白洋淀流域土地覆被变化及其生态服务价值评价

徐志涛, 陈鹏飞 , 周世健, 诸云强, 石雅娇



白洋淀流域土地覆被变化及其生态服务价值评价

徐志涛1,2, 陈鹏飞1,3,*, 周世健4, 诸云强1,3, 石雅娇1

1. 中国科学院地理科学与资源研究所, 资源与环境信息系统国家重点实验室, 北京 100101 2. 东华理工大学, 测绘工程学院, 南昌 330013 3. 白洋淀流域生态保护与京津冀可持续发展协同创新中心, 河北保定 071002 4. 南昌航空大学, 南昌 330063

白洋淀流域处于京津腹地, 经济、生态战略地位显要, 研究其土地覆被变化规律及它引起的生态系统服务价值变化具有重要意义。文章研究了白洋淀流域2005—2015年土地覆被的变化情况, 并对其引起的生态系统服务价值的变化进行分析。为此, 收集了该区域2005年、2015年两个时间段TM/OLI遥感影像, 解译出相应的土地覆被数据, 从两个时期土地覆被变化的趋势、转换关系及土地利用程度等方面对土地覆被变化规律进行分析, 并进一步分析不同土地覆被类型变化对当地生态服务价值的影响。结果表明: 2005—2015年间流域内土地覆被显著变化, 草地、未利用地的面积呈减少趋势, 林地、耕地、建设用地、湿地水体呈增加趋势, 土地利用程度增加; 生态服务价值随土地覆被变化有所改变, 林地、耕地、湿地水体的变化导致生态服务价值增加, 草地的变化导致生态服务价值减少。总体而言, 近10年来白洋淀流域生态服务总价值增加, 生态环境明显改善。

生态服务价值; 土地覆被; 白洋淀流域; 遥感

1 前言

土地覆被变化是陆地表层系统最重要的变化之一, 它是全球环境和陆地生态系统变化的重要组成部分及造成其变化的重要原因[1–2]。它直接影响全球生物圈、水圈、大气圈的功能和结构以及全球生态的物质能量循环[3]。生态系统服务是生态系统通过其独有的功能、结构和变化为人类提供物质产品、承担气候调节等的服务[4–6]。土地覆被变化必然会对生态系统的结构和功能产生影响, 从而影响生态系统提供服务的种类和程度, 进一步影响人类的生存环境[7]。因此, 研究土地覆被变化规律及其引起的生态系统服务价值变化具有重要意义。

白洋淀流域处于京津腹地, 生态战略地位显要, 特别是其中下游的白洋淀是华北地区最大的淡水湿地, 被誉为“华北之肾”。由于受自然条件和人类活动的影响, 白洋淀流域生态环境在不断发生着变化[8]。为落实《京津冀生态环境支撑区规划(2016—2020 年)》, 保护白洋淀地区生物多样性, 促进区域经济可持续发展, 迫切需要研究近年来白洋淀流域土地覆被变化规律及其影响下的生态服务价值状况, 为生态环境保护决策、管理和执法提供数据支持。

韩美清等[8]采用2005年土地覆被数据对白洋淀流域生态环境状况进行了评价。张素珍和李贵宝[9]评价了2002年白洋淀湿地的生态服务价值。刘丰等[10]分析了白洋淀1987—2007年间的土地覆被变化规律以及其对水质的影响。江波等[11]基于统计年鉴数据评估了白洋淀湿地在2011年的生态服务价值。这些研究对2011年之前白洋淀地区土地覆被状况变化情况进行了很好分析, 但对土地覆被变化影响下的生态系统服务价值变化未做系统研究, 多是对单一年份的白洋淀地区生态系统服务价值做评估。另外, 近些年来白洋淀地区实行了湿地保护政策, 土地覆被情况又有所变化。因此, 本研究基于遥感和地理信息系统技术, 对2005—2015年间白洋淀地区的土地覆被变化情况进行系统分析, 并定量评价由其带来的生态服务价值变化。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

