洋河流域土地利用時空變異及其對生態服務功能價值的影響

羅 維，易海杰，李紅舉，賈文濤，馮兆忠

1 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室，北京 100085 2 國土資源部土地整理中心，北京 100035

洋河流域土地利用時空變異及其對生態服務功能價值的影響

羅 維1,*，易海杰1，李紅舉2，賈文濤2，馮兆忠1

1 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室，北京 100085 2 國土資源部土地整理中心，北京 100035

洋河流域位于我國北方典型的農牧交錯地帶,是首都重要水源涵養地和生態保護屏障,也是2022年冬奧會舉辦地之一。對流域土地利用變化及其生態服務功能價值影響的研究可為首都水源保護以及冬奧會場地環境質量的改善提供重要理論依據和決策支持。利用ArcGIS技術分析了洋河流域1990—2013年間的土地遙感數據,估算了這些變化對流域生態服務價值的影響。結果表明：1990—2013年洋河流域林地和未利用地面積呈增加,而水域、草地則呈減少的趨勢。由單一土地類型利用動態絕對值說明,除林地以外2000—2013年洋河流域其他土地類型受人類或自然環境變化的影響明顯高于1990—2000年。土地轉移主要發生在流域西部的興和縣、陽高縣、天鎮縣和下游的張家口市、宣化縣和懷來縣。近年來流域土地面積變化幅度和變化范圍均增加。1990—2013年間洋河流域土地利用的年總生態服務價值經歷先增加后減小、總體減少的過程,但林地和未利用地的生態服務價值卻一直增加。由于林地面積增加從而導致1990—2013年流域的原材料生產、氣候調節、氣體調節、生物多樣性保護和提供美學景生態功能占年總價值的比值增加。林地、草地和耕地是洋河流域生態服務的主要貢獻者,也是生態服務價值變化的敏感因子。

農牧交錯帶；水源地；生態服務功能；價值評估；土地利用變化

Abstract： The Yanghe Watershed is located in a typical farming pastoral zone of North China. It is an important water-source conservation site and an ecological protection barrier for Beijing. Furthermore, the 2022 Winter Olympic Games will be held in Zhangjiakou City, which is a key region of the Yanghe Watershed. A study of land use changes and their ecosystem service-function values of the watershed can provide important theories for effective decision-making regarding water resource protection and environmental quality improvement in fields of the areas where the games will be held. ArcGIS was used to analyze remote sensing data of land-use changes that occurred within the Yanghe Watershed from 1990 to 2013, and ecosystem service-function values of the lands were estimated. The results showed that forest and unused lands within the watershed increased, whereas grassland and aquatic areas decreased during the study period. Based on absolute values of the changing rate of a single land-use type, apart from forestland, the other land-use types were more greatly affected by human or natural changes in 2000—2013 than in 1990—2000. Land transfers mainly occurred in Xihe, Yanggao, Tianzhen, Xuanhua, and Huailia Counties, and the land change degree and distribution increased in recent years. The annual value of total ecosystem service functions of the lands increased during 1990—2000 and decreased during 2000—2013; however, overall it decreased from 1990 to 2013. Service function values of grassland, aquatic areas, and farmland decreased, whereas that of forest and unused land increased during 1990—2013. Percentages of values of raw material production, climate regulation, air conditioning, biodiversity conservation, and esthetic landscape increased owing to increases of forestland within the watershed during the study period. Forest-, grass-, and farmlands were not only the main contributors but also sensitive factors to ecosystem service function values of the lands within the Yanghe Watershed from 1990 to 2013.

KeyWords: farming pastoral zone; water source site; ecosystem service function; value estimation; land use change

土地利用變化改變土地原有的生態服務價值和功能[1-2],深入研究土地利用時空格局變化及其對生態服務價值及功能的影響可揭示土地利用對人類活動程度的響應,對于理解人與自然的關系具有重要的意義。我國經濟的快速發展和人口的迅速增長[3-4],已使土地利用結構和生態服務價值發生顯著變化[5-6],倍受國內外學者的高度關注[7- 10]。我國北方農牧交錯帶是一條生態脆弱的過渡帶和生態安全屏障帶,也是以生態保護為主體功能的限制性開發區,具有獨特的地理分布格局和土地利用變化過程,已成為研究的熱點[1,11]。流域是跨區聯系密切、生態關聯性很高的有機整體,以流域為完整研究單元研究我國北方農牧交錯帶土地利用及其對生態服務功能價值的影響將更具系統性和挑戰性。近年來我國北方農牧交錯帶內大多數流域的土地利用和生態服務價值已發生劇烈變化,利用土地利用變化速度指數、生態服務價值指數、生態價值貢獻率指數和敏感性指數揭示帶內典型流域的長時間序列土地利用變化及其生態服務功能價值的影響對于指導我國北方農牧交錯帶流域土地資源開發利用和生態環境保護將具有重要的理論意義和現實價值。

