长春市土地利用变化及生态系统服务价值演变

白立敏,修春亮,冯兴华,马丽亚

(1.东北师范大学 地理科学学院,吉林 长春 130024;2.吉林建筑大学 建筑与规划学院,吉林 长春 130118； 3.东北大学 江河建筑学院,辽宁 沈阳 110169)

1 引言

生态文明建设是当前国家建设的重点,对城市可持续发展意义重大。生态文明概念包含了环境保护与社会发展双重含义:一方面以改善生态环境为目标,提高生态恢复能力;另一方面是在不损害环境的基础上,实现经济社会持续和稳定发展,促进人与自然和谐进步。合理科学的土地利用是生态文明建设的基础、关键和保障，但伴随着城市化快速扩张,不合理的土地利用,导致森林破坏、水土流失、土地荒漠化等生态环境问题日益突出,建设用地扩张和生态用地间的矛盾不断加深,形成生态文明建设的巨大阻碍,限制了区域的社会经济有序发展。土地利用是人们改造自然的主要方式,而土地利用变化则是人地关系的主要外在表现形式[1],与许多自然和社会经济现象一样,土地利用变化也具有复杂的时空演变特征[2]。土地利用在给人类带来巨大经济效益的同时,也引起自然生态系统结构和生态系统服务的变化[3,4],并在生态系统服务价值(ESV)方面得到有效诠释[5,6]。生态服务价值变化是衡量土地利用变化生态效应的重要指标[7],定量刻画区域生态系统服务价值时空演化可揭示土地利用对生态环境的影响,为调整区域土地利用结构，建立可持续土地利用模式提供科学依据[8]。近年来,土地利用变化与生态系统服务价值关系研究成为生态学研究的热点之一[9-11]。国内学者针对不同地域、城市展开了广泛研究,聚焦于以下两个角度:一是不同地形区、流域内的土地利用与生态系统服务价值响应研究[12,13]。岳书平等研究了东北样带地区土地利用变化对生态服务价值的影响[12];孙慧兰等对新疆伊犁河流域土地利用变化对生态系统服务价值的影响及其变化情况进行了探讨[13];刘永强等以长江中游经济带325个县域为研究单元,对土地利用转型及生态系统服务价值时空演变特征进行了刻画,分析了生态系统服务价值对土地利用转型的敏感程度并进行了敏感性分区[14]。二是城市快速发展引起的土地利用对城市生态服务价值影响研究。胡金龙[15]、李文楷[16]、钟媛[17]、季军民[18]等分别就桂林市、深圳市、西安市、合肥市土地利用变化对这些城市的影响进行了探讨。综合现有文献,生态系统服务价值变化鲜有网格尺度下的城市相关研究,同时研究区多集中在大城市或生态文明城市,缺乏对特定发展背景中的中小城市进行土地利用变化及其生态服务响应关系的探讨。

长春市是我国传统的重工业基地,也是东北振兴的核心城市之一。受国家政策影响,长春市的城市发展呈现出明显的阶段性特征。2000年前城市扩张速度相对缓慢，而在“振兴东北”的国家战略下,长春市城市发展经历了“黄金十年”,经济快速发展的同时城市也得到急速扩张。在这一背景下,探讨城市蔓延导致的生态服务状况阶段性变化对东北城市发展具有重要的现实意义。同时,长春市地貌兼具低山、丘陵、台地与平原等地形，地势东高西低,山脉自东北向西南横穿市区,分析城市蔓延与山脉、丘陵地带景观格局间的相互作用对区域生态保护、城市扩张与经济发展均有一定启示作用。本文在充分考虑城市发展阶段差异性、城市空间异质性特征的基础上，借鉴网格采样方法,分别从土地利用结构时空演变特征、土地利用转移流、土地动态度三方面定量刻画了1985—2015年长春市土地利用变化特征,并进一步探讨了生态系统服务价值的响应状况,以期为生态文明建设导向下的长春市乃至东北中小城市土地利用规划与城市发展规划提供科学依据和政策借鉴。

