李晓 郑庆荣 胡砚秋 高艳珍 罗淑政

摘 要：以滹沱河上游地區2005、2010、2015、2018年4期遥感影像为数据源，采用土地利用动态度、价值当量因子法、敏感性指数等指标评估生态系统服务价值，分析土地利用变化对生态系统服务价值的影响。结果表明：（1）2005—2018年研究区土地利用变化最大的为建设用地，动态度为5.80%，面积增加了25337.52hm2;其次为草地和未利用地，动态度分别为-0.27%和-0.20%，处于减少状态。（2）土地利用面积转移中，耕地转为建设用地最多，达12506.01hm2;其次为草地转为建设用地，为9734.03hm2。（3）单项生态系统服务价值以林地最大，贡献率在48%以上;其次为草地，达26%以上，两者占比合计超过75%，说明林地和草地是维持研究区生态服务功能的主体。生态系统服务功能以土壤形成与保护、废物处理、水源涵养和生物多样性功能为主，占比高达62%，食物生产和娱乐文化功能的价值最低。（4）2005—2018年研究区综合生态系统服务价值呈轻微减少趋势，变化率为-1.37%，减少了236.16×106元。其中草地减少最多，变化率为-3.55%，减少了166.12×106元。因此，必须重视滹沱河上游地区林草保护，确保生态功能价值的主体作用，同时合理规划建设用地，优化土地利用结构，减少耕地的占用，促进生态文明建设。

关键词：土地利用变化;生态系统服务价值;滹沱河上游地区

中图分类号 X171文献标识码 A文章编号 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

生态系统服务是指人类通过生态系统的结构、过程和功能，以直接或间接的方式得到生命支持产品和服务[1-2]，与人类福祉有密切关系[3-4]。土地利用/覆被变化（Land Use/Cover Change，LUCC）是人类活动对自然环境作用最直接的表现形式[5]，是影响生态系统功能服务的重要因素[6]。深入的研究土地利用变化及其对生态系统服务价值（Ecosystem Services Value，ESV）的影响能够更好地协调人与自然的关系[7]。目前，国内外专家在生态系统服务价值的评估方法方面开展了许多工作，但缺乏一套统一且完整的评估方法。自1997年Costanza估算了全球生态系统服务价值起，生态系统服务价值及评估在世界范围内开始了广泛的研究讨论。我国对该方面的研究起步较晚。谢高地等[8-10]借鉴Costanza等的评价模型，建立了中国陆地生态系统服务价值评估标准体系。目前，生态系统服务价值量评估大致可分为当量因子法和功能价值法2类，定量评估生态系统服务价值的时空变化是环境资源高效合理配置的基础知识。当量因子法是基于可量化的标准构建不同服务功能的价值当量，结合不同生态系统的面积对生态系统服务进行评估，且功能评估较为全面[11]，现被国内众多学者应用于行政区域、城市群、流域、单一生态系统类型等不同尺度下的生态系统服务价值研究[13-16]，并且适用于流域尺度的价值评估。

流域生态系统是由社会—经济—自然组成的复合生态系统，评估流域生态系统服务价值可为流域生态环境保护和流域综合管理提供更有利的支撑[16-17]。滹沱河是海河的支流之一，是京津冀上游重要水源地，具有重要的生态作用，上游流域具有重要的土壤保持和涵养水源等生态功能作用。目前关于滹沱河流域研究多围绕水文水利等方面[18-21]，对于生态系统服务价值方面的研究较少。为此，笔者以滹沱河上游地区的县域为基准，综合流域与地区影响，分析滹沱河上游地区生态系统服务价值的变化。基于滹沱河上游地区2005—2018年土地利用遥感数据，分析2005—2018年研究区土地利用的主要变化，并对生态系统服务价值进行评估，以期为滹沱河上游地区生态环境保护和区域管理提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况 滹沱河发源于山西省繁峙县泰戏山孤山村一带，是海河水系子牙河的主要支流之一。研究区选取滹沱河上游地区（112°15′44″～113°57′17″E、38°12′27″～39°26′11″N），包括忻州市的繁峙县、代县、原平市、忻府区、定襄县和五台县（见图1），面积为12346km2。研究区属温带大陆性季风气候，属暖温带半干旱大陆性季风区东部及暖温带半干旱—干旱过渡带西部，总体四季分明、雨热同季、干旱、少雨多沙;平均温度在5～9.3℃，年降水量为400～770mm，多集中在夏季。地貌类型多样，山地、丘陵、平川和盆地均有分布。滹沱河上游地区总人口210.46万，人类活动较多，对生态环境具有一定的影响。

