趙 晴, 趙旭陽, 劉 征

(石家莊學院 資源與環(huán)境科學系, 河北 石家莊 050035)

?

石家莊市土地利用變化及其生態(tài)服務功能響應

趙 晴, 趙旭陽, 劉 征

(石家莊學院 資源與環(huán)境科學系, 河北 石家莊 050035)

摘要：[目的] 探究土地利用變化對生態(tài)服務功能的影響，為今后研究區(qū)實現(xiàn)社會經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定、土地可持續(xù)利用與發(fā)展提供理論依據(jù)和決策方法。 [方法] 利用河北省石家莊市2000年和2010年的遙感影像數(shù)據(jù)，解譯該2期土地利用類型圖。并對2期土地利用圖進行變化速度、內(nèi)部轉移矩陣、空間疊加分析，了解近10 a來研究區(qū)的土地利用特征。應用謝高地和Costanza的研究經(jīng)驗，結合研究區(qū)實際，對生態(tài)服務功能價值進行計算，并作敏感性分析。并從單項生態(tài)服務功能價值、各土地利用類型生態(tài)服務價值對生態(tài)服務功能價值影響、生態(tài)服務價值流向等方面對土地利用變化的生態(tài)服務功能響應進行研究。[結果] 土地利用變化是引起生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化的主要原因，其中林地和低矮灌木及草地生態(tài)系統(tǒng)對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的提高有顯著影響。 [結論] 研究區(qū)10 a間土地利用變化十分明顯，土地利用整體趨勢呈平衡狀態(tài)，土地利用方向基本合理;保護區(qū)土地利用變化對生態(tài)服務功能影響顯著，林地為主要土地利用類型，對生態(tài)服務功能影響最為顯著。

關鍵詞：土地利用變化; 生態(tài)服務功能; 地表水源保護區(qū); 石家莊市

土地是人類賴以生存的物質基礎，隨著人類社會的發(fā)展進步，人地關系日益緊張，人類改變著土地利用的方式和結構，進而直接影響著生態(tài)環(huán)境的變化[1]，以至于帶來一系列環(huán)境問題。生態(tài)系統(tǒng)服務是指通過生態(tài)系統(tǒng)的結構、過程和功能直接或間接得到的生命支持產(chǎn)品和服務[2-5]。M. J. Metzger, M. D. A. Rounsevell[6]運用易損性評價，介紹了14種土地利用類型情況，以及與此相關的一系列生態(tài)系統(tǒng)服務功能，結果表明，土地利用變化情況的直接脆弱性運用對于了解土地利用變化對整個歐洲生態(tài)環(huán)境的影響是十分有益的。Henrik Vejre[7]以哥本哈根城市邊緣區(qū)為研究對象，分析生態(tài)服務功能。國內(nèi)多名學者對不同區(qū)域研究土地利用變化與生態(tài)服務功能價值之間的關系[8-13]，目前大多以Costanza[14]等或者謝高地[15]等人對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的研究成果為依據(jù)，利用遙感解譯數(shù)據(jù)、調查數(shù)據(jù)，從土地利用面積變化，土地利用空間分布，土地利用方式轉變等幾個方面進行分析，研究土地利用的變化對生態(tài)系統(tǒng)服務功能產(chǎn)生怎樣的影響，或通過生物多樣性、生物量等修正方法估算區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務的價值，進而研究兩者之間是怎樣相互響應的。近幾年少數(shù)人考慮謝高地參數(shù)的不普遍性，采用其他模型嘗試估算生態(tài)服務功能價值。李屹峰[16]等分析流域1990—2009年土地利用的變化,采用空間顯式的生態(tài)系統(tǒng)服務功能評估軟件InVEST中的“產(chǎn)水量”、“土壤保持”、“水質凈化”模型,研究流域土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務功能的影響。

本文研究區(qū)為河北省石家莊市。石家莊市地表水源保護區(qū)位于河北省西部太行山中段，地勢差距大，地貌復雜。氣候主要特點是：四季分明，季節(jié)性強，光照充足，降水量偏少，夏暑冬寒，溫差較大。研究區(qū)包括崗南水庫水源地和黃壁莊水庫水源地。黃壁莊和崗南水庫是市域內(nèi)2座串聯(lián)的大型水庫，總庫容量分別為1.57×109m3和1.21×109m3，已經(jīng)成為石家莊市區(qū)的直接飲用水源地[17]。保護區(qū)總面積為4 372.21 km2,主要分布在平山縣和井陘縣大部分地區(qū)，其中第一、二、三產(chǎn)業(yè)發(fā)展較不平衡，第二產(chǎn)業(yè)比重較大，主要是第二類和第三類工業(yè)，環(huán)境污染嚴重并且發(fā)展水平較低、經(jīng)濟效益相對較差。

