流域土地利用變化及其對生態系統服務價值的影響-以唐河流域山西段為例

段蘭蘭，賀麗，薛占金，劉菊，王琰，嚴俊霞

（1.山西大學 黃土高原研究所，山西 太原 030006；2.山西大學 資源與環境工程研究所，山西 太原 030006；3.山西省林業和草原科學研究院，山西 太原 030006）

0 引言

生態系統服務是指為維持生命生存和發展而從生態環境中獲取的食物和原材料的產品和服務［1］，其永續發展對人類發展和進步具有重要影響［2-3］。近年來，對于生態系統服務價值（Ecosystem Service Value，ESV）的研究已有許多［4-6］。早在1997 年，Costanza 提出ESV 分類方法，并建立了量化評估體系［7-8］。在千年生態系統評估（MA）的基礎上，國外學者評估了不同流域的水資源、土壤保持等生態系統服務價值［9-10］。與國外相比，我國生態系統服務的研究起步較晚，但結合不同區域的生態特征，融合地理學、生態學等方法，開展了不同區域［11-13］和不同空間［14-17］相關研究，其中單位面積服務價值當量因子研究［18］最具代表性。

土地是生存之本、發展之基、生態之要?！叭祟愂馈保ㄖ傅厍虻淖罱鷼v史）以來，人類活動對土地生態系統干擾日益加劇，土地生態系統服務衰減［19］。近年來，土地利用對生態系統服務的影響受到國內外學者的關注，采用主成分分析、空間自相關理論、引入“三生空間”概念（生產空間、生活空間和生態空間的簡稱）等方法分析了土地利用類型及生態系統服務時空演變［5-6，9-10］、影響維度［13-16］。已有成果主要集中在土地類型變化劇烈的城市地區［14-16］，對處于重要生態功能區、水源涵養區的流域上游生態系統服務關注較少。流域生態系統是由自然、經濟和社會組成的一種復合生態系統。通過衡量流域ESV，可以為流域管理和生態保護提供理論依據［20-21］。土地利用變化在一定程度上不僅對生態系統的類型和分布范圍產生影響，而且影響不同生態系統服務類型的強度，從而使總ESV 發生改變。唐河是大清河的源頭之一，其水土環境狀況直接關系到大清河下游的雄安新區和京津冀地區可持續發展。因此本研究以唐河流域山西段為例，利用2000、2010、2020 年3 期土地利用數據，分析2000-2020 年唐河流域土地利用類型的變化特征及其對ESV 影響，確定其主要驅動因素，為唐河流域提高生態環境質量、恢復生態系統服務提供科學依據。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

唐河發源于山西省渾源縣千佛嶺鄉，在靈丘縣下北泉村進入河北省淶源縣。在山西省內，唐河流域地理位置為：39°09′N—39°38′N，113°42′E—114°30′E，河長為96 km，流域面積為2193 km2（圖1）。地勢呈西北高、東南低的特點。氣候為溫帶半干旱大陸性季風氣候，1 月平均氣溫為-12 ℃，7 月平均氣溫為22 ℃，≥10 ℃的積溫平均為2600 ～3100 ℃，多年平均溫為6.5 ℃～7.0 ℃，年均降水量500 mm～550 mm，年均蒸發量1000 mm～1050 mm［22］，多年平均無霜期為73 d～217 d。區內優勢植物有華北落葉松（Larixprincipis-rupprechtii）、油松（PinustabuliformisCarr）、側柏（Platycladusorientalis）、楊樹（Populusspp.）、刺槐（Robiniapseudoacacia）、繡線菊（Spiraeasalicifolia）等。土壤類型以潮土和褐土為主。

圖1 唐河流域山西段地理位置Fig.1 Geographical position of Tanghe river basin in Shanxi province

