葛 靜，王 丹，楊萍果

(1.山西師范大學(xué)生命學(xué)院，臨汾 041000； 2.中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心，河北石家莊 050021)

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·熱點(diǎn)問(wèn)題·

臨汾市土地利用變化的格局分析及其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響*

葛 靜1，王 丹1， 2，楊萍果1※

(1.山西師范大學(xué)生命學(xué)院，臨汾 041000； 2.中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心，河北石家莊 050021)

文章以臨汾市2004年、2009年、2014年等3期遙感影像為信息源對(duì)研究區(qū)土地利用及生態(tài)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行分析。從土地利用轉(zhuǎn)移方向來(lái)看， 2004～2009年間，河流、湖泊和林地增加的部分主要由裸地和草地轉(zhuǎn)化而來(lái)； 2009～2014年間，河流、湖泊主要轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?，其次為裸地。從研究區(qū)的空間格局來(lái)看，各類土地利用類型的發(fā)展趨于不均衡，優(yōu)勢(shì)斑塊的優(yōu)勢(shì)地位越來(lái)越明顯，斑塊的連通性增強(qiáng)。從生態(tài)服務(wù)價(jià)值的角度來(lái)看，臨汾市生態(tài)服務(wù)價(jià)值量表現(xiàn)出增加趨勢(shì)，所有土地利用敏感性指數(shù)均小于1，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值對(duì)價(jià)值系數(shù)缺乏彈性，研究結(jié)果比較可信。

土地利用 景觀格局 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù) 價(jià)值變化 敏感性指數(shù)

0 引言

土地是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，隨著社會(huì)發(fā)展，人地關(guān)系日益緊張，矛盾日益突出，人類對(duì)土地利用方式的改變影響著生態(tài)環(huán)境的變化[1-3]。由土地利用變化導(dǎo)致的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化是衡量土地利用變化環(huán)境效應(yīng)的重要量化指標(biāo)[4-6]。Henrik Vejre 以哥本哈根城市邊緣區(qū)為研究對(duì)象，探討生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空變化[7]。Huang等人運(yùn)用易損性評(píng)價(jià)探討了歐洲土地利用變化情況對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響[8]。王宗明等在松嫩平原三期土地利用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用RS和GIS技術(shù)分析了該地區(qū)土地利用變化與成因及其所引起的生態(tài)價(jià)值的變化[9]； 劉祗坤等參照3期TM影像數(shù)據(jù)，對(duì)赤峰市土地利用類型變化及生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值變化進(jìn)行了系統(tǒng)分析[10]。

改革開(kāi)放以來(lái)，臨汾市經(jīng)濟(jì)快速、穩(wěn)定發(fā)展，城市化水平大幅度提高，土地利用變化劇烈，人地矛盾日益突出，嚴(yán)重影響該區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。文章根據(jù)土地利用情況，研究了具有時(shí)間跨度的3個(gè)時(shí)間段的臨汾的土地類型流轉(zhuǎn)情況、土地利用格局變化以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化過(guò)程，以期為該區(qū)域的土地利用規(guī)劃提供參考建議。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及數(shù)據(jù)處理

根據(jù)臨汾市的區(qū)域特征和研究要求，在其2004年、2009年、2014年等3個(gè)時(shí)期的衛(wèi)星遙感影像的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)解譯。具體圖像處理方法、解譯標(biāo)志的建立詳見(jiàn)文獻(xiàn)[11]。人口、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)等數(shù)據(jù)來(lái)自《臨汾市統(tǒng)計(jì)年鑒》(2005～2015年)。

參照國(guó)家通用的土地分類系統(tǒng)及臨汾市本土特征，將土地分為農(nóng)用地、建設(shè)用地、林地、濕地和未利用地5個(gè)大類； 以下又劃分成農(nóng)田、林地、灌木叢、草地、河流湖泊、建筑用地和裸地7種二級(jí)分類體系類型。

1.2 土地利用轉(zhuǎn)移速率

研究區(qū)域內(nèi)某種土地利用類型轉(zhuǎn)移的變化速率可表示為：

(1)

