基于LUCC的天津市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估

天津師范大學(xué) 艾佳超

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是通過生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能以及生態(tài)過程為人類所提供的收益與效用，包括供給服務(wù)、文化服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)和支持服務(wù)[1]。黨的十八大以來，我國生態(tài)環(huán)境保護認知發(fā)生了歷史性變化，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及其評價的研究作為生態(tài)體系建設(shè)的一方面，是統(tǒng)籌生態(tài)文明建設(shè)的關(guān)鍵。生態(tài)系統(tǒng)的變化與眾多因素息息相關(guān)，一直以來土地利用/覆被變化作為影響生態(tài)系統(tǒng)的重要方式，可以改變生態(tài)系統(tǒng)的格局與過程，從而影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)效能。目前，國內(nèi)外許多學(xué)者也開展了土地利用/覆被變化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值方面的研究。Costanza 等人最早在1997年提出了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值估算的原理和方法，為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的應(yīng)用與研究鋪墊了基礎(chǔ)[2]；國內(nèi)學(xué)者謝高地等在Costanza 的基礎(chǔ)上制定出我國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當量因子表，并進行了理論和方法上的改進，為許多與LUCC 相關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值研究提供了重要參考[3-4]。

天津市作為我國北方最大的沿海開放城市，同時也是京津冀城市圈的重要一員，在國家經(jīng)濟發(fā)展中占有十分重要的地位。自改革開放以來，隨著經(jīng)濟水平不斷提高、城市化建設(shè)不斷加快，地區(qū)內(nèi)的土地利用結(jié)構(gòu)也在發(fā)生急劇變化，不合理的土地利用方式使生態(tài)系統(tǒng)各項服務(wù)能力不斷下降，生態(tài)環(huán)境面臨嚴峻的考驗。另外，隨著人口的增長和聚集，對糧食供給、水資源供給、氣候調(diào)節(jié)、生物多樣性保護等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的需求不斷提升，徹底打破了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供需平衡，嚴重阻礙了地區(qū)內(nèi)經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展[5]。因此，基于土地利用/覆被變化對區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進行分析與評估，有助于直觀、準確地掌握天津市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)動態(tài)，為區(qū)域內(nèi)土地利用規(guī)劃管理和生態(tài)環(huán)境保護提供理論依據(jù)和決策指導(dǎo)。

一、研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

（一）研究區(qū)概況

天津市位于華北平原北部，地跨海河兩岸，總面積11966.45平方千米。天津臨近渤海灣，四季分明，屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)性氣候，年平均氣溫在14°C 左右，年平均降水量在360—970 毫米之間，轄區(qū)常住人口約為1386.6 萬人[6]。

（二）數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

本研究采用的土地利用數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺（http://www.gscloud.cn/） 的Landsat4-5 TM 和Landsat8 TM OLI 影像，參考我國土地利用現(xiàn)狀分類標準以及研究區(qū)實際情況，對每景影像進行輻射定標、大氣校正、圖像鑲嵌與裁剪等預(yù)處理，將區(qū)域土地利用類型劃分為耕地、林地、建設(shè)用地、草地、濕地、水體和未利用地七類，空間分辨率為30m。為了保證土地分類結(jié)果的準確性，通過Arcgis軟件對遙感圖像進行監(jiān)督分類與人工目視解譯，得到三期影像分類精度均大于80%，符合研究所需的精度要求。

研究所采用的主要農(nóng)作物數(shù)據(jù)，如小麥、玉米、稻谷的播種面積、農(nóng)作物產(chǎn)量和市場價格等數(shù)據(jù)來源于天津市統(tǒng)計年鑒以及天津市農(nóng)產(chǎn)品成本收益調(diào)查分析報告。

二、研究方法

（一）土地利用動態(tài)度

土地利用動態(tài)度一般用來描述在某個時期內(nèi)土地利用類型的變化程度，在一定程度上也可以反映出某一研究區(qū)土地利用總體空間格局變化[7]。計算公式如下：

式中：K 表示為某種土地利用類型的動態(tài)度；Aa、Ab分別為研究初期和末期某種土地利用類型的面積；T 為時間段間隔。

（二）生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估

本研究通過參考謝高地于2003 制定出的我國生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)價值當量因子表以及2015年對表進行的改進，并結(jié)合研究區(qū)實際情況，采用旱地、闊葉、灌草叢、濕地、水系和裸地所對應(yīng)的供給服務(wù)、支持服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)和文化服務(wù)4 個一級類和其包含的食物生產(chǎn)等11 個二級類的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當量，進一步估算天津市2000-2020年各土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)單價和總價值。

式中：ESV 為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值（元）；Ak為第k 類土地利用類型的面積（hm2）；VCk為第k 類土地類型單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值；ECf為第k 類土地利用類型第f 項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當量；Ea為1 個標準單位當量因子的經(jīng)濟價值量（元/hm2*a）。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當量因子是指生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的生態(tài)服務(wù)的相對貢獻大小的潛在能力，結(jié)合已有研究，1 個標準單位生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的經(jīng)濟價值約占據(jù)研究區(qū)平均糧食市場價值的1/7[8]。參考區(qū)域下各農(nóng)產(chǎn)品資料數(shù)據(jù)，統(tǒng)計出2000-2020年天津市小麥、玉米、稻谷3 種主要農(nóng)作物的單產(chǎn)、種植面積以及平均市場價格等，估算得到研究區(qū)每個單位的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)經(jīng)濟價值量為2193.94元/hm2。