1.2 數據來源與處理

本文所用的土地利用類型數據主要來源于國家基礎地理信息中心（http：//www.ngcc.cn/ngcc/），分辨率為30 m×30 m。首先利用ArcGIS 10.2 對2000、2010 和2020 年3 期土地利用數據進行處理，具體步驟為：①利用ArcToolbox 設為空函數工具，將柵格數據去除黑邊；②利用Mosaic to new raster 進行合并；③利用Extract by the mask將合并后的數據進行裁剪，得到研究區范圍和土地利用數據；④利用Reclassify tool 將土地類型分為6 類：林地、耕地、草地、水域、建設用地和未利用地，根據屬性表和空間分辨率計算各地類面積；⑤利用Raster calculator 得到土地轉移矩陣。

年均氣溫數據來自worldclim.org；年均降水量數據來源于國家氣象科學數據中心（http：//data.cma.cn/）；單位糧食產量數據來源于《山西省統計年鑒》，糧食價格來源于《中國農產品價格調查年鑒》；GDP、城鎮人口和農村人口來源于山西省和大同市統計年鑒。

2 研究方法

2.1 土地利用變化分析

（1）凈變化量表示特定區域特定時間段內某一地類的量的變化，計算公式為：

式中：Ci，Uia和Uib分別為第i種地類在研究期的凈變化量（km2）、研究初期面積（km2）、研究末期面積（km2）。

（2）土地利用動態度表示特定區域特定時間段內不同地類的變化速率，其絕對值的大小代表了面積變化速率的幅度，數值越大，速率越快。分為單一和綜合土地利用動態度2 類，計算公式［23］分別為：

式中：K為某一地類的土地利用動態度（%）；Ua為該地類在研究初期面積（km2）；Ub為該地類在研究末期面積（km2）；T為研究時段（a）。

式中：LUi為第i種地類在研究初期面積（km2）；ΔLUi-j為研究期內第i種地類轉變為其他地類面積（km2，絕對值）；T為研究時段（a）。

（3）土地利用轉移矩陣表示不同地類之間轉移方向和數量的變化［24］，計算公式為：

式中：Aij為第i種地類在研究時段內演替為第j種地類面積（km2）；i（i=1，2，…，n），j（j=1，2，…，n）分別為研究初期和末期的地類，本研究中n=6。

2.2 生態系統服務價值

2.2.1 生態系統服務價值評估

本文在Costanza 等［9］研究基礎上，參考謝高地等制定的價值當量因子表［25-27］，將其作為修正系數，分別對6 種地類的ESV 進行修正。通過查閱統計年鑒，計算得出唐河流域山西段的平均糧食單位產量為5 734 kg/hm2及山西省的糧食收購均價為2.78 元/kg，全國平均糧食單產市場價格的1/7 等于1 個當量因子的價值［26］，所以該流域1 個當量因子的經濟價值量為2 277.22 元/hm2。根據研究區1 個當量因子的價值可以計算出研究區單位面積ESV（表1）［28］。

表1 唐河流域山西段不同土地利用類型生態系統當量因子（yuan/hm2）Table 1 Ecosystematic equivalent factors of different land use in Tanghe river basin in Shanxi province (yuan/hm2)

唐河流域山西段各時期的ESV 計算公式為：

式中：ESV為生態系統服務的總價值（元）；Ai為第i種地類面積（hm2）；VCi為第i種地類的單位面積生態服務價值（元/hm2·a-1）。

2.2.2 生態貢獻率

生態貢獻率是指在特定時間段內不同地類ESV 變化量與總ESV 變化量的比值。通過計算生態貢獻率可以確定影響研究區ESV 變化的主要因子。計算公式為：

式中：Si，ΔESVi分別為研究時段第i種地類的貢獻率（%）和生態服務價值變化量（元）；i為地類。

2.2.3 人為影響綜合指數

人類活動在景觀格局的變化中發揮著重要的作用。為了分析人類活動對ESV 的影響，本文利用人為影響綜合指數定量分析一定區域內景觀總體受人類干擾的強度［29］。計算公式為：

