河北省耕地圖譜特征及其生態(tài)服務(wù)價(jià)值變化

郝 娜, 王曉晴, 王 耀, 張 迪, 牛志君, 齊躍普

(1.秦皇島市國土資源局, 河北 秦皇島 066000; 2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué), 河北 保定 071000;3.石家莊師兄弟土地環(huán)境技術(shù)服務(wù)有限公司, 石家莊 050000)

土地是人類賴以生存的重要資源之一[1]。土地利用又是人類作用于自然最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，地域土地利用/覆被的研究已被列為“國際地圈生物圈計(jì)劃(IGBP)”的關(guān)鍵組成部分[2]，而土地利用類型當(dāng)中的耕地最為關(guān)鍵，其事關(guān)區(qū)域的糧食安全和社會穩(wěn)定。因此耕地變化必定對生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生影響，其變化程度對保護(hù)生態(tài)服務(wù)功能起著決定性的作用[3-4]。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指人類直接或間接從生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過程和功能中獲得的產(chǎn)品和服務(wù)[5]。生態(tài)服務(wù)功能是指生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過程所形成及維持人類賴以生存的自然環(huán)境條件與效用，其在土地利用/覆被中主要表現(xiàn)為人們?yōu)榱饲猩砝?，而改變了土地的利用方式，相?yīng)的土地系統(tǒng)的生態(tài)服務(wù)價(jià)值也產(chǎn)生劇烈變化[6]。隨著各種生態(tài)問題的出現(xiàn)，國內(nèi)外相關(guān)人士開始關(guān)注土地生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)服務(wù)價(jià)值，并開展大規(guī)模的研究，取得了不小的成果，如Costanza[7]把全球生態(tài)服務(wù)功能劃分為17種主要類型，并求取了全球各地類的生態(tài)服務(wù)價(jià)值；歐陽志云等[8]評估了中國陸地生態(tài)系統(tǒng)的6種服務(wù)功能及其生態(tài)經(jīng)濟(jì)價(jià)值；謝高地等[9]建立了基于單位面積價(jià)值當(dāng)量因子法的中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的動(dòng)態(tài)評估方法。近年來，隨著大氣變暖、生物量銳減和土地荒漠化等全球性生態(tài)環(huán)境問題的突出，對生態(tài)服務(wù)功能研究越來越迫切。于是，許多國內(nèi)學(xué)者從生態(tài)系統(tǒng)不同尺度、不同方法等多方面開展了研究，如對海河上游、伊犁河流域、長白山地區(qū)以及各縣域等多個(gè)地區(qū)進(jìn)行了生態(tài)服務(wù)價(jià)值的定量評估[10-15]。

然而，這些研究鮮有專門針對耕地變化的。另外，耕地變化的生態(tài)效應(yīng)研究多集中于土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、碳儲量和生態(tài)承載力的影響等方面[16-17]，然而這些研究很少涉及耕地與其他地類之間轉(zhuǎn)化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值產(chǎn)生的影響。河北省是產(chǎn)糧大省，必須加強(qiáng)耕地的“數(shù)量—質(zhì)量—生態(tài)”保護(hù)。因此，本文以耕地圖斑作為評價(jià)單元，分析河北省近10多年間耕地時(shí)空變化特征和生態(tài)服務(wù)價(jià)值變化，以期為河北省土地利用科學(xué)管理和生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

