王盛，李文静

(山西师范大学地理科学学院,山西 临汾 041000)

生态系统服务是生态系统所形成和维持的人类赖以生存和发展的环境条件与效用[1],为人类直接或间接从生态系统得到的所有收益[2]。它不仅包括生态系统为人类提供的食物、淡水及工农业生产原料,更重要的是支撑与维持地球的生命支持系统、生物地球化学循环、水文循环、生物物种多样性以及大气化学的平衡与稳定[3]。长期以来,由于人类对生态系统服务及其重要性缺乏充分认识,对生态系统的长期压力和破坏,导致生态系统服务严重退化。研究表明,在全球24项生态系统服务功能评估中,有15项正在退化[3]。生态系统服务功能的退化直接影响人类的安全与健康,威胁区域、乃至全球的可持续发展。鉴于此,越来越多国内外学者致力于研究生态系统服务功能评价和价值体系核算的方法,研究领域涉及生态系统服务分类与框架体系[3-5]、形成机制[6-7]、价值核算[8-10]、模型评估[11-12]以及不同生态系统服务之间权衡与协同[13-15]等诸多方面,生态服务已成为目前生态学及相关学科研究的前沿和热点。

河北省内环京津、外绕渤海,是全国唯一兼有海滨、湖泊、平原、丘陵、山地和高原的省份,区域生态环境脆弱、生态功能多元、生态地位重要。2015年《京津冀协同发展规划纲要》将河北省功能定位为“京津冀生态环境支撑区”,这意味着河北省在未来较长时期内发展战略的核心目标之一就是加强生态环境建设,提高生态系统服务。在国家战略引导下,河北省(或京津冀地区)不同时期的生态服务功能评估及价值核算研究不断涌现[16-21]。此类研究更关注土地利用变化对生态服务价值的影响,理论创新集中于土地利用数据的获取或生态服务价值估算方法的改进。如娄佩卿等[18]基于谷歌地球引擎(GEE)云平台采用分类决策树(CART)算法提取了京津冀地区1998—2018年5期土地利用数据,而刘金雅等[19]结合京津冀城市群的行政边界、泰森多边形边界和最小累计阻力边界,改进了传统基于行政边界的生态系统服务价值评估方法。然而,对于不同生态服务功能和价值的权衡与协同关系研究鲜有涉及。

目前,生态系统服务功能评估与价值核算技术已经趋于成熟,在土地利用变化的影响下,定量评估河北省生态系统服务功能与价值,掌握时空演变规律,探讨不同生态服务功能和价值的权衡与协同关系,进而提出科学合理的生态补偿建议,不仅有利于认清河北省生态支撑地位,提高生态环境保护工作管理水平,而且有助于释放生态红利、提升区域整体竞争力。

1 研究区概况

河北省地处36°05′～42°40′N,113°27′～119°50′E之间(图1),省域面积18.75×104km2,人口约7 400万(2014年),包括石家庄、唐山、保定、廊坊、张家口、承德、秦皇岛、沧州、衡水、邢台与邯郸共11个地级市。河北属于温带大陆性季风气候,雨热同期,四季分明。地势由西北向东南倾斜,地貌类型复杂,高原、山地、丘陵、盆地和平原类型齐全,分为坝上高原、燕山和太行山山地、河北平原三大地貌单元。其中,燕山和太行山山地天然植被广布,森林和草地的覆盖率高；而河北平原是我国重要粮棉产区,粮食播种面积占耕地总面积的80%以上。此外,河北省湿地资源丰富,类型众多,包括浅海、滩涂、河湖和沼泽等多种类型,湿地相对集中的分布在沿海和坝上地区,而平原和广大山区只有零星分布。

图1 河北省概况及2015年土地利用类型

2 数据和方法

2.1 数据来源

采用的土地利用/覆被变化(LUCC)数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn),包括2000、2005、2010、2015年共4期数据,数据类型为栅格数据,空间分辨率100 m×100 m。土地利用类型包括耕地、林地、草地、水域、建设用地和和未利用地6个一级类型以及25个二级类型[22-23]。河北省单位面积生态系统服务价值当量因子的经济价值量的确定基于2016—2018年“河北农村统计年鉴”的农作物统计资料。

