趙 晴, 趙旭陽(yáng), 劉 征

(石家莊學(xué)院 資源與環(huán)境科學(xué)系, 河北 石家莊 050035)

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石家莊市土地利用變化及其生態(tài)服務(wù)功能響應(yīng)

趙 晴, 趙旭陽(yáng), 劉 征

(石家莊學(xué)院 資源與環(huán)境科學(xué)系, 河北 石家莊 050035)

摘要：[目的] 探究土地利用變化對(duì)生態(tài)服務(wù)功能的影響，為今后研究區(qū)實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定、土地可持續(xù)利用與發(fā)展提供理論依據(jù)和決策方法。 [方法] 利用河北省石家莊市2000年和2010年的遙感影像數(shù)據(jù)，解譯該2期土地利用類型圖。并對(duì)2期土地利用圖進(jìn)行變化速度、內(nèi)部轉(zhuǎn)移矩陣、空間疊加分析，了解近10 a來(lái)研究區(qū)的土地利用特征。應(yīng)用謝高地和Costanza的研究經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際，對(duì)生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值進(jìn)行計(jì)算，并作敏感性分析。并從單項(xiàng)生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值、各土地利用類型生態(tài)服務(wù)價(jià)值對(duì)生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值影響、生態(tài)服務(wù)價(jià)值流向等方面對(duì)土地利用變化的生態(tài)服務(wù)功能響應(yīng)進(jìn)行研究。[結(jié)果] 土地利用變化是引起生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化的主要原因，其中林地和低矮灌木及草地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的提高有顯著影響。 [結(jié)論] 研究區(qū)10 a間土地利用變化十分明顯，土地利用整體趨勢(shì)呈平衡狀態(tài)，土地利用方向基本合理;保護(hù)區(qū)土地利用變化對(duì)生態(tài)服務(wù)功能影響顯著，林地為主要土地利用類型，對(duì)生態(tài)服務(wù)功能影響最為顯著。

關(guān)鍵詞：土地利用變化; 生態(tài)服務(wù)功能; 地表水源保護(hù)區(qū); 石家莊市

土地是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，隨著人類社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步，人地關(guān)系日益緊張，人類改變著土地利用的方式和結(jié)構(gòu)，進(jìn)而直接影響著生態(tài)環(huán)境的變化[1]，以至于帶來(lái)一系列環(huán)境問(wèn)題。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指通過(guò)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過(guò)程和功能直接或間接得到的生命支持產(chǎn)品和服務(wù)[2-5]。M. J. Metzger, M. D. A. Rounsevell[6]運(yùn)用易損性評(píng)價(jià)，介紹了14種土地利用類型情況，以及與此相關(guān)的一系列生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，結(jié)果表明，土地利用變化情況的直接脆弱性運(yùn)用對(duì)于了解土地利用變化對(duì)整個(gè)歐洲生態(tài)環(huán)境的影響是十分有益的。Henrik Vejre[7]以哥本哈根城市邊緣區(qū)為研究對(duì)象，分析生態(tài)服務(wù)功能。國(guó)內(nèi)多名學(xué)者對(duì)不同區(qū)域研究土地利用變化與生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值之間的關(guān)系[8-13]，目前大多以Costanza[14]等或者謝高地[15]等人對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的研究成果為依據(jù)，利用遙感解譯數(shù)據(jù)、調(diào)查數(shù)據(jù)，從土地利用面積變化，土地利用空間分布，土地利用方式轉(zhuǎn)變等幾個(gè)方面進(jìn)行分析，研究土地利用的變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能產(chǎn)生怎樣的影響，或通過(guò)生物多樣性、生物量等修正方法估算區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的價(jià)值，進(jìn)而研究?jī)烧咧g是怎樣相互響應(yīng)的。近幾年少數(shù)人考慮謝高地參數(shù)的不普遍性，采用其他模型嘗試估算生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值。李屹峰[16]等分析流域1990—2009年土地利用的變化,采用空間顯式的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估軟件InVEST中的“產(chǎn)水量”、“土壤保持”、“水質(zhì)凈化”模型,研究流域土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響。

