滹沱河上游地區土地利用變化對生態系統服務價值的影響

李曉 鄭慶榮 胡硯秋 高艷珍 羅淑政

摘 要：以滹沱河上游地區2005、2010、2015、2018年4期遙感影像為數據源，采用土地利用動態度、價值當量因子法、敏感性指數等指標評估生態系統服務價值，分析土地利用變化對生態系統服務價值的影響。結果表明：（1）2005—2018年研究區土地利用變化最大的為建設用地，動態度為5.80%，面積增加了25337.52hm2;其次為草地和未利用地，動態度分別為-0.27%和-0.20%，處于減少狀態。（2）土地利用面積轉移中，耕地轉為建設用地最多，達12506.01hm2;其次為草地轉為建設用地，為9734.03hm2。（3）單項生態系統服務價值以林地最大，貢獻率在48%以上;其次為草地，達26%以上，兩者占比合計超過75%，說明林地和草地是維持研究區生態服務功能的主體。生態系統服務功能以土壤形成與保護、廢物處理、水源涵養和生物多樣性功能為主，占比高達62%，食物生產和娛樂文化功能的價值最低。（4）2005—2018年研究區綜合生態系統服務價值呈輕微減少趨勢，變化率為-1.37%，減少了236.16×106元。其中草地減少最多，變化率為-3.55%，減少了166.12×106元。因此，必須重視滹沱河上游地區林草保護，確保生態功能價值的主體作用，同時合理規劃建設用地，優化土地利用結構，減少耕地的占用，促進生態文明建設。

關鍵詞：土地利用變化;生態系統服務價值;滹沱河上游地區

中圖分類號 X171文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2021）02-0108-06

The Impact of Land Use Change on Ecosystem Service Value in the Upstream Area of Hutuo River Basin

LI Xiao1 et al.

（1School of Geographical Science，Shanxi Normal University， Linfen 041000，China）

Abstract： Based on the remote sensing images of the upstream area of Hutuo River basin in 2005， 2010， 2015 and 2018， the ecosystem service value was evaluated by land use dynamic degree， equivalent factor method and sensitivity coefficient， and the impact of land use change on ecosystem service value was analyzed.The results showed that： （1）from 2005 to 2018， the largest land use change in the study area was build land， the dynamic degree was 5.80%， the area increased by 25337.52hm2， followed by grassland and unused land， with the dynamic degree of -0.27% and -0.20%， in a decreasing state. （2）In the transfer of land use area， the conversion of cropland to build land was the most， reaching 12506.01hm2， followed by grassland conversion to build land of 9734.03hm2.（3）The single ecosystem service value of forestland was the largest， with a contribution rate of more than 48%， followed by grassland of more than 26%， accounting for more than 75% of the total. Ecosystem services mainly include soil formation and conservation， waste treatment， water conservation and biodiversity functions， accounting for 62% of the total， and food production and entertainment cultural functions have the lowest value. （4）From 2005 to 2018， the comprehensive ecosystem service value of the study area showed a slight decrease， with a change rate of -1.37%， a decrease of 236.16×106 yuan. The grassland decreased the most， the change rate was -3.55%， decreased 166.12×106 yuan.It is suggested that we should pay attention to the protection of forest and grass in the upstream area of Hutuo River， ensure the main role of ecological function value， plan build land reasonably， optimize land use structure， reduce the occupation of cropland， and promote the construction of ecological civilization.

Key words： Land use change; Ecosystem service value; The upstream area of Hutuo River basin

生態系統服務是指人類通過生態系統的結構、過程和功能，以直接或間接的方式得到生命支持產品和服務[1-2]，與人類福祉有密切關系[3-4]。土地利用/覆被變化（Land Use/Cover Change，LUCC）是人類活動對自然環境作用最直接的表現形式[5]，是影響生態系統功能服務的重要因素[6]。深入的研究土地利用變化及其對生態系統服務價值（Ecosystem Services Value，ESV）的影響能夠更好地協調人與自然的關系[7]。目前，國內外專家在生態系統服務價值的評估方法方面開展了許多工作，但缺乏一套統一且完整的評估方法。自1997年Costanza估算了全球生態系統服務價值起，生態系統服務價值及評估在世界范圍內開始了廣泛的研究討論。我國對該方面的研究起步較晚。謝高地等[8-10]借鑒Costanza等的評價模型，建立了中國陸地生態系統服務價值評估標準體系。目前，生態系統服務價值量評估大致可分為當量因子法和功能價值法2類，定量評估生態系統服務價值的時空變化是環境資源高效合理配置的基礎知識。當量因子法是基于可量化的標準構建不同服務功能的價值當量，結合不同生態系統的面積對生態系統服務進行評估，且功能評估較為全面[11]，現被國內眾多學者應用于行政區域、城市群、流域、單一生態系統類型等不同尺度下的生態系統服務價值研究[13-16]，并且適用于流域尺度的價值評估。