2.2 研究方法

2.2.1 生态系统服务价值核算

根据国家土地利用分类标准体系,将河北省土地利用类型分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地6种一级类型和25种二级类型。一个当量因子价值(D)相当于1 hm2农田的年均自然粮食产量的经济价值,是同年全国粮食平均价值的1/7,其计算公式为[24]：

(1)

式(1)中,S是年农作物经济总价值,A是年农作物播种面积。考虑到河北省粮食产量的经济价值存在年际波动,根据2016—2018年“河北农村统计年鉴”的农作物价值统计资料求取平均值,得到河北省单位面积生态系统服务价值当量因子的经济价值量为1 763.46元/hm2。

对于每个栅格(1 hm2)对应土地单元,其生态服务价值(ESVij,单位:元·hm-2·a-1)核算公式为：

ESVij=Yij·D，

(2)

式(2)中,Yij是第ij个栅格对应土地利用类型的生态服务价值当量因子,该值的确定基于谢高地等[25]修正的中国陆地生态系统单位面积服务价值当量表,最终计算得到河北省各生态系统服务类型单位面积的价值系数如表1。

怎样才能使得专业词汇从日常用词中分离出来，且这些专业词汇也是研究热点，能够转化为评价因子，这是解决问题的关键。经过对论文标题、摘要、关键词等多种数据源进行分词方案的实验，确定了以论文标题为数据源的方案。专业论文与一般网络评论文本相比，具有思维缜密、表达精炼的特点，标题是作者凝练的论文主题最精炼的阐述，能够代表论文的关注点，而论文标题经过分词汇总的高频专业词汇可以转化为评价因子。而论文作者对论题的筛选，以及期刊论文评审专家和编辑对论文选题的把关，均能一定程度地证明论题的重要程度，故其词频分析结果可以转化为评价因子权重。

2.2.2 生态系统服务价值权衡与协同关系的等级划分

基于相关分析和t检验方法,利用Matlab软件分析各生态系统服务价值之间关系的相关性和显著性。借助相关系数R和t检验概率P值将服务价值关系划分为以下6个等级：显著协同(R>0,P<0.01)；较显著协同(R>0,0.010,P>0.05)；显著权衡(R<0,P<0.01)；较显著权衡(R<0,0.010.05)。

3 结果与分析

3.1 土地利用变化

河北省土地利用的空间分布(2015年)和格局变化(2000—2015年)如图1和表2所示。河北省最重要的土地利用类型是耕地,在总面积中占比超过50%,主要分布于河北平原；其次是林地和草地,分别占河北省总面积的19.7%、17.7%,主要分布在燕山和太行山山地；而水域面积虽然只占2.6%,但在生态系统服务当中具有非常重要的作用。从15年间河北省土地利用的格局变化来看(表2),耕地、草地和水域面积呈减少趋势,而林地、建设用地和未利用地面积呈增加趋势。尤其是近5年来,建设用地和未利用地的增加和耕地水域的减少均非常显著。其中,2010—2015年建设用地和未利用地面积分别增加了6.04×103km2(40.9%)和0.50×103km2(60.4%)；而耕地和水域面积分别减少了4.51×103km2(4.7%)和1.25×103km2(24.5%)。

表2 河北省土地利用变化格局 单位：×103 km2

深入分析2000—2015年土地利用转移矩阵发现(表3),耕地的减少主要转换为建设用地,净转换面积高达6.13×103km2,这主要由于工业化和城镇化的高速发展,建设用地需求迅速增加,导致城镇建设用地的扩张侵占周边农田。水域面积的减少主要转换为未利用地和耕地,净转换面积分别为0.71×103、0.57×103km2,占水域减少总面积的53.1%、42.3%,转换原因是受人口社会经济因素驱动,农村地区增加了对耕地的需求,导致水域湿地等生态用地转换为荒地和耕地的逆生态化过程。此外,河北省林地面积平稳增加,这与2000年以后河北省逐步开启的退耕还林工程、京津风沙源治理工程、三北防护林体系建设、太行山绿化工程等生态建设工程密切相关。