2 研究区概况

长春市地处我国东北松嫩平原腹部(124°18′—127°02′E、43°05′—45°15′N),是吉林省的政治、经济、文化中心。长春位于东北地区东部山地的西缘和松嫩平原的东缘,属东部低山丘陵向中西部台地平原的过渡地带,地势东高西低、南高北低,相对高度和缓。长春以大黑山脉为分界线,西北部为平原区,东部和南部为低山丘陵地区,海拔250—350m。研究区选取的范围为长春市区。近30年来长春市发展迅速,城市扩张明显,2000年后相继将双阳、九台由县改区,划入城市市区,市区的土地面积扩张至695.1km2。2017年末,全市户籍总人口为748.9万人,其中市区人口438.3万人[19]。

3 数据来源与研究方法

3.1 数据收集与处理

土地利用矢量数据来自于长春市1985年、2000年、2015年土地利用/覆盖Landsat TM遥感影像数据,经过影像融合、几何校正、拼接裁剪等图像预处理,采用人机交互目视解译方法,并参照《土地利用现状分类标准》(GB/T 21010-2007)土地用地分类方法,将土地利用体系分类合并为草地、耕地、建设用地、林地、水域、未利用地等6类一级土地类型。在兼顾城市各类土地利用类型面积基础上,本文依据等间距系统采样方式,将研究区划分为7346个1km×1km的样地评价单元,以更好地分析城市生态系统服务的空间异质性特征。

3.2 土地利用转移流测算方法

基于土地利用转移矩阵,借鉴社会网络分析方法对各土地利用类型的转出流、转入流进行测算,以厘清长春市各类用地的转移交互方向和数量[20]。

Lf=Lout+Lin

(1)

Lnf=Lin-Lout

(2)

式中,Lf为土地利用转移流;Lout为转出流;Lin为转入流;Lnf为土地转移流净值。lnf值为正时，表示净流入；lnf值为负时，表示净流出。

3.3 动态度分析模型

土地利用动态度是刻画区域土地利用在一定时间内的变化速度,单一土地利用动态度(K)用于计算某种土地类型的变化速度,综合土地利用动态度(P)用于测算区域整体的土地利用变化速度[21,22]。计算公式为:

(3)

式中,K为单一土地利用动态度;Ua、Ub分别为研究期初和研究期末某土地利用类型的面积数量;t为研究期初至研究期末的间隔年数。K值越大,土地利用变化剧烈程度越高;反之,则土地利用变化越缓慢。

(4)

式中,P为综合土地利用动态度;ΔUi-j为研究期初至期末第i类用地类型向其他类型土地转出面积之和;Ui为研究期初第i类土地利用类型面积;t为研究期初至期末的间隔年数。

3.4 生态系统服务价值模型

参考谢高地等基于问卷调查的我国生态系统服务价值当量因子表和区域修正系数[23,24],得到长春市不同土地利用类型的生态系统服务价值当量,并根据式(5)—(7)分别计算各土地利用类型的服务价值、各项服务功能的价值和生态系统服务总价值。

(5)

(6)

ESV=ΣΣAk×VCkf

(7)

式中,ESVk、ESVf和ESV分别为第k类型的服务价值、第f项服务功能的价值和总服务价值;Ak为第k类型的土地面积;VCkf为第k类型第f项服务单位面积的服务价值。

4 结果与分析

4.1 土地利用结构特征

1985—2015年长春市土地利用结构发生了显著变化(表1),建设用地面积持续增加,水域面积大幅减少,耕地面积呈现波动式下降趋势,草地面积、未利用地面积均呈现波动式上升趋势。耕地、林地和建设用地为主要用地类型,占研究区总面积的95%以上。在30年时间里,长春市建设用地面积变化最为显著,面积持续增加,增幅高达59.53%。尤其是2000—2015年面积急剧增加,年均增幅达到6.67%。水域的面积持续下降,且下降显著,减少幅度达32.34%。耕地、林地、草地、未利用地面积均呈现波动式变化,耕地先增加后减少,较研究期初减少6%;林地、草地、未利用地面积均呈先减少后增加的变化趋势,林地、草地较研究期初面积分别减少了7.47%、121.57%，而未利用地面积增加了135.99%。受快速城市化影响,长春市城市扩张导致农用地向非农用地不断转换,突出表现在耕地面积持续收缩与建设用地面积大幅增加,同时建设用地开发占用自然空间,造成水域面积急剧减少,人地关系矛盾进一步凸显;而林地、草地作为生态系统重要组成部分,在两个时段内表现的不同的变化趋势,表明长春市生态观的转变。1985—2000年由于耕地占用林地、草地,造成长春市两项用地面积锐减;2000—2015年实施退耕还林、退耕还草政策,林地、草地面积逐步增加,面积开始回升,生态系统得到显著改善。

