基于土地利用变化的汾河流域生态系统服务价值研究

2022-11-15张恩月苏迎庆姚万程

江西农业学报 2022年6期

张恩月，苏迎庆，姚万程，刘庚*

（1.太原师范学院地理科学学院，山西晋中 030619；2.太原师范学院汾河流域科学发展研究中心，山西晋中 030619）

0 引言

联合国千年生态系统评估报告显示，全球超过60%的生态系统服务已经或正在发生退化，影响了当前和未来生态系统服务的供给［1］。生态系统服务是指生态系统及其物种组成用以满足和维持人类生存、生活的条件和过程［2］。生态系统服务价值是以价值量衡量从自然生态系统中获取的各种效益，其中包括有益提升人类福祉或地球生命的服务及产品［3］。Pan等［4］研究表明，土地利用变化与生态系统服务有着密切的联系。Zhang等［5］研究认为，土地利用类型的时序及空间格局演变会直接/间接影响生态系统服务的供给，其中包括气候调节、水源涵养、生物多样性等生态系统服务功能，以此带来了生态系统服务价值的改变。丁娅楠等［6］研究认为，不合理的土地利用方式会对生态系统服务造成负面影响，引发土地退化、水土流失、生态环境恶化等一系列连锁问题。因此，定量评估区域土地利用变化对生态系统服务价值的影响对于促进土地可持续利用和改善生态系统服务功能具有重要意义［7］。

目前，土地利用变化与生态系统服务价值的研究主要集中于2个方面，一是土地利用变化对生态系统服务价值的影响，即土地利用变化及生态系统服务价值的效应［8］、土地利用变化与生态系统服务价值的时空格局演变等［9］；二是生态系统服务对土地利用变化的反馈，即生态系统服务价值对土地利用变化的响应、基于生态系统服务功能对土地利用结构的优化［10］、基于生态系统服务功能的土地资源的优化配置等［11］。研究尺度涉及空间［12-13］（行政单元/流域/生态敏感区）、类型［14-15］（湿地/农田）、时间［16-17］（历史基准期/未来）等。综合来看，现有研究为监测和评估不同类型、区域的土地利用变化与生态系统服务价值关系提供了科学参考。但是，受土地利用变化复杂性及地域性特征的影响，不同区域土地利用的变化对生态系统服务价值的影响存在差异，且目前对以采煤区、生态脆弱区及流域单元为一体的复合区域的相关研究相对较少。

因此，为探明该类型区域土地利用变化下的生态系统价值的时空演变，本文选取典型的黄土高原生态脆弱与采煤复合区汾河流域为研究区，参照山西省2008年颁布的《汾河流域生态环境治理修复与保护工程方案》，依据工程实施开始前（2006年）、中期建设（2013年）及远期建设完成（2018年）的关键节点，对期内的土地利用变化进行多模型测度，并采用生态系统服务价值测度模型及动态度方法评估土地利用变化下生态系统服务价值的演变，以期为流域土地资源科学利用及生态环境可持续发展提供指导。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

汾河流域位于山西省中部（35°13′4″～39° 4′ 4″N、110°26′42″～113°26′56″E），黄土高原东翼（图1）。流域地势向南倾斜，高程介于240～ 2786 m，地貌以丘陵、山地、平川为主。属温带大陆性季风气候，多年平均降水量介于402～609 mm。土壤包括潮土、褐土、棕壤、粗骨土等。流域面积3.95万km2，包括忻州、太原、晋中等6市40余县/区，是山西省重要的人口经济集聚区。

图1 汾河流域区位图

1.2 数据来源及处理

采用2006、2013、2018年3期土地利用数据，空间分辨率30 m，数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心（http://www.resdc.cn），并根据国家标准《土地利用现状分类》（GB/T 21010—2017），对土地利用类型重新分类，进行裁剪校正、坐标转化等处理。采样栅格大小为250 m×250 m。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用多模型测度（1）土地利用变化幅度。土地利用变化幅度（LR）是指一定时期内区域不同土地利用类型的面积变化［18］，公式如下：

式（1）中：Ua、Ub分别为起始期与末期某一用地类型的面积；a、b分别表示研究起始期与末期，单位为年。

（2）土地利用动态度。土地利用动态度包括单一土地利用动态度（K）及综合土地利用动态度（LC），可以表征某种/综合土地利用类型在一定时期内的变化程度，其值越大，表示土地利用变化越强［19］，公式如下：

式中：Ua、 Ub为研究起始期 a与末期b某一土地利用类型的面积；T为研究时段（年）；LUi为初期用地类型i的面积；ΔLUi-j为用地类型i到j转化面积的绝对值。

