汾河流域中游地區(qū)土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響

劉煥才，崔敏華，李園園，李 曼

(山西師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，臨汾 041000)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指人類從生態(tài)系統(tǒng)功能中所獲取的各種惠益[1]，是影響工農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，目前，人類面臨的主要生態(tài)問(wèn)題正是持續(xù)惡化的生態(tài)環(huán)境以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的破壞。據(jù)調(diào)查，全球24項(xiàng)主要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中有15項(xiàng)處于退化狀態(tài)[2]。20世紀(jì)90年代隨著學(xué)者Costanza等[1]和Daily[3]在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值（ecosystem service value，ESV）定量估算方面的探究，ESV研究進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，并越來(lái)越多的服務(wù)于政府決策。目前研究?jī)?nèi)容涉及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的分類和價(jià)值評(píng)估等諸多領(lǐng)域[4]。研究指出生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和過(guò)程正在被人類活動(dòng)引發(fā)的土地利用/覆被變化（land use/cover changes，LUCC）改變，且深刻影響生態(tài)系統(tǒng)各項(xiàng)服務(wù)價(jià)值的發(fā)揮[5]，因此LUCC對(duì)ESV的影響研究成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

謝高地等[6]基于我國(guó)實(shí)際制定的中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子表推動(dòng)了中國(guó)該方面的研究工作。作為經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展的發(fā)展中大國(guó)，中國(guó)的工農(nóng)業(yè)活動(dòng)正在深刻改變土地利用結(jié)構(gòu)并對(duì)ESV造成重要影響，但由于自然和經(jīng)濟(jì)等條件的區(qū)域差異明顯，眾多學(xué)者從不同空間尺度對(duì)此開(kāi)展了大量卓有成效的研究工作，相應(yīng)的研究手段也變得更加豐富，主要表現(xiàn)在InVEST和SolVES等評(píng)估模型的相繼開(kāi)發(fā)和推廣應(yīng)用[7-8]。就全國(guó)而言，中國(guó)ESV總量為38.10萬(wàn)億元，其中森林提供的ESV最高，調(diào)節(jié)功能在服務(wù)類別中占絕對(duì)比重[9]。與此同時(shí)，針對(duì)不同空間尺度的ESV評(píng)估也在廣泛開(kāi)展，省域（如內(nèi)蒙古[10]、陜西[11]和江蘇[12]）、市域（如重慶市[13]和深圳市[14]）以及流域（如烏魯木齊河[15]和疏勒河[16]）等均開(kāi)展了LUCC對(duì)ESV的影響研究。

汾河為黃河第二大支流，其中游地區(qū)占全流域面積的46.6%，是流域內(nèi)經(jīng)濟(jì)狀況最好的地區(qū)之一，但相應(yīng)的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題也較為突出，這在一定程度上影響著黃河的生態(tài)安全狀況。對(duì)中游核心區(qū)晉中市的土地利用變化研究表明，耕地和牧草地等在減少，而林地和工礦用地等在增加，且各地類相對(duì)動(dòng)態(tài)度呈現(xiàn)出不同的區(qū)域差異性[17]，當(dāng)?shù)赝恋氐倪^(guò)度開(kāi)發(fā)與利用很大程度上會(huì)制約山西省乃至黃河流域經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境的整體協(xié)調(diào)發(fā)展[18]。然而，關(guān)于晉中市土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值影響的研究甚少。針對(duì)之前的不足，本研究基于遙感影像數(shù)據(jù)，通過(guò)當(dāng)量因子法，以晉中市為例探究1998—2018年汾河流域中游地區(qū)土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響，以期為流域生態(tài)治理和土地合理開(kāi)發(fā)提供決策依據(jù)，同時(shí)也為黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)概況

山西省晉中市位于111°25′～114°05′E，36°40′～38°06′N（圖1），位于汾河流域中游，東靠太行山，西臨汾河，是汾河流域生態(tài)修復(fù)中游核心區(qū)[17]。該地區(qū)屬于中緯度內(nèi)陸黃土高原，面積1.64×104km2，溫帶大陸性季風(fēng)氣候顯著，由于地形等因子制約，區(qū)內(nèi)水資源分布不均衡。