表1 长春市土地利用类型结构

4.2 土地利用转移分析

土地利用转移网络能直观表达土地类型转移活跃度和各地类间的转换情况,有助于揭示各地类转移变化方向[19],识别一定时期内土地转移的空间演化进程。本文将1985年、2000年、2015年土地利用数据每两期进行空间叠置处理,得到各土地利用转移矩阵,并在Ucinet 6.0软件支持下进行土地利用转移网络制图(图1)。

图1 1985—2015年两个时期内长春市土地利用转移网络

分析土地利用转移网络可知,1985年以来长春市各地类间均存在转移关系,在各种土地利用转移流中,建设用地、耕地与林地三种土地类型之间的转移占明显优势。1985—2000年,耕地、建设用地与林地三种地类转移流强度达到29223.0hm2,占所有土地转移流的93.4%;2000—2015年,转移流强度进一步提升,达到259061.8hm2,占所有土地转移流的91.45%,成为长春市土地利用变化的优势地类。在优势地类转移流中,耕地与建设用地之间的转移流占主导地位,而耕地与林地间的转移流强度也较大,处于次要地位。从优势地类转移流看,两阶段内的最大转移流发生明显变化。1985—2000年,林地转为耕地在优势地类转移流和整个土地转移流所占比例均最大,分别达到31.4%及29.4%;其次为耕地转为建设用地,转移强度为3887.1hm2,占优势地类转移流和整个土地转移流的比例分别达到13.3%和12.4%。2000—2015年,耕地转为建设用地在三种优势地类转移流和整个土地转移流中的比例最高,分别为22.2%和20.3%;耕地转为林地的强度次之,所占比例分别为11.2%和10.2%。总体上看,各地类转为建设用地和林地的强度逐步增强,转移流占所有土地转移流的比例不断提升;各地类转为建设用地的比例由1985—2000年的12.5%提升至2000—2015年的21%,其中以耕地转建设用地为主导;各地类转为林地的比例由1.4%增长至8.3%,增长速度明显提升,其中以耕地转林地为主导。水域在土地转移流中整体呈现负增长态势,主要受到城镇化影响,自然空间被城市建设用地侵占。

进一步分析土地利用类型转化空间特征发现,1985—2015年长春市各土地利用类型转化空间分布存在较大差异(图2)。作为主要用地转换类型,耕地转为建设用地主要分布在平原区,而林地、草地和耕地的相互转化主要集中在大黑山脉、东部和南部山地丘陵地带。比较前后两个时段内土地转化空间分布发现,2000—2015年各地类转换分布范围更为广泛,其中耕地转为建设用地覆盖范围最大,并在中心城区外围呈面状集聚;耕地与林地间相互转换在大黑山脉、东部及南部山地丘陵地带广泛分布。分析其原因:2000年后城市进入快速发展时期,中心城市区外围耕地转为建设用地呈蔓延式扩张,城市发展以侵占农用地为主，受退耕还林还草等生态保护政策影响,耕地与林地、草地转换频繁。

