河北省生態(tài)系統(tǒng)服務價值時空變化格局分析

王盛，李文靜

(山西師范大學地理科學學院,山西 臨汾 041000)

生態(tài)系統(tǒng)服務是生態(tài)系統(tǒng)所形成和維持的人類賴以生存和發(fā)展的環(huán)境條件與效用[1],為人類直接或間接從生態(tài)系統(tǒng)得到的所有收益[2]。它不僅包括生態(tài)系統(tǒng)為人類提供的食物、淡水及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)原料,更重要的是支撐與維持地球的生命支持系統(tǒng)、生物地球化學循環(huán)、水文循環(huán)、生物物種多樣性以及大氣化學的平衡與穩(wěn)定[3]。長期以來,由于人類對生態(tài)系統(tǒng)服務及其重要性缺乏充分認識,對生態(tài)系統(tǒng)的長期壓力和破壞,導致生態(tài)系統(tǒng)服務嚴重退化。研究表明,在全球24項生態(tài)系統(tǒng)服務功能評估中,有15項正在退化[3]。生態(tài)系統(tǒng)服務功能的退化直接影響人類的安全與健康,威脅區(qū)域、乃至全球的可持續(xù)發(fā)展。鑒于此,越來越多國內(nèi)外學者致力于研究生態(tài)系統(tǒng)服務功能評價和價值體系核算的方法,研究領(lǐng)域涉及生態(tài)系統(tǒng)服務分類與框架體系[3-5]、形成機制[6-7]、價值核算[8-10]、模型評估[11-12]以及不同生態(tài)系統(tǒng)服務之間權(quán)衡與協(xié)同[13-15]等諸多方面,生態(tài)服務已成為目前生態(tài)學及相關(guān)學科研究的前沿和熱點。

河北省內(nèi)環(huán)京津、外繞渤海,是全國唯一兼有海濱、湖泊、平原、丘陵、山地和高原的省份,區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱、生態(tài)功能多元、生態(tài)地位重要。2015年《京津冀協(xié)同發(fā)展規(guī)劃綱要》將河北省功能定位為“京津冀生態(tài)環(huán)境支撐區(qū)”,這意味著河北省在未來較長時期內(nèi)發(fā)展戰(zhàn)略的核心目標之一就是加強生態(tài)環(huán)境建設(shè),提高生態(tài)系統(tǒng)服務。在國家戰(zhàn)略引導下,河北省(或京津冀地區(qū))不同時期的生態(tài)服務功能評估及價值核算研究不斷涌現(xiàn)[16-21]。此類研究更關(guān)注土地利用變化對生態(tài)服務價值的影響,理論創(chuàng)新集中于土地利用數(shù)據(jù)的獲取或生態(tài)服務價值估算方法的改進。如婁佩卿等[18]基于谷歌地球引擎(GEE)云平臺采用分類決策樹(CART)算法提取了京津冀地區(qū)1998—2018年5期土地利用數(shù)據(jù),而劉金雅等[19]結(jié)合京津冀城市群的行政邊界、泰森多邊形邊界和最小累計阻力邊界,改進了傳統(tǒng)基于行政邊界的生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估方法。然而,對于不同生態(tài)服務功能和價值的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系研究鮮有涉及。

目前,生態(tài)系統(tǒng)服務功能評估與價值核算技術(shù)已經(jīng)趨于成熟,在土地利用變化的影響下,定量評估河北省生態(tài)系統(tǒng)服務功能與價值,掌握時空演變規(guī)律,探討不同生態(tài)服務功能和價值的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系,進而提出科學合理的生態(tài)補償建議,不僅有利于認清河北省生態(tài)支撐地位,提高生態(tài)環(huán)境保護工作管理水平,而且有助于釋放生態(tài)紅利、提升區(qū)域整體競爭力。

