基于修正生态服务价值的长沙市土地利用结构研究

安静 胡贤辉

[摘要]对长沙市1996、2006、2016年土地利用数据进行处理，采用替代市场法对生态系统服务价值（ESV）模型进行完善和修正，用生态服务价值代替土地面积计算土地利用结构信息熵，对土地利用结构有序度进行评价，为土地资源可持续利用提供参考。结果表明，20年间长沙市ESV共减少391754.68 万元，其中湿地ESV减少最多；从空间来看，长沙县ESV减少最多。1996-2016年间开福区土地利用结构最无序，浏阳市土地利用结构性最强，各区域土地利用结构有序度发生不同程度的波动。研究为长沙市土地可持续利用、生态环境保护提供参考。

[关键词]长沙市；生态系统服务价值；土地利用结构信息熵

[中图分类号]F301.2 [文献标识码]A

土地承载着各种生态系统，生态系统提供服务的类型和强度依赖于土地，通过计算各区域的生态服务价值，研究两者的关系，可对土地利用结构进行相应调整。Salimi等结合GIS技术对土地利用结构进行优化，并且采用各种评价指标研究土地利用结构。目前多运用信息熵、均衡度、洛伦兹曲线和基尼系数研究土地利用结构有序度。蔡军表明城市工业用地和绿化用地不协调严重阻碍了社会经济的可持续发展。随着城镇化的推进，长沙市土地利用变化使不同空间尺度的生态系统遭到破坏，基于生态服务价值对长沙市各区域土地利用结构进行研究，有助于合理进行土地生态规划，促进土地资源集约利用。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

长沙位于湖南省东部偏北，湘江下游，气候温和，降水充沛。长沙有多种土壤类型，红壤、水稻土分别占土壤总面积的70%与25%，植被以亚热带常绿阔叶林为主。2016年底，长沙市常住人口764.52万，城镇化率为75.99%，比上年提高1.61个百分点，国内生产总值从1996年的1519.90亿元增加到2016年的9323.70亿元。长沙作为全国“两型社会”综合配套改革试验区、长江中游地区重要的中心城市，其城区规模不断扩大。长沙市土地利用变化导致局部生态环境发生改变，结合生态系统服务价值研究长沙市土地利用结构有序度，有助于决策者科学制定土地生态规划、集约利用土地资源。

1.2 數据来源

本文所需土地利用变化数据和社会经济数据来自湖南省统计局、长沙市国土局、《中国粮食年鉴》、长沙市环保局。结合我国土地利用现状分类系统，本文将所获取的土地利用数据分为：耕地、园地、林地、草地、湿地、城镇村及工矿用地、交通运输用地、水域及水利设施用地、其他土地。

2 研究方法

2.1 生态系统服务价值估算方法

2.1.1 非建设用地生态系统服务价值系数估算方法。本研究采用价值量评价法计算非建设用地生态系统服务价值，采用Costanza提出的生态系统服务价值分析模型，其计算公式为：

（式1）

式中ESV、分别为总服务价值和第k类型的生态服务价值；为第k类型的土地面积；为价值系数。由谢高地等制定的“中国生态系统服务价值当量因子表”和1个当量因子经济价值的确定方法，结合生物量因子表修正价值系数。由《湖南省统计年鉴》相关数据可知研究期内长沙市平均粮食产量为湖南省的1.15倍，故修正后长沙市生态服务价值系数为2.24。2016年全国粮食平均价格为2.73元·kg-1，长沙市粮食产量为6633.24kg/hm2，结合2017、2018年利率进行调整得到长沙市1个生态系统服务价值当量的经济价值为2696.75元/hm2。该研究将耕地与农田生态系统对应，园地取森林和草地的平均值，林地与森林对应，草地与草地对应，湿地与湿地对应，水域与水体对应，未利用地与荒漠对应（见表1）。

2.1.2 建设用地生态系统服务价值系数估算。本文采用防治成本法对城镇村及工矿用地的气体调节、废物处理的价值进行估算，采用替代成本法对城镇村及工矿用地水源涵养价值进行估算。