圖1 研究區(qū)位置示意圖Figure 1 Location of the study area

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

本研究采用1998、2003、2008、2013和2018年共5期Landsat遙感影像，并從《山西省統(tǒng)計(jì)年鑒》[19]和《晉中市統(tǒng)計(jì)年鑒》[20]中獲取晉中市各地類面積和糧食產(chǎn)量等數(shù)據(jù)。在ENVI5.3中處理并解譯遙感影像，將研究區(qū)用地類型劃分為耕地、草地、林地、建設(shè)用地、水域和未利用地6類[21]，并在ArcGIS10.6中分析并計(jì)算各期土地類型面積數(shù)據(jù)，結(jié)合中科院遙感影像解譯結(jié)果和Google Earth軟件系統(tǒng)驗(yàn)證，解譯精度高達(dá)86%以上，與本研究精度要求相符。

2.2 研究方法

2.2.1 隨機(jī)森林分類法 隨機(jī)森林是目前遙感影像分類主要方法，能為土地利用研究者提供更為精確的分類結(jié)果。與支持向量機(jī)和最大似然法相比，它具有操作簡(jiǎn)單、分類準(zhǔn)確且速度快、高效處理量大、復(fù)雜樣本數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)[22-24]。其流程如圖2所示：

圖2 隨機(jī)森林分類過(guò)程示意Figure 2 Schematic diagram of random forest classification

2.2.2 土地利用動(dòng)態(tài)度 土地利用動(dòng)態(tài)度反映研究區(qū)在單位時(shí)間內(nèi)某地類的變化劇烈程度[25]。其表達(dá)式為：

式中，K為某地類變化動(dòng)態(tài)度，Ua、Ub分別是研究期初和研究期末某地類的面積；T為研究時(shí)長(zhǎng)，單位一般為年。

2.2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值測(cè)度 以魯春霞等[26]和謝高地等[27]中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子表為參考標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合研究區(qū)現(xiàn)狀，對(duì)單位面積農(nóng)田年糧食產(chǎn)量的經(jīng)濟(jì)價(jià)值進(jìn)行修正，修正后，1998—2018年糧食產(chǎn)量是5 319.91 kg·hm-2，其平均收購(gòu)價(jià)格為2.32元·kg-1，經(jīng)計(jì)算1個(gè)當(dāng)量因子的經(jīng)濟(jì)價(jià)值是1763.17元·hm-2，從而得出適用于晉中市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)（表1）。ESV計(jì)算公式為：

表1 晉中市土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)Table 1 Ecosystem service value coefficients of land use categories in Jinzhong 元·hm-2

式中，Ak是k地類面積；VCk是生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值系數(shù)；ESVf是生態(tài)系統(tǒng)單項(xiàng)服務(wù)價(jià)值；VCfk是地類k的生態(tài)系統(tǒng)單項(xiàng)價(jià)值系數(shù)。

2.2.4 敏感性指數(shù) 敏感性指數(shù)（coefficient of sensitivity，CS）是反映生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)變化1%的情況下ESV隨之變化情況的指標(biāo)[28]，可表征價(jià)值系數(shù)的精確度，CS＞1，則ESV對(duì)VC具有彈性；CS＜1，則ESV對(duì)VC缺少?gòu)椥裕Y(jié)果可信。計(jì)算公式如下：

式中，ESVi和ESVj分別為價(jià)值系數(shù)調(diào)整前、后的ESV。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用動(dòng)態(tài)變化分析

結(jié)果顯示，1998—2018年，各類用地面積均發(fā)生明顯變化（圖3，表2）。

表2 1998—2018年晉中市土地利用面積變化Table 2 Area change of land use in Jinzhong,1998-2018

圖3 1998—2018年晉中市土地利用面積Figure 3 Area of land use in Jinzhong,1998-2018

1998—2003年晉中市土地利用動(dòng)態(tài)度最大的是建設(shè)用地（1.96%），最小的是林地（–0.01%）；耕地、草地和林地面積呈波動(dòng)減少趨勢(shì)，耕地減少尤為明顯（–1 916.64 hm2），建設(shè)用地面積增加顯著（3 889.22 hm2），水域、未利用地面積較為穩(wěn)定。此階段，農(nóng)業(yè)化水平低、土地集約化程度低以及糧食產(chǎn)量低是耕地面積減少的主要原因，氣候變化和人類活動(dòng)雙重作用致使草地和林地削減，當(dāng)?shù)爻擎?zhèn)化水平提高以及人口數(shù)量增加是建設(shè)用地面積大幅增加的主要原因。

