1980—2020年汾河流域生態系統服務價值的時空變化

林 菲, 池澤龍, 楊 偉, 劉 庚, 馬小紅, 常 博

(太原師范學院 汾河流域科學發展研究中心, 山西 晉中 030619)

土地利用/覆被變化(land use/cover change， LUCC)是全球氣候變化的主要原因之一，是驅動人類活動和自然環境變化的關鍵因素，它通過改變生態系統的結構、過程和功能，從而影響生態系統服務[1-2]。生態系統服務(ecosystem services， ES)是指人類可直接或間接地從自然生態系統中獲得的各種惠益，通常將這種惠益分為供給服務、調節服務、支持服務和文化服務[3-4]。生態系統服務價值(ecosystem services value， ESV)量化評估有助于高效配置土地資源，優化區域土地利用格局，實現土地集約化與生態環境協調發展[5-7]。

因此LUCC對ESV影響的定量研究成為國內外學者關注的重點，遙感、GIS等先進技術手段與空間分析方法也逐漸融合到研究當中[8-12]。土地利用變化對生態系統服務的影響研究在我國許多流域已廣泛展開，湯潔等[13]研究發現，1989—2012年遼河流域ESV呈下降趨勢，耕地的開發導致濕地和水域的退化是下降的主要原因。何毅等[14]對1998—2018年漓江流域研究發現ESV先增加后減少，與林地面積變化基本一致。朱利英等[15]研究也發現，1980—2015年北運河流域土地利用ESV先增加后減少，城鎮和水體的ESV貢獻率最大。因此，LUCC的時空格局變異直接影響ESV，相關研究的開展有助于了解流域生態系統服務能力及空間分布差異和變化趨勢等特征，為針對性地制定生態保護措施提供背景資料和理論參考[16-17]。

近年來，在人類活動強度不斷加大和全球氣候變化等因素的共同作用下，汾河流域植被減少退化，水質污染，供需矛盾突出，水土流失問題日益凸顯。學者在汾河流域開展了土地利用變化的研究工作，但這些研究多集中在部分河段或較短的時間序列[18-22]，針對整個流域LUCC長時間時空變異對ESV影響的研究匱乏[23]。此外，2017年山西省全面啟動了汾河流域生態保護修復工作，這一工作的順利進行，全面取決于生態環境保護和建設的成效。因此，本文以汾河流域1980，1990，2000，2010年和2020年5個時間節點的土地利用數據為數據源，分析1980—2020年汾河流域土地利用格局的變化，用修正的生態系統服務價值評估模型、生態系統服務價值強度(ESVI)、動態度(EV)表征流域生態系統服務功能的總價值的時空變化特征，通過馬爾科夫轉移矩陣、價值損益流向表探討LUCC影響下ESV對土地利用方式的空間依賴性，這些問題的探討為生態修復工程和土地利用調控提供科學參考。

1 研究區概況與研究方法

1.1研究區概況

汾河是黃河的第二大支流，汾河流域地處山西省的中部和西南部，位于黃土高原東部，包括全省9個地市的51個市(縣、區)，流域地形為一條地塹型縱谷，流域面積39 721 km2，占山西省國土面積的25.3%(110°30′—113°32′E，35°20′—39°00′N)。流域屬溫帶大陸性季風氣候，為半干旱、半濕潤氣候過渡帶，雨熱同季，光熱資源較為豐富。年均氣溫為10 ℃，多年均降水量為500 mm。主要的土壤類型為褐土、棕壤、淺色草甸土和淡褐土。汾河流域是山西省經濟最發達，人口密度最高、城鎮最集中區域，生態功能區域以及糧棉主要產區，在全省經濟發展和社會穩定中占有十分重要的地位[24]。但近年來，由于流域內人口增長，經濟的發展過度開采，使得大部分區域植被覆蓋率低，再加上黃土丘陵溝壑區造成的支離破碎的地形使得流域內水土流失嚴重。在行政區劃上，汾河流經忻州、太原、呂梁、晉中、臨汾、運城6個地市，主要涉及35個縣域(涉及面積極小的縣域不統計在內)。按照流域自然地形特點和不同流域段河流水文狀況，將汾河分為上游(包括寧武縣、靜樂縣、嵐縣、婁煩縣和古交市)、中游(包括陽曲縣、太原市市轄區、壽陽縣、晉中市市轄區、交城縣、清徐縣、文水縣、太谷縣、祁縣、汾陽市、平遙縣、孝義市、介休市、交口縣、靈石縣、汾西縣和霍州市)和下游(包括洪洞縣、古縣、臨汾市轄區、浮山縣、襄汾縣、翼城縣、曲沃縣、河津市、稷山縣、新絳縣、萬榮縣、侯馬市和絳縣)3段[25]。

