陜永杰, 原衛(wèi)利, 苗 圓, 魏紹康

(山西師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 山西 太原 030031)

土地資源是人類賴以生存的第一資源。土地具有有用性，人們可以循環(huán)從土地中獲得收益，實現(xiàn)土地的可持續(xù)利用[1]。土地利用是人類結(jié)合土地自然屬性和社會經(jīng)濟(jì)綜合體改變土地功能的過程，土地利用的變化體現(xiàn)著自然與人類的相互作用[2-3]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(ecosystem services)的內(nèi)涵一般指自然界生態(tài)系統(tǒng)及物種為人類提供環(huán)境條件，供其生存和發(fā)展[4-5]。土地利用變化能通過改變土地功能，進(jìn)而改變生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與生態(tài)過程，這對生態(tài)系統(tǒng)維持及服務(wù)功能起到?jīng)Q定性作用，進(jìn)而制約了人類社會的可持續(xù)發(fā)展[6]。所以，從土地利用變化角度研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化現(xiàn)已成為可持續(xù)發(fā)展研究領(lǐng)域的重要組成部分。1997年Costanza[7]首次以貨幣的形式向人們展示了自然生態(tài)系統(tǒng)為人類所提供的服務(wù)價值，使抽象的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)定量化。自從Costanza等[8]學(xué)者對全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進(jìn)行核算以來，全球生態(tài)學(xué)家以及相關(guān)學(xué)科帶頭人愈發(fā)重視對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的研究，使之成為多學(xué)科研究領(lǐng)域的重要主題之一。謝高地等[9-10]在Costanza的研究基礎(chǔ)上對我國的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進(jìn)行了評估。國內(nèi)其他學(xué)者對一些典型流域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值做了許多研究，例如，王迪[11]對錢塘江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的研究，周文昌[12]對湖北省濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的評估，鄧楚雄等[13]對洞庭湖流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的研究等；還有的學(xué)者對一些典型城市或地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值做了研究，例如，關(guān)瑜[14]對雄安新區(qū)生態(tài)服務(wù)敏感性的分析，劉亞茹[15]對天山北坡城市群生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值特征分析，劉桂林等[16]對長三角地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的研究等等。研究尺度多以建立不同大小的格網(wǎng)為尺度，例如吳會慧等[17]、賈琦等[18]均基于格網(wǎng)尺度進(jìn)行研究。而基于土地利用變化從縣域尺度對沙源通路城市開展生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的研究較為缺乏，不足以為這些城市的生態(tài)建設(shè)提供相應(yīng)的理論參考。

山西省大同市地處生態(tài)脆弱的農(nóng)牧交錯帶，煤炭資源豐富，且由于長期的不合理采礦和粗放的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，使得大同市生態(tài)環(huán)境不容樂觀。而大同市作為北京乃至京津冀地區(qū)的西大門，是重要的沙源通道，其生態(tài)環(huán)境直接影響北京市人居環(huán)境質(zhì)量及可持續(xù)發(fā)展等問題。因此，本文以大同市為例，研究退耕還林以來生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時空變化，以期為北京地區(qū)沙塵暴治理提供理論依據(jù)。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

