白洋淀流域土地覆被變化及其生態服務價值評價

徐志濤, 陳鵬飛 , 周世健, 諸云強, 石雅嬌

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白洋淀流域土地覆被變化及其生態服務價值評價

徐志濤1,2, 陳鵬飛1,3,*, 周世健4, 諸云強1,3, 石雅嬌1

1. 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 2. 東華理工大學, 測繪工程學院, 南昌 330013 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, 南昌 330063

白洋淀流域處于京津腹地, 經濟、生態戰略地位顯要, 研究其土地覆被變化規律及它引起的生態系統服務價值變化具有重要意義。文章研究了白洋淀流域2005—2015年土地覆被的變化情況, 并對其引起的生態系統服務價值的變化進行分析。為此, 收集了該區域2005年、2015年兩個時間段TM/OLI遙感影像, 解譯出相應的土地覆被數據, 從兩個時期土地覆被變化的趨勢、轉換關系及土地利用程度等方面對土地覆被變化規律進行分析, 并進一步分析不同土地覆被類型變化對當地生態服務價值的影響。結果表明: 2005—2015年間流域內土地覆被顯著變化, 草地、未利用地的面積呈減少趨勢, 林地、耕地、建設用地、濕地水體呈增加趨勢, 土地利用程度增加; 生態服務價值隨土地覆被變化有所改變, 林地、耕地、濕地水體的變化導致生態服務價值增加, 草地的變化導致生態服務價值減少。總體而言, 近10年來白洋淀流域生態服務總價值增加, 生態環境明顯改善。

生態服務價值; 土地覆被; 白洋淀流域; 遙感

1 前言

土地覆被變化是陸地表層系統最重要的變化之一, 它是全球環境和陸地生態系統變化的重要組成部分及造成其變化的重要原因[1–2]。它直接影響全球生物圈、水圈、大氣圈的功能和結構以及全球生態的物質能量循環[3]。生態系統服務是生態系統通過其獨有的功能、結構和變化為人類提供物質產品、承擔氣候調節等的服務[4–6]。土地覆被變化必然會對生態系統的結構和功能產生影響, 從而影響生態系統提供服務的種類和程度, 進一步影響人類的生存環境[7]。因此, 研究土地覆被變化規律及其引起的生態系統服務價值變化具有重要意義。

白洋淀流域處于京津腹地, 生態戰略地位顯要, 特別是其中下游的白洋淀是華北地區最大的淡水濕地, 被譽為“華北之腎”。由于受自然條件和人類活動的影響, 白洋淀流域生態環境在不斷發生著變化[8]。為落實《京津冀生態環境支撐區規劃(2016—2020 年)》, 保護白洋淀地區生物多樣性, 促進區域經濟可持續發展, 迫切需要研究近年來白洋淀流域土地覆被變化規律及其影響下的生態服務價值狀況, 為生態環境保護決策、管理和執法提供數據支持。

韓美清等[8]采用2005年土地覆被數據對白洋淀流域生態環境狀況進行了評價。張素珍和李貴寶[9]評價了2002年白洋淀濕地的生態服務價值。劉豐等[10]分析了白洋淀1987—2007年間的土地覆被變化規律以及其對水質的影響。江波等[11]基于統計年鑒數據評估了白洋淀濕地在2011年的生態服務價值。這些研究對2011年之前白洋淀地區土地覆被狀況變化情況進行了很好分析, 但對土地覆被變化影響下的生態系統服務價值變化未做系統研究, 多是對單一年份的白洋淀地區生態系統服務價值做評估。另外, 近些年來白洋淀地區實行了濕地保護政策, 土地覆被情況又有所變化。因此, 本研究基于遙感和地理信息系統技術, 對2005—2015年間白洋淀地區的土地覆被變化情況進行系統分析, 并定量評價由其帶來的生態服務價值變化。