1.2 數據來源

1980，1990，2000，2010和2020年汾河流域土地利用數據來源于中國科學院資源環境科學院數據中心，中國多時期土地利用/土地覆被遙感監測數據集(CNLUCC)，空間分辨率為30 m(http:∥www.resdc.cn)[26]。其中1980年土地利用重建主要使用Landsat-MSS遙感影像數據，1990，2000和2010年各期數據的遙感解譯主要使用Landsat-TM/ETM遙感影像數據，而2020年土地利用/覆蓋數據更新主要使用Landsat 8遙感影像數據。DEM(digital elevation model)數字高程數據來源于地理空間數據云平臺，參照中國科學院資源環境數據中心土地分類系統，結合汾河流域土地利用類型特點，將研究區土地類型分為6種1級類型：耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地。社會與經濟數據來源于1990—2020年《山西省統計年鑒》等統計資料。

1.3 土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣用于反映在研究時期初至末汾河流域各用地類型面積間相互轉化的動態過程[27]。計算公式為：

(1)

式中：S為面積(km2);n為汾河流域土地利用類型數;i,j分別為研究初末期土地利用類型。

1.4 生態系統服務價值估算

在Costanza等[3]提出的ESV研究的基礎上，參考謝高地等[28-29]建立的生態系統服務價值當量表，其中建設用地采用李曉賽等[30]的研究結果來獲取汾河流域生態系統服務各項目的當量因子(表1)。根據生態系統服務價值當量因子為單位面積糧食價值的1/7，結合研究區域具體情況，1980—2020年汾河流域平均糧食產量為3 537.72 kg/hm2，2020年平均糧食價格為2.35元/kg，因此修正得到汾河流域生態系統服務當量因子為1 187.66元/hm2。結合表1得到研究區各生態系統服務項目價值系數。

表1 汾河流域生態系統服務價值當量因子

根據以下計算公式，得到各年份汾河流域土地利用類型的生態系統服務價值(ESV)。

VCi=Fi·V

(2)

(3)

(4)

式中：Fi為第i類土地類型的當量因子;V為修正后的單位當量因子(元/hm2); VCi為i地類的ESV系數(元/hm2); ESV為生態系統服務價值(元);Ai為i地類的面積(hm2); ESVf為第f項服務功能的價值(元); VCfi為i地類的第f項生態系統服務價值(元)。

1.5 生態系統服務價值動態度和強度

選取生態服務價值動態度(EV)用于描述1980—2020年汾河流域生態服務價值的變化趨向及其程度，計算方法參考前人研究結果[17]。用生態系統服務價值強度(ESVI)來表征研究區行政區劃單位流域生態系統服務功能總價值的空間分布[11,31]。

1.6 生態系統服務價值流向分析

本研究利用馬爾科夫轉移矩陣，來計算各土地利用類型轉化數據和不同地類之間相互轉化所引起的生態系統服務價值的損益，分析土地利用變化對生態系統服務價值的影響[32-33]。

1.7 空間自相關分析

空間自相關分析是用于衡量土地利用及ESV的空間分布是否具有集聚性，包含全局和局部空間自相關兩個方面[34]。Anselin[35]在此基礎上提出雙變量空間自相關，來揭示空間單元屬性值與鄰近空間上其他屬性值的相關性。本文空間自相關分析采用GeoDa 1.14.0軟件完成。

