全 文 ：济南市土地利用变化及其对生态系统
服务价值的影响*
刘金勇1 摇 孔繁花1 摇 尹海伟2**摇 闫伟姣1 摇 孙常峰1 摇 许摇 峰1
( 1南京大学国际地球系统科学研究所, 南京 210093; 2南京大学建筑与城市规划学院, 南京 210093)
摘摇 要摇 基于 GIS软件平台,参照中国陆地生态系统服务单位面积价值,采用转移矩阵方法
和 Costanza生态系统服务价值计算公式,并结合敏感度分析,探讨了济南市 1989—2009 年土
地利用变化和生态服务价值的变化特征. 结果表明: 1989—2009 年,济南市建设用地面积增
加 99. 65 km2,农田和绿地面积减少 103. 21 km2,减少面积的 90. 4%被建设用地所取代;研究
期间的生态服务总价值持续下降,从 256. 22伊106 元下降到 214. 16伊106 元,减少 42. 06伊106
元,农田和绿地对研究区总体服务价值变化的影响最大.济南市在未来的城市发展和规划中,
需更加重视自然资源保护,合理规划土地利用结构,保持生态系统的稳定与平衡,以实现人
口、资源与环境的可持续发展.
关键词摇 地理信息系统摇 转移矩阵摇 土地利用摇 生态服务价值
文章编号摇 1001-9332(2013)05-1231-06摇 中图分类号摇 K903摇 文献标识码摇 A
Land use change and its effects on ecosystem services value in Ji爷 nan City of Shandong
Province, East China. LIU Jin鄄yong1, KONG Fan鄄hua1, YIN Hai鄄wei2, YAN Wei鄄jiao1, SUN
Chang鄄feng1, XU Feng1 ( 1 International Institute for Earth System Science, Nanjing University, Nan鄄
jing 210093, China; 2School of Architecture and Urban Planning, Nanjing University, Nanjing
210093, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2013,24(5): 1231-1236.
Abstract: Based on the GIS software platform, referring to the China ‘Terrestrial ecosystem serv鄄
ices per unit area value爷, and by using transition matrix, Costanza evaluation formula, and sensi鄄
tivity analysis, this paper studied the change characteristics of land use and ecosystem services
value in Ji爷 nan City in 1989 -2009. During the study period, the built鄄up area in the City in鄄
creased by 99. 65 km2, while agriculture land and green space reduced by 103. 21 km2, 90. 4% of
which was taken by the built鄄up land. The total ecosystem services value decreased from 256. 22伊
106 ￥ to 214. 16伊106 ￥ , with a decrement of 42. 06伊106 ￥ , mainly due to the decrease in the are鄄
as of agriculture land and green space. For the sustainable development of the population, re鄄
sources, and environment in Ji爷nan City, future urban planning should pay more attention on the
natural resources protection, reasonable planning of land use structure, and maintenance of ecosys鄄
tem stability and balance.
Key words: GIS; transition matrix; land use; ecological service value.
*国家高技术研究发展计划项目(2009AAA122005)、国家自然科学
基金项目(31170444)、江苏高校优势学科建设工程资助项目和中央
高校基本科研业务费专项资助.
**通讯作者. E鄄mail: qzyinhaiwei@ 163. com
2012鄄11鄄29 收稿,2013鄄02鄄22 接受.
摇 摇 生态系统服务价值(ecosystem services value)的
概念最早由 Westman[1]提出,之后 Daliy[2]、Costanza
等[3]、谢高地等[4]、张志强等[5]、于贵瑞等[6-7]和欧
阳志云等[8-10]对其做了较详细的论述,它指生态系
统的结构、过程和功能所直接或间接提供的生命支
持产品(原材料等)和服务(栖息地等),包括人类生
活所必需的生态产品和保证人类生活质量的生态功
能两部分[3] .近年来,生态系统服务价值的定量评
估成为国际生态学和生态经济学的焦点和前沿领
域[9,11-14] .土地利用是人与自然交叉最密切的环节,
土地利用 /覆盖变化过程对维持生态系统服务功能
起着决定性作用[15] .研究土地利用背景下的生态系
统服务价值变化对促进区域生态建设和可持续发展
具有重要意义.