式中：HAI表示人為影響綜合指數；N為地類的種類；Ai為第i種地類面積（hm2）；Pi為第i種地類所反映的人為影響強度系數；TA為研究區總面積（hm2）。

為了使計算結果更準確，本文通過Lohani清單法、Leopold 矩陣法和Delphi 法分別計算得出不同地類的人為影響強度系數，再通過求三者的平均值，最終得出研究區不同地類的人為影響強度系數Pi（表2）。

表2 唐河流域山西段不同地類人為影響強度系數Table 2 Intensity coefficients of anthropogenic influence of different land use in Tanghe river basin in Shanxi province

HAI值取值范圍為0 ～ 1，值越大意味著人為活動對景觀組分干擾越大，HAI＞0.80、0.60＜HAI＜ 0.80、0.40＜HAI≤ 0.60、0.20 ＜HAI≤ 0.40、0 ＜HAI≤ 0.20 分別表示景觀組分受到人類干擾程度為高、較高、中、較低和低。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化

3.1.1 土地利用類型的時空變化

由表3 可知，20 年來研究區內每種土地利用類型的面積均發生了變化?？梢钥闯?，林地和耕地是研究區的主要土地利用類型，二者約占總面積的50%以上（圖2）。林地多集中在研究區的外圍山區，其面積從2000 年的722.02 km2（占34.90%），增加到2020 年的739.91 km2（占35.80%）。耕地多分布于研究區中部，20年間面積從736.96 km2減少到690.87 km2。2000-2020 年草地面積變化不大，減少了8.51 km2；建設用地面積增加了34.20 km2。

表3 2000、2010和2020年唐河流域山西段不同土地類型面積變化Table 3 Area change in different land use in Tanghe river basin in Shanxi province in 2000, 2010 and 2020

圖2 2000、2010和2020年唐河流域山西段土地利用類型Fig.2 Land use type of Tanghe river basin in Shanxi province in 2000, 2010 and 2020

3.1.2 土地利用動態度

從單一土地利用動態度來看，2000-2010、2010-2020、2000-2020 年研究區內動態度變化較大的是水域和建設用地，分別為-5.00%和3.47%、86.00%和8.72%、19.00%和7.61%；林地、草地、耕地、未利用地的動態度較小，均低于0.40%（表4）。2010-2020 年不同土地利用動態度差異較大，為0～86.00%，主要原因是水域和建設用地的土地利用動態度較高，分別為86.00%和8.72%。整體來看，20 年間唐河流域山西段綜合土地利用動態度為0.13%，其中2000-2010、2010-2020 年的綜合土地利用動態度分別為0.11%和0.25%，后者變化更劇烈。

表4 2000-2020年唐河流域山西段土地利用動態度（%）Table 4 Dynamic of different land use in Tanghe river basin in Shanxi province during 2000-2020 （%）

3.1.3 土地利用面積轉移

從2000-2010、2010-2020、2000-2020 年研究區土地利用轉移矩陣（表5-7）可以看出，2000-2010 年草地轉入的土地面積最多（58.34 km2），其次是林地（35.55 km2）；轉出的面積中，草地仍為最多（43.09 km2），其次為耕地（41.48 km2）。2010-2020 年林地轉入的面積最多，為85.08 km2，其次是草地（80.94 km2）；轉出的面積中，草地最多（103.72 km2），其次是林地（62.38 km2）。在兩個時間段轉入和轉出面積中，水域和未利用地都較少。整體來看，20 年間草地轉入和轉出的面積均最多，分別為119.17 km2和110.66 km2。

表5 2000-2010年唐河流域山西段土地利用轉移矩陣（km2）Table 5 Land use transfer matrix of Tanghe river basin in Shanxi province from 2000 to 2010 (km2)

表6 2010-2020年唐河流域山西段土地利用轉移矩陣（km2）Table 6 Land use transfer matrix of Tanghe river basin in Shanxi province from 2010 to 2020 (km2)

表7 2000-2020年唐河流域山西段土地利用轉移矩陣（km2）Table 7 Land use transfer matrix of Tanghe river basin in Shanxi province from 2000 to 2020 (km2)

