徐志濤, 陳鵬飛, 周世健

(1.東華理工大學, 測繪工程學院, 江西 南昌 330013; 2.中國科學院地理科學與資源研究所 資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點實驗室, 北京 100101;3.白洋淀流域生態(tài)保護與京津冀可持續(xù)發(fā)展協(xié)同創(chuàng)新中心, 河北 保定071002; 4.南昌航空大學, 江西 南昌 330063)

生態(tài)系統(tǒng)服務功能是指人類從生態(tài)系統(tǒng)獲得的所有惠益，包括供給服務(如提供食物和水)、調(diào)節(jié)服務(如控制洪水和疾病)、文化服務(如精神、娛樂和文化收益)以及支持服務(如維持地球生命生存環(huán)境的養(yǎng)分循環(huán))[1-3]。研究生態(tài)系統(tǒng)服務功能的變化及其影響因素，對合理利用自然資源，支撐區(qū)域可持續(xù)發(fā)展政策的制定具有重要意義。生態(tài)系統(tǒng)服務功能的變化受自然要素和人為活動的綜合影響，且隨著人類科技水平的日益提高，人為活動的影響愈來愈起主導作用。人類活動作用于生態(tài)系統(tǒng)最直接的方式就是改變土地利用方式。自20世紀70年代末改革開放以來，由于社會、經(jīng)濟、技術和制度的影響，中國土地覆被狀況發(fā)生了很大變化[4]。京津冀首都經(jīng)濟圈城市密集，經(jīng)濟發(fā)展活躍，被視為繼長三角、珠三角之后第3個最具活力的城市群[5]。與此同時，人文活動對自然生態(tài)系統(tǒng)的干擾強度大，土地覆被狀況變化顯著。土地覆被狀況的改變，必將引起生態(tài)服務功能的改變[6-8]，從而影響人們的生產(chǎn)和生活環(huán)境。

針對區(qū)域生態(tài)服務功能變化，學者們開展了大量研究[9-13]。劉金龍等[14]在定義生態(tài)系統(tǒng)服務脆弱性的基礎上,計算了2001—2009年京津冀地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務價值，利用土地利用/覆被數(shù)據(jù)和生態(tài)服務價值數(shù)據(jù)進行脆弱性分析；孫文博等[15]基于1990—2010年京津冀地區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)類型面積數(shù)據(jù)計算京津冀生態(tài)服務價值，并利用生態(tài)系統(tǒng)服務價值和GDP數(shù)據(jù)對比分析了北京、天津、河北的生態(tài)系統(tǒng)服務利用效率及其變化規(guī)律；張彪等[16]利用2010年土地覆被數(shù)據(jù)分析了首都生態(tài)圈的土地覆被和生態(tài)服務價值空間分布特征；李超等[17]利用1996，2001，2006，2011年4期土地覆被數(shù)據(jù)在動態(tài)度和相對變化率兩方面對環(huán)京津地區(qū)土地生態(tài)服務價值時空分異特征進行了分析。上述研究分析了京津冀地區(qū)的生態(tài)服務價值，為區(qū)域發(fā)展方針制定提供了很好的參考。但是它們在涉及土地覆被變化對生態(tài)服務價值影響方面的研究不足，并且缺乏2010年之后生態(tài)服務變化分析，而這些年該區(qū)域生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟建設不斷發(fā)生著變化。

本文擬通過研究近10 a京津冀地區(qū)土地覆被變化影響下的生態(tài)服務價值變化，分析該區(qū)域生態(tài)服務功能變化的主導土地覆被轉(zhuǎn)換類型及主導因素，以期為規(guī)劃實施差異化生態(tài)修復和保育工程、建立生態(tài)補償機制提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

