臨汾市土地利用變化的格局分析及其對生態系統服務價值的影響*

葛 靜，王 丹，楊萍果

(1.山西師范大學生命學院，臨汾 041000； 2.中國科學院遺傳與發育生物學研究所農業資源研究中心，河北石家莊 050021)

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·熱點問題·

臨汾市土地利用變化的格局分析及其對生態系統服務價值的影響*

葛 靜1，王 丹1， 2，楊萍果1※

(1.山西師范大學生命學院，臨汾 041000； 2.中國科學院遺傳與發育生物學研究所農業資源研究中心，河北石家莊 050021)

文章以臨汾市2004年、2009年、2014年等3期遙感影像為信息源對研究區土地利用及生態服務價值進行分析。從土地利用轉移方向來看， 2004～2009年間，河流、湖泊和林地增加的部分主要由裸地和草地轉化而來； 2009～2014年間，河流、湖泊主要轉變為林地，其次為裸地。從研究區的空間格局來看，各類土地利用類型的發展趨于不均衡，優勢斑塊的優勢地位越來越明顯，斑塊的連通性增強。從生態服務價值的角度來看，臨汾市生態服務價值量表現出增加趨勢，所有土地利用敏感性指數均小于1，生態系統服務價值對價值系數缺乏彈性，研究結果比較可信。

土地利用 景觀格局 生態系統服務 價值變化 敏感性指數

0 引言

土地是人類賴以生存的物質基礎，隨著社會發展，人地關系日益緊張，矛盾日益突出，人類對土地利用方式的改變影響著生態環境的變化[1-3]。由土地利用變化導致的生態系統服務價值的變化是衡量土地利用變化環境效應的重要量化指標[4-6]。Henrik Vejre 以哥本哈根城市邊緣區為研究對象，探討生態系統服務價值時空變化[7]。Huang等人運用易損性評價探討了歐洲土地利用變化情況對生態系統服務價值的影響[8]。王宗明等在松嫩平原三期土地利用動態數據的基礎上，應用RS和GIS技術分析了該地區土地利用變化與成因及其所引起的生態價值的變化[9]； 劉祗坤等參照3期TM影像數據，對赤峰市土地利用類型變化及生態系統價值變化進行了系統分析[10]。

改革開放以來，臨汾市經濟快速、穩定發展，城市化水平大幅度提高，土地利用變化劇烈，人地矛盾日益突出，嚴重影響該區域的可持續發展。文章根據土地利用情況，研究了具有時間跨度的3個時間段的臨汾的土地類型流轉情況、土地利用格局變化以及生態系統服務價值變化過程，以期為該區域的土地利用規劃提供參考建議。

1 材料與方法

1.1 數據來源及數據處理

根據臨汾市的區域特征和研究要求，在其2004年、2009年、2014年等3個時期的衛星遙感影像的基礎上進行數據解譯。具體圖像處理方法、解譯標志的建立詳見文獻[11]。人口、經濟和社會等數據來自《臨汾市統計年鑒》(2005～2015年)。

參照國家通用的土地分類系統及臨汾市本土特征，將土地分為農用地、建設用地、林地、濕地和未利用地5個大類； 以下又劃分成農田、林地、灌木叢、草地、河流湖泊、建筑用地和裸地7種二級分類體系類型。

1.2 土地利用轉移速率

研究區域內某種土地利用類型轉移的變化速率可表示為：

(1)

式中，LCi代表第i種土地的轉移變化速率(%)；LUi表示i類土地在基期的面積(hm2)；ΔLUi表示i類土地在研究時段內轉為非i類土地的面積(hm2)；t表示研究時間段(年)。

1.3 景觀指數計算

常見的景觀指數有拼塊類型面積(CA)、斑塊類型所占景觀面積的比例(Pland)、斑塊個數(NP)、景觀形狀指數(LSI)、散布與并列指數(IJI)、蔓延度指數(CONTAG)、均勻度指數(SHEI)，計算方法詳見文獻[12]。