应 用 生 态 学 报摇 2013 年 5 月摇 第 24 卷摇 第 5 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, May 2013,24(5): 1231-1236
本文基于 GIS 软件平台,采用转移矩阵方法和
Costanza 等[3]提出的生态系统服务价值计算公式,
参照谢高地等[16]提出的中国陆地生态系统服务单
位面积价值,结合敏感度分析,探讨了 1989—2009
年济南市土地利用变化及其由此引起的生态服务价
值变化,旨在探求土地利用变化与生态系统服务价
值的相互关系,以期为济南市未来城市发展及土地
利用规划、土地资源可持续利用和社会经济可持续
发展提供决策支持.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
济南市(36毅40忆 N,117毅00忆 E)是山东省省会,
南依泰山,北跨黄河,地处鲁中南低山丘陵与鲁西北
冲积平原的交接带,地势南高北低.本研究区为济南
市绕城高速以内,总面积约 530 km2 . 改革开放以
来,济南市经济发展迅速,城镇化快速推进,城市用
地类型及空间结构也随之发生变化,进而影响了区
域内的生态系统服务价值.
1郾 2摇 数据来源与预处理
本文使用数据主要包括 1989、1996 和 2004 年
SPOT遥感影像数据 (10 m 全色,20 m 多光谱),
2009 年 ALOS 遥感影像数据(2郾 5 m 全色,10 m 多
光谱),济南市 2000 年地形图.
首先,对遥感影像进行辐射校正、几何纠正
(RMS小于 1 个像元),并将坐标系统转换成 WGS_
1984 坐标体系,影像投影均设定为 UTM;然后,进行
SPOT和 ALOS遥感影像的分辨率融合;最后,根据
本研究需要,采用目视解译方式,获取研究区土地利
用类型图(图 1),土地利用类型划分为 5 类(建设用
地、绿地、农田、水体和其他用地).
1郾 3摇 研究方法
1郾 3郾 1 土地利用变化分析 摇 首先,基于 4 期遥感影
像解译获取土地利用数据,计算不同时段不同土地
利用类型的面积变化量及变化率和单一土地利用类
型动态度指数;然后,为了充分揭示不同土地利用类
型之间的转化特征、刻画不同土地利用类型的来源
与构成[17],采用转移矩阵方法,并引入组分转入贡
献率和转出贡献率,以更清晰地描述景观动态变化
的总体特征和内在驱动机制. 单一土地利用类型动
态度指数计算公式如下[18]:
Lc =
Ub - Ua
Ua
伊 1T 伊 100%
式中:Lc为研究时段内某一土地利用类型的动态度
指数;Ua、Ub分别为研究初期和末期某土地利用类
型的数量;T为研究时段.
图 1摇 1989、1996、2004 和 2009 年研究区土地利用类型图
Fig. 1摇 Land use maps in 1989, 1996, 2004 and 2009 in the study area郾
2321 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
1郾 3郾 2 生态系统服务价值评价摇 为便于量化不同土
地利用类型的生态服务价值,假定在不同社会、经济
条件下及不同生态尺度下,产品与服务的经济价值
不变,即一定值. 本研究采用谢高地等[16]提出的生
态服务价值系数,确定了研究区不同土地利用类型
的生态服务价值系数,其中有些土地类型不完全一
致,如本文中绿地的生态服务价值系数采用谢高地
等[16]提出的森林生态服务价值系数,水体采用河
流 /湖泊的系数,未利用地采用裸地的系数.然后,基
于土地利用转移矩阵分析结果,采用生态服务价值
损益计算公式,计算不同土地类型因相互转化所引
起的生态服务价值损益.最后,根据济南市 4 期土地
利用数据,分别计算 4 个时期的生态服务价值.生态
系统服务价值损益计算公式如下:
P ij =(VC i-VC j)Aij
式中:P ij为第 i类土地利用类型转化为第 j类土地利
用类型后的生态服务价值损益;VC i、VC j分别为第 i、
j类土地利用类型的生态服务价值系数;Aij为第 i 类
土地利用类型转化为第 j类土地利用类型的面积.
生态系统服务价值计算公式[5]如下:
ESV =移
n
k = 1
AkVCk
式中:ESV为研究区生态系统服务总价值(元);n 为
土地利用类型的数量;Ak为研究区内土地利用类型
k的分布面积(km2);VCk为第 k 类土地利用类型的
生态服务价值系数,即单位面积上土地利用类型 k
的生态服务价值(yuan·km-2·a-1).
