基于LUCC的太行山区生态系统服务价值时空特征分析

康园园,于淑会,2,尚国琲,3,齐志国,闫秋宇

1.河北地质大学 河北省高校生态环境地质应用技术研发中心,河北 石家庄 050031; 2.中国科学院水利部 成都山地灾害与环境研究所,四川 成都 610041;3. 河北地质大学 自然资源资产资本研究中心,河北 石家庄 050031

0 引言

太行山区是中国东部重要的地理分界线,为京津冀地区的重要生态屏障,对自然生态和社会生产做出了重大贡献,现在人们在利用自然创造价值时往往忽略生态系统的生态效益及价值[1]。长期过度利用开发导致太行山区各种生态系统的破坏与受损,出现了生物资源减少、土壤污染严重[2]等问题。将生态文明建设作为战略国策的今天,将太行山区作为一种自然资源资产进行管理是保证其生态地位并将经济效益与生态效益“两手抓”的重要举措,管理的基础为自然资源的量化,而这需要生态系统服务作为支撑。生态系统服务(Ecosystem Service)指形成及维持人类赖以生存的自然生存条件和直接或间接为人类提供的效益[3-5],包括供给服务、调节服务、支持服务和文化服务,其价值是对生态系统服务和自然资本用经济法则所做的估计[6],是可以描述、量化测度和估价的[7]。近年来,生态系统服务价值的评估主要从物质量与价值量两个维度进行。文章选取价值量评估法作为生态系统服务的测算方法,而在价值量评估法中,相较于功能价值法主观性强、数据难获得的缺点,当量因子法对于数据的需求较低且结果简单易懂,即通过生态系统面积与单位面积生态系统服务价值相乘得到生态系统最终服务价值[6],应用更为广泛。

土地利用/土地覆被变化(LUCC)与生态系统服务之间存在相互关系[8],对各类生态系统类型、面积以及空间分布格局的变化起着至关重要的作用[9],多位学者也对此做了研究[8,10-12]。文章立足河北太行山区县域尺度,分析研究区的土地利用变化与生态系统服务价值特征,为合理开发利用河北太行山区,实现该区域“经济—生态”双提升提供参考,也对未来生态补偿机制的研究提供数据支撑。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

太行山脉位于我国东部,被称为“天下之脊”。太行山脉地势北高南低,山势为东陡西缓。河北省太行山地区位于太行山东麓,自北向南顺次为张家口市、保定市、石家庄市、邢台市、邯郸市,属于半干旱半湿润的大陆性季风气候,天然降水少,年降水量为550～800mm。区内森林覆盖率低、植被稀少,土壤条件贫瘠,主要以褐土为主,类型为壤土或沙壤土,水土流失严重,生态环境欠佳。

河北太行山县域间经济发展不平衡,生产总值(GDP)总体表现为南部高于北部,2000年河北太行山区各县域经济水平差异不大,2018年,南部的鹿泉、武安、邯郸市市辖区GDP持续增加并超过300亿,其中邯郸市总体经济发展水平较高,武安和邯郸市市辖区超过600亿。可以看出石家庄和邯郸两市的经济发展较为快速,在研究周期内有了显著增长,而河北太行山区的其他县(市)域则保持平稳增长,变化不显著。

1.2 数据来源和研究方法

1.2.1 数据来源与处理

文章所用遥感影像数据来自地理空间数据云(http://www.gscloud.cn)TM影像,空间分辨率为30m。根据我国的《土地利用现状分类标准(2017)》和相关文献[14],将河北太行山区土地利用现状划分为11种土地利用类型,借助ERDAS IMAGINE 9.2与ArcGIS10.1软件平台对遥感影像进行解译,从而得到河北太行山区2000—2018年三期的土地利用情况,解译成果及精度较为理想,kappa系数均大于0.80。

1.2.2 研究方法

(1)土地利用变化分析。土地利用动态度是评价土地利用类型数量变化、土地利用程度变化及土地利用变化区域差异的指标[14],包括单一土地利用动态度与综合土地利用类型动态度两个指标。

单一土地利用动态度K计算公式:

式中,Ua、Ub分别表示在时间a、b处某种土地利用类型的面积,T为“a-b”时段。

综合土地利用类型动态度公式:

式中,LUi监测起始时第i类土地利用类型的面积; ΔLUi-j为监测时段内第i类土地利用类型转为非i类土地利用类型面积的绝对值;当T的时段设定为年时,LC的值就是该研究区土地利用年变化率。

(2)生态系统服务价值测算。参考谢高地[15]与高会[13]的研究,利用当量因子法对生态系统分服务价值进行测算,测算过程如下:

