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湍绍
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1 中国环境科学 2009,29(1):95~100 China Environmental Science 基于生态服务价值的上海土地利用变化影响评价程江 1,2*, 杨凯 2, 赵军 2 2, 吴健平 (1. 华东师范大学河口海岸学国家重点实验室, 上海 ;2. 华东师范大学资源与环境科学学院, 上海 ) 摘要 : 基于 Costanza 的生态系统服务单价和我国国情, 评估了上海中心城区 1947~2006 年土地利用变化对区域生态系统服务功能的影响. 研究表明,60 年间生态系统服务功能总体下降了 87.96%, 可分为缓慢减少剧烈减少趋缓减少和缓慢上升 4 个阶段, 各阶段生态系统服务价值年均变化分别为 , , , 元 /a.17 类生态系统服务功能中, 土壤侵蚀控制栖息地文化功能和扰动调节功能呈正增长, 其中 20 年来绿地面积和绿化覆盖率持续增加是侵蚀控制功能和栖息地功能显著增加的主要原因.60 年来水域面积大量减少使得水分调节和水供应功能的降幅巨大, 两者对中心城区生态系统服务功能减少的贡献率为 63.74% 和 24.33%. 水域耕地绿地城市住宅和公共建筑用地的生态系统服务功能变化, 对中心城区生态系统服务功能减少的贡献率为 99.57%,5.09%,4.09%,0.34%, 0.22%. 除水域和耕地的生态系统服务功能显著下降外, 其余均有上升, 其中绿地的生态系统服务价值增幅最大, 年增长率为 19.45%. 关键词 : 生态系统服务价值 ; 土地利用变化 ; 城市化 ; 中心城区 ; 上海中图分类号 :X321 文献标识码 :A 文章编号 : (2009) Impact assessment of land use change in center district of Shanghai based on ecosystem services value. CHENG Jiang 1,2*, YANG Kai 2, ZHAO Jun 2, WU Jianping 2 (1. State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research, East China Normal University, Shanghai , China;2. School of Resources and Environmental Sciences, East China Normal University, Shanghai , China). China Environmental Science, 2009,29(1):95~100 Abstract:Based on Costanza s unit ecosystem services value (ESV) and specific situation of China, the variation of ecosystem services (ES) caused by land use change was assessed in center district of Shanghai from 1947 to The total ESV decreased 87.96% from 1947 to The changing process of ESV could be divided into gradual decreased period, rapid decreased period, slowing decreased period and gradual increased period. In the four periods, the variations of ESV were , , and yuan/a, respectively. Except 4 categories: erosion control and sediment retention, refugia, cultural, and disturbance regulation, the ESV of the other 13 categories were all decreased. In the recent 20 years, the rapid increases of green open space area and cover rate were the major reasons which induced the ESV of refugia, erosion