式中，LCi代表第i種土地的轉(zhuǎn)移變化速率(%)；LUi表示i類土地在基期的面積(hm2)；ΔLUi表示i類土地在研究時(shí)段內(nèi)轉(zhuǎn)為非i類土地的面積(hm2)；t表示研究時(shí)間段(年)。

1.3 景觀指數(shù)計(jì)算

常見(jiàn)的景觀指數(shù)有拼塊類型面積(CA)、斑塊類型所占景觀面積的比例(Pland)、斑塊個(gè)數(shù)(NP)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、散布與并列指數(shù)(IJI)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)、均勻度指數(shù)(SHEI)，計(jì)算方法詳見(jiàn)文獻(xiàn)[12]。

1.4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)價(jià)方法

該文結(jié)合臨汾市實(shí)際情況，參照謝高地制定的陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值表，得出生態(tài)系統(tǒng)單位面積內(nèi)的生態(tài)服務(wù)價(jià)值，結(jié)果如表1所示。

表1 不同類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)

該研究還對(duì)臨汾市不同土地利用類型單位面積的單一生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)進(jìn)行細(xì)化(表2)。其中在計(jì)算單項(xiàng)服務(wù)價(jià)值時(shí)亦采用生態(tài)服務(wù)價(jià)值表達(dá)式，如：氣體調(diào)節(jié)的總價(jià)值=氣體調(diào)節(jié)服務(wù)下的各土地利用類型價(jià)值系數(shù)×各土地利用類型面積。

表2 生態(tài)系統(tǒng)各項(xiàng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)

生態(tài)服務(wù)價(jià)值的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

ESV=∑(Ak×VCk)

(2)

式中，ESV表示研究區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)總服務(wù)價(jià)值(萬(wàn)元)；Ak表示第k種土地利用類型面積(hm2)；VCk表示第k種土地利用類型的生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)。

1.5 生態(tài)價(jià)值敏感性計(jì)算方法

為了驗(yàn)證生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值系數(shù)的準(zhǔn)確性，引入敏感性指數(shù)(CS)，它是指生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)的變化引起生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化程度。計(jì)算公式如下[13]：

(3)

式中，CS代表敏感性指數(shù)，ESVi和ESVj分別代表調(diào)整前后生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，VCjk和VCik分別代表調(diào)整前后服務(wù)價(jià)值系數(shù)。若CS<1，則說(shuō)明ESV相對(duì)VC缺乏彈性，結(jié)果可信。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用過(guò)程的變化

2004～2009年：裸地和草地減少的部分主要轉(zhuǎn)化為河流、湖泊和林地，比例分別為4.13%、1.89%和25.42%、18.88%； 灌木叢增加的部分主要由農(nóng)用地和草地轉(zhuǎn)化而來(lái)，轉(zhuǎn)入比例分別為38.62%、38.60%； 農(nóng)用地減少的部分主要轉(zhuǎn)化為草地，轉(zhuǎn)化面積達(dá)1069.16hm2，轉(zhuǎn)化比例為35.01%，其次為裸地和灌木叢，轉(zhuǎn)入比例分別為11.71%、11.47%； 建筑用地增加部分的主要的轉(zhuǎn)化來(lái)源是河流湖泊，轉(zhuǎn)化面積為0.21hm2，轉(zhuǎn)入比例僅為0.003%； 裸地的轉(zhuǎn)化來(lái)源主要為農(nóng)用地，其次為草地，轉(zhuǎn)入比例為分別為58.35%、14.13%(表3)。

2009～2014年：林地、裸地主要由河流、湖泊轉(zhuǎn)化而來(lái)，其中轉(zhuǎn)化為林地179.23hm2，轉(zhuǎn)移比例為4.6%，轉(zhuǎn)化為裸地76.84hm2，轉(zhuǎn)移比例為1.97%； 林地主要轉(zhuǎn)變?yōu)槁愕?，其次分別為草地、灌木叢、河流湖泊，轉(zhuǎn)移比例分別為9.18%、7.99%、4.95%、3.66%，轉(zhuǎn)移率較少，變化不明顯； 農(nóng)用地和草地主要由灌木叢轉(zhuǎn)化而來(lái)，其中轉(zhuǎn)化為農(nóng)用地661.97hm2，草地391.73hm2，轉(zhuǎn)化明顯； 農(nóng)用地轉(zhuǎn)化為其他土地利用類型的比例很小，主要轉(zhuǎn)化為裸地，其次為草地，轉(zhuǎn)移比例分別為4.038%， 1.057%； 建筑用地完全是自身轉(zhuǎn)化。