河北省環(huán)抱首都北京(北緯36°03′—42°40′、東經(jīng)113°27′—119°50′)，轄區(qū)土地總面積約為18 884.807 km2，南北長750 km，東西寬650 km。西倚太行山與山西為鄰，西北部、北部、和東北部同內(nèi)蒙古自治區(qū)和遼寧省接壤，東部瀕臨渤海，東南部和南部與山東、河南兩省交界，京、津兩大經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)包裹其中，所以稱之為京歌大省。河北省地處中緯度歐亞大陸東岸，屬于大陸性季風(fēng)型氣候，四季分明，春季干燥多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季晝暖夜涼，冬季寒冷少雪。全省年平均氣溫為-0.3～14.0℃，氣溫由東南到西北逐漸降低；年平均降雨量為485 mm。河北省地貌類型多樣復(fù)雜化，地勢自西北向東南呈半環(huán)狀逐級下降。最北面為壩上高原，占總面積的8.5%，平均海拔在1 200 m以上；其下方為山地丘陵區(qū)，占總面積的48.1%；南面為廣闊平原，屬華北平原的一部分，地貌類型分為山前沖洪積平原，中部中湖積平原區(qū)和濱海平原區(qū)3大類型，占該省總面積的43.4%，海拔一般低于50 m。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文所采用的土地利用數(shù)據(jù)從地理空間數(shù)據(jù)云下載，選用2004年、2010年以及2016年的Landsat-TM/ETM為數(shù)據(jù)源，其成像時(shí)間均選擇在秋季，軌道號均為122/33，數(shù)據(jù)空間分辨率為30 m×30 m，借助ENVI 4.8軟件對遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行波段融合、幾何校正和影像裁剪，采用監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類相結(jié)合的方法將研究區(qū)劃分為耕地、園地、林地、草地、水域、建設(shè)用地以及未利用地共7種土地利用類型，并對解譯結(jié)果通過混淆矩陣與Kappa指數(shù)進(jìn)行評價(jià)與驗(yàn)證，進(jìn)一步以野外實(shí)地及問卷調(diào)查來驗(yàn)證，最終解譯數(shù)據(jù)的精度為86%。為了保證計(jì)算數(shù)據(jù)的一致性，本文將解譯所獲得的矢量數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為柵格，并存儲為GRID格式，柵格大小統(tǒng)一為30 m×30 m(圖1)[18-19]。

2 研究方法

2.1 土地利用圖譜分析

土地利用變化信息圖譜可以用來描述土地利用變化的過程，是進(jìn)行土地利用變化驅(qū)動(dòng)力診斷分析和模型構(gòu)建的有效依據(jù)。其記錄的是屬性空間一體化的狀態(tài)[20-21]。利用ArcGIS空間分析工具，將2004年、2010年、2016年3個(gè)時(shí)期土地利用圖譜單元類型進(jìn)行重組，可得到十幾年來河北省土地利用變化的信息圖譜，每一個(gè)圖譜單元均記錄著2004年、2010年、2016年3個(gè)采樣時(shí)間點(diǎn)上土地單元的利用類型，反映了這10多年間土地利用變化的歷程[20-22]。一般將圖譜變化分為5種類型：(1) 穩(wěn)定型。在2004—2016年都保持不變，未發(fā)生變化的類型；(2) 前期變化型。在2004—2010年發(fā)生變化，而2010—2016年未發(fā)生變化類型；(3) 后期變化型。在2004—2010年未發(fā)生變化，而2010—2016年發(fā)生變化類型；(4) 反復(fù)變化型。在2004—2010年變?yōu)榱硪环N類型，而2010—2016年又變回原來類型；(5) 持續(xù)變化型。在2004—2016年一直發(fā)生變化，也未還原成原來類型的變化形式。

圖1 河北省2004年、2010年、2016年土地利用分布

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值測算方法

2.2.1 生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子確定 本研究借鑒謝高地等[22]的中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值化研究，以及在2015年修訂補(bǔ)充后的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量結(jié)果，對河北省進(jìn)行糧食產(chǎn)量經(jīng)濟(jì)價(jià)值系數(shù)修正，計(jì)算歸納出河北省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子表(表1)。在進(jìn)行河北省生態(tài)服務(wù)價(jià)值量的核算時(shí)，首先將河北省規(guī)劃中提到的土地利用類型與生態(tài)系統(tǒng)類型建立一定的對應(yīng)關(guān)系，按以下原則進(jìn)行對應(yīng)：耕地對應(yīng)農(nóng)田，林地對應(yīng)森林，未利用地對應(yīng)荒漠；而園地則取耕地和林地之和的1/2，建設(shè)用地對生態(tài)環(huán)境影響主要體現(xiàn)在廢水、廢氣、廢物的排放以及用水問題的方面，故從氣體調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)和廢物處理3個(gè)方面分別對其進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子測算，且取值全部為負(fù)值[23-26]。依據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算得到河北省的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)糧食生產(chǎn)的服務(wù)價(jià)值在2004年、2010年和2016年分別為1 274.28，1 895.50，2 496.35元/hm2。

