全 文 ：小城镇土地利用变化的生态效应分析 3
周启星1 3 3 　王美娥1 　张倩茹1 　任丽萍1 　王如松2
(1 中国科学院沈阳应用生态研究所陆地生态过程重点实验室 ,沈阳 110016 ;2中国科学院生态环境研究中心
系统生态重点实验室 , 北京 100085)
【摘要】　采用系统生态学方法 ,尤其是应用了 Simpson 生物多样性指数法 ,前后相隔 10 年为时间跨度 ,对
小城镇发展典型地区浙江省绍兴县某镇土地利用变化导致的生态效应进行了初步定量分析与研究. 结果
表明 ,由于土地使用功能的改变 ,导致了以绿色植物为计数的 Simpson 指数增加近 2 倍 ,而以土壤微生物
为参照的工业和居住用地的 Simpson 指数均高于农业用地 ,反映该小城镇发展过程中生物多样性明显降
低 ,并出现了局部气候的恶化 (表现为镇区内年平均气温上升 ,而年平均相对湿度下降)等不良生态效应.
关键词 　小城镇 　土地利用变化 　生态效应 　生物多样性
文章编号 　1001 - 9332 (2005) 04 - 0651 - 04 　中图分类号 　F311 ;X176 　文献标识码 　A
Ecological effects of land2use changes in a small town of Zhejiang Province , China. ZHOU Qixing1 , WAN G
Mei′e1 ,ZHAN G Qianru1 ,WAN G Rusong2 (1 Key L aboratory of Terrest rial Ecological Process , Institute of A p2
plied Ecology , Chinese Academy of Sciences , S henyang 110016 , China ; 2 DS E , Research Center f or Eco2Envi2
ronmental Sciences , Chinese Academy of Sciences , Beijing 100085 , China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . , 2005 , 16
(4) :651～654.
By the methods of systematic ecology ,and that of Simpson’s biodiversity indices in particular ,this paper quanti2
tatively analyzed the ecological effects of ten years land use changes in a small town with rapid rural urbanization
of Shaoxing County ,Zhejiang Province ,aimed to provide a scientific basis for healthy development of towns and
small cities in China. The results showed that owing to the changes of land use functions ,the biodiversity of green
plants and soil microorganisms was obviously decreased ,and the local climate conditions deteriorated ,which was
represented by the increase of annual mean air temperature and the decrease of annual mean relative humidity in
this town. It was suggested that the long2term ecological changes in biodiversity should be considered in land use
with rural urbanization.
Key words 　Small town , Land2use change , Ecological effect , Biodiversity.3 国家杰出青年科学基金项目 (20225722)和浙江省科技计划资助项
目 (981103235) .3 3 通讯联系人.
2004 - 07 - 16 收稿 ,2004 - 10 - 25 接受.
1 　引 　　言
近 20 多年来 ,我国乡村城镇化发展较快[15 ] . 在
长江三角洲和珠江三角洲地区 ,一些高质量的农业
土地利用方式和使用功能也随之发生了较大的甚至
是“疾风骤雨式”的变化[7 ,11 ,21 ] . 特别是 ,由于原有
的农业生态系统迅速被小城镇生态系统所取代 ,加
之取代过程中常常又忽略对区域的生态设计 ,缺乏
对当地环境保护以及土地利用的系统规划[14 ] ,导致
了一些不利于乡村城镇化可持续健康发展的负效应
的产生[3 ,6 ,10 ,11 ,13 ,22 ] . 目前 ,有关这一生态问题已经
引起了有关方面的关注并有一些研究报道[3 ,7 ] . 然
而 ,这些研究[1～3 ,5 ,6 ]一方面主要是关于农业种植类
型的空间2时间设计和土地与人之间相互关系的研
究 ,并往往是从农业生态工程和城市森林设计的角
度加以探讨的 ;另一方面 ,则主要侧重于对城市土地
的合理利用评价进行分析 ,以及从土地自然属性和
土壤学基本特征出发进行研究. 其基本内容主要包
括农业土壤种植生态工程、农业土地作为建设用地
的适宜性、农业土地生产力布局的适宜性、城市景观
设计的土壤学适宜性和农业或城市土壤生态功能的
适宜性 ,而对城镇土地利用变化导致的生态效应在
定量水平上的研究则很少涉及. 针对这一现状 ,本研
究选择我国小城镇发展很快的浙江省绍兴县某镇 ,
就其近 20 年来土地利用方式改变引起的生态效应
进行定量分析[17 ] ,为我国决策部门积累小城镇建设
的应用生态学方面的基础数据 ,并填补学科上的相
关空白[16 ,18 ,19 ] .
