高 星,楊劉婉青,李晨曦,宋昭穎,王 杰

1 河北經(jīng)貿(mào)大學公共管理學院, 石家莊 050061

2 河北經(jīng)貿(mào)大學河北省社會經(jīng)濟社會發(fā)展地理信息大數(shù)據(jù)平臺, 石家莊 050061

3 西安建筑科技大學公共管理學院, 西安 710311

生態(tài)系統(tǒng)服務指通過生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過程和功能直接或間接得到的生命支持產(chǎn)品和服務[1- 2],其形成、供給和分配受到土地利用的深刻影響。隨著人口增長、經(jīng)濟發(fā)展和城市的急速擴張,土地利用形式多樣和強度加強,自然生態(tài)系統(tǒng)逐漸向半自然半人工生態(tài)系統(tǒng)和人工生態(tài)系統(tǒng)方向轉(zhuǎn)變,由此帶來的物質(zhì)和能量流的改變影響生態(tài)系統(tǒng)提供服務的能力。因此,不適宜的土地利用將危及區(qū)域生態(tài)安全,甚至限制城市的可持續(xù)發(fā)展[3]。雄安新區(qū)建設作為疏解北京非首都功能和推進京津冀協(xié)同發(fā)展的重要國家戰(zhàn)略,其過程中必然伴隨著高強度的人為建設活動,與當?shù)刈匀簧鷳B(tài)環(huán)境不相適宜的土地利用方式勢必威脅區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務的供需平衡,甚至導致生態(tài)環(huán)境問題[4]。同時,隨著雄安新區(qū)人口的聚集和城市規(guī)模的擴張,對糧食供給、水資源供給、空氣凈化、水源涵養(yǎng)和文化休閑等生態(tài)系統(tǒng)服務的需求將不斷提高[5]。而白洋淀流域作為雄安新區(qū)的生態(tài)腹地,既是由自然地理和經(jīng)濟社會發(fā)展組成的復合性區(qū)域,又是實施生態(tài)建設和環(huán)境政策的整體空間,生態(tài)戰(zhàn)略地位顯要[6]。在此背景下,模擬白洋淀流域未來土地利用變化趨勢,探尋不同情境下生態(tài)系統(tǒng)服務價值的響應有利于構(gòu)建流域國土空間開發(fā)保護新格局,為其提供技術(shù)支撐和決策參考[7]。

目前,國內(nèi)外學者對于土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響已積累了相對豐富的研究成果。Costanza等[8]在1997年制訂了全球生態(tài)系統(tǒng)服務當量因子表,為相關研究奠定了基礎。國內(nèi)學者謝高地等[9]在Costanza研究的基礎上制訂了《中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務價值當量表》,被國內(nèi)學者廣泛使用于生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估研究中。隨著研究的逐步深入,國內(nèi)外學者對生態(tài)系統(tǒng)服務的研究主要從定義與分類[8]、價值評估[10- 12]、以及生態(tài)系統(tǒng)服務與社會發(fā)展之間的關系[13- 15]等三個方面進行了鉆研與探索。具體而言,從研究內(nèi)容上看,主要集中在生態(tài)系統(tǒng)服務的理論基礎[16]、驅(qū)動力[17- 18]、時空變化[19]及影響因素[20]等方面；從研究尺度上看,全國、區(qū)域、省域、市域、縣域等尺度均有涉及[21-25]。從研究對象上看,研究區(qū)域多集中湖泊[26]、森林[27]、濕地[28]等生態(tài)系統(tǒng)服務價值高值區(qū)域；研究方法則以統(tǒng)計分析[29]和空間分析[30-31]為主,并越來越重視在土地利用規(guī)劃研究與實踐中的作用[32]。綜合來看,上述研究主要是對當前或過去時段因土地利用變化而改變的生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行測度,隨著研究的深入,學者們嘗試著對未來土地利用變化對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響進行分析,以便于制定可持續(xù)的土地利用措施,如Egoh等[33]采用Marxan模型模擬不同情境下南非草地生態(tài)系統(tǒng)服務狀況；Estoque等[34]研究Baguio市未來森林保護情景和自然發(fā)展情景下土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響；Kubiszewski等[35]估算了全球尺度下市場導向情景、政策改良情景等4種情景下生態(tài)系統(tǒng)服務價值,結(jié)果顯示到2050年4種情景生態(tài)系統(tǒng)服務價值每年可能相差81萬億美元；杜勇等[36]通過Logistic-CA-Markov模型模擬福建省泉州市在2030年自然情景、規(guī)劃情景、保護情境下,定量評估了保水服務、固碳服務、保土服務和食物供給服務；歐陽曉等[37]以快速城鎮(zhèn)化下的長株潭城市群為例,模擬了3種情景下LUCC對ESV的影響。目前已有的多情景下生態(tài)系統(tǒng)服務價值的模擬測度,大部分是基于現(xiàn)有發(fā)展趨勢根據(jù)側(cè)重點設定不同情景進行分析,缺乏對由國家戰(zhàn)略引發(fā)的土地利用類型劇烈變化區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務價值空間差異性的關注。