中國對生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值的研究很多[18-19]，但是對飲用水源保護區(qū)生態(tài)服務價值方面的研究較少。飲用水源保護區(qū)是人類生存的重要區(qū)域，其生態(tài)服務功能尤為重要。目前，對飲用水源保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值研究較少，對其土地利用變化如何影響生態(tài)系統(tǒng)服務總價值結構變化的研究幾乎空白。本文通過對石家莊地表水源保護區(qū)近10 a土地利用類型的結構、時空變化特點進行分析，明確土地利用類型在數(shù)量、內(nèi)部轉化等方面的變化，同時計算研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值，并對研究區(qū)各單項生態(tài)服務功能的服務價值、各土地利用類型的生態(tài)服務價值進行評價，進而分析土地利用變化的生態(tài)服務功能響應問題。通過對研究區(qū)所在區(qū)域的土地利用變化進行監(jiān)測，分析土地利用的結構與格局變化，并將生態(tài)系統(tǒng)服務價值與土地利用變化聯(lián)系起來，可以為今后研究區(qū)實現(xiàn)社會經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定、土地可持續(xù)利用與發(fā)展提供理論方法和決策依據(jù)。

1數(shù)據(jù)源及研究方法

1.1　數(shù)據(jù)源

本項研究所采用的數(shù)據(jù)主要為研究區(qū)2000年LandsatTM遙感影像、2010年中國環(huán)境一號衛(wèi)星遙感影像。遙感影像成像時間分別為2000年5月7日和2010年7月15日，分辨率均為30 m。輔助資料為石家莊市2010年Landsat ETM遙感影像，地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)共享網(wǎng)2005年已分類矢量數(shù)據(jù)，石家莊市2000年1∶100 000地形圖和石家莊市2000年地區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖，并且與2010年5月實地勘察和調研數(shù)據(jù)相結合。

1.2　研究方法

(1) 單一土地利用類型動態(tài)度模型[20]：

(1)

式中：K——研究時段內(nèi)，某種土地利用類型的動態(tài)度； Ua——研究期初某一種土地利用類型的數(shù)量； Ub——研究期末某一種土地利用類型的數(shù)量； T——研究時間段，當T時段設定為年時，K值就表示該研究區(qū)某種土地利用類型的年變化率。

(2) 土地利用/覆被變化整體趨勢狀態(tài)分析模型[20]：

(2)

式中：Pt——區(qū)域內(nèi)土地利用/覆被變化的狀態(tài)指數(shù)和整體趨勢； △Uin-1——轉化為第i類土地利用類型的面積； △Uout-1——第i類土地利用類型的轉出面積。根據(jù)Pt值對其進行具體分級[20]：當0≤Pt≤0.25時，定義LUCC處于平衡狀態(tài)；當0.25

(3) 生態(tài)系統(tǒng)服務單價轉換模型[21]：

(3)

式中：Ea——單位農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)提供食物生產(chǎn)服務功能的經(jīng)濟價值(元/hm2)； i——作物種類，pi——i種糧食作物全國平均價(元/kg)； qi——i種糧食作物單產(chǎn)(kg/hm2)； mi——i種糧食作物面積(hm2)； M——糧食作物總面積，1/7是指在沒有人力投入的自然生態(tài)系統(tǒng)提供的經(jīng)濟價值是現(xiàn)有單位面積農(nóng)田提供的食物生產(chǎn)服務經(jīng)濟價值的1/7。下同。

(4) 生態(tài)服務價值計算模型[21]：

(4)

式中：ESV——生態(tài)系統(tǒng)服務價值(元)；LUi——研究區(qū)第i種土地利用類型的面積(hm2)；VCi——第i種土地利用類型單位面積的生態(tài)系統(tǒng)服務價值(元/hm2)； i——土地利用類型(i=1,2,…,n)。下同。

(5) 敏感性指數(shù)分析模型[21]：

(5)

式中：J，k——生態(tài)價值系數(shù)調整前的初始價值和生態(tài)價值系數(shù)調整以后的價值； CS——VCi變動1%時引起的ESV變化情況，當CS<1，表明生態(tài)系統(tǒng)價值缺乏彈性;當CS>1，表明生態(tài)系統(tǒng)價值是有彈性的。