图2 1985—2015年长春市土地利用转化空间分布

4.3 土地利用动态度

长春市主要土地利用类型动态度分析见图3。从单一土地利用动态度1985—2015年30年间整体变化来看,草地、建设用地、未利用地呈增长变化,其他几类用地呈缩减变化。其中,未利用地动态变化最显著,耕地变化较缓慢。分析长春市1985—2000年、2000—2015年两个时段的动态度,除建设用地始终为正值、水域始终为负值外,其他4种土地利用类型均出现正负值变化,表明建设用地呈持续增长态势,水域持续缩减,其他用地呈现不同增减变化。建设用地持续增加,增速由0.34%增至3.45%,增长近10倍;水域呈持续缩减变化趋势,缩减速度由0.05%扩大至2.12%。耕地呈先增加后减小的变化趋势,前一时期以0.08%速度缓慢增加,后一时期则以0.47%速度减少。草地、林地、未利用地在前后两个时期面积呈现先缩减后增加的变化趋势,其中未利用地变化最为剧烈,由0.06%速度缩减转为以9.22%速度激增;草地也由缩减速度0.34%转为8.9%速度激增。林地与其他用地不同,在第二时期动态度降低,由0.54%速度缩减,转为以0.05%速度缓慢增加。从动态度绝对值的变化速度来看,2000—2015年比1985—2000年时段变化更为剧烈,原因在于该时期城市发展缺乏规划控制,城市规模无序扩张,导致建设用地激增的同时耕地锐减。

图3 长春市各地类土地利用动态度

为进一步分析长春市土地利用变化速度的空间差异,把握土地系统对人类活动强度响应的空间格局。利用式(3)计算得出长春市1985—2000年、2000—2015年两期土地利用动态度,根据其动态度值域范围和自然断裂法,以0.5、1、1.5为限值划分为4类变化区域,分别为极慢变化型、慢速变化型、快速变化型、极快变化型变化类型区域(图4)。

图4 长春市土地利用动态度空间分布

从各类型区域变动情况来看,1985—2000年长春市极慢变化型(6272个)区域占据主导,占研究单元总数的85%,表明这一阶段人类社会经济活动对自然环境系统影响较小、地类转换速度整体较慢;快速与极快变化型区域占比13%,主要分布在城市周边地区及市域东部地带。其中,受城市扩张影响,城市周边地区主要为耕地转向建设用地;受农村经济发展因素影响,市域东部地带主要为林地向耕地转变。这一时期,市域经济发展整体速度相对缓慢,土地利用动态度整体偏低,城市周边地区及东部地带内的地类转换对该时期的土地动态度贡献较大。2000—2015年,受快速城镇化的影响,长春市区域土地动态度发生较大变化,同时受城市扩张和区内生态基础设施建设作用的影响,城区周边土地动态度得到快速提升,大黑山山脉地区的生态系统修复工程也在一定程度上促使区内地类转换频度加快。这一时期,长春市土地动态度的极慢变化型(2787个)占比下降至38%，快速与极快变化型区域分布范围显著扩大,占比达到36%。

从长春市各类型区域分布范围看,呈现以下几个突出特征:后一时期变化较前一时期更剧烈,极快变化型区域呈扩张式沿中心城区集聚式分布,快速变化区域范围沿大黑山脉、东部和南部区域迅速扩展,并呈明显集聚状态;动态度高值区环中心城区区域集聚特征明显,主要是由于城市扩张导致建设用地增加,土地地类转换加剧,土地动态变化显著;动态度极快变化型不同区域集聚影响因素不同,中心城区外围土地扩张地类转换主要受经济发展影响,耕地对建设用地转换的动态度为主导,而大黑山脉等受生态保护影响,表现活跃的动态度为耕地向林地、草地转移。

4.4 生态系统服务价值

1985年、2000年、2015年长春市的生态系统服务总价值分别为714.30亿元、697.66亿元和632.17亿元,呈现整体下降的趋势。前后时段降幅分别为2.33%和9.38%,降幅速率呈增加趋势,平均年降幅为0.38%(表2)。从生态服务价值组成上可知,耕地生态服务价值一直处在第一位,所占比例均高于40%,2015年高达49.31%;林地居于第二位,呈波动式变化,研究期内先降低后增长,由33.29%下降至31.31%后转为增长至34.81%,变化原因为1985—2000年毁林开荒占用林地,而2000年后我国大力执行“退耕还林”等相关环境保护政策。研究期内,在长春市生态系统服务价值体系中林地、耕地与水域三种类型所占比例均高达95%以上,构成了长春市生态系统服务价值的主体。

表2 长春市生态系统服务价值(ESV)及其变化(亿元,%)

