模擬多情景下白洋淀流域土地利用變化及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的空間響應(yīng)

高 星,楊劉婉青,李晨曦,宋昭穎,王 杰

1 河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)公共管理學(xué)院, 石家莊 050061

2 河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)河北省社會經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展地理信息大數(shù)據(jù)平臺, 石家莊 050061

3 西安建筑科技大學(xué)公共管理學(xué)院, 西安 710311

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指通過生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過程和功能直接或間接得到的生命支持產(chǎn)品和服務(wù)[1- 2],其形成、供給和分配受到土地利用的深刻影響。隨著人口增長、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市的急速擴(kuò)張,土地利用形式多樣和強(qiáng)度加強(qiáng),自然生態(tài)系統(tǒng)逐漸向半自然半人工生態(tài)系統(tǒng)和人工生態(tài)系統(tǒng)方向轉(zhuǎn)變,由此帶來的物質(zhì)和能量流的改變影響生態(tài)系統(tǒng)提供服務(wù)的能力。因此,不適宜的土地利用將危及區(qū)域生態(tài)安全,甚至限制城市的可持續(xù)發(fā)展[3]。雄安新區(qū)建設(shè)作為疏解北京非首都功能和推進(jìn)京津冀協(xié)同發(fā)展的重要國家戰(zhàn)略,其過程中必然伴隨著高強(qiáng)度的人為建設(shè)活動,與當(dāng)?shù)刈匀簧鷳B(tài)環(huán)境不相適宜的土地利用方式勢必威脅區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供需平衡,甚至導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境問題[4]。同時,隨著雄安新區(qū)人口的聚集和城市規(guī)模的擴(kuò)張,對糧食供給、水資源供給、空氣凈化、水源涵養(yǎng)和文化休閑等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的需求將不斷提高[5]。而白洋淀流域作為雄安新區(qū)的生態(tài)腹地,既是由自然地理和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展組成的復(fù)合性區(qū)域,又是實(shí)施生態(tài)建設(shè)和環(huán)境政策的整體空間,生態(tài)戰(zhàn)略地位顯要[6]。在此背景下,模擬白洋淀流域未來土地利用變化趨勢,探尋不同情境下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的響應(yīng)有利于構(gòu)建流域國土空間開發(fā)保護(hù)新格局,為其提供技術(shù)支撐和決策參考[7]。

目前,國內(nèi)外學(xué)者對于土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響已積累了相對豐富的研究成果。Costanza等[8]在1997年制訂了全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)當(dāng)量因子表,為相關(guān)研究奠定了基礎(chǔ)。國內(nèi)學(xué)者謝高地等[9]在Costanza研究的基礎(chǔ)上制訂了《中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值當(dāng)量表》,被國內(nèi)學(xué)者廣泛使用于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估研究中。隨著研究的逐步深入,國內(nèi)外學(xué)者對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的研究主要從定義與分類[8]、價值評估[10- 12]、以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與社會發(fā)展之間的關(guān)系[13- 15]等三個方面進(jìn)行了鉆研與探索。具體而言,從研究內(nèi)容上看,主要集中在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的理論基礎(chǔ)[16]、驅(qū)動力[17- 18]、時空變化[19]及影響因素[20]等方面；從研究尺度上看,全國、區(qū)域、省域、市域、縣域等尺度均有涉及[21-25]。從研究對象上看,研究區(qū)域多集中湖泊[26]、森林[27]、濕地[28]等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值高值區(qū)域；研究方法則以統(tǒng)計(jì)分析[29]和空間分析[30-31]為主,并越來越重視在土地利用規(guī)劃研究與實(shí)踐中的作用[32]。綜合來看,上述研究主要是對當(dāng)前或過去時段因土地利用變化而改變的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進(jìn)行測度,隨著研究的深入,學(xué)者們嘗試著對未來土地利用變化對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響進(jìn)行分析,以便于制定可持續(xù)的土地利用措施,如Egoh等[33]采用Marxan模型模擬不同情境下南非草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)狀況；Estoque等[34]研究Baguio市未來森林保護(hù)情景和自然發(fā)展情景下土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響；Kubiszewski等[35]估算了全球尺度下市場導(dǎo)向情景、政策改良情景等4種情景下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值,結(jié)果顯示到2050年4種情景生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值每年可能相差81萬億美元；杜勇等[36]通過Logistic-CA-Markov模型模擬福建省泉州市在2030年自然情景、規(guī)劃情景、保護(hù)情境下,定量評估了保水服務(wù)、固碳服務(wù)、保土服務(wù)和食物供給服務(wù)；歐陽曉等[37]以快速城鎮(zhèn)化下的長株潭城市群為例,模擬了3種情景下LUCC對ESV的影響。目前已有的多情景下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的模擬測度,大部分是基于現(xiàn)有發(fā)展趨勢根據(jù)側(cè)重點(diǎn)設(shè)定不同情景進(jìn)行分析,缺乏對由國家戰(zhàn)略引發(fā)的土地利用類型劇烈變化區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值空間差異性的關(guān)注。