洋河流域是我國北方農牧交錯帶的典型流域,是首都北京重要的水源保護地和生態保護屏障,對京津冀大都市圈的生態環境保護具有很重要的地位和作用[12]。目前已有學者對洋河流域部分河段的土地利用變化進行了初步研究[6, 13- 16],但是對整個流域土地利用時空變異及其對生態服務功能價值影響的研究仍相當匱乏,這不利于指導整個區域的協調發展。另外,隨著洋河流域的張家口市與北京市聯合舉辦2022年冬奧會籌備工作的逐步展開,國家將對北京-張家口市的原有土地利用格局做出重大調整；充分理解洋河流域土地時空變異及其對生態服務價值和功能的影響可為冬奧會場地生態環境的合理規劃建設提供重要參考。本文以遙感解譯數據為基礎,對整個洋河流域長時間序列(1990—2013年)土地利用格局和過程的變化及其生態系統服務功能價值的影響進行深入地研究,以期為我國北方農牧交錯帶流域土地資源的合理利用與管理、為2022年北京-張家口冬奧會場地的生態環境保護、甚至整個京津冀大都市圈的可持續發展提供重要的理論依據和決策支持。

1 研究區域概況

洋河流域地處我國北方西部草原牧區和東部農耕區之間的農牧交錯地帶,其經緯度113°29′32″E—115°43′40″E,39°59′42″N—41°15′3″N之間,流域西起內蒙古自治區和山西省,由西北向東南進流入河北省境內,在張家口市的懷來縣與桑干河一起匯入永定河,最終注入北京官廳水庫,屬于永定河支流。洋河干流全長約262 km,流域總面積1.62×104km2,沿途經過內蒙古自治區烏蘭察布市的興和縣(1個縣)、山西省大同市陽高縣和天鎮縣(2個縣)與河北省張家口市(1個縣)及其管轄8個縣(圖1)。

圖1 洋河流域地理位置Fig.1 Map of the Yanghe Watershed, China

2 數據來源和研究方法

2.1 洋河流域土地利用數據來源及分析

1990、2000和2013年洋河流域土地利用數據采用中國科學院資源環境數據中心提供的1∶10萬土地利用數字化地圖,并結合相應時段美國陸地衛星Landsat TM數字影像進行檢查和校正。參照中國科學院資源環境數據中心土地分類系統,結合洋河流域土地利用類型特點,將研究區土地類型分為6個一級類型：耕地、林地、草地、水域、城鎮用地、工礦用地和未利用地。為保證獲取數據的解譯質量和一致性,利用GPS在野外對洋河流域土地利用解譯結果進行了選點驗證,統計各土地利用類型的解譯精度均在85%以上。根據數字地圖和高程(DEM)數據,利用ArcGIS 10.2對1990、2000和2013年洋河流域土地數據進行分析。

2.2 洋河流域不同土地的生態服務功能價值

2.2.1 生態服務價值變化

根據生態服務價值功能的估算方法[11],其計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中,ESVK表示土地類型K的生態服務價值(百元),本研究中6種土地利用類型分別為：耕地K=1、林地K=2、草地K=3、水域K=4、未利用地K=5、城鎮工礦用地K=6。由于城鎮工礦用地的生態服務價值系數為零[17,18],因而未參與本文生態服務價值的計算。ESVF代表生態服務功能F的服務價值(百元),ESV代表流域生態服務總價值(百元),AK表示K類土地的面積(km2),VVCKF表示K類土地的F種生態服務功能的價值系數(百元 km-2a-1),本研究涉及9種生態服務功能,分別是食物生產F=1,原材料生產F=2,氣體調節F=3,氣候調節F=4,水源涵養F=5,廢物處理F=6,土壤形成與保護F=7,生物多樣性保護F=8,提供美學景觀F=9。利用平均加權法求得洋河流域生態服務價值的修正系數：山西為0.46、內蒙為0.44、河北為1.02,因而整個洋河流域修正系數0.778[17-18],結合謝高地等對全國土地生態功能服務價值系數的研究[17-18],得到洋河流域的生態服務價值系數如表1所示。

