陜永杰, 原衛(wèi)利, 苗 圓, 魏紹康

(山西師范大學 地理科學學院, 山西 太原 030031)

土地資源是人類賴以生存的第一資源。土地具有有用性，人們可以循環(huán)從土地中獲得收益，實現土地的可持續(xù)利用[1]。土地利用是人類結合土地自然屬性和社會經濟綜合體改變土地功能的過程，土地利用的變化體現著自然與人類的相互作用[2-3]。生態(tài)系統(tǒng)服務(ecosystem services)的內涵一般指自然界生態(tài)系統(tǒng)及物種為人類提供環(huán)境條件，供其生存和發(fā)展[4-5]。土地利用變化能通過改變土地功能，進而改變生態(tài)系統(tǒng)結構與生態(tài)過程，這對生態(tài)系統(tǒng)維持及服務功能起到決定性作用，進而制約了人類社會的可持續(xù)發(fā)展[6]。所以，從土地利用變化角度研究生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化現已成為可持續(xù)發(fā)展研究領域的重要組成部分。1997年Costanza[7]首次以貨幣的形式向人們展示了自然生態(tài)系統(tǒng)為人類所提供的服務價值，使抽象的生態(tài)系統(tǒng)服務定量化。自從Costanza等[8]學者對全球生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行核算以來，全球生態(tài)學家以及相關學科帶頭人愈發(fā)重視對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的研究，使之成為多學科研究領域的重要主題之一。謝高地等[9-10]在Costanza的研究基礎上對我國的生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行了評估。國內其他學者對一些典型流域的生態(tài)系統(tǒng)服務價值做了許多研究，例如，王迪[11]對錢塘江流域生態(tài)系統(tǒng)服務價值的研究，周文昌[12]對湖北省濕地生態(tài)系統(tǒng)服務價值的評估，鄧楚雄等[13]對洞庭湖流域生態(tài)系統(tǒng)服務價值的研究等；還有的學者對一些典型城市或地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務價值做了研究，例如，關瑜[14]對雄安新區(qū)生態(tài)服務敏感性的分析，劉亞茹[15]對天山北坡城市群生態(tài)系統(tǒng)服務價值特征分析，劉桂林等[16]對長三角地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值的研究等等。研究尺度多以建立不同大小的格網為尺度，例如吳會慧等[17]、賈琦等[18]均基于格網尺度進行研究。而基于土地利用變化從縣域尺度對沙源通路城市開展生態(tài)系統(tǒng)服務價值的研究較為缺乏，不足以為這些城市的生態(tài)建設提供相應的理論參考。

山西省大同市地處生態(tài)脆弱的農牧交錯帶，煤炭資源豐富，且由于長期的不合理采礦和粗放的經濟發(fā)展模式，使得大同市生態(tài)環(huán)境不容樂觀。而大同市作為北京乃至京津冀地區(qū)的西大門，是重要的沙源通道，其生態(tài)環(huán)境直接影響北京市人居環(huán)境質量及可持續(xù)發(fā)展等問題。因此，本文以大同市為例，研究退耕還林以來生態(tài)系統(tǒng)服務的時空變化，以期為北京地區(qū)沙塵暴治理提供理論依據。

1 研究方法與數據來源

1.1 研究區(qū)概況

大同市位于北京市西部，山西市北部，北緯39°03′—40°44′，東經112°34′—114°33′，面積約占山西省總面積的9.1%。大同市地處黃土高原的東北部，屬溫帶大陸性半干旱季風氣候區(qū)，晝夜溫差大，降水年際變化大。主要河流有桑干河、御河、南洋河、唐河等，其中桑干河之冊田水庫存水數億立方米，為北京供水之儲水庫之一。大同地區(qū)礦產資源豐富，被稱為“中國煤都”，其火力發(fā)電量大，成為北京主要供電源頭之一。2018年之前大同市下轄3區(qū)7縣，3區(qū)分別為城區(qū)、南郊區(qū)(包括礦區(qū))、新榮區(qū)，7縣包含天鎮(zhèn)縣、陽高縣、廣靈縣、靈丘縣、渾源縣、左云縣、大同縣。2018年大同市行政區(qū)劃調整，現轄平城區(qū)、云岡區(qū)、新榮區(qū)、云州區(qū)4區(qū)，陽高縣、天鎮(zhèn)縣、廣靈縣、靈丘縣、渾源縣、左云縣6縣。為保證數據統(tǒng)計一致性，本研究采用2018年之前的行政區(qū)劃。

