出水水质的稳定。通过对实测水质的分析，砂滤单元对锰、氨氮和CODMn的处理能力占工艺总去除能力的50%，45%，30%。
表2 不同土地利用类型的生态系统服务价值
从不同生态系统服务价值来看，水文调节服务价值最高，2001，2007，2011，2016年所占比重分别为24.0%，27.8%，31.9%，34.1%，这与水体提供的E SV不断上升相照应；其次为气候调节、土壤保持、生物多样性、气体调节等功能.从2001—2016年各生态系统服务的价值变化来看，各生态系统服务的价值均出现下降.其中8类生态系统服务价值降幅超过40%，包括食物生产、原料生产、气体调节、气候调节、土壤保持、维持养分循环、生物多样性、美学景观；其次为净化环境服务，其降幅约为38%；水资源供给和水文调节两种服务的价值降幅低于5%(见表3).
表3 不同生态系统服务类型的生态系统服务价值
4 结论和讨论
4.1 结论
保持功能健康与结构完整是生态系统自身安全的前提，土地利用结构优化离不开草地、林地、耕地、未利用地、建筑用地及水体等资源的合理配置.通过对2001—2016年4个时间点的土地利用变化时空动态分析发现，研究区的土地利用模式由以草地为主向以建设用地为主转变.面积减少的土地利用类型为草地、耕地、林地、未利用地，其减少面积大部分直接或间接转为建设用地；面积增加的土地利用类型为建设用地和水体，主要由草地转化而来.随着建设用地的不断增加，研究区的土地利用综合程度指数不断上升，土地利用综合动态度不断下降.
从生态系统服务价值的变化来看，研究区的生态系统服务价值总体呈下降趋势.2001—2016年除水体的生态系统服务价值上升外，草地、耕地、林地、未利用地的生态系统服务价值均下降.4个研究时间点生态系统服务价值最高的均为草地，但下降趋势明显，其次为水体，草地和水体两种土地利用类型的生态系统服务价值总量占据了研究区生态系统服务价值总量的90%以上.从不同生态系统服务的价值来看，2001—2016年各生态系统服务的价值均出现下降，其中水文调节服务价值最高，其次为气候调节、土壤保持、生物多样性、气体调节等功能.
4.2 讨论
首先，基于改进的单位面积价值当量因子的生态系统服务价值化方法对全国及区域尺度的研究精度较高，对单一城市的研究精度有所降低，未来应关注对单一城市生态系统服务价值的评估方法研究；其次，应关注更长时间段的土地利用变化与生态系统服务价值的关系，并注意其影响因素的分析，更好地为城市发展策略选择提供借鉴；最后，应进一步关注生态系统服务价值测度结果的确定性及应用性研究，以为土地资源利用及其动态配置提供科学有效的技术支撑.
[参 考 文 献]
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Spatial -temporal evolution of land use and measurement of ecosystem service value in Changchun City
LU Hui-yan1，ZHOU Shuang-shuang2，ZHENG Xiao-dong3，WANG Shi-jun2
(1.Emergency Management Actuarial-oriented，The Party School of Jilin Province(The Administration College of Jilin Province)，Changchun 130061，China； 2.School of Geographical Sciences，Northeast Normal University，Changchun 130024，China；3.No.6 Senior High School of Changchun Automotive Economic-Technological Development Zone，Changchun 130011，China)
Abstract :Based on the land use data of Changchun downtown area in 2001，2007，2011 and 2016 obtained from remote sensing images，this paper analyzed the spatial and temporal evolution characteristics of land use，and estimated the value of ecosystem services in the study area based on the value equivalent factor of unit area.The results show that there are obvious spatial differences in land use change in the central urban area of Changchun City，and the land use pattern has changed from grassland-based to construction-based.The total value of ecosystem services has been declining，with grassland contributing the most，followed by water body；and the value of hydrological regulation is the highest in ecosystem services.
Keywords :land use；value of ecosystem services；temporal-spatial changes；Changchun
[文章编号] 1000- 1832( 2019) 03- 0122- 06
[ DOI] 10.16163/ j.cnki.22- 1123/ n.2019.03.023
[收稿日期] 2019- 01- 04
[基金项目] 国家自然科学基金资助项目(41630749，41471142).
[作者简介] 逯惠艳(1968—)，女，硕士，副教授，主要从事政府效率与公共危机管理研究；
通信作者： 周双双(1993—)，女，硕士研究生，主要从事城市地理和土地资源管理研究.
[中图分类号] C 912.81
[学科代码] 840· 2721
[文献标志码] A
(责任编辑：方 林)
标签：土地利用论文; 生态系统服务价值论文; 时空变化论文; 长春市论文; 中共吉林省委党校吉林省行政学院应急管理教研部论文; 东北师范大学地理科学学院论文; 长春汽车经济技术开发区第六中学论文;