侯春飛，韓永偉*，孟曉杰，劉麗香

1.國家環(huán)境保護區(qū)域生態(tài)過程與功能評估重點實驗室，中國環(huán)境科學(xué)研究院 2.環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險評估國家重點實驗室，中國環(huán)境科學(xué)研究院

土地利用變化影響著區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)類型、面積及空間分布格局[1]，是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的重要影響因素[2]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是通過生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、過程獲得直接或間接為人類提供生命支持的產(chǎn)品和服務(wù)[3-5]。隨著我國城市化進程的加快，土地利用類型、結(jié)構(gòu)變化隨之加快。在城市化快速發(fā)展階段，研究土地利用變化及其對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(ecosystem service values，ESV)的影響，對于優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)，促進城市可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[6-7]。土地利用變化會引起生物多樣性、自然棲息地的變化和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的變化[8-9]，從而影響碳匯[10-11]、水文調(diào)節(jié)[12]等功能，這些功能的變化將對ESV產(chǎn)生直接影響[13]。Costanza等[14]最早提出了ESV的估算原理和方法，國內(nèi)學(xué)者也針對ESV做了很多相關(guān)研究，如謝高地等[15-16]依據(jù)我國實際情況制定了中國ESV當(dāng)量因子表，在此基礎(chǔ)上結(jié)合土地利用對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值影響的具體案例進行研究[17-21]。

雄安新區(qū)是繼深圳經(jīng)濟特區(qū)和上海浦東新區(qū)之后又一具有全國意義的新區(qū)，是承擔(dān)著國家重大戰(zhàn)略的新區(qū)，承擔(dān)著集中疏解北京非首都功能和帶動京津冀協(xié)同發(fā)展的任務(wù)[22]。中央要求雄安新區(qū)建設(shè)需按照高質(zhì)量發(fā)展要求，堅持世界眼光、國際標(biāo)準(zhǔn)、中國特色、高點定位，堅持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展，對于高起點規(guī)劃高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)雄安新區(qū)，打造推動高質(zhì)量發(fā)展的全國樣板，建設(shè)現(xiàn)代化經(jīng)濟體系的新引擎具有重要意義[23]。筆者以雄安新區(qū)為研究對象，根據(jù)1995—2019年土地利用與ESV的變化，縱向?qū)Ρ仍诟哔|(zhì)量發(fā)展要求下城市化進程中土地利用對ESV的影響，研究我國城市化快速發(fā)展階段和城市高質(zhì)量發(fā)展階段土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響，以期為促進該區(qū)域土地資源利用和可持續(xù)發(fā)展提供理論支持。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

雄安新區(qū)(115°38′03″E～116°19′56″E，38°43′27″N～39°10′20″N)位于河北省保定市東部、大清河水系沖積扇上，屬太行山麓平原向沖積平原的過渡帶，由雄縣、容城縣、安新縣及高陽縣北部和任丘市西南部區(qū)域組成(圖1)。全境西北較高，東南略低，海拔為7～19 m，自然縱坡為1‰左右，為緩傾平原，土層深厚，地形開闊，植被覆蓋率很低，境內(nèi)有多處古河道。雄安新區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，春旱多風(fēng)，夏熱多雨，秋涼氣爽，冬寒少雪。雄安新區(qū)規(guī)劃建設(shè)以特定區(qū)域為起步區(qū)先行開發(fā)，起步區(qū)面積約100 km2，中期發(fā)展區(qū)面積約200 km2，遠期控制區(qū)面積約2 000 km2。

圖1 雄安新區(qū)地理位置Fig.1 Location map of Xiong’an New Area

選取3期Landsat-TM遙感影像(1995年、2005年、2015年)和1期高分影像(2019年)解譯土地利用覆被圖，空間分辨率為30 m×30 m。結(jié)合研究區(qū)特點，參照GBT 21010—2017《土地利用現(xiàn)狀分類》，將土地利用覆被分為耕地、林地、草地、建設(shè)用地、水域、未利用地6類，在此基礎(chǔ)上計算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。