(6) 單項服務功能計算模型[21]：

(6)

式中：ESVf——研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務功能f的生態(tài)系統(tǒng)服務總價值(元)； VCfi——單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務功能f的價值系數(shù)(元/hm2)。

(7) 影響度分析模型[21]：

(7)

式中：Ei——第i類土地利用類型生態(tài)服務價值變化對生態(tài)服務價值總量變化的影響度； △ESVi——第i類土地利用類型的生態(tài)服務價值在某一時段內(nèi)的變化量。下同。

(8) 流向性分析模型[21]：

PLij=(VCj-VCi)×Aij

(8)

式中：PLij——初始年份第i類土地利用類型轉化為終了年份第j類土地利用類型后的生態(tài)服務價值損益； VCi，VCj——第i類土地利用類型和第j類土地利用類型的生態(tài)服務價值系數(shù)；Aij——第i類土地利用類型轉化為第j類土地利用類型的面積。

2結果與分析

2.1　石家莊市地表水源保護區(qū)土地利用變化分析

2.1.1土地利用信息提取采用遙感信息與地學信息相結合，室內(nèi)判讀和野外調查相結合的方法，運用ERDAS imagine和ArcGIS對遙感圖像進行處理(附圖6)。最后，利用ERDAS imagine軟件分別對2期分類影像進行土地類型面積統(tǒng)計，并作轉移分析。

2.1.2石家莊市地表水源保護區(qū)近10 a土地利用基本特征由統(tǒng)計結果可知石家莊市地表水源保護區(qū)土地利用類型，2000年以林地、低矮灌木及草地和未利用地為主，共占總面積的79.38%。2010年仍以林地、低矮灌木及草地和未利用地為主，共占總面積的80.14%。10 a間的主要變化趨勢是建設用地和林地面積的增加，耕地、低矮灌木及草地、水域和未利用地面積的減少(見表1)。

表1　研究區(qū)各土地利用類型面積及所占比例

2.1.3土地利用時間尺度變化特征分析

(1) 土地利用的變化速度分析。根據(jù)水源保護區(qū)2000年、2010年各期的地類面積，依據(jù)單一土地利用類型動態(tài)度計算公式(1)，得出該研究區(qū)域土地利用動態(tài)度，建設用地、林地、耕地、低矮灌木及草地、水域、未利用地土地利用動態(tài)度分別為0.89%，2.27%，-0.58%，-0.97%，-2.05%，-1.49%。

石家莊市地表水源保護區(qū)在整個研究期間內(nèi)，各個土地利用類型變化的速度由大到小依次為：林地>水域>未利用土地>低矮灌木及草地>建設用地>耕地。在2000—2010年期間，林地與其它土地利用類型年變化率相比，居首位，10 a間增加了286.94 km2，耕地變化率最小，10 a間減少了33.72 km2。

(2) 土地利用的內(nèi)部轉化分析。由表2可以看出2000—2010年保護區(qū)各土地利用類型變化情況：建設用地面積增加量雖小，變化卻比較復雜，增加面積主要是由耕地和未利用地轉化而來；林地是增加面積最大的土地利用類型，主要由低矮灌木及草地和未利用地轉化而來，轉移概率分別為40.07%和25.15%；耕地減少量主要轉化為建設用地、林地、低矮灌木及草地；低矮灌木及草地保持不變的面積比例為42.32%，變化的部分主要轉化為林地，集中在西部山區(qū)，轉化概率為40.07%；水域主要轉化為建設用地、耕地、低矮灌木及草地和未利用地；未利用地凈減少115.99 km2，保持不變的概率為32.13%，2000年時多分布在井陘地區(qū)。隨著環(huán)境保護的加強，減少的未利用地多轉化為林地和低矮灌木及草地(以井陘縣最為明顯)，轉化概率為25.15%和24.87%。

表2　2000-2010年研究區(qū)土地利用類型轉化矩陣　km2

同時，可以在以上土地利用轉移矩陣的基礎上，從研究區(qū)土地利用轉移矩陣中提取各個土地利用類型的轉入、轉出面積，采用土地利用/覆被變化整體趨勢和狀態(tài)分析模型(2)，對研究區(qū)各土地利用類型轉移情況加以分析。計算結果顯示研究區(qū)2000—2010年的Pt值為0.13，表明研究區(qū)近10 a來，各土地利用類型以雙向轉換為主要態(tài)勢，且轉入、轉出頻繁，整體上各土地利用類型的轉換趨勢呈現(xiàn)出均衡轉換的狀態(tài)。