1.2 數據來源與處理

本文需要兩部分數據：第一，土地利用數據，通過地理空間數據云(http:∥www.gscloud.cn/)下載2000，2005，2010，2015和2019年各期Landsat TM/ETM遙感影像為數據源，選取空間分辨率為30 m的DEM數字高程數據作為輔助數據，以中國行政矢量邊界數據來提取研究區(qū)范圍。運用ENVI 5.1對遙感影像進行大氣校正、波段融合、圖像裁剪鑲嵌等預處理，再通過人工目視解譯對數據源進行土地分類。本文運用監(jiān)督分類法中的最大似然法進行土地分類，選取分類訓練樣本時每一種地類訓練樣本不低于80個且識別度大于1.8，樣本的采集可通過解譯人員對研究區(qū)的先驗知識進行目視判讀[19]，再參考百度高清地圖、大同市部分縣區(qū)高清影像圖，以及外業(yè)調查結果進行樣本采集，最后進行精度驗證的kappa系數為0.80左右，解譯精度可以滿足本研究的需求。再運用ArcGIS 10.3軟件的制圖功能，最終得到5個節(jié)點年份的土地利用數據。第二，社會經濟數據，主要來自2000—2020年的《山西省統(tǒng)計年鑒》《大同市統(tǒng)計年鑒》《全國農產品價格調查年鑒》、各區(qū)縣統(tǒng)計年鑒以及從大同市自然資源局收集的部分數據。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用變化計算

(1) 土地利用動態(tài)度。單一土地利用動態(tài)度是研究區(qū)某一時間內不同土地類型數量變化狀況，它反應土地利用變化的差異及特征[20-22]。計算公式為：

(1)

式中：K為單一土地動態(tài)度(%)；Ub，Ua分別為研究末期和研究初期某一種特定土地類型的面積(hm2)；T為研究時間節(jié)點。

(2) 土地利用轉移矩陣。土地利用轉移矩陣可表達研究時間內土地利用結構的變化，即在研究時間內，土地利用類型從T1時間向T2時間變化的程度[23]。其表達式為：

(2)

式中：A表示土地利用面積(hm2);i，j分別表示初期和末期的土地利用類型;n表示土地利用類型個數。

1.3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值核算 本文運用價值當量法，依據謝高地等[24]制定的生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量表，參考吳蒙[25]和雷軍成等[26]的研究成果，構建大同市單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量權重表(表1)，計算公式為：

表1 大同市單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量權重

(3)

由于謝高地等[24]對建設用地的生態(tài)系統(tǒng)服務價值不做評估，而建設用地在生態(tài)系統(tǒng)服務價值核算中產生巨大的負價值，所以本文又參考相關學者[27-30]的研究，結合專家意見及大同市的實際情況，取已有成果的均值作為建設用地的價值系數，再根據當量權重表計算其他地類生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數，最終得出大同市土地生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數表(表2)。計算公式為：

表2 大同市土地生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數 元/hm2

Vij=Va·Qij

(4)

式中：Vij為第i類土地利用類型的第j種生態(tài)服務類型的價值系數(元/hm2);Va為旱地的1個當量因子提供的食物生產服務的單位面積生態(tài)服務價值(元/hm2)；Qij為第i類土地類型的第j種生態(tài)服務的當量權重因子。

在此基礎上，根據大同市各土地利用類型的面積，可計算出大同市生態(tài)系統(tǒng)服務價值，計算公式為[31]：

ESV=∑(Ai·Vi)

(5)

ESVj=∑(Ai·VCij)

(6)