京津冀地區(qū)位于黃河下游以北，地處東經(jīng)113°09′—119°53′,北緯36°04′—42°37′。包含北京、天津、河北3個省市，面積約為2.16×105km2。地勢由西北向東南逐漸傾斜，西北部多為高原、山地、丘陵，東南部以及中部為平原[18]。分布較廣且面積較大的土壤類型主要有褐土、潮土和棕壤，該區(qū)域為典型的溫帶半濕潤半干旱大陸性季風氣候，年均降雨量約為507 mm，分布較廣的植被類型為草地、常綠針葉林和落葉闊葉林。壩上地區(qū)年均氣溫在1.8～7.0 ℃，中南大部都在11.2～13.9 ℃[19-20]。

1.2 數(shù)據(jù)收集與制作

本文收集的數(shù)據(jù)分為遙感數(shù)據(jù)和社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)兩大部分。其中遙感數(shù)據(jù)作為基礎數(shù)據(jù)源，用于影像解譯，獲取土地覆被數(shù)據(jù)。社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)的作用在于計算京津冀地區(qū)生態(tài)服務價值當量因子表以及單位當量因子價值。

1.2.1 土地覆被數(shù)據(jù) 本研究根據(jù)需要制作了2005和2015年京津冀地區(qū)的土地覆被數(shù)據(jù)，所用分類體系如表1所示。采用的數(shù)據(jù)源為30分辨率TM/OLI遙感影像，采用的分類方法是人機交互解譯。解譯后，基于2015年地面調(diào)查數(shù)據(jù)和Google Earth 高分辨率影像對計算結果進行精度評價。

表1 京津冀地區(qū)土地覆被分類體系

1.2.2 社會經(jīng)濟數(shù)據(jù) 依據(jù)對生態(tài)服務價值模型修正需要，參考2005和2015年《河北省農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》《北京統(tǒng)計年鑒》《天津統(tǒng)計年鑒》，收集京津冀地區(qū)研究始末的主要糧食種植面積、糧食產(chǎn)量；通過中華糧網(wǎng)收集2005和2015年小麥、玉米的全國均價。此外，還收集了政府部門發(fā)布的相關經(jīng)濟政策、生態(tài)政策等信息，以分析引起生態(tài)服務價值等變化的驅(qū)動力。

1.3 研究方法

由于土地覆被變化是引起京津冀近10 a生態(tài)服務價值變化的主導因素，因此本研究先分析了研究區(qū)土地覆被變化情況及成因，再分析生態(tài)服務功能的變化，最后將生態(tài)服務功能變化與土地覆被變化相聯(lián)系確定引起生態(tài)服務功能變化的主導因素。

1.3.1 土地覆被變化分析 基于兩期土地覆被數(shù)據(jù)，開展對比分析、土地類型轉(zhuǎn)移矩陣[21]分析公式(1)，定量分析京津冀地區(qū)土地覆被變化情況及驅(qū)動力，隨后開展土地覆被變化疊合度分析[22]公式(2)揭示該區(qū)域土地覆被類型變化劇烈程度，并開展土地覆被變化主導程度分析[22]公式(3)其目的在于揭示該地區(qū)土地覆被轉(zhuǎn)換方式的主要類型[23]，最終服務于分析生態(tài)服務價值變化的主要因子。

(1)

式中：Zab——研究期始末土地覆被類型a變化為類型b的面積(km2)；m——研究區(qū)土地覆被一級類數(shù)量，本文m=7。

H=A/M×100%

(2)

式中：H——土地覆被變化疊合度(hm2)；M——研究區(qū)土地總面積(hm2)；A——所有土地覆被轉(zhuǎn)換方式轉(zhuǎn)化面積總和(hm2)。

Di=Ai/A×100%

(3)

式中：Di——第i種土地覆被轉(zhuǎn)換方式在所有土地覆被轉(zhuǎn)換方式中的主導程度；Ai——第i類轉(zhuǎn)換方式的轉(zhuǎn)化面積(hm2)。

