董 欣,劉鵬程*
(1.華中師范大學(xué)地理過(guò)程分析與模擬湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430079;2.華中師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,武漢 430079)
生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(Ecosystem services)是指人類從生態(tài)系統(tǒng)所獲得的所有惠益,包括供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、文化服務(wù)以及支持服務(wù)[1],生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)常常通過(guò)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(Ecosystem Service Value,ESV)進(jìn)行量化.土地利用變化與當(dāng)下全球環(huán)境變化、生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程、生態(tài)功能和結(jié)構(gòu)密切相關(guān),進(jìn)而對(duì)ESV產(chǎn)生影響,ESV可為地區(qū)生態(tài)保護(hù)措施的制訂提供科學(xué)依據(jù),因此研究區(qū)域內(nèi)土地利用變化下的ESV變化具有重要的意義.近年來(lái),對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的研究成為生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn).國(guó)外學(xué)者Costanza等[2]最先用經(jīng)濟(jì)學(xué)的研究方法給出了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量化模型,該模型闡明了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的內(nèi)涵.國(guó)內(nèi)學(xué)者歐陽(yáng)志云等[3]基于生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)的循環(huán)運(yùn)用和生態(tài)功能通過(guò)影子價(jià)格等方法評(píng)價(jià)了中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)及生態(tài)經(jīng)濟(jì)價(jià)值.謝高地等[4]學(xué)者基于Costanza等提出的方法,在生物量訂正的基礎(chǔ),對(duì)中國(guó)不同類型自然草地生態(tài)系統(tǒng)單項(xiàng)服務(wù)價(jià)值及構(gòu)成進(jìn)行了評(píng)估.何玲[5]等學(xué)者在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的基礎(chǔ)上對(duì)生態(tài)安全格局進(jìn)行構(gòu)建,基于生態(tài)安全格局通過(guò)馬爾可夫模型和元胞自動(dòng)機(jī)對(duì)河北省黃驊市進(jìn)行土地利用格局模擬.王航等[6]根據(jù)淮河市統(tǒng)計(jì)年鑒及土地利用數(shù)據(jù),通過(guò)居民消費(fèi)指數(shù)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)進(jìn)行修訂,分析淮河上游土地利用變化及土地景觀格局對(duì)ESV的影響.岳書平等[7]基于中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)單位面積價(jià)值的平均值對(duì)東北森林-草原陸地樣帶的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的時(shí)空變化進(jìn)行分析.
Google Earth Engine(GEE)是谷歌公司研發(fā)的專門處理衛(wèi)星圖像和其他地球觀測(cè)數(shù)據(jù)云端運(yùn)算平臺(tái),提供Landsat、MODIS、Sentinel等全球尺度下的多源遙感數(shù)據(jù),用戶能夠使用JavaScript、Python語(yǔ)言編程調(diào)用平臺(tái)的多種模型解譯影像,為遙感工作者提供極大便.本文基于GEE平臺(tái)的Sentinel 2影像數(shù)據(jù)和隨機(jī)森林算法解譯出研究區(qū)2017年—2019三年間的土地利用數(shù)據(jù),對(duì)研究區(qū)內(nèi)單元的ESV進(jìn)行定量估算,分析研究區(qū)近三年的土地利用數(shù)據(jù)及ESV的變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)ESV的波動(dòng)的影響因素.
選取京津冀地區(qū)作為研究區(qū),包括北京、天津兩個(gè)直轄市和河北省的11個(gè)地級(jí)市(如圖1所示).研究區(qū)地理位置優(yōu)越,坐落于華北平原北部,地處113°27′~119°50′E,36°05′~42°40′N之間,其北部與燕山山脈相接,西部與太行山相依,東部相鄰渤海灣,西北和北部地勢(shì)較高,以山地、高原為主,南部和東部地區(qū)地形較為平坦,以平原為主.研究區(qū)總面積約21.8 ×106hm2,占全國(guó)土地面積的2.3%,其中北京市面積為1.64 ×106hm2,天津市面積為1.19×106hm2,河北省面積為18.88×106hm2.在此區(qū)域范圍內(nèi),常住人口1.11億,占全國(guó)人口總數(shù)的8.1%.