本文研究區(qū)為河北省石家莊市。石家莊市地表水源保護(hù)區(qū)位于河北省西部太行山中段，地勢(shì)差距大，地貌復(fù)雜。氣候主要特點(diǎn)是：四季分明，季節(jié)性強(qiáng)，光照充足，降水量偏少，夏暑冬寒，溫差較大。研究區(qū)包括崗南水庫(kù)水源地和黃壁莊水庫(kù)水源地。黃壁莊和崗南水庫(kù)是市域內(nèi)2座串聯(lián)的大型水庫(kù)，總庫(kù)容量分別為1.57×109m3和1.21×109m3，已經(jīng)成為石家莊市區(qū)的直接飲用水源地[17]。保護(hù)區(qū)總面積為4 372.21 km2,主要分布在平山縣和井陘縣大部分地區(qū)，其中第一、二、三產(chǎn)業(yè)發(fā)展較不平衡，第二產(chǎn)業(yè)比重較大，主要是第二類和第三類工業(yè)，環(huán)境污染嚴(yán)重并且發(fā)展水平較低、經(jīng)濟(jì)效益相對(duì)較差。

中國(guó)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值的研究很多[18-19]，但是對(duì)飲用水源保護(hù)區(qū)生態(tài)服務(wù)價(jià)值方面的研究較少。飲用水源保護(hù)區(qū)是人類生存的重要區(qū)域，其生態(tài)服務(wù)功能尤為重要。目前，對(duì)飲用水源保護(hù)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值研究較少，對(duì)其土地利用變化如何影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值結(jié)構(gòu)變化的研究幾乎空白。本文通過(guò)對(duì)石家莊地表水源保護(hù)區(qū)近10 a土地利用類型的結(jié)構(gòu)、時(shí)空變化特點(diǎn)進(jìn)行分析，明確土地利用類型在數(shù)量、內(nèi)部轉(zhuǎn)化等方面的變化，同時(shí)計(jì)算研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值，并對(duì)研究區(qū)各單項(xiàng)生態(tài)服務(wù)功能的服務(wù)價(jià)值、各土地利用類型的生態(tài)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)而分析土地利用變化的生態(tài)服務(wù)功能響應(yīng)問(wèn)題。通過(guò)對(duì)研究區(qū)所在區(qū)域的土地利用變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析土地利用的結(jié)構(gòu)與格局變化，并將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與土地利用變化聯(lián)系起來(lái)，可以為今后研究區(qū)實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定、土地可持續(xù)利用與發(fā)展提供理論方法和決策依據(jù)。

1數(shù)據(jù)源及研究方法

1.1　數(shù)據(jù)源

本項(xiàng)研究所采用的數(shù)據(jù)主要為研究區(qū)2000年LandsatTM遙感影像、2010年中國(guó)環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星遙感影像。遙感影像成像時(shí)間分別為2000年5月7日和2010年7月15日，分辨率均為30 m。輔助資料為石家莊市2010年Landsat ETM遙感影像，地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)2005年已分類矢量數(shù)據(jù)，石家莊市2000年1∶100 000地形圖和石家莊市2000年地區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖，并且與2010年5月實(shí)地勘察和調(diào)研數(shù)據(jù)相結(jié)合。

1.2　研究方法

(1) 單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度模型[20]：

(1)

式中：K——研究時(shí)段內(nèi)，某種土地利用類型的動(dòng)態(tài)度； Ua——研究期初某一種土地利用類型的數(shù)量； Ub——研究期末某一種土地利用類型的數(shù)量； T——研究時(shí)間段，當(dāng)T時(shí)段設(shè)定為年時(shí)，K值就表示該研究區(qū)某種土地利用類型的年變化率。

(2) 土地利用/覆被變化整體趨勢(shì)狀態(tài)分析模型[20]：

(2)

式中：Pt——區(qū)域內(nèi)土地利用/覆被變化的狀態(tài)指數(shù)和整體趨勢(shì)； △Uin-1——轉(zhuǎn)化為第i類土地利用類型的面積； △Uout-1——第i類土地利用類型的轉(zhuǎn)出面積。根據(jù)Pt值對(duì)其進(jìn)行具體分級(jí)[20]：當(dāng)0≤Pt≤0.25時(shí)，定義LUCC處于平衡狀態(tài)；當(dāng)0.25

(3) 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)單價(jià)轉(zhuǎn)換模型[21]：

(3)

式中：Ea——單位農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)提供食物生產(chǎn)服務(wù)功能的經(jīng)濟(jì)價(jià)值(元/hm2)； i——作物種類，pi——i種糧食作物全國(guó)平均價(jià)(元/kg)； qi——i種糧食作物單產(chǎn)(kg/hm2)； mi——i種糧食作物面積(hm2)； M——糧食作物總面積，1/7是指在沒(méi)有人力投入的自然生態(tài)系統(tǒng)提供的經(jīng)濟(jì)價(jià)值是現(xiàn)有單位面積農(nóng)田提供的食物生產(chǎn)服務(wù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的1/7。下同。