表3 2000—2015年河北省土地利用转移矩阵 单位：×103 km2

3.2 生态系统服务价值的时空变化特征

3.2.1 ESV的时间变化

整体上,河北省ESV呈现持续减少趋势(表4和5),其中2000—2010年减少趋势缓慢,从2000年的3 536.28亿元减少至2005年的3 522.36亿元,再减少至2010年的3 509.82亿元,10年间的减少率仅为0.75%。2010年以后ESV的减少趋势明显加快,2015年的ESV低至3 235.73亿元,较2010年减少7.8%。

表4 2000—2015年河北省各服务功能ESV变化 单位：亿元

2000—2015年河北省6种不同土地利用类型ESV变化如表5所示。林地和水域提供的ESV最高,分别占总价值的37.4%、26.4%；耕地和草地提供的ESV次之,分别占总价值的19.6%、16.5%；而建设用地和未利用地提供的ESV极少,可忽略不计。从2000—2015年各土地利用类型ESV的变化趋势看,除林地提供的ESV在2000—2015年有所增加(14.73亿元)外,水域、耕地和草地提供的ESV均在2000—2010年呈现微弱减少,2010—2015年呈现显著减少的变化趋势,15年间ESV的减少量分别达到252.97、37.22、25.91亿元。

表5 2000—2015年河北省各土地利用类型ESV变化 单位：亿元

3.2.2 ESV的空间变化

2015年河北省ESV空间分布如图2。在空间上,河北省生态系统服务价值呈现北高南低的分布格局。北部的承德和张家口市生态系统服务价值最高,超过600亿元,尤其是承德市,ESV高达1 006.40亿元；西部的保定市ESV也较高,接近400亿元；中部沧州、唐山和石家庄市ESV中等,介于200～300亿元之间；南部衡水、邢台和邯郸市ESV较低,低于200亿元,而廊坊市是河北省ESV最低的地市,仅有50亿元。在生态系统服务价值最高的承德和张家口市,气候和水文调节价值占比最高,二者之和分别为49.6%、46.6%。这与上述城市林地面积较大直接相关,其中承德市林地面积约占全市总面积的48.6%,占河北省林地面积的51.6%；而张家口市林地面积上述占比分别为20.1%、19.9%。在生态系统服务价值较低的南部地区,ESV最重要的来源是水文调节和土壤保持功能,二者价值之和占比超过40%。

图2 河北省不同生态系统服务功能价值的空间分布及等级

从不同土地利用类型ESV的空间分布(图3a、3b)来看,北部和西部ESV较高的承德、张家口和保定市主要来源于林地和草地生态系统的服务价值,三市分别为860.53、412.20、217.56亿元。该区域高ESV主要得益于天然植被(林地、草地)的高覆盖度,河北省2002年全面推进退耕还林还草工程,尤其是三北防护林工程的持续建设,极大地改善了生态环境,维护了区域生态安全,弥补了城市扩张造成的生态系统服务价值损失。而东部沿海的沧州和唐山等中等ESV城市主要依靠海河水域湿地的服务价值,两市水域服务价值分别占总ESV的66.3%、49.7%。而南部和中部ESV最低的衡水、廊坊、邢台和邯郸市,ESV主要来源于耕地的服务价值,分别占总ESV的81.9%、68.9%、46.5%、44.8%。从不同土地类型ESV的空间变化(图3c)看,除沧州市外,各地市的水域服务价值均有不同程度的减少,尤其是张家口市,减少了163.97亿元。2000—2015年各地市的ESV等级几乎均未变化,只有沧州市由较低变为了中等,主要来自于水域服务价值的增加。

图3 2000、2015年河北省不同土地利用类型ESV的空间分布(a、b)及其变化(c)

3.3 生态系统服务的权衡与协同关系

不同生态系统服务功能之间存在权衡(此消彼长)与协同(同增同减)的关系,理清和掌握这种关系是解决生态系统平衡和稳定发展的关键,也对促进区域生态系统服务优化选择、实现区域生态-社会-经济的平衡发展意义重大。河北省不同地市2000—2015年各生态服务功能价值变化的权衡与协同关系如表6、7。从四大类服务功能之间的关系看,调节服务与供给服务、支持服务之间呈负相关,相关系数极高(超过0.97),具有显著的权衡关系。供给服务与支持服务之间存在正相关,相关系数达0.94,协同关系显著。整体上,文化服务与其他3类服务的相关性均较弱,仅与供给服务的相关性通过了0.05的显著性水平检验,呈较显著的权衡关系。从具体的11种服务功能间的关系看,彼此之间呈正相关,即存在协同关系。这与本研究只关注了土地利用变化单一要素对生态系统服务价值的影响有关。整体上11种服务功能间的协同关系均较为显著。只有原料生产与水资源供给、净化环境、水文调节、美学景观,以及维持养分循环与水资源供给、水文调节之间的相关性较弱。