1 研究區(qū)概況

河北省地處36°05′～42°40′N,113°27′～119°50′E之間(圖1),省域面積18.75×104km2,人口約7 400萬(2014年),包括石家莊、唐山、保定、廊坊、張家口、承德、秦皇島、滄州、衡水、邢臺與邯鄲共11個地級市。河北屬于溫帶大陸性季風氣候,雨熱同期,四季分明。地勢由西北向東南傾斜,地貌類型復雜,高原、山地、丘陵、盆地和平原類型齊全,分為壩上高原、燕山和太行山山地、河北平原三大地貌單元。其中,燕山和太行山山地天然植被廣布,森林和草地的覆蓋率高；而河北平原是我國重要糧棉產(chǎn)區(qū),糧食播種面積占耕地總面積的80%以上。此外,河北省濕地資源豐富,類型眾多,包括淺海、灘涂、河湖和沼澤等多種類型,濕地相對集中的分布在沿海和壩上地區(qū),而平原和廣大山區(qū)只有零星分布。

圖1 河北省概況及2015年土地利用類型

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

采用的土地利用/覆被變化(LUCC)數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn),包括2000、2005、2010、2015年共4期數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)類型為柵格數(shù)據(jù),空間分辨率100 m×100 m。土地利用類型包括耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和和未利用地6個一級類型以及25個二級類型[22-23]。河北省單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量因子的經(jīng)濟價值量的確定基于2016—2018年“河北農(nóng)村統(tǒng)計年鑒”的農(nóng)作物統(tǒng)計資料。

2.2 研究方法

2.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務價值核算

根據(jù)國家土地利用分類標準體系,將河北省土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地6種一級類型和25種二級類型。一個當量因子價值(D)相當于1 hm2農(nóng)田的年均自然糧食產(chǎn)量的經(jīng)濟價值,是同年全國糧食平均價值的1/7,其計算公式為[24]：

(1)

式(1)中,S是年農(nóng)作物經(jīng)濟總價值,A是年農(nóng)作物播種面積?？紤]到河北省糧食產(chǎn)量的經(jīng)濟價值存在年際波動,根據(jù)2016—2018年“河北農(nóng)村統(tǒng)計年鑒”的農(nóng)作物價值統(tǒng)計資料求取平均值,得到河北省單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量因子的經(jīng)濟價值量為1 763.46元/hm2。

對于每個柵格(1 hm2)對應土地單元,其生態(tài)服務價值(ESVij,單位:元·hm-2·a-1)核算公式為：

ESVij=Yij·D，

(2)

式(2)中,Yij是第ij個柵格對應土地利用類型的生態(tài)服務價值當量因子,該值的確定基于謝高地等[25]修正的中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積服務價值當量表,最終計算得到河北省各生態(tài)系統(tǒng)服務類型單位面積的價值系數(shù)如表1。

怎樣才能使得專業(yè)詞匯從日常用詞中分離出來，且這些專業(yè)詞匯也是研究熱點，能夠轉(zhuǎn)化為評價因子，這是解決問題的關(guān)鍵。經(jīng)過對論文標題、摘要、關(guān)鍵詞等多種數(shù)據(jù)源進行分詞方案的實驗，確定了以論文標題為數(shù)據(jù)源的方案。專業(yè)論文與一般網(wǎng)絡評論文本相比，具有思維縝密、表達精煉的特點，標題是作者凝練的論文主題最精煉的闡述，能夠代表論文的關(guān)注點，而論文標題經(jīng)過分詞匯總的高頻專業(yè)詞匯可以轉(zhuǎn)化為評價因子。而論文作者對論題的篩選，以及期刊論文評審專家和編輯對論文選題的把關(guān)，均能一定程度地證明論題的重要程度，故其詞頻分析結(jié)果可以轉(zhuǎn)化為評價因子權(quán)重。

2.2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的等級劃分

基于相關(guān)分析和t檢驗方法,利用Matlab軟件分析各生態(tài)系統(tǒng)服務價值之間關(guān)系的相關(guān)性和顯著性。借助相關(guān)系數(shù)R和t檢驗概率P值將服務價值關(guān)系劃分為以下6個等級：顯著協(xié)同(R>0,P<0.01)；較顯著協(xié)同(R>0,0.010,P>0.05)；顯著權(quán)衡(R<0,P<0.01)；較顯著權(quán)衡(R<0,0.010.05)。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化