2 材料與方法

2.1 研究區概況

白洋淀流域位于華北平原中部, 地處東經113° 39￠—116°11￠, 北緯 39°04￠—40°04￠之間, 跨河北、山西兩省和北京市的38個市縣, 流域面積約31200平方公里[12]。該區域屬于暖溫帶大陸季風性氣候, 年平均降雨量為563.9 mm, 年平均氣溫為9.9 ℃[13]。土壤類型主要有褐土和潮土, 植被類型主要有落葉闊葉林、常綠針葉林、草地等。

2.2 數據收集

本文收集的數據主要包括遙感數據和社會經濟數據。其中, 遙感數據主要用于研究區土地覆被解譯; 社會經濟數據主要用于白洋淀地區生態服務價值的單位當量因子價值計算和當量因子表修正。

2.2.1 遙感數據

考慮研究區大小和土地覆被解譯精度要求, 收集白洋淀流域30米分辨率TM/OLI影像作為土地覆被解譯的遙感數據源。結合影像質量和云量, 合計獲取流域內2005年和2015年夏、冬季TM/OLI遙感影像共14景。

2.2.2 社會經濟數據

白洋淀流域大部分位于保定市境內, 剩余部分主要位于靈丘縣、涿鹿縣和北京房山區, 合計占流域面積約82.4%。因此本研究主要收集了保定市、靈丘縣、涿鹿縣和北京房山區的社會經濟數據。通過部門官網查詢、年鑒查閱等方式獲取保定市、靈丘縣、涿鹿縣和北京房山區2005年、2015年的相關社會經濟數據。

2.3 數據分析方法

2.3.1 土地覆被數據分類體系及解譯

考慮白洋淀流域的特征, 為更好的與生態服務價值研究相結合, 本研究采用的分類體系如表1所示, 共分為6個一級類, 15個二級類。土地覆被數據的解譯主要采用計算機自動分類與人工目視解譯相結合的手段方式進行。

表1 本研究使用的分類體系

2.3.2 土地覆被遙感解譯結果驗證

對于土地覆被數據的驗證主要通過Google高分辨率影像進行。考慮到2005, 2015年土地覆被數據采用相同方法制作, 且2005年無Google高分辨率影像。在此, 僅對2015年數據進行驗證以代表數據的整體精度。根據解譯結果, 按照各地類面積和破碎度, 隨機布設驗證樣點216個。統計總體分類精度和Kappa系數來衡量解譯精度, 它們的計算方法參見趙英時[14]。

2.3.3 土地覆被變化規律研究

基于趨勢分析、土地利用動態度分析、轉移矩陣分析、土地利用程度分析等手段, 從土地覆被變化趨勢、速率、轉換關系、總體利用程度等方面分析流域內土地覆被變化情況。其中, 土地利用動態度參照王秀蘭等的方法計算, 公式如(1)所示; 土地類型轉移矩陣采用劉瑞[15]等的方法計算, 公式如(2)所示; 土地利用程度采用劉紀遠[16]的方法進行, 土地利用程度分級如表2所示, 計算公式如(3)所示。

式中:為研究期間某一土地覆被類型年變化率, 即動態度;V、V分別為研究初期和末期土地覆被類型的面積;為研究年跨度。

式中:J為某一時間段內土地覆被類型轉化成的面積;是流域內土地覆被類型數量。

式中:是土地利用程度指數;B為第級土地利用分級指數;E為第級土地利用類型面積占總面積的百分比;為分級數。

2.3.4 生態服務價值評價

謝高地[17]在Costanza[18]的生態服務價值模型的基礎上, 采用對國內生態學者進行問卷調查的方法對該模型進行修正, 得到適用于我國的生態系統生態服務價值當量因子表, 并且計算了單位當量因子價值和中國陸地各個生態區的單位面積生態服務價值。但謝高地的當量因子表為全國平均水平, 相對于區域研究并不精確。參考張志強等[19]的研究, 本文在評估白洋淀流域生態服務價值時, 采用公式(4)對生態服務價值的單位當量因子進行了修正, 并用公式(5)、(6)對當量因子表進行了修正。修正后白洋淀流域單位面積各土地覆被類型生態服務價值如表3所示。為確保當量因子表修正的合理性, 采用式(7)對各種地類的單位面積生態服務價值進行敏感性分析[20]。另外, 單項服務價值、生態系統服務總價值的公式如(8)、(9)所示。

