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土地是人类赖以生存和发展的重要资源与物质保障。在一定地域条件下,人口(Population)、资源(Resource)、环境(Environment)、经济(Economy)构成开放复杂的动态巨系统(PREE系统),土地利用/覆被变化(LUCC)则是这个巨系统中最为基础的部分。从某种程度上说,人类利用土地创造物质财富和发展经济的过程,也是对自然资源与生态环境产生重要影响的过程,二者的关系非常密切。自20世纪90年代以来,土地利用变化作为全球变化最直接、最重要的表现、作为研究自然与人文过程的理想切入点,越来越受到国际科学界和各国政府的关注和重视,其研究内容也从全球气候变化效应扩展到不同空间尺度的土地利用/土地覆被变化过程、驱动机制及资源、生态环境效应等多方面。其中,LUCC的生态环境效应研究与评价、LUCC的微观机理与过程研究是当前LUCC研究的两个热点。 中国地域辽阔,各地土地资源利用方式、土地利用结构、土地利用程度等具有明显的区域差异和不同特点。选择较小空间范围的典型区域进行研究,是深入分析土地利用/土地覆被时空变化规律、驱动力及生态环境效应的有效途径。城市边缘区作为地处城乡交错地带的LUCC典型区域,具有不同于城市建成区与乡村腹地的特殊的自然、经济、社会条件以及土地利用变化过程和机制。无论从时间尺度还是从空间尺度上看,城市边缘区都是研究土地利用/覆被变化及其生态环境效应的天然实验室和最佳尺度。因此,加强具有不同地域和土地利用特征的城市边缘区LUCC及其生态环境响应的研究,既能为有关部门提供土地利用变化过程及机制的信息,进而为采取相应的经济社会发展、土地利用与生态环境建设决策提供依据,同时对进一步夯实区域LUCC研究基础,深化中国LUCC研究及城市边缘区LUCC研究具有重要意义。 江宁区地处中国东部沿海经济发达地区的南京市城市边缘区,近年来随着经济社会的快速发展,其土地利用变化明显,对生态环境的影响与日俱增,是进行区域土地利用空间格局动态变化、驱动机制及生态环境响应研究的典型案例。有鉴于此,本文系统梳理了区域土地利用变化及其生态环境响应研究的基础理论,分析了城市边缘区土地利用的特点、功能及其与生态环境的关系,在此基础上,结合南京市城市边缘区——江宁区实例,遵循“土地利用变化—驱动机制—生态环境响应”的研究路径,综合运用系统分析法、动态分析法、模型构建法、定量分析法等,分别对城市边缘区土地利用的动态变化、驱动机制及生态环境响应进行了系统研究。主要研究内容及具体研究方法如下: 首先,对相关概念进行界定,包括城市与乡村、郊区、城乡结合部、城市边缘区和城乡交错带,阐明了本研究使用“城市边缘区”这一表述的原因;其次,基于对城市边缘区土地利用特点与功能的分析,揭示了该区域土地利用变化与生态环境的关系及互动机理;第三,通过引入土地利用变化幅度、土地利用变化速度、土地利用变化程度、土地利用变化效益等指标或模型,对江宁区土地利用动态变化进行了分析,揭示了城市边缘区土地利用变化的基本特征;第四,在系统阐述土地利用变化驱动因素的基础上,采用定性分析与统计分析相结合的方法,对江宁区土地利用变化的驱动因素进行分析;第五,从价值量(货币化)角度对城市边缘区土地利用变化的生态环境响应进行研究:基于生态系统服务价值三种评价方法的比较,采用Costanza等的生态服务价值模型,并对谢高地等的“中国不同陆地生态系统单位面积生态服务价值”当量因子表和价值系数进行修正,在此基础上,对江宁区土地利用变化的生态系统服务价值影响进行评价;第六,从物质量(非货币化)角度对城市边