河北省土地利用的空間分布(2015年)和格局變化(2000—2015年)如圖1和表2所示。河北省最重要的土地利用類型是耕地,在總面積中占比超過50%,主要分布于河北平原；其次是林地和草地,分別占河北省總面積的19.7%、17.7%,主要分布在燕山和太行山山地；而水域面積雖然只占2.6%,但在生態(tài)系統(tǒng)服務當中具有非常重要的作用。從15年間河北省土地利用的格局變化來看(表2),耕地、草地和水域面積呈減少趨勢,而林地、建設(shè)用地和未利用地面積呈增加趨勢。尤其是近5年來,建設(shè)用地和未利用地的增加和耕地水域的減少均非常顯著。其中,2010—2015年建設(shè)用地和未利用地面積分別增加了6.04×103km2(40.9%)和0.50×103km2(60.4%)；而耕地和水域面積分別減少了4.51×103km2(4.7%)和1.25×103km2(24.5%)。

表2 河北省土地利用變化格局 單位：×103 km2

深入分析2000—2015年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣發(fā)現(xiàn)(表3),耕地的減少主要轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地,凈轉(zhuǎn)換面積高達6.13×103km2,這主要由于工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的高速發(fā)展,建設(shè)用地需求迅速增加,導致城鎮(zhèn)建設(shè)用地的擴張侵占周邊農(nóng)田。水域面積的減少主要轉(zhuǎn)換為未利用地和耕地,凈轉(zhuǎn)換面積分別為0.71×103、0.57×103km2,占水域減少總面積的53.1%、42.3%,轉(zhuǎn)換原因是受人口社會經(jīng)濟因素驅(qū)動,農(nóng)村地區(qū)增加了對耕地的需求,導致水域濕地等生態(tài)用地轉(zhuǎn)換為荒地和耕地的逆生態(tài)化過程。此外,河北省林地面積平穩(wěn)增加,這與2000年以后河北省逐步開啟的退耕還林工程、京津風沙源治理工程、三北防護林體系建設(shè)、太行山綠化工程等生態(tài)建設(shè)工程密切相關(guān)。

表3 2000—2015年河北省土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 單位：×103 km2

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值的時空變化特征

3.2.1 ESV的時間變化

整體上,河北省ESV呈現(xiàn)持續(xù)減少趨勢(表4和5),其中2000—2010年減少趨勢緩慢,從2000年的3 536.28億元減少至2005年的3 522.36億元,再減少至2010年的3 509.82億元,10年間的減少率僅為0.75%。2010年以后ESV的減少趨勢明顯加快,2015年的ESV低至3 235.73億元,較2010年減少7.8%。

表4 2000—2015年河北省各服務功能ESV變化 單位：億元

2000—2015年河北省6種不同土地利用類型ESV變化如表5所示。林地和水域提供的ESV最高,分別占總價值的37.4%、26.4%；耕地和草地提供的ESV次之,分別占總價值的19.6%、16.5%；而建設(shè)用地和未利用地提供的ESV極少,可忽略不計。從2000—2015年各土地利用類型ESV的變化趨勢看,除林地提供的ESV在2000—2015年有所增加(14.73億元)外,水域、耕地和草地提供的ESV均在2000—2010年呈現(xiàn)微弱減少,2010—2015年呈現(xiàn)顯著減少的變化趨勢,15年間ESV的減少量分別達到252.97、37.22、25.91億元。

表5 2000—2015年河北省各土地利用類型ESV變化 單位：億元

3.2.2 ESV的空間變化

2015年河北省ESV空間分布如圖2。在空間上,河北省生態(tài)系統(tǒng)服務價值呈現(xiàn)北高南低的分布格局。北部的承德和張家口市生態(tài)系統(tǒng)服務價值最高,超過600億元,尤其是承德市,ESV高達1 006.40億元；西部的保定市ESV也較高,接近400億元；中部滄州、唐山和石家莊市ESV中等,介于200～300億元之間；南部衡水、邢臺和邯鄲市ESV較低,低于200億元,而廊坊市是河北省ESV最低的地市,僅有50億元。在生態(tài)系統(tǒng)服務價值最高的承德和張家口市,氣候和水文調(diào)節(jié)價值占比最高,二者之和分別為49.6%、46.6%。這與上述城市林地面積較大直接相關(guān),其中承德市林地面積約占全市總面積的48.6%,占河北省林地面積的51.6%；而張家口市林地面積上述占比分別為20.1%、19.9%。在生態(tài)系統(tǒng)服務價值較低的南部地區(qū),ESV最重要的來源是水文調(diào)節(jié)和土壤保持功能,二者價值之和占比超過40%。