（3）土地开发度及耗减度。土地利用开发度（LD）表示一定时期内除未利用土地以外的其他用地类型的实际开发程度，测算新开发用地面积占初期该类型用地总面积的比率［20］；土地耗减度（LU）表示一定时期内某一用地实际消耗的程度，测算耗减用地面积占初期该类型用地总面积的比率［24］，公式如下：

式中：Dab表示从研究期a到b时刻由其他用地转变为该类型用地的面积总和；Cab表示从a到b时刻某种用地转变为其他用地的面积总和；Ua表示a时刻该用地类型的面积；T为a到b时刻的研究时长，单位为年。

（4）土地利用综合指数。土地利用综合指数（LI）用来测算研究区土地利用的综合水平和变化趋势，反映社会经济与自然环境因子造成的土地利用中土地自然属性变化［21］，土地利用变化数量（LN）及土地利用变化率（R）主要反映研究区土地利用的发展程度，当LN＞0或R＞0时，表示该区域内土地利用在发展时期，反之，则处于调整期/衰退期［25］，公式如下：

式中： Ai表示第 i类土地利用程度分级指标，参照土地自然综合体的平衡状态，将土地利用程度划分为4级，未利用土地、林地、草地、水域、耕地及建设用地分级指数依次定义为1、2、2、2、3、4［22］；Ci为第i类土地利用程度面积比；表示t、t-1时间内第i级土地利用程度面积比；n为土地利用类型分级数。

（5）地学信息图谱。地学信息图谱是集成空间、过程及属性等特征的土地利用图谱模型，可以反映土地利用变化的空间异质性特征及时序变化过程［23］，公式如下：

式中：LM为研究时段内土地利用变化类型的编码；La为前期土地利用类型的编码；Lb为后期土地利用类型编码；P为土地利用变化率；Sij是初期i类用地类型变为末期j类用地类型图谱单元的面积，i≠j；n为用地类型的数量。

1.3.2 生态系统服务价值测度（1）生态系统服务价值测度模型。生态系统服务价值测度模型能有效建立土地利用类型与生态系统服务价值之间的关联，为测度不同土地利用类型的生态系统服务价值，参照相关研究得到生态系统服务价值系数（表1）［24-25］，各生态系统类型提供的服务价值总和即生态系统服务价值总量，公式如下：

表1 汾河流域土地利用类型生态系统服务价值系数元/（hm2·a）

式中：ESV表示流域生态系统服务总价值（元）；ESVi为第i种土地利用类型的生态服务价值（元）；Ai为第i种土地利用类型的面积（hm2）；VCi为第i种土地利用类型的价值系数，单位为［元/（hm2·a）］；ESVf为生态系统的单项服务功能价值（元）；VCfi为单项服务功能价值系数，单位为［元/（hm2·a）］，表示第i种土地利用类型的第f项生态系统服务价值。

（2）生态系统服务价值动态度。生态系统服务价值动态度（KESV）是指一定时期内某种土地利用类型生态系统服务价值的变化速度［26］。可以用来探测不同土地利用类型生态系统服务价值变化的差异以及评估未来生态系统服务价值变化的趋势，当k＞0时，生态系统服务价值为增加趋势；当k=0时，生态系统服务价值保持不变；当k＜0时，生态系统服务价值为减少趋势［27］，公式如下：

式（14）中：ESVa、ESVb分别表示研究初期a和末期b某一土地利用类型的生态系统服务价值；T为研究时段，单位为年。

2 结果与分析

2.1 土地利用结构演变特征

2.1.1 土地利用数量演变特征 2006～2018年，汾河流域各土地利用类型数量变化呈现3类演变特征（图2），耕地、草地呈现线性下降趋势；建设用地、林地呈现线性增长趋势；水域、未利用土地多年基本保持同一水平。其中，2013～2018年土地利用变化幅度显著高于2006～2013年，与山西省社会经济发展趋势保持一致。土地利用类型以耕地、林地、草地及建设用地为主，分别占年均流域面积的41.61%、26.34%、25.26%、5.92%。

图2 各时序汾河流域土地利用面积及变化率

2.1.2 土地利用变化速度特征期内各变化速度指数均呈现指数型增长趋势，其中，2013～2018年各指数增长率均高于前期（图3）。2006～2018年，流域综合土地利用动态度为8.25%，单一土地利用动态度正增长的为建设用地及林地，分别为3.77%、0.08%；未利用土地、水域、草地及耕地为负增长，分别下降了-5.56%、-0.97%、-0.69%及-0.39%。土地开发度从高到低依次为建设用地、水域、草地、耕地及林地；耗减度从高到低依次为未利用土地、水域、草地、耕地、建设用地及林地。对比各时序土地利用变化速度指数，期内土地利用变化速度由缓趋快，建设用地、耕地、草地变化显著，人口经济集聚引起城镇建设用地需求提高，部分耕地转变为建设用地，为维护耕地占补平衡，草地、水域转出为耕地，进而促使建设用地、草地及水域开发度的提高。

