河南省土地利用下的生态系统服务变化分析

范钦栋，梁国付，马顺兴

(1.华北水利水电大学建筑学院，河南郑州450011;2.河南大学黄河中下游数字地理技术重点实验室，河南开封475004;3.河南投资集团有限公司，河南郑州450008)

土地利用/覆被变化(LUCC)已经成为全球环 境变化的核心研究领域之一［1］，也是导致全球生物多样性丧失和生态系统服务退化的直接原因［2］.土地利用/覆盖变化下的生态系统服务变化模拟已经成为国际研究的热点［3］.早期的一些研究集中在定性分析土地利用变化和生态系统服务价值的关系，近期在3S技术支持下，国内外研究逐步开始采用数学模型对土地利用覆盖变化和生态系统服务变化进行具体的计算和模拟［4，5］.土地利用变化/覆被变化引起各类生态系统面积、空间分布格局等的变化，直接影响到生态系统服务的存在和强度［6］.土地利用作为人类最基本的实践活动，对维持和改变生态系统服务功能起着决定性的作用［7，8］.研究土地利用/覆盖背景下的生态系统服务价值变化对促进区域生态建设，研究区域可持续发展具有重要意义［9，10］.河南是中华文明的发源地，随着土地利用方式的改变，景观异质性也发生了重大改变，景观生态系统服务的功能和价值也产生了巨大的变化［11］.采用1990—2010年的土地利用数据对河南省土地利用/覆盖变化进行研究，分析其生态系统服务价值的变化，为下一步基于格局和过程的生态系统服务价值变化提供基础，为河南省政府决策提供参考.

1 研究区概况

河南位于中国中东部，北纬31°23’～ 36°22’，东经110°21’～ 116°39’.地势西高东低，北、西、南3面千里太行山脉、伏牛山脉、桐柏山脉、大别山脉沿省界呈半环形分布;中、东部为华北平原南部;西南部为南阳盆地，跨越黄河、淮河、海河、长江4大水系，山水相连.国土面积16.7万km2，居全国省区市第17位，约占全国总面积的1.73%.在全省面积中，山地丘陵面积7.4万km2，占全省总面积的44.3%;平原和盆地面积9.3万 km2，占总面积的55.7%.复杂多样的土地类型为农、林、牧、渔业的综合发展提供了有利的条件.

2 研究方法

2.1 数据来源和数据处理

河南省1990年地图数据采用当时土地利用图(实地测绘制图)，2010年地图采用1∶1×104的地形图为几何校正的主控图件，采用控制点校正方式对TM影像数据进行几何校正，精度控制在0.5个像元以内，然后实地进行重采样对比，吻合度达到95%以上.结合中国土地利用现状分类标准［12］以及本研究需要将土地类型分为以下6类:耕地、林地、草地、水域、居民工矿用地和未利用地.采用分层随机采样法，结合目视判读的结果、相近时期的土地利用图和地形图，利用误差矩阵方法对以上4期土地利用分类结果进行精度检验，2期土地利用图 Kappa系数均达到0.90以上.

2.2 土地利用类型变化分析模型

土地利用动态度可以定量的分析一定区域土地利用变化的程度.土地利用动态度可分为单一的土地利用动态度以及综合的土地利用动态率和综合土地利用度.

单一的土地利用动态度直接反映了研究区内某种土地利用变化的速率，具体表达式为:

式中:Ua和Ub分别为研究期初和研究期末某一种土地类型的面积;T为研究期时长.当T的单位为年时，K的值就是该研究区域单一类型土地利用年变化率.

综合土地利用动态度(G)是反映研究期内同一区域土地各种利用类型的相互转换的剧烈程度，公式表述为:

2.3 生态系统服务价值计算方法及模型

研究区不同土地利用生态系统服务参照COSTANZA等［13］的文献，分为气体调节、气候调节、水源涵养、土壤形成与保护、废物处理、生物多样性保护、废物处理、生物多样性保护、食物生产、原材料和娱乐文化等9类.河南省生态系统服务价值当量因子则参考谢高地等［14～16］基于问卷调查的中国生态系统服务价值当量因子表，即不同用地类型单位面积每年的服务价值，同时根据谢高地等对生态服务价值的区域修正系数(河南省为1.39)，制定河南省不同土地利用类型的生态系统服务单位价值表，如表1所示.

参考COSTANZA等［13］的计算方法:

式中:ESV为总生态系统服务价值;ESVk为第k类土地类型的生态系统服务价值，1≤k≤n;ESVf为第f类生态系统服务价值，1≤f≤m;Vf为第k类土地利用类型中第f项生态服务价值;Ak为第k类土地类型中第f项的面积.

表1 河南省不同土地利用类型单位面积生态系统服务价值Table 1 Ecosystem services value unit area with different land use types in the Henan province

利用根据式(3)～(5)计算各个土地利用类型的服务价值、各项服务功能的价值和生态系统服务的总价值.