雄安新區(qū)地處白洋淀流域范圍內(nèi),面臨著人口增長、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)保護(hù)的多重壓力,同時新區(qū)的開發(fā)建設(shè)勢必對白洋淀流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值產(chǎn)生一定的影響。鑒于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值計(jì)算的便利性,本文以白洋淀流域?yàn)檠芯繀^(qū),采用當(dāng)量因子法估算其1990、2000、2010和2020等4期生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值,并借助CA-Markov模型,模擬不同情境土地利用格局,并測算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化情況。在此基礎(chǔ)上利用網(wǎng)格工具可視化表達(dá)不同偏好下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的空間分布狀況以及集聚程度,以期對白洋淀流域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能變化分析以及對研究區(qū)未來土地生態(tài)安全建設(shè)提供理論參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

本研究中的白洋淀流域是指白洋淀上下游涉及的河北省相關(guān)縣級行政區(qū)域,涉及石家莊市、保定市、張家口市、滄州市、廊坊市以及衡水市的46個縣區(qū)；白洋淀流域上下游包括入淀出淀的潴龍河、孝義河、唐河、府河、漕河、瀑河、萍河、白溝引河(含南拒馬河與白溝河)、趙王新河等干支流流經(jīng)的區(qū)域。白洋淀流域位于大清河流域范圍以內(nèi),總面積約3.4萬km2。該地區(qū)地貌類型多樣,以耕地、林地和建設(shè)用地為主,地勢西高東低,相對高度達(dá)2815m(圖1),流域處于溫帶季風(fēng)區(qū),多年平均降水量600mm,年平均氣溫在10—20℃之間,降水量年際變化大、年內(nèi)分配不均,降水多以暴雨形式集中于7—8月,故經(jīng)常出現(xiàn)連年干旱或先旱后澇、旱澇交替等情況。近年來,白洋淀流域各城市無序擴(kuò)張、產(chǎn)業(yè)布局各自為政、大尺度生態(tài)空間管理理念缺乏,導(dǎo)致生態(tài)用地流失、水生態(tài)失衡等問題,由此帶來生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)下降、生態(tài)風(fēng)險加劇、生態(tài)安全受到威脅,嚴(yán)重影響了流域的可持續(xù)發(fā)展,與高質(zhì)量發(fā)展要求存在一定差距。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Location of Baiyangdian basin

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本研究所使用的數(shù)據(jù)包括遙感影像數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、糧食數(shù)據(jù)、DEM高程數(shù)據(jù)、坡度數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、道路數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)。其中：(1)遙感影像從地理空間數(shù)據(jù)云平臺Landsat4- 5/TM和Landsat- 8/OLI衛(wèi)星下載；(2)研究區(qū)1990年、2000年、2010年、2020年等4期土地利用均解譯自遙感影像,根據(jù)影像精度并結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況,并參照前人分類標(biāo)準(zhǔn)[38],將土地利用類型劃分為林地、草地、耕地、建設(shè)用地、水域和未利用地六類,分辨率為30m。使用ENVI 5.3.1軟件,對遙感圖像進(jìn)行監(jiān)督分類和人工目視解譯,經(jīng)檢驗(yàn)三期圖像精度均達(dá)到85%以上,可用于研究使用(圖2)；(3)糧食數(shù)據(jù)主要為小麥、玉米、大豆等糧食作物產(chǎn)值、播種面積、產(chǎn)量主要來源為石家莊市、張家口市、保定市、滄州市和衡水市統(tǒng)計(jì)年鑒以及河北農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒；(4)白洋淀流域年平均降水量和平均氣溫等氣象數(shù)據(jù)收集自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)；(5)研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云,坡度數(shù)據(jù)由DEM高程數(shù)據(jù)提取得到；(6)社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來自相關(guān)縣域統(tǒng)計(jì)年鑒；(7)公路、鐵路數(shù)據(jù)來源于資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺。

圖2 白洋淀流域1990、2000、2010、2020年4期土地利用數(shù)據(jù)Fig.2 Land use data of Baiyangdian basin in the four phases of 1990, 2000, 2010 and 2020

2 研究方法

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值估算

本文基于謝高地等[1]建立的“中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積服務(wù)價值當(dāng)量表”(表1)(根據(jù)研究區(qū)實(shí)際地類情況以及計(jì)算的便利性,除建設(shè)用地外五種地類分別采用了當(dāng)量表中的旱地、闊葉、灌草叢、濕地、裸地和水系的單位面積服務(wù)價值當(dāng)量),估算白洋淀流域各縣域1990—2020年4期生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值量,初步分析多年間各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值量的變化。通過公式(1)和公式(2)計(jì)算研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值。

表1 單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量Table 1 Ecosystem service equivalent value per unit area

(1)

(2)

式中,ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值,單位為元/年；i為土地利用類型；j為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型；Ai為第i類土地利用類型的面積,單位為hm2；VCi為第i類土地利用類型單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值,單位為元hm-2a-1；ECj為某類土地利用類型第j項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量；k為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型數(shù)量；Ea為1單位生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的經(jīng)濟(jì)價值,單位為元hm-2a-1。