表1 河北省不同陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子

2.2.2 生態(tài)服務(wù)價(jià)值計(jì)算 Costanza提出了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值的評價(jià)模式。其計(jì)算公式為：

式中：ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值；Si為研究區(qū)土地利用類型i的面積；Pi為單位面積土地利用類型i的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化分析

由表2分析可知，河北省土地利用類型主要以耕地為主，占總面積的比例在3年中均超過50%。2004—2016年耕地以及林地面積均呈現(xiàn)增加的趨勢，園地和草地則均呈現(xiàn)減少的趨勢，而水域、建設(shè)用地以及未利用地的面積則呈現(xiàn)先增后減的趨勢。近年來河北省人口基數(shù)不斷增加，伴隨著人口壓力的提升，對于糧食的需求日益迫切，2004—2016年耕地面積由全省的51.86%增加到71.25%，較大限度緩解了人口、環(huán)境所帶來的壓力；而近期隨著退耕還林政策的實(shí)施以及水土流失等一系列環(huán)境問題的嚴(yán)重化，林地面積也隨之增加，但增加幅度不明顯[25]；在2004—2016年這十幾年中，水域、建設(shè)用地以及未利用地的面積分布均呈現(xiàn)倒“U”型分布，說明建設(shè)用地的開發(fā)利用受到國家政策的嚴(yán)格控制，但是未利用地的開發(fā)效率仍然較低，需進(jìn)一步開發(fā)利用。人類生產(chǎn)生活對水資源需求的增加及干旱等因素是水域面積減少的主要原因，其中2010—2016年減少的最多，達(dá)到47 414.15 hm2。在近10多年內(nèi)園地與草地的面積以較大幅度減少，實(shí)則是因?yàn)榇蟛糠值膱@地與草地轉(zhuǎn)向耕地。

3.2 耕地圖譜特征的時(shí)空變化分析

由圖2可知，在此階段中變化圖譜單元總量最大、圖譜轉(zhuǎn)移最為顯著的是耕地的占用與補(bǔ)充過程。為了進(jìn)一步研究耕地利用變化模式，通過融合3年的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，構(gòu)建耕地利用變化模式圖譜來探究耕地在每一變化模式的圖譜變化特征及其原因。全省耕地利用變化模式以后期變化型為主，其次為持續(xù)變化型，其他的兩類變化類型相對較小，耕地利用變化模式出現(xiàn)了明顯的時(shí)間序列特征。

表2 2004-2016年河北省土地利用面積

(1) 前期變化型指耕地僅僅在2004—2010年發(fā)生的轉(zhuǎn)移，河北省前期變化型的圖譜類型分布范圍較廣，主要分布在承德、唐山、秦皇島以及保定等河北平原區(qū)，呈現(xiàn)東北—西南對角分布，在河北省東北部分布較為密集，均靠近沿海城市的邊緣，以“耕地—草地—草地”和“耕地—林地—林地”類型為主，兩者面積占據(jù)整個(gè)轉(zhuǎn)移階段的16.16%，這跟退耕還林還草政策的有效實(shí)施密不可分。