流域生態系統是由社會—經濟—自然組成的復合生態系統，評估流域生態系統服務價值可為流域生態環境保護和流域綜合管理提供更有利的支撐[16-17]。滹沱河是海河的支流之一，是京津冀上游重要水源地，具有重要的生態作用，上游流域具有重要的土壤保持和涵養水源等生態功能作用。目前關于滹沱河流域研究多圍繞水文水利等方面[18-21]，對于生態系統服務價值方面的研究較少。為此，筆者以滹沱河上游地區的縣域為基準，綜合流域與地區影響，分析滹沱河上游地區生態系統服務價值的變化。基于滹沱河上游地區2005—2018年土地利用遙感數據，分析2005—2018年研究區土地利用的主要變化，并對生態系統服務價值進行評估，以期為滹沱河上游地區生態環境保護和區域管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況 滹沱河發源于山西省繁峙縣泰戲山孤山村一帶，是海河水系子牙河的主要支流之一。研究區選取滹沱河上游地區（112°15′44″～113°57′17″E、38°12′27″～39°26′11″N），包括忻州市的繁峙縣、代縣、原平市、忻府區、定襄縣和五臺縣（見圖1），面積為12346km2。研究區屬溫帶大陸性季風氣候，屬暖溫帶半干旱大陸性季風區東部及暖溫帶半干旱—干旱過渡帶西部，總體四季分明、雨熱同季、干旱、少雨多沙;平均溫度在5～9.3℃，年降水量為400～770mm，多集中在夏季。地貌類型多樣，山地、丘陵、平川和盆地均有分布。滹沱河上游地區總人口210.46萬，人類活動較多，對生態環境具有一定的影響。

1.2 數據來源及處理 滹沱河上游地區的2005、2010、2015、2018年1∶10萬土地覆被數據來源于中國科學院地理科學與資源研究所、中國科學院資源環境科學數據中心（http：//www.resdc.cn）[22-23]，并利用ArcGIS 10.4對土地利用類型分布圖進行處理分析（圖2），得到研究區4期土地利用數據。參考中國多時期土地利用/土地覆蓋遙感監測數據分類系統的標準，將研究區土地利用類型劃分為6類，分別為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地。社會經濟數據來源于《忻州統計年鑒》和《中國糧食年鑒》。

1.3 研究方法 利用土地動態度來分析土地利用變化情況，衡量土地變化的速度，進一步運用當量因子法測算基于土地利用的生態系統服務價值。

1.3.1 土地利用動態度 土地利用動態度可表征土地利用變化的速度，包括單一土地利用動態度和綜合土地利用動態度[24]。動態度的絕對值越大，表明土地面積增加或減少的速率越快。單一土地利用動態度指一定時期內某種土地利用類型的變動情況，計算公式如下：

[K（%）=Ub-UaUa×1T×100] （1）

式中：K為某種土地利用類型動態度;[Ua]和[Ub]分別為研究初期和研究末期某種土地利用類型面積;T為研究時長。

綜合土地利用動態度是指研究區整體的土地利用變化速度，計算公式如下：

[LC（%）=i=1nΔLUi-j2i=1nLUi×1T×100] （2）

式中：[LUi]為研究初期的第i類土地利用類型面積;[ΔLUi-j]為研究期內的第i類土地利用類型轉變為非i類土地利用類型面積的絕對值;T為研究時長。

1.3.2 生態系統服務價值計算 根據滹沱河上游地區的實際情況，采用價值當量因子法[9]計算研究區生態系統服務價值。為消除農作物價格波動對總價值量的影響，計算出滹沱河上游地區一個當量因子的價格約為1259.93元/hm2，得出滹沱河上游地區不同生態系統類型的生態價值系數（表1）。