2 　研究方法
该研究区域涉及的面积 (包括山林地和水域) 共计为
39104 km2 ,其自然环境特征见文献 [20 ] ,工商业以印染和纺
织为主体产业. 其中 ,1977、1983 和 1993 年不同利用类型土
应 用 生 态 学 报 　2005 年 4 月 　第 16 卷 　第 4 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY , Apr. 2005 ,16 (4)∶651～654
地面积 ,是依据浙江省农业区划办公室的统计资料和当地政
府有关调查资料而推算出来的 ; 2003 年不同利用类型土地
面积 ,则依据现场几何丈量结合地图校正的方法求算而得.
生物多样性程度采用 Simpson 指数法计算 [4 ,8 ,9 ] ,其公式为 :
λ = ∑Pi 2 (1)
其中 ,λ为 Simpson 指数 ,该指数越大 ,表明其生物多样性程
度越低 ; Pi 是 i 物种个体数量占全体物种个体数量之和的百
分比. 本研究中分别以绿色植物和土壤中微生物为指示生物
进行求值. 以绿色植物为指示生物的 ,以该镇的三个工业与
居住混合小区 (高家、小螺山和唐家桥) 为样方单元 ,样方面
积与小区面积等同 ,采用样方小区内代表性植物种数和个数
为计数单位 ,分别于 1993、2003 年在高家小区、小螺山小区
和唐家桥小区进行实地观测 ,并以 1993 年为其开发前 (只具
有相对意义)的生物多样性作为参照系统 ,进行纵向相对意
义的比较. 以土壤环境中的微生物为指示生物的 ,采用每克
干土中的菌数并以细菌、放线菌、真菌和原生动物四大类群
为计数单元 ,分别于 1993、2003 年采集该镇表层 15 cm 以内
的农业土壤、工业用地土壤和居住用地土壤 ,采用微生物系
列稀释平板计数法 [12 ]进行微生物数量动态变化观测比较.
气温的测定 ,用气温计分别于每月的 1 日和 16 日在该
镇镇区中心和镇外农田内定点进行 ,取 6 :00、12 :00、18 :00
和 0 :00 共计 4 次读数的平均值为日均气温. 测定自 2003 年
1 月 1 日开始 ,2003 年 12 月 31 日结束 ,历时 1 年. 与此同
时 ,用湿度计进行相对湿度的测定.
该研究在方法学上的最重要特点是 ,采用了以 10 年为
时间尺度间隔的比较研究 ,而在具体实验操作上 ,包括采样
点、观测点的布置都不变 ,并保持主体研究人员和实验步骤
的一致性 ,在前后实施的研究方法上尽量不做任何改变 ,以
保证 10 年为时间跨度能够具有最佳的可比性.
3 　结果与讨论
311 　小城镇土地利用方式变化
据现有资料的推算和实地观测求算的结果表
明 ,该镇农业耕地和园地面积逐年减少 ,而小城镇建
设用地、工商业用地和交通用地面积则相应逐年增
加 (表 1) . 其中 ,2003 年农业耕地面积比 1993、1983
年农业耕地面积分别减少了 1197 和 4138 km2 . 不
过 ,近 10 年 (1993～2003) 比前 10 年 (1983～1993)
在农业耕地面积的减少幅度上要相对小一些. 此外 ,
园地在面积上也有一定幅度的减少. 相反 ,城镇建设
用地、工业用地面积和交通道路用地在这期间则持
续增长 ,2003 年城镇建设用地比 1993、1983 年分别
增加了 0192 和 2114 km2 ,工业用地则相应分别增
加了 0197 和 2132 km2 ,交通道路用地相应分别增
加 0131 和 0141 km2 . 小城镇土地利用方式和使用
功能的这种强烈变化 ,必然给当地的生态系统和环
境安全造成一定影响.
