河北省寧晉縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時空演變權(quán)衡分析

摘要? 以寧晉縣為研究區(qū)，基于土地利用/覆被社會經(jīng)濟統(tǒng)計資料等數(shù)據(jù)，評估不同時期的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，分析其損益變化權(quán)衡關(guān)系的時空規(guī)律。結(jié)果表明：1995—2019年生態(tài)系統(tǒng)多功能性、生產(chǎn)功能和生態(tài)功能整體呈先增加后減少；氣候調(diào)節(jié)、養(yǎng)分固持、氣體調(diào)節(jié)功能呈增加趨勢；水源涵養(yǎng)功能明顯下降；污染物容納功能持續(xù)降低。耕地面積減少導(dǎo)致流失的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)最大。生態(tài)系統(tǒng)多功能性、生態(tài)功能、水源涵養(yǎng)功能與其他功能由協(xié)同關(guān)系變?yōu)闄?quán)衡關(guān)系。

關(guān)鍵詞? 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值；權(quán)衡分析；時空演變；土地利用

中圖分類號? X171? 文獻標識碼? A

文章編號? 0517-6611（2024）04-0036-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.04.009

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Temporal and Spatial Variation Trade.offs Analysis of Ecosystem Services in Ningjin County of Hebei Province

ZHOU Li.na

（Baoding University，Baoding，Hebei 071000）

Abstract? Taking Ningjin County as the research area，base on the LUCC and social and economic statistics，the value of ecosystem services in different periods were estimated，the temporal and spatial change rule of the trade.off relationship between profit and loss were analyzed.The results showed that during 1995-2019，multi.functionality of ecosystem，production function and ecological function showed increased first and then decreased;the functions of climate regulation，nutrient fixation and gas regulation were showing an increasing trend; the water conservation function had significantly decreased; the pollutant containment function continued to decrease.The loss of ecosystem services caused by the reduction of cultivated land area was the most.Multi.functionality，ecological function，water conservation function and other functions of the ecosystem had changed from synergy to trade.off.

Key words? Ecosystem service;Trade.offs analysis;Temporal and spatial change;Land use

基金項目? 河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項目（ZC2021002）。

作者簡介? 周麗娜（1983—），女，河北廊坊人，講師，碩士，從事農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究。

收稿日期? 2023-03-21

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是人類從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的所有收益，是人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)［1］，然而隨著社會發(fā)展和人類急劇增長對食物供給的要求不斷增加，對生態(tài)系統(tǒng)造成巨大壓力，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力正在受到嚴重削弱［2］，人類當(dāng)前面臨的多種生態(tài)問題的本質(zhì)是由于生態(tài)系統(tǒng)功能與服務(wù)受到破壞與退化的后果［3-5］。國內(nèi)外土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究多采用遙感影像解譯獲取 LUCC 數(shù)據(jù)，應(yīng)用 GIS 進行時空變化分析［6-19］，使用 InVEST 模型模擬生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)［20-22］，為生態(tài)補償［23-24］、生態(tài)安全格局構(gòu)建［25-27］、土地利用管理與規(guī)劃［28］提供基礎(chǔ)信息。

寧晉縣地處太行山東麓沖積平原，地勢低平，境內(nèi)有洨河、滏陽河等河流，是國家重要的商品糧生產(chǎn)基地，也是冀中平原重要的生態(tài)屏障區(qū)。如何通過合理調(diào)控土地利用保障糧食安全、緩解生態(tài)壓力，實現(xiàn)不同類型生態(tài)系統(tǒng)功能協(xié)同發(fā)展是該區(qū)域面臨的重要問題之一。筆者通過指標量化，研究寧晉縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的價值變化，采用生態(tài)系統(tǒng)多功能的響應(yīng)比進行權(quán)衡分析，為把握區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化、構(gòu)建生態(tài)安全格局提供研究依據(jù)。

1? 資料與方法

1.1? 數(shù)據(jù)來源

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括：①寧晉縣1995、2003、2011、2019年4期土地利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)源為Landsat7 ETM、Landsat8-9 OLI數(shù)據(jù)。通過非監(jiān)督分類和人工目視判讀相結(jié)合的方法進行遙感解譯分為6類用地，空間分辨率為30 m，混合矩陣檢驗Kappa系數(shù)在88%以上。②《河北省統(tǒng)計年鑒》《中國農(nóng)產(chǎn)品成本匯編》等。