根據(jù)“現(xiàn)有單位農(nóng)田提供的生產(chǎn)服務(wù)經(jīng)濟(jì)價值,是無人力投入的自然生態(tài)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)價值的七倍”的規(guī)則[10],計(jì)算出白洋淀流域單位農(nóng)田自然糧食產(chǎn)量的年均經(jīng)濟(jì)價值。為更加精確的確定研究區(qū)單位生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的經(jīng)濟(jì)價值,結(jié)合研究區(qū)實(shí)地情況,運(yùn)用公式(3)對該數(shù)值進(jìn)行修正[39]。鑒于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的可獲取性,不考慮價格波動因素統(tǒng)一選取2018年研究區(qū)各縣區(qū)糧食作物(小麥、玉米、大豆)的經(jīng)濟(jì)價值進(jìn)行修正,并計(jì)算其平均值,結(jié)果表明研究區(qū)每單位生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的經(jīng)濟(jì)價值為1801.48元hm-2a-1。

(3)

式中,Ea為1單位生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的經(jīng)濟(jì)價值,單位為元hm-2a-1；i為糧食作物種類；mi為第i種糧食作物在研究區(qū)內(nèi)的平均價格,單位為元/kg；pi為第i種糧食作物的單產(chǎn),單位為kg/hm2；qi為第i種糧食作物的種植面積,單位為hm2；M為糧食作物的總種植面積,單位為hm2。

2.2 土地利用格局情境模擬

2.2.1CA-Markov

馬爾科夫(Markov)模型[40-41]利用概率論的相關(guān)知識研究事物由一狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一狀態(tài)的概率,根據(jù)研究得出的規(guī)律,對未來事物的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測,其重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的是對未來數(shù)量上的預(yù)測。其公式為：

S(t+1)=St×Pij

(4)

式中,St為t時刻土地利用系統(tǒng)的狀態(tài)；S(t+1)為t+1時刻土地利用系統(tǒng)的狀態(tài)；Pij為土地利用轉(zhuǎn)移矩陣。

元胞自動機(jī)(CA)模型是一種時間、空間、狀態(tài)均離散,通過不同時空特征元胞的相互作用,模擬復(fù)雜系統(tǒng)時空演變的動力學(xué)模型[42- 43]。

St+1=f(St,Ν)

(5)

式中,S為元胞有限、離散的狀態(tài)集合；N為元胞的鄰域；t和t+1表示不同時刻；f為局部空間元胞轉(zhuǎn)換規(guī)則。

傳統(tǒng)的馬爾科夫(Markov)模型很難預(yù)測土地利用在空間格局上的變化,而元胞自動機(jī)(CA)模型則可以有效的模擬這種變化,然而CA模型著眼于元胞的局部相互作用,存在很大的局限性,從這一角度來說,CA-Markov模型將Markov模型和CA模型結(jié)合在一起,彌補(bǔ)各自模型存在的缺陷,實(shí)現(xiàn)對土地利用類型數(shù)量和空間位置的雙重預(yù)測[44- 45]。

2.2.2土地利用格局情景模擬標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定與過程

通過IDRISI軟件中的Markov模塊和CA-Markov模塊對土地利用類型的數(shù)量及空間變化進(jìn)行預(yù)測,基本步驟如下：

(1)創(chuàng)建 Markov 轉(zhuǎn)移概率矩陣。將時間周期設(shè)置為10a,比例誤差設(shè)置為0.15,利用 Markov 模型得到研究區(qū)2010—2020年的年土地利用轉(zhuǎn)移面積矩陣和轉(zhuǎn)移概率矩陣。

(2)制作適宜性圖集。利用IDRISI軟件中的“Decision Wizard”模塊制作適宜性圖集。借鑒前人的研究結(jié)果[39- 44],考慮到數(shù)據(jù)的可獲得性以及具體模擬效果,本文選取DEM高程、坡度、年平均降水、年平均氣溫、距公路距離和距鐵路距離等6個對土地利用變化較大的驅(qū)動影響因子來制作適宜性圖集。

(3)模擬2020年研究區(qū)土地利用圖像。以2010年為基期圖像,選擇步驟(1)建立的研究區(qū)2010—2020年的年土地利用轉(zhuǎn)移面積矩陣,以及步驟(2)中創(chuàng)建的適宜性圖集,確定迭代次數(shù)為10,構(gòu)造CA濾波器(采用標(biāo)準(zhǔn)5×5的濾波器)。模擬運(yùn)行出預(yù)測的2020年研究區(qū)土地利用圖像(圖3)。

(4)精度驗(yàn)證。利用IDRISI軟件中的crosstab模塊,將2020年的預(yù)測圖與2020年實(shí)際土地利用類型進(jìn)行對比,計(jì)算Kappa值。

(5)多情景模擬預(yù)測。以2020年為基期圖像,分別模擬出3種情景下2035年研究區(qū)土地利用圖像。

2.2.3情景設(shè)置

情景分析旨在描述和分析事物發(fā)展的各種可能性,對比不同發(fā)展路徑下的狀態(tài),從而為決策提供依據(jù)。白洋淀流域社會經(jīng)濟(jì)、自然環(huán)境均存在不確定性?；诹饔虻牟煌l(fā)展目標(biāo)和可能出現(xiàn)的干擾情景,本研究設(shè)定了3種土地利用變化模擬的情景：