1郾 3郾 3敏感性分析摇 考虑到赋予各种生物量价值系数
的不确定性,本文对农田、绿地、水体和其他用地的生
态服务价值系数进行调整,即在 Costanza模型确定的
基础上调整 50%,运用敏感度(coefficient of sensitivi鄄
ty, CS)对估算的 ESV进行分析,计算公式如下:
CS =
(ESV j - ESVi) / ESVi
(VC jk - VC ik) / VC ik
式中:CS为敏感度;ESV 为总生态服务价值量;VC
为价值系数;i和 j分别代表最初的价值系数和调整
后的价值系数;k 为土地利用类型. CS 指 VC 变动
1%引起的 ESV 的变化情况,如果 CS>1,说明 ESV
对 VC富有弹性;如果 CS<1,说明 ESV 对 VC 缺乏
弹性,CS值越大,表明 VC的准确性越关键[19-24] .
2摇 结果与分析
2郾 1摇 济南市土地利用变化
由表 1 可以看出,1989—2009 年,研究区建设
用地、农田和绿地的面积变化量和动态度呈先降低
后升高的趋势.这与 1996 年我国实行严格的土地利
用宏观调控政策有关,但随着城市化进程的不断加
快,用地刚性需求越来越大,建设用地、农田和绿地
的变幅逐渐增加.
从 土地利用转移矩阵的分析来看 (表2 ) ,
表 1摇 济南市 1989—2009 年土地利用类型面积变化量及土地动态度
Table 1摇 The land use area change and land use dynamic degree of Ji爷nan City from 1989 to 2009
土地利用类型
Land use type
面积变化量 Area change (km2)
(面积变化率 Area chang rate)
1989—1996 1996—2004 2004—2009
动态度
Dynamic degree
1989—1996 1996—2004 2004—2009
建设用地 Build鄄up land 34郾 25(19郾 8% ) 24郾 62(11郾 9% ) 40郾 79(17郾 6% ) 0郾 20 0郾 12 0郾 18
绿地 Green space -5郾 44(-4郾 3% ) -0郾 53(-0郾 4% ) -2郾 81(-2郾 4% ) -0郾 04 0郾 00 -0郾 02
农田 Agriculture land -33郾 45(-15郾 7% ) -24郾 78(-13郾 8% ) -36郾 20(-23郾 4% ) -0郾 16 -0郾 14 -0郾 23
水体 Water body 0郾 75(7郾 2% ) 0郾 68(6郾 2% ) -0郾 24(-2郾 1% ) 0郾 07 0郾 06 -0郾 02
其他 Others 3郾 89(23郾 2% ) 0郾 01(0郾 04% ) -1郾 53(-7郾 4% ) 0郾 23 0郾 00 -0郾 07
表 2摇 1989—2009 年济南市土地利用变化转移矩阵
Table 2摇 Land use conversion matrix for Ji爷nan City from 1989 to 2009 (km2)
1989 年土地利用类型
Land use type in 1989
2009 年土地利用类型 Land use type in 2009
建设用地
Build-up
land
绿地
Green
space
农田
Agriculture
land
水体
Water
body
其他
Others
转出面积
Transfer鄄out
area
转出贡献率
Transfer鄄out
contribution rate
(% )
建设用地 Build鄄up land 170郾 80 0郾 55 0郾 09 0郾 00 0郾 19 0郾 83 0郾 8
绿地 Green space 9郾 27 115郾 94 0郾 36 0郾 01 2郾 07 11郾 71 10郾 8
农田 Agriculture land 87郾 04 3郾 11 154郾 23 2郾 12 2郾 66 94郾 94 87郾 4
水体 Water body 0郾 13 0郾 00 0郾 02 9郾 61 0郾 00 0郾 15 0郾 1
其他 Others 0郾 80 0郾 17 0郾 05 0郾 00 15郾 79 1郾 02 0郾 9
转入面积 Transfer鄄in area 97郾 25 3郾 83 0郾 52 2郾 14 4郾 92 108郾 65
转入贡献率
Transfer鄄in contribution rate (% )
89郾 5 3郾 5 0郾 5 2郾 0 4郾 5
33215 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 刘金勇等: 济南市土地利用变化及其对生态系统服务价值的影响摇 摇 摇 摇
1989—2009 年,研究区转出贡献率最高的景观类型
是农田,转出贡献率高达 87郾 4% ,其主要去向为建
设用地;其次是绿地,转出贡献率为 10郾 8% ,其主要
去向为建设用地和其他用地. 转入贡献率最高的景
观类型是建设用地,转入贡献率高达 89郾 5% ,其主
要转入来源是农田 (占建设用地总转入量的
89郾 5% )和绿地(占建设用地总转入量的 9郾 5% );绿
地的转入贡献率不高(3郾 5% ),其主要转入来源是
农田.由此可见,农田景观类型拥有最高的转出贡献
率,是建设用地和绿地的主要转入来源.随着研究区
城市化进程的持续推进,农田将会持续减少,研究区
生态服务价值总量将在较长一段时期内持续减少.