control and sediment retention increased greatly. Because of the water area disappeared continuously, the ESV of water regulation and water supply decreased mostly among the 13 decreased categories of ecosystem services, and the contribution rates of the 2 categories to the total ESV variation were 63.74% and 24.33%, respectively. The ESV of green open space, residential district and public building were increased besides of water. The ESV of green open space increased most quickly with a 19.45% annual growth rate among all land use types. The contribution rates of water, cultivated land, green open space, residential district and public building to the variation of total ESV in center district were 99.57%, 5.09%, 4.09%, 0.34% and 0.22%, respectively. Key words:ecosystem services value;land use change;urbanization;center district;shanghai 人类活动造成的土地利用变可引发各类陆地生态系统面积空间分布与格局变化, 导致生境与结构破碎改变生物地球化学循环过程出现环境污染改变水循环过程等一系列环境问题 [1].20 世纪 90 年代以来, 全球环境变化研究领域逐渐加强了对土地利用 / 土地覆被变化的环境影响研究, 已有研究多集中于大气气候水文土壤及沉积物生物多样性等方面 [23]. 近年来国内外学收稿日期 : 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( , ); 教育部新世纪优秀人才支持计划 (2007) * 责任作者, 博士, jcheng@sklec.ecnu.edu.cn

2 96 中国环境科学 29 卷者利用生态系统服务价值核算方法, 对美国 Texas [4] 国内三江平原 [5] 四川渔子溪 [6] 北京 [7] [8] 平谷区和深圳宝安区等地研究了较短时间尺度下土地利用变化对生态系统服务功能的影响. 上海位于我国东部平原河网地区, 自 1842 年开埠以来, 至 2007 年城市化率近 85%. 本研究以上海中心城区为研究对象, 从生态系统服务价值角度评估了其 1947~2006 年的土地利用变化影响, 并从自然因素经济发展人口因素和政府调控等角度分析了影响中心城区生态系统服务功能的主导因素, 以期为城市化区域的生态系统服务功能评估和快速城市化进程中的生态用地保护与规划提供借鉴. 1 数据来源与研究方法表 1 各土地利用类型的生态系统服务单价 Table 1 ESV of different land use types 1.1 土地利用变化动态数据的获取上海中心城区包括黄浦卢湾静安徐汇基因资源娱乐长宁虹口普陀杨浦和闸北 9 区, 面积 17 文化 km 2. 中心城区合计和 2006 注 : 表示缺乏数据或无此项生态服务功能年的航空遥感图像解译资料来源于教育部地理表 2 我国生态系统服务价值估价方法对比信息科学开放实验室, 比例尺均为 1:10000, 栅格 Table 2 Value method of ecosystem services in China 数据,jpg 格式, 空间分辨率 2m. 在 ArcGIS8.3 环境下, 校正配准和镶嵌各时期航空遥感图像, 通过生态系统时间生态系统服务价值研究对象特征跨度 (a) 估价方法目视解译与计算机自动提取相结合的技术手段陆地与海洋 1 采用 Costanza 方法 [10] 提取土地利用图, 并将研究区域的土地利用类型综合 Costanza 陈仲 [1] 陆地 8 [10] 新和 Per 分为耕地绿地城市住宅用地公共建筑用地方法大尺度自然参照 Costanza 方法, [11] 生态系统水域交通用地和工业用地 7 大类. 