圖2 河北省不同生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值的空間分布及等級

從不同土地利用類型ESV的空間分布(圖3a、3b)來看,北部和西部ESV較高的承德、張家口和保定市主要來源于林地和草地生態(tài)系統(tǒng)的服務價值,三市分別為860.53、412.20、217.56億元。該區(qū)域高ESV主要得益于天然植被(林地、草地)的高覆蓋度,河北省2002年全面推進退耕還林還草工程,尤其是三北防護林工程的持續(xù)建設(shè),極大地改善了生態(tài)環(huán)境,維護了區(qū)域生態(tài)安全,彌補了城市擴張造成的生態(tài)系統(tǒng)服務價值損失。而東部沿海的滄州和唐山等中等ESV城市主要依靠海河水域濕地的服務價值,兩市水域服務價值分別占總ESV的66.3%、49.7%。而南部和中部ESV最低的衡水、廊坊、邢臺和邯鄲市,ESV主要來源于耕地的服務價值,分別占總ESV的81.9%、68.9%、46.5%、44.8%。從不同土地類型ESV的空間變化(圖3c)看,除滄州市外,各地市的水域服務價值均有不同程度的減少,尤其是張家口市,減少了163.97億元。2000—2015年各地市的ESV等級幾乎均未變化,只有滄州市由較低變?yōu)榱酥械?主要來自于水域服務價值的增加。

圖3 2000、2015年河北省不同土地利用類型ESV的空間分布(a、b)及其變化(c)

3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系

不同生態(tài)系統(tǒng)服務功能之間存在權(quán)衡(此消彼長)與協(xié)同(同增同減)的關(guān)系,理清和掌握這種關(guān)系是解決生態(tài)系統(tǒng)平衡和穩(wěn)定發(fā)展的關(guān)鍵,也對促進區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務優(yōu)化選擇、實現(xiàn)區(qū)域生態(tài)-社會-經(jīng)濟的平衡發(fā)展意義重大。河北省不同地市2000—2015年各生態(tài)服務功能價值變化的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系如表6、7。從四大類服務功能之間的關(guān)系看,調(diào)節(jié)服務與供給服務、支持服務之間呈負相關(guān),相關(guān)系數(shù)極高(超過0.97),具有顯著的權(quán)衡關(guān)系。供給服務與支持服務之間存在正相關(guān),相關(guān)系數(shù)達0.94,協(xié)同關(guān)系顯著。整體上,文化服務與其他3類服務的相關(guān)性均較弱,僅與供給服務的相關(guān)性通過了0.05的顯著性水平檢驗,呈較顯著的權(quán)衡關(guān)系。從具體的11種服務功能間的關(guān)系看,彼此之間呈正相關(guān),即存在協(xié)同關(guān)系。這與本研究只關(guān)注了土地利用變化單一要素對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響有關(guān)。整體上11種服務功能間的協(xié)同關(guān)系均較為顯著。只有原料生產(chǎn)與水資源供給、凈化環(huán)境、水文調(diào)節(jié)、美學景觀,以及維持養(yǎng)分循環(huán)與水資源供給、水文調(diào)節(jié)之間的相關(guān)性較弱。