注：**、*分别为0.01、0.05的显著性水平(双尾)。

表7 11种生态服务功能价值变化的权衡与协同关系

注：**、*分别为0.01、0.05的显著性水平(双尾)。

4 讨论

在分析2000—2015年河北省土地利用变化的基础上,采用传统的当量因子法核算了河北省生态系统服务价值,并分析了时空变化特征。发现ESV的年际变化呈减少趋势,共减少了300.56亿元,占总ESV的8.5%。空间上,ESV呈现北高南低的分布格局。北部ESV高得益于植被覆盖度较高,相应地调节和支持服务价值高；而南部低ESV区域的土地类型多为耕地和居民区,主要提供供给服务。这些时空变化特征与许多学者的研究结果较一致[16-18,21],可信度较高。分析发现,河北省ESV的减少主要源于水域生态系统ESV减少了252.97亿元,占减少总价值的84.2%,相关的水资源供给和水文调节功能价值的减少率分别达到19.7%和16.7%。东部沿海城市的ESV处于全省中等水平,其生态服务价值主要依靠海河水域湿地。水域湿地面积普遍减小对这些城市的ESV变化影响最大。

生态系统服务具有动态复杂性,而本研究的侧重点在于土地利用变化对生态服务价值的影响,对驱动机制方面的考虑比较单一。对于生态系统服务价值系数的确定,主要参考谢高地等[24]改进的单位面积生态系统服务价值当量表,忽视了城市建设用地提供的生态服务价值。随着城市化进程不断深入,城市内配套的小区绿地、绿化带及人工水域等面积不断扩张,忽略此部分对生态服务价值估算带来的不确定性。因此,需要纳入城市内部的各项生态指标,进而完善区域生态系统服务价值评估体系。此外,从静态的时间节点2000、2005、2010、2015年探讨了河北省各地市不同生态系统服务之间的权衡与协同关系,初步发现调节服务与供给服务、支持服务均具有显著权衡关系,而供给服务与支持服务之间存在显著协同关系。生态系统服务的权衡与协同关系具有显著的尺度分异特征和时空分异属性,借助模型手段探讨生态系统服务功能之间的动态关系将是下一步研究的重点。

5 结论

定量评估生态系统服务价值能较好地反映出生态系统环境变化状况及其影响因素,为进一步制定合理的可持续发展政策提供参考依据。采用生态系统服务价值(ESV)当量因子法,分析了土地利用变化影响下河北省生态系统服务价值的时空变化特征,并探讨了生态系统服务功能之间的权衡与协同关系。主要结论如下：

(1)2000—2015年,河北省建设用地和未利用地激增,主要由耕地和水域面积转换而来。2010—2015年上述变化趋势更为显著,建设用地与未利用地面积共增加了6 545.7 km2(42.0%),而水域和耕地面积减少了5 768.9 km2(5.7%)。

(2)2000—2015年河北省ESV显著减少主要表现为水域ESV减少高达252.97亿元,及相关的水资源供给和水文调节功能价值的减少,减少率达19.7%、16.7%。受水域湿地面积普遍减小、农业及生态耗水增加的综合影响,各地市ESV均呈现不同程度的减少(沧州市除外)。

(3)河北省ESV空间分布格局主要受土地利用类型的影响,ESV较高的北部和西部地区得益于林地和草地生态系统的服务价值,ESV中等的东部沿海城市主要依靠海河水域湿地的服务价值,南部和中部ESV较低的地区主要来源于耕地的服务价值。

(4)从四大类服务功能之间的关系看,调节服务与供给服务、支持服务均具有显著权衡关系,而供给服务与支持服务之间存在显著协同关系。