自然草地 1 并据草地生物量修正 1.2 生态系统服务功能划分与价值计算参照 Costanza 方法, 并据 [12] 青藏高原 1 生态问卷调查结果修正采用国内外应用较多的 Costanza 等的分类法, 将生态系统服务功能划分为 17 大类 ( 表 1). 综合 Costanza 和谢高 [5] 三江平原 20 [12] 中尺度自然地方法由于 Costanza 等对全球生态系统服务价值的估生态系统综合 Costanza 陈仲 [6] 四川渔子溪 16 [10] [11] 算中, 未对城市生态系统的休闲和文化价值进行新和谢高地方法小尺度城综合 Costanza 估价, 且对耕地的估算过低, 对湿地的估算偏高. 和谢高 [7] 北京平谷区 5 [11] 市化区域地方法 [1,58,1012] 鉴于上述原因, 国内学者根据我国实际 [8] 生态系统深圳宝安区 8 采用 Costanza 方法情况, 参考了 Costanza 等的估价, 在概括综合的基础上, 探讨了我国的各类生态系统服务单价, 并对一定时间跨度下不同尺度的自然生态系统和城市生态系统的服务价值进行了估算和变化评估 ( 表 2). [1,58,1012] 本研究以国内学者基于 Costanza [4] 等提出的全球自然生态系统服务单价确定的我国自然生态系统服务功能单价为基础, 兼顾城市生态系统的休闲和文化价值 [79,13], 选用如表 1 编号生态系统服务单价 [ 元 /(hm 2 a)] 生态系统城市公共服务类型耕地绿地水域住宅建筑 1 水供应大气调节气候调节扰动调节水分调节土壤侵蚀控制土壤形成营养物循环废物处理传花粉生物控制栖息地食物供应原材料

3 1 期程江等 : 基于生态服务价值的上海土地利用变化影响评价 97 所示的生态系统服务功能单价. 由于长时间序列下社会经济发展自然资源稀缺性和服务人口等的变化, 导致生态系统服务功能的价格系数变化, 且部分自然资源作为非市场物品难以通过市场交换来直接确定其价值系数, 因此国内外许多研究中对不同发展时期的生态系统价值系数, 多以恒定值处理, 故本研究亦采用固定的生态系统服务单价. 交通和工业用地生态系统服务价值很小, 暂不考虑. 除交通和工业用地外的各用地类型面积比例见图 1. 土地利用类型比例 (%) 60 耕地水域 50 绿地城市住宅公共建筑年份图 ~2006 年中心城区各类用地面积比例变化 Fig.1 The change rate of different land use in central Shanghai from 1947 to 2006 计算区域生态系统服务价值方法如下 [5,13] : ESV 17 = A VC (1) i i ij j = 1 式中 :ESV i 为 i 类土地利用类型的生态系统服务总价值 ; A i 为第 i 类土地利用类型的面积 ;i=1,2,,5, 分别代表耕地绿地城市住宅用地公共建筑用地和水域 ;VC ij 为修订后的第 i 类土地利用类型的第 j 类生态系统服务单价 [ 元 /(hm 2 a)]; j= 1,2,,17, 分别代表 17 类生态系统服务类型 ( 表 1). 生态系统服务价值 (ESV) 按式 (2) 计算 : 5 ESV = ESV i (2) i= 1 2 结果与讨论 2.1 生态系统服务价值总量变化特征对上海中心城区 1947~2006 年土地利用变化导致的生态系统服务功能变化进行的计算表明, 60 年间上海中心城区生态系统服务功能的总价值从元 /a 减少到元 /a, 降低了 87.96%, 动态度为 1.49% ( 图 2). 据生态系统服务功能总价值的相对变化率,60 年的变化过程可划分为缓慢减少 (1947~1996 年 ) 剧烈减少 (1996~2000 年 ) 趋缓减少(2000~2003 年 ) 和缓慢上升 (2003~2006 年 ) 等 4 个阶段 ( 图 2). 各阶段生态系统服务功能价值总量的年均变化量分别为 : , , , 元 /a; 动态度分别为 1.04% 18.57% 2.62% 和 1.17%. 其中,1996~2000 年生态系统服务价值总量剧烈下降, 随后的 2000~2003 年生态系统服务价值总量缓慢减少, 该特征与 1996~2004 年全国土地利用变化导致生态系统服务功能整体增加的趋势不符 [1], 但与同期深圳市宝安区 [8], 及 1980~2000 年三江平原生态系统服务价值损失的研究结果较为相似 [5]. 元 /a) 4 lg ESV( 耕地水域 0 绿地城市住宅公共建筑总和年份图 ~2006 年各用地类型的生态服务价值变化 Fig.2 ESV change of different land use types in central Shanghai from 1947 to 缓慢减少阶段 (1947~1996 年 ) 上海地处长江三角洲平原河网密集地区, 其城市发展受地形影响较小. 建国前后, 上海由商业贸易为主的消费型城市转变为以工业生产为主的工业城市. 中心城区面积从建国初期的约 86km 2 增加到目前的 km 2, 期间大量城市边缘区土地向城镇建设等用地转化. 耕地和水域比例分别从 53.85% 和 13.50%, 下降到 4.13% 和 6.50%, 动态度分别为 1.88% 和 1.06%, 低于 60 年间 1.89% 和 1.56% 的动态度 ( 图 1). 由于水域的生态系统服务单价远大于其他用地, 且耕地的生态系统服务单价亦较