雄安新區(qū)地處白洋淀流域范圍內(nèi),面臨著人口增長、社會經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)保護的多重壓力,同時新區(qū)的開發(fā)建設勢必對白洋淀流域生態(tài)系統(tǒng)服務價值產(chǎn)生一定的影響。鑒于生態(tài)系統(tǒng)服務價值計算的便利性,本文以白洋淀流域為研究區(qū),采用當量因子法估算其1990、2000、2010和2020等4期生態(tài)系統(tǒng)服務價值,并借助CA-Markov模型,模擬不同情境土地利用格局,并測算生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化情況。在此基礎上利用網(wǎng)格工具可視化表達不同偏好下生態(tài)系統(tǒng)服務價值的空間分布狀況以及集聚程度,以期對白洋淀流域的生態(tài)系統(tǒng)服務功能變化分析以及對研究區(qū)未來土地生態(tài)安全建設提供理論參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

本研究中的白洋淀流域是指白洋淀上下游涉及的河北省相關縣級行政區(qū)域,涉及石家莊市、保定市、張家口市、滄州市、廊坊市以及衡水市的46個縣區(qū)；白洋淀流域上下游包括入淀出淀的潴龍河、孝義河、唐河、府河、漕河、瀑河、萍河、白溝引河(含南拒馬河與白溝河)、趙王新河等干支流流經(jīng)的區(qū)域。白洋淀流域位于大清河流域范圍以內(nèi),總面積約3.4萬km2。該地區(qū)地貌類型多樣,以耕地、林地和建設用地為主,地勢西高東低,相對高度達2815m(圖1),流域處于溫帶季風區(qū),多年平均降水量600mm,年平均氣溫在10—20℃之間,降水量年際變化大、年內(nèi)分配不均,降水多以暴雨形式集中于7—8月,故經(jīng)常出現(xiàn)連年干旱或先旱后澇、旱澇交替等情況。近年來,白洋淀流域各城市無序擴張、產(chǎn)業(yè)布局各自為政、大尺度生態(tài)空間管理理念缺乏,導致生態(tài)用地流失、水生態(tài)失衡等問題,由此帶來生態(tài)系統(tǒng)服務下降、生態(tài)風險加劇、生態(tài)安全受到威脅,嚴重影響了流域的可持續(xù)發(fā)展,與高質(zhì)量發(fā)展要求存在一定差距。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Location of Baiyangdian basin

1.2 數(shù)據(jù)來源及預處理

本研究所使用的數(shù)據(jù)包括遙感影像數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、糧食數(shù)據(jù)、DEM高程數(shù)據(jù)、坡度數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)、道路數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)。其中：(1)遙感影像從地理空間數(shù)據(jù)云平臺Landsat4- 5/TM和Landsat- 8/OLI衛(wèi)星下載；(2)研究區(qū)1990年、2000年、2010年、2020年等4期土地利用均解譯自遙感影像,根據(jù)影像精度并結(jié)合研究區(qū)實際情況,并參照前人分類標準[38],將土地利用類型劃分為林地、草地、耕地、建設用地、水域和未利用地六類,分辨率為30m。使用ENVI 5.3.1軟件,對遙感圖像進行監(jiān)督分類和人工目視解譯,經(jīng)檢驗三期圖像精度均達到85%以上,可用于研究使用(圖2)；(3)糧食數(shù)據(jù)主要為小麥、玉米、大豆等糧食作物產(chǎn)值、播種面積、產(chǎn)量主要來源為石家莊市、張家口市、保定市、滄州市和衡水市統(tǒng)計年鑒以及河北農(nóng)村統(tǒng)計年鑒；(4)白洋淀流域年平均降水量和平均氣溫等氣象數(shù)據(jù)收集自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)；(5)研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云,坡度數(shù)據(jù)由DEM高程數(shù)據(jù)提取得到；(6)社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來自相關縣域統(tǒng)計年鑒；(7)公路、鐵路數(shù)據(jù)來源于資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺。

圖2 白洋淀流域1990、2000、2010、2020年4期土地利用數(shù)據(jù)Fig.2 Land use data of Baiyangdian basin in the four phases of 1990, 2000, 2010 and 2020

2 研究方法

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務價值估算

本文基于謝高地等[1]建立的“中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積服務價值當量表”(表1)(根據(jù)研究區(qū)實際地類情況以及計算的便利性,除建設用地外五種地類分別采用了當量表中的旱地、闊葉、灌草叢、濕地、裸地和水系的單位面積服務價值當量),估算白洋淀流域各縣域1990—2020年4期生態(tài)系統(tǒng)服務價值量,初步分析多年間各項生態(tài)系統(tǒng)服務價值量的變化。通過公式(1)和公式(2)計算研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務價值。

表1 單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量Table 1 Ecosystem service equivalent value per unit area

(1)

(2)

式中,ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務價值,單位為元/年；i為土地利用類型；j為生態(tài)系統(tǒng)服務類型；Ai為第i類土地利用類型的面積,單位為hm2；VCi為第i類土地利用類型單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值,單位為元hm-2a-1；ECj為某類土地利用類型第j項生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量；k為生態(tài)系統(tǒng)服務類型數(shù)量；Ea為1單位生態(tài)系統(tǒng)服務的經(jīng)濟價值,單位為元hm-2a-1。