进一步分析生态服务价值的空间分布差异发现,东西差异显著,高值区主要分布在林地、水域土地类型为主的东部区域,主要集中在东西走向的大黑山脉、市域南部和东部山区;低值区主要分布在以建设用地类型为主的西部平原区域,集中在中心城区及双阳、九台城区(图5)。从生态服务价值高(低)值范围变化趋势看,低值区扩张明显,原因是建设用地蔓延导致生态服务价值降低;2000年后高值区面积增加明显,主要分布在大黑山脉,原因是实施退耕还林政策影响下其他地类转为林地,面积增加导致生态服务价值升高。

图5 长春市生态服务价值空间分布

本文采用空间自相关分析方法,对长春市生态服务价值空间分异进行了定量分析研究。1985年、2000年、2015年长春市生态服务价值Moran′s I指数分别为0.6436、0.6433和0.6529,指数值呈现波动式上升趋势,表明自1985年以来长春市生态服务价值聚集趋势日益显著,高低值与空间分布呈显著正相关关系。进一步分析生态服务价值的冷热点空间分布格局,长春市生态服务价值的冷热点分布保持相对稳定的空间格局,热点区主要沿大黑山脉和水域呈带状、东部和南部区域呈“U”型分布。由于该区以林地、水域土地类型为主的自然环境区域而形成生态服务价值的“热点区”;冷点区主要呈团块状分布在长春市中心城区和双阳、九台城区。该区受人类干扰较大,建设用地等非生态用地比例较高,形成生态服务价值的“冷点区”。从生态服务价值冷热点空间范围变化趋势看,“冷点区”扩张明显,主要因为建设用地蔓延导致生态服务价值低值区进一步集聚;“热点区”增加多为林地、水域等生态用地转入明显的区域。由于退耕还林还草、生态修复等生态政策的实施,林地、草地、水域等具有较高生态服务价值的土地利用类型数量增加,使“热点区”范围进一步扩展(图6)。

图6 长春市生态服务价值空间冷热点分布

4.5 土地利用及生态系统服务的对策与建议

伴随着快速城市化发展,长春市土地扩张大致经历了自然缓慢成长和快速蔓延拓展两个阶段。自2000年以来,城市土地利用结构与功能发生了显著变化,建设用地大量侵占耕地和生态用地,造成生态服务价值流失,山脉及水域地区生态环境面临威胁,急需采取相应措施维持生态服务价值。因此,对长春市土地利用和生态系统服务提出对策与建议:①优化土地利用结构，加强生态基础设施建设,实施生态空间生态保育和生态修复工程,提升区域生态服务价值总量。从生态系统服务价值的构成看,耕地、林地和水域的生态服务价值占比达95%以上,是生态系统服务的主体。耕地、水域面积的减少是导致生态服务价值总量减少的主要原因,林地、草地在一定程度上补偿了生态服务价值的流失。大黑山脉和长春市南部、东部低山丘陵地带是生态用地的主要组成部分,也是生态服务价值高值区,对区域生态安全和生态服务功能发挥具有关键性作用,应继续实施“退耕还林还草”政策，加强生态空间的生态保育及生态修复,并对东部人工林、次生林等经济林地实行“轮休”政策,以提升生态服务功能及质量,提高生态系统服务价值总量。从用地的构成比例看,生态用地的比例逐渐压缩,尤其是水域面积显著下降加速了生态服务价值流失,应加强水域生态保护与修复,尤其新立城水库、石头口门水库水源地周边设定保护区、缓冲区,防止旅游开发、建设用地等对水域的占用。生态服务价值的提高还需依托用地结构进一步调整,在保护耕地的基础上加强生态基础设施建设以提升生态用地比例,并应重视生态用地的面积配比及其空间格局,不断提升生态服务价值总量及质量,满足生态文明建设目标下社会经济可持续发展对生态服务功能的需求。②控制城市建设用地蔓延扩张,抑制生态服务价值继续下降。城镇化快速发展过程中,建设用地蔓延式扩张,大量侵占耕地及生态用地,造成生态服务价值下降。由土地转移分析可知,耕地主要转向建设用地,且转移强度较大,占土地转移流主导地位。耕地作为生态系统服务价值的主要贡献提供者,面积锐减必然造成生态系统服务价值流失。2000—2015年长春市西部中心城区蔓延式扩张对生态服务价值的负向影响最为显著。因此,应积极挖掘长春市建成区存量土地的使用价值,提升土地利用效率,在中心城区外围划定城市增长边界，加强生态基础设施建设,实现城区“精明增长”。同时,利用耕地作为建成区与大黑山脉自然生态保护用地的“缓冲空间”特点,为防止建设用地扩张进一步威胁自然生态空间,设定耕地红线，引导城市规划发展方向,避免建设用地继续蔓延威胁山脉生态用地。双阳、九台城区受“撤县改区”政策驱动,城区进一步扩张侵占了周边耕地和生态用地,造成生态服务价值流失;两区与自然环境连接密切,更应注重产业定位,发展绿色、低耗、环保型产业,注意经济与生态系统的协调发展。