表3 研究區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣 hm2

2.2 土地利用總體評(píng)價(jià)

2004～2009年變化的總體趨勢(shì)為：河流湖泊、林地、灌木叢和農(nóng)用地在增加，草地和裸地在減少，建筑用地面積小幅增加。土地利用年變化率較大的土地類型依次為草地、裸地、灌木叢，比率分別為10.44%、10.36%、10.09%，林地變化速度也較快，最慢的為建筑用地， 4年間小幅增加； 2009～2014年變化的總體趨勢(shì)為：林地、灌木叢、草地和裸地面積大幅增加，建筑用地面積相對(duì)小幅增加，河流湖泊、農(nóng)用地面積略減少。由于國(guó)家退耕還林還草政策的影響，導(dǎo)致5年間林地驟增，年均變化率最大，為30.29%，而且大部分是來(lái)源于農(nóng)田的減少，說(shuō)明這幾年植樹(shù)造林使林地的比重逐年增加； 河流湖泊年均減少0.33%，主要轉(zhuǎn)化為裸地，其縮小率位于所有土地利用類型榜首； 農(nóng)用地的年均變化率為-0.44%，退化也很?chē)?yán)重。農(nóng)田的縮減主要受到兩方面原因影響：一方面是由于建設(shè)用地和林地的侵占； 另一方面是由于臨汾市城市化進(jìn)程不斷加快，大量務(wù)農(nóng)人員轉(zhuǎn)變?yōu)閯?wù)工人員，耕地荒廢。水體的縮減則主要是由于氣候變暖，加速水體干涸。

2.3 土地利用格局的變化

從斑塊類型水平來(lái)看(表4)： 2004年，農(nóng)用地處于優(yōu)勢(shì)地位，其面積占80.82%，可看作整個(gè)區(qū)域的基質(zhì)，草地和農(nóng)用地的破碎化和分割程度較高，內(nèi)部復(fù)雜，邊界主要由自然因素導(dǎo)致形成，人為干擾相對(duì)較??； 2004～2009年，農(nóng)用地仍被視為整個(gè)區(qū)域的基質(zhì)，建筑用地和裸地的破碎化程度較高，農(nóng)用地和草地的斑塊結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜； 2014年農(nóng)用地占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)度，受人為活動(dòng)影響仍然較高，農(nóng)用地和林地的斑塊結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜，草地的斑塊結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，比較單一。

從景觀水平來(lái)看： 2004～2014年臨汾市斑塊形狀從原來(lái)的復(fù)雜多邊形變?yōu)樯晕⒑?jiǎn)單的多邊形； 各類土地利用類型的發(fā)展趨于不均衡； 優(yōu)勢(shì)斑塊的優(yōu)勢(shì)地位越來(lái)越明顯，斑塊的連通性增強(qiáng)。

表4 研究區(qū)景觀格局指數(shù)特征

2.4 城市土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的價(jià)值分析

2.4.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)改變的經(jīng)濟(jì)價(jià)值評(píng)估

如表5所示，臨汾市的土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在10年間整體呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，在2014年值達(dá)到最高，為22.32億元。從構(gòu)成來(lái)看， 2004～2014年林地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值中所占比例最大，是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的主體部分。隨著城市化進(jìn)程的加快，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值逐漸低于水體生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價(jià)值。

農(nóng)田、林地和水體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在這10年間的變化幅度與各自的面積變化幅度趨勢(shì)基本相符合，即農(nóng)田生態(tài)服務(wù)價(jià)值在2009～2014年間下降最大； 林地生態(tài)服務(wù)價(jià)值在2009～2014年間增長(zhǎng)最快，水體面積在2004～2009年間增幅最大?？傊R汾市農(nóng)田面積呈現(xiàn)逐年減少趨勢(shì)，但是其降幅較小，且林地和水體面積的增幅大于農(nóng)田面積的降幅，再加上建設(shè)用地面積的增加相對(duì)緩慢，因此使得生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。