表 1 　某镇 20 多年土地利用面积的变化
Table 1 Changes in the area of various land use types in a small town in
the past t wo decades
土地利用类型
Type of land use (km2)
年份 Year
1977 1983 1993 2003
农业耕地 Cultivated land 15103 14135 11194 9197
园地及其它 Garden plot 6121 5187 5162 5138
城 (乡)镇建设用地
Land for town construction 0132 0181 2103 2195
工业用地 Industrial land 0106 0145 1179 2177
交通用地 Traffic land 0103 0117 0127 0158
山林地 Mountain woodland 16120 16120 16120 16120
水域 Water area 1119 1119 1119 1119
312 　生物多样性效应
首先 ,农业耕地或园地转化为小城镇居民点、工
商业区或交通道路用地 ,最为明显的变化是水稻、小
麦、油菜和蔬菜等农业作物从这片土地上消失了. 这
就使得以作物群落为其核心的农业生态系统不再存
在 ,而代之以居民为其主体的小城镇生态系统或以
人2车为主体的路际生态系统. 这种变化还使得该镇
绿色覆盖面积在总体水平上呈下降趋势. 不过 ,从城
镇社区的建设来看 ,该镇绿色覆盖率则不仅没有下
降 ,反而由 1992～1993 年的 30 %上升到 2002～
2003 年的 3713 % ,增加近 10 %. 但是 ,其中绿色植
物的群落构成则变为小叶黄杨、含笑、月桂、月季和
石竹等灌木和花卉观赏植物.
尽管绿色覆盖没有下降 ,但研究却表明 ,这种变
化首先导致了该镇镇域内以绿色植物为计数的生物
多样性明显降低. 从表 2 可以看出 ,该镇唐家桥小区
尽管于开发前后在绿色植物物种总数上没有差异 ,
但其 Simpson 指数是开发前 (1993 年) 明显低于开
发后 (2003 年) ,两者相差近 2 倍 ,这就意味着该小
区近 10 年来的生物多样性明显降低 ;高家小区和小
螺山小区则很明显地在物种总数上就表现出目前的
生物多样性程度较低 ,其开发前后的λ在数值上的
变化达 2 倍以上.
　　从微生态层次来看 ,土地使用功能或利用方式
的改变 ,还引起土壤环境中微生物种类和数量的变
化 ,特别是开发后微生物数量上的降低较为明显 ,从
而导致生物多样性程度的降低. 尽管计算表明 ,2003
年各种土地利用方式 Simpson 指数λ值均较 1993
年有所降低 (表 3) ,反映同一类型土地利用近 10 年
来生物多样性有所改善 ;但是 ,就同一次观测中 ,工
业用地土壤和居住用地土壤的 Simpson 指数 (值则
较农业土壤都高 ,这就是说 ,农业土地转化、开发为
小城镇居住建设用地或工业建设用地 ,这种土地使
用方式的改变 ,却导致了一定区域内生物多样性程
256 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　16 卷
表 2 　以绿色植物为计数的生物多样性变化
Table 2 Variations in the biodiversity based on green plants
样方点
Sample
site
物种总数
Total
species
物种 A
Species
A( %)
物种 B
Species
B( %)
物种 C
Species
C( %)
物种 D
Species
D( %)
物种 E
Species
E( %)
λ
高家小区
Gaojia area
A 5 4813 1713 1614 1112 618 01307
B 2 8116 1814 010 010 010 01700
小螺山小区
Xiaolushan area
A 4 5113 2115 1718 914 010 01350
B 3 8316 1316 218 010 010 01718唐家桥小区
Tianjiaqiao area
A 4 4011 2014 1918 1917 010 01280
B 4 7018 1719 618 415 010 01540
A :开发前 Before development ;B :开发后 After development.
表 3 　以表层 15 cm土壤中微生物为计数的生物多样性变化( %)
Table 3 Variations in the biodiversity based on soil microorganisms
物种 3
Species
观测
时间
Year
土壤类型 Soil type
农业土壤
Agricultural soil
工业用地土壤
Industrial soil
居住用地土壤
Residential soil
细菌 1993 86113 99104 97156
Bacterium 2003 84188 91133 89147
放线菌 1993 11113 0170 1134
Actinomyces 2003 10178 5119 6122
真菌 1993 2115 0114 0158
Fungus 2003 3161 3123 3172
原生动物 1993 0159 0112 0152
Protozoon 2003 0173 0125 0159
λ 1993 01775 01981 01952
2003 01733 01838 018063 总数 Total ,4.
度的下降.