2 結果與分析

2.1 土地利用結構變化

1980—2020年汾河流域土地利用情況如圖1所示。由圖1可以看出，不同地類的比例差異明顯。汾河流域主要土地利用類型為耕地、林地和草地，分別占流域總面積的39.21%～41.75%，28.06%～28.61%和23.91%～25.70%，3者面積之和約占流域總面積的90%以上。汾河流域耕地和草地面積逐年減少，分別由1980年的41.75%和25.70%減少到2020年的39.21%和23.91%，面積分別減少了1 029.76和724.96 km2。林地的面積呈1980—2000年減少，2000—2020年總體增加的趨勢。水域總體減少，未利用地無變化。建設用地規模不斷外延，面積逐年增加，由1980年的3.49%增加到2 020年的7.69%，增加了1 703.64 km2。由圖1可知，汾河流域土地利用具有顯著的空間差異性。1980—2020年，太原盆地耕地減少最為顯著，主要因為太原盆地內大面積的退耕還林還草和城市建設用地的擴張。林地主要分布在呂梁山，太行山等山系。建設用地在各地級城市集中，2000—2010年擴張明顯。1980—2020年耕地和草地持續減少，是所有土地利用類型中減少速度最快的兩類。4個時期的土地變化速率在2000—2010年較為強烈，建設用地動態度最高，未利用地和水域次之。1980—1990年、1990—2000年、2010—2020年各地類動態度遠小于2000—2010年，說明土地利用表現為先劇烈變化后趨于穩定的態勢。

圖1 汾河流域1980—2020年土地利用類型

土地轉移主要發生在耕地、林地、草地和建設用地之間。1980—2000年汾河流域的耕地面積減少270.4 km2，主要轉向建設用地，占比為79.63%。草地和水域面積的減少主要轉向耕地，占比分別為80.25%和68.47%。2000—2020年汾河流域耕地轉移面積為1 928.05 km2，遠高于1980—2000年的270.4 km2，主要轉向建設用地和草地，占比分別為67.19%和22.06%；草地轉移面積為1 172.43 km2，主要轉向耕地、林地和建設用地，占比分別為53.13%，23.95%和22.03%；林地和水域均主要轉向耕地和建設用地。不同時期汾河流域土地利用變化不同，但2000—2020年比1980—2000年的土地變化范圍更大。由表2可知，整個研究期(1980—2020)內，汾河流域耕地持續轉出，轉出面積為2 140.19 km2，69.48%轉向建設用地；接下來為草地轉向耕地。其次，以建設用地擴張為主，共有1 486.94 km2耕地，87.48 km2林地，274.71 km2草地，27.01 km2水域轉為建設用地。

2.2 生態系統服務價值的時間變化特征

根據公式計算出1980—2020年研究區各個土地利用類型的生態系統服務價值和不同年份生態服務項目的ESV值(表3—4)。1980年汾河流域總生態系統服務價值為528.327億元，隨后呈逐年減少的趨勢，至2020年ESV值為493.402億元。1980—2000年ESV減少1.184%，2000—2020年ESV減少5.491%。各地類ESV中，林地ESV占比最大，1980—2020年占比均大于56%，其次為耕地和草地，兩者平均占比分別為26.35%和16.91%。水域平均占比3.56%。根據圖1結果林地、耕地、草地和水域占流域總面積分別為28.06%～28.61%，39.21%～41.75%，23.91%～25.70%和0.73%～0.92%，其中，林地和水域以平均29%的面積占比貢獻了流域61%的ESV(表3)，說明林地和水域對汾河流域生態服務價值貢獻較大。1980—2020年，除了林地ESV增加1.10%，耕地、草地和水域ESV均減少。這與其土地利用面積占比變化趨勢一致。建設用地土地利用面積增加，但由于其生態系統服務當量因子為負值，因此其ESV減少。退耕還林政策的實施和城鎮化是導致這一變化的關鍵原因。自1978年改革開放以來，城市化進程逐步加快。特別是2000年之后，建設用地加速擴張。山西省城市化率由1990年的23.90%提升至2018年的58.41%。