1.3.2 生態(tài)服務功能評價 20世紀90年代末Costanza等[9]在生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估方法的研究中取得突破性進展，提出了全球生態(tài)服務價值模型。謝高地等[24]在Costanza的基礎上改進得到適用于中國的生態(tài)服務價值當量表。由于生態(tài)系統(tǒng)及其服務類型的空間異質(zhì)性，區(qū)域尺度的研究存在一定誤差，因此本研究采用“以農(nóng)田為基準地區(qū)修正法”[25]公式(4)和(5)對謝高地的生態(tài)服務價值模型進行修正，得到適用于京津冀地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務價值(表2)，并采用“敏感性指數(shù)”[26]公式(6)檢驗模型修正的合理性。最后，利用公式(7)和(8)計算每一類生態(tài)服務功能價值和生態(tài)系統(tǒng)服務總價值。

(4)

式中：W——單位當量因子價值(元/hm2)；e——研究區(qū)主要糧食作物種類，本文研究區(qū)主要糧食作物為玉米和小麥；N——糧食種植總面積(hm2)；ok，pk和qk——研究區(qū)第k類糧食種植面積(hm2)、均價(元)和單產(chǎn)(kg/hm2)(選用2005，2015年數(shù)據(jù)取平均)。

Cj=B/B1×C0j(j=1,2,…,m)

(5)

式中：Cj——第j種土地覆被類型修正后的生態(tài)服務價值當量；B——研究區(qū)糧食單產(chǎn)；B1——全國平均糧食單產(chǎn)(2005，2015年數(shù)據(jù)區(qū)平均)；C0j——第j種土地覆被類型在中國生態(tài)服務價值當量表[25]中的數(shù)值。

(6)

式中：MZj——第j類土地覆被類型敏感性指數(shù)； DJjh，ZJjh——第j類土地覆被類型單位面積生態(tài)服務價值調(diào)整后的價值和研究區(qū)生態(tài)服務總價值(參照Kreuter等[27]研究選用50%作為敏感性分析時參數(shù)調(diào)整幅度)； DJjq，ZJjq——未調(diào)整時第j類土地覆被類型單位面積生態(tài)服務價值和研究區(qū)生態(tài)服務總價值。

(7)

式中：Jf——第f種生態(tài)服務功能類型的價值(元/hm2)；c——生態(tài)服務功能類型數(shù)量；Sj——第j種土地覆被類型面積(hm2)；Jjf——第j種土地覆被類型對應的第f種生態(tài)服務功能單位面積價值(元/hm2)。

(8)

式中：J——研究區(qū)生態(tài)服務總價值(元/hm2)；d——生態(tài)服務功能類型的數(shù)量。

表2 京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務價值 元/hm2

2 結果與分析

2.1 京津冀土地覆被變化分析

2.1.1 土地覆被數(shù)據(jù)精度驗證 由于2005年的Google影像以及實地數(shù)據(jù)缺失，并且2005和2015年兩期影像采用同樣方法制作，所以在驗證土地覆被數(shù)據(jù)精度時僅對2015年解譯數(shù)據(jù)進行精度驗證?；诘孛娌杉炞C樣點(299個)和從谷歌影像選取的驗證樣點(293個)對2015年土地覆被分類結果進行驗證Kappa系數(shù)和總體分類精度分別為0.76，80.47%，精度滿足本文研究需要。

2.1.2 土地覆被時空變化及驅(qū)動力分析 利用土地覆被轉(zhuǎn)移矩陣和ArcGIS疊置分析功能分析研究區(qū)土地覆被變化，得到2005—2015年京津冀地區(qū)土地覆被類轉(zhuǎn)換關系如表3所示。結合京津冀生態(tài)環(huán)境支撐區(qū)區(qū)劃(圖1)[28],分析得到2005—2015年京津冀地區(qū)5大分區(qū)土地覆被變化情況如表3所示。通過研究表明，2005—2015京津冀地區(qū)土地覆被變化顯著，且具有明顯的時空特征(圖2，表3和表4)。