注：**、*分別為0.01、0.05的顯著性水平(雙尾)。

表7 11種生態(tài)服務功能價值變化的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系

注：**、*分別為0.01、0.05的顯著性水平(雙尾)。

4 討論

在分析2000—2015年河北省土地利用變化的基礎(chǔ)上,采用傳統(tǒng)的當量因子法核算了河北省生態(tài)系統(tǒng)服務價值,并分析了時空變化特征。發(fā)現(xiàn)ESV的年際變化呈減少趨勢,共減少了300.56億元,占總ESV的8.5%?？臻g上,ESV呈現(xiàn)北高南低的分布格局。北部ESV高得益于植被覆蓋度較高,相應地調(diào)節(jié)和支持服務價值高；而南部低ESV區(qū)域的土地類型多為耕地和居民區(qū),主要提供供給服務。這些時空變化特征與許多學者的研究結(jié)果較一致[16-18,21],可信度較高。分析發(fā)現(xiàn),河北省ESV的減少主要源于水域生態(tài)系統(tǒng)ESV減少了252.97億元,占減少總價值的84.2%,相關(guān)的水資源供給和水文調(diào)節(jié)功能價值的減少率分別達到19.7%和16.7%。東部沿海城市的ESV處于全省中等水平,其生態(tài)服務價值主要依靠海河水域濕地。水域濕地面積普遍減小對這些城市的ESV變化影響最大。

生態(tài)系統(tǒng)服務具有動態(tài)復雜性,而本研究的側(cè)重點在于土地利用變化對生態(tài)服務價值的影響,對驅(qū)動機制方面的考慮比較單一。對于生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)的確定,主要參考謝高地等[24]改進的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量表,忽視了城市建設(shè)用地提供的生態(tài)服務價值。隨著城市化進程不斷深入,城市內(nèi)配套的小區(qū)綠地、綠化帶及人工水域等面積不斷擴張,忽略此部分對生態(tài)服務價值估算帶來的不確定性。因此,需要納入城市內(nèi)部的各項生態(tài)指標,進而完善區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估體系。此外,從靜態(tài)的時間節(jié)點2000、2005、2010、2015年探討了河北省各地市不同生態(tài)系統(tǒng)服務之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系,初步發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)服務與供給服務、支持服務均具有顯著權(quán)衡關(guān)系,而供給服務與支持服務之間存在顯著協(xié)同關(guān)系。生態(tài)系統(tǒng)服務的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系具有顯著的尺度分異特征和時空分異屬性,借助模型手段探討生態(tài)系統(tǒng)服務功能之間的動態(tài)關(guān)系將是下一步研究的重點。

5 結(jié)論

定量評估生態(tài)系統(tǒng)服務價值能較好地反映出生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境變化狀況及其影響因素,為進一步制定合理的可持續(xù)發(fā)展政策提供參考依據(jù)。采用生態(tài)系統(tǒng)服務價值(ESV)當量因子法,分析了土地利用變化影響下河北省生態(tài)系統(tǒng)服務價值的時空變化特征,并探討了生態(tài)系統(tǒng)服務功能之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系。主要結(jié)論如下：

(1)2000—2015年,河北省建設(shè)用地和未利用地激增,主要由耕地和水域面積轉(zhuǎn)換而來。2010—2015年上述變化趨勢更為顯著,建設(shè)用地與未利用地面積共增加了6 545.7 km2(42.0%),而水域和耕地面積減少了5 768.9 km2(5.7%)。

(2)2000—2015年河北省ESV顯著減少主要表現(xiàn)為水域ESV減少高達252.97億元,及相關(guān)的水資源供給和水文調(diào)節(jié)功能價值的減少,減少率達19.7%、16.7%。受水域濕地面積普遍減小、農(nóng)業(yè)及生態(tài)耗水增加的綜合影響,各地市ESV均呈現(xiàn)不同程度的減少(滄州市除外)。

(3)河北省ESV空間分布格局主要受土地利用類型的影響,ESV較高的北部和西部地區(qū)得益于林地和草地生態(tài)系統(tǒng)的服務價值,ESV中等的東部沿海城市主要依靠海河水域濕地的服務價值,南部和中部ESV較低的地區(qū)主要來源于耕地的服務價值。

(4)從四大類服務功能之間的關(guān)系看,調(diào)節(jié)服務與供給服務、支持服務均具有顯著權(quán)衡關(guān)系,而供給服務與支持服務之間存在顯著協(xié)同關(guān)系。