近10 a京津冀地區生態服務功能變化

徐志濤, 陳鵬飛, 周世健

(1.東華理工大學, 測繪工程學院, 江西 南昌 330013; 2.中國科學院地理科學與資源研究所 資源與環境信息系統國家重點實驗室, 北京 100101;3.白洋淀流域生態保護與京津冀可持續發展協同創新中心, 河北 保定071002; 4.南昌航空大學, 江西 南昌 330063)

生態系統服務功能是指人類從生態系統獲得的所有惠益，包括供給服務(如提供食物和水)、調節服務(如控制洪水和疾病)、文化服務(如精神、娛樂和文化收益)以及支持服務(如維持地球生命生存環境的養分循環)[1-3]。研究生態系統服務功能的變化及其影響因素，對合理利用自然資源，支撐區域可持續發展政策的制定具有重要意義。生態系統服務功能的變化受自然要素和人為活動的綜合影響，且隨著人類科技水平的日益提高，人為活動的影響愈來愈起主導作用。人類活動作用于生態系統最直接的方式就是改變土地利用方式。自20世紀70年代末改革開放以來，由于社會、經濟、技術和制度的影響，中國土地覆被狀況發生了很大變化[4]。京津冀首都經濟圈城市密集，經濟發展活躍，被視為繼長三角、珠三角之后第3個最具活力的城市群[5]。與此同時，人文活動對自然生態系統的干擾強度大，土地覆被狀況變化顯著。土地覆被狀況的改變，必將引起生態服務功能的改變[6-8]，從而影響人們的生產和生活環境。

針對區域生態服務功能變化，學者們開展了大量研究[9-13]。劉金龍等[14]在定義生態系統服務脆弱性的基礎上,計算了2001—2009年京津冀地區的生態系統服務價值，利用土地利用/覆被數據和生態服務價值數據進行脆弱性分析；孫文博等[15]基于1990—2010年京津冀地區不同生態系統類型面積數據計算京津冀生態服務價值，并利用生態系統服務價值和GDP數據對比分析了北京、天津、河北的生態系統服務利用效率及其變化規律；張彪等[16]利用2010年土地覆被數據分析了首都生態圈的土地覆被和生態服務價值空間分布特征；李超等[17]利用1996，2001，2006，2011年4期土地覆被數據在動態度和相對變化率兩方面對環京津地區土地生態服務價值時空分異特征進行了分析。上述研究分析了京津冀地區的生態服務價值，為區域發展方針制定提供了很好的參考。但是它們在涉及土地覆被變化對生態服務價值影響方面的研究不足，并且缺乏2010年之后生態服務變化分析，而這些年該區域生態環境與經濟建設不斷發生著變化。

本文擬通過研究近10 a京津冀地區土地覆被變化影響下的生態服務價值變化，分析該區域生態服務功能變化的主導土地覆被轉換類型及主導因素，以期為規劃實施差異化生態修復和保育工程、建立生態補償機制提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

京津冀地區位于黃河下游以北，地處東經113°09′—119°53′,北緯36°04′—42°37′。包含北京、天津、河北3個省市，面積約為2.16×105km2。地勢由西北向東南逐漸傾斜，西北部多為高原、山地、丘陵，東南部以及中部為平原[18]。分布較廣且面積較大的土壤類型主要有褐土、潮土和棕壤，該區域為典型的溫帶半濕潤半干旱大陸性季風氣候，年均降雨量約為507 mm，分布較廣的植被類型為草地、常綠針葉林和落葉闊葉林。壩上地區年均氣溫在1.8～7.0 ℃，中南大部都在11.2～13.9 ℃[19-20]。

1.2 數據收集與制作

本文收集的數據分為遙感數據和社會經濟數據兩大部分。其中遙感數據作為基礎數據源，用于影像解譯，獲取土地覆被數據。社會經濟數據的作用在于計算京津冀地區生態服務價值當量因子表以及單位當量因子價值。