1995—2019年是研究區(qū)由城市化高速發(fā)展轉(zhuǎn)向以高質(zhì)量發(fā)展為主的階段，研究該時段土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的影響具有重要意義。其中，1995—2015年是雄安新區(qū)確立前的城市化進程發(fā)展階段；2017年確定為雄安新區(qū)后，按照國務(wù)院《河北雄安新區(qū)總體規(guī)劃(2018—2035年)》批復(fù)要求，雄安新區(qū)實行高起點規(guī)劃高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，強化白洋淀生態(tài)整體修復(fù)和環(huán)境系統(tǒng)治理，建立多水源補水機制，逐步恢復(fù)淀區(qū)面積，有效治理農(nóng)村面源污染，確保淀區(qū)水質(zhì)達標(biāo)，逐步恢復(fù)“華北之腎”功能；開展大規(guī)模植樹造林，塑造高品質(zhì)城區(qū)生態(tài)環(huán)境，保障區(qū)域生態(tài)安全[23]。將1995—2005年作為第1個研究期，2005—2015年作為第2個研究期，2015—2019年作為第3個研究期。

1.2 研究方法

采用土地動態(tài)度[24]、轉(zhuǎn)移矩陣和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量法[15-17]研究土地利用變化及其對ESV的影響。土地動態(tài)度變化可以揭示研究時間段內(nèi)土地利用變化速度，轉(zhuǎn)移矩陣可以研究土地利用的變化方向，ESV當(dāng)量法在土地利用變化的基礎(chǔ)上揭示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能變化。

1.2.1凈變化量和動態(tài)度變化

土地利用動態(tài)度變化是指一定研究時間內(nèi)土地利用的變化速度，數(shù)值越大表明該區(qū)域土地利用變化劇烈程度越高，反之表明該區(qū)域土地利用變化緩慢。單一土地利用動態(tài)度用于計算某種土地類型的變化速度[24]，綜合土地利用動態(tài)度等于各類土地利用動態(tài)度之和。為了更好地對比變化幅度和變化速度，將單一地類在研究期內(nèi)的變化量剝離出來，構(gòu)建凈變化量指標(biāo)和凈變化倍數(shù)指標(biāo)[13]。計算公式如下：

Ri=Uih-Uig

(1)

(2)

(3)

式中：Ri為i類土地利用類型面積凈變化量,km2；Uig、Uih分別為i類土地利用類型研究期初和研究期末的面積，km2；Rim、Rin為i類土地利用類型在研究期m、n的凈變化量，km2；Pmn為研究期m和n凈變化量的比值；Li為動態(tài)度；T為研究時長，a。

1.2.2生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值計算

ESV的核算主要有模型和當(dāng)量因子[16-17,24]2類方法。由于模型參數(shù)的差異性，導(dǎo)致結(jié)果差異較大。采用謝高地等[17]修正過的中國ESV當(dāng)量計算方法，1個標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量因子即全國平均產(chǎn)量的農(nóng)田每年自然糧食產(chǎn)量的經(jīng)濟價值。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)保定市2010年糧食作物產(chǎn)量、播種面積，計算出糧食作物的經(jīng)濟價值為3 922.2元hm2，并采用修正后的價值當(dāng)量因子進行計算[25]，公式如下：

(4)

式中：VCif為第i類土地利用類型f項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，元hm2；Ai為研究區(qū)第i類土地利用類型面積，hm2；ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值，元。

2 結(jié)果與分析

2.1 雄安新區(qū)土地利用變化

2.1.1土地利用結(jié)構(gòu)變化

對1995—2019年雄安新區(qū)的土地利用進行解譯，得到土地利用分類信息如表1所示。從表1可以看出，1995年、2005年、2015年和2019年耕地、水域是研究區(qū)主要的土地利用類型，4個年份中耕地和水域面積之和占雄安新區(qū)總面積的88.78%、87.53%、81.33%、78.11%。

1995—2019年，建設(shè)用地、林地、草地面積有所增長，耕地、水域、未利用地面積有所減少。建設(shè)用地面積凈變化量最大(179.58 km2)，2015年其面積占比升至18.15%，成為土地利用類型中主要類型之一；耕地凈變化量次之(-139.11 km2)。建設(shè)用地面積的增加量與耕地、水域的減少量基本持平，說明該階段建設(shè)用地的增加大部分來自于耕地和水域。林地面積呈先下降后增長的趨勢，增長最多的是2015—2019年，因該階段植樹造林力度較大。

表1 1995—2019年雄安新區(qū)土地利用變化

分階段來看，2005—2015年，建設(shè)用地面積凈變化量分別為1995—2005年及2015—2019年的427.02%和296.42%，該階段是雄安新區(qū)建設(shè)用地急劇增加時期。2015—2019年，林地和水域面積的凈變化量最多，分別是1995—2005年的324.76%、70.68%，是2005—2015年的423.58%、204.87%，該階段林地和水域面積的增加大多與高質(zhì)量發(fā)展，重視生態(tài)環(huán)境保護，建設(shè)千年秀林，加強對白洋淀保護，引黃入淀等水利工程措施保持白洋淀湖體水量有關(guān)[26-27]。