4 98 中国环境科学 29 卷高. 因此, 此阶段在耕地和水域逐步转变为城市住宅交通绿地公共建筑和工业等用地过程中, 研究区生态系统服务功能的价值总量缓慢下降剧烈减少阶段 (1996~2000 年 ) 从 20 世纪 90 年代开始, 上海开始大规模市政工程建设. 此阶段上海全市实有铺装道路长度铺装道路面积和城市桥梁分别增长了和 4.43 倍. 经济的高速发展导致城镇建设用地扩张及侵占农田水域. 至 2000 年, 中心城区耕地全部消失, 动态度为 25.00%( 图 1), 远高于 1947~2000 年间 1.89% 的平均水平. 上海城市规划控制的河道主要是市区级河道, 作为构成河网地区毛细血管的村镇级中小河道, 由于量大面广, 淤塞严重, 且在各类新建工业区农业土地平整以及住宅小区开发过程中, 村镇级河道填埋数量明显高于新开挖或补偿的水面积 [14], 由此造成 1996~ 2000 年间水域动态度达 20.39%( 图 1), 远超 60 年间 1.56% 的动态度. 综上, 耕地的完全消失, 及大量中小河道的填没, 共同导致此时段中心城区生态系统服务功能的价值总量剧烈减少趋缓减少阶段 (2000~2003 年 ) 1999~ 2001 年进行的上海市水资源普查工作以及上海规划与防汛部门提出的城市化地区可调蓄的水面率不得少于 3% 的控制要求, 促使上海城市河道水面保护工作首次得到政府决策部门重视. 该阶段水域 0.06% 的动态度远低于前 2 个阶段 1.06% 和 20.39%, 以及 60 年间 1.56% 的动态度.2000~2003 年间绿地城市住宅和公共建筑用地的面积比例分别从 17.29% 29.48% 和 13.48%, 变化为 18.38% 29.55% 和 14.39%( 图 1). 水域生态服系统服务功能减少趋缓, 以及绿地城市住宅和公共建筑用地生态系统服务功能略有增加, 两项叠加导致该时段研究区域生态服系统服务功能的价值总量减少幅度趋缓, 从元 /a 减小为元 /a, 年均变化量元 /a, 明显低于前 2 个时段的元 /a 和元 /a 缓慢上升阶段 (2003~2006 年 ) 该阶段中心城区生态系统服务功能的价值总量首次出现正增长, 年均增长元 /a. 该时段上海地区水面率控制要求已被全面纳入到各层次的城市发展规划中, 构建了体现水面率控制要求的河道长效管理机制, 因此水域面积首次出现正增长 ( 图 1). 绿地城市住宅和公共建筑用地面积比例仍保持与前 3 个阶段一致的正向变化趋势. 上述原因共同促使此阶段的生态系统服务功能价值总量缓慢上升. 2.2 各类型生态服务功能变化特征 60 年间土地利用变化导致不同类型生态系统服务功能的变化趋势各异.17 类生态系统服务功能中, 土壤侵蚀控制栖息地文化功能和扰动调节呈上升趋势, 动态度分别为 19.45% 19.45% 4.73% 和 1.73%( 图 3). 土壤侵蚀控制和栖息地功能直接由绿地提供, 由于 1978~2006 年中心城区绿地面积总量增加了约 8600hm 2, 绿化覆盖率从 8.2% 增加至 38.0%. 因此, 近 20 年来中心城区绿地面积与绿化覆盖率大量增加造成其土壤侵蚀控制和栖息地功能快速增长. 动态度 (%/a) 大气调节气候调节扰动调节水分调节水供应侵蚀控制土壤形成营养物循环废物处理传粉生物控制栖息地食物供应原材料基因资源娱乐文化生态服务类型动态度贡献率图 ~2006 年各类生态服务价值动态度和贡献率 Fig.3 The changing rate and contribution rate of different ESV from 1947 to 2006 其他 13 种生态系统服务功能均不同程度下降, 其中, 基因资源营养物循环水分调节和水供应功能下降幅度较大, 年均降幅在 1.53%~ 1.57% 之间. 水分调节功能和水供应功能的降幅最为显著, 直接导致了整体生态系统服务功能呈负增长现象, 这与 1996~2004 年间的深圳地区相似 [8]. 两者对研究区生态系统服务功能总价值减贡献率 (%)