(4) 生態(tài)服務(wù)價(jià)值計(jì)算模型[21]：

(4)

式中：ESV——生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(元)；LUi——研究區(qū)第i種土地利用類型的面積(hm2)；VCi——第i種土地利用類型單位面積的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(元/hm2)； i——土地利用類型(i=1,2,…,n)。下同。

(5) 敏感性指數(shù)分析模型[21]：

(5)

式中：J，k——生態(tài)價(jià)值系數(shù)調(diào)整前的初始價(jià)值和生態(tài)價(jià)值系數(shù)調(diào)整以后的價(jià)值； CS——VCi變動(dòng)1%時(shí)引起的ESV變化情況，當(dāng)CS<1，表明生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值缺乏彈性;當(dāng)CS>1，表明生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值是有彈性的。

(6) 單項(xiàng)服務(wù)功能計(jì)算模型[21]：

(6)

式中：ESVf——研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能f的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值(元)； VCfi——單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能f的價(jià)值系數(shù)(元/hm2)。

(7) 影響度分析模型[21]：

(7)

式中：Ei——第i類土地利用類型生態(tài)服務(wù)價(jià)值變化對(duì)生態(tài)服務(wù)價(jià)值總量變化的影響度； △ESVi——第i類土地利用類型的生態(tài)服務(wù)價(jià)值在某一時(shí)段內(nèi)的變化量。下同。

(8) 流向性分析模型[21]：

PLij=(VCj-VCi)×Aij

(8)

式中：PLij——初始年份第i類土地利用類型轉(zhuǎn)化為終了年份第j類土地利用類型后的生態(tài)服務(wù)價(jià)值損益； VCi，VCj——第i類土地利用類型和第j類土地利用類型的生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)；Aij——第i類土地利用類型轉(zhuǎn)化為第j類土地利用類型的面積。

2結(jié)果與分析

2.1　石家莊市地表水源保護(hù)區(qū)土地利用變化分析

2.1.1土地利用信息提取采用遙感信息與地學(xué)信息相結(jié)合，室內(nèi)判讀和野外調(diào)查相結(jié)合的方法，運(yùn)用ERDAS imagine和ArcGIS對(duì)遙感圖像進(jìn)行處理(附圖6)。最后，利用ERDAS imagine軟件分別對(duì)2期分類影像進(jìn)行土地類型面積統(tǒng)計(jì)，并作轉(zhuǎn)移分析。

2.1.2石家莊市地表水源保護(hù)區(qū)近10 a土地利用基本特征由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知石家莊市地表水源保護(hù)區(qū)土地利用類型，2000年以林地、低矮灌木及草地和未利用地為主，共占總面積的79.38%。2010年仍以林地、低矮灌木及草地和未利用地為主，共占總面積的80.14%。10 a間的主要變化趨勢(shì)是建設(shè)用地和林地面積的增加，耕地、低矮灌木及草地、水域和未利用地面積的減少(見(jiàn)表1)。

表1　研究區(qū)各土地利用類型面積及所占比例

2.1.3土地利用時(shí)間尺度變化特征分析

(1) 土地利用的變化速度分析。根據(jù)水源保護(hù)區(qū)2000年、2010年各期的地類面積，依據(jù)單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度計(jì)算公式(1)，得出該研究區(qū)域土地利用動(dòng)態(tài)度，建設(shè)用地、林地、耕地、低矮灌木及草地、水域、未利用地土地利用動(dòng)態(tài)度分別為0.89%，2.27%，-0.58%，-0.97%，-2.05%，-1.49%。

石家莊市地表水源保護(hù)區(qū)在整個(gè)研究期間內(nèi)，各個(gè)土地利用類型變化的速度由大到小依次為：林地>水域>未利用土地>低矮灌木及草地>建設(shè)用地>耕地。在2000—2010年期間，林地與其它土地利用類型年變化率相比，居首位，10 a間增加了286.94 km2，耕地變化率最小，10 a間減少了33.72 km2。