根據(jù)“現(xiàn)有單位農(nóng)田提供的生產(chǎn)服務經(jīng)濟價值,是無人力投入的自然生態(tài)系統(tǒng)的經(jīng)濟價值的七倍”的規(guī)則[10],計算出白洋淀流域單位農(nóng)田自然糧食產(chǎn)量的年均經(jīng)濟價值。為更加精確的確定研究區(qū)單位生態(tài)系統(tǒng)服務的經(jīng)濟價值,結(jié)合研究區(qū)實地情況,運用公式(3)對該數(shù)值進行修正[39]。鑒于統(tǒng)計數(shù)據(jù)的可獲取性,不考慮價格波動因素統(tǒng)一選取2018年研究區(qū)各縣區(qū)糧食作物(小麥、玉米、大豆)的經(jīng)濟價值進行修正,并計算其平均值,結(jié)果表明研究區(qū)每單位生態(tài)系統(tǒng)服務的經(jīng)濟價值為1801.48元hm-2a-1。

(3)

式中,Ea為1單位生態(tài)系統(tǒng)服務的經(jīng)濟價值,單位為元hm-2a-1；i為糧食作物種類；mi為第i種糧食作物在研究區(qū)內(nèi)的平均價格,單位為元/kg；pi為第i種糧食作物的單產(chǎn),單位為kg/hm2；qi為第i種糧食作物的種植面積,單位為hm2；M為糧食作物的總種植面積,單位為hm2。

2.2 土地利用格局情境模擬

2.2.1CA-Markov

馬爾科夫(Markov)模型[40-41]利用概率論的相關知識研究事物由一狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一狀態(tài)的概率,根據(jù)研究得出的規(guī)律,對未來事物的狀態(tài)進行預測,其重點強調(diào)的是對未來數(shù)量上的預測。其公式為：

S(t+1)=St×Pij

(4)

式中,St為t時刻土地利用系統(tǒng)的狀態(tài)；S(t+1)為t+1時刻土地利用系統(tǒng)的狀態(tài)；Pij為土地利用轉(zhuǎn)移矩陣。

元胞自動機(CA)模型是一種時間、空間、狀態(tài)均離散,通過不同時空特征元胞的相互作用,模擬復雜系統(tǒng)時空演變的動力學模型[42- 43]。

St+1=f(St,Ν)

(5)

式中,S為元胞有限、離散的狀態(tài)集合；N為元胞的鄰域；t和t+1表示不同時刻；f為局部空間元胞轉(zhuǎn)換規(guī)則。

傳統(tǒng)的馬爾科夫(Markov)模型很難預測土地利用在空間格局上的變化,而元胞自動機(CA)模型則可以有效的模擬這種變化,然而CA模型著眼于元胞的局部相互作用,存在很大的局限性,從這一角度來說,CA-Markov模型將Markov模型和CA模型結(jié)合在一起,彌補各自模型存在的缺陷,實現(xiàn)對土地利用類型數(shù)量和空間位置的雙重預測[44- 45]。

2.2.2土地利用格局情景模擬標準設定與過程

通過IDRISI軟件中的Markov模塊和CA-Markov模塊對土地利用類型的數(shù)量及空間變化進行預測,基本步驟如下：

(1)創(chuàng)建 Markov 轉(zhuǎn)移概率矩陣。將時間周期設置為10a,比例誤差設置為0.15,利用 Markov 模型得到研究區(qū)2010—2020年的年土地利用轉(zhuǎn)移面積矩陣和轉(zhuǎn)移概率矩陣。

(2)制作適宜性圖集。利用IDRISI軟件中的“Decision Wizard”模塊制作適宜性圖集。借鑒前人的研究結(jié)果[39- 44],考慮到數(shù)據(jù)的可獲得性以及具體模擬效果,本文選取DEM高程、坡度、年平均降水、年平均氣溫、距公路距離和距鐵路距離等6個對土地利用變化較大的驅(qū)動影響因子來制作適宜性圖集。

(3)模擬2020年研究區(qū)土地利用圖像。以2010年為基期圖像,選擇步驟(1)建立的研究區(qū)2010—2020年的年土地利用轉(zhuǎn)移面積矩陣,以及步驟(2)中創(chuàng)建的適宜性圖集,確定迭代次數(shù)為10,構(gòu)造CA濾波器(采用標準5×5的濾波器)。模擬運行出預測的2020年研究區(qū)土地利用圖像(圖3)。

(4)精度驗證。利用IDRISI軟件中的crosstab模塊,將2020年的預測圖與2020年實際土地利用類型進行對比,計算Kappa值。

(5)多情景模擬預測。以2020年為基期圖像,分別模擬出3種情景下2035年研究區(qū)土地利用圖像。

2.2.3情景設置

情景分析旨在描述和分析事物發(fā)展的各種可能性,對比不同發(fā)展路徑下的狀態(tài),從而為決策提供依據(jù)。白洋淀流域社會經(jīng)濟、自然環(huán)境均存在不確定性。基于流域的不同發(fā)展目標和可能出現(xiàn)的干擾情景,本研究設定了3種土地利用變化模擬的情景：