2.1.4土地利用的空間尺度變化分析選取變化速度最快的林地、水域、耕地作為研究對象，在GlS技術的支持下，分別疊加其2000年和2010年遙感影像解譯出的土地利用圖(圖1)，建立具有多重地理屬性的空間分布區(qū)域[22]，進而分析出10 a間研究區(qū)土地利用變化的空間差異。

圖1　2000-2010年研究區(qū)林地、水域、未利用地變化

從疊加分析結果圖中，可以更清晰地看到林地、水域、未利用地變化面積的空間位置分布。林地增加面積較大，主要集中在崗南水庫以西地區(qū)，此處屬西部山區(qū)，適于林木生長，加之人為種植保護的作用，增加面積廣大；井陘縣城的南、北、西3面林地也有所增加，主要是對未利用地的開墾結果。水域面積減少20.52%，水面萎縮嚴重，大部分發(fā)生在崗南水庫西部和井陘縣地區(qū)，主要是由于人為胡亂占用，礦區(qū)開采的影響。未利用地面積的減少基本均勻分布在整個保護區(qū)，主要用于植樹造林、開墾耕地和城市建設。

2.2　石家莊市地表水源保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值分析

土地利用的方式不同，與其對應的生態(tài)系統(tǒng)具有的服務功能就會不同，生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能必然受土地利用/覆蓋變化的影響，這些影響通過生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值變動體現(xiàn)出來[23]。

2.2.1生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值測算由統(tǒng)計資料可知，石家莊市地表水源保護區(qū)主要糧食作物分為稻谷、玉米、小麥、大豆。本研究分別采用2000年和2010年河北省平均價格，以石家莊市地表水源保護區(qū)2000年和2010年主要糧食作物的平均糧食產(chǎn)量為該區(qū)基準單產(chǎn)，以謝高地等[15]的生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務價值當量表為基礎，在進行修正的基礎上，根據(jù)公式(3)，計算出研究區(qū)每個當量的生態(tài)服務價值為1 454.5元。

為了更加科學準確的使用謝高地的當量表，本文將林地生態(tài)當量與森林對應，低矮灌木及草地生態(tài)當量與草地對應，耕地生態(tài)當量與農(nóng)田對應，未利用地生態(tài)當量與荒漠對應，計算出石家莊地表水源保護區(qū)不同土地利用類型單位面積生態(tài)服務價值。在確定了每個當量的價值之后，根據(jù)公式(4)利用所得數(shù)據(jù)與兩年各土地利用類型面積相乘，可以得出2000年和2010年研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值(見表3)。

2.2.2生態(tài)系統(tǒng)服務功能賦值的敏感性分析生態(tài)價值系數(shù)是否準確，生態(tài)系統(tǒng)類型對土地利用類型是否具有代表性，需要進一步驗證。根據(jù)公式(5)，分別將各土地利用類型單位面積的生態(tài)服務價值上下調50%，再將2000年和2010年研究區(qū)的生態(tài)服務總價值用調整后的生態(tài)價值系數(shù)分別進行估算，結果見表4。從數(shù)據(jù)可以看出，VCi上下調整50%后的各類地敏感性指數(shù)均小于1，說明生態(tài)系統(tǒng)服務價值(ESV)對于生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)(VC)是缺乏彈性的，即各個土地利用類型單位面積的生態(tài)服務價值變化沒有對研究區(qū)的生態(tài)服務總價值產(chǎn)生較大影響，本文選取的生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)對于研究區(qū)而言是比較合適的，取值是可信的。

表3　研究區(qū)各生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)服務價值

表4　研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值敏感性分析

2.3　土地利用變化及其生態(tài)服務功能響應分析

本文選擇石家莊市地表水源保護區(qū)為研究對象，通過對研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務功能進行測算，研究其與土地利用之間的關系，確定土地利用方式的改變是否對生態(tài)系統(tǒng)服務功能造成影響，甚至使其發(fā)生功能缺失[18]，這不僅是對近10 a間研究區(qū)由于土地利用變化產(chǎn)生的各種生態(tài)環(huán)境效應的總結，也是為今后研究區(qū)經(jīng)濟發(fā)展與資源、環(huán)境、土地利用結構的合理調整提供方向。