2003—2008年，水域的土地利用動(dòng)態(tài)度最大（–3.11%），林地和耕地最小（–0.03%）；建設(shè)用地面積增加較為明顯（5 615.64hm2），未利用地略微增長(zhǎng)，草地減少較為顯著（–3 436.65hm2），其他類型則都有所減少，這些面積縮減除與降水量減少有關(guān)，還與城市和工礦業(yè)的開(kāi)發(fā)與建設(shè)密不可分，城市發(fā)展與擴(kuò)張、工礦業(yè)開(kāi)發(fā)與建設(shè)侵占了部分草地、水域、耕地及林地，此外，部分耕地棄置導(dǎo)致未利用地小幅增長(zhǎng)，人類活動(dòng)與國(guó)家政策引導(dǎo)導(dǎo)致建設(shè)用地大幅增加。

2008—2013年建設(shè)用地動(dòng)態(tài)度最大（–4.12%），草地最?。èC0.06%）；建設(shè)用地面積大幅擴(kuò)張（10 127.69 hm2），草地和水域有所增加，其他地類各有減少，其中減少最顯著的是林地（–8 504.99 hm2）。工礦業(yè)的粗放發(fā)展方式導(dǎo)致研究區(qū)出現(xiàn)林地和耕地面積明顯減少，土地資源浪費(fèi)和土壤污染等問(wèn)題；隨著城市的不斷發(fā)展與擴(kuò)張，對(duì)建設(shè)用地的需求進(jìn)一步增加也是用地類型發(fā)生改變的重要因素之一。

2013—2018年建設(shè)用地動(dòng)態(tài)度最大（7.78%），林地最?。èC0.08%）；建設(shè)用地面積擴(kuò)大最為明顯（23 055.14hm2），草地、水域和未利用地面積均有所增加，其他地類則不同程度減少，減少最顯著的是耕地（–28 570.45hm2），一方面由于大量勞動(dòng)力外出務(wù)工導(dǎo)致部分耕地荒廢，另一方面受退耕還草政策導(dǎo)致。相關(guān)企業(yè)針對(duì)土壤污染的指導(dǎo)和污水、廢氣的達(dá)標(biāo)排放等有效治理是草地恢復(fù)的重要原因。同時(shí)，此階段，“能源戰(zhàn)略”、“中部崛起戰(zhàn)略”等國(guó)家政策的推進(jìn)實(shí)施進(jìn)一步加快了區(qū)域城市化進(jìn)程，使得建設(shè)用地大幅擴(kuò)張。

受地理位置、氣候條件、資源優(yōu)勢(shì)、戰(zhàn)略地位、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口增加、國(guó)家政策和城鎮(zhèn)化發(fā)展等方面因素的影響，近20年，晉中市建設(shè)用地面積持續(xù)增多（42 687.69 hm2），草地、水域和未利用地面積波動(dòng)增加，耕地和林地面積持續(xù)減少（–35 044.52 hm2，–11 297.82 hm2），結(jié)構(gòu)逐漸顯現(xiàn)出不合理性，該區(qū)域應(yīng)著重尋找社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的平衡點(diǎn)，推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化分析

研究發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)林地ESV比重最大，草地和耕地次之，水域甚微。未利用地由于自身價(jià)值系數(shù)低，面積極小，占ESV比重微乎其微，對(duì)研究區(qū)ESV的變化幾乎不產(chǎn)生影響，在此不做計(jì)算。1998—2018年，研究區(qū)ESV總量呈持續(xù)減少態(tài)勢(shì)（表3），由1998年的327.93×108元減少至2018年的320.19×108元，凈減少7.74×108元，將來(lái)區(qū)域社會(huì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境治理可能會(huì)受到制約。

表3 1998-2018年晉中市各類用地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化Table 3 Change of ecosystem service value for each land use in Jinzhong,1998-2018