(1)趨勢延續(xù)情景(情景1)。趨勢延續(xù)情景是流域基于2010—2020年土地利用變化規(guī)律,按照目前的城市化發(fā)展模式和現(xiàn)有的土地利用轉(zhuǎn)移速率,在轉(zhuǎn)換規(guī)則中不對任何地類轉(zhuǎn)換進(jìn)行限制的一種情景設(shè)定,是流域土地利用變化模擬考慮其他發(fā)展情景分析的基礎(chǔ)。

(2)均衡發(fā)展情景(情景2)。該情景充分考慮流域中各城市的發(fā)展需求,實(shí)現(xiàn)流域空間均衡發(fā)展。其中,雄安新區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)按照《河北雄安新區(qū)規(guī)劃綱要》、《河北雄安新區(qū)起步區(qū)控制性規(guī)劃》等規(guī)劃文本及圖集中對未來各地類在不同規(guī)劃方向上的數(shù)量要求進(jìn)行確定,流域其他地區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)則與情景1一致。

(3)統(tǒng)籌發(fā)展情景(情景3)。該情景下,將整個流域城市發(fā)展納入統(tǒng)籌考慮,以雄安新區(qū)建設(shè)、生態(tài)保護(hù)作為目標(biāo)。因此,參考了有關(guān)修改Markov轉(zhuǎn)移矩陣的相關(guān)研究成果[46],其中,雄安新區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)與均衡發(fā)展情景一致,流域除雄安新區(qū)部分為整體實(shí)現(xiàn)生態(tài)用地保護(hù)目標(biāo),嚴(yán)格限制生態(tài)用地相關(guān)的林地、草地和水域向建設(shè)用地轉(zhuǎn)換,以保障整個流域的土地利用結(jié)構(gòu)總體穩(wěn)定。具體參數(shù)設(shè)置為將林地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的速率減緩63%,轉(zhuǎn)移速率由原來的4.45%調(diào)整為2.80%；將草地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的速率減緩50%,轉(zhuǎn)移速率由原來的10.92%調(diào)整為5.47%；水域由于基數(shù)過小,未進(jìn)行限制；耕地、未利用地變化速率未進(jìn)行限制。

2.3 ESV熱點(diǎn)分析

熱點(diǎn)分析(Getis-Ord Gi*)是用來識別冷點(diǎn)區(qū)和熱點(diǎn)區(qū)空間分布的常用工具,在本文中熱點(diǎn)分析可以用來反映白洋淀流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值是否具有高值集聚(熱點(diǎn))和低值集聚(冷點(diǎn))的現(xiàn)象,以及確定高值區(qū)和低值區(qū)在空間上發(fā)生聚類的位置。其公式為：

(6)

(7)

(8)

式中,n是空間網(wǎng)格單元數(shù)量；xi和xj分別為單元i和單元j的觀測值；wij是基于空間k鄰接關(guān)系建立的空間權(quán)重陣。若一定范圍內(nèi)ESV較高時,則成為具有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的熱點(diǎn),稱為ESV熱點(diǎn)區(qū),表示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值在該區(qū)較大；若一定范圍內(nèi)ESV較低時,則成為具有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的冷點(diǎn),稱為ESV冷點(diǎn)區(qū),表示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值在該區(qū)較小。

3 結(jié)果分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值估算結(jié)果及變化特征

3.1.11990—2020年研究區(qū)土地利用變化總體特征

1990—2020年研究區(qū)利用變化總體特征呈現(xiàn)耕地面積大幅度減少,建設(shè)用地面積急速增加的趨勢。30年間耕地在研究區(qū)范圍內(nèi)土地利用結(jié)構(gòu)中占比最大,平均占比48.12%,總體來看耕地面積銳減,減少122776.99hm2,耕地面積減少率為7.21%；林地在研究區(qū)范圍內(nèi)土地利用結(jié)構(gòu)中面積占比僅次于耕地,且1990—2020年間林地面積變化不大,呈波動增長趨勢,從1193822.47hm2增加到1207925.59hm2,增加率為1.18%；與之相比,草地面積在30年間呈波動下降的趨勢,2010年達(dá)到峰值212026.37hm2,面積減少率為15.9%；隨著改革開放和京津冀協(xié)同發(fā)展等政策的推進(jìn),建設(shè)用地?cái)U(kuò)張速度也在不斷加快。1990—2020年建設(shè)用地面積從253926.75hm2增加到421296.49hm2,共增加了167369.74hm2,面積增長率高達(dá)65.91%；1990—2020年研究區(qū)水域面積呈現(xiàn)了先急速下降后小幅度回升的變化趨勢,總體來說,水域面積明顯減少,減少率為35.76%；未利用地占比較小,從研究區(qū)整體來看,面積變化不明顯(表2)。

表2 1990—2020年白洋淀流域各類用地面積及占比/hm2Table 2 Changes of different land use types in Baiyangdian basin from 1990 to 2020