在2000-2010、2010-2020、2000-2020 年，草地、林地和耕地三者之間發生了明顯的土地利用轉移。其中草地向林地轉移的面積最多，分別為28.60、79.75、88.37 km2；其次是林地轉為草地，分別為28.60、54.76、63.94 km2。

3.2 生態系統服務價值變化

3.2.1 各地類生態系統服務價值時間變化

2000、2010、2020 年研究區總ESV 分別為1 800 807.88、1 803 853.41 和1 822 512.73 萬元（表8）。在不同土地利用類型中，林地、草地和耕地具有較高的ESV 貢獻率，分別為70.19%、26.18%、3.61% 和69.66%、26.81%、3.51% 和71.08%、25.49%、3.34%，建設用地和未利用地的ESV 較低。2000-2020 年研究區的總ESV呈逐漸上升趨勢，增加了21 704.85 萬元，增幅為0.01%，其中林地、水域和建設用地的ESV分別增加了31 320.50、1 076.23 和155.77 萬元；耕地和草地提供的ESV 均有所降低，分別減少了4 061.88 和6 837.77 萬元。2010 年與2000 年相比，除草地提供的ESV 增加了12 255.11 萬元外，耕地、林地和水域提供的ESV 均有所降低，分別減少了1 653.81、7 407.32 和148.45 萬元，研究區總ESV 增加了3 405.53 萬元。2020 年與2010 年相比，林地、水域、建設用地和未利用地提供的ESV 分別增加了38 727.83、1224.68、155.77 和52.00 萬元，耕地和草地提供的ESV均有所減低，分別減少了2 408.06 和19 092.88萬元，研究區總ESV 增加了18 659.32 萬元（表8）?？傮w來看，20 年間研究區ESV 增加的主要原因是林地、水域和建設用地面積的增加。

表8 2000-2020年唐河流域山西段各地類生態系統服務價值Table 8 ESV of different land use in Tanghe river basin in Shanxi province from 2000 to 2020

3.2.2 單項生態系統服務類型價值變化

從一級服務功能來看，2000、2010、2020 年占總ESV 的比例從高到低依次為調節、支持、供給和文化服務。其中占比最高的是調節服務，均在60% 左右，其次為支持服務，占比在25%左右，供給和文化服務的占比較低，約為0.05%。2000-2020 年，調節、支持和文化服務呈持續增加趨勢，2010 年比2000 年分別增加了2 356.70、714.76 和229.40 萬元，2020 年比2010年分別增加了14 040.45、3 740.26 和903.22 萬元，2020 年比2000 年分別共增加了16 397.15、4 455.02 和1 132.62 萬元。供給服務呈持續減少趨勢，2010 年比2000 年減少255.33 萬元，2020 年比2010 年減少24.61 萬元，20 年共減少了279.94 萬元（圖3）。

圖3 2000—2020年唐河流域山西段生態系統一級服務功能價值及其變化Fig.3 ESV and its change in Tanghe river basin in Shanxi province from 2000 to 2020

從二級服務功能來看，2000-2010 年除食物生產和原材料生產價值降低了218.37 萬元和36.96 萬元以外，其他二級服務功能的ESV 增加了195.52 萬元～967.45 萬元；2010-2020 年僅食物生產價值降低了390.68 萬元，其他二級服務功能的ESV 增加了366.06 萬元～4 666.28 萬元。過去20 年間原材料生產價值呈先減少后增加趨勢；食物生產價值呈持續降低趨勢，年均減少30.45 萬元；氣體調節、氣候調節、水源涵養、廢物處理、保持土壤、維持生物多樣性和提供美學景觀呈持續增加趨勢，每年分別增加86.63、354.87、270.85、107.51、93.94、128.81 和56.63 萬元（表9）。

表9 2000-2020年唐河流域山西段土地生態系統單項服務價值Table 9 Individual ESV of different land use in Tanghe river basin in Shanxi province from 2000 to 2020