(2) 土地利用的內(nèi)部轉(zhuǎn)化分析。由表2可以看出2000—2010年保護(hù)區(qū)各土地利用類型變化情況：建設(shè)用地面積增加量雖小，變化卻比較復(fù)雜，增加面積主要是由耕地和未利用地轉(zhuǎn)化而來(lái)；林地是增加面積最大的土地利用類型，主要由低矮灌木及草地和未利用地轉(zhuǎn)化而來(lái)，轉(zhuǎn)移概率分別為40.07%和25.15%；耕地減少量主要轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地、林地、低矮灌木及草地；低矮灌木及草地保持不變的面積比例為42.32%，變化的部分主要轉(zhuǎn)化為林地，集中在西部山區(qū)，轉(zhuǎn)化概率為40.07%；水域主要轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地、耕地、低矮灌木及草地和未利用地；未利用地凈減少115.99 km2，保持不變的概率為32.13%，2000年時(shí)多分布在井陘地區(qū)。隨著環(huán)境保護(hù)的加強(qiáng)，減少的未利用地多轉(zhuǎn)化為林地和低矮灌木及草地(以井陘縣最為明顯)，轉(zhuǎn)化概率為25.15%和24.87%。

表2　2000-2010年研究區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)化矩陣　km2

同時(shí)，可以在以上土地利用轉(zhuǎn)移矩陣的基礎(chǔ)上，從研究區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣中提取各個(gè)土地利用類型的轉(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)出面積，采用土地利用/覆被變化整體趨勢(shì)和狀態(tài)分析模型(2)，對(duì)研究區(qū)各土地利用類型轉(zhuǎn)移情況加以分析。計(jì)算結(jié)果顯示研究區(qū)2000—2010年的Pt值為0.13，表明研究區(qū)近10 a來(lái)，各土地利用類型以雙向轉(zhuǎn)換為主要態(tài)勢(shì)，且轉(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)出頻繁，整體上各土地利用類型的轉(zhuǎn)換趨勢(shì)呈現(xiàn)出均衡轉(zhuǎn)換的狀態(tài)。

2.1.4土地利用的空間尺度變化分析選取變化速度最快的林地、水域、耕地作為研究對(duì)象，在GlS技術(shù)的支持下，分別疊加其2000年和2010年遙感影像解譯出的土地利用圖(圖1)，建立具有多重地理屬性的空間分布區(qū)域[22]，進(jìn)而分析出10 a間研究區(qū)土地利用變化的空間差異。

圖1　2000-2010年研究區(qū)林地、水域、未利用地變化

從疊加分析結(jié)果圖中，可以更清晰地看到林地、水域、未利用地變化面積的空間位置分布。林地增加面積較大，主要集中在崗南水庫(kù)以西地區(qū)，此處屬西部山區(qū)，適于林木生長(zhǎng)，加之人為種植保護(hù)的作用，增加面積廣大；井陘縣城的南、北、西3面林地也有所增加，主要是對(duì)未利用地的開墾結(jié)果。水域面積減少20.52%，水面萎縮嚴(yán)重，大部分發(fā)生在崗南水庫(kù)西部和井陘縣地區(qū)，主要是由于人為胡亂占用，礦區(qū)開采的影響。未利用地面積的減少基本均勻分布在整個(gè)保護(hù)區(qū)，主要用于植樹造林、開墾耕地和城市建設(shè)。

2.2　石家莊市地表水源保護(hù)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值分析

土地利用的方式不同，與其對(duì)應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)具有的服務(wù)功能就會(huì)不同，生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能必然受土地利用/覆蓋變化的影響，這些影響通過(guò)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值變動(dòng)體現(xiàn)出來(lái)[23]。

2.2.1生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值測(cè)算由統(tǒng)計(jì)資料可知，石家莊市地表水源保護(hù)區(qū)主要糧食作物分為稻谷、玉米、小麥、大豆。本研究分別采用2000年和2010年河北省平均價(jià)格，以石家莊市地表水源保護(hù)區(qū)2000年和2010年主要糧食作物的平均糧食產(chǎn)量為該區(qū)基準(zhǔn)單產(chǎn)，以謝高地等[15]的生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量表為基礎(chǔ)，在進(jìn)行修正的基礎(chǔ)上，根據(jù)公式(3)，計(jì)算出研究區(qū)每個(gè)當(dāng)量的生態(tài)服務(wù)價(jià)值為1 454.5元。

為了更加科學(xué)準(zhǔn)確的使用謝高地的當(dāng)量表，本文將林地生態(tài)當(dāng)量與森林對(duì)應(yīng)，低矮灌木及草地生態(tài)當(dāng)量與草地對(duì)應(yīng)，耕地生態(tài)當(dāng)量與農(nóng)田對(duì)應(yīng)，未利用地生態(tài)當(dāng)量與荒漠對(duì)應(yīng)，計(jì)算出石家莊地表水源保護(hù)區(qū)不同土地利用類型單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值。在確定了每個(gè)當(dāng)量的價(jià)值之后，根據(jù)公式(4)利用所得數(shù)據(jù)與兩年各土地利用類型面積相乘，可以得出2000年和2010年研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(見(jiàn)表3)。