式中：ESV為大同市生態(tài)系統(tǒng)服務價值(元); ESVj為第j種生態(tài)系統(tǒng)服務的價值(元);Ai為第i種土地利用類型的面積(hm2);Vi為第i種土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(元/hm2); VCij為第i種土地利用類型的第j種生態(tài)服務類型的價值系數(元/hm2)。

2 結果與分析

2.1 大同市土地利用動態(tài)變化

根據遙感影像圖的解譯結果，運用ArcGIS 10.3對土地分類結果進行分析，得出大同市5個研究時間節(jié)點的土地利用類型面積變化情況(圖1)。

圖1 大同市2000-2019年各土地利用類型面積變化趨勢

由圖1可知，2000—2019年近20 a間，大同市土地利用類型面積占比次序未變，耕地、草地、林地為主要土地利用類型，面積占比一直高達90%以上。耕地、草地、水域、未利用地呈下降趨勢，且耕地、草地、水域在2005—2010年下降趨勢劇烈，未利用地在2015—2019年下降劇烈；林地在2000—2010年呈上升趨勢，且2005—2010年增長迅速，2010—2019年呈緩慢下降趨勢，總體呈先升后降變化；建設用地呈持續(xù)上升，且2005—2010年增長迅速。綜上所述，2005—2010年是大同市土地類型變化最大的一個時期。由上述公式(1)可得出2000—2019年大同市單一土地利用動態(tài)度，再用絕對值計算出其綜合動態(tài)度，最終獲得成果(表3)。由表3可看出大同市近20 a土地利用動態(tài)度的以下特點： ①從年際變化來看，2005—2010年綜合土地利用動態(tài)度最高，為83.18%，說明大同市在此期間土地利用覆被變化程度活躍；其次是2015—2019年，綜合土地利用動態(tài)度為19.94%，2000—2005年為17.22%；2010—2015年綜合土地利用動態(tài)度最低，為8.22%；20 a來綜合土地利用動態(tài)度呈波動變化。 ②從各類型土地來看，建設用地的動態(tài)度遠高于其他用地類型，尤其是2005—2010年，這是大同市城市建設的高峰期。

表3 大同市2000-2019年土地利用動態(tài)度

2.2 土地利用轉移矩陣分析

運用ArcGIS的空間分析功能，將研究區(qū)研究初期與研究末期的土地利用現狀進行疊加分析，獲得土地利用轉移矩陣結果(表4)。由表4可知，大同市2000—2019年共有183 654.89 hm2土地發(fā)生了轉移變化。其中，林地和建設用地的轉入面積大于轉出面積，林地和建設用地的增加主要由耕地和草地轉入，具體為24 280.42 hm2耕地轉為建設用地，21 535.12 hm2耕地轉為林地，草地轉出到林地的面積最大，高達41 346.04 hm2；耕地和草地雖然也有其他地類轉入，但轉入面積遠不及轉出面積，因此草地和耕地的面積逐漸減少；水域主要轉為耕地和建設用地，但因水域總面積不大，其土地利用結構的變化對整個大同市土地利用結構的變化影響甚微；未利用地變化較小。

表4 大同市2000-2019年土地利用轉移矩陣

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務價值時空分析

2.3.1 大同市整體生態(tài)系統(tǒng)服務價值時間序列分析 根據公式(5)計算得出大同市歷年生態(tài)系統(tǒng)服務價值總額，分析其變化趨勢(圖2)，并計算各地類在生態(tài)系統(tǒng)服務價值中的貢獻率(圖3)。

圖2 大同市2000-2019年生態(tài)系統(tǒng)服務價值總額變化趨勢

圖3 大同市2000-2019年各地類對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的貢獻率

由圖2—3可知： ①從總體來看，2000—2019年，大同市生態(tài)系統(tǒng)服務價值總額急劇下降，20 a內總價值相繼減少高達3.16億元人民幣。 ②從各地類對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的貢獻率來看，林地的貢獻率居于首位，在38.07%～43.07%，且呈上升趨勢；其次是草地，貢獻率在33.00%～35.72%，呈波動趨勢；而水域和耕地的貢獻率基本相同，水域在13.47%～14.08%，耕地在12.81%～13.44%；未利用地的貢獻率最低，在0.02%左右；建設用地負面貢獻率不斷上升，20 a內從1.26%上升到2.65%。林地和草地二者的貢獻率之和在73.75%以上，說明林地和草地的生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化對大同市生態(tài)系統(tǒng)服務價值總額變化的影響較大，是主要貢獻因子和敏感因子。