1.2.1 土地覆被數據 本研究根據需要制作了2005和2015年京津冀地區的土地覆被數據，所用分類體系如表1所示。采用的數據源為30分辨率TM/OLI遙感影像，采用的分類方法是人機交互解譯。解譯后，基于2015年地面調查數據和Google Earth 高分辨率影像對計算結果進行精度評價。

表1 京津冀地區土地覆被分類體系

1.2.2 社會經濟數據 依據對生態服務價值模型修正需要，參考2005和2015年《河北省農村統計年鑒》《北京統計年鑒》《天津統計年鑒》，收集京津冀地區研究始末的主要糧食種植面積、糧食產量；通過中華糧網收集2005和2015年小麥、玉米的全國均價。此外，還收集了政府部門發布的相關經濟政策、生態政策等信息，以分析引起生態服務價值等變化的驅動力。

1.3 研究方法

由于土地覆被變化是引起京津冀近10 a生態服務價值變化的主導因素，因此本研究先分析了研究區土地覆被變化情況及成因，再分析生態服務功能的變化，最后將生態服務功能變化與土地覆被變化相聯系確定引起生態服務功能變化的主導因素。

1.3.1 土地覆被變化分析 基于兩期土地覆被數據，開展對比分析、土地類型轉移矩陣[21]分析公式(1)，定量分析京津冀地區土地覆被變化情況及驅動力，隨后開展土地覆被變化疊合度分析[22]公式(2)揭示該區域土地覆被類型變化劇烈程度，并開展土地覆被變化主導程度分析[22]公式(3)其目的在于揭示該地區土地覆被轉換方式的主要類型[23]，最終服務于分析生態服務價值變化的主要因子。

(1)

式中：Zab——研究期始末土地覆被類型a變化為類型b的面積(km2)；m——研究區土地覆被一級類數量，本文m=7。

H=A/M×100%

(2)

式中：H——土地覆被變化疊合度(hm2)；M——研究區土地總面積(hm2)；A——所有土地覆被轉換方式轉化面積總和(hm2)。

Di=Ai/A×100%

(3)

式中：Di——第i種土地覆被轉換方式在所有土地覆被轉換方式中的主導程度；Ai——第i類轉換方式的轉化面積(hm2)。

1.3.2 生態服務功能評價 20世紀90年代末Costanza等[9]在生態系統服務價值評估方法的研究中取得突破性進展，提出了全球生態服務價值模型。謝高地等[24]在Costanza的基礎上改進得到適用于中國的生態服務價值當量表。由于生態系統及其服務類型的空間異質性，區域尺度的研究存在一定誤差，因此本研究采用“以農田為基準地區修正法”[25]公式(4)和(5)對謝高地的生態服務價值模型進行修正，得到適用于京津冀地區的生態系統單位面積生態服務價值(表2)，并采用“敏感性指數”[26]公式(6)檢驗模型修正的合理性。最后，利用公式(7)和(8)計算每一類生態服務功能價值和生態系統服務總價值。

(4)

式中：W——單位當量因子價值(元/hm2)；e——研究區主要糧食作物種類，本文研究區主要糧食作物為玉米和小麥；N——糧食種植總面積(hm2)；ok，pk和qk——研究區第k類糧食種植面積(hm2)、均價(元)和單產(kg/hm2)(選用2005，2015年數據取平均)。

Cj=B/B1×C0j(j=1,2,…,m)

(5)

式中：Cj——第j種土地覆被類型修正后的生態服務價值當量；B——研究區糧食單產；B1——全國平均糧食單產(2005，2015年數據區平均)；C0j——第j種土地覆被類型在中國生態服務價值當量表[25]中的數值。

(6)

式中：MZj——第j類土地覆被類型敏感性指數； DJjh，ZJjh——第j類土地覆被類型單位面積生態服務價值調整后的價值和研究區生態服務總價值(參照Kreuter等[27]研究選用50%作為敏感性分析時參數調整幅度)； DJjq，ZJjq——未調整時第j類土地覆被類型單位面積生態服務價值和研究區生態服務總價值。

