懷來縣土地利用/覆被變化及生態系統服務價值時空演變

陳青鋒, 于化龍, 張 杰, 田 超, 陳亞恒,

(1.河北農業大學 國土資源學院, 河北 保定 071001; 2.河北農業大學 資源與環境科學學院, 河北 保定 071001)

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懷來縣土地利用/覆被變化及生態系統服務價值時空演變

陳青鋒1, 于化龍2, 張 杰1, 田 超2, 陳亞恒1,2

(1.河北農業大學 國土資源學院, 河北 保定 071001; 2.河北農業大學 資源與環境科學學院, 河北 保定 071001)

為了揭示土地利用與生態環境之間的關系，指導區域土地合理利用，以懷來縣為研究區，通過對1992年、2002年、2012年的Landsat TM遙感影像數據進行處理，利用土地利用變化強度指數分析懷來縣近20年的土地利用類型間的變化強度，構建了生態系統服務價值的動態測算模型，引入動態度與相對變化率指數，對縣域內近20年各地類以及各鄉鎮的生態系統服務價值的變化進行時空分異特征進行分析。結果表明：近20年懷來縣土地利用整體呈現“三增兩減”的趨勢，即園地、林地、建設用地面積增長，分別增長了19.98%，5.66%，90.76%；水域、耕地面積減少，分別減少68.90%，23.27%。建設用地、耕地在近20年生態系統服務價值變化最大，即變化最劇烈，林地、園地變化相對較小；北部山地丘陵區與南部低山丘陵區的生態系統服務價值變化率較高，中部平原區變化率較小。

土地利用; 覆被變化; 生態系統服務價值; 懷來縣

一個地區乃至全球的土地利用/覆被變化及對生態環境產生的影響[1]是科學界與政府部門共同的工作重心。相關研究表明，土地利用格局變化會引起生態系統功能的變化，并進一步影響區域乃至全球的生態服務價值[2]。所以，研究區域土地利用覆被/變化以及因此所引發的生態系統服務價值的變化，對研究人類活動對生態環境的影響，促進區域土地資源合理利用、人地協調發展及生態環境改善具有重要的意義。

目前土地利用/覆被變化引起生態系統服務價值變化的研究多側重于某一特定的時間[3]，或者是用修正的一年的當量因子測算不同年份的生態系統價值[4]。相對而言，對于構建生態系統服務價值的動態測算的研究尚顯不足[5]。自2000年以來，為治理與保護丘陵山區的生態環境，懷來縣實施了一系列的生態環境治理與保護工程。隨著經濟發展，城市化、工業化的快速發展，導致區域土地利用/覆被發生明顯變化，并將影響土地的可持續利用。所以，本文以河北省懷來縣為研究區，引入土地利用變化強度指數，對區域土地利用變化強度進行分析；對遙感影像解譯出的6種地類面積變化引起的生態系統服務價值變化在近20年內進行動態的修訂分析；在此基礎上引入動態度與轉化率對各個鄉鎮的生態系統服務價值變化進行時空變化的分析。為區域土地合理利用、人地協調發展以及生態環境保護提供理論支撐。

1　研究區概況及數據來源

懷來縣處于河北省西北部，燕山山脈西部，地處于東經115°16′—115°58′，北緯40°4′—40°35′，位于內蒙古高原與華北平原的過渡地帶，生態環境具有明顯的過渡性。占地面積1 782 hm2，其中丘陵面積占19%，山區面積占38%。懷來縣內南部和北部多半是山區，中部盆地，研究區內丘陵山區占據絕大部分，生態環境面臨巨大的挑戰。懷來縣作為環首都地區的綠色屏障及重要的生態緩沖帶，其生態環境如何直接關系到環首都地區的生態環境質量。

選取研究區1992年、2002年、2012年3期的Landast TM影像作為土地利用分類的數據，運用ENVI 4.7軟件對TM影像進行大氣校正、幾何校正(誤差小于0.5個像元)、拼接和剪裁后，在ArcGIS 9.3軟件平臺中，采用監督分類與目視解譯結合的解譯方法，得到懷來縣3期解譯結果總精度與Kappa指數均大于0.8的土地利用類型圖，將懷來縣土地利用類型分為：水域、園地、林地、未利用地、耕地、建設用地。進行生態系統服務價值當量功能性調整及編輯調整所需的數據，包括1992年、2002年、2012年3期的平均糧食單價、單位產量，均參考《懷來縣統計年鑒》、《懷來縣國民經濟和社會發展統計》和《全國農產品成本收益資料匯編》等資料。

