國土空間用地變化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時空演變關(guān)系

王可心 劉欣 張云路

摘要： 文章利用北京懷柔科學(xué)城2009年、2020年2期的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，通過空間轉(zhuǎn)移矩陣方法分析研究區(qū)域的國土空間用地類型轉(zhuǎn)移及變化特征，運(yùn)用價值當(dāng)量因子評估法揭示研究區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的空間分布差異及演變特征。結(jié)果表明：北京懷柔科學(xué)城耕地面積下降最多，主要轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，而林地、草地、水體等用地類型也有一定程度的轉(zhuǎn)移，但整體呈上升趨勢;2009—2020年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總量變化幅度不大，整體呈上升趨勢，其中水體的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值增幅較大，其他用地類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值小幅上升，但耕地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值呈下降趨勢;國土空間用地變化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化呈正相關(guān)關(guān)系，但生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化幅度相對于國土空間用地變化幅度較大。研究結(jié)果可為國土生態(tài)空間可持續(xù)管理提供科學(xué)參考。

關(guān)鍵詞： 國土空間規(guī)劃，土地利用，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，時空演變，北京懷柔科學(xué)城

DOI： 10.12169/zgcsly.2021.04.14.0001

The Spatial-temporal relationship between Territory Land Use Change and Evolution of Ecosystem Service Value

Wang Kexin Liu XinZhang Yunlu

（School of Landscape Architecture， Beijing Forestry University， Beijing 100083， China）

Abstract： Using the satellite image data of Beijing Huairou Science Town in 2009 and 2020 as the data source， the paper analyzes the characteristics of land use types shift and land use change in the study area using the spatial shift matrix method， and reveals the spatial distribution differences and evolution characteristics of ecosystem service value in the study area using the value equivalent factor assessment method. The results show that， according to the land use spatial shift matrix， arable land in Huairou Science Town has lost the most， which is mainly transformed into construction land， while forest land， grassland， water bodies and other land use types present an overall upward trend even though with certain extent of shifting. The ecosystem service value fall in a small change range with an upward trend of these， the ecosystem service value of arable land shows a decreasing trend， while the ecosystem service value of other land use types sees a rising trend， among which the water bodies have the largest increase. The territory land use change is positively correlated with the change of ecosystem service value， but the change of ecosystem service value is in larger range compared with the territory land use change. The study reveals the spatial-temporal relationship between territory land use change and ecosystem service value， which can provide scientific reference for sustainable management of national ecological space.

Keywords：territorial spatial planning， land use， ecosystem service value， spatial-temporal evolution， Huairou Science Town in Beijing

探究國土空間規(guī)劃與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值之間的關(guān)聯(lián)，能夠更好地從生態(tài)系統(tǒng)的整體性角度保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能與資源的可持續(xù)供給能力，同時為國土空間規(guī)劃提供更好的指引。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)聯(lián)著生態(tài)系統(tǒng)與人類福祉，是新時代推進(jìn)生態(tài)優(yōu)先的國土空間優(yōu)化的重要內(nèi)容。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值ESV評估是量化和評價生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力的重要方法之一，是生態(tài)環(huán)境保護(hù)、環(huán)境經(jīng)濟(jì)核算的重要依據(jù)與基礎(chǔ)[1-4] 。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的評價方法已經(jīng)非常成熟，現(xiàn)有關(guān)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的評價方法主要有能值分析法[5] 、物質(zhì)量評估法[6] 、價值當(dāng)量評估法[7] 和生態(tài)足跡法[8] 等。隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，國土空間用地類型、格局與用地強(qiáng)度發(fā)生了巨大的變化，并直接或間接影響到國土空間生態(tài)系統(tǒng)過程與格局，從而改變生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的提供能力，并深刻影響著城市生態(tài)系統(tǒng)安全和人類的福祉[9-10] 。

近年來，已經(jīng)有諸多研究開始關(guān)注國土空間用地變化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值之間的關(guān)系。有些學(xué)者先后運(yùn)用經(jīng)濟(jì)定量評價方法評價生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值[1] ，如從土地的時間演變角度探討其對于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響。王寧等[11] 研究了1990—2018年內(nèi)蒙古土地利用變化及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化關(guān)系;朱利英等[12] 研究了1980—2015年北運(yùn)河流域土地利用時空變化及對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響。也有學(xué)者研究不同土地利用類型演變過程中對于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響，如葉延瓊等[13] 研究了廣州市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化特征;王永琪[14] 等基于縣域尺度研究了珠江-西江經(jīng)濟(jì)帶廣西段土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響。現(xiàn)有研究多從時間演變角度探究不同土地類型的演變特征及其對于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響，但缺乏國土空間用地類型演變對于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的空間分布影響的研究，對于國土空間用地類型演變與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化關(guān)系也尚不明確，無法科學(xué)把握國土空間用地變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的作用機(jī)制。當(dāng)前在新時代國土空間規(guī)劃的新要求下，亟待開展土地利用驅(qū)動下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時空演變特征的研究，并進(jìn)一步理清兩者之間的定量關(guān)系，以便能夠更加全面地為生態(tài)安全管控與土地利用優(yōu)化提供依據(jù)，為國土空間規(guī)劃提供科學(xué)指引。