1.2? 生態(tài)系統(tǒng)功能評價與研究方法

1.2.1? 生態(tài)系統(tǒng)功能評價方法。

根據(jù)《中國生物多樣性國情研究報告》［5］對生態(tài)系統(tǒng)功能進行經(jīng)濟價值評估，構(gòu)建以下評估體系（表1）。森林和草地生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)價值評估及相關(guān)系數(shù)計算參考《森林生態(tài)系統(tǒng)功能評估規(guī)范》［29］和相關(guān)研究［30-34］。

（1）生產(chǎn)功能。森林和淡水生產(chǎn)功能價值以林業(yè)和漁業(yè)總產(chǎn)值表示。農(nóng)田和草地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)功能以農(nóng)產(chǎn)品和牧草經(jīng)濟價值表示。計算公式如下：

EC=ni=1（gi×Yi）

Eg=Ac×Y草×H

式中：EC為農(nóng)田生產(chǎn)價值（元）；i為主要作物種類（小麥、玉米、大豆、花生、棉花和蔬菜）；Yi為某作物當(dāng)年產(chǎn)量（t/hm2）；gi為某農(nóng)作物當(dāng)年市場價格（元/t）。Eg為草地生產(chǎn)價值（元）；Ac為草地面積（hm2）；Y草為牧草產(chǎn)量（t/hm2），參考已有研究取2.53 t/hm2［30］；H為牧草價格（元/t），按照近年市場價800元/t計算。

（2）氣候調(diào)節(jié)。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氣候調(diào)節(jié)包括固碳和釋氧功能價值。按照作物每合成單位有機干物質(zhì)所吸收的碳量和釋氧量的方法［35］計算。計算公式如下：

MC=ni=1ci×Yi×（1-Wi）×T碳HIi

MO=ni=1ri×Yi×（1-Wi）×C制氧HIi

式中：MC 為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳蓄積量（ t/a）；MO 為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氧氣的釋放量（ t/a ）；ci 為作物碳吸收率（%）；Yi 為作物經(jīng)濟產(chǎn)量（ t/a ）；Wi 為作物經(jīng)濟產(chǎn)品部分的含水量（%）；HIi為作物經(jīng)濟系數(shù)；ri為釋氧量（t/a）;T碳根據(jù)瑞典碳稅法，按 2018 年 8 月匯率計算為1 200元/t;C制氧為工業(yè)制氧價格1 000元/t。

（3）養(yǎng)分固持。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分固持價值可通過秸稈還田價值表示，參考秸稈資源相關(guān)研究［29，36］，秸稈養(yǎng)分折算計算方法如下：

FCN=ni=1［yi×Si×N耕×C1/R1］

FCP=ni=1［yi×Si×P耕×C1/R2］

FCK=ni=1［yi×Si×K耕×C2/R3］

FC=FCN+FCP+FCK

式中：FC為農(nóng)田養(yǎng)分固持價值量（元）；Si為作物谷草比［37］；N耕、P耕、K耕分別為作物秸稈含N、P、K的百分比，根據(jù)相關(guān)研究計算作物養(yǎng)分含量［38］；R1、R2、R3分別為化肥磷酸二銨含氮量（%）、磷含量（%）、氯化鉀化肥鉀含量（%），按照14.00%、 15.01%、 50.00%計算;C1、C2采用 2007 年中國農(nóng)業(yè)信息網(wǎng)公示平均價格磷酸二銨為2 400 元/t、氯化鉀為2 200 元/t。

（4）水源涵養(yǎng)。水源涵養(yǎng)價值包括水源調(diào)節(jié)價值和水分凈化價值。采用影子工程法和替代工程法進行估算［29］。耕地水源涵養(yǎng)價值計算如下：

