基于生态系统服务水平的临港区域土地利用演变研究

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(大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室，大连 116024)

1 研究背景

土地利用变化是区域生态系统和经济发展的重要特征反映[1]。港口是水陆运输的枢纽，是港口城市的重要组成部分[2]，对临港地区土地利用和生态演变具有深远影响。随着城市化的推进和港口功能的拓展，临港地区已经成为土地利用和生态系统功能变化最集中的区域之一[3]。在滨海地区，尤其是临港地区土地资源日益紧张和生态环境不断恶化的情况下，研究临港区域土地利用演变规律，分析生态系统服务功能的变化，能够为优化港口空间布局和临港空间开发提供有益参考。

国内外关于土地利用的研究已经取得了大量成果。刘纪远等[4]基于土地利用/土地覆盖(LUCC)对20世纪80年代末以来我国土地利用变化的基本特征和空间格局进行了研究；吴红霞等[5]利用地学信息图谱方法分析阿克苏灌区土地利用格局变化规律；贺秋华[6]分析了江苏滨海地区LUCC变化及驱动因素。土地利用变化对生态系统服务产生直接影响，崔朝伟等[7]对北京绿色空间生态服务功能进行了评估；赵丹等[8]以淮北市为例研究了城市土地利用变化对生态系统服务产生的影响；Lin等[9]以厦门为例分析了城市空间扩张对生态系统服务和土地利用的影响；Peng等[1]以深圳为例将生态系统服务和土地利用结合起来，对城市生态系统服务水平进行评价。对于港口城市，港口的发展对区域土地利用和生态系统服务的影响深远，但是关于这方面的研究还比较少。

从已有研究中可知，土地利用及土地覆盖变化是影响生态系统结构和服务的重要因素，生态系统服务水平评价是研究两者关系的有效方法，能够分析土地利用类型、格局和强度产生的影响。所以本文基于生态系统服务水平的方法来研究临港地区土地利用演变规律，通过对大连市临港地区的土地进行分类，分析1993—2014年临港地区土地类型面积变化和不同生态系统功能的服务水平变化情况，结合港口发展情况，分析港口发展对区域土地利用和生态功能的影响。

2 研究区域与方法

2.1 研究区域

大孤山地区拥有大窑湾港区、大孤山西港区、和尚岛东西港区等大连港主要港区(见图1中“一岛三湾”核心港区)，港口基础设施和后方配套较为完善。截至2014年，港口已经占据大孤山地区48.1%的岸线资源，是典型的港口主导下的滨海空间利用模式。近年来，大孤山地区生态环境和土地利用问题逐步显现。本文基于大孤山地区1993年、2000年、2007年和2014年4个时期的遥感影像(TM/ETM+，30 m×30 m)，提取历年的土地利用变化数据，分析评价大孤山地区的土地资源变化和生态服务水平，总结港口建设与后方土地利用的关系，为临港地区的合理开发提供依据。

图1研究区域位置
Fig.1Locationofthestudyarea

2.2 土地分类

参考我国土地利用分类体系，考虑大孤山地区的实际情况，将研究区域土地利用类型分为生态用地、建筑用地和未开发用地3大类，其中生态用地包括林地、农田和水域等；建筑用地指人工硬化地表[8]；未开发用地是向建设用地的过渡阶段，能够表现未来建设情况。本文先应用最邻近分类器的方法，定义不同土地类别的样本和特征空间，采集样本对象，完成初步的斑块分类。再应用隶属度函数法，分析调整不同土地类型的特征范围，包括不同波段值、归一化水体指数(NDWI，式(1))、归一化植被指数(NDVI，式(2))、归一化建筑指数(NDBI，式(3))、坡度等，插入隶属度函数，进行分类细化和改正，完成土地的分类提取。

NDWI=(Band2-Band4)/(Band2+Band4);

(1)

NDVI=(Band4-Band3)/(Band4+Band3);

(2)

NDBI=(Band5-Band4)/(Band5+Band4)。

(3)

式中Band代表波段。

2.3 生态系统服务水平

生态系统服务水平是对生态系统提供支撑人类生存发展的资源和环境的能力的评价[8,10]。本文按照式(4)计算研究区域不同生态功能的服务水平，参考谢高地等[11-12]、Hu等[13]关于单位面积生态服务价值当量的研究，将单位面积生态系统服务价值按照各生态系统服务功能中所有土地利用类型的绝对值大小进行标准化，统一为0～100之间的相对值，从而确定大连市不同土地类型生态系统服务水平系数(见表1)，建筑用地的相对权重系数都取为0。

ESV=∑Ai×Rv,i

。

(4)

式中：ESV表示区域生态系统总的服务水平(万元)；Ai表示不同土地利用类型面积(m2)；Rv,i是不同土地利用类型的生态系统服务水平相对权重系数。

3 研究结果

3.1 土地利用变化

通过提取分析大孤山地区1993年、2000年、2007年、2014年的土地利用数据，得到4个时期土地利用类型情况，如图2所示。

图2大孤山地区4个时期土地利用情况
Fig.2LandusepatternsinDagushanareabetween1993and2014

土地利用类型面积变化见图3。1993—2014年间，大孤山地区土地利用类型变化较大，最为明显的就是林地和建筑用地的变化，林地在1993年是大孤山地区面积最大的土地利用类型，占比达到34.9%，随后下降迅速，2014年大孤山地区最主要的土地利用类型已经变成建筑用地，占比达到60.6%。

表1 大连市不同土地类型生态系统服务水平相对权重系数(每104m2)Table 1 Standardized equivalent weighting factor of ecosystem services value for each land type in Dalian