5 结论与讨论

本文分析了长春市近30年土地利用结构导致土地利用转移及土地利用动态度变化特征,并结合生态服务价值组成及其时空演变特征,分析了土地利用与生态服务价值的响应研究,主要结论如下:①1985—2015年,长春市土地利用结构变化显著,表现为建设用地面积持续增加，耕地面积波动式下降,林地、草地呈现一定的增长趋势,水域面积持续减少。土地利用转移特征为:耕地、林地和建设用地三种土地类型为优势转移地类;耕地与建设用地之间的转移居于主导地位,耕地与林地间的转移处于次要地位;2000—2015年各地类转为建设用地、林地的比例和增速明显提升,其中以耕地转为建设用地、耕地转林地为主导。各地类转化空间分布中,耕地转为建设用地主要分布在平原区,林地、草地和耕地的相互转化主要集中在山地丘陵地带。②1985—2015年,长春市土地利用动态度特征为:单一土地利用动态度,草地、建设用地、未利用地呈增长变化,其他几类用地呈缩减变化,其中未利用地动态变化最为显著,耕地变化较缓慢;土地利用变化速度的空间差异为:1985—2000年地类转换速度整体较慢,极慢变化型区域占据主导;2000—2015年转换速度加剧,极快、快速变化型区域迅速扩展。动态度变化不同区域的影响因素不同,中心城区外围土地扩张地类转换主要受经济发展影响,以耕地对建设用地转换的动态度为主导,而山地丘陵地区受生态保护影响,耕地向林地、草地转移的动态度表现活跃。③1985—2015年,长春市生态系统服务价值呈现不断下降的趋势,且降幅速率不断增加。在生态服务价值组成上,耕地的生态服务价值长期处在第一位,林地居于第二位。林地、耕地与水域三种类型构成了长春市生态系统服务价值的主体,占全部生态系统服务价值的95%以上。生态服务价值空间分异显著,高值区主要分布于东部、南部山区,低值区主要分布在西部平原区域,2000—2015年高低值区变化明显,低值区因建设用地蔓延迅速扩张,高值区因林地面积增加而扩展。④1985年、2000年、2015年长春市生态服务价值Moran′s I指数值呈现波动式上升趋势,表明生态服务价值聚集趋势日益显著;长春市生态服务价值的冷热点空间格局相对稳定,热点区主要沿大黑山脉及水域呈带状、东部及南部区域山地丘陵呈“U”型分布;冷点区主要呈团块状分布在长春市中心城区及双阳、九台城区等以建设用地地类为主区域。由于“冷点区”的建设用地蔓延导致生态服务价值低值区进一步集聚而扩张明显,“热点区”因林地、草地、水域等具有较高生态服务价值的土地利用类型数量增加而进一步扩展。

近30年的城市化发展导致长春市土地利用结构变化不尽合理,建设用地大幅扩张,造成林地、耕地和水域自然空间被侵占,生态用地不断压缩,区域生态系统服务价值持续下降,并引发了一系列的生态环境问题。因此，亟需优化长春市的土地利用结构,加强生态基础设施建设,注重生态环境保护,修复丰富多样的生态要素,延续和提升其生态服务功能;采取设置增长边界、调整产业结构等规划政策与手段,控制建设用地蔓延增长,抑制生态服务价值流失。区域生态系统服务价值的提升,将为生态文明建设目标的实现提供基础保障。