1.2 数据来源及处理 滹沱河上游地区的2005、2010、2015、2018年1∶10万土地覆被数据来源于中国科学院地理科学与资源研究所、中国科学院资源环境科学数据中心（http：//www.resdc.cn）[22-23]，并利用ArcGIS 10.4对土地利用类型分布图进行处理分析（图2），得到研究区4期土地利用数据。参考中国多时期土地利用/土地覆盖遥感监测数据分类系统的标准，将研究区土地利用类型划分为6类，分别为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地。社会经济数据来源于《忻州统计年鉴》和《中国粮食年鉴》。

1.3 研究方法 利用土地动态度来分析土地利用变化情况，衡量土地变化的速度，进一步运用当量因子法测算基于土地利用的生态系统服务价值。

1.3.1 土地利用动态度 土地利用动态度可表征土地利用变化的速度，包括单一土地利用动态度和综合土地利用动态度[24]。动态度的绝对值越大，表明土地面积增加或减少的速率越快。单一土地利用动态度指一定时期内某种土地利用类型的变动情况，计算公式如下：

[K（%）=Ub-UaUa×1T×100] （1）

式中：K为某种土地利用类型动态度;[Ua]和[Ub]分别为研究初期和研究末期某种土地利用类型面积;T为研究时长。

综合土地利用动态度是指研究区整体的土地利用变化速度，计算公式如下：

[LC（%）=i=1nΔLUi-j2i=1nLUi×1T×100] （2）

式中：[LUi]为研究初期的第i类土地利用类型面积;[ΔLUi-j]为研究期内的第i类土地利用类型转变为非i类土地利用类型面积的绝对值;T为研究时長。

1.3.2 生态系统服务价值计算 根据滹沱河上游地区的实际情况，采用价值当量因子法[9]计算研究区生态系统服务价值。为消除农作物价格波动对总价值量的影响，计算出滹沱河上游地区一个当量因子的价格约为1259.93元/hm2，得出滹沱河上游地区不同生态系统类型的生态价值系数（表1）。

根据单位面积生态系统服务价值当量因子表和修正后的价值当量，得到滹沱河上游地区土地利用类型生态系统服务价值当量，生态系统服务价值计算公式为：

[ESV=Ak×VCk] （3）

[ESVf=Ak×VCfk] （4）

式中，ESV和ESVf分别为研究区生态系统服务价值和研究区生态系统第f项服务价值;Ak是土地利用类型k的面积;VCk和VCfk分别是生态系统服务价值系数和土地利用类型k的第f项服务功能价值系数。

1.3.3 生态敏感性分析 运用敏感性指數CS（Sensitivity Coefficient）分析研究区生态服务价值随时间变化对生态价值系数变化的依赖程度[25]，验证生态系统服务价值估算的准确性及合理性。CS是指VC变动1%引起ESV的变化情况，CS越大，表明VC的准确性越关键。敏感性指数计算公式如下：