研究區(qū)在空間上土地利用總體特征為,西部以林地、草地為主,東部多為耕地和建設(shè)用地交錯分布,小部分為水域。這主要由于研究區(qū)地勢西高東低,西部以山地為主,東部為華北平原以及白洋淀流域。從4期研究區(qū)土地類型圖可以看出,城市的擴(kuò)張是造成土地利用類型發(fā)生變化的關(guān)鍵因素。在快速的城鎮(zhèn)化過程中,耕地被大量侵占,為堅(jiān)持生態(tài)文明建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展,山林區(qū)域的耕地還林還草現(xiàn)象明顯,導(dǎo)致耕地面積進(jìn)一步銳減,白洋淀流域也在城市的發(fā)展下逐步縮小,生態(tài)安全情況不容樂觀(圖2)。

3.1.21990—2020年研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化特征

土地利用變化會引起生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化。1990—2020年研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值分別為852.59億元、788.26億元、796.95億元和784.68億元,總體呈波動下降的趨勢(表3)。其中,耕地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化較多,30年間減少9.03億元,變化率為7.21%；林地對研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值貢獻(xiàn)最大,四個時段分別為502.30億元、502.04億元、510.22億元和508.23億元,可以看出1990—2000年變化不明顯,2000—2020年價值量總體呈波動上升的趨勢,這是由于2000年以后林地面積小幅度增加；草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化趨勢與其面積變化趨勢相同,1990—2020年波動下降,30年間ESV減少12.53億元；建設(shè)用地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值為0；水域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值僅次于林地,聯(lián)系表2可知,它憑借1%左右的面積占比提供了整個研究區(qū)12%左右的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值,然而由于城市快速發(fā)展的需要,建設(shè)用地的急速擴(kuò)張使得一部分水域被侵占,導(dǎo)致水域的ESV下降為93.92億元,下降率為36.76%；未利用地由于其面積基數(shù)小,以及單位生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值不高,對整個研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響幾乎可以忽略不計(jì)。總體來說,由于草地、水域等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值中貢獻(xiàn)較高的土地都在不同程度的減少,而不利于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值增加的建設(shè)用地急速擴(kuò)張,導(dǎo)致30年間研究區(qū)整體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值下降明顯,減少率為81.25%。林地、水域和草地是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的主要來源,嚴(yán)格保護(hù)林地、水域和草地等生態(tài)用地,對保護(hù)研究區(qū)的生態(tài)安全具有重要作用。

表3 1990—2020白洋淀流域各類用地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值量變化/108元Table 3 Ecosystem service value changes of each land use type of Baiyangdian basin from 1990 to 2020

表4反應(yīng)出了單項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化規(guī)律。依據(jù)每項(xiàng)服務(wù)ESV的貢獻(xiàn)程度大小依次為水文調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、土壤保持、氣體調(diào)節(jié)、生物多樣性、凈化環(huán)境、糧食生產(chǎn)、美學(xué)景觀、原料生產(chǎn)、水資源供應(yīng)和維持養(yǎng)分循環(huán)。其中,水文調(diào)節(jié)和氣候調(diào)節(jié)的ESV在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值中所占比重較大,兩者占總價值的50%以上,以2020年為例水文調(diào)節(jié)的ESV為202.11億元；氣候調(diào)節(jié)的ESV為173.64億元。糧食生產(chǎn)主要受耕地面積變化影響,呈逐年下降趨勢；原料生產(chǎn)和維持養(yǎng)分循環(huán)受各類用地綜合影響,呈逐年下降的變化趨勢；除此之外水資源供應(yīng)、氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、凈化環(huán)境、水文調(diào)節(jié)、生物多樣性以及美學(xué)景觀等服務(wù)項(xiàng)目整體為波動下降的變化趨勢,這主要是林地、草地、水域等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值較高地類的面積波動造成的。

表4 1990—2020白洋淀流域不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化/108元Table 4 Ecosystem service value changes of each Ecosystem service type of Baiyangdian basin from 1990 to 2020

3.2 多情境下研究區(qū)土地利用變化及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值分析

3.2.1多情景下土地利用變化模擬

(1)精度檢驗(yàn)。將2020年的預(yù)測圖與2020年實(shí)際土地利用類型進(jìn)行對比,計(jì)算得到Kappa值為0.8674,通過精度檢驗(yàn)(圖3)。如圖3所示,2020年模擬圖與2020年實(shí)際圖各地類面積差別較小,耕地、林地面積誤差為5%左右,建設(shè)用地面積誤差約為3%,草地面積誤差相對較大,但由于草地總面積相對較小,且圖上草地集中位置基本一致,所以也符合模擬要求,水域與未利用地基數(shù)較小且誤差微小。

圖3 2020年白洋淀流域土地利用實(shí)際圖和模擬圖Fig.3 Land use status map and forecast map of Baiyangdian basin in 2020