2　研究方法

2.1土地利用變化強度指數

土地利用變化強度指數[6]是指一個地區或一個空間單元i內，在研究區段(a,b)中土地利用類型j在單位面積內發生的變化，用如下公式表示：

(1)

式中：Lj,i——研究區段土地利用類型j在某一個區域或是一個空間單元i內土地利用變化強度指數；Kj,a，Kj,b——在a至b研究時段土地利用類型j在i內的面積(hm2)；T——研究時段(a)。

2.2生態系統服務價值測算

2.2.1價值測算模型的建立生態系統服務價值當量因子即各地類生態系統服務功能所體現出的價值的潛在貢獻能力[7]，具體是指全國每年農田糧食一個單位面積內(1 hm2)平均產量的經濟價值為1，其余各地類的生態服務價值當量因子就是在此基礎上進行修正得到。單位面積(1 hm2)生態系統服務價值當量因子計算公式如下：

(2)

式中：Ea——1 hm2生態系統服務價值當量因子的經濟價值(元/hm2)；P——懷來縣當年糧食平均價格(元/kg)；Q——懷來縣糧食單產(千克/hm2)。通過計算可以得出懷來縣1992年、2002年、2012年單位面積農田平均糧食產量經濟價值分別為為643.77，698.11，714.32元/(hm2·a)。

本文參考謝高地等[7]生態系統單位面積服務價值系數法，結合懷來縣的實際狀況，對單位面積生態系統服務價值量表進行功能性和邊際性調整，最終得到懷來縣1990年、2002年、2012年3期的生態系統服務價值當量。

2.2.2生態系統服務價值動態測算模型構建運用Costanza等[8]生態系統服務價值測算方法，基于公式(2)，構建研究區生態系統服務價值動態測算模型，具體模型如下：

(k=1,2,3,…,6;t=1,2,3,…,20)

(3)

Ck=Eadk(k=1,2,3,…,6)

(4)

(5)

bt=rtpt(t=1,2,3,…,20)

(6)

式中：V——生態系統服務價值；Ak——第k類土地利用類型的面積；Ck——第k類土地類型的單位面積生態系統服務價值系數；Sk——當量因子功能性調整系數；bt——當量因子服務邊際性調整系數；dk——單位面積生態系統服務價值調整后的當量值；NPPk——第k類土地利用類型的凈初級第一生產力；NPPkmean——植物凈初級第一生產力的平均值；rt——研究區居民第t年對生態系統服務價值的支付能力指數；pt——研究區居民第t年生態系統服務價值的支付意愿指數。

表1　修正后懷來縣單位面積生態系統生態服務價值當量

注：廢氣、廢水、固體廢棄物的排放對生態環境造成負效應，因此在本研究中氣體調節功能、水源涵養功能、廢物處理功能的價值取負值。

(1) 功能性調整指數計算。生態系統可持續性不僅體現為生態系統本身的持續性，更表現為生態系統服務功能的持續性，具有內外功能協調統一的特征，而生物生產力是描述其生態功能的最基礎指標[9]。本文對生物生產力的計算，主要采用植物光合作用方程式，并應用材積量生物量法計算生物量，從而利用NPP計算公式，計算植物凈初級第一生產力[10]。植物光合作用方程式如下：

CO2+H2O→C6H12O6+O2

(7)

結合懷來縣園地、林地兩種生態系統的統計特征，從而計算出林地、園地兩種生態系統的凈初級第一生產力，并結合公式(5)，計算出生態系統服務功能的調整指數：林地為1.053，園地為1.317，由于受歷年林種統計數據限制，本文對功能調整指數1992—2012年保持不變，得到懷來縣單位面積生態系統服務價值調整后的當量(表2)。

表2　功能調整后懷來縣單位面積生態系統生態服務價值當量

(2) 邊際性調整指數計算。通過對Costanza和謝高地關于生態系統服務價值評估的價值系數的綜合研究，發現民眾的支付意愿[11]是大多數生態系統服務價值形成的基礎。對于相同的生態系統，因區域特性不一樣，以及不同地區之間經濟發展水平、居民的收入狀況、價值認識和消費偏好甚至政策制度的不同，對生態系統服務的支付意愿和支付能力也是大不相同的[12]。