(1)趨勢延續(xù)情景(情景1)。趨勢延續(xù)情景是流域基于2010—2020年土地利用變化規(guī)律,按照目前的城市化發(fā)展模式和現(xiàn)有的土地利用轉(zhuǎn)移速率,在轉(zhuǎn)換規(guī)則中不對任何地類轉(zhuǎn)換進行限制的一種情景設定,是流域土地利用變化模擬考慮其他發(fā)展情景分析的基礎。

(2)均衡發(fā)展情景(情景2)。該情景充分考慮流域中各城市的發(fā)展需求,實現(xiàn)流域空間均衡發(fā)展。其中,雄安新區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)按照《河北雄安新區(qū)規(guī)劃綱要》、《河北雄安新區(qū)起步區(qū)控制性規(guī)劃》等規(guī)劃文本及圖集中對未來各地類在不同規(guī)劃方向上的數(shù)量要求進行確定,流域其他地區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)則與情景1一致。

(3)統(tǒng)籌發(fā)展情景(情景3)。該情景下,將整個流域城市發(fā)展納入統(tǒng)籌考慮,以雄安新區(qū)建設、生態(tài)保護作為目標。因此,參考了有關修改Markov轉(zhuǎn)移矩陣的相關研究成果[46],其中,雄安新區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)與均衡發(fā)展情景一致,流域除雄安新區(qū)部分為整體實現(xiàn)生態(tài)用地保護目標,嚴格限制生態(tài)用地相關的林地、草地和水域向建設用地轉(zhuǎn)換,以保障整個流域的土地利用結(jié)構(gòu)總體穩(wěn)定。具體參數(shù)設置為將林地轉(zhuǎn)化為建設用地的速率減緩63%,轉(zhuǎn)移速率由原來的4.45%調(diào)整為2.80%；將草地轉(zhuǎn)化為建設用地的速率減緩50%,轉(zhuǎn)移速率由原來的10.92%調(diào)整為5.47%；水域由于基數(shù)過小,未進行限制；耕地、未利用地變化速率未進行限制。

2.3 ESV熱點分析

熱點分析(Getis-Ord Gi*)是用來識別冷點區(qū)和熱點區(qū)空間分布的常用工具,在本文中熱點分析可以用來反映白洋淀流域生態(tài)系統(tǒng)服務價值是否具有高值集聚(熱點)和低值集聚(冷點)的現(xiàn)象,以及確定高值區(qū)和低值區(qū)在空間上發(fā)生聚類的位置。其公式為：

(6)

(7)

(8)

式中,n是空間網(wǎng)格單元數(shù)量；xi和xj分別為單元i和單元j的觀測值；wij是基于空間k鄰接關系建立的空間權(quán)重陣。若一定范圍內(nèi)ESV較高時,則成為具有顯著統(tǒng)計學意義的熱點,稱為ESV熱點區(qū),表示生態(tài)系統(tǒng)服務價值在該區(qū)較大；若一定范圍內(nèi)ESV較低時,則成為具有顯著統(tǒng)計學意義的冷點,稱為ESV冷點區(qū),表示生態(tài)系統(tǒng)服務價值在該區(qū)較小。

3 結(jié)果分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務價值估算結(jié)果及變化特征

3.1.11990—2020年研究區(qū)土地利用變化總體特征

1990—2020年研究區(qū)利用變化總體特征呈現(xiàn)耕地面積大幅度減少,建設用地面積急速增加的趨勢。30年間耕地在研究區(qū)范圍內(nèi)土地利用結(jié)構(gòu)中占比最大,平均占比48.12%,總體來看耕地面積銳減,減少122776.99hm2,耕地面積減少率為7.21%；林地在研究區(qū)范圍內(nèi)土地利用結(jié)構(gòu)中面積占比僅次于耕地,且1990—2020年間林地面積變化不大,呈波動增長趨勢,從1193822.47hm2增加到1207925.59hm2,增加率為1.18%；與之相比,草地面積在30年間呈波動下降的趨勢,2010年達到峰值212026.37hm2,面積減少率為15.9%；隨著改革開放和京津冀協(xié)同發(fā)展等政策的推進,建設用地擴張速度也在不斷加快。1990—2020年建設用地面積從253926.75hm2增加到421296.49hm2,共增加了167369.74hm2,面積增長率高達65.91%；1990—2020年研究區(qū)水域面積呈現(xiàn)了先急速下降后小幅度回升的變化趨勢,總體來說,水域面積明顯減少,減少率為35.76%；未利用地占比較小,從研究區(qū)整體來看,面積變化不明顯(表2)。

表2 1990—2020年白洋淀流域各類用地面積及占比/hm2Table 2 Changes of different land use types in Baiyangdian basin from 1990 to 2020