(7)

式中：Jf——第f種生態服務功能類型的價值(元/hm2)；c——生態服務功能類型數量；Sj——第j種土地覆被類型面積(hm2)；Jjf——第j種土地覆被類型對應的第f種生態服務功能單位面積價值(元/hm2)。

(8)

式中：J——研究區生態服務總價值(元/hm2)；d——生態服務功能類型的數量。

表2 京津冀地區生態系統單位面積生態服務價值 元/hm2

2 結果與分析

2.1 京津冀土地覆被變化分析

2.1.1 土地覆被數據精度驗證 由于2005年的Google影像以及實地數據缺失，并且2005和2015年兩期影像采用同樣方法制作，所以在驗證土地覆被數據精度時僅對2015年解譯數據進行精度驗證。基于地面采集驗證樣點(299個)和從谷歌影像選取的驗證樣點(293個)對2015年土地覆被分類結果進行驗證Kappa系數和總體分類精度分別為0.76，80.47%，精度滿足本文研究需要。

2.1.2 土地覆被時空變化及驅動力分析 利用土地覆被轉移矩陣和ArcGIS疊置分析功能分析研究區土地覆被變化，得到2005—2015年京津冀地區土地覆被類轉換關系如表3所示。結合京津冀生態環境支撐區區劃(圖1)[28],分析得到2005—2015年京津冀地區5大分區土地覆被變化情況如表3所示。通過研究表明，2005—2015京津冀地區土地覆被變化顯著，且具有明顯的時空特征(圖2，表3和表4)。

表3 2005-2015年京津冀地區土地覆被轉移矩陣 km2

圖1 京津冀地區生態環境支撐區劃

(1) 林地、水體、建設用地面積均有增加。在2005—2015年期間，林地面積增加量最大，面積從45 109.64 km2增加至76 385.37 km2，增幅高達69.33%，年均增加量為3 127.57 km2，主要受草地—林地、耕地—林地相互轉化的影響，且其變化91.97%集中在燕山—太行山生態涵養區。林地面積變化主要受到政策因素的影響：20世紀80年代以來，京津冀地區廣泛開展山水林田湖生態修復，實施綠色攻堅工程，持續開展“太行山綠化”、“三北防護林”，沿海防護林，京津風沙源治理、退耕還林等生態建設工程，促使林地面積快速增加[29]。水體面積略有增加，其變化受到耕地—水體、濕地—水體、水體—濕地、水體—建筑用地相互轉化的影響。水體面積從4 684.68 km2增加至4 700.20 km2，增幅為0.33%，年均增加量為1.55 km2，其面積增減大都集中在海岸海域生態防護區、燕山—太行山生態涵養區和京津保中心區生態過渡帶地區。水體面積受到積極的政策因素和消極的經濟人口因素的雙重影響：白洋淀和衡水湖生態環境治理工程、“南水北調”工程、引黃入冀補淀工程的實施促使京津冀可用水資源增加，但工業化、城鎮化進程消耗了大量的水資源。建設用地增加，主要由耕地轉化而來。建設用地面積從13 616.38 km2增加至21 284.88 km2，增幅為56.32%，年均增加量為766.85 km2，其變化71.77%集中在京津保地區和低平原地區的城市周邊。建設用地面積變化主要受京津冀經濟發展和城鎮化建設的影響：區域經濟發展促使交通用地、工礦用地增加，而城鎮化建設工作的穩步推進促使城鎮建設用地增加。