W耕調(diào)節(jié)=10×Ag×（P-E耕-θ耕）×L1

W耕凈化=10×Ag×（P- E耕-θ耕）×L2

式中：W耕調(diào)節(jié)為耕地水源調(diào)節(jié)價值（元）；W耕凈化為水源凈化價值（元）；P為降雨量（mm/a）；E耕為耕地水分的蒸散量（mm/a）；Ag為耕地面積（hm2）；θ耕為地表徑流量（mm/a）；L1為修建水庫的造價（元）；L2為水的凈化費用（元）。依據(jù)文獻［39］可知，耕地土壤年蒸發(fā)量為196.58 mm，地表徑流系數(shù)以河北平原徑流系數(shù)的平均值計算為32%［40］。

水域水源涵養(yǎng)功能經(jīng)濟價值計算公式如下：

W水調(diào)節(jié)=10×Aw×P×L1

W水凈化=10×Aw×P×L2

式中：W水調(diào)節(jié)為水源涵養(yǎng)功能價值（元）；Aw為水域面積（hm2）；W水凈化為水的凈化價值（元）。其他指標同前。

（5）氣體調(diào)節(jié)。

林地的氣體調(diào)節(jié)功能主要計算SO2的吸收和阻滯粉塵的功能價值。參考《中國生物多樣性國情研究報告》［5］取值。廢氣排污費按照河北省2020年的排污費收費標準計算。

（6）污染物容納。

以農(nóng)田化肥流失損失費用和農(nóng)藥、地膜污染造成產(chǎn)量經(jīng)濟損失來表征污染物容納能力價值量?；柿魇廴居嬎愎饺缦拢?/p>

LF=-ni=1（1-q）×（LN×1814×0.70.8+LP×14262×0.70.05）

式中：q為化肥利用率（%）;LN為折純氮肥量（t）;LP為折純P2O5肥料量（t）;18/14為N元素與氨氮的摩爾系數(shù);0.8為氨氮的污染當(dāng)量值;0.7為每當(dāng)量污染物收費額;142/62為P2O5和元素P的摩爾系數(shù);0.05為元素P的污染當(dāng)量值。

地膜污染造成損失以農(nóng)作物減產(chǎn)的經(jīng)濟損失表達，計算公式如下：

LG=-ni=1（Yi×di×Pi）

式中：Yi 為作物經(jīng)濟產(chǎn)量（t/a）;di為作物產(chǎn)量損失率（%）［41-42］;Pi為某作物的市場價格（元）。

農(nóng)藥污染損失的計算采用影子工程法，按農(nóng)藥主要成分氯氰菊酯參照工業(yè)水污染排污標準計算生產(chǎn)廢水，以其生化需氧量BOD5污染收費來評估農(nóng)藥污染價值。計算公式如下：

LA=-Yi×T×LCOD×k×b

式中：Yi 為作物經(jīng)濟產(chǎn)量（t/a）;T為轉(zhuǎn)位廢水量（t/t）;LCOD為化學(xué)需氧量（mg/L）;k為COD與BOD5的轉(zhuǎn)換系數(shù)［43］;b為每當(dāng)量排污收費額0.7元。

1.2.2? 權(quán)衡系數(shù)計算。

采用響應(yīng)比［44］計算權(quán)衡系數(shù)C，反映生產(chǎn)功能增減比例與生態(tài)功能增減比例，權(quán)衡評價生態(tài)系統(tǒng)功能性，計算公式如下：

Cc-o=ln（Ec/Eo）+ln（Yc/Yo ）

RE=ln（Ec/Eo）

RY=ln（Yc/Yo）

式中：Cc-o表示不同年限生態(tài)系統(tǒng)功能的權(quán)衡系數(shù)；Ec/Eo表示不同年限生產(chǎn)功能的比例；Yc/Yo表示不同年限生態(tài)功能的比例；RE為生產(chǎn)功能權(quán)衡系數(shù)；RY為生態(tài)功能權(quán)衡系數(shù)。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 土地利用變化分析

遙感影像解譯土地利用類型如圖1所示，土地利用面積占比統(tǒng)計（表2）表明，1995—2019年耕地面積明顯減少，由89.25%減少至60.55%，城鎮(zhèn)化發(fā)展使得建設(shè)用地面積由10.18%增加至33.29%。隨著生態(tài)環(huán)境保護力度增加和退耕還林、植樹造林政策的實施，林地面積增加了5.54百分點。草地和水域面積占比變化不大。

