深圳市基本生态控制线划定对生态系统服务价值的影响

吴健生,黄　乔,曹祺文

1 北京大学城市规划与设计学院,城市人居环境科学与技术重点实验室, 深圳　518055 2 北京大学城市与环境学院,地表过程与模拟教育部重点实验室, 北京　100871

生态系统服务(Ecosystem services)是人类从生态系统中所获得的各种惠益[1],其价值评估是生态环境保护、生态功能区划、环境经济核算和生态补偿决策的重要依据和基础[2]。1997年Costanza等人发表在Nature上关于全球生态系统服务价值核算的文章[3]引发了研究者对生态系统服务的关注,生态系统服务迅速成为生态学、地理学和环境科学的研究热点和前沿[4]。国内外关于生态系统服务价值(Ecosystem services value, ESV)评估的方法的研究很多,但尚未形成一套统一的评估体系[5- 8]。其中,谢高地等[9]在Costanza的研究成果上建立的中国陆地生态系统单位面积服务价值表的研究成果凭借直观易用、数据量需求少等特点为广大学者引用。土地利用变化蕴含大量人类活动的信息,可以通过改变生态系统类型、空间格局以及生态过程直接影响生态系统服务[10],其格局的变化对生态系统服务有着显著的影响[11]。随着土地利用土地覆被变化(LUCC)成为全球变化的热点,其对生态系统服务的影响也受到越来越多的关注[10- 16]。

《基本生态控制线》(后简称“控制线”)是深圳市于2005年颁布的一项生态政策。政策颁布后,深圳市的城市建设与发展多了一项强制性的约束条件,土地利用格局也因此发生了很大的变化,与之密切相关的生态系统服务价值可能也发生了变化。

倍差法最早由Meyer[17]于1995年在《Natural and Quasi-Experiments in Economics》中提出,由于操作简单且逻辑清晰,该方法已被广泛应用在公共政策分析和工程评估中,其优点在于直接剔除公共政策实施前后的相同影响因素的影响,留下公共政策本身的影响,在经济学领域应用广泛[18- 20],近年来也逐渐被引用到别的领域,如环境科学,研究高速路收费与空气污染之间的关系[21]。

为探究控制线对深圳市生态系统服务价值的影响,本研究基于深圳市2002、2005和2010年3期土地利用数据和控制线数据,分析了政策颁布前后深圳市土地利用变化情况,进而估算深圳市生态系统服务价值,探讨生态政策与生态系统服务价值之间的关系,以期为深圳市土地资源的合理优化配置,生态环境保护,生态政策的制定、调整及优化提供决策依据。

1　研究区与研究方法

1.1　研究区概况

深圳市位于中国南部海滨,珠江三角洲东岸,113°46′—114°37′E,22°27′—22°52′N。改革开放以来,深圳市从一个以农业为主的边陲小镇转变成高度城市化的大都市,景观格局经历了巨大的变化。城市建设用地不断扩张,生态用地不断被割裂和蚕食,生态环境出现了恶化的趋势[22],生态系统服务不可避免受到重大影响。

为此,深圳市于2005年颁布了《深圳市基本生态控制线管理规定》,成为全国第一个将生态保护纳入法规的城市。该政策要求将一级水源保护区、风景名胜区、自然保护区、集中成片的基本农田保护区、森林及郊野公园；坡度大于25%的山地、林地以及特区内海拔超过50 m、特区外海拔超过80 m的高地等纳入了控制线范围,最终约占全市面积一半的土地被划入了控制线内[23]。控制线内严格限制各种建设活动,且已建合法建筑不得擅自改建和扩建。

1.2　数据

本文基于深圳市2002、2005和2010年3期土地变更调查数据,参照国土资源部2002年实行的“土地利用分类系统”进行土地利用重分类,并依据研究需要将其合并为耕地、园地、林地、草地、建设用地、水域和其他用地七类。控制线数据由深圳市城市规划委员会(http：//www.szplan.gov.cn/szupb/)于2005年公布,并根据公布面积对其进行修正的数据。此外,还用到了深圳市2002、2005和2010年统计年鉴上粮食产量相关社会经济数据等。

