河南省南太行地區(qū)土地利用及生態(tài)服務價值變化

馬泉來, 衛(wèi)華鵬, 王小玉, 張正飛, 詹玉瑩, 高鳳杰, 周 浩

〔1.河南省資源環(huán)境調查一院, 河南 鄭州 450007; 2.河南省自然資源科技創(chuàng)新中心(資源環(huán)境承載能力評價與監(jiān)測預警研究)， 河南 鄭州 450007； 3.東北農業(yè)大學 公共管理與法學院， 黑龍江 哈爾濱 150030； 4.湖南師范大學 資源與環(huán)境科學學院, 湖南 長沙 410081〕

土地利用是人類參與自然過程最直接且持久的方式之一，劇烈且長久地影響著區(qū)域水文、氣候、土壤、生物多樣性等生態(tài)過程[1-2]。許多生態(tài)環(huán)境問題的產生都與人類不合理的資源開發(fā)利用有關，以土地利用變化為代表的的人類活動已經成為影響生態(tài)系統(tǒng)服務價值與功能的關鍵因子[3-5]。一直以來，學者們也基于土地利用變化的模型方法對城市群發(fā)展、山地丘陵區(qū)及長江流域生態(tài)區(qū)存在的問題也做了一系列研究，相關研究成果為城市用地管理、生態(tài)效應評估、生態(tài)功能區(qū)劃分及土地政策制定等工作做出了巨大貢獻[6-8]。隨著黨的十八大提出的“大力推進生態(tài)文明建設”、“實施山水林田湖草系統(tǒng)治理”以及“黃河流域生態(tài)保護與高質量發(fā)展”等戰(zhàn)略部署的不斷深化落實[9-10]。圍繞長江經濟帶、黃河流域等重大生態(tài)帶、核心生態(tài)區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況調查、國土空間布局優(yōu)化、自然生態(tài)修復等工作顯得尤為重要[11-12]。區(qū)域土地利用變化過程及其影響機制作為國土空間布局優(yōu)化及生態(tài)修復過程中重點調查研究的內容，其研究結果對國土空間規(guī)劃、生態(tài)功能區(qū)劃分及生態(tài)修復工程部署等工作具有最直接、最現(xiàn)實的指導意義。因此，科學準確地掌握區(qū)域土地利用及其對生態(tài)服務價值變化的影響過程，并將其應用于當前的各項生態(tài)評價工作中，中進一步提高區(qū)域生態(tài)文明建設、國土空間布局優(yōu)化及山水林田湖草系統(tǒng)治理等重大生態(tài)修復工程的工作成效[13-15]。南太行地區(qū)位于中國地形地貌第二、第三階梯過渡地帶，是黃土高原和華北平原的分水嶺，是《全國生態(tài)功能區(qū)劃》提出的太行山區(qū)水源涵養(yǎng)與土壤保持的重要區(qū)域，也是推動實現(xiàn)黃河流域生態(tài)保護的核心區(qū)，對京津冀及黃河中下游地區(qū)具有重要的水源涵養(yǎng)、防洪調蓄、水土保持等生態(tài)系統(tǒng)服務價值[16-17]。

2018年底，南太行地區(qū)山水林田湖草生態(tài)保護修復工程入圍國家第三批試點，南太行地區(qū)在保障區(qū)域生態(tài)安全方面將發(fā)揮更加重要的作用?；谝陨媳尘埃瑴蚀_掌握南太行等黃河流域核心生態(tài)區(qū)土地利用演變規(guī)律及其對區(qū)域生態(tài)服務價值與功能的影響過程意義重大。本文選擇南太行地區(qū)為研究區(qū)，從土地利用變化和生態(tài)服務價值兩個角度著手，綜合應用3S技術，對南太行地區(qū)1990—2000，2000—2010，2010—2016年3個時間段26 a間的土地利用及生態(tài)服務價值變化特征、影響機制進行深入研究，以期為南太行地區(qū)國土空間布局優(yōu)化、山水林田湖草系統(tǒng)治理等重大生態(tài)修復工程的實施提供重要參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