懷柔科學(xué)城位于北京市懷柔區(qū)，是北京在“十三五”期間以國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施為引領(lǐng)的綜合性國家科學(xué)中心項(xiàng)目。自2009年中國科學(xué)院與北京市政府簽署合作協(xié)議[15] 后，懷柔科學(xué)城開始步入快速發(fā)展階段;直至2020年，隨著近10年的城市化建設(shè)加快，懷柔科學(xué)城的建設(shè)用地快速擴(kuò)張，城鄉(xiāng)用地類型和空間結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生變化，其與毗鄰的生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)的沖突矛盾日益顯現(xiàn)，進(jìn)而影響到了區(qū)域國土空間發(fā)展質(zhì)量和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定。本文以懷柔科學(xué)城為研究對象，通過運(yùn)用價值當(dāng)量因子評估、土地空間轉(zhuǎn)移矩陣分析等方法，期望達(dá)到如下研究目標(biāo)：1）選取2009年和2020年國土空間利用具有明顯變化的2個時段，分析研究懷柔科學(xué)城的國土空間用地類型轉(zhuǎn)移及變化特征;2）探究在國土空間用地類型下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時空演變特點(diǎn);3）探究國土空間用地類型演變與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值演變之間的定量關(guān)系和關(guān)聯(lián)特征，結(jié)合政策導(dǎo)向提出優(yōu)化路徑，以期為研究區(qū)域生態(tài)安全管控和國土空間利用優(yōu)化配置提供依據(jù)，也為同類型區(qū)域提供借鑒參考。

1 研究區(qū)概況

北京懷柔科學(xué)城位于北京市東北部，距離北 京中心城區(qū)約50 km，位于東經(jīng)116°17′～116°63′， 北緯40°41′～41°4′[15] ，規(guī)劃面積約為100.9 km2 。區(qū)域內(nèi)分布雁棲河、牤牛河和沙河3條主要河道，總體地勢較為平坦。主要的土地利用類型是耕地、林地、水域、草地和建設(shè)用地，總體上非建設(shè)用地分布廣泛，自然條件優(yōu)越。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源以及預(yù)處理

本研究所需土地利用數(shù)據(jù)均來源于2009年和2020年的Landsat TM和Landsat OLI-TIRS衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)（空間分辨率為30 m×30 m，數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站），同時結(jié)合懷柔科學(xué)城的自然環(huán)境現(xiàn)狀與土地資源特征，參照現(xiàn)行的《土地利用現(xiàn)狀分類》（GB/T 21010-2017），將研究區(qū)域的用地類型分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地5類。

為了保證研究區(qū)域國土空間用地類型的解譯精度，利用Envi 5.1軟件平臺對這2期影像進(jìn)行解譯獲取土地利用數(shù)據(jù)，并以Google Earth中歷史影像數(shù)據(jù)為參照對象做精度評價，將國土空間用地類型中的斑塊數(shù)據(jù)與解譯數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。經(jīng)過Kappa系數(shù)檢驗(yàn)，這2期影像解譯結(jié)果總體精確度均大于90%，空間分類結(jié)果能夠滿足該研究要求。在ArcGIS 10.5軟件平臺的支持下，對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計、分析和制圖。

2.2 國土空間用地變化分析

1） 國土空間用地類型轉(zhuǎn)移矩陣計算方法。國土空間用地類型轉(zhuǎn)移矩陣是對土地狀態(tài)與轉(zhuǎn)移狀況的定量化描述，可以全面又具體地分析各國土空間用地類型的定量轉(zhuǎn)變[16] 。本研究基于解譯提取的2009年和2020年的國土空間用地類型數(shù)據(jù)（Shp格式），首先，利用Arc GIS10.5平臺轉(zhuǎn)換為同一投影系統(tǒng)（WGS_ 1984），進(jìn)而統(tǒng)計2個時期各國土空間用地類型的面積;然后，對各時段國土空間用地類型矢量圖層的同類數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，并疊加分析;最后，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel中建立研究區(qū)域的國土空間用地類型轉(zhuǎn)移矩陣。