(2)多情景模擬預(yù)測。以2020年為基期圖像,分別模擬出3種情景下2035年研究區(qū)土地利用圖像(圖4)。根據(jù)研究區(qū)2010和2020年兩期土地利用變化情況,在趨勢延續(xù)情景模擬的基礎(chǔ)上加入雄安新區(qū)規(guī)劃建設(shè)這一變化條件,建立了3種土地利用變化模擬情景(圖4,表5)。在趨勢延續(xù)情景下2035年研究區(qū)建設(shè)用地面積為510582hm2,與2020年相比增加了89285.51hm2,林地面積小幅度增加,相比2020年增加了3.3%。耕地變化較大,下降為2020年的94.97%。相比之下草地、未利用地面積都有不同程度的減少,水域面積小幅度增加(圖4 情景1)。均衡發(fā)展情景下,由雄安2035年發(fā)展規(guī)劃可知,建設(shè)用地、林地、水域等地類面積都有所增加,整體來看,建設(shè)用地面積為513125.73hm2,林地比照趨勢延續(xù)情景相應(yīng)增加,為1233968.7hm2,部分耕地被建設(shè)用地侵占。鑒于2035年雄安藍(lán)綠空間規(guī)劃,水域面積相應(yīng)增加為52756.07hm2,由于雄安新區(qū)草地較少,所以兩種情景對比下,草地面積變化不明顯(圖4 情景2)。統(tǒng)籌發(fā)展情景下,研究區(qū)建設(shè)用地面積減少為500750.35 hm2,林地、草地面積相應(yīng)增加,分別為1243886.14hm2、164611.76 hm2,耕地、水域和未利用地面積幾乎不變(圖4 情景3)。

從空間分布來看,與2020年相比,趨勢延續(xù)情景下白洋淀西面保定市中心城市范圍急速擴(kuò)張,建設(shè)用地范圍激增,相應(yīng)的侵占了大部分耕地；除此之外,研究區(qū)東北、正東、西南以及平原腹地等方向上的縣區(qū)市中心均相應(yīng)擴(kuò)張；西部山區(qū)縣域范圍中地勢相對平緩地區(qū)以及大清河河流直線周圍區(qū)域零碎耕地大部分轉(zhuǎn)化為林地,研究區(qū)西北部壩上平原地區(qū)以及研究區(qū)西南山地平原交界區(qū)域草地、耕地明顯減少；而在均衡發(fā)展情景下,由于雄安新區(qū)建設(shè)起步區(qū)位于白洋淀以西,容城縣與安新縣交匯處,所以該地建設(shè)用地和林地面積有所上升,白洋淀水域也相應(yīng)擴(kuò)張,雄安新區(qū)范圍內(nèi)林帶增多,且多圍繞水域和起步區(qū)建設(shè)；在統(tǒng)籌發(fā)展情景下,為維護(hù)白洋淀流域生態(tài)格局的平衡與安全,在建設(shè)用地指標(biāo)有限的前提下優(yōu)先發(fā)展雄安新區(qū),上游部分的縣區(qū)建設(shè)用地有所減少,城市擴(kuò)張程度相應(yīng)收縮。

研究區(qū)2035年趨勢延續(xù)情景為參照2010年、2020年兩期土地利用變化規(guī)律,沒有外部干預(yù)的基礎(chǔ)上模擬得到的,所以趨勢延續(xù)情景符合白洋淀流域城鎮(zhèn)化快速發(fā)展的變化趨勢。但是雄安新區(qū)的規(guī)劃建設(shè)使得部分地區(qū)的發(fā)展進(jìn)程減速,尤其是白洋淀上游部分縣域,為維護(hù)整個流域的土地利用格局的平衡,限制了林地、草地向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)換,為整個流域的可持續(xù)發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。

3.2.2多情境下研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化特征

土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值主要與各土地利用類型面積有關(guān)。與2020年各類用地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值相比,2035年研究區(qū)趨勢延續(xù)情境下,林地、未利用地變化不明顯；耕地、草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值下降幅度小于林地和水域增加的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值,使得趨勢延續(xù)情景下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值與2020年相比有微量增加。與趨勢延續(xù)情景相比,其他兩個情景的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化有所不同。由表6可知,均衡發(fā)展情景下,林地和水域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值相對于趨勢延續(xù)情景高24.38億元,這主要與雄安新區(qū)規(guī)劃建設(shè)中藍(lán)綠空間增加的約束條件有關(guān)。統(tǒng)籌發(fā)展情景下,林地、草地和水域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值均高于均衡發(fā)展情景下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值,總計(jì)增加了5.2億元,該情景下協(xié)調(diào)了各類用地面積,林地、草地、水域都得到了相應(yīng)的保護(hù),從而使得生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值有所增長。

表6 模擬2035年3種發(fā)展情境下各類土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值/108元Table 6 The service value of each land ecosystem under three development scenarios will be simulated in 2035

為進(jìn)一步分析多情景下研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值及其空間變化,利用ArcGIS軟件中的漁網(wǎng)工具,創(chuàng)建一個5km×5km正方形網(wǎng)格,計(jì)算每個網(wǎng)格的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值,制作2020年和三種模擬情景下2035年研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值空間分布圖,采用自然斷點(diǎn)法將研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值從低到高劃分為6個等級,Ⅰ級最低,Ⅵ級最高(圖5)。

從2020年研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值空間分布來看,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值較高區(qū)域主要分布在西北部山區(qū)縣域。從整體上看,研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值整體呈西北高、東南低的分布特征,與研究區(qū)的海拔和地形地貌分布特征在空間上較為契合。主要原因在于,研究區(qū)西北部海拔較高,多為山地,地類主要以林地、草地為主,所以ESV較高；而東南部為華北平原,海拔較低,主要以耕地、建設(shè)用地為主,所以ESV較低。