南太行地區(qū)位于河南省西北部，具體范圍包括焦作市、安陽市、新鄉(xiāng)市、鶴壁市及濟源示范區(qū)等5市(區(qū))，25個縣(市、區(qū))，面積約14 000 km2，總人口約1.67×107人，常住人口1. 53×107人，地理坐標為112°1′30″—114°46′2″E，34°48′36″—36°22′41″N。區(qū)域內地形西部高，東部低，最高海拔在1 221 m左右，屬典型的暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明，氣候適宜。南太行地區(qū)是我國中部地區(qū)重要的生態(tài)屏障，是河南省黃河流域生態(tài)保護區(qū)的重要組成部分，是海河支流衛(wèi)河、淇河及黃河支流沁河、丹河的源頭區(qū)，南水北調中線干渠穿境而過。地域特征鮮明，生物資源、礦產資源豐富，是河南省重要的能源、糧食生產、食品加工基地。2017年南太行地區(qū)合計完成地區(qū)生產總值5.86×1011元，占河南省地區(qū)生產總值13.02%。

1.2 數(shù)據(jù)來源

采用1990，2000，2010年的Landsat 5 TM影像和2016年的Landsat 8 OLI影像，為了方便影像特征識別與信息提取，選取研究區(qū)6—10月期間的影像數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m，在ENVI 5.3軟件平臺對影像數(shù)據(jù)進行幾何校正、波段融合等預處理工作。參照中科院系統(tǒng)土地利用劃分標準并結合研究區(qū)實際狀況和本研究的目的，將研究區(qū)土地類型劃分為旱地、水田、林地、草地、水域、建設用地和未利用地7種類型，并在ArcGIS 10.0平臺進行地類信息提取，得到河南省南太行地區(qū)1990，2000，2010，2016不同年份土地利用類型分布圖，最后，結合自然資源部門土地利用數(shù)據(jù)及Google Earth影像數(shù)據(jù)，對解譯數(shù)據(jù)進行精度的驗證，遙感影像解譯準確率達90%以上，滿足該研究需要。

2 研究方法

2.1 土地利用變化

將土地利用變化的程度進行定量化處理是土地科學研究的主要方法。土地利用動態(tài)可以有效反映一定時間、一定范圍內土地資源類型的變化強度，本研究構建單一土地利用類型動態(tài)度指數(shù)，用以表征研究區(qū)在1990—2000,2000—2010,2010—2016年土地利用變化強度，計算公式如下[18]：

(1)

式中：Lc為研究時段內某一土地利用類型的動態(tài)度指數(shù);Ua,Ub分別為初期和末期某土地類型的數(shù)量;T為研究時段。

此外，土地利用轉移矩陣對研究區(qū)不同時期不同土地利用類型之間的變化結構特征和劇烈程度有較好的解釋，也是土地利用變化研究中常用的方法[19]。主要通過ArcGIS 10.0平臺的Intersect功能和在Excel中添加透視表對研究區(qū)1990—2010，2000—2010，2010—2016年3個時間段的土地利用數(shù)據(jù)進行空間疊加分析，獲得南太行地區(qū)1990—2000，2000—2010，2010—2016年前后3個時間段的土地利用轉移矩陣。

2.2 生態(tài)服務價值變化

生態(tài)系統(tǒng)服務價值的測算主要采用Costanza的生態(tài)系統(tǒng)服務價值相關理論以及中科院謝高地等人綜合中國實際情況提出的中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量因子及標準生態(tài)服務經濟價值計算方法[20-22]，并利用單位面積農田糧食產出的經濟價值量進行標準換算，參考已有研究成果修正系數(shù)[23-24]，對本研究區(qū)生態(tài)服務價值當量進行修正，得到南太行地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)價值系數(shù)(見表1)。

研究區(qū)南太行地區(qū)以旱地耕作為主，水田面積十分小，在這里將水田生態(tài)服務價值歸并到旱地范圍內，統(tǒng)一為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地6種用地類型參與生態(tài)服務價值的計算。

表1 南太行地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù) 元/(hm2·a)

生態(tài)服務價值(ESV)計算公式為：

(2)

(3)

式中：Ak為第k類土地利用類型的面積; VCk為第k類土地利用類型單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù); ESV(f)為第f項生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值; VCfk為第f項生態(tài)系統(tǒng)服務功能單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)。

2.3 生態(tài)貢獻率

通過計算生態(tài)貢獻率，來分析不同變化類型對研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化在不同時間段的影響程度，從而進一步確定研究區(qū)內生態(tài)服務價值變化的敏感因子及主要貢獻因子，計算公式如下[25]：

最后將3個年級的數(shù)據(jù)進行合并，利用基于K-means算法的評選方法和傳統(tǒng)評選方法的結果對比。見表11。

(4)