研究區(qū)在空間上土地利用總體特征為,西部以林地、草地為主,東部多為耕地和建設用地交錯分布,小部分為水域。這主要由于研究區(qū)地勢西高東低,西部以山地為主,東部為華北平原以及白洋淀流域。從4期研究區(qū)土地類型圖可以看出,城市的擴張是造成土地利用類型發(fā)生變化的關鍵因素。在快速的城鎮(zhèn)化過程中,耕地被大量侵占,為堅持生態(tài)文明建設和可持續(xù)發(fā)展,山林區(qū)域的耕地還林還草現(xiàn)象明顯,導致耕地面積進一步銳減,白洋淀流域也在城市的發(fā)展下逐步縮小,生態(tài)安全情況不容樂觀(圖2)。

3.1.21990—2020年研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化特征

土地利用變化會引起生態(tài)系統(tǒng)服務價值的變化。1990—2020年研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值分別為852.59億元、788.26億元、796.95億元和784.68億元,總體呈波動下降的趨勢(表3)。其中,耕地的生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化較多,30年間減少9.03億元,變化率為7.21%；林地對研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務價值貢獻最大,四個時段分別為502.30億元、502.04億元、510.22億元和508.23億元,可以看出1990—2000年變化不明顯,2000—2020年價值量總體呈波動上升的趨勢,這是由于2000年以后林地面積小幅度增加；草地生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化趨勢與其面積變化趨勢相同,1990—2020年波動下降,30年間ESV減少12.53億元；建設用地的生態(tài)系統(tǒng)服務價值為0；水域的生態(tài)系統(tǒng)服務價值僅次于林地,聯(lián)系表2可知,它憑借1%左右的面積占比提供了整個研究區(qū)12%左右的生態(tài)系統(tǒng)服務價值,然而由于城市快速發(fā)展的需要,建設用地的急速擴張使得一部分水域被侵占,導致水域的ESV下降為93.92億元,下降率為36.76%；未利用地由于其面積基數(shù)小,以及單位生態(tài)系統(tǒng)服務價值不高,對整個研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響幾乎可以忽略不計?？傮w來說,由于草地、水域等生態(tài)系統(tǒng)服務價值中貢獻較高的土地都在不同程度的減少,而不利于生態(tài)系統(tǒng)服務價值增加的建設用地急速擴張,導致30年間研究區(qū)整體生態(tài)系統(tǒng)服務價值下降明顯,減少率為81.25%。林地、水域和草地是生態(tài)系統(tǒng)服務價值的主要來源,嚴格保護林地、水域和草地等生態(tài)用地,對保護研究區(qū)的生態(tài)安全具有重要作用。

表3 1990—2020白洋淀流域各類用地生態(tài)系統(tǒng)服務價值量變化/108元Table 3 Ecosystem service value changes of each land use type of Baiyangdian basin from 1990 to 2020

表4反應出了單項生態(tài)系統(tǒng)服務價值的變化規(guī)律。依據(jù)每項服務ESV的貢獻程度大小依次為水文調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、土壤保持、氣體調(diào)節(jié)、生物多樣性、凈化環(huán)境、糧食生產(chǎn)、美學景觀、原料生產(chǎn)、水資源供應和維持養(yǎng)分循環(huán)。其中,水文調(diào)節(jié)和氣候調(diào)節(jié)的ESV在生態(tài)系統(tǒng)服務價值中所占比重較大,兩者占總價值的50%以上,以2020年為例水文調(diào)節(jié)的ESV為202.11億元；氣候調(diào)節(jié)的ESV為173.64億元。糧食生產(chǎn)主要受耕地面積變化影響,呈逐年下降趨勢；原料生產(chǎn)和維持養(yǎng)分循環(huán)受各類用地綜合影響,呈逐年下降的變化趨勢；除此之外水資源供應、氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、凈化環(huán)境、水文調(diào)節(jié)、生物多樣性以及美學景觀等服務項目整體為波動下降的變化趨勢,這主要是林地、草地、水域等生態(tài)系統(tǒng)服務價值較高地類的面積波動造成的。

表4 1990—2020白洋淀流域不同生態(tài)系統(tǒng)服務類型的生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化/108元Table 4 Ecosystem service value changes of each Ecosystem service type of Baiyangdian basin from 1990 to 2020

3.2 多情境下研究區(qū)土地利用變化及生態(tài)系統(tǒng)服務價值分析

3.2.1多情景下土地利用變化模擬

(1)精度檢驗。將2020年的預測圖與2020年實際土地利用類型進行對比,計算得到Kappa值為0.8674,通過精度檢驗(圖3)。如圖3所示,2020年模擬圖與2020年實際圖各地類面積差別較小,耕地、林地面積誤差為5%左右,建設用地面積誤差約為3%,草地面積誤差相對較大,但由于草地總面積相對較小,且圖上草地集中位置基本一致,所以也符合模擬要求,水域與未利用地基數(shù)較小且誤差微小。

圖3 2020年白洋淀流域土地利用實際圖和模擬圖Fig.3 Land use status map and forecast map of Baiyangdian basin in 2020