(2) 草地、未利用地、耕地、濕地面積減少。草地面積減少量最大，主要轉化為林地、耕地，其轉換面積分別為23 242.11，6 844.69 km2。面積從39 666.18 km2減少至13 016.34 km2，減幅為67.19%，年均減少量為2 664.98 km2。其面積變化88.80%集中在燕山—太行山生態涵養區。草地面積變化主要受到政策因素和經濟因素的雙重影響：農民為了獲得更大的經濟效益而大面積開墾草地，種植經濟作物；植樹造林等生態工程將大量草地轉化為林地。未利用地面積減少，主要轉化為耕地和林地。面積從795.15 km2減少至46.45 km2，減幅高達94.16%，年均減少量為74.87 km2，其變化無明顯區域性特征。未利用地面積變化受到了人口、經濟、政策因素的多重影響：隨著人口的增加，人地矛盾加劇，再加上經濟的刺激、生態工程的建設都促進了未利用地的開發利用。耕地面積減少，主要轉化為林地、建設用地、草地，轉換面積分別為11 362.36，7 044.27，1 803.63 km2。耕地面積從109 090.49 km2減少至98 999.19 km2，減幅為9.25%，年均減少量為1 009.13 km2，其減少主要集中在京津保和低平原的城鄉周邊以及燕山—太行山生態涵養區。耕地面積減少主要受到退耕還林還草工程和城鎮化建設的影響。濕地面積減少，主要轉化為草地、耕地、水體、林地，轉換面積分別為616.34，379.26，312.29，295.99 km2。濕地面積從2 242.44 km2減少至772.54 km2，減幅高達65.55%，年均減少量為146.99 km2，其變化主要集中在壩上高原、燕山—太行山和海岸海域地區。濕地面積減少主要是受人口、經濟因素影響：隨著人口持

續增長和經濟發展(尤其是環渤海地區)，水資源承載壓力增加，上游水庫數量增加、超采地下水以及不合理使用水資源等加劇了海河流域的水資源短缺；受經濟利益驅使人為對濕地開墾與改造(燕山—太行山)，成為濕地面積減少甚至消失的主要原因[30]。

圖2 2005,2015年京津冀各土地覆被類型面積

利用土地覆被變化疊合度分析研究區2005—2015年土地覆被類型變化劇烈程度。結果顯示京津冀地區的土地覆被變化疊合度高達27.66%，土地覆被類型變化劇烈；再利用主導程度公式分析主要的土地覆被轉換方式，按主導程度大小依次排序取前6個分別為：草地轉化為林地、耕地轉化為林地、耕地轉化為建設用地、草地轉化為耕地、林地轉化為耕地、耕地轉化為草地，其大小分別為:39.04%，19.09%，11.83%，11.50%，4.20%，3.03%，合計高達88.69%。

表4 2005-2015年京津冀5大分區土地覆被變化面積 km2

2.2 京津冀生態服務價值評價

2.2.1 生態服務評價敏感性分析 京津冀地區單位面積土地覆被類型生態服務評價敏感性分析如表5所示。

表5 京津冀地區單位面積土地覆被類型生態服務評價敏感性分析

如前所述敏感性分析時，當各地類所有年份的敏感性指數均小于1，則認為修正后的單位面積生態系統生態服務價值是合理的。從表5可以看出，京津冀地區生態服務價值修正合理，研究結果可靠。

2.2.2 生態服務價值變化分析 從表6可以看出2005—2015年京津冀地區總體生態服務價值由2005年的4 094.35億元增長為2015年的4 662.58億元，漲幅約為13.89%。總體表明京津冀地區生態環境質量稍有改善。從各單項生態服務價值看，它們有增有減：食物生產、廢物處理功能生態服務價值減少，其余功能均呈現增加趨勢。其中，食物生產、廢物處理的減少較小，年均減少2億元左右，變化率分別為10.01%和4.40%；氣體調節功能的增加最大，從2005年的474.66億元增加為2015年的592.07億元，年均變化高達11.74億元，變化率為26.24%；原材料生產、維持土壤多樣性增加量次之，年均變化均在11億元左右，變化率分別為40.87%和19.42%；水文調節、氣候調節和保持土壤功能變化適中，年均變化依次為8.37，7.79和6.71億元，變化率分別為14.45%，15.20%，11.85%；提供美學景觀功能生態服務價值增加量最少，由2005年的250.12億元增加到2015年的296.30億元，年均變化4.62億元，變化率為20.92%。