①单位生态系统经济量Ea。

式中,i为研究区内第i种粮食作物的种类,mi为第i种粮食作物的种植面积(hm2),qi为i种粮食作物的单产(kg/hm2),pi为全国作物平均价格(元/kg),M为n种粮食作物的总面积(hm2)。

②单系统单类功能的生态系统服务价值Eij。

表1 河北太行山区各类生态系统服务价值修正系数Table 1 Correction coefficients for various ecosystem service values in the Taihang Mountains of Hebei

在当量因子修订的基础上,单系统单类功能的生态系统服务价值Eij计算公式如下:

式中,Eij为第j种生态系统第i类生态系统服务功能价值,eij为第j种生态系统第i类生态服务功能的当量因子,Ea为单位生态系统经济量。

③生态系统服务总价值V。

式中,V为生态系统服务总价值,Aj为j类生态系统的面积,Eij为第j种生态系统第i类生态系统服务功能价值。

(3)区域差异性研究。生态系统服务价值的差异性指数(R)是指生态系统服务价值变化与土地利用面积变化之间的比率[16],可以反映区域之间的差异,公式如下:

式中,La、Lb分别指研究初期与研究末期的生态系统服务价值,Ca、Cb分别指研究区整体初期与末期的各类型用地面积。

2 结果与分析

2.1 河北太行山区土地利用变化特征

2.1.1 土地利用数量变化

从社会的角度看，书法休闲活动有雅玩怡情功能，促进和谐稳定的功能。社会分工细化，日趋紧张忙碌，人们的休闲意愿日益强烈，通过书法作为休闲活动的载体，在书法活动中书写自我，雅玩怡情，在书法活动中结识新朋友，使在紧张的工作中产生的一部分不良情绪通过一种书法休闲活动得到很好释放，去除疲劳，并以更饱满的精神投入到工作学习中去。从整个社会的角度讲，书法休闲活动有利于促进社会的和谐稳定。

河北太行山区用地类型以森林、草地、农田为主,2018年三者分别占总面积的45%、23%及19%,超过总面积的87%,符合太行山区生态功能区的定位。各用地类型面积从大到小依次为:乔木林地＞草地＞旱地＞灌木林地＞沙漠＞其他林地＞滩地＞水田＞水域＞裸土地(表2)。

表2 2000—2018年河北太行山区各土地利用类型面积(km2)Table 2 Area of land use types in the Taihang Mountain of Hebei, 2000—2018

各用地类型面积变化比较复杂,土地转型的规律性虽不强但能看出呈此消彼长的关系。由表3可知,旱地、乔木林地、灌木林地、水域等用地类型在2000—2010年期间呈上升趋势但在2010—2018年期间呈下降趋势,其他林地、草地、滩地、裸土地、沙漠则在2000—2010年呈下降趋势,但在2010—2018年呈上升趋势。总体来看,河北太行山区土地利用综合动态度呈上升趋势,说明在这18年间的土地利用越来越活跃,但整体变化幅度不大,18年间土地利用综合动态度变化仅为0.004。

表3 2000—2018年河北太行山区土地利用动态度Table 3 Dynamic attitudes towards land use in the Taihang Mountains of Hebei, 2000—2018

从单一地类变化速度来看,2000—2018年期间变化速度最快的是裸土地,平均每年增加0.45%,说明18年间土地开发利用强度逐渐增强;其次是水域与其他林地,年变化率分别为0.41%与0.05%,水域面积的大幅增加,有利于研究区生态系统服务价值的增加,此变化趋势值得保持;而乔木林地和灌木林地变化不显著。

2.1.2 土地利用类型空间分布特征分析

通过分析河北太行山区土地类型的数量变化,可以看出不同用地类型间此消彼长的规律以及每年用地的侧重点,通过土地类型分布格局则可以看出各用地类型的位置特征(图1)。

图1 河北太行山区土地利用类型分布示意图Fig.1 The distribution of land use types in the Taihang Mountains of Hebei

河北太行山区主要被乔木林地、草地、旱地覆盖,其中乔木林地的分布地区为河北太行山区的北部和西部的小部分,草地主要分布在区域的中部,旱地主要在河北太行山区的北部和东部连片分布,灌木林地主要零星分布在中北部的部分区域。该地区在18年间土地利用空间格局发生一定变化,其中旱地的变化最为显著,2000—2010年期间旱地的分布在各地区均有零星增多,研究区东南部即邢台与邯郸地区分布更为集中,增加明显,而在2010—2018年旱地在各个地区的面积均有不同程度的减少,林地的分布也有所增加,尤其在邢台地区,这与国家实施的退耕还林还草政策密不可分,有力地保护了生态环境。