白洋淀流域位于华北平原中部, 地处东经113° 39¢—116°11¢, 北纬 39°04¢—40°04¢之间, 跨河北、山西两省和北京市的38个市县, 流域面积约31200平方公里[12]。该区域属于暖温带大陆季风性气候, 年平均降雨量为563.9 mm, 年平均气温为9.9 ℃[13]。土壤类型主要有褐土和潮土, 植被类型主要有落叶阔叶林、常绿针叶林、草地等。

2.2 数据收集

本文收集的数据主要包括遥感数据和社会经济数据。其中, 遥感数据主要用于研究区土地覆被解译; 社会经济数据主要用于白洋淀地区生态服务价值的单位当量因子价值计算和当量因子表修正。

2.2.1 遥感数据

考虑研究区大小和土地覆被解译精度要求, 收集白洋淀流域30米分辨率TM/OLI影像作为土地覆被解译的遥感数据源。结合影像质量和云量, 合计获取流域内2005年和2015年夏、冬季TM/OLI遥感影像共14景。

2.2.2 社会经济数据

白洋淀流域大部分位于保定市境内, 剩余部分主要位于灵丘县、涿鹿县和北京房山区, 合计占流域面积约82.4%。因此本研究主要收集了保定市、灵丘县、涿鹿县和北京房山区的社会经济数据。通过部门官网查询、年鉴查阅等方式获取保定市、灵丘县、涿鹿县和北京房山区2005年、2015年的相关社会经济数据。

2.3 数据分析方法

2.3.1 土地覆被数据分类体系及解译

考虑白洋淀流域的特征, 为更好的与生态服务价值研究相结合, 本研究采用的分类体系如表1所示, 共分为6个一级类, 15个二级类。土地覆被数据的解译主要采用计算机自动分类与人工目视解译相结合的手段方式进行。

表1 本研究使用的分类体系

2.3.2 土地覆被遥感解译结果验证

对于土地覆被数据的验证主要通过Google高分辨率影像进行。考虑到2005, 2015年土地覆被数据采用相同方法制作, 且2005年无Google高分辨率影像。在此, 仅对2015年数据进行验证以代表数据的整体精度。根据解译结果, 按照各地类面积和破碎度, 随机布设验证样点216个。统计总体分类精度和Kappa系数来衡量解译精度, 它们的计算方法参见赵英时[14]。

2.3.3 土地覆被变化规律研究

基于趋势分析、土地利用动态度分析、转移矩阵分析、土地利用程度分析等手段, 从土地覆被变化趋势、速率、转换关系、总体利用程度等方面分析流域内土地覆被变化情况。其中, 土地利用动态度参照王秀兰等的方法计算, 公式如(1)所示; 土地类型转移矩阵采用刘瑞[15]等的方法计算, 公式如(2)所示; 土地利用程度采用刘纪远[16]的方法进行, 土地利用程度分级如表2所示, 计算公式如(3)所示。

式中:为研究期间某一土地覆被类型年变化率, 即动态度;V、V分别为研究初期和末期土地覆被类型的面积;为研究年跨度。

式中:J为某一时间段内土地覆被类型转化成的面积;是流域内土地覆被类型数量。

式中:是土地利用程度指数;B为第级土地利用分级指数;E为第级土地利用类型面积占总面积的百分比;为分级数。

2.3.4 生态服务价值评价

谢高地[17]在Costanza[18]的生态服务价值模型的基础上, 采用对国内生态学者进行问卷调查的方法对该模型进行修正, 得到适用于我国的生态系统生态服务价值当量因子表, 并且计算了单位当量因子价值和中国陆地各个生态区的单位面积生态服务价值。但谢高地的当量因子表为全国平均水平, 相对于区域研究并不精确。参考张志强等[19]的研究, 本文在评估白洋淀流域生态服务价值时, 采用公式(4)对生态服务价值的单位当量因子进行了修正, 并用公式(5)、(6)对当量因子表进行了修正。修正后白洋淀流域单位面积各土地覆被类型生态服务价值如表3所示。为确保当量因子表修正的合理性, 采用式(7)对各种地类的单位面积生态服务价值进行敏感性分析[20]。另外, 单项服务价值、生态系统服务总价值的公式如(8)、(9)所示。