[CS=ESVj-ESViESViVCjk-VCikVCik] （5）

式中：ESV为生态系统服务价值;VC为生态系统价值系数;i和j分别代表初始价值和生态系统价值系数调整后价值;k为土地利用类型。

2 结果与分析

2.1 土地利用变化

2.1.1 土地利用类型与面积 由表2可知，2005—2018年研究区6类土地面积均有一定程度的变化。其中，主要的土地利用类型为草地，约占总面积的40%;其次为耕地和林地，水域、建设用地和未利用地面积最小。这是由于研究区内山地、丘陵地貌面积占比较大，以草地和林地为主，河谷地带以耕地为主。建设用地面积增加最快，草地、林地、耕地略有减少，水域和未利用地变化不明显。其中，建设用地增加了25337.52hm2，占比由2.72%增加到4.77%，前期增速较快，2005—2010年面积增加了59.30%，这与此阶段经济快速发展有关。

2.1.2 土地利用动态度 由表3可知，2005—2018年研究区综合土地利用动态度较小，为0.16%。前期变化较快，后期逐步减慢，2005—2010年、2010—2015年和2015—2018年综合土地利用动态度分别为0.39%、0.15%、0.09%。单一土地利用动态度中，建设用地最大，为5.80%，建设用地的快速发展主要集中在2005—2010年，土地利用动态度为11.86%;其余土地利用类型的动态度均为负值，林地、草地、耕地和未利用地的面积呈现小幅度的减少，表明滹沱河上游地区的建设规模增大，使各种土地利用向建设用地转化。

2.1.3 土地利用面积转移 由表4可知，滹沱河上游地区2005—2018年土地利用面积转移中，以草地转出面积最大，转出类型主要为建设用地，面积达9734.03hm2，转为林地、耕地、水域的面积分别为6103.84、4554.25、95.22hm2;其次是耕地转出为建设用地，面积达12506.01hm2，转为草地、林地的面积为1265.76、525.12hm2。从空间分布来看，研究区土地利用转变主要集中在滹沱河两侧，主要表现为耕地、草地、林地转化为建设用地。另外，研究区也有部分耕地转化为草地和林地，这与执行退耕还林还草的政策有关。

2.2 生态系统服务价值变化

2.2.1 生态系统服务价值时间演变 由表5可知，2005—2018年，滹沱河上游地区土地利用生态系统服务价值呈微弱减少趋势，减少了236.16×106元，变化率为-1.37%，其中草地生态系统服务价值减少最显著，减少了3.55%。在生态系统服务价值构成中贡献率最大的是林地和草地2种土地类型，占比达75%以上，由此可见林地、草地是维持研究区生态功能价值的主体。从各类土地的生态系统服务价值变化来看，前期（2005—2010年）耕地的生态系统服务价值减少较多，为-3.30%;林地呈增长趋势，变化率为1.35%，增加了112.95×106元;中期（2010—2015年）耕地和未利用地的生态系统服务价值呈增长趋势，其余土地利用类型均为减少趋势;后期（2015—2018年）未利用地的生态系统服务价值变化幅度最大，为-4.77%，其余土地利用类型的生态系统服务价值变化率不大。

2.2.2 单项生态系统服务功能价值贡献与变化 由表6可知，单项功能生态系统服务价值贡献率从高到低依次为土壤形成与保护、废物处理、水源涵养、生物多样性保护、气体调节、气候调节、原材料、食物生产、娱乐文化。其中，土壤形成与保护、废物处理、水源涵养、生物多样性保护的生态服务功能贡献率高达62%，这与研究区内五台山区较高的植被覆盖率有关，高植被覆盖率与研究区土壤形成与保护的生态服务功能具有正相关关系;原材料、食物生产和娱乐文化的生态服务功能贡献率仅占13.8%，这主要是由于研究区社会经济发展水平较低，有3个国家级贫困县，山地、丘陵地貌为主的自然条件导致开发利用难度大，基于自然生态系统的娱乐文化功能开发不足。从时间演变来看，2005—2010年原材料和娱乐文化的生态服务功能价值呈增加趋势，其余均为减少的发展态势，其中废物处理和土壤形成与保护减少最多;2010—2015年，只有食物生产功能增加，其余均为减少趋势;2015—2018年所有服务功能均呈减少趋势。这与研究区社会经济发展的阶段性相关。总体而言，2005—2018年土壤形成与保护和废物处理功能价值减少最多，分别减少了59.17×106元和44.43×106元。