2） 國土空間用地動態(tài)度分析方法。國土空間用地動態(tài)度分析是研究土地利用演化的常用方法，主要用于定量探究特定區(qū)域范圍內(nèi)不同時段的各國土空間用地類型的變化強(qiáng)度和范圍等，通常包括單一類型國土空間用地動態(tài)度和綜合國土空間用地動態(tài)度2種[17] 。單一國土空間用地動態(tài)度用來表達(dá)一定時間范圍內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化，它可以直觀反映不同國土空間用地類型變化的速度與幅度，對于理解和預(yù)測國土空間用地格局有很重要的作用;而綜合土地利用動態(tài)度用來描述區(qū)域國土空間用地的變化率，是測算特定區(qū)域內(nèi)國土空間用地類型整體變化速度和強(qiáng)度的重要指標(biāo)之一，其主要用于反映人類各種活動對區(qū)域整體國土空間用地變化的影響。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值（ESV）評估

本研究基于生態(tài)價值貨幣當(dāng)量化的評估方法，在不同土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量因子的計算方法中引用Costanza等[17] 于1997年發(fā)表的用于全球自然資產(chǎn)評估的方法，該方法針對不同的生態(tài)系統(tǒng)以及生態(tài)因子進(jìn)行計算，但并不適用于某一特定區(qū)域的研究。因此，本文參考了我國學(xué)者謝高地等[7] 修訂的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量因子，結(jié)合研究區(qū)域的特征，構(gòu)建適合本研究區(qū)域的土地利用單位面積ESV當(dāng)量因子（表1）。

根據(jù)相關(guān)研究成果[7] ，確定全國一個標(biāo)準(zhǔn)單位生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)價值當(dāng)量因子的經(jīng)濟(jì)價值為1 971.5元/hm2 ，同時結(jié)合北京地區(qū)的具體情況，對于研究區(qū)域的一個標(biāo)準(zhǔn)單位生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)價值當(dāng)量因子的經(jīng)濟(jì)價值進(jìn)行修正，以此核算研究區(qū)域各用地類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，計算公式如式（1）：

ESV=Σ j （VC j ×A j ）（1）

式（1）中： VC j? 是第 j 類用地單位面積的生態(tài)服務(wù)價值（元/hm2 ）; A j? 為第 j 類土地的面積（hm2 ）。

3 結(jié)果與分析

3.1 用地類型變化特征

1） 國土空間用地轉(zhuǎn)移矩陣?；谘芯繀^(qū)域2009年、2020年2個重要時期的土地遙感解譯數(shù)據(jù)（圖1），通過分析懷柔科學(xué)城國土空間用地類型隨時間變化的特點(diǎn)，得出國土空間用地類型轉(zhuǎn)移矩陣（表2），結(jié)果表明：隨著懷柔科學(xué)城的建設(shè)與發(fā)展，各類型用地之間相互轉(zhuǎn)化，耕地主要轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地、林地、水體與草地，轉(zhuǎn)化面積 分別為16.47 km2 ，2.14 km2 ， 1.25 km2，0.70 km2 ; 林地主要轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地、耕地、草地與水體，轉(zhuǎn)化面積分別為 1.10 km2，0.52 km2 ，0.05 km2 ，0.03 km2 ;草地主要轉(zhuǎn)化為林地、建設(shè)用地、耕 地，轉(zhuǎn)化面積分別為0.12 km2 ，0.12 km2 ，0.10 km2 ; 水體有0.56 km2 轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，0.12 km2 轉(zhuǎn)化為林地，0.11 km2 轉(zhuǎn)化為耕地;城鎮(zhèn)建設(shè)用地的變化不明顯，主要轉(zhuǎn)化為耕地與林地，轉(zhuǎn)化面積分別為0.26 km2 和0.06 km2 。

2） 國土空間用地動態(tài)度。單一國土空間用地動態(tài)度分析結(jié)果表明，研究區(qū)域的草地動態(tài)度變化幅度最大，為0.114%;隨著科學(xué)城的建設(shè)持續(xù)加快，建設(shè)用地擴(kuò)張明顯，建設(shè)用地動態(tài)度為0.058%;水體變化的動態(tài)度為0.053%;林地變化動態(tài)度為0.013%;耕地呈減少趨勢，其動態(tài)度為-0.027%。整體而言，北京懷柔科學(xué)城自2009年開始建設(shè)至今，耕地受到一定程度的侵占，但林地、草地、水體面積均有所上升，綜合國土空間用地動態(tài)度為0.045%。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值演變特征分析