式中：SkT為第k種類型在T時間內發(fā)生變化所產生的的生態(tài)服務價值的絕對值占總變化量的比例,即貢獻率; ΔESVkT為第k種類型在T時間內發(fā)生變化所產生的生態(tài)服務價值的變化量。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化分析

3.1.1 土地利用數(shù)量變化分析 本文根據(jù)研究區(qū)1990，2000，2010，2016年4個時間節(jié)點的土地利用數(shù)據(jù)進行分析可知，研究區(qū)土地利用類型以旱地為主，所占比例超過56%，其次為草地和林地。本研究在GIS技術支撐下，通過計算獲得1990—2016年南太行地區(qū)土地利用的變化量及動態(tài)度數(shù)據(jù)(見表2)。

表2 1990-2016年南太行地區(qū)土地利用變化量及動態(tài)度

從表2可以看出，在1990—2000年，水田、旱地、草地、水域、未利用地均有不同程度的減少，其中，水域和旱地減少面積較多，分別達75.74 km2和71.89 km2，而未利用地在此期間減少了近60%，年均動態(tài)度為5.97%，變化程度高，說明該時間段內更多的荒地等后備資源被開發(fā)利用，10 a間南太行地區(qū)建設用地面積增加了179.84 km2，增長比例達13.21，年均增長率為1.32%，林地增加30.94 km2，增長比例達1.53%。2000—2010年期間，6類土地利用類型變化趨勢較上一時期有所變化，林地由上一時期的增加變?yōu)闇p少了51.74 km2，水域則增加了81.01 km2，變化率分別達2.52%和34.55%，均高于上一時期，值得注意的是2000—2010年，耕地(旱地和水田)面積減少趨勢較上一時期更加劇烈，旱地減少面積達到211.77 km2，水田幾乎全部轉為他用，林地、草地等生態(tài)功能明顯的土地類型也出現(xiàn)較大減少，在此期間，整個區(qū)域內建設用地面積增加了319.78 km2，年均動態(tài)度達2.08%，面積較上個10 a增加近80%，這一時期建設用地占用其他土地、林草損毀等人類活動是比較嚴重的，這與南太行地區(qū)礦產資源分布比較豐富、經濟利益驅動下的礦山開采活動在一段時間內較為頻繁有密切關系，占用、損毀土地情況時有發(fā)生，其直接結果是該區(qū)域10 a的經濟高速發(fā)展和城鎮(zhèn)化的快速推進，但區(qū)域土地利用結構和生態(tài)環(huán)境開始失衡。因此，如何去平衡經濟社會高速發(fā)展過程中的土地利用及相應的生態(tài)環(huán)境問題，應當是自然資源部門需要長期關注和研究的重點。

2010—2016年，南太行地區(qū)林地、草地、未利用地減少趨勢得到較大控制，分別減少0.64，4.40，0.01 km2，旱地減少了143.89 km2，年均動態(tài)度為0.31%，耕地資源的減少幅度較上一時期仍有擴大趨勢，耕地保護仍是當前時期的重點工作，該時期建設用地增加了144.38 km2，年均動態(tài)度為1.30%，比上一時期有明顯的減緩趨勢，說明在建設用地增加和占用其他用地方面得到一定的控制。整體來說，在1990—2016年的26 a間，南太行地區(qū)土地利用情況有著劇烈變化過程，旱地、林地、草地及建設用地的數(shù)量變化均在2000—2010年變化強度達到最大，進一步梳理細化該時間段內南太行地區(qū)土地利用變化和影響機制，對強化土地資源管理過程、完善制度體系具有一定的指導價值。

3.1.2 土地利用轉移特征分析 基于研究區(qū)4個時間節(jié)點土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)和ArcGIS 10.0空間分析模塊，得到南太行地區(qū)1990—2000，2000—2010，2010—2016年3個時間段的土地利用轉移矩陣，分別見表3—5。

從表3可以看出，1990—2000年，水田和草地在不同地類間的變化較少，其他地類間變化較大。其中，有84.95 km2的水域面積轉換為了旱地，這主要與河流水面的季節(jié)性下降有關，部分灘地得到開發(fā)利用，有15.03 km2的草地和10.56 km2的未利用地被作為耕地得到利用，也反映了該地區(qū)作為糧食生產重點區(qū)，農業(yè)生產在經濟社會中的比重較大，期間也有部分較差旱地和草地在這期間轉化為了林地。受季節(jié)性水面變化影響，灘涂用地在其他地類間有一定的轉化，在旱地轉為水域的同時，也有6.10 km2和4.46 km2的旱地和水田轉為水域。在此期間，建設用地增加179.83 km2，這其中有175.01 km2是由旱地轉化而來的，占比達到97.31%，其余小部分有草地等其他地類轉化而來，這說明該區(qū)域在1990—2000年建設用地的增加主要依賴于對耕地資源的占用。