圖1 研究區(qū)范圍Fig.1 Range of research region
原始影像選取自GEE平臺(tái)提供的空間分辨率為10 m的Sentinel 2衛(wèi)星影像2017年—2019年數(shù)據(jù),為保證研究區(qū)內(nèi)云量降至最低,基于GEE 編程篩選成像時(shí)間為每年1~12月云量小于8%的影像.輔助數(shù)據(jù)包括京津冀地區(qū)矢量數(shù)據(jù)及30 m空間分辨率的 DEM 數(shù)據(jù)、源于中國(guó)統(tǒng)計(jì)局的社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù).訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)源于Google Earth Pro軟件中目視解譯標(biāo)定.
隨機(jī)森林算法是機(jī)器學(xué)習(xí)方法的一種,通過(guò)在原始訓(xùn)練樣本中隨機(jī)有放回的抽取n個(gè)樣本,構(gòu)成不同的訓(xùn)練樣本集,從而構(gòu)造決策樹,決策樹的每一個(gè)非葉子節(jié)點(diǎn)為一次判斷,葉子節(jié)點(diǎn)為判斷結(jié)果,決策樹從根節(jié)點(diǎn)開始依次對(duì)像元進(jìn)行判斷,得到判斷結(jié)果,通過(guò)生成大量互相獨(dú)立的決策樹,綜合所有決策樹的判斷結(jié)果進(jìn)行投票,得出分類結(jié)果(如圖2所示).隨機(jī)森林算法能夠有效處理大量的輸入指標(biāo),并且提供快捷的、可靠性高的分類結(jié)果.對(duì)于處理大量數(shù)據(jù)而言,與其他遙感分類器相比,隨機(jī)森林算法的訓(xùn)練速度快且不容易產(chǎn)生過(guò)擬合,其運(yùn)算量相對(duì)較大,計(jì)算速度慢的缺點(diǎn)通過(guò)調(diào)用GEE云端服務(wù)器計(jì)算解決.
圖2 隨機(jī)森林結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of random forest
首先基于GEE遙感云平臺(tái)檢索出Sentinel 2影像,對(duì)影像進(jìn)行鑲嵌、裁剪、云掩膜和影像融合等處理,提取歸一化植被指數(shù) NDVI、歸一化水域指數(shù)NDWI、歸一化建筑指數(shù)NDWI和增強(qiáng)植被指數(shù)EVI等光譜特征,通過(guò)DEM數(shù)據(jù)計(jì)算坡度、坡向以及高程等地形特征.將研究區(qū)土地利用類型根據(jù)2019年發(fā)布的土地利用現(xiàn)狀分類國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)劃分為耕地、林地、草地、水域、未利用地及建設(shè)用地,按照上述標(biāo)準(zhǔn)在 Google Earth Pro中對(duì)2017年—2019年3個(gè)時(shí)間段的高分辨率影像進(jìn)行目視解譯圈定樣本,樣本點(diǎn)分布如圖3所示,表1給出樣本點(diǎn)類別及數(shù)量.
圖3 樣本分布圖Fig.3 Distribution of samples
表1 各土地利用類型的樣本數(shù)量Tab.1 Number of samplesintypes of land use
選取多種光譜特征及地形特征作為分類器訓(xùn)練參數(shù),其中光譜特征為Sentinel 2影像的 B2、B3、B4、B8、B11、B12、NDVI、NDWI、NDBI和EVI,地形特征為通過(guò)DEM數(shù)據(jù)計(jì)算得到的坡度、坡向、高程數(shù)據(jù).將樣本在0~1之間隨機(jī)賦值,小于0.7的作為訓(xùn)練數(shù)據(jù),大于0.7的作為驗(yàn)證數(shù)據(jù),根據(jù)以上數(shù)據(jù)通過(guò)隨機(jī)森林分類器對(duì)影像分類并驗(yàn)證精度.將基于驗(yàn)證樣本測(cè)試后的誤差混淆矩陣導(dǎo)出,以總體精度和Kappa系數(shù)作為精度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),結(jié)果顯示研究區(qū)2017年—2019年3個(gè)時(shí)期土地利用分類的總體精度分別為0.86、0.84及0.87,Kappa系數(shù)分別為0.82、0.80及0.84,分類數(shù)據(jù)總體精度較高,可以利用該數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)土地利用變化分析.