3.2.3 各地類對生態系統服務價值變化的生態貢獻率

2000-2010、2010-2020、2000-2020 年研究區ESV 變化貢獻率較高的是耕地、林地和草地，分別為6.65%、29.78%、49.28%和3.00%、48.22%、23.77% 和6.23%、48.03%、10.49%（表10），3 個地類生態貢獻率合計在98% 以上；建設用地和未利用地的生態貢獻率較低。表明影響研究區總ESV 變化最大的土地利用類型是耕地、林地和草地，三者是研究區ESV變化的主要貢獻因子和影響因子。

表10 2000-2020年唐河流域山西段各地類對ESV變化的生態貢獻率（%）Table 10 Ecological contribution to ESV change in different land use in Shanxi province in 2000-2020 (%)

3.3 驅動力分析

從以上分析可以看出，20 年間唐河流域的總ESV 增加了21 704.85 萬元，這與環境變化和人類活動有很大的關系。已有研究表明，自然環境變化和人類活動在一定程度上影響著物種的正常生長和群落演替［30］。

3.3.1 人為活動

為了更清楚了解人為活動對ESV 的影響。本文首先將研究區劃分為5 km×5 km 的格網，并分別計算每個格網的人為影響強度，將其作為每個格網中心點的值；然后通過趨勢分析和正態檢驗，利用ArcGIS 10.2 里Kriging 空間插值方法得到唐河流域山西段2000、2010 和2020年3 期人為影響強度的空間分布圖（圖4）。

圖4 唐河流域山西段三期人為干擾綜合強度分布Fig.4 Distribution of comprehensive intensity of human disturbance over three periods in Tanghe river basin in Shanxi province

從圖4 可以看出，唐河流域山西段人為干擾綜合強度的空間分布主要表現為：中高影響和高影響強度占主要地位，主要分布在研究區中部；低影響和中影響強度呈小塊狀、零星分布；中低影響強度主要分布在研究區東南部。過去20 年間低影響和中低影響強度基本保持不變，中影響強度范圍有所擴張，中高影響和高影響強度區域范圍有所減少。進一步分析表明，干擾強度高的區域主要土地利用類型為耕地；干擾強度低、中低的區域主要土地利用類型是林地和草地；干擾強度大的區域由大量耕地、草地轉為林地，促使ESV 增加，與前述唐河流域山西段ESV 的變化規律相一致。

3.3.2 自然因素

溫度和降水不僅是影響植物生長最直接的環境因子，還會影響生態系統的正常演替。為進一步分析引起唐河流域山西段ESV 變化的自然驅動力，本文利用研究區的溫度和降水與年份之間的相關性進行回歸分析（圖5）。

圖5 2000-2020年唐河流域山西段氣候變化特征Fig.5 Characteristics of climatic change from 2000 to 2020 in Tanghe river basin in Shanxi province

從圖5 可以看出，過去20 年來唐河流域山西段的年降水量呈上升趨勢，上升率為10.816 mm/10 a；年均溫也呈上升趨勢。主要表現為：全球氣候變暖引起溫度帶北移，對唐河流域山西段的影響主要體現為降水量增加；年降水量增加使土壤含水量上升，植被存活率提高，ESV 提高。

4 討論

過去20 年來，研究區土地利用類型的結構和分布發生了明顯變化，其中耕地面積減小，林地、建設用地和水域面積增加。其原因有：①農村人口減少導致耕地面積減少，調查資料顯示，2000-2020 年研究區城鎮人口增加了80 901 人，農村人口減少了58 134 人。城鎮化過程中，大批的農村人口向城鎮遷移，農村許多耕地撂荒，從而導致耕地面積減少、建設用地面積增加；②三北防護林、退耕還林還草、京津風沙源治理等生態政策和工程的實施，使大量耕地轉變為林草地，林草地面積增加［31-32］，生態環境趨于好轉，20 年間研究區共完成退耕還林還草4 226.23 hm2；③研究區在原有生態保護措施基礎上，通過劃定唐河水源保護區、關停煤礦和鐵礦、低產地（如：坡耕地、沙化地等）改造為草地和林地等手段，實現了凈水保土增綠的環境效益，極大地改善了流域生態環境功能，提升了流域生態環境質量。在本研究中，2000-2020 年研究區總ESV 增加了21 704.85萬元，增幅為0.01%，這主要得益于草地向林地的轉移，這與陳明葉等［33］在大清河阜平流域的研究結果一致。