根據單位面積生態系統服務價值當量因子表和修正后的價值當量，得到滹沱河上游地區土地利用類型生態系統服務價值當量，生態系統服務價值計算公式為：

[ESV=Ak×VCk] （3）

[ESVf=Ak×VCfk] （4）

式中，ESV和ESVf分別為研究區生態系統服務價值和研究區生態系統第f項服務價值;Ak是土地利用類型k的面積;VCk和VCfk分別是生態系統服務價值系數和土地利用類型k的第f項服務功能價值系數。

1.3.3 生態敏感性分析 運用敏感性指數CS（Sensitivity Coefficient）分析研究區生態服務價值隨時間變化對生態價值系數變化的依賴程度[25]，驗證生態系統服務價值估算的準確性及合理性。CS是指VC變動1%引起ESV的變化情況，CS越大，表明VC的準確性越關鍵。敏感性指數計算公式如下：

[CS=ESVj-ESViESViVCjk-VCikVCik] （5）

式中：ESV為生態系統服務價值;VC為生態系統價值系數;i和j分別代表初始價值和生態系統價值系數調整后價值;k為土地利用類型。

2 結果與分析

2.1 土地利用變化

2.1.1 土地利用類型與面積 由表2可知，2005—2018年研究區6類土地面積均有一定程度的變化。其中，主要的土地利用類型為草地，約占總面積的40%;其次為耕地和林地，水域、建設用地和未利用地面積最小。這是由于研究區內山地、丘陵地貌面積占比較大，以草地和林地為主，河谷地帶以耕地為主。建設用地面積增加最快，草地、林地、耕地略有減少，水域和未利用地變化不明顯。其中，建設用地增加了25337.52hm2，占比由2.72%增加到4.77%，前期增速較快，2005—2010年面積增加了59.30%，這與此階段經濟快速發展有關。

2.1.2 土地利用動態度 由表3可知，2005—2018年研究區綜合土地利用動態度較小，為0.16%。前期變化較快，后期逐步減慢，2005—2010年、2010—2015年和2015—2018年綜合土地利用動態度分別為0.39%、0.15%、0.09%。單一土地利用動態度中，建設用地最大，為5.80%，建設用地的快速發展主要集中在2005—2010年，土地利用動態度為11.86%;其余土地利用類型的動態度均為負值，林地、草地、耕地和未利用地的面積呈現小幅度的減少，表明滹沱河上游地區的建設規模增大，使各種土地利用向建設用地轉化。

2.1.3 土地利用面積轉移 由表4可知，滹沱河上游地區2005—2018年土地利用面積轉移中，以草地轉出面積最大，轉出類型主要為建設用地，面積達9734.03hm2，轉為林地、耕地、水域的面積分別為6103.84、4554.25、95.22hm2;其次是耕地轉出為建設用地，面積達12506.01hm2，轉為草地、林地的面積為1265.76、525.12hm2。從空間分布來看，研究區土地利用轉變主要集中在滹沱河兩側，主要表現為耕地、草地、林地轉化為建設用地。另外，研究區也有部分耕地轉化為草地和林地，這與執行退耕還林還草的政策有關。

2.2 生態系統服務價值變化

2.2.1 生態系統服務價值時間演變 由表5可知，2005—2018年，滹沱河上游地區土地利用生態系統服務價值呈微弱減少趨勢，減少了236.16×106元，變化率為-1.37%，其中草地生態系統服務價值減少最顯著，減少了3.55%。在生態系統服務價值構成中貢獻率最大的是林地和草地2種土地類型，占比達75%以上，由此可見林地、草地是維持研究區生態功能價值的主體。從各類土地的生態系統服務價值變化來看，前期（2005—2010年）耕地的生態系統服務價值減少較多，為-3.30%;林地呈增長趨勢，變化率為1.35%，增加了112.95×106元;中期（2010—2015年）耕地和未利用地的生態系統服務價值呈增長趨勢，其余土地利用類型均為減少趨勢;后期（2015—2018年）未利用地的生態系統服務價值變化幅度最大，為-4.77%，其余土地利用類型的生態系統服務價值變化率不大。