從各階段各土地利用類型來看，耕地、水域、建設(shè)用地面積變化較大。1995—2005年，水域面積變化最大(-82.14 km2)，其次為耕地(59.58 km2)和建設(shè)用地(26.76 km2)。2005—2015年，建設(shè)用地面積變化最大(114.27 km2)，其次為耕地(-82.96 km2)和水域(-28.34 km2)。2015—2019年，耕地面積變化最大(-115.73 km2)，其次為水域(58.06 km2)和建設(shè)用地(38.55 km2)。雄安新區(qū)1995—2005年耕地面積有所增加，與該階段實施家庭聯(lián)產(chǎn)責(zé)任制有關(guān)，農(nóng)民大量開墾土地，破壞森林、草地、水域。2005—2015年、2015—2019年2個階段均是耕地面積大量減少，建設(shè)用地面積大量增加。2005—2019年建設(shè)用地面積呈先高速增加再變?yōu)榫徛鲩L的趨勢，這與人口增長及城鎮(zhèn)化進程加快有關(guān)。

從空間上來看，1995—2019年，建設(shè)用地面積增長較多，主要集中在白洋淀的北側(cè)區(qū)域；水域面積呈先減少后增加的趨勢，集中在白洋淀的北側(cè)和西側(cè)區(qū)域；耕地面積呈減少態(tài)勢，主要集中在白洋淀北側(cè)的容城、雄縣的城區(qū)周邊及農(nóng)村區(qū)域。其中，1995—2015年研究區(qū)白洋淀水域面積呈快速減少趨勢，主要集中在白洋淀西部的藻苲淀和北部的燒車淀區(qū)域，2015—2019年白洋淀水域面積增加主要集中在西部的藻苲淀和北部的燒車淀區(qū)域(圖2)。

圖2 1995—2019年雄安新區(qū)土地利用類型空間變化Fig.2 Spatial change of land-use type in Xiong’an New Area from 1995 to 2019

2.1.2土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

對4期土地利用數(shù)據(jù)進行疊加后，分析各類型土地轉(zhuǎn)移變化情況，將土地轉(zhuǎn)化量大于10 km2的地類信息放在土地利用轉(zhuǎn)移矩陣中，結(jié)果如表2所示。

表2 1995—2019年雄安新區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

從表2可以看出，1995—2019年研究區(qū)土地利用的主要轉(zhuǎn)移是耕地向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)移、水域向耕地轉(zhuǎn)移。1995—2005年，水域面積減少了104.61 km2，其中有102.10 km2轉(zhuǎn)化為耕地；耕地面積減少了86.60 km2，其中有63.08 km2轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地。

2005—2015年，耕地面積減少了70.12 km2，其中有60.19 km2轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地；水域面積減少了125.31 km2，其中有124.52 km2轉(zhuǎn)化為耕地。該階段建設(shè)用地面積大幅增加，由2005年的211.39 km2增至2015年的325.68 km2，增加量是1995—2005年的4.27倍，該階段雄安新區(qū)建設(shè)用地增量大幅度超過歷史時期和同時期其他各類用地。

2015—2019年，耕地面積減少了151.49 km2，其中有67.02 km2轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，62.63 km2轉(zhuǎn)化為水域。該階段除了建設(shè)用地連續(xù)增長外，水域的面積也大幅增加，這與雄安新區(qū)實施的高質(zhì)量發(fā)展，生態(tài)保護優(yōu)先，保護白洋淀水域以及占用水域的農(nóng)田相繼退出等政策有關(guān)。

綜上，雄安新區(qū)的城市化加速過程主要發(fā)生在2005—2015年，通過占用耕地來完成。

2.1.3土地利用動態(tài)度

結(jié)合雄安新區(qū)土地利用數(shù)據(jù)，得出雄安新區(qū)土地利用動態(tài)度(L)，結(jié)果見表3。

表3 1995—2019年雄安新區(qū)土地利用動態(tài)度

從表3可以看出，雄安新區(qū)1995—2019年土地利用綜合動態(tài)度為98.96%。從各類土地利用來看，草地為92.67%，建設(shè)用地為3.89%，二者的動態(tài)度高于其他土地利用類型。