1.3　研究方法

本文拟通过土地利用动态动度指标定量描述深圳市控制线政策颁布前后土地利用的变化特征,在此基础上利用价值系数法对深圳市生态系统服务价值进行估算,最后利用倍差法定量分析控制线政策对生态系统服务价值的影响。

1.3.1土地利用动态度

土地利用动态度是用来描述某一地区一定时间段内各类土地利用类型的数量变化及变化速率情况[24]。计算公式如下：

(1)

式中,K表示研究时段内某一土地利用类型的动态度；Ua,Ub分别表示研究初期及研究末期某一土地利用类型的面积；T表示研究时段长度,当T的单位设定为年时,K的值就是研究区某地类的年变化率[25]。后文所用的即为土地利用类型的年变化率。

1.3.2生态系统服务价值估算

本文通过谢高地等[9]提出的我国陆地生态系统服务的价值系数来计算深圳市生态系统服务价值,并根据深圳市的实际情况,对生态系统服务价值当量因子表进行部分修正：耕地与农田对应,园地取森林和草地的平均值,林地与森林对应,水域与水体对应,其他用地与裸地对应,建设用地赋值为0,得到深圳市生态系统单位面积生态服务价值当量因子。将深圳市2002、2005和2010年3年的粮食平均产量(5915 kg/hm2)以及稻谷平均收购价(2.28 元/kg)作为基准单产和价格确定深圳市平均粮食单产市场价值,进而以其价值的1/7[9]确定1个生态系统服务价值当量因子的经济价值量为13486.2 元/hm2,利用公式(2)计算出深圳市不同土地利用类型单位面积生态系统服务价值系数(表1)。

ESV=∑(Ak×VCk)

(2)

式中,ESV为生态系统服务价值；Ak为土地利用类型k的面积；VCk为生态系统服务价值系数。

表1　深圳市不同土地利用类型单位面积生态系统服务价值系数/(元/hm2)

ESV: Ecosystem serices value

1.3.3倍差法

分析控制线划定是否会对生态系统服务价值产生影响,重点在于比较控制线划定前后两个时间段的生态系统服务价值的变化。但是直接进行前后比较不可能得到准确结论,因为控制线划定前后生态系统服务价值的差异可能不只是政策作用的结果,还包含了大量其他因素,如自然环境的变化、社会经济因素的影响等。本文拟采用倍差法(Difference-in-Differences approach)来解决这个问题。

具体而言,构造划定控制线的处理组和没有划定控制线的对照组,通过控制其他因素,比较控制线划定前后的处理组和对照组之间的差异,从而检验控制线划定对生态系统服务价值的影响。

将研究区划分为500 m×500 m的网格,根据每个网格中各土地利用类型的面积及单位面积生态系统服务价值系数计算得到每个网格的生态系统服务价值。将所有的网格划分为4组：控制线划定前的处理组和对照组、控制线划定后的处理组对照组。本研究将控制线以内的网格作为处理组,控制线以外的网格作为对照组,用2005年表示控制线划定前,2010年表示控制线划定后。设置两个虚拟变量来度量样本的划分,一个是du,处理组取值为1,对照组为0；另一个是dt,控制线划定前取值为0,划定后为1。具体回归方程设定如下：

fit=β0+β1duit+β2dtit+β3duit×dtit+εit

(3)