表2 汾河流域1980—2020年土地利用轉移矩陣 km2

表3 汾河流域1980—2020年各地類ESV時間變化

從表4可以看出，1980—2020年汾河流域4類一級ESV與總ESV變化一致，均為逐年減少(調節服務減少最多)，僅文化服務于2010年略有上升。一級服務類別中，占主要的為支持服務和調節服務，分別平均占總ESV的47.695%和36.268%。支持服務中以土壤形成與保護服務價值最高，平均占該類服務的42.896%；調節服務中以氣體調節服務價值最高，平均占該類服務的35.926%。各二級服務ESV中，水源涵養服務價值降幅最大，為29.116%；其次是廢物處理，為13.473%；原材料服務略有上升。

表4 汾河流域不同生態服務項目的ESV值 108元/a

2.3 生態系統服務價值及動態度空間分布特征

以縣為單元，對汾河流域所轄區生態系統服務價值(ESVI)進行空間分析，采用自然斷點法，將1980—2020年ESVI由低到高分為5個等級，將ESVI變化的動態度(EV)分為快速下降(-0.827%～-0.539%)，較快下降(-0.539%～-0.216%)，緩慢下降(-0.216%～-0.065%)，緩慢下降至上升(-0.065%～0.017%)，平穩上升(0.017%～0.233%)5個等級，結果如圖2所示。

汾河上游生態系統服務價值整體處于較高水平，1980年除嵐縣ESVI為Ⅳ級外，其他4縣均處于Ⅴ級。2020年除嵐縣ESVI為Ⅲ級外，其余4縣為Ⅳ級。EV除嵐縣為較快下降，其余4縣為緩慢下降。汾河上游地處山區，林草覆蓋率較高，根據土地利用數據圖(圖1)，上游林地和草地面積占比約66%，林草覆蓋率是中游的1.2倍，下游的1.9倍，但同時由于自然條件的限制，經濟發展水平較低，土地開發利用程度低，因此研究期內ESVI和EV變化較緩。汾河中游17個縣，1980年有陽曲縣、壽陽縣、交城縣和交口縣ESVI為Ⅴ級，2020年只有交城縣ESVI為Ⅴ級，EV變化除汾西縣和陽曲縣為緩慢下降至上升外，太原市市轄區、清徐縣、孝義市和介休市4個縣為快速下降，變化速度為平均水平的3倍，6個縣為較快下降，5個縣為緩慢下降。汾河中游地處太原盆地，地形平坦，人口密集，城鎮化水平較高，伴隨著建設用地面積的快速增加及耕地面積的減少，研究期內ESVI和EV變化較多。汾河下游生態系統服務價值總體較低，1980年只有洪洞縣和古縣ESVI為Ⅳ級，2020年均為Ⅲ級及以下。13個縣中，9個縣EV的變化為下降。其余4個縣為緩慢下降至上升。汾河下游地勢較為平坦，交通便利，有利于社會經濟快速發展，但由于未科學合理地利用土地使得ESV較低。

通過相關分析可知，建設用地面積的變化是空間EV差異的主要影響因素(r2=0.42，p<0.001)，其次是耕地和水域面積的變化(r2=0.29，p<0.001；r2=0.15，p<0.01)。快速的工業化和城市化導致汾河流域草地和水域等高價值地類的破壞，流域生態系統服務價值有所下降，生態環境保護需求迫切。

2.4 土地利用變化對生態系統服務價值的影響

2.4.1 生態系統服務價值流向特征 通過計算馬爾科夫轉移矩陣得到1980—2020年研究區ESV損益流向(表5)，并分析LUCC對ESV的影響。分析結果表明，耕地轉建設用地和草地轉建設用地是ESV減少的主要原因，分別是ESV減少2 889.73和595.71萬元，對ESV減少的貢獻率分別為59.59%和12.28%；草地轉林地和建設用地轉耕地是主要的生態服務增值類型，分別使ESV增加了421.72和304.06萬元，對ESV增加的貢獻率分別為32.47%和23.41%。其他土地利用類型向建設用地的轉移是研究區ESV下降的主要原因，而其他土地類型轉為林地和水域可使ESV價值升高，研究結果可以對制定改善生態系統服務功能的政策提供參考意見。