表3 1990-2000年南太行地區(qū)土地利用轉移矩陣 km2

表4 2000-2010年南太行地區(qū)土地利用轉移矩陣 km2

本文在土地利用數(shù)量變化分析部分得出研究區(qū)2000—2010年土地利用變化特征最為劇烈。從表4可以看出，2000—2010年，水田大量旱化，共有51.85 km2水田轉化為旱地，有46.80 km2林地和60.20 km2草地被開墾為旱地，有213.53 km2的建設用地在這十年間復墾為旱地，但整體上旱地總面積仍有大幅度的減少，其中，建設用地占用旱地達到497.11 km2，在所有土地利用變化類型中比例最大，為城市建設、工礦業(yè)發(fā)展提供了大量用地，促進了該時間段內經濟社會的快速發(fā)展，其次為草地和林地分別被建設占用30.74 km2和11.05 km2，該情形比1990—2000年有大幅增加，擴大了建設用地的來源渠道。有82.85 km2的灘涂耕地由于季節(jié)性水面變化等原因轉化為水域水面，這種情況在其他地類變化中也存在。南太行地區(qū)西北部多為山地，農業(yè)生產在一些地方不方便，又存在山區(qū)耕地撂荒、還林還草等情況，也造成了旱地數(shù)量的減少，在這期間區(qū)域內未利用地減少到了4.30 km2的最小值，可用于耕作的耕地后備資源越來越少。整體來說，在2000—2010年，南太行地區(qū)建設用地大量占用耕地，仍然是導致耕地大面積減少的主要原因。受該時期國家，省，市層面退耕還林政策的影響，該時期內旱地還林還草情形較上一時期也更加明顯，土地利用變化類型也更為復雜。

表5 2010-2016年南太行地區(qū)土地利用轉移矩陣 km2

3.2 生態(tài)服務價值分析

3.2.1 生態(tài)服務價值總量變化 基于研究區(qū)4個時間節(jié)點的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)和修正后的生態(tài)服務價值計算方法、過程，得到1992—2016年南太行地區(qū)生態(tài)服務價值及貢獻率(見表6)。

從表6可以看出，南太行地區(qū)生態(tài)服務價值總量從1990年的2.12×1010元減少到2016年的1.78×1010元，共減少了3.33×109元，減少比例15.72%。在1990—2000年，生態(tài)服務價值總量減少了1.29×109元，按照土地類型計算貢獻率可以得到，建設用地的增加和水域面積的減少對生態(tài)服務價值總量變化的貢獻率分別達到-52.76%和-43.19%，其次為林地的增加對價值總量變化的貢獻率為10.82%。2000—2010年生態(tài)服務價值總量減少了1.34×109元，從貢獻率來看，在這10 a間，建設用地變化對生態(tài)服務價值總量變化的貢獻率達到了-90.19%的高值，其次，由于耕地、林地、草地的變化對生態(tài)服務價值總量變化的貢獻率分別為-25.75%，-17.51%和-10.93%，水域面積變化的貢獻率為44.46%，可以看出，該時期不同土地類型變化對生態(tài)服務價值總量變化的變化率存在較大的差異，也反映出在2000—2010年，南太行地區(qū)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)發(fā)生了較大的變化，該時期生態(tài)環(huán)境問題突出。2010—2016年生態(tài)服務價值總量減少了7.06×108元，從貢獻率來看，林地、草地及水域面積變化對生態(tài)服務價值總量變化的貢獻率保持在了較低水平，分別為-0.42%，-1.27%和-4.67，一定程度上也維持了區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，但該時間段內，由于耕地的不斷減少和建設用地的不斷擴張，均對區(qū)域生態(tài)服務價值造成了較為明顯的破壞，貢獻率分別為-25.92%和-77.05，也表明研究區(qū)內地利用與生態(tài)系統(tǒng)服務價值之間的矛盾已有多種地類變化與生態(tài)系統(tǒng)服務價值之間的博弈逐步集中在了耕地保護與建設用地的不斷擴張上，因此，如何平衡生態(tài)文明建設背景下耕地保護與社會發(fā)展建設用地之間的關系，進一步改善和促進人類活動及生態(tài)系統(tǒng)協(xié)調發(fā)展是諸多學者和政府部門關注的重點。