3 结果与分析

3.1 土地利用/覆盖变化分析

河南省1990—2010年土地利用/覆盖变化如表2所示.耕地和林地的面积最大，约占河南省总面积的81%，其中耕地(水地和旱地)约占土地利用类型的65%，这与河南省是农业大省的定位吻合，其次为草地、水域和居民工矿用地.河南省土地利用率高，未利用的土地面积(沙地、戈壁、盐碱地、沼泽地、裸土地、裸岩石砾地等其他)仅占河南省总面积的0.1%.

从1990—2010年的土地利用动态变化上分析，各种土地利用类型动态变化不大，均在3%以内，综合土地利用动态率为1.7.耕地和林地几乎没有变化，未利用地动态度最高，且为负值，说明土地利用强度增大，未利用土地继续被开发.居民工矿用地、水域和草地动态变化速度次之，居民工矿用地动态变化在3者中最快，为正值，与社会经济发展呈正相关;水域和草地动态变化较低，均为负值，所占面积和比例不同程度的降低;从土地变化面积上分析，自然发展为主的土地利用类型(草地、林地、水域、未利用地)除林地外均在减少，即自然资源比例逐渐降低、降低速率平缓，林地的增加与同时期林业的重视和植树造林活动相关.居民工矿用地和耕地两种人工干涉较多的土地类型比例均在增加，居民工矿用地增加最快，增加面积约1 195.7 km2.

3.2 生态系统服务价值变化分析:

根据表1和表2得出河南省1990—2010生态系统服务价值构成及变化如表3所示.

具体生态系统服务价值变化与土地利用变化关系参照图1.横坐标代表土地利用类型，纵坐标代表面积及价值变化值.面积单位取km2，价值变化单位取106元.

除居民工矿用地外，生态系统服务价值的变化和土地利用类型的变化呈现正相关关系，即其它用地类型面积的增加伴随着生态系统服务价值的增加，而居民工矿用地的增加却导致生态系统服务价值的降低.自1990—2010年，耕地和林地面积基本保持不变的状态下，其他各种土地利用类型的生态系统服务价值均在降低，总价值降低约0.6×1010元.水域在其面积变化值较小的情况下，生态服务价值变化最大，达到0.3×1010元，与其单位面积较高的生态系统服务价值呈正相关.草地和居民工矿用地虽然面积变化值较大，但其单位面积生态系统服务价值较低，所以价值变化影响较低.未利用地情况类似于水域.

表2 河南省1990—2010年土地利用/覆盖变化Table 2 Land use/cover change in Henan province from 1995 to 2005

表3 河南省1990—2010年生态系统服务价值构成及变化Table 3 Ecosystem services value and their variation in Henan province from 1990 to 2010

图1 河南省1990—2010年土地利用类型与生态系统服务价值变化Fig.1 Ecosystem services value variation for land use changing in Henan province from 1990 to 2010

4 结论与讨论

利用遥感和地理信息系统，获取河南省土地的利用/覆盖变化数据，同时构建生态系统服务评价模型对河南省1990—2010年的生态系统服务价值进行研究分析，结果表明:

(1)河南省土地利用率极高，未利用土地仅占0.1%，而且自1990—2010年不断加大，同时也说明此时期内，河南省总体土地利用价值较高;农田面积约占整个面积的65%，展示其农业为主的土地利用现状.农业生态系统服务价值约占总生态系统服务价值的60%，农业以食物供给的生态系统服务为主，间接表明了河南省生态系统调节、支持等服务的弱化，根据生态系统的反馈和平衡原理，在面积不变、投入不变的情况下，食物供给服务会逐渐降低，即河南省的粮食产量会逐渐降低，河南省整体生态环境也会随着社会发展环境会进一步破坏.

(2)河南省1990—2010年土地利用/覆盖发生变化较小，但是生态系统服务价值持续降低，在耕地和林地面积变化不明显的情况下，水域面积变化对河南省生态系统服务价值的影响最为显著，即水域是河南土地利用类型中对生态系统服务影响的最敏感因子.因此在政府在土地利用和开发的决策中，应充分加强对水域的保护，促进生态环境可持续发展.

(3)河南省1990—2010年的土地利用/覆盖变化整体动态度较低，表明了河南省2个时间端点的土地利用变化程度较小，不能准确反映这一时期各个土地类型的相互转化情况.只能阐述这一时期土地利用的变化状态和生态服务价值变化趋势，对变化过程的复杂程度仍是进一步研究的方向.

(4)土地利用/覆盖面积的变化对生态系统服务价值的影响巨大，但在面积维持不变的情况下，改变土地利用类型的格局对生态系统服务的量化影响，仍不确定.

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