從轉(zhuǎn)出數(shù)據(jù)分析（表3），耕地轉(zhuǎn)出面積最多，建設(shè)用地的轉(zhuǎn)出面積第二，主要復(fù)墾為耕地，其次為建設(shè)用地、林地、水域。從轉(zhuǎn)入特征分析，城鎮(zhèn)擴張導(dǎo)致建設(shè)用地轉(zhuǎn)入面積最多，其次為林地、耕地、水域、草地，未利用地轉(zhuǎn)入面積最少。1995—2019年寧晉縣土地利用表現(xiàn)為建設(shè)用地大量擴張，耕地面積迅速減少，林地、水域和草地面積不斷增加的變化特征。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為研究區(qū)主要生態(tài)系統(tǒng)類型。

2.2? 生態(tài)系統(tǒng)功能價值評價

從表4可以看出，1995—2019年寧晉縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值、生產(chǎn)功能和生態(tài)功能整體上呈先增加后減少的趨勢，氣候調(diào)節(jié)功能增加明顯，養(yǎng)分固持功能穩(wěn)定增長，水源涵養(yǎng)功能明顯下降；氣體調(diào)節(jié)功能呈快速增加趨勢，與林地面積的顯著增加有關(guān)；污染物容納功能逐年降低。各類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值平均值從大到小依次為農(nóng)田>草地>森林>淡水（表5）。

2.3? 生態(tài)系統(tǒng)功能權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系時空變化

權(quán)衡系數(shù)計算結(jié)果（表6）顯示，1995—2003年生態(tài)系統(tǒng)多功能性和各功能間為協(xié)同關(guān)系，其中污染物容納功能權(quán)衡系數(shù)大于0，農(nóng)田生態(tài)環(huán)境壓力增大。2003—2011年，生態(tài)系統(tǒng)多功能性、生態(tài)功能和水源涵養(yǎng)功能與生產(chǎn)功能、氣候調(diào)節(jié)、養(yǎng)分固持、氣體調(diào)節(jié)功能之間呈權(quán)衡關(guān)系；生產(chǎn)功能與生態(tài)功能呈此消彼長的權(quán)衡關(guān)系；水源涵養(yǎng)功能大幅降低。2011—2019年，生態(tài)系統(tǒng)多功能性、生產(chǎn)功能、生態(tài)功能、養(yǎng)分固持和水源涵養(yǎng)功能與其他功能呈權(quán)衡關(guān)系；環(huán)境污染程度增加，農(nóng)田生態(tài)環(huán)境壓力持續(xù)增大；生態(tài)功能與生產(chǎn)功能呈協(xié)同下降趨勢，生產(chǎn)功能急劇銳減；生態(tài)功能下降速度較上一時期緩慢，說明近年退耕還林、大面積植樹造林等生態(tài)建設(shè)為遏制生態(tài)功能的下降發(fā)揮了一定作用。

利用ArcGIS根據(jù)土地利用和生態(tài)系統(tǒng)價值數(shù)據(jù)繪制生態(tài)系統(tǒng)功能損益圖，如圖2～3所示。從圖2～3可以看出，1995—2003年，生態(tài)系統(tǒng)多功能性以及各功能增益和減損面積變化較小。2003—2011年，氣候調(diào)節(jié)功能增益面積顯著增加，減損面積較少；其他功能增益減損面積較少。2011—2019年，生態(tài)功能增益和減損面積變化最為顯著，氣體調(diào)節(jié)功能損益面積變化較小，其他功能增益和減損面積變化一致。

從生態(tài)系統(tǒng)功能時間權(quán)衡與協(xié)同變化趨勢（圖4）可以看出，1995—2019年生態(tài)系統(tǒng)多功能性和生產(chǎn)功能的增長速度明顯減慢，根據(jù)發(fā)展趨勢未來可能出現(xiàn)減損情況；污染物容納功能持續(xù)減損，生態(tài)功能總體減損有所減緩；林地的增加減緩了生態(tài)功能減損速度，水源涵養(yǎng)功能下降是導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)功能下降的主要原因。