表1 洋河流域生態系統服務價值系數(VVCKF)

2.2.2 生態貢獻率

分析1990—2000,2000—2013,1990—2013年3個時期洋河流域各類土地的生態貢獻率,可以確定流域生態服務價值的主要貢獻因子和敏感因子。生態貢獻率計算公式如下[19]：

(4)

式中,SKT表示K類土地在時間段T的生態服務貢獻率(%); ΔESVKT表示K類土地在時間段T內的生態服務價值變化量(萬元)。

2.2.3 敏感性

用敏感性指數(CCS)表征生態服務價值隨時間變化對價值指數變化的依賴程度[20- 23],若CCS>1,說明研究區域內的生態服務價值ESV對CCS富有彈性；如果CCS<1,則不富有彈性,說明價值系數適合研究區域。CCS越大,表明準確性越關鍵。本文在洋河流域生態服務價值系數基礎上,上下調整50%[20],其計算公式(5)所示[20]：

(5)

式中，ESVI和ESVJ表示價值系數調整前后的總價值(萬元)；VVCKI和VVCKJ代表值系數調整前后K類土地的價值系數。

2.2.4 單一土地利用動態度

單一土地利用動態度是刻畫不同土地利用類型在一定時間段內的變化速度和幅度的指標,反映人類活動對單一土地利用類型的影響,其公式為[24]：

(6)

式中，k值為t1到t2時段內某土地利用類型動態度(%),ua、ub為研究初期t1及研究末期t2某類型土地面積(km2),t1為1990和2000年,t2為2000和2013年。

3 結果與分析

3.1 洋河流域土地利用的時空演變

1990、2000和2013年洋河流域的土地面積變化如表2所示。洋河流域土地主要類型以耕地、林地和草地為主,分別占總面積的43%,33%和17%以上,與中國北方農牧交錯帶其他地區的主要土地類型基本一致[24-25]。1990—2013年洋河流域的耕地、草地和水域面積減少,林地、未利用地面和城鎮工礦用地面積增加,城鎮工礦用地變化幅度相對較大,這可能與2013年洋河流域核心區域張家口市的均GDP比1990年增加35.252萬元,人口增長23.62萬[26],耕地被大量建設成住宅和公共設施有關[3-4]；該結論與其他研究相類似。另外,北方的退耕還林還草政策[27-28]是導致洋河流域耕地減少,林地增加的原因之一。

表2 1990—2013年期間洋河流域各土地利用類型面積和占總面積的百分比

土地的轉移情況如圖2所示,土地的轉移主要發生在耕地、林地和草地之間。1990—2000年耕地的轉出主要發生在陽高縣和天鎮縣的上游和洋河的張家口河段,在陽高縣和天鎮縣主要是耕地轉化成林地和草地,而在洋河的張家口段主要是轉化為城鎮礦工用地；林地和草地的轉移主要發生在陽高縣、天鎮縣和尚義縣和興和縣,在陽高縣、天鎮縣林地主要向耕地轉移,其次是草地,在興和縣主要向草地轉移；草地主要向耕地轉移(圖2)。2000—2013年興和縣發生大面積的耕地轉移,在陽高縣、天鎮縣和興和縣耕地主要轉化為林地、草地、其次是城鎮工礦用地,在洋河中下游張家口市、宣化縣和懷來縣耕地主要轉向城鎮礦工用地；在小清水河上游林地向草地轉移。草地在興和縣主要轉向耕地,在清水河的張家口市主要轉向城鎮礦工用地(圖2)。不同時期尚義縣、陽高縣和天鎮縣土地主要在林地、草地和耕地之間轉移,在張家口市和宣化縣主要由其他用地向城鎮礦工用地轉移(圖2)。不同時期洋河流域的土地變化主要發生在興和縣、陽高縣、天鎮縣和張家口市,但是2000—2013年比1990—2000年的土地變化范圍更大(圖2)。

圖2 不同時期洋河流域土地轉移和變化分布,Fig.2 Distribution of land transfer and change at different time within the Yanghe Watershed, China1：耕地,2：林地,3：草地,4：水域,5：城鎮礦工用地,6：未利用地