5 1 期程江等 : 基于生态服务价值的上海土地利用变化影响评价 99 少的贡献率分别为 63.74% 和 24.33%. 区域的水分调节功能和水供应功能与区域的水域绿地等生态用地面积与格局密切相关. 研究显示, 建国后的 50 余年间, 有记载的中心城区河道消失超过 220 条, 总长度超过 300 km [15] ;20 世纪 80 年代初至 90 年代末的近 20 年间, 上海地区河网水面率与城市化水平成反比 [14].1947~2006 年中心城区水域面积比例从 13.50% 下降为 1.05%, 水域面积的大量减少引起中心城区 60 年间水分调节功能和水供应功能的显著降低. 其余生物控制气候调节食物供应废物处理娱乐传粉和土壤形成功能的年均降幅在 1.06~1.38% 之间 ; 只有原材料和大气调节功能年下降幅度不超过 1%, 分别为 0.78% 和 0.11%. 2.3 各土地利用类型的生态服务功能变化特征各土地利用类型的生态服务价值变化显示, 除耕地和水域生态服务价值显著下降外, 其余绿地城市住宅用地和公共建筑用地的生态服务功能均有不同程度上升 ( 图 2). 由于土地利用方式改变导致了大量耕地和水面消失, 致使耕地和水域生态服务功能下降的现象, 在北京和深圳等国内其他地区也有不同程度的体现 [78]. 在所有土地利用类型中, 水域的生态服务功能最强, 耕地亦有的较强生态服务功能,1947 年水域与耕地面积比例位居前两位 ( 图 1), 两者生态服务功能对当时中心城区总体生态服务功能的贡献达 99.44%,60 年间上述两类用地面积比例持续下降, 且降幅巨大, 导致 2006 年水域对中心城区总体生态服务功能的贡献下降到 61.32%; 绿地的生态服务功能仅次于水域, 其占中心城区总体生态服务功能的比重逐年上升,2006 年已达 32.51%, 成为仅次于水域的第二大生态服务功能供给者.2006 年水域和绿地的生态服务功能之和达到了中心城区总生态服务功能的 93.83%. 由于具有较高的生态服务价值, 因此各级城市规划与管理, 资源节约环境友好型社会的建设中, 应保持适当面积比例的水域和绿地等生态用地, 例如上海地区的平均水面率应至少保持在约 9% 以上 [14]. 从不同用地类型的生态系统服务价值变化幅度来看, 绿地的生态系统服务价值增加幅度最大, 为 %, 年增长 19.45%, 其次为公共建设用地和城市住宅用地, 年增长率分别为 5.93% 和 2.61%; 耕地和水域为负增长, 动态度分别为 1.89% 和 1.56%. 从对研究区生态系统服务功能减少的贡献率来看, 水域贡献率最大, 为 99.57%; 其次为耕地, 贡献率为 5.09%; 而绿地城市住宅和公共建筑用地生态系统服务功能的上升显然对区域生态服系统服务功能的减少具有负贡献, 分别为 4.09%,0.34% 和 0.22%. 2.4 城市化区域生态系统服务价值系数探讨由于不同生态系统服务功能估算存在偏差, 使得其价值评估存在一定的不确定性, 因此应重点关注生态系统服务功能的相对变化及原因, 而非单纯计算出的绝对价值. 值得注意的是, 高度城市化区域发达的社会经济水平促使了城市生态系统的服务人口具有较高的文化娱乐休闲等需求, 并对水域绿地等城市相对稀缺自然资源具有较高市场评价, 且建设恢复城市绿地水域等生态用地的费用 ( 表 3), 远高于其固定的生态系统服务估价 ( 表 2), 因此有必要修订城市化区域生态系统服务的价值系数. 表 3 近年来上海中心城区绿地建设和河道整治费用 Table 3 Green open space construction cost and river regulation cost in central Shanghai in recent years 项目名称费用年份延安西路番禺路绿地 0.75 万元 /m 徐家汇绿地 1.15 万元 /m 苏州河环境综合整治一期工程亿元 1998~2002 苏州河环境综合整治二期工程亿元 2003~2005 苏州河环境综合整治三期工程亿元 2005~2008 上海中心城区中小黑臭河道整治亿元 2003~2005 注 : 数据来源于上海绿地集团和上海市水务局网站 60 年来上海中心城区土地利用发生显著变化, 从时间域上来看, 区域生态用地总体上呈持续减少趋势, 而人类对生态用地的需求则不断增加, 生态用地的稀缺性应持续增强 ; 从空间域上来看, 上海作为我国经济发达地区, 生态用地的经济稀缺性应显著高于全国平均. 以上 2 个因素表明,60