式中,i和t分别表示网格编号和时间,f和ε分别为生态系统服务价值和扰动项。显然,系数β3度量了控制线划定对生态系统服务价值的影响,即控制线的政策效应,解释如下：

在对照组,即duit=0,由式(3)可知,控制线划定前后生态系统服务价值分别记为：

可见,控制线划定前后,对照组的生态系统服务价值的变化为(β0+β2+εit)―(β0+δit),即Δf1=β2。

相应的,在处理组,即duit=1,由式(3)可知,控制线划定前后生态系统服务价值分别记为：

可见,控制线划定前后,处理组的生态系统服务价值的变化为(β0+β1+β2+εit)―(β0+β1+δit),即Δf2=β2+β3。

因此,控制线划定对生态系统服务价值的净影响为Δf2-Δf1=β3,即交叉项duit×dtit的系数β3。

由于控制线划定需要政府批准,可视为外生变量,可以假定与回归方程的误差项不相关,即E(εit|duit×dtit)=0。

在实证分析过程中,在上述回归方程中加入一个新的变量,建设用地面积占比xit(每个网格中建设用地面积与该网格面积的比值),得到以下回归方程：

fit=α+β1duit+β2dtit+β3duit×dtit+β4xit+εit

(4)

本文关注参数β3,当β3为正时,表示控制线划定提高了研究区生态系统服务价值,反之,控制线对生态系统服务价值无作用。

2　结果与分析

2.1　土地利用变化分析

整体来看土地利用类型变化表现为：建设用地面积占比最大,且不断增大；耕地、园地、草地、水域面积不断减小,林地和其他用地面积先减小后增大(表2)。具体从年变化率来看,控制线划定前后,面积不断减小的耕地、园地、草地、水域,后期的减小速率均小于前期减小的速率；前期建设用地是唯一年变化率为正值的地类,其面积前期增大的速率远大于后期,建设用地扩张遇到明显的阻力；其他用地面积减小的速率最大,林地面积变化的趋势由减小转变成增大,林地作为主要的生态用地,受到了生态政策明显的保护和恢复作用。

表3给出了控制线内/外各土地利用类型面积比例以及动态度变化的情况。可以看到,园地和林地的绝大部分面积都划分到控制线以内,耕地、草地、水域面积次之,建设用地面积占比最小。随着时间的推移,控制线内耕地、园地、水域面积比例不断提高,林地面积比例变化不大,建设用地面积比例增加速率变小,草地和其他用地面积比例先增大后减小。控制线外耕地、园地水域面积比例不断降低,林地面积比例变化不大,建设用地面积比例略有减小,草地和其他用地面积比例先减小后增大。从线内/外各土地利用类型的动态度来看,控制线划定前,除建设用地外各地类面积变化情况呈现线内小于线外的趋势；控制线划定后普遍存在控制线内变化小于线外变化的现象,且各地类面积变化幅度明显小于控制线划定前。

表2　深圳市土地利用类型面积比例及动态度

表3　控制线内/外土地利用类型面积比例及动态度

2.2　生态系统服务价值估算

整体来看,2002—2010年间,深圳市生态系统服务总价值不断降低,从2002年的376.41亿元下降到2005年的333.56亿元,降幅11.38%,再降到2010年的314.81亿元,降幅5.62%(表4),生态系统服务总价值降低的速率减小。从各土地利用类型来看,耕地、园地、草地和水域的价值均不断降低,而林地和其他用地的价值出现了先降低后升高的变化,控制线划定后生态系统服务价值回升,但林地和其他用地增加的价值并不能弥补其他地类价值的损失,因此,研究时段内深圳市生态系统服务总价值是不断减小的。从生态系统服务总价值的构成来看,林地和水域的价值是总价值的主要组成部分,两种地类价值之和占比超过80%。园地的价值占比较小,约为14%—16%,草地和其他用地的服务价值占比最小。尽管各土地利用类型对总生态系统服务价值的重要程度分异明显,2002—2010年各土地利用类型服务价值的比例变化并不显著。从控制线内/外生态系统服务价值来看,虽然线内/外价值均在不断降低,但线内的价值均远高于线外,并且两者之间的差异在不断增大,各土地利用类型变化表现为耕地、水域和其他用地价值线内低于线外,园地和林地价值线内高于线外,尤其线内林地价值远远高于线外林地价值。