(2)多情景模擬預測。以2020年為基期圖像,分別模擬出3種情景下2035年研究區(qū)土地利用圖像(圖4)。根據(jù)研究區(qū)2010和2020年兩期土地利用變化情況,在趨勢延續(xù)情景模擬的基礎上加入雄安新區(qū)規(guī)劃建設這一變化條件,建立了3種土地利用變化模擬情景(圖4,表5)。在趨勢延續(xù)情景下2035年研究區(qū)建設用地面積為510582hm2,與2020年相比增加了89285.51hm2,林地面積小幅度增加,相比2020年增加了3.3%。耕地變化較大,下降為2020年的94.97%。相比之下草地、未利用地面積都有不同程度的減少,水域面積小幅度增加(圖4 情景1)。均衡發(fā)展情景下,由雄安2035年發(fā)展規(guī)劃可知,建設用地、林地、水域等地類面積都有所增加,整體來看,建設用地面積為513125.73hm2,林地比照趨勢延續(xù)情景相應增加,為1233968.7hm2,部分耕地被建設用地侵占。鑒于2035年雄安藍綠空間規(guī)劃,水域面積相應增加為52756.07hm2,由于雄安新區(qū)草地較少,所以兩種情景對比下,草地面積變化不明顯(圖4 情景2)。統(tǒng)籌發(fā)展情景下,研究區(qū)建設用地面積減少為500750.35 hm2,林地、草地面積相應增加,分別為1243886.14hm2、164611.76 hm2,耕地、水域和未利用地面積幾乎不變(圖4 情景3)。

從空間分布來看,與2020年相比,趨勢延續(xù)情景下白洋淀西面保定市中心城市范圍急速擴張,建設用地范圍激增,相應的侵占了大部分耕地；除此之外,研究區(qū)東北、正東、西南以及平原腹地等方向上的縣區(qū)市中心均相應擴張；西部山區(qū)縣域范圍中地勢相對平緩地區(qū)以及大清河河流直線周圍區(qū)域零碎耕地大部分轉(zhuǎn)化為林地,研究區(qū)西北部壩上平原地區(qū)以及研究區(qū)西南山地平原交界區(qū)域草地、耕地明顯減少；而在均衡發(fā)展情景下,由于雄安新區(qū)建設起步區(qū)位于白洋淀以西,容城縣與安新縣交匯處,所以該地建設用地和林地面積有所上升,白洋淀水域也相應擴張,雄安新區(qū)范圍內(nèi)林帶增多,且多圍繞水域和起步區(qū)建設；在統(tǒng)籌發(fā)展情景下,為維護白洋淀流域生態(tài)格局的平衡與安全,在建設用地指標有限的前提下優(yōu)先發(fā)展雄安新區(qū),上游部分的縣區(qū)建設用地有所減少,城市擴張程度相應收縮。

研究區(qū)2035年趨勢延續(xù)情景為參照2010年、2020年兩期土地利用變化規(guī)律,沒有外部干預的基礎上模擬得到的,所以趨勢延續(xù)情景符合白洋淀流域城鎮(zhèn)化快速發(fā)展的變化趨勢。但是雄安新區(qū)的規(guī)劃建設使得部分地區(qū)的發(fā)展進程減速,尤其是白洋淀上游部分縣域,為維護整個流域的土地利用格局的平衡,限制了林地、草地向建設用地的轉(zhuǎn)換,為整個流域的可持續(xù)發(fā)展做出了貢獻。

3.2.2多情境下研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化特征

土地生態(tài)系統(tǒng)服務價值主要與各土地利用類型面積有關。與2020年各類用地的生態(tài)系統(tǒng)服務價值相比,2035年研究區(qū)趨勢延續(xù)情境下,林地、未利用地變化不明顯；耕地、草地生態(tài)系統(tǒng)服務價值下降幅度小于林地和水域增加的生態(tài)系統(tǒng)服務價值,使得趨勢延續(xù)情景下生態(tài)系統(tǒng)服務總價值與2020年相比有微量增加。與趨勢延續(xù)情景相比,其他兩個情景的生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化有所不同。由表6可知,均衡發(fā)展情景下,林地和水域生態(tài)系統(tǒng)服務價值相對于趨勢延續(xù)情景高24.38億元,這主要與雄安新區(qū)規(guī)劃建設中藍綠空間增加的約束條件有關。統(tǒng)籌發(fā)展情景下,林地、草地和水域的生態(tài)系統(tǒng)服務價值均高于均衡發(fā)展情景下的生態(tài)系統(tǒng)服務價值,總計增加了5.2億元,該情景下協(xié)調(diào)了各類用地面積,林地、草地、水域都得到了相應的保護,從而使得生態(tài)系統(tǒng)服務價值有所增長。

表6 模擬2035年3種發(fā)展情境下各類土地生態(tài)系統(tǒng)服務價值/108元Table 6 The service value of each land ecosystem under three development scenarios will be simulated in 2035

為進一步分析多情景下研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值及其空間變化,利用ArcGIS軟件中的漁網(wǎng)工具,創(chuàng)建一個5km×5km正方形網(wǎng)格,計算每個網(wǎng)格的生態(tài)系統(tǒng)服務價值,制作2020年和三種模擬情景下2035年研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務價值空間分布圖,采用自然斷點法將研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值從低到高劃分為6個等級,Ⅰ級最低,Ⅵ級最高(圖5)。