2.2.2生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能賦值的敏感性分析生態(tài)價(jià)值系數(shù)是否準(zhǔn)確，生態(tài)系統(tǒng)類型對(duì)土地利用類型是否具有代表性，需要進(jìn)一步驗(yàn)證。根據(jù)公式(5)，分別將各土地利用類型單位面積的生態(tài)服務(wù)價(jià)值上下調(diào)50%，再將2000年和2010年研究區(qū)的生態(tài)服務(wù)總價(jià)值用調(diào)整后的生態(tài)價(jià)值系數(shù)分別進(jìn)行估算，結(jié)果見(jiàn)表4。從數(shù)據(jù)可以看出，VCi上下調(diào)整50%后的各類地敏感性指數(shù)均小于1，說(shuō)明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(ESV)對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)(VC)是缺乏彈性的，即各個(gè)土地利用類型單位面積的生態(tài)服務(wù)價(jià)值變化沒(méi)有對(duì)研究區(qū)的生態(tài)服務(wù)總價(jià)值產(chǎn)生較大影響，本文選取的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)對(duì)于研究區(qū)而言是比較合適的，取值是可信的。

表3　研究區(qū)各生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)價(jià)值

表4　研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值敏感性分析

2.3　土地利用變化及其生態(tài)服務(wù)功能響應(yīng)分析

本文選擇石家莊市地表水源保護(hù)區(qū)為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行測(cè)算，研究其與土地利用之間的關(guān)系，確定土地利用方式的改變是否對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能造成影響，甚至使其發(fā)生功能缺失[18]，這不僅是對(duì)近10 a間研究區(qū)由于土地利用變化產(chǎn)生的各種生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的總結(jié)，也是為今后研究區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源、環(huán)境、土地利用結(jié)構(gòu)的合理調(diào)整提供方向。

2.3.1生態(tài)系統(tǒng)單項(xiàng)服務(wù)功能價(jià)值變化分析根據(jù)公式(6)得到研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)單項(xiàng)服務(wù)功能價(jià)值及其變化情況(表5)。由表5可知，土壤形成和保護(hù)、水源涵養(yǎng)、生物多樣性保護(hù)、氣體調(diào)節(jié)、廢物處理的單項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值所占總價(jià)值較大，即這5項(xiàng)功能是研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的主要生態(tài)服務(wù)功能。10 a間，單項(xiàng)服務(wù)功能價(jià)值減少最多的是廢物處理功能，減少3.13×107元，變化率為4.58%，這主要是由于價(jià)值系數(shù)較大的水域由于人為不當(dāng)利用，造成面積萎縮而引起的；單項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值減少的還有食物生產(chǎn)，減少7.3×106元，變化率為1.07%，變化不顯著，但主要是由于以提供食物生產(chǎn)功能為主的耕地面積減少所致，應(yīng)當(dāng)引起重視；單項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值增加的主要是土壤形成和保護(hù)、水源涵養(yǎng)和生物多樣性保護(hù)功能，由于退耕還林、植樹造林、土地不合理利用、建設(shè)用地增加等原因，造成低矮灌木及草地、耕地、水域面積均有所減少，但價(jià)值系數(shù)較大的林地面積增加，使得這3項(xiàng)功能的價(jià)值在10 a間是增加的，共增加2.75×108元，占總增加值的45.41%，即在各土地利用類型中，林地對(duì)單項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能起主導(dǎo)作用。

表5　2000-2010年研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)單項(xiàng)服務(wù)功能價(jià)值變化

2.3.2各土地利用類型生態(tài)服務(wù)價(jià)值對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響為了確定10 a間，各土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總量的影響，何種土地利用類型主導(dǎo)研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總量變化，根據(jù)公式(7)計(jì)算可知。由計(jì)算結(jié)果得到表6。由表6可以看出，10 a間研究區(qū)生態(tài)服務(wù)總價(jià)值增加了6.05×108元，說(shuō)明研究區(qū)在注重經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，對(duì)生態(tài)環(huán)境建設(shè)也十分重視。在各個(gè)土地利用類型中，林地和低矮灌木及草地的價(jià)值比例最為明顯，2000年和2010年林地的價(jià)值比例均超過(guò)50%，且2010年比2000年增加了7.57%；低矮灌木及草地生態(tài)服務(wù)總價(jià)值的貢獻(xiàn)率在22.15%～18.39%，2010年比2000年價(jià)值比例降低了3.76%。

