基于土地利用变化下的河南省生态系统服务价值变化与模拟

范钦栋, 马顺兴

(1.华北水利水电大学建筑学院，河南 郑州 450011； 2.河南投资集团有限公司，河南 郑州 450008)

生态系统服务价值是指通过生态系统的结构、过程和功能直接或间接提供的生命支持产品(如原材料和食物等)和服务(如栖息地提供等)，不仅为人类提供了生产生活原料，还创造和维持了地球生命支持系统，形成了人类生存所必需的环境条件[1].土地利用作为人类最基本的实践活动，对维持和改变生态系统服务功能起着决定性的作用[2,3].土地利用变化/覆被变化引起各类生态系统面积、空间分布格局等的变化，直接导致到生态系统服务的存在和强度变化[4]，进而对人类生存环境和健康与否产生影响.目前，全球环境恶化日趋，土地利用/覆被变化背景下的生态系统服务(LUCC)已经成为全球环境变化的核心研究领域之一，研究土地利用/覆盖背景下的生态系统服务价值变化对维持人类环境健康，促进区域生态建设，研究区域可持续发展具有重要意义[5，6]. 前期的一些研究集中在定性分析土地利用变化和生态系统服务价值的关系，近期在 3S技术的支持下，国内外研究逐步开始采用数学模型对土地利用覆盖变化和生态系统服务变化进行具体的计算和模拟[7，8].长期以来，政策制定者在制定土地相关政策时，由于对土地利用覆盖背景下的生态系统服务变化缺乏有效的评估和预测方法，在经济效益和环境价值的比选中常常无法得到科学的权衡方案.政策的经济价值的预测相对成熟，而生态服务价值的评估仍处于探讨阶段[9].随着土地利用方式的改变，景观异质性也发生了重大改变，景观生态系统服务的功能和稳定性产生了巨大的影响[10]，研究其土地利用背景下生态系统服务的影响有着代表性的意义.本研究以河南省为例，结合土地利用等数据，采用数学模型对土地利用变化/覆被变化背景下的生态系统服务价值变化进行分析，并对其模拟预测，以期提高公众的生态保护意识，同时为区域土地资源的可持续利用、生态环境健康与经济建设的政府决策权衡提供依据.

1 研究区概况

河南位于中国中东部，北纬31°23′～ 36°22′，东经110°21′～ 116°39′.地势西高东低，北、西、南3面千里太行山脉、伏牛山脉、桐柏山脉、大别山脉沿省界呈半环形分布；中、东部为华北平原南部；西南部为南阳盆地，跨越黄河、淮河、海河、长江4大水系，山水相连.国土面积16.7万km2，居全国省区市第17位，约占全国总面积的1.73%.在全省面积中，山地丘陵面积7.4万km2，占全省总面积的44.3%；平原和盆地面积9.3万km2，占全省总面积的55.7%.复杂多样的土地类型为农、林、牧、渔业的综合发展提供了有利的条件.

2 研究方法

2.1数据来源和数据处理

河南省2000年地图数据采用当时土地利用图。2010年地图采用1∶10 000的地形图为几何校正的主控图件，采用控制点校正方式对TM影像数据进行几何校正，精度控制在0.5个像元以内，然后实地进行重采样对比，吻合度达到87%以上.结合中国土地利用现状分类标准，本研究将河南省土地分为：耕地、林地、草地、水域、居民工矿用地和未利用地6类.

2.2生态系统服务价值计算方法及模型

研究区不同土地利用生态系统服务参照COSTANZA等[1]的文献，分为气体调节、气候调节、水源涵养、土壤形成与保护、废物处理、生物多样性保护、食物生产、原材料和娱乐文化9类.河南省生态系统服务价值当量因子参考文献[11]的中国生态系统服务价值当量因子表，同时根据生态服务价值的区域修正系数(河南省为 1.39)[11，12]，制定河南省不同土地利用类型的生态系统服务单位价值表(表1).

表1 河南省不同土地利用类型单位面积生态系统服务价值

利用公式(1)～(3)计算各个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的总价值[1].

(1)

(2)

(3)

2.3土地利用类型及生态系统服务价值变化预测模型

目前土地利用变化和生态系统服务价值评估多集中于对以往或当前的变化进行描述，缺乏对未来土地利用及生态价值变化的评估，马尔柯夫过程可以预测在未来土地利用类型以及生态系统服务价值的变化[13].假设保持当前人为影响不变的情况下，土地利用变化满足平稳的马尔可夫链，未来土地利用类型变化即相互转换的面积数量或比例即可通过马尔柯夫转移概率进行描述，具体公式如(4)，(5).

(4)

st=s0×P

(5)

式中：P为转移概率矩阵,pij为第i类土地类型转化为第j类土地类型的概率；n为土地利用类型数，st预测t时间段后的土地利用类型面积矩阵，s0为初始状态面积矩阵.根据面积转移的变化，可以预测若干时间段后土地利用类型的面积变化.

3 结果与分析

3.1土地利用类型变化

利用2期的土地利用类型图，在地理信息技术平台支持下对2000年及2010年的河南省土地利用类型变化进行统计，结合表1和公式(1),(2),(3)得出河南省土地利用类型变化(表2).由表2看出，2000—2010年间，各种土地利用类型变化不大.自然发展为主的土地利用类型(草地、林地、水域、未利用地)除林地外均在减少，即自然资源比例逐渐降低，但降低速率较低，林地的增加与同时期林业的重视和植树造林活动相关.居民工矿用地和耕地2种人工干涉较多的土地类型比例均在增加，居民工矿用地增加最快，增加面积约1 195.7 km2.未利用地变化最大，且为负值，说明土地利用强度增大，未利用土地持续被开发.