2.2.2 單項生態系統服務功能價值貢獻與變化 由表6可知，單項功能生態系統服務價值貢獻率從高到低依次為土壤形成與保護、廢物處理、水源涵養、生物多樣性保護、氣體調節、氣候調節、原材料、食物生產、娛樂文化。其中，土壤形成與保護、廢物處理、水源涵養、生物多樣性保護的生態服務功能貢獻率高達62%，這與研究區內五臺山區較高的植被覆蓋率有關，高植被覆蓋率與研究區土壤形成與保護的生態服務功能具有正相關關系;原材料、食物生產和娛樂文化的生態服務功能貢獻率僅占13.8%，這主要是由于研究區社會經濟發展水平較低，有3個國家級貧困縣，山地、丘陵地貌為主的自然條件導致開發利用難度大，基于自然生態系統的娛樂文化功能開發不足。從時間演變來看，2005—2010年原材料和娛樂文化的生態服務功能價值呈增加趨勢，其余均為減少的發展態勢，其中廢物處理和土壤形成與保護減少最多;2010—2015年，只有食物生產功能增加，其余均為減少趨勢;2015—2018年所有服務功能均呈減少趨勢。這與研究區社會經濟發展的階段性相關。總體而言，2005—2018年土壤形成與保護和廢物處理功能價值減少最多，分別減少了59.17×106元和44.43×106元。

2.3 生態系統服務價值敏感性 將土地利用類型的生態系統服務價值系數分別上下調整50%，得出各種土地類型的生態系統服務價值的敏感性指數。由表7可知，所有土地類型生態系統服務價值系數的敏感性指數均小于1，說明滹沱河上游地區的生態系統服務價值對生態服務功能價值系數缺乏彈性，研究結果可信。研究區土地利用類型中，敏感性指數從大到小依次為林地、草地、耕地、水域、未利用地、建設用地。CS值最高的是林地，變化范圍為0.4857～0.4951，說明林地的生態價值系數若增加1%，生態系統服務價值變化增加0.4857%～0.4951%;其次為草地和耕地，未利用地敏感性指數最小，接近0。由此可見，林地對研究區的生態系統服務價值的影響最大，而未利用地不具有面積優勢。

3 結論與討論

3.1 結論 研究結果表明：（1）2005—2018年研究區土地利用變化最大的為建設用地，動態度為5.80%，面積增加了25337.52hm2;其次為草地和未利用地，動態度分別為-0.27%和-0.20%，處于減少狀態。（2）土地利用面積轉移中，耕地轉為建設用地最多，達12506.01hm2;其次為草地轉為建設用地，為9734.03hm2。（3）生態系統服務價值以林地最大，貢獻率在48%以上;其次為草地，達26%以上，二者占比合計超過75%，說明林地和草地是維持研究區生態服務功能的主體。生態系統服務功能以土壤形成與保護、廢物處理、水源涵養和生物多樣性功能為主，占比高達62%，食物生產和娛樂文化功能價值最低。（4）2005—2018年滹沱河上游地區綜合生態系統服務價值呈現輕微減少趨勢，變化率為-1.37%，減少了236.16×106元。其中草地減少最多，變化率為-3.55%，減少了166.12×106元。

3.2 討論 滹沱河上游地區隨著建設用地增多，土地利用類型結構的轉變會對生態系統造成一定的不良影響，對生態系統服務價值影響較大。滹沱河上游地區是山西省重點生態功能區和限制開發區，在土地開發過程中需處理好保護與發展的關系，優化土地利用結構，合理規劃建設用地，才能促進生態系統服務價值向增值的方向發展。隨著社會經濟的發展，部分耕地不可避免地要轉移為建設用地，但從研究區現狀來看，建設用地以占用耕地為主，這與國家“堅守18億畝耕地紅線”的政策相悖，應引起重視，加強耕地保護措施，保障糧食安全。研究區內地質地貌多樣、植物種類繁多，植被分布具有明顯的垂直地帶性，林地與草地面積占比大，是維持研究區生態功能的主體，因此加強生態建設，注重林草保護，才能維持滹沱河上游地區的生態功能，促進生態文明建設。

3.3 建議 （1）優化土地利用結構，實現土地資源優化配置。由于研究區是山西省重點生態功能區和限制開發區，應對研究區的土地進行合理有規劃的開發利用，秉承科學開發的理念，對于非開發區的生態環境予以保護，確保研究區的土地可持續發展，促進生態建設。（2）加強研究區的生態建設和改善土地生態環境。要在原有的以草地為主的生態基礎上，加強對耕地、林地等土地利用類型的生態系統服務功能的挖掘，加強對研究區的生態建設，努力提升土地生態環境，促進生態環境與社會經濟和諧發展。（3）加強新技術在土地資源管理中的應用。為適應社會經濟發展和生態建設，推進對土地資源的科學管理尤為必要。當今信息技術發展迅速，只有結合各類先進的信息技術，才能夠對土地利用等信息進行及時的分析及預測，使有關部門能夠作出正確決策，科學管理土地，有助于研究區的生態環境建設。

（上接112頁）

參考文獻

[1]COSTANZAR， ARGE R，GROOT R， et al. The value of the world′s ecosystem services and natural capital[J].Nature， 1997， 387（6630）：253-260.