式中:G(元·hm2)为单位当量因子价值, 即每公顷农田能够提供的生态服务价值中食物生产功能的价值; 1/7表示在无人类干预情况下自然生态所提供的经济价值等于1/7倍的现有单位面积农田能够提供的食物生产价值;为流域内作物种类;(hm2)为所有粮食种植总面积;n(hm2)为第类粮食面积;p(元·kg–1)为第类粮食均价;q(kg·hm–2)为第类粮食单产。白洋淀地区主要粮食作物是玉米和小麦, 面积占80%以上, 主要基于这两种作物的相关信息来进行计算。

表2 土地利用程度分级

表3 白洋淀流域单位面积生态系统生态服务价值(元·hm–2)

A=λ×0j(j=1, 2, …,) (6)

式中:为当量因子表修订系数;、H为白洋淀、全国平均耕地单产;A为修正后的第种土地利用类型的生态服务价值当量;A为中国生态服务价值当量因子表[17]中第种土地覆被类型对应的值。

式中:MZ为第类地物单位面积生态服务价值调整50%后的敏感性指数(Kreuter[21]首次将经济弹性概念引入生态服务价值敏感性分析, 他综合系统误差和大量实地数据选用50%作为敏感性分析时参数调整幅度, 而后大量相关研究采用该方法);MZ<１表示因子表修正合理;MZ>１表示因子表修正不合适;FJ为第类土地覆被类型单位面积生态服务价值调整之后的生态服务总价值;FJ为第类土地覆被类型调整之前的生态服务总价值;VC为单位面积生态服务价值调整之前第种土地覆被类型的单位面积生态服务价值;VC为单位面积生态服务价值调整之后第种土地覆被类型的单位面积生态服务价值。

式中:FJ为第类生态服务功能的服务价值;C(hm2)为第类土地类型面积;VC(元·hm2)为单位面积第类土地类型的第类生态服务功能价值。

式中:为生态系统服务总价值;C(hm2)为第类土地类型面积;VC为第类土地类型单位面积的生态服务价值。

3 结果与分析

3.1 土地覆被变化规律分析

3.1.1 土地覆被分类结果

流域内2005, 2015年的土地覆被分类结果见图1。基于采用验证样点数据对2015年土地覆被数据验证, 结果表明数据的总体分类精度为86.57%, Kappa系数为0.85, 分类精度满足研究需求。

3.1.2 变化趋势分析

2005—2015年流域内各地类发生显著变化, 其中林地与草地变化最为明显(图2)。林地面积从7220.25 km2增加至12485.69 km2, 增幅高达72.93%, 年均变化率为7.29%。林地面积变化主要受到区域政策变化的影响。20世纪80年代以来, “太行山绿化”、“三北防护林”等生态建设工程的实施, 促使白洋淀流域林地面积迅速增加。草地面积从8828.12 km2减少至259.53 km2, 减幅高达96.87%, 年均变化率为9.69%。草地面积变化主要受到区域经济发展和政策变化的双重影响: 农民大面积开垦草地, 种植经济作物, 以增加收入; 生态工程建设促使人们“植树造林”, 将草地转化为林地。对于其它土地利用类型, 2005—2015年, 白洋淀流域耕地面积从13254.79 km2增加到15014.42 km2, 增加13.35%, 年均变化率为1.34%; 建设用地面积从2133.57 km2增至3037.19 km2, 增幅高达42.35%, 年均变化率为4.24%; 湿地水体面积从250.69km2增加到352.04 km2, 增加42.35%, 年均变化为4.24%; 未利用地面积从16.4 km2减少至8.54 km2, 减幅为63.66%, 年均为变化率6.37%。其中, 1)耕地面积变化主要受农民垦荒影响; 2)建设用地增加主要受区域经济发展和城镇化建设的影响: 区域经济发展促使交通用地、工矿用地增加, 而城镇化建设工作的稳步推进促使城镇建设用地增加; 3)湿地水体的增加受益于当地政府实施的白洋淀生态环境治理工程, 同时“南水北调”工程的实施为白洋淀流域提供了额外的水资源, 减轻了当地对地表水的使用。