式中:G(元·hm?2)為單位當量因子價值, 即每公頃農田能夠提供的生態服務價值中食物生產功能的價值; 1/7表示在無人類干預情況下自然生態所提供的經濟價值等于1/7倍的現有單位面積農田能夠提供的食物生產價值;為流域內作物種類;(hm2)為所有糧食種植總面積;n(hm2)為第類糧食面積;p(元·kg–1)為第類糧食均價;q(kg·hm–2)為第類糧食單產。白洋淀地區主要糧食作物是玉米和小麥, 面積占80%以上, 主要基于這兩種作物的相關信息來進行計算。

表2 土地利用程度分級

表3 白洋淀流域單位面積生態系統生態服務價值(元·hm–2)

A=λ×0j(j=1, 2, …,) (6)

式中:為當量因子表修訂系數;、H為白洋淀、全國平均耕地單產;A為修正后的第種土地利用類型的生態服務價值當量;A為中國生態服務價值當量因子表[17]中第種土地覆被類型對應的值。

式中:MZ為第類地物單位面積生態服務價值調整50%后的敏感性指數(Kreuter[21]首次將經濟彈性概念引入生態服務價值敏感性分析, 他綜合系統誤差和大量實地數據選用50%作為敏感性分析時參數調整幅度, 而后大量相關研究采用該方法);MZ<１表示因子表修正合理;MZ>１表示因子表修正不合適;FJ為第類土地覆被類型單位面積生態服務價值調整之后的生態服務總價值;FJ為第類土地覆被類型調整之前的生態服務總價值;VC為單位面積生態服務價值調整之前第種土地覆被類型的單位面積生態服務價值;VC為單位面積生態服務價值調整之后第種土地覆被類型的單位面積生態服務價值。

式中:FJ為第類生態服務功能的服務價值;C(hm2)為第類土地類型面積;VC(元·hm?2)為單位面積第類土地類型的第類生態服務功能價值。

式中:為生態系統服務總價值;C(hm2)為第類土地類型面積;VC為第類土地類型單位面積的生態服務價值。

3 結果與分析

3.1 土地覆被變化規律分析

3.1.1 土地覆被分類結果

流域內2005, 2015年的土地覆被分類結果見圖1。基于采用驗證樣點數據對2015年土地覆被數據驗證, 結果表明數據的總體分類精度為86.57%, Kappa系數為0.85, 分類精度滿足研究需求。

3.1.2 變化趨勢分析

2005—2015年流域內各地類發生顯著變化, 其中林地與草地變化最為明顯(圖2)。林地面積從7220.25 km2增加至12485.69 km2, 增幅高達72.93%, 年均變化率為7.29%。林地面積變化主要受到區域政策變化的影響。20世紀80年代以來, “太行山綠化”、“三北防護林”等生態建設工程的實施, 促使白洋淀流域林地面積迅速增加。草地面積從8828.12 km2減少至259.53 km2, 減幅高達96.87%, 年均變化率為9.69%。草地面積變化主要受到區域經濟發展和政策變化的雙重影響: 農民大面積開墾草地, 種植經濟作物, 以增加收入; 生態工程建設促使人們“植樹造林”, 將草地轉化為林地。對于其它土地利用類型, 2005—2015年, 白洋淀流域耕地面積從13254.79 km2增加到15014.42 km2, 增加13.35%, 年均變化率為1.34%; 建設用地面積從2133.57 km2增至3037.19 km2, 增幅高達42.35%, 年均變化率為4.24%; 濕地水體面積從250.69km2增加到352.04 km2, 增加42.35%, 年均變化為4.24%; 未利用地面積從16.4 km2減少至8.54 km2, 減幅為63.66%, 年均為變化率6.37%。其中, 1)耕地面積變化主要受農民墾荒影響; 2)建設用地增加主要受區域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; 3)濕地水體的增加受益于當地政府實施的白洋淀生態環境治理工程, 同時“南水北調”工程的實施為白洋淀流域提供了額外的水資源, 減輕了當地對地表水的使用。