缘区土地利用变化的生态环境响应进行研究:基于传统生态足迹模型,引入“市公顷”概念,构建“市公顷”模型框架下的均衡因子与动态产量因子计算方法,并采用复种指数对耕地类生态足迹进行修正,进而定量评估江宁区1996-2010年土地利用变化的生态足迹;第七,基于土地利用宏观结构调整和布局的视角,对城市边缘区土地利用变化的生态安全进行评价:在系统阐述土地生态安全的概念、内涵、评估模型框架及方法的基础上,依据PSR模型框架构建城市边缘区土地利用生态安全评价指标体系(共27个指标),并运用物元模型对江宁区2005-2010年土地利用生态安全状况进行评价。 基于上述研究内容,本文得出以下研究结论: (1)土地利用与生态环境的关系非常密切,二者互为因果、相互影响:一方面,在土地生态经济系统的内、外两种作用力的共同影响下,生态环境不断演化;另一方面,生态环境也会对土地利用变化发挥直接或间接的约束作用。(2)1996-2010年,江宁区土地利用类型的数量和结构发生了明显变化,耕地、水利设施用地、未利用土地面积明显减少,居民点及独立工矿用地、林地面积明显增加,其它土地面积则变化很小;土地利用变化速度总体上表现出缓慢上升的态势,具有重要生态价值的水利设施用地、未利用土地、耕地明显减少,居民点及独立工矿用地和交通运输用地迅速增加,是江宁区15年来土地利用变化的主要趋势;15年间,江宁区土地利用景观格局(特征)发生了明显变化,总体上呈现出土地利用类型多样性增加、优势度减小、均匀度提高的特点,反映出人类活动对城市边缘区土地利用的干扰程度不断加大。(3)导致江宁区土地利用变化的主要因素包括人口增长、经济发展、工业化和城镇化、土地利用经济效率差异等。其中,人口增长是江宁区土地利用变化中最具活力的驱动力之一;经济增长是推动江宁区土地利用变化的主要驱动力之一;工业化和城镇化对江宁区土地利用变化发挥了重要促进作用;建设用地和农业用地差异巨大的土地利用经济效率指数,促使江宁区农业用地向建设用地转化。总之,城市向外扩张力和城市边缘区内部作用力均对城市边缘区土地利用变化有重要影响,其本质是土地所有者或使用者对不同用地类型间边际效用的比较。(4)1996-2010年,江宁区土地利用变化的生态系统服务总价值趋于减少,其最主要的原因在于耕地面积的不断减少。15年间,江宁区各土地利用类型的单项生态系统服务价值均有不同程度的降低,其中水文调节和废物处理的生态服务价值降幅最大,仅原材料供给价值呈稳定增长态势。(5)15年来,江宁区的生态足迹和生态承载力均在降低,生态赤字较为明显。其中,2010年江宁区总的生态赤字达75.42466×104hm2,相当于当年江宁区总生态承载力的722.47%,即全区生态足迹已经超过其生态承载力的7.22倍,表明江宁区经济社会发展的需求与生态环境供给能力之间的矛盾突出,也即区域经济社会发展面临着非常严峻的生态环境压力。(6)2005年之后,政府的各项环境保护政策和措施产生了明显的生态环境绩效,6a中江宁区土地利用生态安全整体上呈“安全”状态,但安全水平较低,需进一步巩固和提高。其中,单位耕地面积农药施用量、单位耕地面积化肥施用量、单位GDP二氧化硫(SO2)排放量、人均水资源量、人均公共绿地面积、工业废水排放达标率、农民人均纯收入、人均GDP等对江宁区土地利用生态安全水平的提升有重要作用;而单位耕地薄膜用量、环境治理完成投资总额占GDP比例、第三产业产值占国内生产总值的比重等指标则是制约江宁区土地利用生态安全水平提升的因素;(7)建议从加强土地利用规划管理、强化生态用地保护、优化土地利用配置模式、加强生态环境建设等方面,进一步改善城市边缘区土地利用与生态环境的关系。