大同市位于北京市西部，山西市北部，北緯39°03′—40°44′，東經(jīng)112°34′—114°33′，面積約占山西省總面積的9.1%。大同市地處黃土高原的東北部，屬溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，晝夜溫差大，降水年際變化大。主要河流有桑干河、御河、南洋河、唐河等，其中桑干河之冊田水庫存水?dāng)?shù)億立方米，為北京供水之儲水庫之一。大同地區(qū)礦產(chǎn)資源豐富，被稱為“中國煤都”，其火力發(fā)電量大，成為北京主要供電源頭之一。2018年之前大同市下轄3區(qū)7縣，3區(qū)分別為城區(qū)、南郊區(qū)(包括礦區(qū))、新榮區(qū)，7縣包含天鎮(zhèn)縣、陽高縣、廣靈縣、靈丘縣、渾源縣、左云縣、大同縣。2018年大同市行政區(qū)劃調(diào)整，現(xiàn)轄平城區(qū)、云岡區(qū)、新榮區(qū)、云州區(qū)4區(qū)，陽高縣、天鎮(zhèn)縣、廣靈縣、靈丘縣、渾源縣、左云縣6縣。為保證數(shù)據(jù)統(tǒng)計一致性，本研究采用2018年之前的行政區(qū)劃。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本文需要兩部分?jǐn)?shù)據(jù)：第一，土地利用數(shù)據(jù)，通過地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/)下載2000，2005，2010，2015和2019年各期Landsat TM/ETM遙感影像為數(shù)據(jù)源，選取空間分辨率為30 m的DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)作為輔助數(shù)據(jù)，以中國行政矢量邊界數(shù)據(jù)來提取研究區(qū)范圍。運用ENVI 5.1對遙感影像進(jìn)行大氣校正、波段融合、圖像裁剪鑲嵌等預(yù)處理，再通過人工目視解譯對數(shù)據(jù)源進(jìn)行土地分類。本文運用監(jiān)督分類法中的最大似然法進(jìn)行土地分類，選取分類訓(xùn)練樣本時每一種地類訓(xùn)練樣本不低于80個且識別度大于1.8，樣本的采集可通過解譯人員對研究區(qū)的先驗知識進(jìn)行目視判讀[19]，再參考百度高清地圖、大同市部分縣區(qū)高清影像圖，以及外業(yè)調(diào)查結(jié)果進(jìn)行樣本采集，最后進(jìn)行精度驗證的kappa系數(shù)為0.80左右，解譯精度可以滿足本研究的需求。再運用ArcGIS 10.3軟件的制圖功能，最終得到5個節(jié)點年份的土地利用數(shù)據(jù)。第二，社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，主要來自2000—2020年的《山西省統(tǒng)計年鑒》《大同市統(tǒng)計年鑒》《全國農(nóng)產(chǎn)品價格調(diào)查年鑒》、各區(qū)縣統(tǒng)計年鑒以及從大同市自然資源局收集的部分?jǐn)?shù)據(jù)。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用變化計算

(1) 土地利用動態(tài)度。單一土地利用動態(tài)度是研究區(qū)某一時間內(nèi)不同土地類型數(shù)量變化狀況，它反應(yīng)土地利用變化的差異及特征[20-22]。計算公式為：

(1)

式中：K為單一土地動態(tài)度(%)；Ub，Ua分別為研究末期和研究初期某一種特定土地類型的面積(hm2)；T為研究時間節(jié)點。

(2) 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可表達(dá)研究時間內(nèi)土地利用結(jié)構(gòu)的變化，即在研究時間內(nèi)，土地利用類型從T1時間向T2時間變化的程度[23]。其表達(dá)式為：

(2)

式中：A表示土地利用面積(hm2);i，j分別表示初期和末期的土地利用類型;n表示土地利用類型個數(shù)。

1.3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值核算 本文運用價值當(dāng)量法，依據(jù)謝高地等[24]制定的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量表，參考吳蒙[25]和雷軍成等[26]的研究成果，構(gòu)建大同市單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量權(quán)重表(表1)，計算公式為：

表1 大同市單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量權(quán)重

(3)

由于謝高地等[24]對建設(shè)用地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值不做評估，而建設(shè)用地在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值核算中產(chǎn)生巨大的負(fù)價值，所以本文又參考相關(guān)學(xué)者[27-30]的研究，結(jié)合專家意見及大同市的實際情況，取已有成果的均值作為建設(shè)用地的價值系數(shù)，再根據(jù)當(dāng)量權(quán)重表計算其他地類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)，最終得出大同市土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)表(表2)。計算公式為：

表2 大同市土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù) 元/hm2

Vij=Va·Qij

(4)

式中：Vij為第i類土地利用類型的第j種生態(tài)服務(wù)類型的價值系數(shù)(元/hm2);Va為旱地的1個當(dāng)量因子提供的食物生產(chǎn)服務(wù)的單位面積生態(tài)服務(wù)價值(元/hm2)；Qij為第i類土地類型的第j種生態(tài)服務(wù)的當(dāng)量權(quán)重因子。

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)大同市各土地利用類型的面積，可計算出大同市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，計算公式為[31]：

ESV=∑(Ai·Vi)

(5)

ESVj=∑(Ai·VCij)

(6)