1.4 生態系統服務價值評價方法

該文結合臨汾市實際情況，參照謝高地制定的陸地生態系統單位面積生態服務價值表，得出生態系統單位面積內的生態服務價值，結果如表1所示。

表1 不同類型生態系統服務價值系數

該研究還對臨汾市不同土地利用類型單位面積的單一生態系統服務價值系數進行細化(表2)。其中在計算單項服務價值時亦采用生態服務價值表達式，如：氣體調節的總價值=氣體調節服務下的各土地利用類型價值系數×各土地利用類型面積。

表2 生態系統各項服務價值系數

生態服務價值的數學表達式如下：

ESV=∑(Ak×VCk)

(2)

式中，ESV表示研究區內生態系統總服務價值(萬元)；Ak表示第k種土地利用類型面積(hm2)；VCk表示第k種土地利用類型的生態服務價值系數。

1.5 生態價值敏感性計算方法

為了驗證生態系統價值系數的準確性，引入敏感性指數(CS)，它是指生態系統服務價值系數的變化引起生態系統服務價值的變化程度。計算公式如下[13]：

(3)

式中，CS代表敏感性指數，ESVi和ESVj分別代表調整前后生態系統服務價值，VCjk和VCik分別代表調整前后服務價值系數。若CS<1，則說明ESV相對VC缺乏彈性，結果可信。

2 結果與分析

2.1 土地利用過程的變化

2004～2009年：裸地和草地減少的部分主要轉化為河流、湖泊和林地，比例分別為4.13%、1.89%和25.42%、18.88%； 灌木叢增加的部分主要由農用地和草地轉化而來，轉入比例分別為38.62%、38.60%； 農用地減少的部分主要轉化為草地，轉化面積達1069.16hm2，轉化比例為35.01%，其次為裸地和灌木叢，轉入比例分別為11.71%、11.47%； 建筑用地增加部分的主要的轉化來源是河流湖泊，轉化面積為0.21hm2，轉入比例僅為0.003%； 裸地的轉化來源主要為農用地，其次為草地，轉入比例為分別為58.35%、14.13%(表3)。

2009～2014年：林地、裸地主要由河流、湖泊轉化而來，其中轉化為林地179.23hm2，轉移比例為4.6%，轉化為裸地76.84hm2，轉移比例為1.97%； 林地主要轉變為裸地，其次分別為草地、灌木叢、河流湖泊，轉移比例分別為9.18%、7.99%、4.95%、3.66%，轉移率較少，變化不明顯； 農用地和草地主要由灌木叢轉化而來，其中轉化為農用地661.97hm2，草地391.73hm2，轉化明顯； 農用地轉化為其他土地利用類型的比例很小，主要轉化為裸地，其次為草地，轉移比例分別為4.038%， 1.057%； 建筑用地完全是自身轉化。

表3 研究區土地利用類型轉移矩陣 hm2

2.2 土地利用總體評價

2004～2009年變化的總體趨勢為：河流湖泊、林地、灌木叢和農用地在增加，草地和裸地在減少，建筑用地面積小幅增加。土地利用年變化率較大的土地類型依次為草地、裸地、灌木叢，比率分別為10.44%、10.36%、10.09%，林地變化速度也較快，最慢的為建筑用地， 4年間小幅增加； 2009～2014年變化的總體趨勢為：林地、灌木叢、草地和裸地面積大幅增加，建筑用地面積相對小幅增加，河流湖泊、農用地面積略減少。由于國家退耕還林還草政策的影響，導致5年間林地驟增，年均變化率最大，為30.29%，而且大部分是來源于農田的減少，說明這幾年植樹造林使林地的比重逐年增加； 河流湖泊年均減少0.33%，主要轉化為裸地，其縮小率位于所有土地利用類型榜首； 農用地的年均變化率為-0.44%，退化也很嚴重。農田的縮減主要受到兩方面原因影響：一方面是由于建設用地和林地的侵占； 另一方面是由于臨汾市城市化進程不斷加快，大量務農人員轉變為務工人員，耕地荒廢。水體的縮減則主要是由于氣候變暖，加速水體干涸。