① 以小康與富裕階段的過渡點作為支付意愿聚集上升的拐點，選取恩格爾系數[13]為0.4作為支付意愿曲線的拐點，并使用Logisticeurve模型[14]來確定，所確定的1992年、2002年、2012年的支付意愿指數分別為：1.211，1.130，1.111。

② 通過支付能力系數的調節服務價值當量表，能夠有效解釋因支付意愿存在能力不足所造成生態系統服務價值支付的困境[15]，在本文中，利用1992—2012年的懷來縣人均GDP與對應的國家人均GDP的比值對支付能力進行模擬，從而確定生態服務價值支付能力調整系數：1992年、2002年、2012年的支付能力調整指數分別為：0.710，0.754，0.684。

綜上所述，根據公式(6)，得出1992年、2002年、2012年的邊際性調整指數分別為：0.860，0.852，0.759。

2.2.33期土地利用類型單位面積生態系統服務價值通過計算，確定1992—2012年各土地利用類型單位面積的生態系統服務價值系數以及土地利用變化數據，并通過公式(2)計算生態系統服務總價值，可以確定3年的土地各地類的生態服務的經濟價值(表3)。

2.3生態服務價值時空變化特征

2.3.1生態服務價值時間變化特征參考土地利用/覆被變化動態度[16]，通過變形得到土地利用類型的生態服務價值動態度(EV)模型，用其表示隨著時間的變化，生態服務價值變化的特征，以此表示各個土地利用類型生態系統服務價值的年際變化率，其計算公式如下：

(8)

式中：Ua,Ub——研究初期、末期某類土地的生態服務價值量；T——研究時段長。

表3　懷來縣1992-2012年不同地類單位面積生態系統服務價值　元/hm2

2.3.2生態服務價值空間變化特征借鑒土地利用/覆被相對變化率指數[17]，研究各地類生態系統服務價值的空間變化特征。引入生態服務價值相對變化率(Vv)模型，來衡量研究區內生態服務總價值的空間差異。模型計算公式如下：

(9)

式中：Bvb，Bva——懷來縣各鄉鎮末期、初期的生態服務價值；Cvb，Cva——整個研究區研究末期、初期的生態服務總價值。如果一定區域內生態系統服務價值相對變化率Vv>1，則表示該地區的生態系統服務價值變化較大，并強于其他地區。

3　結果與分析

3.1各鄉鎮土地利用/覆被變化分析

3.1.1變化幅度分析1992年、2002年、2012年土地利用/覆被分布數據如圖1所示，分析表明：研究區土地利用類型的破碎程度降低，水域與耕地面積明顯降低，園地林地面積明顯上升，且集中連片分布。1992—2012年土地利用結構變化分析如圖2所示，土地利用結構整體上呈現出“3增2減”的趨勢，即園地、林地、建設用地面積增加，水域、耕地面積減少。1992—2012年，20年間園地凈增加5 645.7 hm2，增幅為19.98%；林地凈增2 824.9 hm2，增幅為5.66%；建設用地凈增加6 621.3 hm2，增幅為90.79%；水域面積減少3 671.1 hm2，減幅為68.90%；耕地面積減少7 412.5 hm2，減幅為23.27%；未利用地1992—2002年有小幅升高，再到2012年有小幅降低，總體趨于平穩。

3.1.2各土地類型變化強度分析通過對懷來縣1992年、2002年、2012年3期土地利用分類數據進行分析，并據此計算各鄉鎮土地利用類型變化強度。1992—2012年懷來縣土地利用/覆被變化明顯，整體上呈現出水域、耕地減少，園地、林地、建設用地上升的趨勢(表4)。

圖1　懷來縣不同年份土地利用/覆被變化

圖2　懷來縣不同年份土地利用結構變化

(1) 水域：懷來縣水域整體呈減少趨勢。除東花園鎮均處于減少狀態，且1992—2012年變化較為平緩。東花園鎮由于水庫的大量開挖，以及灌排渠道

的修繕，使得1992—2002年、2002—2012年均處于上升趨勢。尤其是2002—2012年，東花園鎮水域面積變化強烈，面積增加114.2 hm2，變化強度指數為0.45。由于人類的生產活動，不斷地填河造地以種植、搞建設，使得水域面積不斷減少。

(2) 園地：懷來縣園地面積整體呈現上升趨勢。近20年全縣果園面積增加5 645.73 hm2，變化強烈，并且各鄉鎮的園地面積都呈大面積的上升趨勢，變化特別明顯。懷來縣先天的自然條件適合林果業的發展，懷來縣作為全國的林果百強縣，近20年大力發展林果業，導致園地面積不斷快速的增長。