1990—2013年洋河流域各市縣不同土地利用類型面積的變化如表3所示,張北縣和尚義縣的耕地略有增加；其他縣均在減少,減少最多的是陽高縣和張家口市,這是由于旱地的減少所致[14]。萬全縣、興和縣和陽高縣的林地面積增加,增加最大的是陽高縣。興和縣、天鎮縣和懷安縣的草地增加,其中興和縣增加最大。興和縣、陽高縣和張家口市的水域面積減少,其他縣市增加。未利用地的面積變化主要集中在城鎮礦工用地面積較大的懷來縣、懷安縣、張家口市、天鎮縣和陽高縣。每個縣市的城鎮礦工用地面積都在增加,增加最快的是張家口市,其次是懷來縣和宣化縣。不同時期耕地、草地、水域、未利用地和城鎮礦工用地的面積變化幅度為：2000—2013年>1990—2000年,而在城鎮面積較大的張家口市、陽高縣、宣化縣和崇禮縣的林地面積變化幅度為：2000—2013>1990—2000,其他縣市則相反,這主要是由于2000年后我國北方實施的退耕還林還草所致[15]。

3.2 洋河流域土地利用類型變化的速度

1990—2013年間洋河流域單一土地利用類型變化的速度(動態度)k由大到小分別為：城鎮工礦用地>林地>水域>未利用地>耕地>草地(表4)。2000—2013年間流域城鎮工礦用地的k最大,其次是未利用地。除林地以外,2000—2013年其他單一土地利用動態度k的絕對值均高于1990—2000年,說明該時段洋河流域大多數土地類型明顯受人類或自然環境變化的影響。

表3 1990—2013年洋河流域各縣市不同土地類型面積變化

注：負號表示面積變化是朝著減少方向進行,絕對值大小表示速度的快慢變化

3.3 生態敏感性

從1990年開始洋河流域林地的敏感性指數呈逐年增加的趨勢,耕地的敏感性指數呈減小趨勢(表5),說明林地和耕地生態服務功能價值變化對洋河流域土地生態服務總價值具有放大和縮小效應；草地的敏感性指數先減小后增加(表5),說明草地的價值系數變化對區域內生態服務總價值先具縮小效應而后具放大效應；水域和未利用地的敏感性指數基本不變(表5),說明二者的價值系數變化對區域內生態服務總價值沒有明顯影響。1990—2013年洋河流域各類土地的敏感度指數均小于1(表5),說明流域生態系統服務價值對本研究采用的價值系數缺乏彈性,本文采用的價值系數適合洋河流域的情況,計算的服務價值是可信的。

3.4 洋河流域土地利用生態服務價值變化

1990—2000年洋河流域土地利用年度總體生態服務價值增加2557.6萬元, 增長了0.353%,2000—2013年減少5504.1萬元, 減少了0.758%(表6)。除了林地和未利用地,1990—2013年洋河流域其他幾類土地類型的生態服務價值均減少。

表5 1990—2013年間洋河流域各土地類型生態服務價值的敏感性指數(Ccs)

表6 1990—2013年洋河流域土地利用生態服務價值ESV及其變化

負號表示減小

1990—2013年洋河流域不同縣市土地的生態服務功能如表7所示,生態服務價值最大的是崇禮縣,其次是興和縣和宣化縣。1990—2013年生態服務價值在尚義縣、天鎮縣和陽高縣的呈先減小后增大的“V”型變化,在萬全縣、興和縣和涿鹿縣則相反。陽高縣1990—2013年的生態服務價值增加了587.2萬元,其他縣均在減少,其中興和縣、懷來縣、宣化縣和張家口市減量較大,主要是由于草地和水域減少所致[16]。

表7 1990—2013年間洋河流域各縣市生態服務價值ESV及其變化(萬元)

負號表示減小

3.5 洋河流域各生態功能服務價值的變化

近20年洋河流域各項功能價值均減少,減少總量達2946.4萬元/a,其中廢物處理價值減小了589.0萬元/年,減幅最大,其次減幅由高到低的順序依次分別為土壤形成與保護功能價值、水源涵養功能價值和生物多樣性保護價值(表8),這種減小趨勢與河北省其他地區各項生態功能價值增加的變化規律不同[10],但與內蒙古地區變化相似[9],可能與研究區的地理位置和生態條件等有關。1990—2013年洋河流域的四類一級生態服務功能中調節服務功能和支持服務功能年總價值為372547.1—375379.9 萬元和222950.3—244607.7萬元,分別占所有土地年服務價值的51%和30%以上。1990—2013年洋河流域的9種二級功能服務中,土壤形成與保護功能價值最大,其次分別是生物多樣性保護、水源涵養、氣候調節、氣體調節、廢物處理、原材料生產、提供美學景觀和糧食生產的價值。