6 100 中国环境科学 29 卷年来上海中心城区生态用地的稀缺性应不断上升. 相应地, 单位面积生态系统的价值系数也应不断增加, 这给本文的评价结果带来不确定性. 需要强调的是, 以上分析仅为理论上的定性分析, 更为深入的定量分析, 即如何确定生态系统在不同时期和不同稀缺性情景下的价值系数, 尚待未来经济学和生态学的学科交叉与深入探讨. 3 结论 3.1 城市经济类型转变大规模城市建设等人类活动导致高生态系统服务价值的水域和耕地等用地面积与比例急剧减少, 使得上海中心城区 1947~2006 年生态系统服务功能价值总量降低了 87.96%.60 年的变化过程可划分为缓慢减少 (1947~1996 年 ) 剧烈减少(1996~2000 年 ) 趋缓减少 (2000~2003 年 ) 和缓慢上升 (2003~2006 年 )4 个阶段, 各阶段生态系统服务功能价值总量的年均变化分别为 , , , 元 /a 类生态系统服务功能中的侵蚀控制栖息地文化功能和扰动调节 4 类功能呈上升趋势, 其中近 20 年来绿地面积和绿化覆盖率大量增加是侵蚀控制功能和栖息地功能增加显著的主要原因. 生态系统服务功能减少类型中, 受 60 年来水域面积大量减少的影响, 水分调节功能和水供应功能的降幅巨大, 整体生态系统服务功能变化的贡献率分别达到 63.74% 和 24.33%. 各用地类型中, 水域和耕地生态系统服务价值显著下降, 绿地城市住宅用地和公共建筑用地的生态服务功能均有不同程度的上升, 其中绿地的生态系统服务功能增加幅度最大, 年增长率为 19.45%. 3.3 城市化进程导致城市区域生态用地稀缺性不断上升, 相应单位面积生态系统的价值系数不断增加. 如何确定不同时期和不同稀缺性情景下的生态系统服务价值系数, 是合理评价城市化区域生态系统服务功能的关键环节, 这一问题有待进一步研究. 化环境影响评价 [J]. 环境科学, 2006,27(10): [2] 李秀彬. 全球环境变化研究的核心领域土地利用 / 土地覆被变化的国际研究研究动向 [J]. 地理学报, 1996,51(6): [3] Pauleit S, Ennos R, Golding Y. Modeling the environmental impacts of urban land use and land cover change a study in Merseyside, UK [J]. Landscape and Urban Planning, 2005,71: [4] Kreuter U P, Harris H G, Matlock M D. Change in ecosystem service values in the San Antonio area, Texas [J]. Ecological Economics, 2001,39: [5] 王宗明, 张树清, 张柏. 土地利用变化对三江平原生态系统服务价值的影响 [J]. 中国环境科学, 2004,24(1): [6] 冉圣宏, 李秀彬, 吕昌河. 土地覆被及生态服务价值变化的多时间尺度模拟以四川省渔子溪流域为例 [J]. 地理学报, 2006, 61(10): [7] 白晓飞, 陈焕伟. 土地利用的生态服务价值以北京市平谷区为例 [J]. 北京农学院学报, 2003,18(2): [8] 冉圣宏, 吕昌河, 贾克敬, 等. 深圳宝安区土地利用变化的环境影响研究 [J]. 中国人口资源与环境, 2006,16(5):7277. Costanza R, d Arge R, Groot R, et al. The value of the world s ecosystem services and natural capital [J]. Nature, 1997,387: [10] 陈仲新, 张新时. 中国生态系统效益的价值 [J]. 科学通报, 2000, 45(1):1719. [11] 谢高地, 张镱锂, 鲁春霞, 等. 中国自然草地生态系统服务价值 [J]. 自然资源学报, 2001,16(1):4951. [12] 谢高地, 鲁春霞, 冷允法, 等. 青藏高原生态资产的价值评估 [J]. 自然资源学报, 2003,18(2): [13] Per B, Sven H. Ecosystem services in urban areas [J]. Ecological Economics, 1999,29: [14] 杨凯, 袁雯, 赵军, 等. 感潮河网地区水系结构特征及城市化响应 [J]. 地理学报, 2004,59(4): [15] 程江, 杨凯, 赵军, 等. 上海中心城区河流水系百年变化及影响因素分析 [J]. 地理科学, 2007,27(1):8591. 作者简介 : 程江 (1977), 男, 江苏溧阳人, 华东师范大学河口海岸学国家重点实验室在站博士后, 主要从事城市水资源和水环境研究. 发表论文 10 余篇. 参考文献 : [1] 冉圣宏, 吕昌河, 贾克敬. 基于生态服务价值的全国土地利用变

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