式中：ESV為大同市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(元); ESVj為第j種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的價值(元);Ai為第i種土地利用類型的面積(hm2);Vi為第i種土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)(元/hm2); VCij為第i種土地利用類型的第j種生態(tài)服務(wù)類型的價值系數(shù)(元/hm2)。

2 結(jié)果與分析

2.1 大同市土地利用動態(tài)變化

根據(jù)遙感影像圖的解譯結(jié)果，運用ArcGIS 10.3對土地分類結(jié)果進(jìn)行分析，得出大同市5個研究時間節(jié)點的土地利用類型面積變化情況(圖1)。

圖1 大同市2000-2019年各土地利用類型面積變化趨勢

由圖1可知，2000—2019年近20 a間，大同市土地利用類型面積占比次序未變，耕地、草地、林地為主要土地利用類型，面積占比一直高達(dá)90%以上。耕地、草地、水域、未利用地呈下降趨勢，且耕地、草地、水域在2005—2010年下降趨勢劇烈，未利用地在2015—2019年下降劇烈；林地在2000—2010年呈上升趨勢，且2005—2010年增長迅速，2010—2019年呈緩慢下降趨勢，總體呈先升后降變化；建設(shè)用地呈持續(xù)上升，且2005—2010年增長迅速。綜上所述，2005—2010年是大同市土地類型變化最大的一個時期。由上述公式(1)可得出2000—2019年大同市單一土地利用動態(tài)度，再用絕對值計算出其綜合動態(tài)度，最終獲得成果(表3)。由表3可看出大同市近20 a土地利用動態(tài)度的以下特點： ①從年際變化來看，2005—2010年綜合土地利用動態(tài)度最高，為83.18%，說明大同市在此期間土地利用覆被變化程度活躍；其次是2015—2019年，綜合土地利用動態(tài)度為19.94%，2000—2005年為17.22%；2010—2015年綜合土地利用動態(tài)度最低，為8.22%；20 a來綜合土地利用動態(tài)度呈波動變化。 ②從各類型土地來看，建設(shè)用地的動態(tài)度遠(yuǎn)高于其他用地類型，尤其是2005—2010年，這是大同市城市建設(shè)的高峰期。

表3 大同市2000-2019年土地利用動態(tài)度

2.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析

運用ArcGIS的空間分析功能，將研究區(qū)研究初期與研究末期的土地利用現(xiàn)狀進(jìn)行疊加分析，獲得土地利用轉(zhuǎn)移矩陣結(jié)果(表4)。由表4可知，大同市2000—2019年共有183 654.89 hm2土地發(fā)生了轉(zhuǎn)移變化。其中，林地和建設(shè)用地的轉(zhuǎn)入面積大于轉(zhuǎn)出面積，林地和建設(shè)用地的增加主要由耕地和草地轉(zhuǎn)入，具體為24 280.42 hm2耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，21 535.12 hm2耕地轉(zhuǎn)為林地，草地轉(zhuǎn)出到林地的面積最大，高達(dá)41 346.04 hm2；耕地和草地雖然也有其他地類轉(zhuǎn)入，但轉(zhuǎn)入面積遠(yuǎn)不及轉(zhuǎn)出面積，因此草地和耕地的面積逐漸減少；水域主要轉(zhuǎn)為耕地和建設(shè)用地，但因水域總面積不大，其土地利用結(jié)構(gòu)的變化對整個大同市土地利用結(jié)構(gòu)的變化影響甚微；未利用地變化較小。

表4 大同市2000-2019年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時空分析

2.3.1 大同市整體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時間序列分析 根據(jù)公式(5)計算得出大同市歷年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總額，分析其變化趨勢(圖2)，并計算各地類在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值中的貢獻(xiàn)率(圖3)。

圖2 大同市2000-2019年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總額變化趨勢

圖3 大同市2000-2019年各地類對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的貢獻(xiàn)率