表8 1990—2013年間洋河流域各生態服務功能價值ESV及所占百分比

3.6 洋河流域不同土地生態服務價值變化的貢獻率

1990—2000年和2000—2013年流域不同土地生態服務價值變化的貢獻率最大的是林地和耕地,分別為83.171%和43.295%。1990—2013年耕地(55.215%)、林地(12.355%)和草地(20.957%)的生態貢獻率最大,三者之和超過88%(表9)。1990—2000和2000—2013年兩個時期耕地、林地的貢獻率變化分別是36.576%和43.768%,說明1990—2013年耕地和林地是洋河流域生態服務價值變化主要貢獻因子和的敏感因子。

表9 1990—2013年洋河流域不同土地類型生態服務價值變化的貢獻率SKT

4 結論

(1)1990—2013年洋河流域的主要土地利用類型是林地、耕地和草地,三者占整個流域面積的93%以上,在該期間內耕地、草地和水域的面積減少,其中耕地減少最大,林地、未利用地和城鎮工礦用地的面積增加,城鎮工礦用地增幅度最大；流域增加的林地主要集中于陽高縣、萬全縣和興和縣,其他區縣市的林地則減小。除林地外,2000—2013年洋河流域其他單一土地利用類型變化的速度高于1990—2000年。

(2)1990—2013年洋河流域土地的轉移主要發生在林地、耕地、草地和城鎮礦工用地之間。流域西部的陽高縣、天鎮縣、興和縣和尚義縣,耕地主要向草地和林地轉移,草地主要向耕地轉移,林地主要向草地和耕地轉移；張家口市和宣化縣和懷來縣的耕地主要轉向城鎮礦工用地。2000—2013年流域土地面積變化幅度和變化范圍皆高于1990—2000年,說明近年來人類活動對流域土地面積變化的影響在逐漸擴大。

(3)1990—2013年洋河流域土地利用的年總生態服務價值減小,耕地、草地和水域的生態服務價值呈減少趨勢,林地和未利用地的生態服務價值呈增加趨勢。林地生態服務價值增加主要集中于陽高縣、萬全縣和興和縣,因為三縣境內的林地面積增加。林地和耕地對洋河流域生態服務價值變化有放大和縮小效應,是主要貢獻因子和敏感因子。

(4)1990—2013年流域各項生態服務功能價值呈1990—2000年增加,2000—2013年減小,總體減小的趨勢。洋河流域一級生態服務功能價值由大到小依次是：調節服務功能>支持服務功能>供給服務功能>文化服務功能；二級生態服務功能價值的順序：土壤形成與保護功能>生物多樣性保護>水源涵養>氣候調節>氣體調節>廢物處理>原材料生產>提供美學景觀>糧食生產。

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TemporalandspatialvariationoflanduseandtheirinfluenceonecosystemservicefunctionvaluesintheYangheWatershed,China

LUO Wei1,*，YI Haijie1，LI Hongju2，JIA Wentao2，FENG Zhaozhong1

1StatekeylaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China2LandConsolidationandRehabilitationCenterMinistryofLandandResources,Beijing100035,China

國家自然科學基金項目(41571479,41271502,C031001)；國土資源部土地整理中心外協項目：土地整治工程的生態效益評價研究(2017-20)

2016- 05- 18; < class="emphasis_bold">網絡出版日期

日期:2017- 03- 27

*通訊作者Corresponding author.E-mail: luow@rcees.ac.cn

10.5846/stxb201605180962

羅維，易海杰，李紅舉，賈文濤，馮兆忠.洋河流域土地利用時空變異及其對生態服務功能價值的影響.生態學報,2017,37(16):5342- 5351.

Luo W, Yi H J, Li H J, Jia W T, Feng Z Z.Temporal and spatial variation of land use and their influence on ecosystem service function values in the Yanghe Watershed, China.Acta Ecologica Sinica,2017,37(16):5342- 5351.