2.2 生态系统服务价值变化特征

2.2.1 单项生态系统服功能价值变化

就单项生态系统服务功能而言,2000—2018年各项生态服务功能年均价值均处于减少趋势,变化较大的为支持服务,其中的营养循环与土壤保持的价值变化率分别是-1.05%与0.92%,其次是调节服务的气体调节功能(-0.48%)。气候调节、净化环境和维持生物多样性等功能的价值变化缓慢,变化率均未达到0.2%。而分年度区间来看,气体调节、土壤保持和营养循环这3个服务功能变幅较大,均呈现“倒V型”发展趋势,前10年年均增长幅度超过3%,后8年年均减少幅度超过4%(表4)。

表4 2000—2018年河北太行山区生态系统服务价值结构变化Table 4 Changes in the value structure of ecosystem services in the Taihang Mountains of Hebei, 2000—2018

从生态系统服务功能价值构成上分析,河北太行山区最突出的生态系统服务为调节服务,其次为支持服务和文化服务。气候调节、水文调节、土壤保持三个功能是河北太行山区最主要的生态系统服务功能,在整个时期中这三者均占据了所有功能的15%以上,并且三者综合超过了生态系统服务功能的60%,其中气候调节与土壤保持服务功能的变化一致,呈先上升后下降趋势,这三种服务功能的变化主要跟耕地、林地与水体有关,在研究期内河北太行山区耕地面积变化较大,因此调节功能的变化与耕地的面积变化在趋势走向上基本一致。

2.2.2 生态系统服务总价值量变化

由图2可知,森林和草地对于三期的生态子系统服务所占的价值比例最大,贡献值最大。2000年、2010年与2018年森林与草地生态系统服务价值分别占总价值的38%、37%、45%和23%、19%、23%,总和均超过50%。其中,森林生态系统三期平均占比高达40%;草地生态系统三期平均占比约为20%,二者对于生态发展意义重大。

图2 河北太行山区各生态系统服务价值变化Fig.2 Changes in the value of ecosystem services in the Taihang Mountains of Hebei

森林和农田系统的生态服务价值呈此消彼长的关系,说明研究时限内这两个生态系统之间可能存在大面积的相互转换现象。湿地和其他土地为区域生态带来的效益微乎其微,其中湿地平均生态系统服务价值仅占到3%;水域也仅占到约8%;未利用地的贡献几乎为0,且3个生态系统所带来的服务价值在近20年并无显著变化。

2.2.3 生态系统服务价值空间变化分析

利用自然间断点分级法可以将河北太行山区的生态系统服务价值分为7个级别,通过图3与图4可以看出河北太行山区28个县(市)域的生态服务价值从北向南的服务价值大体成递减趋势,且减少幅度依次为2010年＜2000年＜2018年。保定地区的生态系统服务价值高于张家口和石家庄,整体区域的生态系统服务价值依次为保定＞张家口＞石家庄＞邢台＞邯郸。3年总体服务价值最高为保定,分别为686.84亿元、752.87亿元与680.32亿元,平均占研究区生态系统服务价值总的33.3%。这主要受土地利用结构影响,可以明显看出区域生态服务总价值高的地区,其森林和草地的面积也相对较大。因此,在满足地区生产与生活基本需求的用地基础上,加大其森林与草地面积是提高区域生态空间与生态系统服务价值的有效手段。

图3 河北太行山区生态系统服务价值分布示意图Fig.3 The distribution of ecosystem service values in the Taihang Mountains of Hebei

图4 河北太行山区各市生态系统服务价值总量变化图Fig.4 Changes in the total value of ecosystem services by city in the Taihang Mountains of Hebei

2.2.4 区域生态系统服务价值的差异分析

为进一步分析研究区生态系统服务价值(ESV)的变化,引入区域差异性指数来探讨河北太行山区28个县域的具体情况(图5)。当差异性指数|R|≥1时,县域ESV较全局ESV的变化幅度更大,若R＞1,代表县域与研究区整体变化方向一致;若R＜1,代表县域与研究区整体变化方向相悖。当差异性指数0＜|R|＜1时,县域ESV较全局ESV的变化幅度更小,若0＜R＜1,代表县域与研究区整体变化方向一致,若-1＜R＜0,代表县域与研究区整体变化方向相悖。分析结果可知:2000—2010年研究区的相对变化率较2010—2018年期跨度更大,依照两期差异性指数数据将县域分为3种类型:“复杂极不稳定区”表现为在两期中差异性指数均大于1的地区,涉及邯郸市区、涉县等6个县,主要分布在研究区北部和南部,前10年区域整体ESV呈现上升趋势时以上县域ESV的增长更为显著,对研究区整体的发展起到了推动作用,但需要注意的是后8年区域整体ESV呈现下降趋势时,以上县域ESV的减少幅度也更大; “相对稳定区”表现为两期差异性指数均处于-1到1范围内的地区,涉及阳原、灵寿等19个县,主要分布在研究区北部和中部,其ESV的变化幅度小于研究区整体,处于相对稳定的水平;“负向极不稳定区”表现为两期中至少一期的差异性指数大于1,且18年中发生了ESV发展方向由与研究区整体相悖到相符的转变,涉及顺平、满城与邢台市区,分布在研究区北部和南部,由于研究区整体ESV在第一期呈现上升趋势而在第二期呈现下降趋势,所以这3个县域的ESV在18年间一直处于下降趋势,应具体县域具体分析,深入探究其原因、寻求改善。总体来看,研究区的生态系统服务价值随时间趋于稳定,处于一个相对较好的发展态势。