3.1.3 转换关系分析

利用土地覆被转移矩阵, 结合ArcGIS空间分析功能, 得到两个时期各土地覆被类型之间的转换关系如表4所示。从表4可以看出, 2005—2015年草地面积变小, 主要转化为耕地、林地、湿地水体和建设用地, 其转换面积分别为3138.21 km2、4864.79 km2、100.60 km2和57.13 km2; 建设用地增加主要由耕地转化而来, 转化面积为838.10 km2; 湿地水体的变化主要受草地-湿地水体、耕地-湿地水体之间相互转换的影响; 未利用地主要向耕地转换。

图1 2005(a)与2015(b)白洋淀流域土地覆被图

图2 2005和2015年白洋淀流域各土地覆被类型面积

表4 2005—2015年白洋淀流域土地覆被转移矩阵(km2)

3.1.4 土地利用程度分析

2005—2015年间白洋淀地区土地利用程度综合程度指数从256.16变化为267.67, 整体增加4.49%。虽然生态保护政策的实施, 使得林地、湿地水体面积增加, 减少了土地利用集约化程度, 但耕地、建设用地的增加, 总体上使得白洋淀地区土地利用集约化程度增加。整个研究区土地利用程度增加。

3.2 生态服务价值分析

3.2.1 生态服务价值系数敏感性分析

对白洋淀流域单位面积生态系统生态服务价值的敏感性分析见表5所示。从表中可以看出, 各地类所有年份的敏感性指数均小于1, 表明修正后的白洋淀流域单位面积生态系统生态服务价值是合适的, 研究结果可信。

3.2.2 生态服务价值变化分析

2005—2015年白洋淀流域的总体生态服务价值不断增加, 由2005年的812.35亿元增长到2015年的955.06亿元, 涨幅为17.57%; 各单项生态服务价值也呈增加趋势(表6)。这一结果表明了白洋淀流域生态环境质量在不断提高。此外, 白洋淀流域的生态服务价值主要体现在气体调节、气候调节、水文调节、废物处理、保持土壤和维护生物多样性等方面, 它们的生态服务价值占总生态服务价值的80%以上。

表5 白洋淀流域单位面积土地覆被类型生态服务评价敏感性分析

3.2.3 土地覆被变化对服务价值影响分析

白洋淀流域生态服务价值变化主要受土地覆被变化影响(表7)。2005—2015年, 林地的生态服务价值显著增加, 年均增长28.89亿元, 累计比2005年增长72.93%; 草地的生态服务价值减少, 年均减少18.28亿元, 累计比2005年减少96.87%; 耕地的生态服务价值增加, 年均增加2.72亿元, 累计比2005年增加13.35%; 湿地水体的生态服务价值增加, 年均增加0.94亿元, 累计比2005年增加40.43%; 未利用地的生态服务价值变化相对较小。从不同土地类型对总价值的贡献率看, 林地、草地、耕地的变化对白洋淀流域生态服务总价值的影响最大。

表6 2005—2015年白洋淀流域各单项生态服务价值

表7 2005—2015年白洋淀流域各土地覆被类型生态服务价值

2005—2015年白洋淀流域土地覆被变化对单项生态服务价值的影响见表8所示。在各单项生态服务功能中, 原料生产功能的变化最大, 变化率达到45.46%。它主要受林地、草地、耕地变化的影响。气体调节、气候调节、水文调节、生物多样性调节和提供美学景观功能的服务价值变化次之, 变化率约在20%左右。其中, 气体调节、气候调节和维持生物多样性功能的服务价值主要受林地、草地、耕地变化的影响, 年均变化在2.11—2.34亿元之间; 水文调节功能的服务价值主要受林地、草地、耕地和湿地水体变化的影响, 年均变化在2.46亿元; 提供美学景观功能的服务价值主要受林地、草地变化的影响, 年均变化在0.93亿元。食物生产、废物处理和保持土壤功能的生态服务价值变化比较小, 在10%以下。其中, 食物生产和保持土壤功能的生态服务价值主要受林地、草地、耕地变化的影响, 年均变化分别为0.02亿元和1.17亿元; 废物处理功能的生态服务价值主要受林地、草地、耕地和湿地水体变化的影响, 年均变化为0.47亿元。