图3 汾河流域土地利用变化速度

2.1.3 土地利用程度演变特征 2006～2018年流域土地利用程度变化综合指数呈现指数型增长趋势（表2），表明在社会经济与城镇发展驱动下，土地利用集约化程度不断提高。2013～2018年土地利用程度变化量较前一时序增长了7.28%，土地利用程度变化率提高到1.97%。自2013年以来，在山西省经济转型与全域土地综合整治背景下，流域土地利用得到良性发展，集约化程度及经济效益不断增长。

表2 汾河流域土地利用程度变化

2.2 土地利用格局演变特征

2006、2013、2018年流域土地利用时空格局呈现建设用地、耕地、草地、林地逐次嵌套的分布特征，流域盆地核心区变化显著，边缘区变化较小（图4）。空间上，耕地、建设用地主要分布于流域中下游盆地区，而林地、草地等则集中分布于流域边缘的山地丘陵区。时间上，建设用地、林地呈现逐年增长趋势，以建设用地为例，2006～2018年其面积净增长了1269.9 km2，而同期耕地、草地则逐年减少。结合流域土地利用转移图谱单元对比识别发现（图5），流域空间异质性图谱单元共27类，且集中分布于中下游盆地向丘陵区的过渡带。其中，耕地—林地（12）、耕地—草地（13）、耕地—建设用地（15）等用地间相互转换面积最大，共计转换面积13239 km2，占流域总面积的32%。在经济转型与生态保护的背景下，期内建设用地主要有序转入耕地来满足建设需求，但为了维护耕地占补平衡，宜耕后备土地资源中的草地成为第一转移源。

图4 2006、2013、2018年汾河流域土地利用现状

图5 各时序土地利用转型图谱

2.3 生态系统服务价值时序演变

2006～2018年，流域生态系统服务价值总量整体呈现线性下降趋势（图6），由2006年的365.98亿元减少到2018年的357.28亿元，下降率达2.38%。其中，未利用土地、水域、草地、耕地生态系统服务价值总量呈现下降趋势，降幅分别为-40%、 -10.42%、-7.67%、-4.46%；林地生态系统服务价值总量呈现增长趋势，增幅为0.99%。按生态系统服务总价值贡献率排序，从高到低依次为林地、耕地、草地、水域和未利用地，其中，林地、耕地、草地是生态系统服务总价值的主要贡献源，分别占流域生态系统服务总价值的53.03%、26.49%、16.84%。具体来看，2006～2018年，耕地、草地数量由研究初期的14451.3、8838.9 km2下降至末期的13806.9 、8161.2 km2，缩减面积分别为644.4、677.7 km2，造成流域生态系统服务总价值分别亏损4.37亿元和4.81亿元。

图6 各时序汾河流域土地利用ESV总量及变化率

2013～2018年流域生态系统服务价值动态度显著高于前期（图7），其中，生态系统服务价值动态度正增长的为林地，增幅为0.08%，未利用土地、水域、草地及耕地为负增长，降幅分别为-3.33%、 -0.87%、 -0.64%及-0.37%。按时序变化，2006～ 2013年，水域的生态系统服务价值动态度增加了0.17%，2013～2018年减少了2.29%。2006～2013、2013～2018年未利用土地的生态系统服务价值动态度分别减少了1.43%与6.67%。2006～2013、2013～ 2018年耕地生态系统服务价值动态度分别减少了0.15%与0.68%。

图7 各时序生态系统服务价值动态度

2.4 生态系统服务价值空间格局演变

将生态系统服务价值划分为极低、低、中等、高、极高5个等级（图8），生态系统服务价值主要以中等和低值2个等级为主，面积占比分别为56.31%、23.14%。空间上，生态系统服务价值空间格局呈现“外围高—中心低”与高值斑块嵌入的分布特征。其中，生态系统服务价值极高、高值区与林地、水域分布大体一致，集中分布于流域中上游的山地、丘陵区；中值区与耕地、草地的分布一致，主要分布在流域盆地与丘陵过渡带；低值及极低值区集中分布在建设用地区域，主要位于流域中心盆地。时间上，极低、低值区总体呈现逐年扩大趋势，中等区缩减显著。2006～2013年，城镇建设用地增长了179.10 km2，草地、耕地减少了23.40、155.70 km2，极低、低值区域扩张了992.71、473.92 km2；2013～2018年，城镇建设用地增长了1090.80 km2，草地、耕地减少了654.30、488.70 km2，但林地面积扩大了90.9 km2，由于林地生态服务价值远高于耕地、草地，期内的退耕还林及林地建设促进了生态系统服务价值的提高，使得极低、低值区缩小了2449、7533 km2。而部分建设用地的无序扩张及草地、耕地的减少是造成该指数下降的主要原因。