表4　各鄉鎮1992-2002年、2002-2012年土地利用變化率情況

(3) 林地：懷來縣的林地面積整體呈上升趨勢，尤其在2002—2012年，以西八里鎮、沙城鎮、東八里鄉的林地變化最為明顯；變化強度指數分別為：0.56，0.86，0.4；變化面積分別為：8.55，18.52，12.11 hm2。懷來縣2000年以后加強了對于生態的建設，退耕還林、建設生態防護林，使得林地的面積在2002—2012年10年間快速增長。

(4) 耕地：懷來縣耕地面積整體呈下降趨勢。瑞云觀鄉耕地面積在2002—2012年增加面積為128.24 hm2，變化強度為0.09；耕地面積降低的鄉鎮主要是桑園鎮、孫莊子鄉、北辛堡鎮、東八里鄉，減少面積分別為：1 219.25，209.87，440.65，1 407.07 hm2，變化強度指數分別為：-0.08，-0.06，-0.09，-0.09。懷來縣其他地類的增長主要來源于耕地，尤其是建設用地，進入21世紀以來，城鎮化、工業化快速發展，耕地數量的保護顯得越來越重要。

(5) 建設用地：懷來縣建設用地面積呈現大面積增加的趨勢，各鄉鎮的建設用地面積也是大面積快速增長，從1990—2002年，全縣的建設用地面積增加2 395.32 hm2，2002—2012年增加4 223.55 hm2。自進入21世紀以來，懷來縣城鎮化與工業化得到巨大的發展，建設用地面積也在不斷的增長，并且變化強度較大。

綜上所述，總體上耕地是主要的轉出者，1992—2002年共轉出2 082.46 hm2，2002—2012年共轉出67 547.75 hm2。同時，隨著社會經濟、城市化和新型工業化的快速發展，非農建設用地需求量迅速增加，且趨勢明顯。

3.2各鄉鎮土地利用/覆被變化引起的生態系統服務價值變化

土地利用變化引起的生態價值是指直接或間接的土地利用行為對陸地生態系統的影響作用，通過生態功能的量化進行表示。結合不同地類的生態系統服務價值，分析懷來縣1992—2012年主要土地利用類型的生態系統服務價值的時空變化特征。

從表5可以看出，懷來縣不同的土地利用類型所表現出來的生態系統服務價值規律也稍有不同，建設用地、水域、耕地在這兩個時間段生態價值的動態度的絕對值遠遠高于生態總價值的動態度，說明1992—2012年建設用地對懷來縣的生態價值有最大的負作用，水域與耕地所提供的生態價值呈遞減趨勢；林地、園地的生態價值的動態度變化也較明顯，說明1992—2012年懷來縣的林地、園地的生態價值也發生了巨大的變化；未利用地在1992—2002年的動態度大于生態總價值的動態度，2002—2012年動態度絕對值遠遠大于總價值的動態度，說明未利用地在這兩個10年內發生了極大的變化。從整體上看，縣域內生態系統服務總價值在最近的20年間變化明顯，且呈降低的趨勢。

基于ArcGIS 9.3軟件平臺的空間分析功能，將懷來縣1992—2002年、2002—2012年兩個時間段內各鄉鎮的生態服務價值變化率數據與懷來縣行政區進行疊加，采取自然斷點法將疊加結果分為4類，得到1992—2002年、2002—2012年兩時間段的生態服務價值相對變化率空間分布圖，相對變化率越大表明區域生態服務價值變化越大。

表5　懷來縣1992-2012年各土地利用類型的

如圖3所示，存瑞鎮、王家樓鄉、桑園鎮等處于北部或是東部的山地丘陵區，相對變化率最大，說明該些鄉鎮在1992—2002年生態系統服務價值發生劇烈的變化；狼山鄉、沙城鎮、官廳鎮等處于中部地勢較為平坦且生態環境水平較高的平原區，生態系統服務價值相對變化率最小，表明該區域生態系統服務價值變化較其他地區小。如圖4所示，存瑞鎮、西八里鎮等山地丘陵區生態服務價值仍然發生較大的變化；處于平原區的孫莊子鄉、官廳鎮、小南辛堡等生態服務價值的變化明顯比1992—2002年強；而處于低山丘陵區的王家樓、新保安等鄉鎮的生態服務價值的變化明顯降低。