由图 2 可以看出,土地利用变化的区域主要集
中分布在城市中心区的外围以及东部地区,其中,农
田转换为建设用地的区域主要分布在城市中心区外
围,而绿地转换为建设用地主要分布在南部山区.说
明研究区的城市扩展基本上以蔓延式为主,兼具飞
地型发展;另外,城市扩展已经对南部山区的绿地造
成了较严重的侵蚀,今后需进一步加强对南部山区
的保护力度.
图 2摇 1989—2009 年研究区土地利用的变化
Fig. 2 摇 Changes of land use from 1989 to 2009 in the study
area.
A:建设用地 Built鄄up land; B:绿地 Green land; C:农田 Agriculture
land; D:水体 Water body; E:其他 Others. 下同 The same below.
2郾 2摇 济南市生态服务价值变化
2郾 2郾 1 生态服务价值损益 摇 1989—2009 年,研究区
生态服务价值增值共 2郾 39伊106 元,主要是由农田转
换为绿地 (0郾 94 伊 106 元)、建设用地转换为绿地
(0郾 69伊106 元)和农田转换为水体(0郾 64伊106 元)而
带来的生态服务价值增加,合计占生态服务价值增
值总量的 95郾 0% (表 3).研究区生态服务价值损失
共计 44郾 38伊106 元,其中,因农田转换为建设用地所
造成的服务价值损失最大,为 30郾 88伊106 元,占生态
服务价值损失总量的 69郾 6% ;其次为绿地转化为建
设用地,造成的生态服务价值损失为 11郾 7伊106 元,
占 26郾 4% ;绿地转化为其他用地、农田转换为其他
用地、水体转换为建设用地等也造成了一定的生态
服务价值损失,但所占比重较小,合计占服务价值总
损失量的 4% . 各土地利用类型向建设用地转化的
价值流向都是负流向,总和为 42郾 88伊106 元,即因城
市建设增加所带来的生态服务价值损失为 42郾 88伊
106 元,而研究区生态服务价值增值仅为 2郾 39伊106
元,说明研究区的总体生态服务价值一直处于流失
状态,未来应更加重视自然资源保护和生态环境问
题,以促使区域社会经济可持续发展,有效控制生态
服务价值的流失.
2郾 2郾 2 生态服务价值变化摇 1989、1996、2004 和 2009
年济南市生态服务价值分别为 256郾 22 伊 106、
239郾 21伊106、231郾 14伊106和 214郾 16伊106 元,总体呈
下降趋势,2009 年比 1989 年的生态系统服务价值
减少了 42郾 06伊106 元(表 4). 从各生态系统服务价
值的构成来看,农田、绿地的生态服务价值占整个系
统的 88%以上,是生态系统服务的主体部分;从不
同时段生态服务价值的变化来看,农田和绿地的生
态服务价值变化占变化总量的比重最大,约合占
94郾 6%,说明两者的变化在很大程度上决定了研究区
生态系统服务价值的变化.虽然水域的单位面积生态
服务价值很高,但其在总用地面积中的比例较小,使
其增加量只占生态服务价值变化总量的 5郾 7% .