表4　深圳市2002—2010年生态系统服务价值/亿元

从表5可以看到四大类服务价值、各项服务产生的价值及其比例。总体来看,从2002年到2010年,深圳市四大类服务价值均减小,但控制线划定后价值减小的速率有所减缓。各项服务价值结构保持不变,不过各项服务价值之间的差距有所减小,生态系统服务价值差异极大值由2002年的90.25亿元减小至2010年的70.60亿元。各项生态系统服务按照服务价值大小排序依次为：水源涵养>废物处理>土壤形成与保护>生物多样性保护>气体调节>气候调节>原材料>娱乐文化>食物生产。虽然各项生态系统服务价值排序没有发生变化,但各项服务价值的变化趋势有所不同,其中气体调节、气候调节、土壤形成与保护、生物多样性保护和原材料几项服务价值增大,而水源涵养、废物处理、食物生产和娱乐文化价值减小。

表5　深圳市2002—2010年各项生态系统服务价值

“总计”是各大类服务价值的总和；“排序”是各项服务产生的价值对总价值的贡献排序；“趋势”表示的是研究时段内各项服务价值的变化趋势,“↑”表明该项服务价值增大,“↓”表明该项服务价值减小[26]

将研究区划分为500 m×500 m的网格,根据每个网格中各土地利用类型的面积计算每个网格的生态系统服务价值,采用自然断点法将其划分为低、较低、中、较高和高5个等级,最终得到2002—2010年深圳市生态系统服务价值等级空间分布(图1)。从空间上来看,深圳市生态系统服务价值整体呈现下降的趋势,价值低的范围不断扩大,蚕食价值高的区域,尤其以西部沿海、宝安北部、光明新区、龙华北部以及龙岗南部地区价值降低最为显著,大鹏新区存在部分零星价值升高的区域。控制线划定之前,生态系统服务价值的高值区快速流失,而控制线划定之后,情况相对好转,除了西部沿海地区水域面积缩减造成生态系统服务价值明显降低之外其他区域变化相对不显著。

图1　2002—2010年深圳市生态系统服务价值Fig.1　ESV in Shenzhen from 2002 to 2010ESV: 生态系统服务价值Ecosystem serices value

控制线内/外生态系统服务价值的空间变化分别如图2、3所示。对比两张图可以发现,控制线以内生态系统服务价值以中、较高为主,高值零星分布,整体价值较高；控制线以外生态系统服务价值以低、较低为主,高值主要分布在西部沿海地区。主要原因是线内以林地、园地等生态用地类型为主,单位面积生态系统服务价值较高；线外主要以建设用地为主,单位生态系统服务价值很低。由于水域单位面积生态系统服务价值系数是各土地类型的极大值,因此水域分布的地区价值最高。

从时间变化上看,生态系统服务价值在控制线以内的变化不明显,而在控制线以外,表现出降低的趋势,尤其以2002—2005年降低最为显著,价值降低的区域主要分布在宝安北部、光明新区、龙华北部以及龙岗南部地区；2005—2010年西南部地区水域面积收缩,造成生态系统服务价值的降低。可见,控制线以内限制开发的区域生态系统服务的价值得以维持和保护,而控制线以外非限制性区域,由于城市的发展,价值继续降低。

图2　控制线内生态系统服务价值Fig.2　ESV within the control line

图3　控制线外生态系统服务价值Fig.3　ESV outside the control line

2.3　控制线政策对生态系统服务价值的效应分析

通过倍差法,构建了生态系统服务价值与控制线政策之间的回归模型。模型样本共计22292个网格,将每个网格的生态系统服务价值作为因变量,du、dt、du×dt、建设用地占比作为自变量,利用SPSS软件进行多元线性回归,得到模型回归结果如表6。

从模型回归结果来看,最终多元回归模型回归方程为ESV=0.26du-0.33dt+0.016du×dt-0.769x。模型通过F检验,模型整体有效；拟合优度为0.617,自变量对因变量的解释程度较高,拟合较好；自变量的回归系数均通t-检验。建设用地占比系数值为负,说明建设用地面积的比例对生态系统服务价值存在负效应,即建设用地面积占比越大,生态系统服务价值越小,与事实吻合,进一步说明模型的有效性。本文重点关注的du×dt的系数β3的值为0.016,值为正,说明控制线的划定能够提高且大约提高1.6%的生态系统服务价值。由此可见,控制线的划定确实对区域生态系统服务具有促进作用,其政策效应得以定量表现,而前文关于两者关系的描述性分析具有可靠性。