2.3.1生態(tài)系統(tǒng)單項服務功能價值變化分析根據(jù)公式(6)得到研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)單項服務功能價值及其變化情況(表5)。由表5可知，土壤形成和保護、水源涵養(yǎng)、生物多樣性保護、氣體調節(jié)、廢物處理的單項生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值所占總價值較大，即這5項功能是研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的主要生態(tài)服務功能。10 a間，單項服務功能價值減少最多的是廢物處理功能，減少3.13×107元，變化率為4.58%，這主要是由于價值系數(shù)較大的水域由于人為不當利用，造成面積萎縮而引起的；單項生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值減少的還有食物生產(chǎn)，減少7.3×106元，變化率為1.07%，變化不顯著，但主要是由于以提供食物生產(chǎn)功能為主的耕地面積減少所致，應當引起重視；單項生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值增加的主要是土壤形成和保護、水源涵養(yǎng)和生物多樣性保護功能，由于退耕還林、植樹造林、土地不合理利用、建設用地增加等原因，造成低矮灌木及草地、耕地、水域面積均有所減少，但價值系數(shù)較大的林地面積增加，使得這3項功能的價值在10 a間是增加的，共增加2.75×108元，占總增加值的45.41%，即在各土地利用類型中，林地對單項生態(tài)系統(tǒng)服務功能起主導作用。

表5　2000-2010年研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)單項服務功能價值變化

2.3.2各土地利用類型生態(tài)服務價值對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響為了確定10 a間，各土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化對生態(tài)系統(tǒng)服務價值總量的影響，何種土地利用類型主導研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值總量變化，根據(jù)公式(7)計算可知。由計算結果得到表6。由表6可以看出，10 a間研究區(qū)生態(tài)服務總價值增加了6.05×108元，說明研究區(qū)在注重經(jīng)濟發(fā)展的同時，對生態(tài)環(huán)境建設也十分重視。在各個土地利用類型中，林地和低矮灌木及草地的價值比例最為明顯，2000年和2010年林地的價值比例均超過50%，且2010年比2000年增加了7.57%；低矮灌木及草地生態(tài)服務總價值的貢獻率在22.15%～18.39%，2010年比2000年價值比例降低了3.76%。

在各土地利用類型中，對生態(tài)服務價值變化的影響度大小依次為：林地﹥低矮灌木及草地﹥水域﹥耕地﹥未利用地，其中，林地提供的生態(tài)服務價值在各地類中所占比例最大，達2/3上，影響度為74.31%，10 a間增加生態(tài)服務價值9.25×108元，也就是說，林地不僅是單項服務功能中起主要作用的土地利用類型，同時對生態(tài)系統(tǒng)服務功能總量影響顯著；其次為低矮灌木及草地，影響度為11.84%，10 a間減少1.47×108元，也是生態(tài)服務價值減少最多的土地利用類型；對生態(tài)服務價值變化影響度最小的是未利用地，為0.58%，影響不顯著，10 a間減少7.17×106元，主要是由于其在各年份的生態(tài)服務價值和研究期間的價值變化相對于其他土地利用類型很小。

表6　2000-2010年研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務總價值及價值構成變化

注：影響度為分項價值變化絕對值/各分項價值變化絕對值之和。

2.3.3各土地利用類型引起的生態(tài)服務價值流向分析根據(jù)公式(8)得到表7。從表7中可以看出，林地除了轉化為水域外，向其他土地利用類型的轉變引起的生態(tài)系統(tǒng)服務價值流動，有損于林地生態(tài)系統(tǒng)的價值，價值損失1.14×109元。低矮灌木及草地的價值流向主要為林地和未利用地，其中向林地和水域轉化屬于正流向，而向未利用地轉變損失價值，但由于與增加的價值相比較小，整個低矮灌木及草地生態(tài)系統(tǒng)的價值流向仍為正流向，價值增加1.16×109元。耕地的轉化除轉化為未利用地帶來的是負價值外，向林地、低矮灌木及草地、水域轉化均產(chǎn)生正價值，由于轉化為未利用地的面積較大，價值損失9.258×107元。水域的價值流向都屬于負流向，有損于水域生態(tài)系統(tǒng)，共損失1.51×108元。未利用地價值流向為林地、低矮灌木及草地、耕地、水域，轉化均有利于服務價值的增加，共增加9.31×108元。建設用地的生態(tài)服務價值還無法準確量算，但可以肯定的是這種轉換的價值流向都是負流向，因此，為了城市發(fā)展建設等占用林地、耕地等的現(xiàn)象，從生態(tài)角度考慮，是不經(jīng)濟的?？傮w上看，近10 a間各個土地利用類型的轉化是有利于研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的，但其中不乏價值的大量流失，所以應在維持現(xiàn)有土地利用格局的基礎上，加大對林地和水域的保護，停止對林地和水域的破壞，即上述轉化過程。