表5 臨汾市不同土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值

2.4.2 生態(tài)系統(tǒng)單項(xiàng)服務(wù)價(jià)值變化

如表6所示， 2004～2014年除食物生產(chǎn)值外，剩余各項(xiàng)服務(wù)價(jià)值均表現(xiàn)出不同程度的升高。其中水源涵養(yǎng)的服務(wù)價(jià)值的增加量最大，增加值為1.03×109元，廢物處理次之，增加值為0.72×109元。這主要?dú)w因于農(nóng)田面積減少及林地和水域面積的增加。農(nóng)田面積的減少導(dǎo)致食物生產(chǎn)價(jià)值下降，但由于農(nóng)田的減少所帶來(lái)的生態(tài)服務(wù)的價(jià)值損失要遠(yuǎn)小于林地和水域面積增加所帶來(lái)的生態(tài)服務(wù)價(jià)值增加值，這一結(jié)果就導(dǎo)致氣體調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)、廢物處理等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值增加。

在2004～2014年間，各項(xiàng)服務(wù)價(jià)值的結(jié)構(gòu)順序也發(fā)生明顯的變化， 2004年順序?yàn)橥寥佬纬膳c保護(hù)>生物多樣性與保護(hù)>水源涵養(yǎng)>廢物處理>氣候調(diào)節(jié)>氣體調(diào)節(jié)>原材料>娛樂(lè)文化>食物生產(chǎn)，至2014年演變?yōu)橥寥佬纬膳c保護(hù)>水源涵養(yǎng)>廢物處理>生物多樣性與保護(hù)>氣體調(diào)節(jié)>氣候調(diào)節(jié)>原材料>娛樂(lè)文化>食物生產(chǎn)。這種變化趨勢(shì)表明土地利用類型在流轉(zhuǎn)過(guò)程中，土地的服務(wù)性功能比較重要，處于主導(dǎo)性地位，而生產(chǎn)性功能作用相對(duì)較弱，且有弱化的趨勢(shì)。此外，水源涵養(yǎng)和廢物處理服務(wù)功能所占比重越來(lái)越大，表明通過(guò)增加林地面積和水體面積能顯著提升生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)性功能，并有利于提高服務(wù)價(jià)值。

表6 臨汾市2004年、2009年及2014年生態(tài)系統(tǒng)各服務(wù)類型價(jià)值變化

2.5 敏感性分析

根據(jù)敏感性指數(shù)公式，將各土地利用類型的生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)VC分別上下調(diào)整50%[14， 15]，從而得到ESV和VC的敏感性程度。由表7可知，在2004～2014年除林地和草地外，其余土地利用類型的敏感性指數(shù)上下浮動(dòng)，變化不大。林地的敏感性持續(xù)增加，草地的敏感性指數(shù)逐漸減少。說(shuō)明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值對(duì)林地的價(jià)值系數(shù)依賴性逐步增強(qiáng)，而對(duì)草地的價(jià)值系數(shù)依賴程度慢慢減少。在研究年份內(nèi)，臨汾市所有土地利用類型的ESV對(duì)VC的敏感性指數(shù)均小于1，表現(xiàn)為林地>農(nóng)田>草地>河流湖泊>建設(shè)用地>灌木叢>裸地，表明研究區(qū)域內(nèi)ESV對(duì)VC是缺乏彈性的，研究結(jié)果可信，具有實(shí)際意義。

表7 研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值敏感性指數(shù)

3 結(jié)果與討論

基于遙感影像解譯結(jié)果，對(duì)臨汾市2004～2014年土地類型流轉(zhuǎn)情況、土地利用格局變化以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化過(guò)程進(jìn)行定量分析，得出如下結(jié)論。