與2020年相比,趨勢延續(xù)情景下,ESV高值區(qū)域總體來看小幅度減少,低值區(qū)域明顯增多,白洋淀上游區(qū)域,研究區(qū)東南方向縣域Ⅰ級區(qū)域明顯擴(kuò)張,原Ⅰ級區(qū)域都有不同程度的擴(kuò)張,這主要是由于城市的快速發(fā)展造成耕地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)變。而在研究區(qū)西北部的縣區(qū)中部分地區(qū)由Ⅴ級向Ⅵ級轉(zhuǎn)變,這是由于縣中心建設(shè)用地面積相對增加,導(dǎo)致林地、草地面積相對減少,ESV下降。

對2035年研究區(qū)3種情境下ESV空間分布進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn),均衡發(fā)展情景和統(tǒng)籌發(fā)展情景總體ESV明顯好于趨勢延續(xù)情景。東部雄安新區(qū)范圍由于新增許多林帶,并且水域范圍得到擴(kuò)大,ESV高值區(qū)域增多,白洋淀區(qū)域由Ⅰ、Ⅱ、級向Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級轉(zhuǎn)變；統(tǒng)籌發(fā)展情景與均衡發(fā)展情景相比,統(tǒng)籌發(fā)展情景總體ESV優(yōu)于均衡發(fā)展情景,由圖5可知,西北部山地區(qū)域Ⅵ級范圍增多、華北平原Ⅰ級區(qū)域減少,這是由于部分建設(shè)用地減少,林地面積明顯增加。

圖5 不同情境下2030年白洋淀流域ESV空間分布Fig.5 Spatial distribution of ESV in Baiyangdian basin in 2035 under different circumstances

3.3 多種情境下白洋淀流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的熱點(diǎn)分析

為了反映了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)高值和低值在空間上的集聚情況,在多次嘗試后選擇2km×2km網(wǎng)格單元,基于ArcGIS軟件,利用空間統(tǒng)計(jì)工具中的熱點(diǎn)分析(Getis-Ord Gi*),得到白洋淀流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的熱點(diǎn)和冷點(diǎn)區(qū)域(圖6)。

圖6 不同情境下2030年白洋淀流域ESV冷熱點(diǎn)分布Fig.6 Distribution of ESV hot spots in Baiyangdian basin in 2035 under different conditions

2020年研究區(qū)ESV值的熱點(diǎn)和冷點(diǎn)分布范圍較大,且集聚性較強(qiáng)。熱點(diǎn)區(qū)域主要集中在西北部山地區(qū)域,且?guī)缀鯙?9%置信度。冷點(diǎn)區(qū)域集中連片,主要分布在研究區(qū)東南部平原地區(qū)、研究區(qū)北部蔚縣、涿鹿縣部分區(qū)域,其中99%置信度的冷點(diǎn)區(qū)域多為各縣區(qū)的中心建設(shè)區(qū)。與2020年相比,2035年三種模擬情景總體特征為：熱點(diǎn)區(qū)域分布范圍小幅度擴(kuò)大,冷點(diǎn)區(qū)域中99%置信度冷點(diǎn)區(qū)范圍擴(kuò)大,95%置信度和90%置信度冷點(diǎn)區(qū)范圍縮小,不顯著區(qū)域范圍增多。具體到各個情景,在趨勢延續(xù)情景下,研究區(qū)南部不顯著區(qū)域小部分轉(zhuǎn)換為熱點(diǎn)區(qū)域,西北部山區(qū)熱點(diǎn)區(qū)域向外圍擴(kuò)張,這是由于該區(qū)域林地、草地增多,ESV上升所致。研究區(qū)東南部平原地區(qū)各縣區(qū)中心建設(shè)區(qū)與99%置信度冷點(diǎn)區(qū)域的空間分布特征相契合,且由于城市的擴(kuò)張與建設(shè)需要,大量耕地轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地,導(dǎo)致其在空間上的集聚程度提升,99%置信度冷點(diǎn)區(qū)域擴(kuò)張,冷點(diǎn)區(qū)域整體呈集中連片的空間分布特征。在均衡發(fā)展情境下,除雄安以外其他區(qū)域冷熱點(diǎn)分布情況與趨勢延續(xù)情景相似,不同之處在于,雄安新區(qū)三縣的邊界交匯處出現(xiàn)了集聚性較高的熱點(diǎn)區(qū),且雄安新區(qū)大部分冷點(diǎn)區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)椴伙@著區(qū)域,這是由于響應(yīng)雄安建設(shè)中藍(lán)綠空間達(dá)到70%的規(guī)劃綱要和白洋淀生態(tài)環(huán)境治理與保護(hù)的條例,新增熱點(diǎn)區(qū)域?yàn)槠鸩絽^(qū)規(guī)劃建設(shè)林帶、水域集聚,導(dǎo)致ESV上升而形成的。在統(tǒng)籌發(fā)展情景下,研究區(qū)西北部白洋淀上游縣區(qū)熱點(diǎn)區(qū)域小范圍擴(kuò)張；研究區(qū)西部淶源縣中心區(qū)域冷點(diǎn)區(qū)域縮小,集聚程度降低。對比分析三種模擬情景下的冷熱點(diǎn)空間分布規(guī)律,冷點(diǎn)區(qū)范圍：趨勢延續(xù)>均衡發(fā)展>統(tǒng)籌發(fā)展；熱點(diǎn)區(qū)范圍：統(tǒng)籌發(fā)展>均衡發(fā)展>趨勢延續(xù)。