图5 2000—2018年河北太行山区各县域生态系统服务价值差异性Fig.5 Variability in ecosystem service values by county in the Taihang Mountains of Hebei, 2000—2018

3 讨论与结论

3.1 土地利用变化对生态系统服务价值变化的影响分析

综上分析,对河北太行山区生态系统服务价值的数量变化、空间分布特征及区域差异性有了较为系统的了解,推进以上变量向好的方向发展的首要工作即为确定影响生态系统服务价值的主要因素。而土地利用方式及其规模是影响生态系统服务价值的直接因素。因此,为定量化分析土地利用变化对生态系统服务价值的影响,以2000—2010年、2010—2018年两期土地利用类型面积变化量(自变量)与生态系统服务价值变化量(因变量)为基础数据,利用SPSS 26软件进行线性回归分析,探讨两者之间的相关程度及影响生态系统服务价值变化的主要用地类型及其贡献权重,由此可以通过优化土地布局来提高区域生态系统服务价值。

在线性回归模型中,当显著性P＞0.05时,变量无统计学意义,应删除对应变量;当显著性P＜0.05时,变量具有统计学意义,应保留。因此,可知2000—2010年期间,影响生态系统服务价值变化的主要用地类型为旱地、乔木林地、灌木林地、草地、滩地、水域与裸土地(表5),其线性方程为:

表5 2000—2010年回归分析数据表Table 5 Regression analysis data table for 2000—2010

式中,Y1:生态系统服务价值(元);X1:旱地变化量;X2:乔木林地变化量;X3:灌木林地变化量;X4:草地变化量;X5:滩地变化量;X6:水域变化量;X7:裸土地变化量。

2010—2018年期间,影响生态系统服务价值变化的主要用地类型为旱地、乔木林地、草地、滩地与水域(表6),其线性方程为:

表6 2010—2018年回归分析数据表Table 6 Regression analysis data table for 2010—2018

式中,Y2:生态系统服务价值(元);X1:旱地变化量;X2:乔木林地变化量;X3:草地变化量;X4:滩地变化量;X5:水域变化量。

通过两期数据分析,可以看出影响河北太行山区生态系统服务价值变化的主要用地类型为旱地、乔木林地、草地、滩地与水域,除草地外的其他4种用地类型均为正向指标,其面积的增加会提升研究区的生态系统服务价值,在合理范围内应按规划适当增加其面积。草地影响相对复杂,在第一期为正向影响,第二期则为负向影响且贡献值最大。因此,草地面积的确定是通过优化土地利用类型来提升生态系统服务价值的关键,并不能通过单方面的增加或减少该土地利用类型改善生态环境,在土地利用规划涉及草地时,应进行更为全面的实地调研从而确定调整。

3.2 结论

(1)河北太行山区的土地利用类型主要以森林、草地和农田为主,在研究期内土地利用类型发生一定变化,旱地变化最为显著,土地利用动态度有所上升。

(2)河北太行山区的生态系统服务价值中森林和草地贡献最大,从北向南的服务价值大体成递减趋势,减少幅度依次为2010年＜2000年＜2018年;从县域角度来看,怀来县生态系统服务价值的比例最大,18个县域的生态系统服务发展都对研究区整体起着推动作用。

(3)河北太行山区最突出的生态系统服务为调节服务,就单项生态系统服务价值而言,2000—2018年年均各项生态服务功能价值均处于减少趋势,有待改善。

(4)按照区域差异性指数可将研究区分为3种类型:“复杂不稳定区”共涉及6个县域,ESV变化幅度较大,极不稳定; “相对稳定区”共涉及19个县域,ESV变化幅度小,处于稳定状态;“负向不稳定区”共涉及3个县域,ESV一直处于下降趋势,需具体县域具体分析,寻求解决途径。

(5)旱地、乔木林地、滩地与水域均为生态系统服务价值的主要正向影响因素,适当增加其面积能够推动该区域生态系统服务价值的提升,而对于草地这一土地利用类型则应进行更为深入的调查研究,才能使其推动生态系统向好发展。