由表5大同市2000—2019年各土地利用類型ESV變化情況可知，研究時期內，林地的生態(tài)系統(tǒng)服務價值總體在上升，變化率為11.080%；耕地、草地、水域、未利用地的生態(tài)系統(tǒng)服務價值均有波動狀態(tài)，但整體呈下降趨勢，總體變化率分別為-5.811%，-8.944%，-5.146%，-10.558%；引人注目的是，建設用地作為生態(tài)系統(tǒng)服務價值的負影響因子，其變化率高達105.967%，其正向變化率越高，對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的負面影響越嚴重，這也是導致研究區(qū)20 a內生態(tài)系統(tǒng)服務價值總額急劇下降的重要原因之一。

表5 大同市2000-2019年各土地利用類型ESV變化情況

2.3.2 各單項生態(tài)系統(tǒng)服務價值時間序列分析 根據公式(6)計算得出各項生態(tài)系統(tǒng)的服務價值并進行統(tǒng)計分析(表6)。由表6可知，近2000—2019年間，一級分類的生態(tài)系統(tǒng)服務功能的價值由高到低依次為：調節(jié)服務>支持服務>供給服務>文化服務。調節(jié)服務價值急劇下降，從107.946 8億元減少到103.891 4億元，減少了4.055 4億元，這也是導致研究區(qū)總價值大幅度減少的重要因素；支持服務價值緩慢上升，從41.227 3億元增長到42.574 0億元，增加了1.346 7億元；由于耕地面積的不斷減少，食物生產和原料生產價值降低，導致供給服務價值從16.887 9億元減少到16.436 6億元，減少了0.451 3億元；文化服務價值增長不顯著，從7.395 3億元增加到7.401 8億元，增加了0.006 6億元。單項ESV相對變化最大的是水文調節(jié)服務，減少了3.556 2億元，變化率為-0.087 3%，主要受建設用地負價值的影響。

表6 大同市2000-2019年各項生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值及變化

2.3.3 各區(qū)縣生態(tài)系統(tǒng)服務價值時空演變分析 運用ArcGIS 10.3軟件，以縣域為單位對各生態(tài)地類進行劃分。由公式(5)計算得出各區(qū)縣5個時間節(jié)點的生態(tài)系統(tǒng)服務價值。由于各縣域土地總面積大小不相等，為了不受縣域土地面積大小的影響，使研究更具有客觀性，本文以單位土地面積的生態(tài)系統(tǒng)服務價值為基礎，再采用自然間斷點分級法(Jenks)將生態(tài)系統(tǒng)服務價值分成5個等級[32]，即極低值、低值、中值、高值、極高值。最后利用ArcGIS 10.3制作出5個時間節(jié)點的各區(qū)縣生態(tài)系統(tǒng)服務價值時空分布圖(圖4)。由圖4可知，近20 a來，大同市縣域ESV空間分布整體趨勢為南高北低，呈波動狀態(tài)。

圖4 大同市縣域生態(tài)系統(tǒng)服務價值(ESV)時空分布

其中，靈丘縣和大同縣處于極高值狀態(tài)。因為靈丘縣的林地、草地面積占比位居第一，且建設用地占比最低，根據圖3各地類對ESV的貢獻率可知，林地和草地在ESV中的貢獻率最高，建設用地為負影響因素，因此靈丘縣的ESV長期處于極高值；大同縣的ESV值高源于其林草面積占比較高，且其水域面積廣闊，其中冊田水庫存水數億立方米，為北京供水之儲水庫之一。