图3大孤山地区土地利用类型面积变化
Fig.3VariationsofareasoflandusetypesofDagushanarea

建筑用地：研究区域建筑用地面积持续快速增长。大孤山建筑用地面积占比从1993年的32.8%增加到2014年的60.6%，年均增长1.32%。

农田：呈现下降趋势。大孤山地区农田比例一直维持在20%以内，同时稳定下降，2014年已低至5.4%。

水域和林地面积都表现出下降趋势。大孤山水域面积下降了65%；林地面积下降速度较快，面积减少44%，年均下降2.1%，但其中在2000—2007年之间出现阶段性上升。

3.2 生态系统服务水平变化

以土地分类数据为基础，对应相应的生态系统服务水平系数，计算得到大孤山地区生态系统服务水平，发现各生态功能服务水平总值下降较快，从1993年的1 453.31万元下降到2014年的724.50万元，年均下降2.39%。4个时期的生态系统服务水平变化情况如图4所示。由图4可以看出，生态系统服务水平整体呈现快速下降趋势。1993年生态多样性、气候调节和土壤保持是生态系统服务水平最高的功能，达到247.40万元、221.96万元和220.57万元；到2014年，服务水平最高的功能顺序变为土壤保持、生态多样性和气候调节，价值分别为131.86万元、126.43万元和123.85万元。

由图4可见，生态多样性、土壤保持、气候调节、大气调节、原材料这5种生态功能变化特征相似，在1993—2000年、2007—2014年这2个阶段下降速度很快，尤其是2007—2014年间，分别下降了37.3%，29.6%，34.5%，35.8%，41.1%，2000—2007年间保持平稳。食物生产、娱乐文化、水源涵养和废物处理功能持续下降。

图44个时期生态系统服务水平变化情况
Fig.4Changesofecosystemservicesvaluesduring1993-2014

林地、农田和水域等生态用地的减少是导致生态系统服务水平下降的重要原因。大孤山地区除草地外，其他类型的生态用地面积下降明显，都不同程度地转变为建筑用地，导致生态系统9种功能下降，其中2000—2007年间受林地面积上升的影响，生态多样性等功能服务水平出现小幅上升。废物处理、水源涵养和娱乐文化是下降比例最大的3个服务功能，下降比例分别达到76.9%，73.5%，68.2%，水域面积下降了90.6%，但受水域面积影响最大的水源涵养功能只下降了73.5%，主要是因为林地的作用。

林地是面积最大的生态用地类型，且其生态系统服务水平高，一直是大孤山地区最重要的生态用地。尽管20 a间面积持续快速下降，但截至2014年，除了食物生产外，依然是其余8项功能中服务水平最高的用地类型。

4 分析讨论

4.1 土地利用空间格局变化

基于ArcGIS软件技术，绘制1993—2014年大孤山地区土地利用类型空间格局变化，见图5。

图54个时期土地利用类型空间格局变化
Fig.5Spatialchangesoflandusetypesduring1993-2014

由图5可以看出，随着东部地区转变为建筑用地的面积增多，大孤山地区建筑用地中心在不断向东移动。西部地区是大连市城市中心和大连港老港区所在地，土地存量有限，未来发展也将主要以建筑用地的功能转变为主，不会出现建筑用地的大幅增加。与1993—2000年和2000—2007年变化分散的特征相比，2007—2014年建筑用地增加速度最快，且呈现在临港和滨海地区集聚增加的趋势。总体而言，大孤山地区建筑用地空间格局更加均匀和连片聚集，生态用地被割裂在地区边缘。

4.2 港口影响

港口的发展是影响临港地区土地利用和生态系统服务水平的重要因素。大孤山地区生态系统服务水平持续下降，是因为生态用地转变为建筑用地，而港口的建设是导致建筑用地快速增加的主要原因。港口在大孤山地区岸线的占比从1993年的23.2%增加到2014年的48.1%，而大孤山地区的建筑用地也从32.8%增加到60.6%，几乎是同步增长，对两者4 a的数据作相关性分析，相关性系数为0.982。从图2并结合遥感影像分析可以发现，大部分港口的建设占用林地，港口岸线后方建设用地的范围也呈现逐步扩大的趋势。

受到城市空间扩张的影响，西部的港口功能逐步弱化，而大孤山东面的大窑湾港区发展较快，与此同时其后方的建筑用地面积快速增加，港口重心的东移和整个地区建筑用地的空间移动趋势一致。

大孤山地区在1993—2014年间港口建设和城市建设高速发展，建筑用地面积已经占据到60.6%，生态用地面积明显不足，且呈现破碎和边缘化发展趋势，导致生态系统服务水平快速降低。可以分析得出，未来容许大孤山地区建筑用地继续扩张的空间十分有限，同时需要面对生态环境的巨大压力，港口建设和建筑用地增加的速度将迅速放缓，内部用地结构优化将成为以后很长一段时间港口和城市建设的主要手段。

5 结 论

本文以大连市大孤山地区为研究对象，运用地理信息技术提取分析土地利用类型变化，并基于生态系统服务水平理论，计算各生态系统服务功能的演变情况，评价临港地区的生态系统服务水平，能够为港口主导下的滨海空间未来发展提供参考，得出以下主要结论：

(1)港口建设占用生态用地，港口主导型地区港口建设会推动后方建筑用地不断增加，港口岸线占比和建筑用地占比增长速度相近，港口重心的移动和临港地区建筑用地空间移动趋势是一致的。

(2)林地是大孤山地区最重要的生态用地类型，水源涵养和废物处理是最弱的2项服务功能，未来要更加注重保护生态用地，尤其是林地和水域。

(3)地区发展初期通过占用生态用地，建筑用地面积增长迅速，但受到生态环境和土地资源的限制，后期将主要通过内部用地结构优化来实现长远发展。