表7　2000-2010年土地利用變化的生態(tài)服務價值流向分析　106元

2.3.4生態(tài)系統(tǒng)服務價值與土地利用變化的關系土地利用變化是引起生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化的主要原因，近10 a間，石家莊市地表水源保護區(qū)土地利用類型的變化引起了生態(tài)服務功能和價值的變化。從生態(tài)服務價值總量看，研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)主要是由林地和低矮灌木及草地支撐，他們的生態(tài)系統(tǒng)服務價值占總價值的80%以上，其中林地對研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務價值影響最大。通過前面的分析，10 a間研究區(qū)低矮灌木及草地、耕地和水域面積的減少，均對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生負效應，使總的生態(tài)系統(tǒng)服務價值下降。林地面積的增加和未利用地面積的減少對生態(tài)環(huán)境具有正效應，近10 a研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值總量的增加主要是由于林地面積的大幅增加，抵消了其他土地利用類型變化產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境負效應。從單個土地利用類型生態(tài)服務功能價值看，林地以28.9%～35.47%的面積提供著59.25%～66.82%的生態(tài)系統(tǒng)服務價值；低矮灌木及草地以29.46%～32.62%的面積提供著22.15%～18.39%的生態(tài)系統(tǒng)服務價值；耕地以12.53%～13.3%的面積提供著8.62%～7.46%的生態(tài)系統(tǒng)服務價值；水域的面積僅為1.71%～2.15%，卻提供著9.27%～6.77%的生態(tài)系統(tǒng)服務價值；未利用地面積為15.21%～17.86%，生態(tài)系統(tǒng)服務價值占總量的0.70%～0.55%。由此可見，林地和低矮灌木及草地生態(tài)系統(tǒng)對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的提高有顯著影響，研究區(qū)土地利用方式影響著生態(tài)系統(tǒng)服務功能的價值構成。由于城市發(fā)展，人口增加，致使土地需求量增加，必然導致低矮灌木及草地、耕地、水域和未利用地面積的減少，進而引起生態(tài)系統(tǒng)服務價值的相應變化，生態(tài)環(huán)境又會對地理環(huán)境進行反作用，影響土地利用方式形成新的土地利用結構(詳見圖2)。因此，石家莊地表水源保護區(qū)應在經(jīng)濟建設的同時，注重土地的利用和開發(fā)，從可持續(xù)發(fā)展的角度調整土地利用結構，加強林地和水域保護，優(yōu)化農(nóng)業(yè)種植結構，合理發(fā)展畜牧業(yè)，優(yōu)先考慮有利于生態(tài)環(huán)境建設的項目，提升生態(tài)系統(tǒng)服務功能，提高生態(tài)系統(tǒng)服務價值，實現(xiàn)石家莊市地表水源保護區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。

注：在人類社會圈層中，虛線代表各土地利用類型的原有面積大小，實線代表各土地利用類型的現(xiàn)有面積大??；在生態(tài)環(huán)境圈層中，虛線逆時針箭頭代表土地利用變化對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生負效應，實線順時針箭頭代表土地利用變化對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生正效應。

圖2石家莊市土地利用變化及其生態(tài)服務功能響應關系

3結 論

(1) 10 a間石家莊市地表水源保護區(qū)土地利用變化十分明顯。石家莊市地表水源保護區(qū)的土地利用類型由2000年以低矮灌木及草地為主轉變?yōu)?010年以林地為主。從時間尺度看，各個土地利用類型變化速度由大到小依次為：林地>水域>未利用土地>低矮灌木及草地>建設用地>耕地。10 a間土地利用類型主要的變化趨勢是低矮灌木及草地、未利用地向林地的轉變，以及未利用地向低矮灌木及草地的轉變。從空間尺度看，變化速度較快的三種土地利用類型中，林地增加面積主要集中在崗南水庫以西地區(qū)，水域減少面積主要集中在崗南水庫西部和井陘縣地區(qū)，未利用地減少面積基本均勻分布于整個保護區(qū)。