基于研究區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r,根據(jù)相關(guān)學(xué)者[10-12]提出的理論對(duì)研究區(qū)單位面積糧食產(chǎn)量創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)價(jià)值進(jìn)行修正.查詢研究區(qū)各單元統(tǒng)計(jì)年鑒可知,2017年—2019年北京市平均糧食產(chǎn)量6 155.2 kg·hm-2,天津市平均糧食產(chǎn)量為6 201.4 kg·hm-2,河北省平均糧食產(chǎn)量為5 995.2 kg·hm-2.本文以當(dāng)年該地區(qū)平均糧食單產(chǎn)市場(chǎng)價(jià)值的1 /7為該地區(qū)1個(gè)生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量的經(jīng)濟(jì)價(jià)值作為計(jì)算依據(jù),結(jié)合2017年—2019年各地區(qū)平均糧食價(jià)格,以北京市平均糧食價(jià)格為2.03元·kg-1,天津市平均糧食價(jià)格為1.923元·kg-1,河北省平均糧食價(jià)格為1.904元·kg-1進(jìn)行計(jì)算,得出北京市、天津市以及河北省農(nóng)田自然糧食產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值分別為1 785.0元·hm-2、1 703.6元·hm-2、1 630.7元·hm-2,由此計(jì)算出研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值(表3).計(jì)算公式如式(1):
ESV=∑Ak×VCk,
(1)
式中,ESV是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,單位為元· a-1,Ak是研究區(qū)第k種土地利用類型的面積,單位為hm2,VCk是第k種土地利用類型對(duì)應(yīng)的生態(tài)價(jià)值系數(shù),單位為元·hm-2·a-1.
表2 研究區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)VCkTab.2 The coefficient of ecosystem service value of each land use type in research region yuan 元·hm-2·a-1
本文借用敏感性指數(shù)(Coefficient of Sensitivity,CS)來(lái)確定價(jià)值系數(shù)(VC)隨著時(shí)間變化引起生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(ESV)的變化程度.通過(guò)調(diào)整50%的價(jià)值系數(shù)來(lái)計(jì)算敏感性系數(shù),從而計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(ESV)對(duì)價(jià)值系數(shù)(VC)的敏感程度,如果CS>1,說(shuō)明ESV對(duì)VC是具有一定彈性的;如果CS<1,則說(shuō)明ESV對(duì)VC是缺乏彈性的,VC的變化對(duì)ESV的影響較小,結(jié)果具有可靠性.敏感性指數(shù)計(jì)算說(shuō)明公式如式(2):
(2)
其中,CSk是第k種土地利用類型對(duì)應(yīng)的敏感性指數(shù),VCik是k種土地利用類型對(duì)應(yīng)的初始生態(tài)價(jià)值系數(shù),VCjk是第k種土地利用類型調(diào)整50%后的生態(tài)價(jià)值系數(shù),單位為元·hm-2·a-1,ESVi是初始生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,ESVj是價(jià)值系數(shù)調(diào)整50%后對(duì)應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,單位為元·a-1.
由圖4及表3可知,研究區(qū)主要土地利用類型為耕地、草地及林地,共占總面積的85%,耕地主要分布于中部平原地區(qū),地形平坦,適宜農(nóng)作物的耕種.草地和林地分布于西部及西北部燕山、太行山山麓地帶,該地帶地勢(shì)較高,地形復(fù)雜,氣候較為濕潤(rùn),適宜灌木從、闊葉林等植物的自然生長(zhǎng).研究區(qū)主要土地利用類型及空間分布存在一定差異.北京市土地類型以林地、草地以及建設(shè)用地為主,約占總面積的80%,其中2017年林地、草地面積占比分別為42.63%、27.25%,主要分布于西北部山地地帶.建設(shè)用地及耕地主要分布于中部和東部平原地區(qū);天津市地勢(shì)以平原和洼地為主,耕地、建設(shè)用地占比較大,2017年面積占比分別為39.20%、25.06%,林地、草地多分布于天津北部與燕山南側(cè)接壤山地.天津東部相鄰渤海地區(qū),擁有豐富的水資源,相比北京、河北,其水域面積占比最多,2017年為25.06%,其于兩地分別為14.74%、9.20%;河北省平原面積廣闊,土地利用類型以耕地、草地、林地為主,2017年草地、耕地、林地分別占比33.44%、32.67%、22.04%,林地及草地主要分布于西部及北部山地地區(qū),耕地主要大面積分布于中部及東南部.
