基于土地利用變化的汾河流域生態系統服務價值研究

張恩月，蘇迎慶，姚萬程，劉 庚*

（1.太原師范學院 地理科學學院，山西 晉中 030619；2.太原師范學院 汾河流域科學發展研究中心，山西 晉中 030619）

0 引言

聯合國千年生態系統評估報告顯示，全球超過60%的生態系統服務已經或正在發生退化，影響了當前和未來生態系統服務的供給［1］。生態系統服務是指生態系統及其物種組成用以滿足和維持人類生存、生活的條件和過程［2］。生態系統服務價值是以價值量衡量從自然生態系統中獲取的各種效益，其中包括有益提升人類福祉或地球生命的服務及產品［3］。Pan等［4］研究表明，土地利用變化與生態系統服務有著密切的聯系。Zhang等［5］研究認為，土地利用類型的時序及空間格局演變會直接/間接影響生態系統服務的供給，其中包括氣候調節、水源涵養、生物多樣性等生態系統服務功能，以此帶來了生態系統服務價值的改變。丁婭楠等［6］研究認為，不合理的土地利用方式會對生態系統服務造成負面影響，引發土地退化、水土流失、生態環境惡化等一系列連鎖問題。因此，定量評估區域土地利用變化對生態系統服務價值的影響對于促進土地可持續利用和改善生態系統服務功能具有重要意義［7］。

目前，土地利用變化與生態系統服務價值的研究主要集中于2個方面，一是土地利用變化對生態系統服務價值的影響，即土地利用變化及生態系統服務價值的效應［8］、土地利用變化與生態系統服務價值的時空格局演變等［9］；二是生態系統服務對土地利用變化的反饋，即生態系統服務價值對土地利用變化的響應、基于生態系統服務功能對土地利用結構的優化［10］、基于生態系統服務功能的土地資源的優化配置等［11］。研究尺度涉及空間［12-13］（行政單元/流域/生態敏感區）、類型［14-15］（濕地/農田）、時間［16-17］（歷史基準期/未來）等。綜合來看，現有研究為監測和評估不同類型、區域的土地利用變化與生態系統服務價值關系提供了科學參考。但是，受土地利用變化復雜性及地域性特征的影響，不同區域土地利用的變化對生態系統服務價值的影響存在差異，且目前對以采煤區、生態脆弱區及流域單元為一體的復合區域的相關研究相對較少。

因此，為探明該類型區域土地利用變化下的生態系統價值的時空演變，本文選取典型的黃土高原生態脆弱與采煤復合區汾河流域為研究區，參照山西省2008年頒布的《汾河流域生態環境治理修復與保護工程方案》，依據工程實施開始前（2006年）、中期建設（2013年）及遠期建設完成（2018年）的關鍵節點，對期內的土地利用變化進行多模型測度，并采用生態系統服務價值測度模型及動態度方法評估土地利用變化下生態系統服務價值的演變，以期為流域土地資源科學利用及生態環境可持續發展提供指導。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

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），黃土高原東翼（圖1）。流域地勢向南傾斜，高程介于240～ 2786 m，地貌以丘陵、山地、平川為主。屬溫帶大陸性季風氣候，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。流域面積3.95萬km2，包括忻州、太原、晉中等6市40余縣/區，是山西省重要的人口經濟集聚區。

圖1 汾河流域區位圖

1.2 數據來源及處理

采用2006、2013、2018年3期土地利用數據，空間分辨率30 m，數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心（http://www.resdc.cn），并根據國家標準《土地利用現狀分類》（GB/T 21010—2017），對土地利用類型重新分類，進行裁剪校正、坐標轉化等處理。采樣柵格大小為250 m×250 m。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用多模型測度 （1）土地利用變化幅度。土地利用變化幅度（LR）是指一定時期內區域不同土地利用類型的面積變化［18］，公式如下：

式（1）中：Ua、Ub分 別 為 起 始 期 與 末 期 某 一 用地類型的面積；a、b分別表示研究起始期與末期，單位為年。

（2）土地利用動態度。土地利用動態度包括單一土地利用動態度（K）及綜合土地利用動態度（LC），可以表征某種/綜合土地利用類型在一定時期內的變化程度，其值越大，表示土地利用變化越強［19］，公式如下：

式 中 ：Ua、 Ub為 研 究 起 始 期 a與末期b某一土地利用類型的面積；T為研究時段（年）；LUi為初期用地類型i的面積；ΔLUi-j為用地類型i到j轉化面積的絕對值。

（3）土地開發度及耗減度。土地利用開發度（LD）表示一定時期內除未利用土地以外的其他用地類型的實際開發程度，測算新開發用地面積占初期該類型用地總面積的比率［20］；土地耗減度（LU）表示一定時期內某一用地實際消耗的程度，測算耗減用地面積占初期該類型用地總面積的比率［24］，公式如下：

式中：Dab表示從研究期a到b時刻由其他用地轉變為該類型用地的面積總和；Cab表示從a到b時刻某種用地轉變為其他用地的面積總和；Ua表示a時刻該用地類型的面積；T為a到b時刻的研究時長，單位為年。