表6 2005-2015年京津冀地區各單項生態服務價值

2.2.3 生態服務價值主導因素分析 京津冀地區土地覆被變化對生態服務價值的影響如表7所示。其中： ①林地面積增長最多，同時也帶來了最多的生態服務價值增長，由2005年的1 766.91億元增加到2015年的2 991.96億元，年均增加122.51億元，累計漲幅為69.33%，對總體生態服務價值影響最大； ②水體面積增長最小，相應帶來的生態服務價值變化最小，年均增加僅有0.10億元，累計漲幅不足0.34%； ③草地面積減少最多，導致相應的生態服務價值呈減小趨勢且減少量最大，由2005年的644.80億元減少為2015年的211.59億元，年均減少43.32億元，累計跌幅為67.19%； ④耕地面積減少量次之，耕地生態服務價值年均減少11.11億元，累計跌幅為9.25%； ⑤濕地面積減少導致的濕地生態服務價值變化較為劇烈，年均減少11.21億元，累計跌幅為65.55%； ⑥未利用地面積減少最小，其帶來了年均1.45億元生態服務價值減少量，對總體生態服務價值影響最小。由此可知，京津冀地區生態服務總價值變化主要受到林地和草地面積變化的影響。

表7 2005-2015年京津冀地區各土地覆被類型生態服務價值

通過表8進一步分析可以看出原材料生產、氣體調節、氣候調節、水文調節、保持土壤、維護生物多樣性和提供美學景觀等方面生態服務價值的增加直接受益于林地面積的增長；耕地的大量減少是食物生產生態服務價值減少的主要原因；草地、濕地和耕地面積的急劇縮小直接導致了廢物處理生態服務價值降低。進一步，結合土地覆被轉換主導程度分析可知：草地轉變為林地、耕地轉變為林地、耕地轉變為草地為導致研究區生態服務價值增加的主要土地覆被轉換方式。聯系土地覆被變化驅動力分析，說明了京津冀地區生態服務價值變化主導因素為生態政策因素，如研究區開展的山水林田湖生態修復工程、“太行山綠化”、“三北防護林”、沿海防護林、京津風沙源治理、退耕還林還草工程等生態建設工程。

表8 京津冀土地覆被變化下的各單項生態服務功能價值變化 億元

3 討論與結論

(1) 相對于已有研究報道，本研究基于京津冀生態環境支撐區劃對京津冀土地覆被變化進行了更詳細的時空分析，結果顯示林地、水體、建設用地面積均有增加，草地、未利用地、耕地、濕地面積減少。其中林草面積變化主要集中在燕山—太行山生態涵養區、建設用地增加主要集中在京津保地區和低平原地區的城市周邊。同時可以發現土地覆被變化主要類型為：草地轉化為林地、耕地轉化為林地、耕地轉化為建設用地、草地轉化為耕地、林地轉化為耕地、耕地轉化為草地。這表明，京津冀地區在城市快速擴張的同時注重生態文明建設，土地覆被變化劇烈。

(2) 土地覆被變化顯著影響了京津冀地區生態服務價值的變化趨勢和空間分布。分析結果表明，2005—2015年京津冀地區食物生產、廢物處理功能生態服務價值呈減少趨勢；氣體調節、原材料生產、維持土壤多樣性、水文調節、氣候調節、保持土壤功能和提供美學景觀功能生態服務價值呈現增加趨勢，總體上，生態服務價值總量呈增加趨勢。它主要受到林地和草地面積變化的積極影響，生態服務價值變化主導因素為生態政策因素。這表明，中國近10 a在京津冀地區采取的一系列生態工程取得了顯著成果，生態環境質量呈改善趨勢。結合土地覆被數據，該研究成果可為京津冀進一步規劃實施差異化生態修復和保育工程、建立生態補償機制提供參考。

本文對京津冀地區土地覆被變化規律及其影響下的生態服務價值變化進行了分析，了解了該地區土地覆被和生態服務價值的空間分布規律及變化趨勢，但對人口、經濟、政策等對二者的影響缺乏定量分析，在將來的研究中有待完善。