渾源縣長期處于高值狀態(tài)，僅2000年處于極高值邊緣。廣靈縣處于中值狀態(tài)且在穩(wěn)步上升，到2019年上升為高值狀態(tài)。天鎮(zhèn)縣和左云縣變化趨勢相似，除2005年兩縣處于中值狀態(tài)以外，其他年份均處于高值狀態(tài)，2005—2010年兩個縣的ESV值急劇增長，均因林地面積突然增長，這與國家實施“退耕還林”政策分不開。新榮區(qū)處于中值狀態(tài)，變化不顯著。陽高縣2000—2005年處于低值狀態(tài)，2010年后進入中值狀態(tài)，同樣得益于“退耕還林”政策使得林地面積大增。南郊區(qū)處于低值狀態(tài)，城區(qū)處于極低值狀態(tài)，因為二者處于城市化的中心位置，建設用地迅猛增長，其他地類相應減少，城區(qū)甚至出現負價值。

3 討論與結論

3.1 討 論

(1) 本文的研究方法僅考慮了價值當量，沒有考慮到人們的支付意愿。對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的評估，不管在理論上還是實踐中，面臨著許多的困難，特別是以貨幣的直觀形式對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的服務價值進行經濟評估的時候更是困難重重。但是，只有這樣的評估才能讓人們感受到生態(tài)系統(tǒng)的重要性，為政府決策衡量發(fā)展效益提供一定的說服力。

(2) 惡劣的沙塵天氣對首都北京的區(qū)域發(fā)展和人民生產生活產生了很大的影響。對大同市生態(tài)系統(tǒng)服務價值的核算研究，是為了從生態(tài)系統(tǒng)的服務價值出發(fā)，尋找阻礙沙源遷移、治理通路區(qū)域生態(tài)環(huán)境的關鍵點，為減弱和防治沙塵暴對首都北京的影響提供決策依據。

(3) 本文中林地面積在2005—2015年快速增長，得益于國家“退耕還林”政策的實施以及京津地區(qū)對風沙源治理工程的貢獻。林地可分為有林地、疏林地、灌木林地、未成林造林地、苗圃、無立木林地等等，不同類型林地的實際生態(tài)服務價值有較大差異。由于數據缺乏沒有細分，可能存在林地價值夸大現象。

3.2 結 論

(1) 2000—2019年，耕地、草地、林地為大同市主體土地利用類型，占土地總面積的90%以上。建設用地和林地整體呈增長趨勢，其他地類均處于下降趨勢。2005—2010年綜合土地利用動態(tài)度最高，且建設用地的動態(tài)度遠高于其他用地類型，因為這一時期大同市城市化進程最快。土地利用轉移主要是草地轉化為林地，耕地轉化為建設用地。

(2) 2000—2019年，大同市整體生態(tài)系統(tǒng)服務價值大幅度下降，20 a內總價值減少高達3.16億元人民幣。林地和草地對大同市生態(tài)系統(tǒng)服務價值的貢獻率最大，是主要貢獻因子和敏感因子，因此，需要相關部門加強對林草的保護；建設用地負面貢獻率不斷上升，從1.263 0%上升到2.649 6%，需對建設用地加強管理和控制。

(3) 2000—2019年，大同市一級分類的生態(tài)系統(tǒng)功能的服務價值依次為：調節(jié)服務>支持服務>供給服務>文化服務。調節(jié)服務價值急劇下降，因為調節(jié)服務中的水文調節(jié)價值下降最多，減少了3.556 2億元，主要受建設用地負價值的影響。

(4) 2000—2019年，大同市各區(qū)縣生態(tài)系統(tǒng)服務價值分為5個等級，空間分布整體趨勢南高北低，呈波動狀態(tài)。南部的靈丘縣和中南部的大同縣一直處于極高值狀態(tài)，南郊區(qū)長期處于低值狀態(tài)，城區(qū)長期處于極低值狀態(tài)，其他縣區(qū)在高值與低值間波動。大同市是北京西路沙源的必經之路，其生態(tài)環(huán)境，尤其是植被覆蓋度直接影響北京的沙塵天氣。所以要加強各區(qū)縣生態(tài)環(huán)境保護政策實施力度，并監(jiān)督執(zhí)行，對于亂采濫伐和違法占地行為要嚴懲不貸。