(1)2004～2009年土地利用變化的總特點(diǎn)是河流湖泊、林地、灌木叢和農(nóng)用地在增加，草地和裸地在減少，建筑用地面積小幅增加。土地利用變化速度較大的為草地。2009～2014年變化的總體趨勢(shì)為林地、灌木叢、草地和裸地面積增加，河流湖泊、農(nóng)用地面積略減少，建筑用地面積小幅增加。從景觀水平來(lái)看，從2004～2014年臨汾市斑塊形狀從原來(lái)的復(fù)雜多邊形變?yōu)樯晕⒑?jiǎn)單的多邊形； 各類土地利用類型的發(fā)展趨于不均衡； 優(yōu)勢(shì)斑塊的優(yōu)勢(shì)地位越來(lái)越明顯，斑塊的連通性增強(qiáng)。

(2)臨汾市生態(tài)系統(tǒng)各項(xiàng)服務(wù)價(jià)值變化趨勢(shì)表明：在流轉(zhuǎn)過(guò)程中，土地的服務(wù)性功能處于主導(dǎo)性地位，生產(chǎn)性功能作用相對(duì)較弱，且有弱化的趨勢(shì)。此外，水源涵養(yǎng)和廢物處理服務(wù)功能所占比重越來(lái)越大，表明通過(guò)增加林地面積和水體面積能顯著提升生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)性功能，并有利于提高服務(wù)價(jià)值。

(3)研究區(qū)域內(nèi)所有土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值敏感性指數(shù)均小于1，表明ESV對(duì)VC的變化缺乏彈性，研究采用的價(jià)值系數(shù)比較合理，結(jié)果可信。

(4)在今后的土地規(guī)劃過(guò)程中，要注意城市化建設(shè)不能過(guò)度吞食具有生產(chǎn)性功能的耕地和具有生態(tài)性功能的草地。一方面要實(shí)行耕地保護(hù)政策，減少耕地流失： ①調(diào)整土地收益分配辦法，建立保護(hù)耕地的經(jīng)濟(jì)制約機(jī)制； ②強(qiáng)化土地管理的集中統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)； ③修改和制定相關(guān)法律，為實(shí)現(xiàn)耕地總量動(dòng)態(tài)平衡提供法律保障。另一方面要在提高土地資源的利用率，要在最大限度的保護(hù)生態(tài)用地的前提下，適度開(kāi)發(fā)未利用地，拓展經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)建設(shè)用地空間。

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ANALYSIS OF CHANGING SITUATION OF LANDSCAPE PATTERNS AND EFFECTS OF LAND USE CHANGE ON ECOSYSTEM SERVICE VALUE IN LINFEN CITY, CHINA*

Ge Jing1，Wang Dan1， 2，Yang Pingguo1※

(1.College of Life Science，Shanxi Normal University，Linfen 041000， China；2.Centre for Agricultural Resources Research，Institute of genetics and developmental biology，Chinese Academy of Sciences，Shijiazhuang，Hebei 050021， China)

In this study, the changes of land use and ecosystem service values were evaluated using the data from the TM imags of Linfen city obtained in 2004, 2009 and 2014. From the view of land use transfer direction, the lands of rivers, lakes and woodlands increased from bare land and grassland during 2004-2009; Rivers and lakes mainly converted to forest land and bare ground during 2009-2014. From the spatial pattern of the study area, the various land use types tended to be unbalanced, the dominant position in the advantage plaques were increasingly obvious, and the plaques enhanced connectivity. Meanwhile, the value of ecosystem services increased from 2004 to 2014, all of the land use value coefficients were less than 1. The value of ecosystem services in the study area was lack of flexibility on the value coefficient.

land use； landscape pattern； ecosystem services； value variation； coefficient of sensitivity

10.7621/cjarrp.1005-9121.20161013

2015-08-20

葛靜(1991—)，女，山西大同人，碩士。研究方向：土地資源利用管理。

※通訊作者：楊萍果(1974—)，女，山西襄汾人，博士、副教授。研究方向：農(nóng)田土壤資源利用。Email： 4526789@qq.com

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“農(nóng)田土壤磁化率與微量金屬含量相關(guān)性及空間格局研究”(31272258)

F301.2; X171

A

1005-9121[2016]10-0077-06