2.3 土地利用格局的變化

從斑塊類型水平來看(表4)： 2004年，農用地處于優勢地位，其面積占80.82%，可看作整個區域的基質，草地和農用地的破碎化和分割程度較高，內部復雜，邊界主要由自然因素導致形成，人為干擾相對較??； 2004～2009年，農用地仍被視為整個區域的基質，建筑用地和裸地的破碎化程度較高，農用地和草地的斑塊結構最為復雜； 2014年農用地占有絕對優勢度，受人為活動影響仍然較高，農用地和林地的斑塊結構最為復雜，草地的斑塊結構最簡單，比較單一。

從景觀水平來看： 2004～2014年臨汾市斑塊形狀從原來的復雜多邊形變為稍微簡單的多邊形； 各類土地利用類型的發展趨于不均衡； 優勢斑塊的優勢地位越來越明顯，斑塊的連通性增強。

表4 研究區景觀格局指數特征

2.4 城市土地生態系統服務的價值分析

2.4.1 生態系統服務改變的經濟價值評估

如表5所示，臨汾市的土地生態系統服務價值在10年間整體呈現增加的趨勢，在2014年值達到最高，為22.32億元。從構成來看， 2004～2014年林地生態系統服務價值在生態系統服務價值中所占比例最大，是生態系統服務價值的主體部分。隨著城市化進程的加快，農田生態系統服務價值逐漸低于水體生態系統的服務價值。

農田、林地和水體生態系統服務價值在這10年間的變化幅度與各自的面積變化幅度趨勢基本相符合，即農田生態服務價值在2009～2014年間下降最大； 林地生態服務價值在2009～2014年間增長最快，水體面積在2004～2009年間增幅最大?？傊?，臨汾市農田面積呈現逐年減少趨勢，但是其降幅較小，且林地和水體面積的增幅大于農田面積的降幅，再加上建設用地面積的增加相對緩慢，因此使得生態系統服務價值總體呈現增加趨勢。

表5 臨汾市不同土地利用類型的生態系統服務價值

2.4.2 生態系統單項服務價值變化

如表6所示， 2004～2014年除食物生產值外，剩余各項服務價值均表現出不同程度的升高。其中水源涵養的服務價值的增加量最大，增加值為1.03×109元，廢物處理次之，增加值為0.72×109元。這主要歸因于農田面積減少及林地和水域面積的增加。農田面積的減少導致食物生產價值下降，但由于農田的減少所帶來的生態服務的價值損失要遠小于林地和水域面積增加所帶來的生態服務價值增加值，這一結果就導致氣體調節、水源涵養、廢物處理等生態系統服務價值增加。

在2004～2014年間，各項服務價值的結構順序也發生明顯的變化， 2004年順序為土壤形成與保護>生物多樣性與保護>水源涵養>廢物處理>氣候調節>氣體調節>原材料>娛樂文化>食物生產，至2014年演變為土壤形成與保護>水源涵養>廢物處理>生物多樣性與保護>氣體調節>氣候調節>原材料>娛樂文化>食物生產。這種變化趨勢表明土地利用類型在流轉過程中，土地的服務性功能比較重要，處于主導性地位，而生產性功能作用相對較弱，且有弱化的趨勢。此外，水源涵養和廢物處理服務功能所占比重越來越大，表明通過增加林地面積和水體面積能顯著提升生態系統的服務性功能，并有利于提高服務價值。

表6 臨汾市2004年、2009年及2014年生態系統各服務類型價值變化

2.5 敏感性分析

根據敏感性指數公式，將各土地利用類型的生態服務價值系數VC分別上下調整50%[14， 15]，從而得到ESV和VC的敏感性程度。由表7可知，在2004～2014年除林地和草地外，其余土地利用類型的敏感性指數上下浮動，變化不大。林地的敏感性持續增加，草地的敏感性指數逐漸減少。說明生態系統服務總價值對林地的價值系數依賴性逐步增強，而對草地的價值系數依賴程度慢慢減少。在研究年份內，臨汾市所有土地利用類型的ESV對VC的敏感性指數均小于1，表現為林地>農田>草地>河流湖泊>建設用地>灌木叢>裸地，表明研究區域內ESV對VC是缺乏彈性的，研究結果可信，具有實際意義。