表6　倍差法结果

***表示P<0.01

3　结论与讨论

3.1　结论

本研究基于2002年、2005年和2010年深圳市控制线划定前后的土地变更调查数据,分析了控制线政策颁布前后深圳市土地利用的变化情况,运用基于单位面积价值当量因子法对深圳市生态系统服务价值进行评估并分析,最后利用倍差法定量研究了控制线政策对生态系统服务价值的影响。结果表明：(1)深圳市林地和水域的价值最大,且价值之和超过总价值的80%。控制线划定之前,随着城市化进程的推进,生态用地被建设用地蚕食,造成生态系统服务总价值减少42.9亿元；而控制线划定之后,生态用地受到政策的保护,面积有所增加,但并不足以弥补建设用地扩张带来的价值损失,所以总价值继续减少18.74亿元,减少的速率明显下降。生态系统服务价值线内远高于线外,价值降低速率线内远低于线外。各项服务按照价值大小排序依次为：水源涵养>废物处理>土壤形成与保护>生物多样性保护>气体调节>气候调节>原材料>娱乐文化>食物生产。(2)空间上,低价值区域面积不断扩大,高价值区域被蚕食,尤其以西部沿海、宝安北部、光明新区、龙华北部以及龙岗南部地区价值降低最明显。控制线划定之前生态系统服务价值快速流失,而控制线划定之后,情况稍有好转。控制线内生态系统服务价值以较高、高为主,整体价值较高,并且随时间的变化不明显；控制线外生态系统服务价值以低、较低为主,价值较低,且呈现不断降低的趋势,尤其控制线划定之前价值降低显著。(3)倍差法得到控制线政策对生态系统服务价值的影响为正,控制线的划定大约提高1.6%的生态系统服务价值。

3.2　倍差法适用性

本文所采用的倍差法是经济学、公共管理学中广泛使用的政策效应评估工具,目前在生态政策效应研究中应用较少。由于政策具有难量化的特点,对政策效应的一般定性描述往往不能排除政策之外其他因素的影响。倍差法操作简单且能较好解决政策难定量化、难剥离的问题,得到越来越广泛的运用。

控制线政策是深圳市颁布的一项强制性空间生态政策,任何城市开发活动都需要遵守控制线的规定。研究控制线政策对深圳市生态系统服务价值的影响同样属于政策的效应研究范畴,倍差法具有一定适用性；而文章使用倍差法的结果也表明控制线政策对生态系统服务价值确实是存在影响的,证实了倍差法在生态政策效应评估中的适用性。

3.3　不足与展望

由于土地利用的分类与自然生态系统类型并非完全对应,所以各种土地利用类型单位面积服务价值的取值只是一种近似[26- 27]。使用不同的方法计算得到的深圳市生态系统服务总价值可能有较大的偏差。本研究采用基于单位面积价值当量因子的方法对深圳市生态系统服务价值进行评估,虽然已经根据深圳市的实际情况对价值当量因子表进行部分修正,但发现单位面积水域的水源涵养服务价值当量因子偏高,导致计算得到的水源涵养服务价值系数偏高,水域价值计算存在一定的误差。不过,本研究侧重分析生态系统服务价值的时空变化情况,可以消除由生态系统服务价值单价取值不同带来的影响,也能够客观反映研究区生态系统服务价值的变化,因此,研究的结论依旧具有可靠性。

本研究在进行倍差法分析时,所考量的生态系统服务价值变化仅基于单一时间段,今后应进一步考虑做长时间序列上的动态变化,以更为准确地衡量城市生态空间政策的时间效应,进而辅助决策者及时调整生态管控政策,也为建设可持续发展的生态城市提供理论和实践基础。