3.2不同土地类型的生态系统服务价值的变化与分析

单项生态系统服务价值的变化如表3所示.自2000—2010年，各单项生态系统服务价值整体处于下降趋势，反映了河南省整体生态环境的退化，其中原材料和土壤形成与保护的价值基本维持不变，原材料价值在河南省主要以粮食生产价值为主，虽然表3所示耕地面积有所增加，但河南省整体生态系统服务能力的退化导致其生产能力的降低使其总值基本维持不变.单项生态系统服务价值中变化最大的是废物处理，即环境的净化能力降低最多，与河南省此时间段内环境质量下降的现状吻合.

表2 河南省2000—2010年土地利用/覆盖变化

表3 河南省2000—2010年不同生态系统服务价值构成及变化

3.32020年土地利用类型及生态系统服务的变化预测

在地理信息系统技术平台的支持下，对2000—2010年的影像进行处理，得出此时间段内各种土地利用类型之间的相互转换变化如表4所示.据表4求出各个土地类型之间的转化概率.在人为影响不变的情况下，根据其转化概率采用马尔柯夫原理对2020年的土地利用类型面积进行预测，结果如表5所示.对2020年的生态系统服务价值变化进行预测并与2000年和2010年的生态系统服务价值进行比较，结果如表6所示.

据马尔柯夫原理预测结果2020年耕地、未利用地的面积略为减少，草地、水域面积持续降低，林地面积变化不大.随着土地利用强度的加大，未利用土地面积持续减小，但是由于其所占比例过低，可开发利用余地不大，因此面积减小不大.林地和草地之间的面积转化相对较大，居民工矿用地小幅增加，均为其他类型土地转化而来，本身并未转化为其他用地.水域的减小主要受耕地的侵占为主，侧面反映了干旱情况的加剧和耕地面积的扩大.

表4 河南省2000—2010年土地类型转化面积

表5 河南省2000,2010,2020年土地利用类型面积

由表6可以看出，河南省总体生态系统服务价值呈下降趋势，从2000年的15.6×1010元到2020年的14.6×1010降低了约7%，其中水域的生态系统服务价值降低最多.结合表6，水域的面积占河南省面积比值较低，对生态系统服务的价值贡献较高.其他各项生态系统服务价值基本不变或略有下降.

表6 河南省2000,2010,2020生态系统服务价值

4 结论与讨论

1)河南省在2000，2010和2020年间随着社会的发展，土地利用强度持续增大，生态系统服务价值逐年降低.

2)单位以及总体水域面积的减小带来的生态系统服务价值降低值在所有土地类型中最高，反映了水域面积在维持河南省2000—2020年生态系统服务价值中的重要性和敏感性.同时，根据马尔柯夫面积转移矩阵分析，水域面积的减小部分大多转化为耕地面积，这侧面反映了河南省干旱程度的加剧即低水位地区转化为水田，水田转化为旱地的趋势.

3)生态系统服务指标的整体降低中，废物处理价值降低值最高，这与环境对社会提供的生态效益的不堪重负现状吻合.随着河南省人口的增加和经济的持续发展，人类社会对环境净化能力的要求逐渐增强，环境生态系统服务功能逐年降低，生态系统服务和社会发展的矛盾日益尖锐.政府在进行经济建设的同时必须对经济效益值和生态服务价值进行权衡，保证环境和经济健康发展.

参考文献：

[1]COSTANZA R, ARGE R, GROOT R, et al. The value of the world’s ecosystem services and natural capital [J]. Nature，1997，387：253-260．

[2]黄 青，孙洪波，王让会，等.干旱区典型山地:绿洲:荒漠系统中绿洲土地利用/覆盖变化对生态系统服务价值的影响[J]. 中国沙漠，2007,27(1):76-81.

[3]蒋小荣，李 丁，李智勇. 基于土地利用的石羊河流域生态服务价值[J]. 中国人口·资源与环境，2010,20(6):68-73.

[4]TURNER II B L, SKOLE D, SANDERSON H, et al. Land-use and land-cover change science/research plan [R]. IHDP report No.7, 1995.

[5]孙慧兰，李卫红，陈亚鹏，等.新疆伊犁河流域生态服务价值对土地利用变化的响应[J].生态学报，2010,30(4),:887-894.

[6]王友生，余新晓，贺康宁，等. 基于土地利用变化的怀柔水库流域生态服务价值研究[J].农业工程学报，2012,28(5):246-251.

[7]VIGLIZZO EF, FRANK FC. Land-use options for Del Plata Basin in South America: tradeoffs analysis based on eco-system service provision [J]. Ecol Econ, 2006, 57:140-151.

[8]CARDINALE BJ, SRIVASTAVA DS, DUFFY JE, et al. Biodiversity loss and its impact on humanity [J]. Nature, 2012, 486: 59-67.

[9]白 杨, 郑 华，庄长伟，等.白洋淀流域生态系统服务评估及其调控[J].生态学报.2013,33(3):711-717.

[10] 梁国付.伊洛河流域景观动态及其径流效应研究──以伊河上游为例[D].开封:河南大学，2010.

[11] 谢高地,卢春霞,成升魁.全球生态系统服务价值评估研究进展[J].资源科学，2001,23(6)，5-9.

[12] 谢高地，肖 玉，甄 霖，等．我国粮食生产的生态服务价值研究[J]．中国生态农业学报，2005，13(3)：10-13．

[13] 吴大千，刘 健，贺同利,等.基于土地利用变化的黄河三角洲生态服务价值损益分析[J].农业工程学报, 2009, 25(8)：256-261.