由圖2—3可知： ①從總體來看，2000—2019年，大同市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總額急劇下降，20 a內(nèi)總價值相繼減少高達(dá)3.16億元人民幣。 ②從各地類對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的貢獻(xiàn)率來看，林地的貢獻(xiàn)率居于首位，在38.07%～43.07%，且呈上升趨勢；其次是草地，貢獻(xiàn)率在33.00%～35.72%，呈波動趨勢；而水域和耕地的貢獻(xiàn)率基本相同，水域在13.47%～14.08%，耕地在12.81%～13.44%；未利用地的貢獻(xiàn)率最低，在0.02%左右；建設(shè)用地負(fù)面貢獻(xiàn)率不斷上升，20 a內(nèi)從1.26%上升到2.65%。林地和草地二者的貢獻(xiàn)率之和在73.75%以上，說明林地和草地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化對大同市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總額變化的影響較大，是主要貢獻(xiàn)因子和敏感因子。

由表5大同市2000—2019年各土地利用類型ESV變化情況可知，研究時期內(nèi)，林地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總體在上升，變化率為11.080%；耕地、草地、水域、未利用地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值均有波動狀態(tài)，但整體呈下降趨勢，總體變化率分別為-5.811%，-8.944%，-5.146%，-10.558%；引人注目的是，建設(shè)用地作為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的負(fù)影響因子，其變化率高達(dá)105.967%，其正向變化率越高，對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的負(fù)面影響越嚴(yán)重，這也是導(dǎo)致研究區(qū)20 a內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總額急劇下降的重要原因之一。

表5 大同市2000-2019年各土地利用類型ESV變化情況

2.3.2 各單項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時間序列分析 根據(jù)公式(6)計算得出各項生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價值并進(jìn)行統(tǒng)計分析(表6)。由表6可知，近2000—2019年間，一級分類的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的價值由高到低依次為：調(diào)節(jié)服務(wù)>支持服務(wù)>供給服務(wù)>文化服務(wù)。調(diào)節(jié)服務(wù)價值急劇下降，從107.946 8億元減少到103.891 4億元，減少了4.055 4億元，這也是導(dǎo)致研究區(qū)總價值大幅度減少的重要因素；支持服務(wù)價值緩慢上升，從41.227 3億元增長到42.574 0億元，增加了1.346 7億元；由于耕地面積的不斷減少，食物生產(chǎn)和原料生產(chǎn)價值降低，導(dǎo)致供給服務(wù)價值從16.887 9億元減少到16.436 6億元，減少了0.451 3億元；文化服務(wù)價值增長不顯著，從7.395 3億元增加到7.401 8億元，增加了0.006 6億元。單項ESV相對變化最大的是水文調(diào)節(jié)服務(wù)，減少了3.556 2億元，變化率為-0.087 3%，主要受建設(shè)用地負(fù)價值的影響。

表6 大同市2000-2019年各項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值及變化

2.3.3 各區(qū)縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時空演變分析 運用ArcGIS 10.3軟件，以縣域為單位對各生態(tài)地類進(jìn)行劃分。由公式(5)計算得出各區(qū)縣5個時間節(jié)點的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值。由于各縣域土地總面積大小不相等，為了不受縣域土地面積大小的影響，使研究更具有客觀性，本文以單位土地面積的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值為基礎(chǔ)，再采用自然間斷點分級法(Jenks)將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值分成5個等級[32]，即極低值、低值、中值、高值、極高值。最后利用ArcGIS 10.3制作出5個時間節(jié)點的各區(qū)縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時空分布圖(圖4)。由圖4可知，近20 a來，大同市縣域ESV空間分布整體趨勢為南高北低，呈波動狀態(tài)。

圖4 大同市縣域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(ESV)時空分布

其中，靈丘縣和大同縣處于極高值狀態(tài)。因為靈丘縣的林地、草地面積占比位居第一，且建設(shè)用地占比最低，根據(jù)圖3各地類對ESV的貢獻(xiàn)率可知，林地和草地在ESV中的貢獻(xiàn)率最高，建設(shè)用地為負(fù)影響因素，因此靈丘縣的ESV長期處于極高值；大同縣的ESV值高源于其林草面積占比較高，且其水域面積廣闊，其中冊田水庫存水?dāng)?shù)億立方米，為北京供水之儲水庫之一。