在各土地利用類型中，對(duì)生態(tài)服務(wù)價(jià)值變化的影響度大小依次為：林地﹥低矮灌木及草地﹥水域﹥耕地﹥未利用地，其中，林地提供的生態(tài)服務(wù)價(jià)值在各地類中所占比例最大，達(dá)2/3上，影響度為74.31%，10 a間增加生態(tài)服務(wù)價(jià)值9.25×108元，也就是說(shuō)，林地不僅是單項(xiàng)服務(wù)功能中起主要作用的土地利用類型，同時(shí)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能總量影響顯著；其次為低矮灌木及草地，影響度為11.84%，10 a間減少1.47×108元，也是生態(tài)服務(wù)價(jià)值減少最多的土地利用類型；對(duì)生態(tài)服務(wù)價(jià)值變化影響度最小的是未利用地，為0.58%，影響不顯著，10 a間減少7.17×106元，主要是由于其在各年份的生態(tài)服務(wù)價(jià)值和研究期間的價(jià)值變化相對(duì)于其他土地利用類型很小。

表6　2000-2010年研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值及價(jià)值構(gòu)成變化

注：影響度為分項(xiàng)價(jià)值變化絕對(duì)值/各分項(xiàng)價(jià)值變化絕對(duì)值之和。

2.3.3各土地利用類型引起的生態(tài)服務(wù)價(jià)值流向分析根據(jù)公式(8)得到表7。從表7中可以看出，林地除了轉(zhuǎn)化為水域外，向其他土地利用類型的轉(zhuǎn)變引起的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值流動(dòng)，有損于林地生態(tài)系統(tǒng)的價(jià)值，價(jià)值損失1.14×109元。低矮灌木及草地的價(jià)值流向主要為林地和未利用地，其中向林地和水域轉(zhuǎn)化屬于正流向，而向未利用地轉(zhuǎn)變損失價(jià)值，但由于與增加的價(jià)值相比較小，整個(gè)低矮灌木及草地生態(tài)系統(tǒng)的價(jià)值流向仍為正流向，價(jià)值增加1.16×109元。耕地的轉(zhuǎn)化除轉(zhuǎn)化為未利用地帶來(lái)的是負(fù)價(jià)值外，向林地、低矮灌木及草地、水域轉(zhuǎn)化均產(chǎn)生正價(jià)值，由于轉(zhuǎn)化為未利用地的面積較大，價(jià)值損失9.258×107元。水域的價(jià)值流向都屬于負(fù)流向，有損于水域生態(tài)系統(tǒng)，共損失1.51×108元。未利用地價(jià)值流向?yàn)榱值?、低矮灌木及草地、耕地、水域，轉(zhuǎn)化均有利于服務(wù)價(jià)值的增加，共增加9.31×108元。建設(shè)用地的生態(tài)服務(wù)價(jià)值還無(wú)法準(zhǔn)確量算，但可以肯定的是這種轉(zhuǎn)換的價(jià)值流向都是負(fù)流向，因此，為了城市發(fā)展建設(shè)等占用林地、耕地等的現(xiàn)象，從生態(tài)角度考慮，是不經(jīng)濟(jì)的?？傮w上看，近10 a間各個(gè)土地利用類型的轉(zhuǎn)化是有利于研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的，但其中不乏價(jià)值的大量流失，所以應(yīng)在維持現(xiàn)有土地利用格局的基礎(chǔ)上，加大對(duì)林地和水域的保護(hù)，停止對(duì)林地和水域的破壞，即上述轉(zhuǎn)化過(guò)程。