4 結(jié)論與討論

4.1 討論

本研究在探討雄安新區(qū)建設(shè)引起的流域土地利用變化背景下,利用CA-Markov模型模擬趨勢延續(xù)、均衡發(fā)展和統(tǒng)籌發(fā)展等3種發(fā)展情景下2035年白洋淀流域的土地利用變化狀況,并評估白洋淀流域的ESV,在此基礎(chǔ)上分析ESV空間分布特征和集聚特征。不同發(fā)展情景下的流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值差異較為明顯。趨勢延續(xù)情景延續(xù)了白洋淀流域在未設(shè)立雄安新區(qū)的背景下的用地需求,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值略有上升,基本實(shí)現(xiàn)流域生態(tài)文明建設(shè)與可持續(xù)發(fā)展。均衡發(fā)展情景兼顧了雄安新區(qū)與流域內(nèi)其他縣市的建設(shè)用地需求,以適應(yīng)于城鎮(zhèn)化的推進(jìn)與增強(qiáng)社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展的主要目標(biāo),生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值略有上升,一定程度上有利于生態(tài)保護(hù)；統(tǒng)籌發(fā)展情景凸顯了國家戰(zhàn)略與生態(tài)約束高水平融合,滿足雄安新區(qū)土地利用急劇轉(zhuǎn)型的同時保障生態(tài)空間的面積。三種發(fā)展情景為未來流域生態(tài)建設(shè)與用地?cái)U(kuò)張?zhí)峁┝酥匾膮⒖?結(jié)合雄安新區(qū)發(fā)展戰(zhàn)略與流域?qū)嶋H發(fā)展需求選擇相應(yīng)的情景以期為區(qū)域提供適用于未來用地空間發(fā)展模式的科學(xué)依據(jù)及理論支撐。白洋淀流域內(nèi)市、縣的城鎮(zhèn)化水平在未來一段時間還將繼續(xù)上升,建設(shè)用地的快速擴(kuò)張時期尚未完全結(jié)束,且又地處于資源環(huán)境承載能力較弱、水資源超載、景觀破碎、空氣質(zhì)量治理任重道遠(yuǎn)的華北地區(qū),提升白洋淀流域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能需求十分迫切[5,47]。因此,雄安新區(qū)作為生態(tài)城市建設(shè)的標(biāo)桿,有必要探討在高質(zhì)量發(fā)展背景下制定精細(xì)化、差異化的國土空間格局優(yōu)化調(diào)控措施,協(xié)調(diào)與流域其他區(qū)域的發(fā)展目標(biāo)。

4.2 結(jié)論

白洋淀流域由于獨(dú)特的地理位置,人類活動對流域內(nèi)的土地利用結(jié)構(gòu)變化有著顯著影響,本研究以土地利用變化為基礎(chǔ),采用當(dāng)量因子法估算4期生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值,并借助CA-Markov模型,模擬不同情境土地利用格局,進(jìn)而測算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化情況。主要結(jié)論如下：

(1)1990—2020年白洋淀流域土地利用變化最明顯的特征是耕地面積銳減,建設(shè)用地迅速擴(kuò)張,30年間耕地面積減少了122776.99hm2,建設(shè)用地增加了167369.74hm2。

(2)1990—2020年研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值分別為852.59億元、788.26億元、796.95億元和784.68億元,總體呈波動下降的趨勢。30年間白洋淀流域快速城市化過程導(dǎo)致城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張侵占大量耕地、草地和水域等生態(tài)用地,使人地關(guān)系的矛盾加劇,破壞城市生態(tài)環(huán)境,甚至威脅城市生態(tài)安全。

(3)在對白洋淀流域2035年3種情景模擬后發(fā)現(xiàn),趨勢延續(xù)情景、均衡發(fā)展情景、統(tǒng)籌發(fā)展情景的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值依次為785.36億元、807.26億元、812.46億元,均高于2020年研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值。趨勢延續(xù)情景下,由于城市的快速擴(kuò)張,平原地區(qū)耕地、水域受到影響,山地地區(qū)耕地、草地少部分轉(zhuǎn)化為林地和建設(shè)用地；均衡發(fā)展情景下,由于雄安建設(shè)規(guī)劃和白洋淀生態(tài)環(huán)境保護(hù)的要求,雄安新區(qū)范圍內(nèi)林地、水域增加,其他地區(qū)保持不變；在統(tǒng)籌發(fā)展的情景下,白洋淀流域上游縣域城市建設(shè)放緩,生態(tài)用地增多,為整個流域的生態(tài)安全做出了貢獻(xiàn)。

(4)從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值空間分布來看,白洋淀流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值整體呈現(xiàn)西北高東南低的特點(diǎn)。不同情境下ESV熱點(diǎn)分布情況。總體來說,研究區(qū)ESV值的熱點(diǎn)和冷點(diǎn)分布范圍較大且集聚性較強(qiáng)。