(2) 石家莊市地表水源保護區(qū)土地利用整體趨勢呈平衡狀態(tài)，土地利用方向基本合理。研究區(qū)各土地利用類型以雙向轉換為主要態(tài)勢，且轉入、轉出頻繁，土地利用/覆被的整體趨勢呈現(xiàn)出均衡轉換的狀態(tài)。從時間、數(shù)量上看，從空間格局上看，各類型間空間發(fā)展趨于不平衡狀態(tài)。與此同時，10 a間研究區(qū)的生態(tài)服務價值增加了6.05×108元，優(yōu)勢地類林地的大面積增加，抵消了由于低矮灌木及草地、耕地和水域面積的減少對生態(tài)服務功能價值造成的負影響。研究區(qū)應在注重林地保護的同時，注意各類地的空間開發(fā)格局，做到多樣化均勻發(fā)展，并且保護人類懶以生存的地表淡水資源，提升水域生態(tài)服務價值。

(3) 石家莊市地表水源保護區(qū)土地利用變化對生態(tài)服務功能影響顯著?？傮w上看，近10 a間各個土地利用類型的轉化使研究區(qū)生態(tài)服務價值增加，價值流向有利于研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)，主要是因為對生態(tài)服務功能影響度最大的林地的大面積增加，對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生正效應，但其中不乏價值的大量流失，應在維持現(xiàn)有土地利用格局的基礎上，加大對林地和水域的保護，停止對林地和水域的破壞。石家莊市地表水源保護區(qū)應在經(jīng)濟建設的同時，注重土地的利用和開發(fā)，從可持續(xù)發(fā)展的角度調整土地利用結構，加強林地和水域保護，優(yōu)化農(nóng)業(yè)種植結構，合理發(fā)展畜牧業(yè)，優(yōu)先考慮有利于生態(tài)環(huán)境建設的項目，提升生態(tài)系統(tǒng)服務功能，提高生態(tài)系統(tǒng)服務價值，實現(xiàn)石家莊市地表水源保護區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。

(4) 石家莊市林地為主要土地利用類型，對生態(tài)服務功能影響最為顯著。林地為研究區(qū)變化速度最快的土地利用類型，變化率為2.27%，10 a間增加了286.94 km2，主要由低矮灌木及草地和未利用地轉化而來，為2010年的主要土地利用類型。從單向生態(tài)系統(tǒng)服務價值看，研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的主要生態(tài)服務功能包括：土壤形成和保護、水源涵養(yǎng)、生物多樣性保護、氣體調節(jié)、廢物處理這五項功能，其中土壤形成與保護、水源涵養(yǎng)和生物多樣性保護功能價值的增加，主要是林地面積大幅增加的原因；在各土地利用類型對生態(tài)服務價值影響度中，林地影響度最大，其提供的生態(tài)服務價值占各類型土地提供總價值的2/3。說明林地不僅是單項服務功能中起主要作用的土地利用類型，同時對生態(tài)系統(tǒng)服務功能總量影響顯著。

[參考文獻]

[1]吳傳鈞,郭煥成.中國土地利用[M].北京:科學出版社,1994:35-36.

[2]吳海珍,阿如旱,郭田保,等.基于生態(tài)服務價值的土地利用/覆蓋變化生態(tài)效應測評[J].地理科學,2011,31(1):110-116.

[3]楊智杰,崔紀超,謝錦升,等.中亞熱帶山區(qū)土地利用變化對土壤性質的影響[J].地理科學,2010,30(3):475-480.

[4]周洪華,李衛(wèi)紅,楊余輝,等.干旱區(qū)不同土地利用方式下土壤呼吸日變化差異及影響因素[J].地理科學,2011,31(2):190-196.

[5]梁發(fā)超,劉黎明,許瑾璐.閩北典型盆地土地利用系統(tǒng)協(xié)調性研究:以周寧縣獅浦盆地為例[J].地理科學,2011,31(4):447-449.

[6]Huang Xiang, Chen Yaning, Ma Jianxin, et al. Study on change in value of ecosystem service function of Tarim River[J]. Original Research Article Acta Ecologica Sinica, 2010,30(2):67-75.

[7]Vejre H, Jensen F S, Thorsen B J. Demonstrating the importance of intangible ecosystem services from peri-urban landscapes[J]. Ecological Complexity, 2010,7(3):338-348.

[8]吳連喜.20 a巢湖流域土地利用變化及生態(tài)服務功能價值分析[J].土壤,2009,41(6):986-991.

[9]李靜,宋戈,王秀峰.黑龍江墾區(qū)土地利用變化的生態(tài)價值損益分析:以建三江墾區(qū)為例[J].農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究,2008,29(2):201-203.

[10]李云生,周廣金,梁濤,等.巢湖流域的土地利用變化及其生態(tài)系統(tǒng)功能損益[J].地理研究,2009,28(6):1657-1664.

