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环渤海沿海城市群地表覆盖变化对生态系统服务价值的影响

张玉枢1,*，林昭1，刘继余2，刘玉丽1，李松松3

摘要：当地生态系统服务受到中国快速城市化带来的土地覆盖变化的显着影响。基于2000年和2010年分辨率为30m的土地覆盖数据产品，我们分析了2000年至2010年间中国三个沿海城市群土地覆被变化对生态系统服务价值（ESV）影响的异同（辽东半岛（LP），京津冀（JJJ）和山东半岛（SP））。谢高地等人开发的一种快速评估方法（2008）被用来推导生态系统服务价值系数。由于主要发生在耕地上的城市扩张，最显着的变化是人造表面的增加。由于湿地面积减少幅度较大，因此该项服务具有最高的估计系数，因此总体ESV的损失最大（22.73亿人民币）。由于主要城市的城市扩张，京津冀的ESV损失第二大（8.93亿元人民币）。相比之下，LP中的ESV增加了7200万元。这项研究表明，城市扩张不一定会导致ESV净下降。总之，土地使用和土地覆盖政策制定应考虑与经济增长相关的生态系统服务的可持续性。

关键词：生态系统服务土地覆盖变化;生态系统服务价值城市群;海岸;环渤海地区

绪论

生态系统是为人类生存，健康和福利提供各种直接和间接的产品和服务[1]，这些产品和服务构成了人类社会的基础[2-4]。生态系统服务产生的资源的质量和数量取决于周围自然生态系统的结构，过程和功能[5]。然而，全球人口增长，经济发展和城市扩张给生态系统造成了压力，致使其大幅度退化，破坏或转变。因此，生态系统服务的有效性在多个层面受到阻碍。对生态系统服务的研究越来越受到环境变化，资源管理和可持续发展的评估，因为这些服务包含了社会效益[6]。评估以市场价格或非市场价值影响人类福祉的生态系统服务的价值被视为促进生态系统重要性和鼓励可持续经济增长的重要工具。

Costanza等人[1]将全球生物圈的第一类分为16类生态系统和17类服务功能，从中估算出每类生态系统服务价值（ESV）。随后，Costanza[7]根据1997年至2011年间收集的数据，利用目前的ESV单位和土地覆盖变化估计值更新了他们的生态系统服务价值系数表。这些系数值已被广泛应用于估算ESV。谢高地[8]根据Costanza等人的修改系数值[1]，通过调查约200名中国生态学家，为中国陆地生态系统制定准确的每公顷ESV。这些系数值直接应用于中国的几项生态系统服务研究，并且针对中国内陆地区独特的土地覆盖类型进行了调整[9-12]。大多数评估中国ESV的研究主要基于Costanza[1]和谢[8]等人。

在过去五年中，大多数研究评估了单一[13,14]或整个生态系统与全球变化[15,16]，国家[17,18]和当地[19,20]相关的ESV。一些研究将土地覆盖类型用作生态系统的替代指标，将土地覆盖类型与同等生物群落相匹配，因为不同的生物群落具有不同的土地覆盖效益转移值[21,22]。在大尺度上，土地覆盖变化是国家和省级尺度上生态系统影响最明确，信息最丰富的指标之一[23]。因此，一些研究集中于ESV和土地覆盖类型之间的关系，以确定土地覆盖变化如何影响提供生态系统服务[24,25]。这些研究证实，土地覆盖影响全球ESV，特别是在城市化地区。例如，城市地区的土地覆盖变化对几个生态系统是不利的[26,27]。

人类活动对城市群中的自然和半自然生态系统有不可避免的影响。这类活动的例子包括城市扩张，工业化和经济增长。随着中国人口的快速城市化进程持续[28,29]，大量的城市聚集地已经出现。城市集聚是由功能形成的现代空间格局

城市或大都市区之间的联系[30]。它已成为各国参与全球化的主要经济和城市化单位。不幸的是，由于城市扩张，一些城市聚落造成了土地覆盖的重大变化，导致了生态破坏，特别是在中国城市化进程中。批评者警告说，城市扩张造成了中国式的城市蔓延和自然生态系统的丧失[31]。事实上，大部分由自然生态系统组成的土地已经转化为人工用途，以满足中国各城市的住房，工业和商业需求[32]，尤其是经济发达的沿海城市群[33,34]。

我们的研究主要集中在中国环渤海沿岸的三个城市群。选择这些城市是因为土地覆盖日益明显和迅速的变化对沿海城市群产生了重要影响[35]。环渤海地区是继长三角和珠三角之后的中国第三大经济区。本研究的三个城市群受到过度的土地复垦和自然资源开发以及快速城市化的影响。如三大聚落区地下水在国内，工业和农业等方面过度开采，导致水资源供应严重不足，影响了三个研究区的可持续发展。这三个城市群都具有经济和生态意义;然而，土地覆盖变化和相关ESV变化的特征存在差异。然而，很少有研究调查城市间的这种差异。我们的目标是：（1）在快速城市化背景下，对2000年至2010年这三个沿海城市群土地覆盖变化进行描述和比较;（2）评估和比较土地覆盖变化导致的ESV变化;（3）通过调整土地覆被组成和鼓励沿海城市群的可持续发展，为政策制定提供减轻ESV损失的建议。