自然和人為因素均會引起ESV 的變化。在自然因素中，溫度和降水直接影響著生態系統中的各項服務功能。Shen 等［34］通過研究京津冀地區的生態系統服務變化，表明植被指數是其主要影響因子。但自然因素（如：氣溫、降水等）在短期內變化幅度不大，對ESV 影響不明顯［35］。趙志剛等［36］研究發現鄱陽湖生態經濟區影響ESV 變化的主要驅動因子是城鎮化率，其次是城鎮人口、人口密度和GDP。茆長寶等［37］研究發現影響土地利用變化的主要因素是人口數量和質量。在本研究中，人類活動是影響唐河流域土地利用變化的主導因素，這與祝冰潔等［38］對大清河山區的研究結果一致。

與大清河流域已有研究成果相比，本文的計算結果與其他研究結果有一定的差別，主要原因是研究方法不同，本文采用“價值當量因子法”，結合唐河流域的實際情況對當量因子進行修正，使得研究結果與實際較為吻合。潘瑩等［39］采用InVEST 模型對大清河流域生態系統服務進行評估，使用該模型應評價其適用性，且如何選擇模型參數并進行本地化校正是關鍵問題。

需要指出的是，本研究重點分析了唐河流域山西段土地利用變化及其對ESV 變化的影響，并探究了影響唐河流域山西段ESV 變化的驅動因素。限于資料的獲取性，本研究重點分析了溫度、降水和人為干擾情況對ESV 變化的影響。未來，應考慮地形、坡向、城鎮和農村人口數量、質量以及GDP 等因素對ESV 變化的影響。此外，應從不同時空維度深入分析唐河流域山西段生態系統服務的權衡與協同關系，探究唐河流域山西段的生態補償機制，為制定流域生態保護政策提供參考依據。

5 結論

（1）2000-2020 年，唐河流域山西段的主要地類是耕地和林地。20 年來，耕地從736.96 km2減少到690.87 km2；草地減少了8.51 km2；林地的面積從722.02 km2增加到739.91 km2；建設用地增加了34.20 km2；水域和未利用地的面積變化不大。20 年間土地利用轉移主要發生在林地、草地、耕地三者之間，其中草地約有88.37 km2轉為耕地。

（2）2000-2020 年唐河流域山西段土地利用變化最大的是水域，動態度為19.00%，面積增加了0.38 km2；其次是建設用地，動態度為7.61%，面積增加了34.20 km2。20 年間，唐河流域山西段綜合土地利用動態度為0.13%，其中2000-2010、2010-2020 年的綜合土地利用動態度分別為0.11% 和0.25%，2010-2020 年變化更劇烈。

（3）2000-2020 年唐河流域山西段總ESV呈逐漸增加趨勢，20 年增加了21 704.85 萬元，年均凈增加值達5 246.98 元/km2。在一級服務價值中，除供給服務呈先減后增趨勢，調節、支持和文化服務所提供的價值均呈持續增加趨勢。二級生態服務價值以氣候調節和水源涵養服務為主，分別增加了7 097.30 萬元和5 416.96 萬元。

（4）2000-2020 年研究區ESV 變化貢獻率較高的是林地、耕地和草地，分別是48.03%、6.23%，10.49%；且三者生態貢獻率合計在98%以上，說明林地、耕地和草地是影響研究區ESV 變化的主要因子。

（5）生態系統服務的發展變化是自然因素和人為活動共同作用的結果，通過分析唐河流域山西段ESV 變化及其驅動因素，人為活動是唐河流域山西段ESV 變化的主要驅動因素。