圖2 2004-2016年河北省耕地利用變化圖譜

(2) 后期變化型主要指在2010—2016年期間耕地圖譜類型發(fā)生的轉(zhuǎn)移，后期變化型模式在整個(gè)轉(zhuǎn)移模式中所占比例最大，集中分布在燕山—太行山地以及山前平原區(qū)，出現(xiàn)明顯的“聚集”現(xiàn)象，以廊坊市、張家口南部、保定北部地區(qū)最為顯著，另外在一些沿海城市也有零散分布。后期變化型主要為“耕地—耕地—草地”類型，面積達(dá)到288 762.44 hm2，是整個(gè)變化模式中最大的單體變化類型。

(3) 反復(fù)變化型指在2010年發(fā)生轉(zhuǎn)移，2004年和2016年均保持耕地的類型不變。河北省反復(fù)變化型在省內(nèi)的各個(gè)城市均有分布，且分布極為分散,表明人類在利用土地上仍然處于探索階段，2010年全省對于耕地的占用開發(fā)均存在不合理的情況，在2016年之后又重新開發(fā)為耕地，一方面是響應(yīng)了保證18億畝耕地紅線的號召，另一方面則是沒有更加科學(xué)可持續(xù)地利用土地。反復(fù)變化型模式主要以“耕地—草地—耕地”的變化類型為主，面積達(dá)到152 426.92 hm2。

(4) 持續(xù)變化型模式指在2004—2016年土地利用類型均發(fā)生改變，由耕地轉(zhuǎn)化為其他類型的土地，并且變化種類呈現(xiàn)多樣化,主要分布在河北省的中部地區(qū)以及東北部地區(qū)，集中在以唐山、秦皇島為主的濱海平原地帶以及保定、石家莊等山前平原地帶。

表3 2004-2016年河北省耕地變化模式圖譜特征

3.3 耕地利用變化類型對ESV的影響

由表4可知，2004—2016年耕地生態(tài)服務(wù)價(jià)值持續(xù)增長，且在各地類中生態(tài)服務(wù)價(jià)值均最大，分別為139.74億元、222.97億元、376.07億元，但是耕地的變化速率并不是最快的，年均增長幅度約為14.09%。而由于近年來退耕還林政策的有效實(shí)施，使得林地年均變化速率明顯高于其他地類，面積大幅度上漲，其生態(tài)服務(wù)價(jià)值也隨之迅速增長。2004—2016年各生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)服務(wù)價(jià)值有增有減，雖然總生態(tài)服務(wù)價(jià)值保持著增長趨勢，但增長速率明顯在逐年減緩，這充分說明了河北省的生態(tài)系統(tǒng)目前處于優(yōu)勢狀態(tài)，但需迫切實(shí)施生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制，使其生態(tài)系統(tǒng)維持平衡，以防整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)服務(wù)價(jià)值下降。

表4 2004-2016年各地類ESV變化

由表5可知，本文以耕地圖斑為基準(zhǔn)評價(jià)單元，從前期變化、后期變化、反復(fù)變化、持續(xù)變化4個(gè)模式的耕地與其他地類之間轉(zhuǎn)化對ESV的影響進(jìn)行分析。前期變化型耕地主要轉(zhuǎn)向草地，生態(tài)服務(wù)價(jià)值增加了38 599.78萬元，其次轉(zhuǎn)向了林地，生態(tài)服務(wù)價(jià)值增加最大為104 756.88萬元；后期變化型耕地主要轉(zhuǎn)變成草地，生態(tài)服務(wù)價(jià)值增加了85 651.01萬元；反復(fù)變化型由耕地經(jīng)過一系列變化后最終又變回耕地，生態(tài)服務(wù)價(jià)值均有所增加，但是過渡期除了未利用地和建設(shè)用地轉(zhuǎn)移成耕地生態(tài)服務(wù)價(jià)值增加之外，其余地類轉(zhuǎn)移為耕地其生態(tài)服務(wù)價(jià)值均有不等程度減少；持續(xù)變化型主要模式為“耕地—園地—草地”，其耕地轉(zhuǎn)向園地生態(tài)服務(wù)價(jià)值增加了40 044.61萬元，園地轉(zhuǎn)向草地生態(tài)服務(wù)價(jià)值減少了5 585.61萬元，其次是“耕地—草地—林地”模式以及“耕地—林地—草地”模式。綜上所述，耕地變化模式不同，致使生態(tài)服務(wù)價(jià)值變化不一，合理分析利用各地類之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，可以調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)的總體平衡，維護(hù)生態(tài)價(jià)值穩(wěn)定。