表7 研究區生態系統服務價值敏感性指數

3 結果與討論

基于遙感影像解譯結果，對臨汾市2004～2014年土地類型流轉情況、土地利用格局變化以及生態系統服務價值變化過程進行定量分析，得出如下結論。

(1)2004～2009年土地利用變化的總特點是河流湖泊、林地、灌木叢和農用地在增加，草地和裸地在減少，建筑用地面積小幅增加。土地利用變化速度較大的為草地。2009～2014年變化的總體趨勢為林地、灌木叢、草地和裸地面積增加，河流湖泊、農用地面積略減少，建筑用地面積小幅增加。從景觀水平來看，從2004～2014年臨汾市斑塊形狀從原來的復雜多邊形變為稍微簡單的多邊形； 各類土地利用類型的發展趨于不均衡； 優勢斑塊的優勢地位越來越明顯，斑塊的連通性增強。

(2)臨汾市生態系統各項服務價值變化趨勢表明：在流轉過程中，土地的服務性功能處于主導性地位，生產性功能作用相對較弱，且有弱化的趨勢。此外，水源涵養和廢物處理服務功能所占比重越來越大，表明通過增加林地面積和水體面積能顯著提升生態系統的服務性功能，并有利于提高服務價值。

(3)研究區域內所有土地利用類型的生態系統服務價值敏感性指數均小于1，表明ESV對VC的變化缺乏彈性，研究采用的價值系數比較合理，結果可信。

(4)在今后的土地規劃過程中，要注意城市化建設不能過度吞食具有生產性功能的耕地和具有生態性功能的草地。一方面要實行耕地保護政策，減少耕地流失： ①調整土地收益分配辦法，建立保護耕地的經濟制約機制； ②強化土地管理的集中統一領導； ③修改和制定相關法律，為實現耕地總量動態平衡提供法律保障。另一方面要在提高土地資源的利用率，要在最大限度的保護生態用地的前提下，適度開發未利用地，拓展經濟發展與生態建設用地空間。

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ANALYSIS OF CHANGING SITUATION OF LANDSCAPE PATTERNS AND EFFECTS OF LAND USE CHANGE ON ECOSYSTEM SERVICE VALUE IN LINFEN CITY, CHINA*

Ge Jing1，Wang Dan1， 2，Yang Pingguo1※

(1.College of Life Science，Shanxi Normal University，Linfen 041000， China；2.Centre for Agricultural Resources Research，Institute of genetics and developmental biology，Chinese Academy of Sciences，Shijiazhuang，Hebei 050021， China)

In this study, the changes of land use and ecosystem service values were evaluated using the data from the TM imags of Linfen city obtained in 2004, 2009 and 2014. From the view of land use transfer direction, the lands of rivers, lakes and woodlands increased from bare land and grassland during 2004-2009; Rivers and lakes mainly converted to forest land and bare ground during 2009-2014. From the spatial pattern of the study area, the various land use types tended to be unbalanced, the dominant position in the advantage plaques were increasingly obvious, and the plaques enhanced connectivity. Meanwhile, the value of ecosystem services increased from 2004 to 2014, all of the land use value coefficients were less than 1. The value of ecosystem services in the study area was lack of flexibility on the value coefficient.

land use； landscape pattern； ecosystem services； value variation； coefficient of sensitivity

10.7621/cjarrp.1005-9121.20161013

2015-08-20

葛靜(1991—)，女，山西大同人，碩士。研究方向：土地資源利用管理。

※通訊作者：楊萍果(1974—)，女，山西襄汾人，博士、副教授。研究方向：農田土壤資源利用。Email： 4526789@qq.com

國家自然科學基金項目“農田土壤磁化率與微量金屬含量相關性及空間格局研究”(31272258)

F301.2; X171

A

1005-9121[2016]10-0077-06