（4）土地利用綜合指數。土地利用綜合指數（LI）用來測算研究區土地利用的綜合水平和變化趨勢，反映社會經濟與自然環境因子造成的土地利用中土地自然屬性變化［21］，土地利用變化數量（LN）及土地利用變化率（R）主要反映研究區土地利用的發展程度，當LN＞0或R＞0時，表示該區域內土地利用在發展時期，反之，則處于調整期/衰退期［25］，公式如下：

式 中 ： Ai表 示 第 i類土地利用程度分級指標，參照土地自然綜合體的平衡狀態，將土地利用程度劃分為4級，未利用土地、林地、草地、水域、耕地及建設用地分級指數依次定義為1、2、2、2、3、4［22］；Ci為第i類土地利用程度面積比；表示t、t-1時間內第i級土地利用程度面積比；n為土地利用類型分級數。

（5）地學信息圖譜。地學信息圖譜是集成空間、過程及屬性等特征的土地利用圖譜模型，可以反映土地利用變化的空間異質性特征及時序變化過程［23］，公式如下：

式中：LM為研究時段內土地利用變化類型的編碼；La為前期土地利用類型的編碼；Lb為后期土地利用類型編碼；P為土地利用變化率；Sij是初期i類用地類型變為末期j類用地類型圖譜單元的面積，i≠j；n為用地類型的數量。

1.3.2 生態系統服務價值測度 （1）生態系統服務價值測度模型。生態系統服務價值測度模型能有效建立土地利用類型與生態系統服務價值之間的關聯，為測度不同土地利用類型的生態系統服務價值，參照相關研究得到生態系統服務價值系數（表1）［24-25］，各生態系統類型提供的服務價值總和即生態系統服務價值總量，公式如下：

表1 汾河流域土地利用類型生態系統服務價值系數 元/（hm2·a）

式中：ESV表示流域生態系統服務總價值（元）；ESVi為第i種土地利用類型的生態服務價值（元）；Ai為第i種土地利用類型的面積（hm2）；VCi為第i種土地利用類型的價值系數，單位為［元/（hm2·a）］；ESVf為生態系統的單項服務功能價值（元）；VCfi為單項服務功能價值系數，單位為［元/（hm2·a）］，表示第i種土地利用類型的第f項生態系統服務價值。

（2）生態系統服務價值動態度。生態系統服務價值動態度（KESV）是指一定時期內某種土地利用類型生態系統服務價值的變化速度［26］?？梢杂脕硖綔y不同土地利用類型生態系統服務價值變化的差異以及評估未來生態系統服務價值變化的趨勢，當k＞0時，生態系統服務價值為增加趨勢；當k=0時，生態系統服務價值保持不變；當k＜0時，生態系統服務價值為減少趨勢［27］，公式如下：

式（14）中：ESVa、ESVb分別表示研究初期a和末期b某一土地利用類型的生態系統服務價值；T為研究時段，單位為年。

2 結果與分析

2.1 土地利用結構演變特征

2.1.1 土地利用數量演變特征 2006～2018年，汾河流域各土地利用類型數量變化呈現3類演變特征（圖2），耕地、草地呈現線性下降趨勢；建設用地、林地呈現線性增長趨勢；水域、未利用土地多年基本保持同一水平。其中，2013～2018年土地利用變化幅度顯著高于2006～2013年，與山西省社會經濟發展趨勢保持一致。土地利用類型以耕地、林地、草地及建設用地為主，分別占年均流域面積的41.61%、26.34%、25.26%、5.92%。

圖2 各時序汾河流域土地利用面積及變化率

2.1.2 土地利用變化速度特征 期內各變化速度指數均呈現指數型增長趨勢，其中，2013～2018年各指數增長率均高于前期（圖3）。2006～2018年，流域綜合土地利用動態度為8.25%，單一土地利用動態度正增長的為建設用地及林地，分別為3.77%、0.08%；未利用土地、水域、草地及耕地為負增長，分別下降了-5.56%、-0.97%、-0.69%及-0.39%。土地開發度從高到低依次為建設用地、水域、草地、耕地及林地；耗減度從高到低依次為未利用土地、水域、草地、耕地、建設用地及林地。對比各時序土地利用變化速度指數，期內土地利用變化速度由緩趨快，建設用地、耕地、草地變化顯著，人口經濟集聚引起城鎮建設用地需求提高，部分耕地轉變為建設用地，為維護耕地占補平衡，草地、水域轉出為耕地，進而促使建設用地、草地及水域開發度的提高。

圖3 汾河流域土地利用變化速度

2.1.3 土地利用程度演變特征 2006～2018年流域土地利用程度變化綜合指數呈現指數型增長趨勢（表2），表明在社會經濟與城鎮發展驅動下，土地利用集約化程度不斷提高。2013～2018年土地利用程度變化量較前一時序增長了7.28%，土地利用程度變化率提高到1.97%。自2013年以來，在山西省經濟轉型與全域土地綜合整治背景下，流域土地利用得到良性發展，集約化程度及經濟效益不斷增長。