313 　局部气候变化效应
小城镇土地利用方式和使用功能的改变 ,还引
起当地局部范围内气候的响应和变化. 这种响应和
变化首先表现为气温的局部升高. 研究表明 ,2003
年该镇镇区内的年平均气温比镇区外的年平均气温
要高 216 ℃(表 4) ,这是城市增温效应的具体体
现[8 ,11 ] .通过 1977、1983、1993 和 2003 年总体平均
气温分别与农业耕地面积、城镇居民点建设用地面
积和工业用地面积 ,建立两两相关的回归方程如下 :
T = 23176 - 0167 X1
( r = 01938 , n = 4 , P < 01025) (2)
T = 13198 + 1123 X2
( r = 01938 , n = 4 , P < 01010) (3)
T = 14139 + 1115 X3
( r = 01938 , n = 4 , P < 01025) (4)
其中 , T 为年平均总体气温 ( ℃) , X1 为农业耕地面
积 (km2) , X2 为城镇居民点建设用地面积 ( km2 ) ,
X3 为工业生产用地面积 ( km2) . 从各回归方程的相
关系数 P 看来 ,方程 (3) 的相关性更好一些. 这就是
说 ,镇区内外气温变化的响应更直接地与城镇居民
点建设用地面积的增加呈显著正相关关系.
湿度是反映局部气候响应和变化的另一个生态
学重要指标[10 ,11 ] . 研究表明 ,该镇总体水平年平均
相对湿度为 7814 %. 镇区内与镇区外年平均相对湿
度差异明显 ,分别为 7214 %和 8413 %. 但是 ,据现有
资料分析 ,该镇年平均降水量为 1 24819mm ,镇区
内与镇区外基本上无差异. 可见 ,镇区内外年平均降
水量没有差异 ,而镇区内年平均相对湿度比镇区外
较低 ,是由于镇区内人为强烈“烘干”作用所致[1 ,5 ] .
表 4 　该镇镇区内外年平均气温变化
Table 4 Changes in the annual average air temperature of the inside and
outside town( ℃)
点位
Observation site
年　份 Year
1977 1983 1993 2003
镇区内
Outside town 13182) 15172) 16162) 18181)
镇区外
Inside town 13182) 15172) 16122) 16121)
总体
Total 13183) 15173) 16143) 17151)
注 :1)实测值 Observed value ;2)推测值 ,假设 1977、1983 年镇区内外
平均温度相一致 ,1993 年镇区外平均温度与 2003 年持平 Predicted
value , supposing that average temperature outside and inside town in
1977 and 1983 was consistent each other ,and average temperature out2
side town in 1993 was equal to that in 2003 ;3) 气象资料 Meteorologic
data.
4 　结 　　论
411 　小城镇土地利用方式发生了重要变化 ,主要表
现为农业土地不断减少 ,小城镇建设用地、工商业用
地和交通用地面积则相应逐年增加.
412 　当一定数量的农业耕地转化、开发为小城镇居
民点和工商业用地 ,尽管使用了植树种花等人工绿
化补偿方法 ,即把绿色植物的群落构成变为小叶黄
杨、含笑、月桂、月季和石竹等灌木和花卉观赏植物 ,
使镇区内绿色覆盖率增加近 10 % ,但仍造成了生物
多样性的损失 ,具体反映在以绿色植物为计数的
Simpson 指数开发后 (2003 年) 比开发前 (1993 年)
增加近 2 倍 ,以表层 15 cm 土壤中微生物为计数的
工业用地土壤和居住用地土壤的 Simpson 指数均比
农业土壤有所增加.
413 　小城镇建设导致居民点膨胀 ,并发生局部范围
内气候的响应和变化 ,一方面使其镇区内年平均气
温有所上升 ,具体反映在镇区内的年平均气温比镇
区外要高 216 ℃,这种增温效应更直接地与城镇居
民点建设用地面积的增加呈显著正相关关系 ,另一
方面 ,则导致年平均相对湿度有所降低 (从 8413 %
下降到 7214 %) .
参考文献
1 Browder JO. 2002. The urban2rural interface : Urbanization and
3564 期 　　　　　　　　　　　　　　周启星等 :小城镇土地利用变化的生态效应分析 　　　　　　　　　　　
tropical forest cover change. U rban Ecosyst ,6 (1～2) :21～41
2 　Cohen B. 2004. Urban growth in developing countries :A review of
current trends and a caution regarding existing forecasts. World
Devel ,32 (1) :23～51
3 　Environmental Society of China (中国环境科学学会) . 1995. Re2
sources , Environment and Strategy of Sustainable Development .