4 结论

土地覆被变化是人与自然相互作用最直接的表现形式, 是生态服务价值变化最根本的因素。基于遥感与地理信息技术, 本研究在对白洋淀流域土地覆被变化规律及其影响下的生态服务价值变化分析的基础上, 得出如下结论: 1)2005—2015年白洋淀流域土地覆被显著变化: 草地、未利用地的面积呈现减少趋势; 林地、耕地、建设用地、湿地水体呈现增加趋势。2)2005—2015年间受经济发展、国家生态工程建设的影响, 草地向林地、耕地、湿地水体和建设用地转化, 部分耕地转化为建设用地, 土地总体利用程度增加。3)2005—2015年白洋淀流域生态服务总价值及各单项功能服务价值均受土地覆被变化的影响。其中, 林地、耕地、湿地水体的变化导致生态服务价值的增加, 而草地的变化导致生态服务价值的减少。总的来说, 土地覆被变化使得生态服务总价值及各单项功能服务价值均增加, 白洋淀流域生态环境向着健康方向发展。

表8 白洋淀流域土地覆被变化下的各单项生态服务功能价值变化表(亿元)

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Study on land cover change and its impact on ecological services in Baiyangdian watershed

Xu Zhitao1,2, CHEN Pengfei1,3*, ZHOU Shijian4, ZHU Yunqiang1,3, SHI Yajiao1

1. State Key Lab of Resources and Environment Information System, Institute of Geographic Science and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China 2. Faculty of Geomatics, East China University of Technology, Nanchang 330013, China 3.Collaborative Innovation Center for Ecological Protection of Baiyangdian Watershed and Sustainable Development of Beijing, Tianjing and Hebei, Baoding 071002, China 4. Nanchang Hangkong University, Nanchang 330036, China

Baiyangdian watershed is located in the hinterland of Beijing and Tianjin. Its economic and ecological status is very important to this region. Thus, it is very important to study the discipline of land cover change and its impact on ecosystem service. The study analyzed the changes of land cover in the Baiyangdian watershed during year 2005 to 2015 and the corresponding ecosystem service change. For this purpose, the TM / OLI images in year 2005 and 2015 were collected, and then they were used to identify the land cover type in each year. The above land cover data from two periods were analyzed for the trend of changes, relationship of mutual conversion, and extends of land usage. Furthermore, the impact of land cover change on the ecological service was also analyzed. The results showed that the land cover was significantly changed from 2005 to 2015, with the area of grassland and unused land decreasing and the area of forest land, cultivated land, construction land and wetland increasing. The total land use degree was increased. The value of ecological service was changed with the change of land cover. The change of forest land, farmland and wetland caused ecological service increasing, while the change of grassland led to ecological services decreasing. Overall, in recent decades, the total value of ecological service in Baiyangdian watershed was increased, resulting in significantly improvement of ecological environment.

ecological services; land cover; Baiyangdian watershed; remote sensing

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.06.011

F301.24; P237

A

1008-8873(2018)06-083-08

2018-11-05;

2017-12-23

国家科技基础性工作专项(2014FY210150); 资源与环境信息系统国家重点实验室自主部署项目(O8R8B670YA)

徐志涛(1993—), 男, 江西抚州人, 研究生, 研究方向为摄影测量与遥感, E-mail: hello-xuzhitao@qq.com

陈鹏飞, 男, 博士, 副研究员, 主要从事遥感应用研究, E-mail: pengfeichen@igsnrr.ac.cn

徐志涛, 陈鹏飞, 周世健, 等. 白洋淀流域土地覆被变化及其生态服务价值评价[J]. 生态科学, 2018, 37(6): 83-90.

XU Zhitao, CHEN Pengfei, ZHOU Shijian, et al. Study on land cover change and its impact on ecological services in Baiyangdian watershed[J]. Ecological Science, 2018, 37(6): 83-90.