1995—2005年，未利用地(10.00%)、草地(4.17%)、水域(2.51%)、林地(2.04%)的土地利用動態(tài)度高于其他土地利用類型，該階段林地、水域、草地、未利用地間轉(zhuǎn)化較多，4類土地動態(tài)度較高。2005—2015年，除草地外，建設(shè)用地(5.41%)土地利用動態(tài)度顯著高于其他土地利用類型，說明該階段建設(shè)用地增長較快，城市化進程加快。2015—2019年，林地(22.12%)、水域(5.36%)土地利用動態(tài)度高于其他土地利用類型，該階段以城市高質(zhì)量發(fā)展為主，注重植樹造林、退耕還濕、人工補水，林地和水域面積大幅上升。

2.1.4空間分布及變化

通過ArcGIS 10.2軟件對1995—2019年雄安新區(qū)各階段土地利用類型變化進行表達，結(jié)果見圖3。

圖3 1995—2019年雄安新區(qū)土地利用類型變化Fig.3 Land-use change in Xiong’an New Area from 1995 to 2019

從圖3可以看出，1995—2005年，土地利用類型變化主要集中在雄縣、安新城區(qū)及農(nóng)村區(qū)域，其耕地變?yōu)榻ㄔO(shè)用地；水域變成耕地的部分主要集中在白洋淀西部的藻苲淀和西南部的端村鎮(zhèn)和劉李莊鎮(zhèn)區(qū)域。由此可見，城市化導(dǎo)致耕地面積減少，而水域面積的減少亦是由于耕地被大量占用。

2005—2015年，建設(shè)用地增加較多，主要沿白洋淀呈放射狀分布，雄縣、安新、容城城鎮(zhèn)及農(nóng)村用地面積大量增長，可見該階段耕地面積減少主要是城市化所致。有較多水域轉(zhuǎn)為耕地，主要集中在燒車淀、雄縣大清河附近。

2015—2019年，水域面積大量增長，主要集中在藻苲淀、燒車淀東北區(qū)域，該階段通過南水北調(diào)工程、引黃濟淀工程，實現(xiàn)白洋淀水面恢復(fù)，部分耕地轉(zhuǎn)變?yōu)樗?。林地主要集中在北部及東北部區(qū)域，與該階段注重白洋淀生態(tài)保護有關(guān)；雄安新區(qū)于2017年秋季啟動了“千年秀林”建設(shè)，至2018年底已建成城市森林7 000多hm2，2019年底城市森林建成達4.06萬hm2(含既有林2萬hm2)[27]。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化

根據(jù)保定市2010年主要糧食作物產(chǎn)值情況，確定保定市單位面積ESV為3 922.2元hm2，為便于數(shù)據(jù)橫向比較，統(tǒng)一采用2010年ESV進行計算。各類ESV系數(shù)參照謝高地[17-28]等研究，并結(jié)合研究區(qū)情況進行調(diào)整，采用大清河阜平流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)調(diào)節(jié)因子[25]，得出研究區(qū)的ESV見表4。

表4 1995—2019年雄安新區(qū)不同地類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值

由表4可知，耕地、水域是雄安新區(qū)ESV主要組成部分，其次為林地。1995—2019年，ESV總體呈下降趨勢，ESV下降了26.47億元，說明生態(tài)系統(tǒng)給人類提供服務(wù)的能力不斷下降。其中，1995—2005年、2005—2015年ESV分別下降了21.36億和12.02億元。2015—2019年，ESV呈上升趨勢，主要原因是水域面積的增長。綜上，1995—2015年，雄安新區(qū)城市化快速發(fā)展，促使大量耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，水域轉(zhuǎn)化為耕地，從而導(dǎo)致ESV整體降低；2015—2019年，雄安新區(qū)作為國家級新區(qū)，更加重視生態(tài)保護、退耕還濕，該階段ESV相應(yīng)增加。

對研究區(qū)內(nèi)各單項ESV進行計算，結(jié)果見表5。從表5可以看出，該區(qū)域主要的ESV為廢物處理、水文調(diào)節(jié)、維持生物多樣性，其次為保持土壤、氣候調(diào)節(jié)。各項服務(wù)功能的變化也不一致，其中除食物生產(chǎn)、保持土壤ESV在1995—2019年基本呈連續(xù)下降趨勢外，其他的各類服務(wù)功能基本呈1995—2015年下降，2015—2019年有所增加的趨勢。水文調(diào)節(jié)、廢物處理ESV在2015—2019年增長較多，這與該階段水域面積增長有關(guān)。