表7　2000-2010年土地利用變化的生態(tài)服務(wù)價(jià)值流向分析　106元

2.3.4生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與土地利用變化的關(guān)系土地利用變化是引起生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化的主要原因，近10 a間，石家莊市地表水源保護(hù)區(qū)土地利用類型的變化引起了生態(tài)服務(wù)功能和價(jià)值的變化。從生態(tài)服務(wù)價(jià)值總量看，研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)主要是由林地和低矮灌木及草地支撐，他們的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值占總價(jià)值的80%以上，其中林地對(duì)研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值影響最大。通過(guò)前面的分析，10 a間研究區(qū)低矮灌木及草地、耕地和水域面積的減少，均對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)，使總的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值下降。林地面積的增加和未利用地面積的減少對(duì)生態(tài)環(huán)境具有正效應(yīng)，近10 a研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總量的增加主要是由于林地面積的大幅增加，抵消了其他土地利用類型變化產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境負(fù)效應(yīng)。從單個(gè)土地利用類型生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值看，林地以28.9%～35.47%的面積提供著59.25%～66.82%的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值；低矮灌木及草地以29.46%～32.62%的面積提供著22.15%～18.39%的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值；耕地以12.53%～13.3%的面積提供著8.62%～7.46%的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值；水域的面積僅為1.71%～2.15%，卻提供著9.27%～6.77%的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值；未利用地面積為15.21%～17.86%，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值占總量的0.70%～0.55%。由此可見(jiàn)，林地和低矮灌木及草地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的提高有顯著影響，研究區(qū)土地利用方式影響著生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的價(jià)值構(gòu)成。由于城市發(fā)展，人口增加，致使土地需求量增加，必然導(dǎo)致低矮灌木及草地、耕地、水域和未利用地面積的減少，進(jìn)而引起生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的相應(yīng)變化，生態(tài)環(huán)境又會(huì)對(duì)地理環(huán)境進(jìn)行反作用，影響土地利用方式形成新的土地利用結(jié)構(gòu)(詳見(jiàn)圖2)。因此，石家莊地表水源保護(hù)區(qū)應(yīng)在經(jīng)濟(jì)建設(shè)的同時(shí)，注重土地的利用和開發(fā)，從可持續(xù)發(fā)展的角度調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)林地和水域保護(hù)，優(yōu)化農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)，合理發(fā)展畜牧業(yè)，優(yōu)先考慮有利于生態(tài)環(huán)境建設(shè)的項(xiàng)目，提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，提高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，實(shí)現(xiàn)石家莊市地表水源保護(hù)區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。

注：在人類社會(huì)圈層中，虛線代表各土地利用類型的原有面積大小，實(shí)線代表各土地利用類型的現(xiàn)有面積大?。辉谏鷳B(tài)環(huán)境圈層中，虛線逆時(shí)針箭頭代表土地利用變化對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)，實(shí)線順時(shí)針箭頭代表土地利用變化對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生正效應(yīng)。

圖2石家莊市土地利用變化及其生態(tài)服務(wù)功能響應(yīng)關(guān)系

3結(jié) 論

(1) 10 a間石家莊市地表水源保護(hù)區(qū)土地利用變化十分明顯。石家莊市地表水源保護(hù)區(qū)的土地利用類型由2000年以低矮灌木及草地為主轉(zhuǎn)變?yōu)?010年以林地為主。從時(shí)間尺度看，各個(gè)土地利用類型變化速度由大到小依次為：林地>水域>未利用土地>低矮灌木及草地>建設(shè)用地>耕地。10 a間土地利用類型主要的變化趨勢(shì)是低矮灌木及草地、未利用地向林地的轉(zhuǎn)變，以及未利用地向低矮灌木及草地的轉(zhuǎn)變。從空間尺度看，變化速度較快的三種土地利用類型中，林地增加面積主要集中在崗南水庫(kù)以西地區(qū)，水域減少面積主要集中在崗南水庫(kù)西部和井陘縣地區(qū)，未利用地減少面積基本均勻分布于整個(gè)保護(hù)區(qū)。

(2) 石家莊市地表水源保護(hù)區(qū)土地利用整體趨勢(shì)呈平衡狀態(tài)，土地利用方向基本合理。研究區(qū)各土地利用類型以雙向轉(zhuǎn)換為主要態(tài)勢(shì)，且轉(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)出頻繁，土地利用/覆被的整體趨勢(shì)呈現(xiàn)出均衡轉(zhuǎn)換的狀態(tài)。從時(shí)間、數(shù)量上看，從空間格局上看，各類型間空間發(fā)展趨于不平衡狀態(tài)。與此同時(shí)，10 a間研究區(qū)的生態(tài)服務(wù)價(jià)值增加了6.05×108元，優(yōu)勢(shì)地類林地的大面積增加，抵消了由于低矮灌木及草地、耕地和水域面積的減少對(duì)生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值造成的負(fù)影響。研究區(qū)應(yīng)在注重林地保護(hù)的同時(shí)，注意各類地的空間開發(fā)格局，做到多樣化均勻發(fā)展，并且保護(hù)人類懶以生存的地表淡水資源，提升水域生態(tài)服務(wù)價(jià)值。