表5 耕地與其他地類之間轉(zhuǎn)化對ESV的影響

續(xù)表5

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

從河北省整體上看，耕地生態(tài)服務(wù)價(jià)值處于上升狀態(tài)，從耕地圖譜特征變化分析來看，由于耕地的生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)小于林地、園地、草地以及水域，大于未利用地和建設(shè)用地，當(dāng)耕地向系數(shù)大于自身的地類轉(zhuǎn)變時(shí)，ESV有增加趨勢，反之ESV有減少趨勢，因此說明土地利用變化對生態(tài)服務(wù)價(jià)值影響很大。本文分析了河北省近十幾年間的土地利用變化和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化情況，筆者會基于此研究結(jié)果運(yùn)用預(yù)測模型對研究區(qū)未來幾十年的生態(tài)服務(wù)價(jià)值變化進(jìn)行預(yù)測，以期進(jìn)一步優(yōu)化區(qū)域的生態(tài)空間布局，以及為政府決策和生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制提供依據(jù)。

4.2 結(jié) 論

(1) 河北省土地利用類型主要以耕地為主，其面積占河北省總面積的比例超過50%。近年來河北省人口基數(shù)不斷增加，伴隨著人口壓力的提升，對于糧食的需求日益迫切，2004—2016年耕地面積持續(xù)增加，較大限度地緩解了人口、環(huán)境所帶來的壓力；在近10多年內(nèi)園地與草地的面積較大幅度減少，大部分的園地與草地轉(zhuǎn)向耕地。

(2) 近10多年間，耕地生態(tài)服務(wù)價(jià)值保持上升狀態(tài)，分別為139.74億元、222.97億元、376.07億元，但是耕地的變化速率并不是最快的，年均增長幅度約為14.09%，明顯小于林地的增長速率。13年間，總體上來說河北省的生態(tài)服務(wù)總價(jià)值呈現(xiàn)增長趨勢，但其年均增長速率明顯處于下降狀態(tài)，因而要迫切實(shí)施生態(tài)補(bǔ)償制度，維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的平衡。

(3) 全省耕地利用變化模式以后期變化型為主，其次為持續(xù)變化型，其他的兩類變化類型相對較小，耕地利用變化模式出現(xiàn)了明顯的時(shí)間序列特征。前期變化型主要以“耕地—草地—草地”以及“耕地—林地—林地”兩類為主，兩者面積占據(jù)整個(gè)轉(zhuǎn)移階段的16.16%，其中“耕地—林地—林地”類型生態(tài)服務(wù)價(jià)值增加最多為104 756.88萬元；后期變化型主要以“耕地—耕地—草地”類型為主，面積達(dá)到288 762.44 hm2，是整個(gè)變化模式中最大的單體變化類型，生態(tài)服務(wù)價(jià)值增加了85 651.01萬元；反復(fù)變化型主要以“耕地—草地—耕地”的變化類型為主，面積達(dá)到152 426.92 hm2，生態(tài)服務(wù)價(jià)值也是此變化類型中增加最多的；持續(xù)變化型模式指在2004—2016年由耕地轉(zhuǎn)化為其他類型的土地，并且變化種類呈現(xiàn)多樣化，主要以“耕地—園地—草地”類型為主，耕地轉(zhuǎn)向園地生態(tài)服務(wù)價(jià)值增加了40 044.61萬元，園地轉(zhuǎn)向草地生態(tài)服務(wù)價(jià)值減少了5 585.61萬元。