材料和方法

• 1. 研究区域

环渤海地区位于中国东部沿海的北部（图1）。由于其优越的地理位置和开放的经济环境，它是一个重要的经济增长区。因此，除了相当高的农业生产力之外，这个地区也是中国工业和贸易最重要的地区之一[36]。环渤海沿岸地区是陆地和海洋生态系统之间的过渡环境。因此，该地区包含高度多样的生态系统，包括沿海湿地，滩涂，鱼塘，盐田，农田，森林和草原。在沿海城市群中，快速的城市扩张导致了对自然资源的占领，污染和过度开发。随着人类对空间和资源需求的不断增加，除了沿海和河岸湿地之外，城市周围的耕地正在因各种人类活动而退化和转化。

我们选择了环渤海沿岸的三个城市群，城市扩张和工业活动形成鲜明对比;特别是辽东半岛（LP），京津冀（JJJ）和山东半岛（SP）（图1，表1）。LP位于环渤海北部的辽宁省。这个省是中国重要的重要产业枢纽，目前正在转型

压力进入一个新的发展阶段。JJJ位于环渤海西部。该地区包括北京，天津和河北省的八个直辖市。JJJ以商业和文化活动为主，特别是在北京和天津。这三个研究基地的经济增长率最高。SP位于环渤海以南的山东省。该地区包括山东省沿海地区的八个直辖市。它主要受城市扩张影响，包括大型城市基础设施。

图1.环渤海沿岸三个城市群的位置：辽东半岛，京津冀和山东半岛。

表1.三个城市群的位置，自然条件和社会特征。LP，辽东半岛;JJJ，Jing-Jin-Ji;SP，山东半岛。

• 1. 土地覆盖数据

2000年和2010年的LP，JJJ和SP的土地覆盖数据来自中国的全球土地覆盖数据产品，分辨率为30米（GLC30）[37]。数据集包含10个土地覆盖类型，其中七个用于研究。土地覆盖类型包括耕地，森林，草地，湿地，水体，人造地表和裸地（全部定义见表2）。

表2.土地覆盖类型的说明

研究期间分类的整体平均准确率在2000年和2010年分别为79.6％和83.3％。2000年和2010年的卡伯系数分别为0.78和0.81。土地覆盖类型变化的分析使用ArcGIS10.0版软件进行。采用交叉列表检测方法来量化土地覆盖类型的变化。从2000年到2010年，在每个研究区域内通过双栅格层叠法生成土地覆被转移矩阵。根据公式（1）计算三个研究区域中每个土地覆盖类型的比例变化率：

R=（A2010-A2000) /A2000100 (1)

其中R表示给定土地覆盖类型的比例变化，A₂₀₀₀和A₂₀₁₀表示2000年和2010年给定土地覆盖类型的面积。

除土地覆盖数据集外，还使用1：400万的中国行政地图作为参考。基于Fang等人的方法，三幅城市群的地理位置和范围均来自该地图。[36]。此外，由于开垦的土地正在改变海岸线，2010年延伸到环渤海地区的大部分周边建筑在2000年和2010年被视为海岸线。图2显示了最终的土地覆盖地图。

图2.2000年（a）和2010年（b）三个城市群的土地覆盖图。

• 1. 生态系统服务价值评估

为了计算生态系统服务的平均经济价值，我们使用谢等人在中国开发的单位面积生态系统服务的市场价值。[8]。表A1提供了每种生态系统服务的分类和定义。在这种方法中，农田是所有生态系统的参考值。尽管该方法存在一些潜在的概念和经验问题，但它已被广泛用于评估中国的生态系统服务[38,39]。为了广泛分析三个研究区土地覆盖变化对ESV的影响，该评估方法仍然被认为是有用的。三个城市群的ESV评估计算如下：

(1)

(2)

(3)

其中ESV是生态系统服务总价值，ESV_f是生态系统服务功能类型“f”的价值，ESV_k是土地覆盖类别“k”的生态系统服务价值。A_k是土地覆盖“k”的面积（公顷）;VC_KF是土地覆盖类别“k”和生态系统服务功能类型“f”的价值系数。

并非所有研究区域的土地覆盖类型均使用此方法分配了一个值。Xie等人的方案没有定义人造表面的价值系数。[8]，因为完全匹配不适用于谢等人提供的每种情况下的生物群落和土地覆盖类型。[8]_.目前还不可能在全球或国家层面准确地确定城市生

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