3.1.3 轉換關系分析

利用土地覆被轉移矩陣, 結合ArcGIS空間分析功能, 得到兩個時期各土地覆被類型之間的轉換關系如表4所示。從表4可以看出, 2005—2015年草地面積變小, 主要轉化為耕地、林地、濕地水體和建設用地, 其轉換面積分別為3138.21 km2、4864.79 km2、100.60 km2和57.13 km2; 建設用地增加主要由耕地轉化而來, 轉化面積為838.10 km2; 濕地水體的變化主要受草地-濕地水體、耕地-濕地水體之間相互轉換的影響; 未利用地主要向耕地轉換。

圖1 2005(a)與2015(b)白洋淀流域土地覆被圖

圖2 2005和2015年白洋淀流域各土地覆被類型面積

表4 2005—2015年白洋淀流域土地覆被轉移矩陣(km2)

3.1.4 土地利用程度分析

2005—2015年間白洋淀地區土地利用程度綜合程度指數從256.16變化為267.67, 整體增加4.49%。雖然生態保護政策的實施, 使得林地、濕地水體面積增加, 減少了土地利用集約化程度, 但耕地、建設用地的增加, 總體上使得白洋淀地區土地利用集約化程度增加。整個研究區土地利用程度增加。

3.2 生態服務價值分析

3.2.1 生態服務價值系數敏感性分析

對白洋淀流域單位面積生態系統生態服務價值的敏感性分析見表5所示。從表中可以看出, 各地類所有年份的敏感性指數均小于1, 表明修正后的白洋淀流域單位面積生態系統生態服務價值是合適的, 研究結果可信。

3.2.2 生態服務價值變化分析

2005—2015年白洋淀流域的總體生態服務價值不斷增加, 由2005年的812.35億元增長到2015年的955.06億元, 漲幅為17.57%; 各單項生態服務價值也呈增加趨勢(表6)。這一結果表明了白洋淀流域生態環境質量在不斷提高。此外, 白洋淀流域的生態服務價值主要體現在氣體調節、氣候調節、水文調節、廢物處理、保持土壤和維護生物多樣性等方面, 它們的生態服務價值占總生態服務價值的80%以上。

表5 白洋淀流域單位面積土地覆被類型生態服務評價敏感性分析

3.2.3 土地覆被變化對服務價值影響分析

白洋淀流域生態服務價值變化主要受土地覆被變化影響(表7)。2005—2015年, 林地的生態服務價值顯著增加, 年均增長28.89億元, 累計比2005年增長72.93%; 草地的生態服務價值減少, 年均減少18.28億元, 累計比2005年減少96.87%; 耕地的生態服務價值增加, 年均增加2.72億元, 累計比2005年增加13.35%; 濕地水體的生態服務價值增加, 年均增加0.94億元, 累計比2005年增加40.43%; 未利用地的生態服務價值變化相對較小。從不同土地類型對總價值的貢獻率看, 林地、草地、耕地的變化對白洋淀流域生態服務總價值的影響最大。

表6 2005—2015年白洋淀流域各單項生態服務價值

表7 2005—2015年白洋淀流域各土地覆被類型生態服務價值

2005—2015年白洋淀流域土地覆被變化對單項生態服務價值的影響見表8所示。在各單項生態服務功能中, 原料生產功能的變化最大, 變化率達到45.46%。它主要受林地、草地、耕地變化的影響。氣體調節、氣候調節、水文調節、生物多樣性調節和提供美學景觀功能的服務價值變化次之, 變化率約在20%左右。其中, 氣體調節、氣候調節和維持生物多樣性功能的服務價值主要受林地、草地、耕地變化的影響, 年均變化在2.11—2.34億元之間; 水文調節功能的服務價值主要受林地、草地、耕地和濕地水體變化的影響, 年均變化在2.46億元; 提供美學景觀功能的服務價值主要受林地、草地變化的影響, 年均變化在0.93億元。食物生產、廢物處理和保持土壤功能的生態服務價值變化比較小, 在10%以下。其中, 食物生產和保持土壤功能的生態服務價值主要受林地、草地、耕地變化的影響, 年均變化分別為0.02億元和1.17億元; 廢物處理功能的生態服務價值主要受林地、草地、耕地和濕地水體變化的影響, 年均變化為0.47億元。