表6 1990-2016年南太行地區(qū)生態(tài)服務價值及貢獻率

3.2.2 生態(tài)服務價值類型間變化 在分析南太行地區(qū)生態(tài)服務價值總量變化的基礎上，進一步細化各服務功能價值量的變化，以進一步掌握1990—2016年南太行地區(qū)在生物生產、氣體調節(jié)、氣候調節(jié)等不同生態(tài)服務功能的變化情況，見表7。從表7可以看出，從1990—2016年，不同生態(tài)服務功能的價值量整體是成下降趨勢的，其中，原材料生產和美學景觀分別在2000年和2010年出現(xiàn)微小增加，然后繼續(xù)呈減少趨勢，這也與研究區(qū)林地和水域在這兩個時間節(jié)點出現(xiàn)增加有一定關系，水溫調節(jié)與廢物處理生態(tài)服務功能對研究區(qū)生態(tài)服務價值總量減少的貢獻率在3個時間段內均排在第一、第二的位置，其中水溫調節(jié)功能在3個時期均達到-55%以上，研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的水溫調節(jié)和廢物處理功能應當引起當?shù)卣妥匀毁Y源主管部門的高度重視，也是實施區(qū)域生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)修復治理的重點內容。整體來說，南太行地區(qū)近些年的經濟社會的高速發(fā)展以及城鎮(zhèn)化的快速推進所帶來的的建設用地迅速擴張、林地破壞被開墾、水域破壞污染等過程對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務功能的完整性均造成了不同程度的破壞。在此形勢下，南太行地區(qū)作為海河支流衛(wèi)河、淇河及黃河支流沁河、丹河的源頭區(qū)和重要水源涵養(yǎng)區(qū)，具有一定的戰(zhàn)略意義，其生態(tài)環(huán)境狀況及服務功能的好壞關系重大、影響深遠。因此，如何利用好當前南太行地區(qū)山水林田湖草系統(tǒng)治理過程，做好區(qū)域自然資源現(xiàn)狀調查和規(guī)律研究，提高生態(tài)保護修復工程的針對性和有效性，不斷完善和提高區(qū)域內生態(tài)系統(tǒng)氣候調節(jié)、水源涵養(yǎng)、水土保持等生態(tài)生態(tài)服務功能是當前和今后研究的一大課題。

表7 1990-2016年南太行地區(qū)類型間生態(tài)服務價值及貢獻率

4 結 論

南太行地區(qū)作為黃河流域生態(tài)保護區(qū)的重要組成部分，是海河、黃河眾多支流的源頭區(qū)，是國家山水林田湖草系統(tǒng)治理試點區(qū)。本文對河南省南太行地區(qū)1990—2016年的土地利用及生態(tài)系統(tǒng)服務功能變化特征進行研究，分析區(qū)域土地利用及生態(tài)系統(tǒng)服務的變化特征及演變方向。

(1) 南太行地區(qū)在1990—2000年和2010—2016年兩個時期土地利用土地利用變化較為單一，動態(tài)度整體維持在較低水平，2000—2010年土地利用變化劇烈，各地類變化動態(tài)度高于其他兩個時間段，其中旱地的減少量與建設用地的增加量均在這期間分別達到211.77 km2和319.78 km2的最大值。

(2) 在1990—2016年，南太行土地利用轉移類型方面以旱地轉為建設用地為主，從2000—2010年起建設用地復墾也成了耕地補充的主要途徑，建設用地與耕地保護矛盾依然尖銳，耕地保護壓力大，退耕還林還草、旱地撂荒轉等情形加速了耕地數(shù)量的減少，大量的未利用地得到開發(fā)利用，可供開發(fā)利用的后備資源越來越少。

(3) 南太行地區(qū)生態(tài)服務價值總量從1990年的2.12×1010元減少到2016年的1.78×1010元，共減少3.33×109元。建設用地、耕地、林地、草地和水域對生態(tài)服務價值總量變化的貢獻率分別為-90.19%，-25.75%，-17.51%，-10.93%和44.46%。在不同服務功能方面，區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的水溫調節(jié)與廢物處理(凈化)應當是區(qū)域生態(tài)修復重點關注和平衡的領域。