從2020年研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值空間分布來看,生態(tài)系統(tǒng)服務價值較高區(qū)域主要分布在西北部山區(qū)縣域。從整體上看,研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值整體呈西北高、東南低的分布特征,與研究區(qū)的海拔和地形地貌分布特征在空間上較為契合。主要原因在于,研究區(qū)西北部海拔較高,多為山地,地類主要以林地、草地為主,所以ESV較高；而東南部為華北平原,海拔較低,主要以耕地、建設用地為主,所以ESV較低。

與2020年相比,趨勢延續(xù)情景下,ESV高值區(qū)域總體來看小幅度減少,低值區(qū)域明顯增多,白洋淀上游區(qū)域,研究區(qū)東南方向縣域Ⅰ級區(qū)域明顯擴張,原Ⅰ級區(qū)域都有不同程度的擴張,這主要是由于城市的快速發(fā)展造成耕地向建設用地轉(zhuǎn)變。而在研究區(qū)西北部的縣區(qū)中部分地區(qū)由Ⅴ級向Ⅵ級轉(zhuǎn)變,這是由于縣中心建設用地面積相對增加,導致林地、草地面積相對減少,ESV下降。

對2035年研究區(qū)3種情境下ESV空間分布進行對比分析發(fā)現(xiàn),均衡發(fā)展情景和統(tǒng)籌發(fā)展情景總體ESV明顯好于趨勢延續(xù)情景。東部雄安新區(qū)范圍由于新增許多林帶,并且水域范圍得到擴大,ESV高值區(qū)域增多,白洋淀區(qū)域由Ⅰ、Ⅱ、級向Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級轉(zhuǎn)變；統(tǒng)籌發(fā)展情景與均衡發(fā)展情景相比,統(tǒng)籌發(fā)展情景總體ESV優(yōu)于均衡發(fā)展情景,由圖5可知,西北部山地區(qū)域Ⅵ級范圍增多、華北平原Ⅰ級區(qū)域減少,這是由于部分建設用地減少,林地面積明顯增加。

圖5 不同情境下2030年白洋淀流域ESV空間分布Fig.5 Spatial distribution of ESV in Baiyangdian basin in 2035 under different circumstances

3.3 多種情境下白洋淀流域生態(tài)系統(tǒng)服務價值的熱點分析

為了反映了生態(tài)系統(tǒng)服務高值和低值在空間上的集聚情況,在多次嘗試后選擇2km×2km網(wǎng)格單元,基于ArcGIS軟件,利用空間統(tǒng)計工具中的熱點分析(Getis-Ord Gi*),得到白洋淀流域生態(tài)系統(tǒng)服務價值的熱點和冷點區(qū)域(圖6)。

圖6 不同情境下2030年白洋淀流域ESV冷熱點分布Fig.6 Distribution of ESV hot spots in Baiyangdian basin in 2035 under different conditions

2020年研究區(qū)ESV值的熱點和冷點分布范圍較大,且集聚性較強。熱點區(qū)域主要集中在西北部山地區(qū)域,且?guī)缀鯙?9%置信度。冷點區(qū)域集中連片,主要分布在研究區(qū)東南部平原地區(qū)、研究區(qū)北部蔚縣、涿鹿縣部分區(qū)域,其中99%置信度的冷點區(qū)域多為各縣區(qū)的中心建設區(qū)。與2020年相比,2035年三種模擬情景總體特征為：熱點區(qū)域分布范圍小幅度擴大,冷點區(qū)域中99%置信度冷點區(qū)范圍擴大,95%置信度和90%置信度冷點區(qū)范圍縮小,不顯著區(qū)域范圍增多。具體到各個情景,在趨勢延續(xù)情景下,研究區(qū)南部不顯著區(qū)域小部分轉(zhuǎn)換為熱點區(qū)域,西北部山區(qū)熱點區(qū)域向外圍擴張,這是由于該區(qū)域林地、草地增多,ESV上升所致。研究區(qū)東南部平原地區(qū)各縣區(qū)中心建設區(qū)與99%置信度冷點區(qū)域的空間分布特征相契合,且由于城市的擴張與建設需要,大量耕地轉(zhuǎn)換為建設用地,導致其在空間上的集聚程度提升,99%置信度冷點區(qū)域擴張,冷點區(qū)域整體呈集中連片的空間分布特征。在均衡發(fā)展情境下,除雄安以外其他區(qū)域冷熱點分布情況與趨勢延續(xù)情景相似,不同之處在于,雄安新區(qū)三縣的邊界交匯處出現(xiàn)了集聚性較高的熱點區(qū),且雄安新區(qū)大部分冷點區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)椴伙@著區(qū)域,這是由于響應雄安建設中藍綠空間達到70%的規(guī)劃綱要和白洋淀生態(tài)環(huán)境治理與保護的條例,新增熱點區(qū)域為起步區(qū)規(guī)劃建設林帶、水域集聚,導致ESV上升而形成的。在統(tǒng)籌發(fā)展情景下,研究區(qū)西北部白洋淀上游縣區(qū)熱點區(qū)域小范圍擴張；研究區(qū)西部淶源縣中心區(qū)域冷點區(qū)域縮小,集聚程度降低。對比分析三種模擬情景下的冷熱點空間分布規(guī)律,冷點區(qū)范圍：趨勢延續(xù)>均衡發(fā)展>統(tǒng)籌發(fā)展；熱點區(qū)范圍：統(tǒng)籌發(fā)展>均衡發(fā)展>趨勢延續(xù)。