表3 2005-2015年京津冀地區(qū)土地覆被轉(zhuǎn)移矩陣 km2

圖1 京津冀地區(qū)生態(tài)環(huán)境支撐區(qū)劃

(1) 林地、水體、建設用地面積均有增加。在2005—2015年期間，林地面積增加量最大，面積從45 109.64 km2增加至76 385.37 km2，增幅高達69.33%，年均增加量為3 127.57 km2，主要受草地—林地、耕地—林地相互轉(zhuǎn)化的影響，且其變化91.97%集中在燕山—太行山生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)。林地面積變化主要受到政策因素的影響：20世紀80年代以來，京津冀地區(qū)廣泛開展山水林田湖生態(tài)修復，實施綠色攻堅工程，持續(xù)開展“太行山綠化”、“三北防護林”，沿海防護林，京津風沙源治理、退耕還林等生態(tài)建設工程，促使林地面積快速增加[29]。水體面積略有增加，其變化受到耕地—水體、濕地—水體、水體—濕地、水體—建筑用地相互轉(zhuǎn)化的影響。水體面積從4 684.68 km2增加至4 700.20 km2，增幅為0.33%，年均增加量為1.55 km2，其面積增減大都集中在海岸海域生態(tài)防護區(qū)、燕山—太行山生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)和京津保中心區(qū)生態(tài)過渡帶地區(qū)。水體面積受到積極的政策因素和消極的經(jīng)濟人口因素的雙重影響：白洋淀和衡水湖生態(tài)環(huán)境治理工程、“南水北調(diào)”工程、引黃入冀補淀工程的實施促使京津冀可用水資源增加，但工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進程消耗了大量的水資源。建設用地增加，主要由耕地轉(zhuǎn)化而來。建設用地面積從13 616.38 km2增加至21 284.88 km2，增幅為56.32%，年均增加量為766.85 km2，其變化71.77%集中在京津保地區(qū)和低平原地區(qū)的城市周邊。建設用地面積變化主要受京津冀經(jīng)濟發(fā)展和城鎮(zhèn)化建設的影響：區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展促使交通用地、工礦用地增加，而城鎮(zhèn)化建設工作的穩(wěn)步推進促使城鎮(zhèn)建設用地增加。

(2) 草地、未利用地、耕地、濕地面積減少。草地面積減少量最大，主要轉(zhuǎn)化為林地、耕地，其轉(zhuǎn)換面積分別為23 242.11，6 844.69 km2。面積從39 666.18 km2減少至13 016.34 km2，減幅為67.19%，年均減少量為2 664.98 km2。其面積變化88.80%集中在燕山—太行山生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)。草地面積變化主要受到政策因素和經(jīng)濟因素的雙重影響：農(nóng)民為了獲得更大的經(jīng)濟效益而大面積開墾草地，種植經(jīng)濟作物；植樹造林等生態(tài)工程將大量草地轉(zhuǎn)化為林地。未利用地面積減少，主要轉(zhuǎn)化為耕地和林地。面積從795.15 km2減少至46.45 km2，減幅高達94.16%，年均減少量為74.87 km2，其變化無明顯區(qū)域性特征。未利用地面積變化受到了人口、經(jīng)濟、政策因素的多重影響：隨著人口的增加，人地矛盾加劇，再加上經(jīng)濟的刺激、生態(tài)工程的建設都促進了未利用地的開發(fā)利用。耕地面積減少，主要轉(zhuǎn)化為林地、建設用地、草地，轉(zhuǎn)換面積分別為11 362.36，7 044.27，1 803.63 km2。耕地面積從109 090.49 km2減少至98 999.19 km2，減幅為9.25%，年均減少量為1 009.13 km2，其減少主要集中在京津保和低平原的城鄉(xiāng)周邊以及燕山—太行山生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)。耕地面積減少主要受到退耕還林還草工程和城鎮(zhèn)化建設的影響。濕地面積減少，主要轉(zhuǎn)化為草地、耕地、水體、林地，轉(zhuǎn)換面積分別為616.34，379.26，312.29，295.99 km2。濕地面積從2 242.44 km2減少至772.54 km2，減幅高達65.55%，年均減少量為146.99 km2，其變化主要集中在壩上高原、燕山—太行山和海岸海域地區(qū)。濕地面積減少主要是受人口、經(jīng)濟因素影響：隨著人口持