渾源縣長期處于高值狀態(tài)，僅2000年處于極高值邊緣。廣靈縣處于中值狀態(tài)且在穩(wěn)步上升，到2019年上升為高值狀態(tài)。天鎮(zhèn)縣和左云縣變化趨勢相似，除2005年兩縣處于中值狀態(tài)以外，其他年份均處于高值狀態(tài)，2005—2010年兩個縣的ESV值急劇增長，均因林地面積突然增長，這與國家實施“退耕還林”政策分不開。新榮區(qū)處于中值狀態(tài)，變化不顯著。陽高縣2000—2005年處于低值狀態(tài)，2010年后進(jìn)入中值狀態(tài)，同樣得益于“退耕還林”政策使得林地面積大增。南郊區(qū)處于低值狀態(tài)，城區(qū)處于極低值狀態(tài)，因為二者處于城市化的中心位置，建設(shè)用地迅猛增長，其他地類相應(yīng)減少，城區(qū)甚至出現(xiàn)負(fù)價值。

3 討論與結(jié)論

3.1 討 論

(1) 本文的研究方法僅考慮了價值當(dāng)量，沒有考慮到人們的支付意愿。對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的評估，不管在理論上還是實踐中，面臨著許多的困難，特別是以貨幣的直觀形式對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價值進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評估的時候更是困難重重。但是，只有這樣的評估才能讓人們感受到生態(tài)系統(tǒng)的重要性，為政府決策衡量發(fā)展效益提供一定的說服力。

(2) 惡劣的沙塵天氣對首都北京的區(qū)域發(fā)展和人民生產(chǎn)生活產(chǎn)生了很大的影響。對大同市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的核算研究，是為了從生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價值出發(fā)，尋找阻礙沙源遷移、治理通路區(qū)域生態(tài)環(huán)境的關(guān)鍵點，為減弱和防治沙塵暴對首都北京的影響提供決策依據(jù)。

(3) 本文中林地面積在2005—2015年快速增長，得益于國家“退耕還林”政策的實施以及京津地區(qū)對風(fēng)沙源治理工程的貢獻(xiàn)。林地可分為有林地、疏林地、灌木林地、未成林造林地、苗圃、無立木林地等等，不同類型林地的實際生態(tài)服務(wù)價值有較大差異。由于數(shù)據(jù)缺乏沒有細(xì)分，可能存在林地價值夸大現(xiàn)象。

3.2 結(jié) 論

(1) 2000—2019年，耕地、草地、林地為大同市主體土地利用類型，占土地總面積的90%以上。建設(shè)用地和林地整體呈增長趨勢，其他地類均處于下降趨勢。2005—2010年綜合土地利用動態(tài)度最高，且建設(shè)用地的動態(tài)度遠(yuǎn)高于其他用地類型，因為這一時期大同市城市化進(jìn)程最快。土地利用轉(zhuǎn)移主要是草地轉(zhuǎn)化為林地，耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地。

(2) 2000—2019年，大同市整體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值大幅度下降，20 a內(nèi)總價值減少高達(dá)3.16億元人民幣。林地和草地對大同市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的貢獻(xiàn)率最大，是主要貢獻(xiàn)因子和敏感因子，因此，需要相關(guān)部門加強(qiáng)對林草的保護(hù)；建設(shè)用地負(fù)面貢獻(xiàn)率不斷上升，從1.263 0%上升到2.649 6%，需對建設(shè)用地加強(qiáng)管理和控制。

(3) 2000—2019年，大同市一級分類的生態(tài)系統(tǒng)功能的服務(wù)價值依次為：調(diào)節(jié)服務(wù)>支持服務(wù)>供給服務(wù)>文化服務(wù)。調(diào)節(jié)服務(wù)價值急劇下降，因為調(diào)節(jié)服務(wù)中的水文調(diào)節(jié)價值下降最多，減少了3.556 2億元，主要受建設(shè)用地負(fù)價值的影響。

(4) 2000—2019年，大同市各區(qū)縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值分為5個等級，空間分布整體趨勢南高北低，呈波動狀態(tài)。南部的靈丘縣和中南部的大同縣一直處于極高值狀態(tài)，南郊區(qū)長期處于低值狀態(tài)，城區(qū)長期處于極低值狀態(tài)，其他縣區(qū)在高值與低值間波動。大同市是北京西路沙源的必經(jīng)之路，其生態(tài)環(huán)境，尤其是植被覆蓋度直接影響北京的沙塵天氣。所以要加強(qiáng)各區(qū)縣生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策實施力度，并監(jiān)督執(zhí)行，對于亂采濫伐和違法占地行為要嚴(yán)懲不貸。