圖4 2017年—2019年研究區(qū)土地利用變化Fig.4 Land use change in research region from 2017 to 2019
2017年—2019年,研究地區(qū)的土地利用變化見表3,總體來(lái)看,三年間研究區(qū)各土地利用類型均有一定變化,其中草地的面積變化幅度最大,三年間,研究區(qū)草地面積占比減少了4.12%,北京市草地面積變化幅度最大,面積占比減少8.44%,其余河北省、天津市草地面積占比分別減少3.80%、3.14%;其次面積變化幅度較大的為林地,研究區(qū)林地面積占比由2017年的22.96%增加至2019年的25.49%,增幅為2.53%,其中2017年—2019年間北京市、河北省的林地面積占比持續(xù)增長(zhǎng),增幅分為5.56%、2.32%,天津市林地面積先增后減,林地面積占比由2017年的9.87%增加至2018年的15.75%,于2019年減少為11.27%,最終林地面積增加1.41%;研究區(qū)耕地、建設(shè)用地面積占比均有一定幅度增長(zhǎng),分別為1.25%、0.48%.其中北京市、河北省耕地面積分別增長(zhǎng)1.40%、1.30%,天津市耕地面積先減后增,呈現(xiàn)較大波動(dòng),天津市耕地面積2017年—2018年減少4.40%,2018年—2019年增加4.70%,2017年—2019年總體仍增加0.3%;未利用地面積變化最小,三年間研究區(qū)未利用地面積僅增加0.03%,北京市、天津市未利用地面積分別增加0.06%、0.39%,河北省未利用地面積先減后增,最終無(wú)明顯變化;此外,2017年—2019年以來(lái),研究區(qū)內(nèi)的水域面積總體上具有波動(dòng)下降的趨勢(shì),2019年水域面積占比為1.73%,相比2017年下降了0.16%.其中天津市、河北省2017年—2019年體面積占比分別降低了0.71%、0.75%,北京市水域面積占比先降后增,2017年—2019年水域面積占比增加了0.06%.
由表4可知,2017年—2019年,研究區(qū)各單元分別有1.41%、2.41%、0.95%的耕地轉(zhuǎn)化為林地,1.54%、3.62%、2.73%的耕地轉(zhuǎn)化為草地,說(shuō)明近些年來(lái)研究區(qū)內(nèi)退耕還林、退耕還草等政策的實(shí)施有一定的成效;其次發(fā)現(xiàn)各單元分別有3.26%、4.37%、4.08%的草地轉(zhuǎn)化為耕地,1.90%、2.51%、1.07%的草地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地,是表3中研究區(qū)內(nèi)草地面積占比降低的主要原因;建設(shè)用地的面積亦有小幅度變動(dòng),研究發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象主要來(lái)源于草地、耕地的轉(zhuǎn)化;水域及未利用地的變化幅度較小,水域主要轉(zhuǎn)化為草地及未利用地,其中天津市0.35%的水域轉(zhuǎn)化為草地、0.36%的水域轉(zhuǎn)化為未利用地.
表3 2017年—2019年研究區(qū)土地利用類型占比變化格局Tab.3 Land use proportion change pattern in research region from 2017 to 2019 %
表4 2017年—2019年研究區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Tab.4 Land use transfer matrix in research region from 2017 to 2019 %
由表5及圖5可知,2017年—2019年間,研究區(qū)ESV總值共增加99.99億元,其中北京市、河北省ESV總值分別增加22.11、82.47億元,天津市ESV總值減少4.59億元.2017年—2019年研究區(qū)6種土地利用類型貢獻(xiàn)的ESV中,耕地、林地、未利用地貢獻(xiàn)的ESV增加,草地、水域貢獻(xiàn)的ESV減少,其中ESV變化幅度最大的為林地.2017年—2019年研究區(qū)林地貢獻(xiàn)的ESV總值增加208.38億元,其中北京、河北林地貢獻(xiàn)的ESV分別增加36.22、165.93億元,是其ESV總值主要的增長(zhǎng)來(lái)源,天津市林地貢獻(xiàn)的ESV先增后減,增加6.23億;其次為草地,研究區(qū)各地區(qū)草地貢獻(xiàn)的ESV均呈下降趨勢(shì),總值共減少112.82億元,其中河北省草地貢獻(xiàn)的ESV價(jià)值減少90.3億元,北京市、天津市草地貢獻(xiàn)的ESV價(jià)值分別減少17.9、4.63億元;2017年—2019年研究區(qū)耕地貢獻(xiàn)的ESV增加32.66億元,北京市、天津市及河北省耕地貢獻(xiàn)的ESV分別增加2.83、0.42及29.4億元;研究區(qū)水域貢獻(xiàn)的ESV總體呈下降趨勢(shì),從2017年的100.47億元減少至2019年的93.83億元,共減少28.27億元,其中河北省、天津市水域貢獻(xiàn)的ESV總值分別減少22.57、6.64億元;未利用土地所貢獻(xiàn)的ESV總體呈波動(dòng)上升趨勢(shì),但未利用地貢獻(xiàn)的ESV較少,且增加幅度較?。?/p>
表5 2017年—2019年研究區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值Tab.5 ESV in different land use in research region from 2017 to 2019 ×108yuan·a-1
圖5 2017年—2019年研究區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值趨勢(shì)圖Fig.5 The trend of ESV in different land use in research region from 2017 to 2019
綜上所述,2017年—2019年間研究區(qū)林地貢獻(xiàn)的ESV最多,其中北京市、河北省的林地及天津市的水域,分別為當(dāng)?shù)谽SV總值的主要來(lái)源,所貢獻(xiàn)的ESV占其總值的70%、50%及42%.因此加強(qiáng)建設(shè)林地、保護(hù)草地資源,推進(jìn)水域治理,優(yōu)化水生態(tài)環(huán)境,是京津冀一體化協(xié)調(diào)發(fā)展,改善京津冀地區(qū)生態(tài)環(huán)境、提高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的關(guān)鍵.