續(xù)增長和經(jīng)濟發(fā)展(尤其是環(huán)渤海地區(qū))，水資源承載壓力增加，上游水庫數(shù)量增加、超采地下水以及不合理使用水資源等加劇了海河流域的水資源短缺；受經(jīng)濟利益驅(qū)使人為對濕地開墾與改造(燕山—太行山)，成為濕地面積減少甚至消失的主要原因[30]。

圖2 2005,2015年京津冀各土地覆被類型面積

利用土地覆被變化疊合度分析研究區(qū)2005—2015年土地覆被類型變化劇烈程度。結果顯示京津冀地區(qū)的土地覆被變化疊合度高達27.66%，土地覆被類型變化劇烈；再利用主導程度公式分析主要的土地覆被轉(zhuǎn)換方式，按主導程度大小依次排序取前6個分別為：草地轉(zhuǎn)化為林地、耕地轉(zhuǎn)化為林地、耕地轉(zhuǎn)化為建設用地、草地轉(zhuǎn)化為耕地、林地轉(zhuǎn)化為耕地、耕地轉(zhuǎn)化為草地，其大小分別為:39.04%，19.09%，11.83%，11.50%，4.20%，3.03%，合計高達88.69%。

表4 2005-2015年京津冀5大分區(qū)土地覆被變化面積 km2

2.2 京津冀生態(tài)服務價值評價

2.2.1 生態(tài)服務評價敏感性分析 京津冀地區(qū)單位面積土地覆被類型生態(tài)服務評價敏感性分析如表5所示。

表5 京津冀地區(qū)單位面積土地覆被類型生態(tài)服務評價敏感性分析

如前所述敏感性分析時，當各地類所有年份的敏感性指數(shù)均小于1，則認為修正后的單位面積生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)服務價值是合理的。從表5可以看出，京津冀地區(qū)生態(tài)服務價值修正合理，研究結果可靠。

2.2.2 生態(tài)服務價值變化分析 從表6可以看出2005—2015年京津冀地區(qū)總體生態(tài)服務價值由2005年的4 094.35億元增長為2015年的4 662.58億元，漲幅約為13.89%?？傮w表明京津冀地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量稍有改善。從各單項生態(tài)服務價值看，它們有增有減：食物生產(chǎn)、廢物處理功能生態(tài)服務價值減少，其余功能均呈現(xiàn)增加趨勢。其中，食物生產(chǎn)、廢物處理的減少較小，年均減少2億元左右，變化率分別為10.01%和4.40%；氣體調(diào)節(jié)功能的增加最大，從2005年的474.66億元增加為2015年的592.07億元，年均變化高達11.74億元，變化率為26.24%；原材料生產(chǎn)、維持土壤多樣性增加量次之，年均變化均在11億元左右，變化率分別為40.87%和19.42%；水文調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)和保持土壤功能變化適中，年均變化依次為8.37，7.79和6.71億元，變化率分別為14.45%，15.20%，11.85%；提供美學景觀功能生態(tài)服務價值增加量最少，由2005年的250.12億元增加到2015年的296.30億元，年均變化4.62億元，變化率為20.92%。

表6 2005-2015年京津冀地區(qū)各單項生態(tài)服務價值

2.2.3 生態(tài)服務價值主導因素分析 京津冀地區(qū)土地覆被變化對生態(tài)服務價值的影響如表7所示。其中： ①林地面積增長最多，同時也帶來了最多的生態(tài)服務價值增長，由2005年的1 766.91億元增加到2015年的2 991.96億元，年均增加122.51億元，累計漲幅為69.33%，對總體生態(tài)服務價值影響最大； ②水體面積增長最小，相應帶來的生態(tài)服務價值變化最小，年均增加僅有0.10億元，累計漲幅不足0.34%； ③草地面積減少最多，導致相應的生態(tài)服務價值呈減小趨勢且減少量最大，由2005年的644.80億元減少為2015年的211.59億元，年均減少43.32億元，累計跌幅為67.19%； ④耕地面積減少量次之，耕地生態(tài)服務價值年均減少11.11億元，累計跌幅為9.25%； ⑤濕地面積減少導致的濕地生態(tài)服務價值變化較為劇烈，年均減少11.21億元，累計跌幅為65.55%； ⑥未利用地面積減少最小，其帶來了年均1.45億元生態(tài)服務價值減少量，對總體生態(tài)服務價值影響最小。由此可知，京津冀地區(qū)生態(tài)服務總價值變化主要受到林地和草地面積變化的影響。