Beijing :China Environmental Science Press. (in Chinese)
4 　Harris LD. 1988. The nature of cumulative impacts on biotic diver2
sity of wetland vertebrates. Envi ron M an ,12 :675～693
5 　Ho SPS ,Lin GCS. 2004. Converting land to nonagricultural use in
China’s coastal provinces : Evidence from Jiangsu. Modern China ,
30 (1) :81～112
6 　Liu GG , Wu X , Peng C , et al . 2003. Urbanization and health care
in rural China. Contem p Econ Policy ,21 (1) :11～24
7 　National Bureau of Environmental Protection (国家环境保护局) .
1995. The 21st Agenda of Environmental Protection in China. Bei2
jing :China Environmental Science Press. (in Chinese)
8 　Pascoe GA. 1993. Wetland risk assessment . Envi ron Tox Chem ,
12 :2293～2307
9 　Reid WV ,Miller KR. 1989. Keeping Options Alive : The Scientific
Basis for Conserving Biodiversity. Washington , DC : World Re2
sources Institute.
10 　Sun T2H (孙铁珩) ,Zhou Q2X(周启星) ,Li P2J (李培军) . 2001.
Pollution Ecology. Beijing :Science Press. (in Chinese)
11 　Wang R2S(王如松) ,Zhou Q2X(周启星) , Hu D (胡 　聃) . 2000.
Eco2Regulation Methods of Cities. Beijing : China Meteorological
Press. (in Chinese)
12 　Zhang H2W(张惠文) ,Zhang Q2R(张倩茹) ,Zhou Q2X(周启星) ,
et al . 2003. Introduction and progress of molecular microbial ecolo2
gy. Chin J A ppl Ecol (应用生态学报) ,14 (2) :286～292 (in Chi2
nese)
13 　Zhou Q2X(周启星) . 1995. Ecology of Combined Pollution. Beijing :
China Environmental Science Press. (in Chinese)
14 　Zhou Q2X(周启星) . 1996. The long2term effects of development of
industry on a farm environment and the role of environmental plan2
ning. A gro2Envi ron Prot (农业环境保护) ,15 (2) :65～67 (in Chi2
nese)
15 　Zhou Q2X(周启星) . 1997. Advances in agroenvironmentology and
sustainable development of agriculture and rural areas in China. In :
Yan L2J (严力蛟) ,eds. Research on and Probe into Ecology . Bei2
jing :China Environmental Science Press. 1～8 (in Chinese)
16 　Zhou Q2X(周启星) . 2004. Methodology of enacting standards for
remediation of contaminated soils. Chin J A ppl Ecol (应用生态学
报) ,15 (2) :316～320 (in Chinese)
17 　Zhou QX ,Cheng Y ,Zhang QR ,Liang JD. 2004. Quantitative anal2
yses of relationships between ecotoxicological effects and combined
pollution. Sci China ,47 (4) :332～339
18 　Zhou Q2X(周启星) ,Sun S2J (孙顺江) . 2002. International trends
of applied ecology and its future development in China. Chin J A ppl
Ecol (应用生态学报) ,13 (7) :879～884 (in Chinese)
19 　Zhou Q2X(周启星) ,Sun T2H(孙铁珩) . 2000. Current situation of
pollution eco2chemistry and its prospects. Chin J A ppl Ecol (应用
生态学报) ,11 (5) :795～798 (in Chinese)
20 　Zhou Q2X (周启星) , Wang R2S (王如松) . 1997. Ecological risk
and background warning values of water pollution from rural urban2
ization. Chin J A ppl Ecol (应用生态学报) , 8 (3) : 309～313 (in
Chinese)
21 　Zhou Q2X(周启星) ,Wang R2S(王如松) . 1998. Ecological risk as2
sessment of urbanization processes - A case study. Acta Ecol S in
(生态学报) ,18 (4) :337～342 (in Chinese)
22 　Zhou Q2X (周启星) , Song Y2F (宋玉芳) . 2004. Principles and
Methods of Contaminated Soil Remediation. Beijing :Science Press.
(in Chinese)
作者简介 　周启星 ,男 ,1963 年 5 月生 ,博士 ,研究员 ,教授 ,
博士生导师. 在国内外发表学术论文 230 余篇 ,主编、撰写或
合著并出版中英文学术著作、专著 15 部. Tel :024283970373
(O) ; E2mail : Zhouqx @iae. ac. cn 或 Zhouqixing2003 @yahoo.
com
456 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　16 卷