[11]孫慧蘭,李衛(wèi)紅,陳亞鵬,等.新疆伊犁河流域生態(tài)服務價值對土地利用變化的響應[J].生態(tài)學報,2010,30(4):887-894.

[12]趙丹,李鋒,王如松.城市土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務的影響:以淮北市為例[J].生態(tài)學報,2013,33(4):2343-2349.

[13]吳后建,王學,寧龍梅,等.土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響:以武漢市為例[J].長江流域資源與環(huán)境,2006,15(2):185-190.

[14]Contanza R, Arge R d’, Rudolf de Groot, et al. The value of the world’s ecosystem services and natural capital[J]. Nature,1997,387(15)∶253-260.

[15]謝高地,甄霖,魯春霞,等.一個基于專家知識的生態(tài)系統(tǒng)服務價值化方法[J].自然資源學報,2008,23(5):911-919.

[16]李屹峰,羅躍初,劉綱,等.土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務功能的影響:以密云水庫流域為例[J].生態(tài)學報,2013,33(3):726-736.

[17]吳海珍,阿如旱,郭田保,等.基于RS和GIS的內(nèi)蒙古多倫縣土地利用變化對生態(tài)服務價值的影響[J].地理科學,2011,31(1):110-116.

[18]姚成勝,朱鶴健,呂晞.土地利用變化的社會經(jīng)濟驅動因子對福建生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響[J].自然資源學報,2009,24(2):225-233.

[19]白軍紅,余國營,王慶改.石家莊市地表水環(huán)境分析[J].干旱區(qū)研究,2001,18(2):1-4.

[20]朱有法.基于遙感和GIS的縣域土地利用變化動態(tài)監(jiān)測研究:以河北省沽源縣為例[D].重慶:西南大學,2008.

[21]石曉麗,王衛(wèi).生態(tài)系統(tǒng)功能價值綜合評估方法與應用:以河北省康保縣為例[J],生態(tài)學報,2008,28(8):3998-4006.

[22]傅伯杰.景觀生態(tài)學原理及應用[M].北京:科學出版社,2001,58-59.

[23]鄔建國.景觀生態(tài)學:格局、尺度與等級[M].北京:高等教育出社,2007,42-80,106-124,126.

Change of Land Use and Its Response of Ecological Service Function in Shijiazhuang City

ZHAO Qing, ZHAO Xuyang, LIU Zheng

(SchoolofResources&EnvironmentalScience,ShijiazhuangUniversity,Shijiazhuang,Hebei050035,China)

Abstract：[Objective] To explore the impact of land use change on ecosystem services, and provide theoretical basis and decision-making methods for researching the socio-economic development and the ecological environment stable， and sustainable land use and development. [Method] By using the remote sensing image data of Shijiazhuang City, Hebei Province in 2000 and 2010, the two phases of land use type maps were interpreted, and the velocity, internal transfer matrix, spatial overlay of two phase of the land use map changes were analyzed to understand land use characteristics of the study area in recent 10 years. Based on the research experience of Xie Gaodi and Costanza, combining with the reality of the study area, the ecological service function value and its sensitivity was calculated and analyzed. The respones of ecological service function on land use change were studied, based on the individua’s ecological service function value, ecological service value impact of each land use type on the ecosystem service function value, and ecological service value flow. [Results] The changes in the value of the services of ecosystems was caused by land use change, in which, the ecosystem of forest, low shrubs and grassland enhanced the value of ecosystem services significantly. [Conclusion] The change of land use in the study area was very obvious from 2000 to 2010, and the land use overall trend was in balance and reasonable. The effect of land use change on ecosystem service was significant, and as the main land use type, forest land was the critical factor of ecosystem affecting land use change.

Keywords:land use change; ecosystem service function; surface sources protection areas; Shijiazhuang City

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)03-0242-08

中圖分類號：P951

通信作者：劉征(1979—),女(漢族),河北省邯鄲涉縣人,碩士,副教授,主要從事生態(tài)環(huán)境遙感研究。E-mail:liuzheng111_1979@163.com。

收稿日期：2014-04-08修回日期：2014-05-05

資助項目：河北省自然科學資助項目“生態(tài)功能區(qū)風險識別與綜合評價研究”(D2010001952); 河北省科技計劃項目“山區(qū)土地利用變化的生態(tài)地學要素和生態(tài)系統(tǒng)服務功能響應研究”(2237126 D-3)

第一作者：趙晴(1987—),女(漢族),河北省石家莊市人,碩士,助教,主要從事土地資源開發(fā)與管理教學與研究工作。E-mail:zhaoqing8745@163.com。

綜合治理