表5 雄安新區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化

由于雄安新區(qū)1995—2015年水域和耕地面積大幅度減少，逐漸被建設(shè)用地所替代，導(dǎo)致水文調(diào)節(jié)、廢物處理、維持生物多樣性等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能退化，總體ESV下降。2015—2019年，水域面積持續(xù)增加，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能不斷提升，該階段雖然耕地面積大幅度減少，但對ESV的增加趨勢影響不大。由于水域是雄安新區(qū)ESV的最主要構(gòu)成部分，未來城市建設(shè)中，應(yīng)當(dāng)加強對水域、林地、耕地等生態(tài)用地的保護，注重城市合理有序開發(fā)。

3 討論

生態(tài)系統(tǒng)為人類提供生存發(fā)展必須的資源，對維護人類可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[29]。研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、格局、過程的相互作用，對服務(wù)于城市可持續(xù)發(fā)展及其生態(tài)安全構(gòu)建具有重要作用。明確生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)于土地利用變化的相關(guān)效應(yīng)，有利于更加合理地管理自然資源。

(1)研究區(qū)前20年的發(fā)展，經(jīng)歷了我國人口增加、城市擴展、大量占用生態(tài)用地的過程，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯變化。確立為雄安新區(qū)后，發(fā)展模式由快速粗放向有規(guī)劃、高質(zhì)量發(fā)展，更加注重生態(tài)用地的保護，對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了積極的影響?！度珖鷳B(tài)環(huán)境十年變化(2000—2010年)遙感調(diào)查與評估》[30]結(jié)果顯示，我國2000—2010年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能降低，這與本研究結(jié)果相同。本研究中水域面積在1995—2015年降低，2015—2019年增加，與朱金峰等[31]研究結(jié)果一致，這與對白洋淀進行人工補水的引黃入淀工程有關(guān)[26]。林地面積呈先減少后增加的趨勢，增加階段集中在2015—2019年，這與雄安新區(qū)啟動“千年秀林”，建設(shè)城市森林有關(guān)[27]。本研究水文調(diào)節(jié)和廢物處理的服務(wù)價值變化明顯，研究區(qū)未來應(yīng)更加注重對白洋淀的保護，加強林地保護及增加林地面積，提高森林覆蓋率。

(2)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價方法多樣，其中模型法需要的參數(shù)多，計算復(fù)雜，結(jié)果相對準(zhǔn)確，更適用于大尺度生態(tài)系統(tǒng)評價；當(dāng)量因子法因所需數(shù)據(jù)較少，適用于縱向尺度的對比[16-17]。筆者僅從生態(tài)系統(tǒng)面積、轉(zhuǎn)移分析、價值變化等方面探討了其基于土地利用變化的相應(yīng)機制，未來需要加強跟蹤，明確高質(zhì)量發(fā)展下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值對生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化的響應(yīng)。

4 結(jié)論

(1)1995—2019年，建設(shè)用地面積實現(xiàn)了全時段增長；1995—2005年，耕地面積增長較快，占用了大量水域，該階段濕地生態(tài)系統(tǒng)遭到較大破壞；2005—2015年，建設(shè)用地動態(tài)度最大，表明城市化進程進入高速發(fā)展期；2015—2019年，林地、水域面積快速增長，與該階段注重生態(tài)環(huán)境建設(shè)，構(gòu)建生態(tài)安全格局有關(guān)。

(2)水域?qū)?yīng)的濕地生態(tài)系統(tǒng)ESV較高，是研究區(qū)ESV重要的構(gòu)成部分，其次為耕地和林地。研究區(qū)水域?qū)?yīng)的濕地ESV與總體ESV均表現(xiàn)為1995—2015年持續(xù)走低，2015—2019年出現(xiàn)回升，且濕地生態(tài)系統(tǒng)面積出現(xiàn)先減少后逐漸增加的趨勢，與總體ESV變化趨勢一致。單項ESV中水文調(diào)節(jié)、廢物處理、維持生物多樣性和保持土壤對總體ESV的貢獻率最大，其次是提供美學(xué)景觀和氣候調(diào)節(jié)服務(wù)價值；水域面積增長對水文調(diào)節(jié)和廢物處理服務(wù)功能的正向作用明顯。

(3)研究區(qū)ESV的增加主要是由耕地轉(zhuǎn)化為水域和林地造成的，ESV的減少主要是建設(shè)用地占用耕地，耕地占用部分水域所致。ESV增加的區(qū)域主要位于容城北部和藻苲淀區(qū)域，減少的區(qū)域主要集中在城市周邊，城市擴張明顯及經(jīng)濟發(fā)展迅速。生態(tài)服務(wù)對林地、水域等生態(tài)用地表現(xiàn)出正向響應(yīng)，對超出生態(tài)承載力的城市擴張、小城鎮(zhèn)快速發(fā)展等表現(xiàn)出負響應(yīng)。