表7 2005-2015年京津冀地區(qū)各土地覆被類型生態(tài)服務價值

通過表8進一步分析可以看出原材料生產(chǎn)、氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、水文調(diào)節(jié)、保持土壤、維護生物多樣性和提供美學景觀等方面生態(tài)服務價值的增加直接受益于林地面積的增長；耕地的大量減少是食物生產(chǎn)生態(tài)服務價值減少的主要原因；草地、濕地和耕地面積的急劇縮小直接導致了廢物處理生態(tài)服務價值降低。進一步，結合土地覆被轉(zhuǎn)換主導程度分析可知：草地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?、耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?、耕地轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸貫閷е卵芯繀^(qū)生態(tài)服務價值增加的主要土地覆被轉(zhuǎn)換方式。聯(lián)系土地覆被變化驅(qū)動力分析，說明了京津冀地區(qū)生態(tài)服務價值變化主導因素為生態(tài)政策因素，如研究區(qū)開展的山水林田湖生態(tài)修復工程、“太行山綠化”、“三北防護林”、沿海防護林、京津風沙源治理、退耕還林還草工程等生態(tài)建設工程。

表8 京津冀土地覆被變化下的各單項生態(tài)服務功能價值變化 億元

3 討論與結論

(1) 相對于已有研究報道，本研究基于京津冀生態(tài)環(huán)境支撐區(qū)劃對京津冀土地覆被變化進行了更詳細的時空分析，結果顯示林地、水體、建設用地面積均有增加，草地、未利用地、耕地、濕地面積減少。其中林草面積變化主要集中在燕山—太行山生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)、建設用地增加主要集中在京津保地區(qū)和低平原地區(qū)的城市周邊。同時可以發(fā)現(xiàn)土地覆被變化主要類型為：草地轉(zhuǎn)化為林地、耕地轉(zhuǎn)化為林地、耕地轉(zhuǎn)化為建設用地、草地轉(zhuǎn)化為耕地、林地轉(zhuǎn)化為耕地、耕地轉(zhuǎn)化為草地。這表明，京津冀地區(qū)在城市快速擴張的同時注重生態(tài)文明建設，土地覆被變化劇烈。

(2) 土地覆被變化顯著影響了京津冀地區(qū)生態(tài)服務價值的變化趨勢和空間分布。分析結果表明，2005—2015年京津冀地區(qū)食物生產(chǎn)、廢物處理功能生態(tài)服務價值呈減少趨勢；氣體調(diào)節(jié)、原材料生產(chǎn)、維持土壤多樣性、水文調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、保持土壤功能和提供美學景觀功能生態(tài)服務價值呈現(xiàn)增加趨勢，總體上，生態(tài)服務價值總量呈增加趨勢。它主要受到林地和草地面積變化的積極影響，生態(tài)服務價值變化主導因素為生態(tài)政策因素。這表明，中國近10 a在京津冀地區(qū)采取的一系列生態(tài)工程取得了顯著成果，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈改善趨勢。結合土地覆被數(shù)據(jù)，該研究成果可為京津冀進一步規(guī)劃實施差異化生態(tài)修復和保育工程、建立生態(tài)補償機制提供參考。

本文對京津冀地區(qū)土地覆被變化規(guī)律及其影響下的生態(tài)服務價值變化進行了分析，了解了該地區(qū)土地覆被和生態(tài)服務價值的空間分布規(guī)律及變化趨勢，但對人口、經(jīng)濟、政策等對二者的影響缺乏定量分析，在將來的研究中有待完善。