式中：Ea 為1 個標準單位生態(tài)服務(wù)價值當量因子所提供的經(jīng)濟價值（元/hm2*a）；為研究區(qū)主要農(nóng)作物類別，pi為研究區(qū)i種農(nóng)作物的平均市場價格（元/t）；qi為i 種作物的產(chǎn)量（t/hm2）；mi為i 種作物的耕種面積（hm2）；M 為n 種農(nóng)作物的總種植面積（hm2）。

三、結(jié)果分析

（一）土地利用變化分析

從表1中可以看出天津市土地利用結(jié)構(gòu)以耕地為主，面積占比量達到60%以上，建設(shè)用地和水體、其他土地利用類型面積占比相對較小。2000-2020年研究區(qū)土地利用變化總體特征表現(xiàn)為耕地面積不斷減少，建設(shè)用地面積大幅度增加的趨勢，且不同土地利用類型在不同時間段呈現(xiàn)出階段性的變化特征。2000-2020年耕地面積減少75530hm2，但從時間變化上來看，后十年耕地面積減少速率遠小于前十年耕地面積減少速率，在一定程度上可以反映近些年天津市開展耕地保護工作、嚴守耕地保護紅線的有效性。20年間林地、草地和濕地面積變化不大，其中林地面積呈先增長后下降的趨勢，而草地面積呈現(xiàn)先下降后上升的變化趨勢，濕地類型面積在20年間呈現(xiàn)小幅增加的趨勢；另外，隨著經(jīng)濟的快速增長，京津冀協(xié)同發(fā)展等相關(guān)政策的推進，區(qū)域城鎮(zhèn)化水平進入高速發(fā)展時期，導(dǎo)致2000年到2020年天津市建設(shè)用地面積從136360hm2增加到267310hm2，增加量達到130950hm2，土地利用動態(tài)度達4.8%。從表1中可以看出，建設(shè)用地面積的增加大部分來自耕地、水體面積的轉(zhuǎn)化。城市化建設(shè)的加快，是造成地區(qū)土地利用類型發(fā)生變化的關(guān)鍵因素。在此期間，土地供需矛盾不斷加劇，大量耕地、水域被居民用地或其他建設(shè)用地所侵占，部分生態(tài)用地面積得不到進一步擴張，生態(tài)安全情況不容樂觀。因此，天津市作為北方的經(jīng)濟中心之一，在進行經(jīng)濟發(fā)展的同時應(yīng)該加強耕地面積的保護，嚴格控制建設(shè)用地的規(guī)模管控，優(yōu)化土地利用格局，促進土地節(jié)約集約利用。

表1 2000-2020年天津市土地利用變化特征

（二）生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值分析與評估

利用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當量因子法以及LUCC 數(shù)據(jù)，對天津市2000-2020年土地利用類型ESV進行估算，結(jié)果如表2所示，可以看出20年來天津市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值量變化呈下降趨勢，從2000年的619.87 億元減少到2020年的441.99 億元。從ESV組成結(jié)構(gòu)上來看，水體對研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值貢獻最大，其次是耕地，原因是水體單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當量遠超過其他土地利用類型，對于林地、草地以及濕地來說，盡管其單位生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值較高，但由于其面積占比小，因而其總的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值量并不高。從ESV變化程度上來看，耕地、草地和水體在近20年來生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值呈下降趨勢，林地和濕地呈上升趨勢，水體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值在2000-2020年變化程度最大，減少率為37.33%，其次是濕地，增加率為32.7%。一定程度上反映出由于城市擴張，使得研究區(qū)一部分耕地和水體被侵占，導(dǎo)致ESV 下降。同時由于近些年大力實施生態(tài)環(huán)境保護政策，使得部分生態(tài)用地ESV 有所增加。

表2 天津市不同土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值量變化（108 元）

表3反映了2000-2020年天津市單項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化情況，可以看出每項服務(wù)對ESV的貢獻程度依次是調(diào)節(jié)服務(wù)、供給服務(wù)、支持服務(wù)、文化服務(wù)，其中水文調(diào)節(jié)的ESV 在所有類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值中占比最大，遠高于其他各項生態(tài)服務(wù)類型。從變化趨勢上來看，除食物生產(chǎn)的ESV 呈現(xiàn)波動上升趨勢外，其他各項生態(tài)服務(wù)價值總體上呈下降趨勢，其中水文調(diào)節(jié)減少幅度最大，原因可能是水體、林地等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值較高的土地利用類型面積減少所致?？偟膩碚f，區(qū)域土地利用不合理的變化，引起了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的減少。為了實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需平衡，應(yīng)該大力堅持生態(tài)文明建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，落實地區(qū)土地利用規(guī)劃和生態(tài)環(huán)境保護方針，實現(xiàn)人、社會經(jīng)濟和自然環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。

表3 天津市不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值量變化（108 元）

四、結(jié)論

本研究通過對天津市土地利用/土地覆被進行了動態(tài)變化分析，在此基礎(chǔ)上采用當量因子法評估了天津市2000—2020年三期生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值ESV 的變化情況，主要結(jié)論如下：(1)天津市土地利用結(jié)構(gòu)以耕地占主導(dǎo)，土地利用變化總體特征呈現(xiàn)為耕地面積不斷減少，建設(shè)用地面積大幅度增加的趨勢，其他土地利用類型變化特征不明顯。(2)2000、2010 和2020年研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值ESV 分別為619.87 億元、576.05 億元和441.99 億元，總體呈下降趨勢，其中水體對研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值貢獻最大，其次是耕地。(3)20年間研究區(qū)單項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值呈下降的變化趨勢，水文調(diào)節(jié)對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的貢獻程度最大。