4 結(jié)論與討論

4.1 討論

本研究在探討雄安新區(qū)建設引起的流域土地利用變化背景下,利用CA-Markov模型模擬趨勢延續(xù)、均衡發(fā)展和統(tǒng)籌發(fā)展等3種發(fā)展情景下2035年白洋淀流域的土地利用變化狀況,并評估白洋淀流域的ESV,在此基礎上分析ESV空間分布特征和集聚特征。不同發(fā)展情景下的流域生態(tài)系統(tǒng)服務價值差異較為明顯。趨勢延續(xù)情景延續(xù)了白洋淀流域在未設立雄安新區(qū)的背景下的用地需求,生態(tài)系統(tǒng)服務價值略有上升,基本實現(xiàn)流域生態(tài)文明建設與可持續(xù)發(fā)展。均衡發(fā)展情景兼顧了雄安新區(qū)與流域內(nèi)其他縣市的建設用地需求,以適應于城鎮(zhèn)化的推進與增強社會經(jīng)濟的發(fā)展的主要目標,生態(tài)系統(tǒng)服務價值略有上升,一定程度上有利于生態(tài)保護；統(tǒng)籌發(fā)展情景凸顯了國家戰(zhàn)略與生態(tài)約束高水平融合,滿足雄安新區(qū)土地利用急劇轉(zhuǎn)型的同時保障生態(tài)空間的面積。三種發(fā)展情景為未來流域生態(tài)建設與用地擴張?zhí)峁┝酥匾膮⒖?結(jié)合雄安新區(qū)發(fā)展戰(zhàn)略與流域?qū)嶋H發(fā)展需求選擇相應的情景以期為區(qū)域提供適用于未來用地空間發(fā)展模式的科學依據(jù)及理論支撐。白洋淀流域內(nèi)市、縣的城鎮(zhèn)化水平在未來一段時間還將繼續(xù)上升,建設用地的快速擴張時期尚未完全結(jié)束,且又地處于資源環(huán)境承載能力較弱、水資源超載、景觀破碎、空氣質(zhì)量治理任重道遠的華北地區(qū),提升白洋淀流域的生態(tài)系統(tǒng)服務功能需求十分迫切[5,47]。因此,雄安新區(qū)作為生態(tài)城市建設的標桿,有必要探討在高質(zhì)量發(fā)展背景下制定精細化、差異化的國土空間格局優(yōu)化調(diào)控措施,協(xié)調(diào)與流域其他區(qū)域的發(fā)展目標。

4.2 結(jié)論

白洋淀流域由于獨特的地理位置,人類活動對流域內(nèi)的土地利用結(jié)構(gòu)變化有著顯著影響,本研究以土地利用變化為基礎,采用當量因子法估算4期生態(tài)系統(tǒng)服務價值,并借助CA-Markov模型,模擬不同情境土地利用格局,進而測算生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化情況。主要結(jié)論如下：

(1)1990—2020年白洋淀流域土地利用變化最明顯的特征是耕地面積銳減,建設用地迅速擴張,30年間耕地面積減少了122776.99hm2,建設用地增加了167369.74hm2。

(2)1990—2020年研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值分別為852.59億元、788.26億元、796.95億元和784.68億元,總體呈波動下降的趨勢。30年間白洋淀流域快速城市化過程導致城市建設用地擴張侵占大量耕地、草地和水域等生態(tài)用地,使人地關系的矛盾加劇,破壞城市生態(tài)環(huán)境,甚至威脅城市生態(tài)安全。

(3)在對白洋淀流域2035年3種情景模擬后發(fā)現(xiàn),趨勢延續(xù)情景、均衡發(fā)展情景、統(tǒng)籌發(fā)展情景的生態(tài)系統(tǒng)服務價值依次為785.36億元、807.26億元、812.46億元,均高于2020年研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值。趨勢延續(xù)情景下,由于城市的快速擴張,平原地區(qū)耕地、水域受到影響,山地地區(qū)耕地、草地少部分轉(zhuǎn)化為林地和建設用地；均衡發(fā)展情景下,由于雄安建設規(guī)劃和白洋淀生態(tài)環(huán)境保護的要求,雄安新區(qū)范圍內(nèi)林地、水域增加,其他地區(qū)保持不變；在統(tǒng)籌發(fā)展的情景下,白洋淀流域上游縣域城市建設放緩,生態(tài)用地增多,為整個流域的生態(tài)安全做出了貢獻。

(4)從生態(tài)系統(tǒng)服務價值空間分布來看,白洋淀流域生態(tài)系統(tǒng)服務價值整體呈現(xiàn)西北高東南低的特點。不同情境下ESV熱點分布情況?？傮w來說,研究區(qū)ESV值的熱點和冷點分布范圍較大且集聚性較強。