由生態(tài)系統(tǒng)功能損益圖（圖5）可知：多功能性、生產(chǎn)功能、生態(tài)功能、氣候調(diào)節(jié)、養(yǎng)分固持功能損益的空間變化規(guī)律一致，隨時間減損面積有較大增加；早期水源涵養(yǎng)功能大面積增加，近期呈大面積減損；氣體調(diào)節(jié)功能保持變化較??；污染物容納功能減損和增益均有較大面積，增益空間為耕地轉(zhuǎn)出面積。1995—2019年區(qū)域生態(tài)功能呈大面積增益而權(quán)衡系數(shù)為負，表明生態(tài)功能時空權(quán)衡關(guān)系不一致；農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)功能單位價值有所提升且面積占比最大，但該區(qū)域生態(tài)功能價值卻整體下降，進一步說明耕地大面積轉(zhuǎn)入建設(shè)用地導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)價值流失。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)多功能性呈現(xiàn)快速增長—緩慢增長—逐漸下降的變化過程；生產(chǎn)功能增速變緩，與生態(tài)功能由協(xié)同關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)闄?quán)衡關(guān)系。草地生態(tài)系統(tǒng)

多功能性逐漸增加，其生產(chǎn)與生態(tài)功能呈協(xié)同關(guān)系。淡水生態(tài)系統(tǒng)多功能性逐漸增加，其生態(tài)功能與水源涵養(yǎng)為協(xié)同關(guān)系。森林生態(tài)系統(tǒng)各功能間保持協(xié)同增長。

3? 討論

土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)價值的影響十分顯著，這與多數(shù)研究結(jié)果一致［17，45-47］。研究區(qū)耕地大量流向建設(shè)用地導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)多功能性降低。增加林地類型結(jié)構(gòu)有利于緩解區(qū)域生態(tài)環(huán)境壓力和提升整體生態(tài)功能。有研究顯示，林地面積的增長對生態(tài)系統(tǒng)的積極影響一定程度抵消了建設(shè)用地面積的加劇帶來的消極影響［10］。有研究表明氣候?qū)烫挤?wù)貢獻較大［48］。

對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與功能價值評估采用計算經(jīng)濟價值的方法，結(jié)合文獻查閱采用普查數(shù)據(jù)、系數(shù)修正等方法評估。此外經(jīng)典的評估方法如謝高地等［49-51］核算了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)單位面積價值量，部分文獻通過計算植物凈初級生產(chǎn)力評估生態(tài)系統(tǒng)功能［52-53］。對于消納污染物的能力評估，有研究通

過評估農(nóng)藥地膜等對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的污染造成的損失來表示［54］。結(jié)合相關(guān)研究［42］引入減產(chǎn)系數(shù)，對地膜污染造成的生態(tài)系統(tǒng)功能價值損失進行評估，此外有文獻采用意愿調(diào)查法［55］進行評估?；柿魇Ш娃r(nóng)藥使用的污染負價值評價根據(jù)污染的生產(chǎn)排污收費計算。近年來對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與功能權(quán)衡分析認為生態(tài)系統(tǒng)功能權(quán)衡分析是多重的，應(yīng)考慮時間和空間尺度效應(yīng)［56-59］。

4? 結(jié)論

1995—2019年，研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)多功能性、生產(chǎn)功能和生態(tài)功能整體呈現(xiàn)先增加后減少趨勢；氣候調(diào)節(jié)、養(yǎng)分固持功能穩(wěn)定增加，氣體調(diào)節(jié)功能增加迅速；水源涵養(yǎng)功能明顯下降；污染物容納功能持續(xù)降低。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的主體，由耕地面積減少導(dǎo)致流失的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)最大，該地類生態(tài)系統(tǒng)價值主要流向建設(shè)用地。森林、草地生態(tài)系統(tǒng)對提升區(qū)域生態(tài)的系統(tǒng)價值具有重要意義。土地利用對生態(tài)系統(tǒng)多功能性有重要影響。研究期內(nèi)區(qū)域生態(tài)功能、水源涵養(yǎng)功能、生態(tài)系統(tǒng)多功能性和其他功能由協(xié)同關(guān)系變?yōu)闄?quán)衡關(guān)系。農(nóng)田生態(tài)功能的協(xié)同/權(quán)衡關(guān)系時空表現(xiàn)不一致。

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