基于全國一個標(biāo)準(zhǔn)單位生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)價值當(dāng)量因子的經(jīng)濟(jì)價值，對研究區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量因子進(jìn)行修正，得到研究區(qū)域一個標(biāo)準(zhǔn)單位當(dāng)量因子的經(jīng)濟(jì)價值為2 146.8元/hm2 。根據(jù)北京懷柔科學(xué)城各地類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)得到該區(qū)域單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值（表3）和2009年、2020年各用地類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值（表4）。由表4可知，2009年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總量為8 260萬元，2020年為8 600萬元，說明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總量變化幅度不大，但整體呈上升趨勢。水體的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值增長幅度 最大，由2009年的2 260萬元增長到2020年的 3 570 萬元;林地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值由 1 740 萬 元增長至1 980萬元;草地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值由30萬元增長至70萬元;但耕地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值呈下降趨勢，由4 230萬元下降至 2 980 萬元。

3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值空間分異格局

由2009年、2020年2個時期內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值空間分異格局分析結(jié)果可知，2009—2020年北京懷柔科學(xué)城生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的空間分布上總體呈現(xiàn) 以中部農(nóng)田、林地以及雁棲河、牤牛河、沙河流域周邊為主的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值高值集聚區(qū)（圖1、圖2）。沙河西側(cè)大面積的城鎮(zhèn)建設(shè)用地以及東側(cè)零散分布的村莊區(qū)域呈現(xiàn)出生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值低值集聚區(qū)。隨著時間的推移，研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值高值集聚區(qū)由原有的大面積集中式分布，逐漸演變?yōu)槎帱c(diǎn)集中式分布;生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值低值集聚區(qū)主要表現(xiàn)為研究區(qū)域西側(cè)大面積集聚區(qū)逐漸向東側(cè)蔓延，而東部以各個村莊為中心零散分布的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值低值集聚區(qū)逐漸向四周蔓延，并粘連在一起。

3.4國土空間用地變化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值演變關(guān)系

通過分析國土空間用地變化度和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值在不同時間內(nèi)的變化幅度（圖3），結(jié)果表明，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化與國土空間用地面積的變化呈正相關(guān)關(guān)系，不同國土空間用地類型面積的變化會引起生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值較大幅度的增加或減少。在2009—2020年，林地和草地的用地面積小幅度增加，其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值也有一定量的增加;耕地的面積大幅減少，相應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值也大幅減小。而水體與草地面積小幅度增大，其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的增長卻極為顯著。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

研究區(qū)域的國土空間用地類型中，耕地面積下降最多，耕地和林地均主要轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地;草地與水體向其他用地類型的轉(zhuǎn)化面積較少。國土空間用地動態(tài)度中，林地、草地、水體、建設(shè)用地的單一用地類型動態(tài)度均為正值，耕地的單一用地類型動態(tài)度為負(fù)值，綜合國土空間用地動態(tài)度為0.045%。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值中，2009年耕地的ESV貢獻(xiàn)值最大，2020年水體ESV貢獻(xiàn)值最大。從ESV空間分布看，2009年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值高值集聚區(qū)分布較為廣泛，低值集聚區(qū)主要分布在研究區(qū)域的西側(cè)，面積相對較小;2020年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值高值集聚區(qū)分布逐漸分散，面積逐漸縮小，而低值集聚區(qū)在原有的基礎(chǔ)上向外擴(kuò)張，面積不斷擴(kuò)大。

國土空間用地變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響較大，兩者呈正相關(guān)關(guān)系。隨著耕地面積的減少，其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值隨之減少，而林地、草地、水體的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值隨著其面積的增加而增加。耕地、水體、林地3類用地的變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響較大，而草地的變化影響較小。

4.2 建議

研究結(jié)果表明，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化幅度大于國土空間用地面積的變化幅度。雖然耕地面積大幅下降，林地、草地、水體面積小幅上升，但整體的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值仍呈上升趨勢，原因在于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)中，水體的調(diào)節(jié)服務(wù)價值系數(shù)遠(yuǎn)大于其他用地類型，從而使懷柔科學(xué)城的總體生態(tài)價值能夠保持相對穩(wěn)定，不會因耕地面積減小而下降過快。因此，為提升懷柔科學(xué)城的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，實(shí)現(xiàn)該區(qū)域的綠色可持續(xù)發(fā)展，必須維持水體等生態(tài)用地的環(huán)境質(zhì)量，做好非建設(shè)用地中生態(tài)資源的保護(hù)工作。綜合北京懷柔科學(xué)城的國土空間用地演變狀況以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值演變，建議根據(jù)最新的土地利用影像數(shù)據(jù)，對中部區(qū)域的草地、林地、水體等用地要加強(qiáng)保護(hù)，避免城市建設(shè)過程當(dāng)中對其侵蝕，保證生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的最大化;耕地應(yīng)特別加強(qiáng)管理，防止耕地出現(xiàn)大面積的退化，基本農(nóng)田的保護(hù)治理工作要加強(qiáng)落實(shí);在兼顧當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的前提下，實(shí)現(xiàn)建設(shè)用地的高效集約利用，避免其對于其他用地的侵占。

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