2.3 生态系统服务价值敏感性 将土地利用类型的生态系统服务价值系数分别上下调整50%，得出各种土地类型的生态系统服务价值的敏感性指数。由表7可知，所有土地类型生态系统服务价值系数的敏感性指数均小于1，说明滹沱河上游地区的生态系统服务价值对生态服务功能价值系数缺乏弹性，研究结果可信。研究区土地利用类型中，敏感性指数从大到小依次为林地、草地、耕地、水域、未利用地、建设用地。CS值最高的是林地，变化范围为0.4857～0.4951，说明林地的生态价值系数若增加1%，生态系统服务价值变化增加0.4857%～0.4951%;其次为草地和耕地，未利用地敏感性指数最小，接近0。由此可见，林地对研究区的生态系统服务价值的影响最大，而未利用地不具有面积优势。

3 结论与讨论

3.1 结论 研究结果表明：（1）2005—2018年研究区土地利用变化最大的为建设用地，动态度为5.80%，面积增加了25337.52hm2;其次为草地和未利用地，动态度分别为-0.27%和-0.20%，处于减少状态。（2）土地利用面积转移中，耕地转为建设用地最多，达12506.01hm2;其次为草地转为建设用地，为9734.03hm2。（3）生态系统服务价值以林地最大，贡献率在48%以上;其次为草地，达26%以上，二者占比合计超过75%，说明林地和草地是维持研究区生态服务功能的主体。生态系统服务功能以土壤形成与保护、废物处理、水源涵养和生物多样性功能为主，占比高达62%，食物生产和娱乐文化功能价值最低。（4）2005—2018年滹沱河上游地区综合生态系统服务价值呈现轻微减少趋势，变化率为-1.37%，减少了236.16×106元。其中草地减少最多，变化率为-3.55%，减少了166.12×106元。

3.2 讨论 滹沱河上游地区随着建设用地增多，土地利用类型结构的转变会对生态系统造成一定的不良影响，对生态系统服务价值影响较大。滹沱河上游地区是山西省重点生态功能区和限制开发区，在土地开发过程中需处理好保护与发展的关系，优化土地利用结构，合理规划建设用地，才能促进生态系统服务价值向增值的方向发展。随着社会经济的发展，部分耕地不可避免地要转移为建设用地，但从研究区现状来看，建设用地以占用耕地为主，这与国家“坚守18亿亩耕地红线”的政策相悖，应引起重视，加强耕地保护措施，保障粮食安全。研究区内地质地貌多样、植物种类繁多，植被分布具有明显的垂直地带性，林地与草地面积占比大，是维持研究区生态功能的主体，因此加强生态建设，注重林草保护，才能维持滹沱河上游地区的生态功能，促进生态文明建设。

3.3 建议 （1）优化土地利用结构，实现土地资源优化配置。由于研究区是山西省重点生态功能区和限制开发区，应对研究区的土地进行合理有规划的开发利用，秉承科学开发的理念，对于非开发区的生态环境予以保护，确保研究区的土地可持续发展，促进生态建设。（2）加强研究区的生态建设和改善土地生态环境。要在原有的以草地为主的生态基础上，加强对耕地、林地等土地利用类型的生态系统服务功能的挖掘，加强对研究区的生态建设，努力提升土地生态环境，促进生态环境与社会经济和谐发展。（3）加强新技术在土地资源管理中的应用。为适应社会经济发展和生态建设，推进对土地资源的科学管理尤为必要。当今信息技术发展迅速，只有结合各类先进的信息技术，才能够对土地利用等信息进行及时的分析及预测，使有关部门能够作出正确决策，科学管理土地，有助于研究区的生态环境建设。

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（责编：徐世红）