(3) 石家莊市地表水源保護(hù)區(qū)土地利用變化對(duì)生態(tài)服務(wù)功能影響顯著。總體上看，近10 a間各個(gè)土地利用類型的轉(zhuǎn)化使研究區(qū)生態(tài)服務(wù)價(jià)值增加，價(jià)值流向有利于研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)，主要是因?yàn)閷?duì)生態(tài)服務(wù)功能影響度最大的林地的大面積增加，對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生正效應(yīng)，但其中不乏價(jià)值的大量流失，應(yīng)在維持現(xiàn)有土地利用格局的基礎(chǔ)上，加大對(duì)林地和水域的保護(hù)，停止對(duì)林地和水域的破壞。石家莊市地表水源保護(hù)區(qū)應(yīng)在經(jīng)濟(jì)建設(shè)的同時(shí)，注重土地的利用和開發(fā)，從可持續(xù)發(fā)展的角度調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)林地和水域保護(hù)，優(yōu)化農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)，合理發(fā)展畜牧業(yè)，優(yōu)先考慮有利于生態(tài)環(huán)境建設(shè)的項(xiàng)目，提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，提高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，實(shí)現(xiàn)石家莊市地表水源保護(hù)區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。

(4) 石家莊市林地為主要土地利用類型，對(duì)生態(tài)服務(wù)功能影響最為顯著。林地為研究區(qū)變化速度最快的土地利用類型，變化率為2.27%，10 a間增加了286.94 km2，主要由低矮灌木及草地和未利用地轉(zhuǎn)化而來(lái)，為2010年的主要土地利用類型。從單向生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值看，研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的主要生態(tài)服務(wù)功能包括：土壤形成和保護(hù)、水源涵養(yǎng)、生物多樣性保護(hù)、氣體調(diào)節(jié)、廢物處理這五項(xiàng)功能，其中土壤形成與保護(hù)、水源涵養(yǎng)和生物多樣性保護(hù)功能價(jià)值的增加，主要是林地面積大幅增加的原因；在各土地利用類型對(duì)生態(tài)服務(wù)價(jià)值影響度中，林地影響度最大，其提供的生態(tài)服務(wù)價(jià)值占各類型土地提供總價(jià)值的2/3。說(shuō)明林地不僅是單項(xiàng)服務(wù)功能中起主要作用的土地利用類型，同時(shí)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能總量影響顯著。

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Change of Land Use and Its Response of Ecological Service Function in Shijiazhuang City

ZHAO Qing, ZHAO Xuyang, LIU Zheng

(SchoolofResources&EnvironmentalScience,ShijiazhuangUniversity,Shijiazhuang,Hebei050035,China)

Abstract：[Objective] To explore the impact of land use change on ecosystem services, and provide theoretical basis and decision-making methods for researching the socio-economic development and the ecological environment stable， and sustainable land use and development. [Method] By using the remote sensing image data of Shijiazhuang City, Hebei Province in 2000 and 2010, the two phases of land use type maps were interpreted, and the velocity, internal transfer matrix, spatial overlay of two phase of the land use map changes were analyzed to understand land use characteristics of the study area in recent 10 years. Based on the research experience of Xie Gaodi and Costanza, combining with the reality of the study area, the ecological service function value and its sensitivity was calculated and analyzed. The respones of ecological service function on land use change were studied, based on the individua’s ecological service function value, ecological service value impact of each land use type on the ecosystem service function value, and ecological service value flow. [Results] The changes in the value of the services of ecosystems was caused by land use change, in which, the ecosystem of forest, low shrubs and grassland enhanced the value of ecosystem services significantly. [Conclusion] The change of land use in the study area was very obvious from 2000 to 2010, and the land use overall trend was in balance and reasonable. The effect of land use change on ecosystem service was significant, and as the main land use type, forest land was the critical factor of ecosystem affecting land use change.

Keywords:land use change; ecosystem service function; surface sources protection areas; Shijiazhuang City

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-288X(2015)03-0242-08

中圖分類號(hào)：P951

通信作者：劉征(1979—),女(漢族),河北省邯鄲涉縣人,碩士,副教授,主要從事生態(tài)環(huán)境遙感研究。E-mail:liuzheng111_1979@163.com。

收稿日期：2014-04-08修回日期：2014-05-05

資助項(xiàng)目：河北省自然科學(xué)資助項(xiàng)目“生態(tài)功能區(qū)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與綜合評(píng)價(jià)研究”(D2010001952); 河北省科技計(jì)劃項(xiàng)目“山區(qū)土地利用變化的生態(tài)地學(xué)要素和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能響應(yīng)研究”(2237126 D-3)

第一作者：趙晴(1987—),女(漢族),河北省石家莊市人,碩士,助教,主要從事土地資源開發(fā)與管理教學(xué)與研究工作。E-mail:zhaoqing8745@163.com。

綜合治理