圖3　懷來縣1992-2002年生態價值相對變化率空間分布

4　結 論

(1) 1992—2012年懷來縣土地利用/覆被變化顯著，土地利用整體呈現“三增兩減”的趨勢，即園地、林地、建設用地面積增加，分別增加19.98%，5.66%，90.79%；水域、耕地面積減少，分別減少68.90%，23.27%。結果表明：懷來縣一系列生態保護工程的建設，導致林地面積不斷增加；作為全國林果百強縣，由于全縣大力發展林果產業，導致園地面積不斷增長；城鎮化與經濟發展的快速發展使得建設用地面積大幅上漲；耕地與水域作為主要的輸出地類，在近20年內，由于經濟發展、政策等原因，利用面積在不斷減少。

圖4　懷來縣2002-2012年生態價值相對變化率空間分布

(2) 本文在研究生態系統服務價值的基礎上，引入功能性調整系數與邊際性調整系數，構建生態系統服務價值的動態測算模型，分別計算懷來縣1992年、2002年、2012年的生態系統服務價值，并引入動態度與相對變化率模型，研究懷來縣以及各鄉鎮生態系統服務價值的時空變化特征。研究顯示：1992—2012年全縣生態系統服務價值呈下降趨勢，系統內部各生態系統服務價值隨時間、空間的變化表現出不同的時空分異特征。隨著時間的推移，懷來縣1992—2012年20年間，建設用地、耕地、水域的生態系統服務價值發生的變化最大，林地、園地的動態度均小于1，變化相對較低；從變化程度看，懷來縣各鄉鎮的生態服務價值變化程度也較明顯隨時間的推移分別形成了北部山地區、南部西山丘陵區2個變化明顯的快速變化帶。從空間分布特點來看，懷來縣各鄉鎮生態系統服務價值量分異特征明顯，主要特征為縣北山地丘陵區、縣南低山丘陵區分異特征明顯，中部平原區相對較低。

(3) 本文基于遙感影像解譯，只考慮縣域內6種主要土地利用/覆被變化所引起的生態系統服務價值的變化，并且只考慮2個時間區段內特定3年的土地利用、覆被變化及生態系統服務價值的變化，沒有考慮“漸變型”的土地利用/覆被變化以及生態系統服務每年的“漸變”情況，這會影響測算結果的精確性。本文對懷來縣1992—2012年的生態系統服務價值進行靜態測算，在下一步的工作中將充分考慮每年變化的漸變值，以期為區域土地利用合理、可持續利用提供科學參考。

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The Spatiotemporal Evolution of Land Use/Cover Change and Ecosystem Service Values in Huailai County

CHEN Qingfeng1, YU Hualong2, ZHANG Jie1, TIAN Chao2, CHEN Yaheng1,2

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentScience,AgriculturalUniversityofHebei,Baoding,Hebei071001,China; 2.CollegeofLandandResources,AgriculturalUniversityofHebei,Baoding,Hebei071001,China)

To reveal the relationship between land use and ecological environment and guide people to make good use of the regional land, we took Huailai County as the study area, processed TM Landsat remote sensing image data in 1992, 2002 and 2012, analyzed the variation intensity of land use types by using land use change intensity index in Huailai County in recent 20 years, built the dynamic calculation model of ecosystem service value, and analyzed the spatial and temporal variation characteristics of the ecosystem services value of the ecological system by using dynamic degree and relative change rate index in the county in the past 20 years. The result showed that the land use in Huailai County presented a trend that three types increase and two types decrease, that was to say that the areas of garden land, woodland and construction land had increased by 19.98%, 5.66%, 90.76%, respectively, and the area of water bodies, arable land had decreased by 68.90%, 23.27%；the ecosystem service values of construction land and arable land changed the most significantly and dramatically in the past 20 years, the changes of woodland and garden land area were relatively small; the rates of the change of the ecosystem service values were relatively high in the lower hilly area of northern and southern hilly lands, but comparatively little in the central plain area.

land use; cover change; ecosystem service value; Huailai County

2015-06-17

2015-07-01

河北省高等學校科學技術研究優秀青年資助項目(Y2012015);河北省科技廳平臺項目(13967502D)

陳青鋒(1990—),男,黑龍江穆棱人,碩士研究生,研究方向為土地資源利用。E-mail:15133229056@163.com

陳亞恒(1973—),男,河北順平人,博士,教授,主要從事土地整理、評價、規劃研究。E-mail:chenyaheng@126.com

F301.2; F062.2

A

1005-3409(2016)03-0137-07