4 結論

土地覆被變化是人與自然相互作用最直接的表現形式, 是生態服務價值變化最根本的因素。基于遙感與地理信息技術, 本研究在對白洋淀流域土地覆被變化規律及其影響下的生態服務價值變化分析的基礎上, 得出如下結論: 1)2005—2015年白洋淀流域土地覆被顯著變化: 草地、未利用地的面積呈現減少趨勢; 林地、耕地、建設用地、濕地水體呈現增加趨勢。2)2005—2015年間受經濟發展、國家生態工程建設的影響, 草地向林地、耕地、濕地水體和建設用地轉化, 部分耕地轉化為建設用地, 土地總體利用程度增加。3)2005—2015年白洋淀流域生態服務總價值及各單項功能服務價值均受土地覆被變化的影響。其中, 林地、耕地、濕地水體的變化導致生態服務價值的增加, 而草地的變化導致生態服務價值的減少。總的來說, 土地覆被變化使得生態服務總價值及各單項功能服務價值均增加, 白洋淀流域生態環境向著健康方向發展。

表8 白洋淀流域土地覆被變化下的各單項生態服務功能價值變化表(億元)

[1] ZHAO Y, LIU Z, XU L. Changes of landscape pattern and its influence on environment in Dongling District, Shenyang City, China[J]. Jourmal of Environmental Sciences, 1998, 8(4): 466–473.

[2] TURNER B L, MEYER W B, SKOLE D L. Global Land-Use/Land-Cover Change: Towards an Integrated Study[J]. Ambio, 1994, 23(1): 91–95.

[3] 陳佑啟, 楊鵬. 國際上土地利用/覆被變化進展[J]. 經濟地理, 2001, 21(1): 95–96.

[4] 謝高地, 張彩霞, 張雷明, 等. 基于單位面積價值當量因子的生態系統服務價值化方法改進[J]. 自然資源學報, 2015, 30(8): 1243–1254.

[5] GROOT R S D, WILSON M A, BOUMANS R M J. A typology for the classification, description and valuation of ecosystems functions, goods and services. Ecological Economics[J]. 2002, 41(3): 393–408.

[6] EGOH B, REYERS B, ROUGET M, et al. Spatial congruence between biodiversity and ecosystem services in South Africa[J]. Biological Conservation, 2009, 142(3): 553–562.

[7] 石龍宇, 崔勝輝, 尹鍇, 等. 廈門市土地利用/覆被變化對生態系統服務的影響[J]. 地理學報, 2010, 65(06): 708– 714.

[8] 韓美清, 王路光, 王靖飛, 等. 基于GIS的白洋淀流域生態環境評價[J]. 中國生態農業學報, 2007, 15(3): 169– 171.

[9] 張素珍, 李貴寶. 白洋淀濕地生態服務功能及價值估算[J]. 南水北調與水利科技, 2005, 12(4): 22–25.

[10] 劉豐, 劉靜玲, 張婷, 等. 白洋淀近20年土地利用變化及其對水質的影響[J]. 農業環境科學學報, 2010, 29(10): 1868–1875.

[11] 江波, 陳媛媛, 肖洋, 等. 白洋淀濕地生態系統最終服務價值評估[J]. 生態學報, 2017, 37(8): 2497–2505.

[12] 白楊, 鄭華, 莊長偉, 等. 白洋淀流域生態系統服務評估及其調控[J]. 生態學報, 2013, 33(3): 711–717.

[13] 王潔, 徐宗學. 白洋淀流域氣溫與降水量長期變化趨勢及其持續性分析[J]. 資源科學, 2009, 31(9): 1498–1505.