根據(jù)上文所述敏感性研究方法,將研究區(qū)土地利用類型對(duì)應(yīng)的生態(tài)價(jià)值系數(shù)進(jìn)行50%的調(diào)整,計(jì)算對(duì)應(yīng)的敏感性系數(shù),結(jié)果如表6所示,2017年—2019年間,研究區(qū)各地區(qū)各土地類型敏感性系數(shù)均不高于1,其中研究區(qū)內(nèi)未利用地的CS最低,為0.000 1~0.000 5,表明研究區(qū)內(nèi)未利用地對(duì)應(yīng)的VC每變化1%時(shí),研究區(qū)內(nèi)ESV總價(jià)值僅有0.000 1~0.000 5的變化,北京市林地的CS最高,為0.71~0.76,表明北京市林地對(duì)應(yīng)的VC每變化1%時(shí),北京市ESV總價(jià)值波動(dòng)0.71%~0.76%.表明ESV對(duì)三地的生態(tài)價(jià)值系數(shù)缺乏彈性,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)對(duì)ESV的影響較小,結(jié)果具有可靠性
2017年—2019年間,研究區(qū)土地利用狀況有一定程度地改變,其中耕地、林地、建設(shè)用地及未利用地面積均有一定增長(zhǎng),北京市、河北省內(nèi)林地及耕地面積增長(zhǎng)最多,其次為天津市內(nèi)建設(shè)用地;草地及水域面積減少,其中北京市草地面積占比減少8.44%,天津市水域面積占比減少0.71%.三年間六種土地類別有一定程度的互相轉(zhuǎn)化,其中林地增長(zhǎng)的面積主要轉(zhuǎn)化自耕地,草地減少的面積主要轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地,部分水域轉(zhuǎn)化為草地及未利用地.從六種土地利用類型的增減狀況可以看出,京津冀地區(qū)三北防護(hù)林、太行山綠化等工程在林地建設(shè)中發(fā)揮了一定的作用,但是草地流失嚴(yán)重,草原過(guò)度墾殖、草場(chǎng)退化、沙化,水土面積流失嚴(yán)重,水資源不斷萎縮,需要加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境的優(yōu)化建設(shè),在保證耕地面積的基礎(chǔ)上,合理推進(jìn)退耕還草的實(shí)施,推進(jìn)水域環(huán)境治理及生態(tài)修復(fù).
2017年—2019年間,研究區(qū)內(nèi)ESV總值從3 914億元增長(zhǎng)至4 013.99億元,共增加99.99億元,其中北京市、河北省ESV總值增加,天津市ESV總值減少.各土地利用類型中貢獻(xiàn)ESV最多的是林地,其次是耕地和草地,未利用地最少.北京市、河北省ESV主要來(lái)源于林地,其次是草地和耕地;天津市ESV主要來(lái)源于水域,其次是耕地和林地.根據(jù)研究區(qū)各單元ESV主要來(lái)源以及變化狀況,應(yīng)合理規(guī)劃土地資源,加強(qiáng)對(duì)草地和水域的保護(hù),高效優(yōu)化開發(fā)未利用地,增強(qiáng)生態(tài)環(huán)境的建設(shè),
2017年—2019年間,研究區(qū)6種土地利用類型對(duì)價(jià)值系數(shù)的均低于1,表明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值對(duì)調(diào)整后的各土地利用類型對(duì)應(yīng)的生態(tài)價(jià)值系數(shù)缺乏彈性,證明本研究結(jié)果可信性.
華中師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2020年4期