[2]DAILY G C. Natur′s services： societal dependence on natural ecosystems[J].Pacific Conservation Biology， 1997， 6（2）： 220-221.

[3]歐陽志云，王效科，苗鴻.中國陸地生態系統服務功能及其生態經濟價值的初步研究[J].生態學報，1999（5）：19-25.

[4]謝高地，張彩霞，張昌順，等.中國生態系統服務的價值[J].資源科學，2015，37（9）：1740-1746.

[5]劉紀遠，寧佳，匡文慧，等.2010-2015年中國土地利用變化的時空格局與新特征[J].地理學報，2018，73（5）：789-802.

[6]李進鵬，王飛，穆興民，等.延河流域土地利用變化對其生態服務價值的影響[J].水土保持研究，2010，17（3）：110-114.

[7]熊侶英，師學義.黃土山丘區土地利用變化對生態系統服務價值的影響——以長河流域為例[J].水土保持研究，2018，25（2）：335-340，389.

[8]謝高地，魯春霞，冷允法，等.青藏高原生態資產的價值評估[J].自然資源學報，2003，18（2）：189-196.

[9]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（5）：911-919.

[10]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.

[11]高振斌，王小莉，蘇婧，等.基于生態系統服務價值評估的東江流域生態補償研究[J].生態與農村環境學報，2018，34（6）：563-570.

[12]徐煖銀，郭濼，薛達元，等.贛南地區土地利用格局及生態系統服務價值的時空演變[J].生態學報，2019，39（6）：1969-1978.

[13]陳能汪，王龍劍，魯婷.流域生態系統服務研究進展與展望[J].生態與農村環境學報，2012，28（2）：113-119.

[14]朱穎，林靜雅，胡義濤，等.天目湖流域景觀格局時空變化及生態系統服務價值分析[J].西北林學院學報，2018，33（4）：239-245.

[15]王燕，高吉喜，王金生，等.新疆國家級自然保護區土地利用變化的生態系統服務價值響應[J].應用生態學報，2014，25（5）：1439-1446.

[16]鄧婉君，孫賢斌，張欣，等.基于生態系統服務價值的安徽省補償標準探索[J].安徽農學通報，2018，24（10）：169-170.

[17]田義超，白曉永，黃遠林，等.基于生態系統服務價值的赤水河流域生態補償標準核算[J].農業機械學報，2019，50（11）：312-322.

[18]李亞松，張兆吉，費宇紅，等.河北省滹沱河沖積平原地下水質量及污染特征研究[J].地球學報，2014，35（2）：169-176.

[19]趙鵬宇，馮文勇，步秀芹，等.近55年來滹沱河山區水資源變化規律與影響因素[J].水土保持研究，2015，22（1）：128-132.

[20]昌盛，耿夢嬌，劉琰，等.滹沱河沖洪積扇地下水中多環芳烴的污染特征[J].中國環境科學，2016，36（7）：2058-2066.

[21]李致家，何蒙，閆鳳翔，等.河道洪水演算方法在淮河及滹沱河中游的應用[J].河海大學學報（自然科學版），2020，48（2）：95-101.

[22]徐新良，劉紀元，張樹文，等.中國多時期土地利用土地覆被遙感監測數據集（CNLUCC）[C]//中國科學院資源環境科學數據中心數據注冊與出版系統（http：//www.resdc.cn/DOI），2018.DOI：10.12078/2018070201.

[23]劉紀遠.中國資源環境遙感宏觀調查與動態研究[M].北京：中國科學技術出版社，1996：7-10.

[24]王秀蘭，包玉海.土地利用動態變化研究方法探討[J].地理科學進展，1999（1）：83-89.

[25]馬駿，馬朋，李昌曉，等.基于土地利用的三峽庫區（重慶段）生態系統服務價值時空變化[J].林業科學，2014，50（5）：17-26.

（責編：徐世紅）