表2 汾河流域土地利用程度變化

2.2 土地利用格局演變特征

2006、2013、2018年流域土地利用時空格局呈現建設用地、耕地、草地、林地逐次嵌套的分布特征，流域盆地核心區變化顯著，邊緣區變化較?。▓D4）?？臻g上，耕地、建設用地主要分布于流域中下游盆地區，而林地、草地等則集中分布于流域邊緣的山地丘陵區。時間上，建設用地、林地呈現逐年增長趨勢，以建設用地為例，2006～2018年其面積凈增長了1269.9 km2，而同期耕地、草地則逐年減少。結合流域土地利用轉移圖譜單元對比識別發現（圖5），流域空間異質性圖譜單元共27類，且集中分布于中下游盆地向丘陵區的過渡帶。其中，耕地—林地（12）、耕地—草地（13）、耕地—建設用地（15）等用地間相互轉換面積最大，共計轉換面積13239 km2，占流域總面積的32%。在經濟轉型與生態保護的背景下，期內建設用地主要有序轉入耕地來滿足建設需求，但為了維護耕地占補平衡，宜耕后備土地資源中的草地成為第一轉移源。

圖4 2006、2013、2018年汾河流域土地利用現狀

圖5 各時序土地利用轉型圖譜

2.3 生態系統服務價值時序演變

2006～2018年，流域生態系統服務價值總量整體呈現線性下降趨勢（圖6），由2006年的365.98億元減少到2018年的357.28億元，下降率達2.38%。其中，未利用土地、水域、草地、耕地生態系統服務價值總量呈現下降趨勢，降幅分別為-40%、 -10.42%、-7.67%、-4.46%；林地生態系統服務價值總量呈現增長趨勢，增幅為0.99%。按生態系統服務總價值貢獻率排序，從高到低依次為林地、耕地、草地、水域和未利用地，其中，林地、耕地、草地是生態系統服務總價值的主要貢獻源，分別占流域生態系統服務總價值的53.03%、26.49%、16.84%。具體來看，2006～2018年，耕地、草地數量由研究初期的14451.3、8838.9 km2下降至 末 期 的13806.9 、8161.2 km2，縮減面積分別為644.4、677.7 km2，造成流域生態系統服務總價值分別虧損4.37億元和4.81億元。

圖6 各時序汾河流域土地利用ESV總量及變化率

2013～2018年流域生態系統服務價值動態度顯著高于前期（圖7），其中，生態系統服務價值動態度正增長的為林地，增幅為0.08%，未利用土地、水域、草地及耕地為負增長，降幅分別為-3.33%、 -0.87%、 -0.64%及-0.37%。按時序變化，2006～ 2013年，水域的生態系統服務價值動態度增加了0.17%，2013～2018年減少了2.29%。2006～2013、2013～2018年未利用土地的生態系統服務價值動態度分別減少了1.43%與6.67%。2006～2013、2013～ 2018年耕地生態系統服務價值動態度分別減少了0.15%與0.68%。

圖7 各時序生態系統服務價值動態度

2.4 生態系統服務價值空間格局演變

將生態系統服務價值劃分為極低、低、中等、高、極高5個等級（圖8），生態系統服務價值主要以中等和低值2個等級為主，面積占比分別為56.31%、23.14%?？臻g上，生態系統服務價值空間格局呈現“外圍高—中心低”與高值斑塊嵌入的分布特征。其中，生態系統服務價值極高、高值區與林地、水域分布大體一致，集中分布于流域中上游的山地、丘陵區；中值區與耕地、草地的分布一致，主要分布在流域盆地與丘陵過渡帶；低值及極低值區集中分布在建設用地區域，主要位于流域中心盆地。時間上，極低、低值區總體呈現逐年擴大趨勢，中等區縮減顯著。2006～2013年，城鎮建設用地增長了179.10 km2，草地、耕地減少了23.40、155.70 km2，極低、低值區域擴張了992.71、473.92 km2；2013～2018年，城鎮建設用地增長了1090.80 km2，草地、耕地減少了654.30、488.70 km2，但林地面積擴大了90.9 km2，由于林地生態服務價值遠高于耕地、草地，期內的退耕還林及林地建設促進了生態系統服務價值的提高，使得極低、低值區縮小了2449、7533 km2。而部分建設用地的無序擴張及草地、耕地的減少是造成該指數下降的主要原因。

圖8 各時序汾河流域生態系統服務價值

3 結論

（1）2006～2018年，汾河流域耕地、草地面積線性下降；建設用地、林地面積線性增長；水域、未利用土地面積多年基本持平；土地利用變化速度及程度指數均呈指數型增長；土地利用空間格局呈現建設用地、耕地、草地、林地逐次嵌套的分布特征，盆地核心區變化顯著，邊緣區變化較小。

（2）流域生態系統服務價值總量整體呈現線性下降趨勢，下降率達到2.38%，2013～2018年生態系統服務價值總量變化幅度略高于前期，與土地利用結構變化趨勢保持一致。

（3）生態系統服務價值時空格局呈現“外圍高—中心低”與高值斑塊嵌入的分布特征；多年流域生態系統服務價值極低、低值區總體呈現逐年擴大趨勢，中等區縮減顯著。