表 3摇 1989—2009 年济南市生态服务价值流向损益矩阵
Table 3摇 Ecosystem service value flowing matrix for Ji爷nan City from 1989 to 2009 (伊106 yuan·a-1)
1989 年土地利用类型
Land use type in 1989
2009 年土地利用类型 Land use type in 2009
建设用地
Build鄄up land
绿地
Green space
农田
Agriculture land
水体
Water body
其他
Others
合计
Total
建设用地 Build鄄up land 0郾 00 0郾 69 0郾 03 0郾 00 0郾 01 0郾 73
绿地 Green space -11郾 70 0郾 00 -0郾 11 0郾 00 -0郾 63 -12郾 44
农田 Agriculture land -30郾 88 0郾 94 0郾 00 0郾 64 -0郾 81 -30郾 11
水体 Water body -0郾 26 0郾 00 -0郾 01 0郾 00 0郾 00 -0郾 27
其他 Others -0郾 04 0郾 05 0郾 02 0郾 00 0郾 00 0郾 03
合计 Total -42郾 88 1郾 68 -0郾 07 0郾 64 -1郾 43 -42郾 06
4321 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
表 4摇 1989—2009 年济南市生态系统服务价值的变化
Table 4摇 Variations of ecosystem service value of Ji爷nan City from 1989 to 2009
土地利用类型
Land use
type
1989
ESV
(伊106
yuan)
比例
Percentage
(% )
1996
ESV
(伊106
yuan)
比例
Percentage
(% )
2004
ESV
(伊106
yuan)
比例
Percentage
(% )
2009
ESV
(伊106
yuan)
比例
Percentage
(% )
ESV变化量
ESV change (伊106 yuan)
1996—
1989
2004—
1996
2009—
2004
建设用地
Build鄄up land
0郾 00 0郾 0 0郾 00 0郾 0 0郾 00 0郾 00 0郾 00 0郾 00 0郾 00 0郾 00 0郾 00
农田
Agriculture land
75郾 56 29郾 5 63郾 70 26郾 6 54郾 90 23郾 8 42郾 06 19郾 6 -11郾 87 -8郾 79 -12郾 84
水体
Water body
21郾 01 8郾 2 22郾 53 9郾 4 23郾 92 10郾 4 23郾 42 10郾 9 1郾 52 1郾 39 -0郾 50
绿地
Green space
158郾 79 62郾 0 151郾 92 63郾 5 151郾 25 65郾 4 147郾 70 69郾 0 -6郾 87 -0郾 67 -3郾 55
其他用地
Others
0郾 86 0郾 3 1郾 06 0郾 4 1郾 06 0郾 5 0郾 98 0郾 5 0郾 20 0郾 00 -0郾 08
合计
Total
256郾 22 100 239郾 21 100 231郾 14 100 214郾 16 100 -17郾 02 -8郾 07 -16郾 97
ESV: 生态系统服务价值 Ecosystem services value郾
2郾 3摇 敏感度分析
ESV对 CS的敏感性指数都小于 1,由高到低依
次是绿地、农田、水体、其他用地,最高值为 0郾 69,即
绿地的 VC增加 1%时,ESV 仅增加 0郾 69% ,表明研
究区 ESV对 VC缺乏弹性,说明研究结果是可信的
(图 3).
图 3摇 济南市生态服务价值敏感性指数的变化
Fig. 3 摇 Change of sensitivity coefficients of ecosystem service
value in Ji爷nan City郾
3摇 讨摇 摇 论
本文参照谢高地等[16]的中国陆地生态系统服
务单位面积价值,并结合敏感度分析,探讨了济南市
1989—2009 年,土地利用变化和生态服务价值的变
化特征.结果表明,1989—2009 年济南市建设用地
面积增加 99郾 65 km2, 农田和绿地面积减少
103郾 21 km2,减少面积的 90郾 4% 被建设用地所取
代;研究期间生态服务总价值持续下降,从 1989 年
的 256郾 22伊106 元下降到 2009 年的 214郾 16伊106 元,
减少 42郾 06伊106 元,农田和绿地对研究区总体服务
价值变化的影响最大. 因此,应当改善土地利用结
构,调控城市化进程,对农田和绿地采取适当的保护
措施,保持生态系统的平衡和稳定.
用货币形式量化土地利用所提供的产品与服务
是区域土地资源优化配置的直观体现. 本文采用
Costanza 生态系统服务价值计算公式[3],同时参照
谢高地等[16]的中国陆地生态系统服务单位面积价
值,计算了济南市生态系统服务价值;通过敏感性分
析,表明研究区生态系统服务价值对生态服务功能
指数缺乏弹性,研究结果可信.然而采用特定区域生
态系统服务的特定单位价值才是唯一获取该地区实
际生态服务价值的准确方法[23],要想获得实际值,
仍需要进一步研究与考证.
生态系统服务价值除受生态用地的面积影响
外,还受到其空间结构如连接度等的影响[25-27] . 本
文仅使用不同土地利用类型的面积变化来表征生态
系统服务价值的变化,未考虑其空间结构对服务价
值的影响,因而未来土地利用变化对生态服务价值
的影响以及空间结构与生态服务价值的关系,将是
进一步需要开展的工作.
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作者简介摇 刘金勇,男,1986 年生,硕士研究生.主要从事地
理信息系统、城市空间扩展模拟及生态系统服务价值研究.
E鄄mail: liu鄄jinyong@ 163. com
责任编辑摇 杨摇 弘
6321 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