[14] 趙英時. 遙感應用分析原理與方法(第二版)[M]. 北京:科學出版社, 2013.

[15] 劉瑞, 朱道林. 基于轉移矩陣的土地利用變化信息挖掘方法探討[J]. 資源科學, 2010, 32(8): 1544–1550.

[16] 劉紀遠. 西藏自治區土地利用[M]. 北京: 科學出版社, 1992.

[17] 謝高地, 甄霖, 魯春霞, 等. 一個基于專家知識的生態系統服務價值化方法[J]. 自然資源學報, 2008, 23(5): 911– 919.

[18] COSTANZA R, D’ARGE R, DE GROOT R, et al. The value of the world’s ecosystem services and natural capital[J]. Nature, 1997, 387: 253–260.

[19] 張志強, 陳鵬飛, 申維. 長武縣土地利用/覆被演變規律及其影響下生態服務價值變化研究[J]. 水土保持研究, 2017, 24(4): 219–226, 233.

[20] 岳書平, 張樹文, 閆業超. 東北樣帶土地利用變化對生態服務價值的影響[J]. 地理學報, 2007, 62(8): 879–886.

[21] KREUTER U P, HARRIS H G, MATLOCK M D, et al. Change in ecosystem service values in the San Antonio area, Texas[J]. Ecological Economics, 2001, 39(3): 333–346.

Study on land cover change and its impact on ecological services in Baiyangdian watershed

Xu Zhitao1,2, CHEN Pengfei1,3*, ZHOU Shijian4, ZHU Yunqiang1,3, SHI Yajiao1

1. State Key Lab of Resources and Environment Information System, Institute of Geographic Science and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China 2. Faculty of Geomatics, East China University of Technology, Nanchang 330013, China 3.Collaborative Innovation Center for Ecological Protection of Baiyangdian Watershed and Sustainable Development of Beijing, Tianjing and Hebei, Baoding 071002, China 4. Nanchang Hangkong University, Nanchang 330036, China

Baiyangdian watershed is located in the hinterland of Beijing and Tianjin. Its economic and ecological status is very important to this region. Thus, it is very important to study the discipline of land cover change and its impact on ecosystem service. The study analyzed the changes of land cover in the Baiyangdian watershed during year 2005 to 2015 and the corresponding ecosystem service change. For this purpose, the TM / OLI images in year 2005 and 2015 were collected, and then they were used to identify the land cover type in each year. The above land cover data from two periods were analyzed for the trend of changes, relationship of mutual conversion, and extends of land usage. Furthermore, the impact of land cover change on the ecological service was also analyzed. The results showed that the land cover was significantly changed from 2005 to 2015, with the area of grassland and unused land decreasing and the area of forest land, cultivated land, construction land and wetland increasing. The total land use degree was increased. The value of ecological service was changed with the change of land cover. The change of forest land, farmland and wetland caused ecological service increasing, while the change of grassland led to ecological services decreasing. Overall, in recent decades, the total value of ecological service in Baiyangdian watershed was increased, resulting in significantly improvement of ecological environment.

ecological services; land cover; Baiyangdian watershed; remote sensing

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.06.011

F301.24; P237

A

1008-8873(2018)06-083-08

2018-11-05;

2017-12-23

國家科技基礎性工作專項(2014FY210150); 資源與環境信息系統國家重點實驗室自主部署項目(O8R8B670YA)

徐志濤(1993—), 男, 江西撫州人, 研究生, 研究方向為攝影測量與遙感, E-mail: hello-xuzhitao@qq.com

陳鵬飛, 男, 博士, 副研究員, 主要從事遙感應用研究, E-mail: pengfeichen@igsnrr.ac.cn

徐志濤, 陳鵬飛, 周世健, 等. 白洋淀流域土地覆被變化及其生態服務價值評價[J]. 生態科學, 2018, 37(6): 83-90.

XU Zhitao, CHEN Pengfei, ZHOU Shijian, et al. Study on land cover change and its impact on ecological services in Baiyangdian watershed[J]. Ecological Science, 2018, 37(6): 83-90.