城镇村及工矿用地气体调节价值公式：

（式2）

式中Pt表示城镇村及工矿用地气体调节的单位面积生态价值，Qt表示t类废气排放量，Ct表示处理t类废气的成本，Su为城镇村及工矿用地总面积。

城镇村及工矿用地水源涵养价值公式：

（式3）

式中Pw表示城镇村及工矿用地水源涵养单位面积生态价值，W表示用水量，P表示水的单价，Qw表示废水排放量，Cw表示治理废水的成本。

城镇村及工矿用地废物处理价值公式：

（式4）

式中Pr表示城镇村及工矿用地废物处理单位面积生态价值，Qr表示废物排放量，Cr表示治理废物的成本。

交通运输用地生态服务价值系数测算对应未利用地生态系统，但因交通运输用地产生大量汽车尾气，故在此基础上采用防治成本法计算其气体调节价值。

2.2 基于生态服务价值的土地利用结构信息熵

信息熵是用来评价系统无序度的。因不同地类的生态服务价值不同，采用生态服务价值代替面积计算土地利用结构信息熵，可以避免忽略土地利用类型功能差异的局限性。土地利用结构信息熵表达式为：

（式5）

式中H为土地利用结构信息熵，Pi为第i类土地利用类型的生态服务价值占该区域总生态服务价值的比例。H值越小，系统就越有序，结构性越强。

3 结果分析与讨论

3.1 生态系统服务价值（ESV）变化分析

根据式1到式4计算生态服务价值系数（见表1），由表1结合土地利用数据得到表2，由表2可知：1996、2006、2016年长沙市ESV分别为5281298.56万元、5148093.12万元、4889543.88万元，20年间减少了391754.68 万元，变化率为-0.07。从数量上看，湿地ESV减少最多，减少量为107187.72万元，其次为水域和园地。从变化率看，ESV减少幅度最大的是园地，变化率为-0.68，其次为湿地、草地、未利用地。建设用地的迅速扩张占用大量生态价值相对较高的草地、园地等是导致长沙市总生态系统服务价值减少的重要原因。

由表3可知，长沙市及各区域ESV都是减少的，除了长沙县、浏阳市和宁乡县ESV变化率相对较小，其他区域都较大。由于岳麓区2006年后进行大的行政区划调整，导致该区ESV变化较大。雨花区和芙蓉区1996～2016年ESV分别减少24537.53万元、7572.28 万元，但变化率相近为-85.53%、-87.31%，都处于较高水平。天心区2006～2016年ESV共减少22.49万元，变化率为-0.17%，说明天心区2006-2016年土地利用类型变化较小。近20年长沙市整体ESV总量共减少391754.68 万元，变化率为-7.42%，与各区域ESV变化率相比处于较低水平。

3.2 基于生态服务价值的土地利用结构信息熵

表4由式5和生态服务价值计算，可以看出，1996～2016年开福区H值在所有区域中最大，即土地利用结构最无序，浏阳市H值最小，即土地利用结构性最强。1996～2016年H值变化最大的是雨花区，H值减小0.4383，H值变化最小的是开福区，H值减小0.0065；1996～2016年岳麓区、望城县、宁乡县土地利用结构的变化趋势由无序向有序变化；芙蓉区、天心区、开福区土地利用结构信息熵先减小后增加。2009年第二次土地调查对土地利用数据更新后耕地、林地和城镇村及工矿用地的真实面积大幅度增加，这是导致部分区域H值大幅波动的一个原因。

4 结论

（1）1996～2016年长沙市生态系统服务价值共减少391754.68 万元，变化率为-0.07。湿地ESV减少最多，其次为水域和园地；园地ESV减少幅度最大，其次为湿地、草地、未利用地。1996～2016年长沙市岳麓区和望城县之间因行政区划大幅度调整造成两地ESV大量增加和减少。从数量来看，除岳麓区、望城县外，长沙县ESV减少最多，其次是浏阳市、宁乡县等。从变化率看，最大的是芙蓉区，其次是雨花区、开福区。长沙市各区域在调整土地利用结构时要注意湿地、水域和草地的变化，注重土地利用生态效益，减缓生态服务价值下降趋势。

（2）土地利用結构信息熵的计算用生态服务价值替代土地面积，不仅能反映土地利用结构的有序度，还能反映土地利用功能结构有序度。土地利用结构最有序的是浏阳市，最无序的是开福区；土地利用结构波动最大的是雨花区，其次为长沙县。1996～2016年岳麓区、望城县、宁乡县土地利用结构由无序向有序变化；芙蓉区、天心区、开福区H值先减小后增加。生态服务价值信息熵能反映土地利用的有序度及变化趋势，有利于集约利用土地资源，保护生态环境。

（3）本文采用间接市场法对谢高地等的生态服务价值系数进行修正和完善，消除因忽略建设用地生态服务价值引起的误差。用生态服务价值替代土地面积计算土地利用结构信息熵，对各区域土地利用有序度进行评价。本研究方法不仅能反应区域的土地利用结构有序度，还能对土地利用功能结构进行简单的评价，其中存在较多不完善之处，还有待深入研究。

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