圖2 汾河流域生態系統服務價值(ESV)及動態度(EV)空間分布

表5 汾河流域1980—2020年生態系統服務價值損益流向 萬元

2.4.2 土地利用程度指數對ESVI的影響 為進一步探究汾河流域各行政區土地利用程度與ESVI之間的空間關系，采用雙變量空間自相關分析結果顯示，Moran’I指數均小于0，表明土地利用程度與ESVI之間存在顯著的空間負相關關系。1980—2020年，局部Moran’I指數呈減少趨勢(1980年為-0.305 169；2000年為-0.302 468；2020年為-0.277 611)，體現了研究區局部空間負向自相關程度呈增加趨勢。在z檢驗的基礎上(p=0.05)繪制雙變量局部空間自相關LISA圖(圖3)，表征區域土地利用程度與其相鄰ESVI之間的局部空間關系。

由圖3可知，土地利用程度與ESVI呈高—高聚集的太原市；呈高—低集聚的區1980年是翼城和侯馬，2000年增加了新絳縣，到2020年只剩侯馬地區；呈現低—高聚集的區縣分布最為廣泛，主要分布在汾河中上游地區，包括寧武縣、靜樂縣、陽曲縣、嵐縣、婁煩縣古交等地；呈低—低集聚的區只有絳縣，未發生空間分布變化。

1980—2020年研究區局部空間集聚存在明顯的相似性。汾河上游多是林地、草地分布區，林草地分布占所在區縣52%至76%，生態優勢明顯。但是這些地區由于受到地形和交通的限制，經濟發展落后，因此空間上表現為低—高聚集特點。翼城、侯馬和新絳等地勢低平，多為黃土丘陵區。但交通便捷，發展規模較快，使得空間上表現為明顯的高土地利用程度—低生態系統服務強度的聚集格局。

圖3 汾河流域雙變量LISA分布及顯著性水平

3 討 論

本研究利用汾河流域1980—2020年5期Landsat-MSS/TM/ETM遙感影像解譯數據研究了流域土地利用變化特征，結果顯示1980—2020年生態系統服務價值降低。從2000年開始的退耕還林還草工程取得了一定成效，林地面積有所恢復，但整個流域生態系統服務價值并沒有呈現增加態勢，如何科學合理利用土地和協調經濟發展依然任重道遠。此結論與伍博煒等[23]在研究汾河流域LUCC對ESV的影響時得出的2010—2016年汾河流域ESV呈現減少的趨勢一致。從空間分布來看，汾河上游縣域生態系統服務價值整體高于中下游地區，但呈現低土地利用程度—高生態系統服務價值聚集的分布情況。汾河流域中下游地區地形平坦，人口密度高，城鎮化較高，建設用地快速擴張對生態環境造成了較大影響，使得區域生態系統服務價值相對較低[36]。

本文在揭示土地利用變化對生態系統服務價值的時空影響對該地區生態保護政策的制定具有一定意義，但限于數據和參數設定的局限性，不能完全反映流域的變化情況。特別是有關建設用地的生態服務價值計算沒有統一的評價方法，因此關于建設用地的生態服務價值核算將是下一步的研究重點。在今后的研究中，應進一步識別生態系統服務功能的變化特征，描述生態系統服務與人類活動的影響，為增加流域內生態系統服務供給能力制定措施。

4 結 論

(1) 1980—2020年，耕地、林地和草地在汾河流域土地利用中處于主導地位，土地利用整體變化主要表現為耕地和草地的減少，建設用地的擴張。不同時期汾河流域土地利用變化不同，但2000—2020年比1980—2000年的土地變化程度更劇烈。

(2) 流域生態系統服務價值逐年減少，由1980年的528.327億元減少至2020年的493.402億元，減少了6.611%。林地和水域對汾河流域生態服務價值貢獻較大。一級服務中調節服務減少最多，二級服務中水源涵養價值降幅最大。

(3) 汾河流域ESVI空間分布總體上呈上游高，中下游低的趨勢。通過分析動態度(EV)發現空間差異明顯，汾河中下游地區EV變化大于汾河上游。建設用地和耕地、水域面積的變化是空間EV差異的主要影響因素。

(4) 研究期間，耕地和草地轉建設用地是ESV減少的主要原因，不同土地利用程度與ESVI雙變量LISA聚集圖呈現出明顯的空間負相關性，且在不同時期異質性程度變化不大，主要以汾河上游低土地利用程度與高ESVI聚集分布為主。