具體來(lái)看，1998—2018年晉中市各用地類型的ESV變化存在顯著性差異，林地和耕地的ESV不斷減少，分別減少4.35×108元，4.27×108元，幅度均較為明顯（–2.36%和–7.06%）；草地的ESV先減少后增加，整體呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)（0.36×108元）；水域的ESV整體上有著小幅波動(dòng)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)（0.52×108元），除2003—2008年呈減少態(tài)勢(shì)之外，其他時(shí)段均呈增加態(tài)勢(shì)，總體增幅11.98%。分析可知，1998—2018年晉中市ESV的變化主要受同期土地利用面積變化的影響，耕地和林地面積縮減明顯，水域和草地變動(dòng)較平緩，因此，耕地和林地面積減少是導(dǎo)致ESV持續(xù)減少的主要因素。同時(shí)，由于各類型的價(jià)值系數(shù)差異較大，也使得不同土地利用變化會(huì)對(duì)ESV的影響出現(xiàn)相應(yīng)的差別。

此外，晉中市山地和丘陵較多，平原較少，地形成了阻礙區(qū)域發(fā)展的主要原因之一，加之土地利用集約化程度低、土地利用效率低及土壤污染等問(wèn)題很大程度上制約了區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整，ESV的持續(xù)減少意味著生態(tài)環(huán)境狀況正在走下坡路，若按此趨勢(shì)發(fā)展，當(dāng)?shù)丨h(huán)境和生態(tài)將受到巨大挑戰(zhàn)，因此，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際優(yōu)化調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)，提高土地集約化和強(qiáng)化土壤污染治理顯得十分迫切。

3.3 敏感性分析

將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)上下變動(dòng)50%后計(jì)算得到各用地類型的CS（表4），可見(jiàn)晉中市各地類的CS值均小于1，表明ESV對(duì)價(jià)值系數(shù)缺乏彈性，故研究結(jié)果可靠。其中林地的CS值最大，均值達(dá)到0.561 5，這意味著林地的價(jià)值系數(shù)增加1%時(shí)，其ESV將增加0.561 5%。

表4 1998—2018年晉中市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的敏感性指數(shù)Table 4 The sensitivity coefficients of ecosystem service value in Jinzhong,1998-2018

4 討論與結(jié)論

1998—2018年，晉中市土地利用類型變化主要是耕地和林地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地、草地和水域，建設(shè)用地增加了1.08倍，動(dòng)態(tài)度遠(yuǎn)超于其他地類（5.39%）。在當(dāng)?shù)谽SV構(gòu)成中貢獻(xiàn)最大的為林地，其次是草地和耕地，水域和未利用地的貢獻(xiàn)最小。

受LUCC影響，研究區(qū)ESV持續(xù)下降，自1998年的327.93×108元減少到2018年的320.19×108元，共減少7.74×108元，林地和耕地面積削減是最大原因。表明過(guò)去20年，當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境已經(jīng)出現(xiàn)惡化的跡象，將來(lái)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境治理會(huì)受到阻礙。

汾河流域中游地區(qū)的發(fā)展?fàn)顩r直接影響黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展進(jìn)程，其生態(tài)環(huán)境正在受到城市發(fā)展和擴(kuò)張帶來(lái)的負(fù)面影響，因此，在今后的土地利用中，應(yīng)當(dāng)貫徹退耕還林還草和耕地占補(bǔ)平衡等政策，對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與發(fā)展進(jìn)行合理規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益的統(tǒng)一；對(duì)城鎮(zhèn)用地的規(guī)模進(jìn)行嚴(yán)格把控，防止無(wú)序擴(kuò)張，緊抓農(nóng)村居民點(diǎn)整治，合理規(guī)劃城鄉(xiāng)建設(shè)用地；此外，在優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)的同時(shí)，也要注重農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)及優(yōu)化。

同時(shí)，本研究區(qū)是我國(guó)重要的煤炭資源分布區(qū)，多年以來(lái)，礦產(chǎn)資源開(kāi)采過(guò)程中出現(xiàn)地表植被破壞、耕地資源被侵占、土壤資源和水資源受污染等問(wèn)題，部分區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能受到嚴(yán)重破壞，且極易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，生態(tài)安全受到極大威脅。因此，應(yīng)加大對(duì)開(kāi)采區(qū)的整治力度，將開(kāi)采廢棄地復(fù)墾為生態(tài)用地及農(nóng)業(yè)用地，及時(shí)治理土壤污染和水污染，以減少對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的進(jìn)一步破壞，提高區(qū)域生態(tài)服務(wù)功能。