近20年平顶山市生态用地及其生态系统服务演变

张骞, 高松峰, 高成全, 王金柱, 牛磊, 张宁

1. 河南城建学院测绘与城市空间信息学院, 河南平顶山 467036

2. 西南大学资源环境学院, 重庆 400715

3. 河南城建学院建筑与城市规划学院, 河南平顶山 467036

4. 平顶山学院旅游与规划学院, 河南平顶山 467000

1 前言

陆地生态系统受人类活动影响频繁, 地表生态系统类型改变也往往影响人类生存和发展的根本方式。城市作为人类社会与自然环境相互作用最为剧烈的地区, 自改革开放以来, 伴随着工业化、城镇化的发展, 城市自然生态系统越来越多地受到人类干扰, 主要表现在原有林地、草地和耕地被大量侵占,生态系统服务能力退化。城市是以人类活动为主导的一类自然—经济—社会复合生态系统[1], 面对全球性和区域性的生态环境问题, 探讨“地理—生态”耦合变化的发生机理, 以生态用地作为研究单元, 具有非常重要的理论意义和现实意义[2]。在此背景下, 城市生态用地的空间格局与生态系统服务功能价值演变逐渐成为土地资源学的研究热点[3-6], 如何从国土开发布局与生态系统服务功能互相协调角度,提出水土资源空间配置战略思路和措施是中国生态文明建设的重大科技需求和理论问题[7]。

“生态用地”是指具有提供生态产品与生态系统服务的重要空间, 在维护区域生态平衡, 保障国土生态安全与维持生物多样性、预防与缓减自然灾害领域里发挥着重要作用[8]。国内这一概念最早由董雅文[9]提出。之后国内学者围绕生态用地概念与内涵[10-13]、分类体系[14-16]进行了一系列研究。其研究范围也由全国[15, 17-19]演化到区域[13, 20, 21]、城市[11, 22-25]等不同尺度。生态系统服务代表着人类及其所居住的自然生态系统环境提供的一类维持人类生存与发展的必要环境条件与生态效用[26], 开展生态系统服务研究,是生态系统恢复、生态功能区划和建立生态补偿机制、保障国家生态安全的重大战略需求[27]。不同的土地利用类型提供了不同的生态系统服务功能[28],如水源涵养、气候调节、空气净化、粮食供给等生态服务功能均由不同的生态用地类型提供, 因此目前也普遍认为生态用地的格局演变是导致生态系统服务发生转变的重要原因[29]。

在生态系统服务的定量化分析中, 整体上可以分为价值量评估和物质量评估两类[30], 国际上以De Groot[31-33]、Costanza[34]的研究成果最为瞩目。生态系统服务功能价值评估工作开展较早, 作为景观功能、土地功能分类和评估的基础, 其影响范围大, 适用范围广[3]。谢高地在 Costanza的研究基础上, 后续通过价值转换[35]、专家知识[36]以及单位面积价值当量[37]修正并改进了生态系统服务价值模型[38], 部分学者应用在不同区域、城市以及县域尺度作为价值评估的依据[39-41]。

平顶山市作为国内的典型煤炭资源城市, 面临资源枯竭、水环境恶化、采煤区地表塌陷、空气污染等一系列生态环境问题, 基于生态理念的转型发展是平顶山市亟需解决的首要问题。采用RS、GIS技术的基础上结合平顶山市生态用地分布类型, 采用谢高地的生态系统服务功能价值当量模型进行转换, 研究探索平顶山市生态用地时空格局变化、生态系统服务功能价值定量评价以及生态系统服务演变特征三个科学问题, 以期为资源型城市生态文明城市建设提供理论依据及数据支撑。

2 研究区概况与研究方法

2.1 研究区概况

平顶山市位于河南省中部地区, 是豫中地区的中心城市, 也是国家重要的能源原材料工业基地和中原经济区重要的煤炭资源与盐矿资源主产区。行政区范围包含四区六县(市)： 新华区、湛河区、卫东区、石龙区、舞钢市、汝州市、鲁山县、宝丰县、叶县、郏县。全区面积7882 km2, 2013年常住人口495.7万人, 总人口537.5万人, 城镇化率46.4%。研究区主要地貌类型有山地、平原、丘陵等, 整体地势呈西高东低分布, 最高山峰位于鲁山县西部边界的尧山, 海拔 2153.1米, 东部则以平原为主。其海拔高度大多在300—700米之间。研究区为大陆性季风气候, 多年平均气温为 14.8—15.2 ℃之间, 年均降水量为1000 mm, 四季分明。

图1 研究区示意图Fig.1 Location map of study area

2.2 生态用地分类

根据平顶山市土地利用现状图(2012年), 参考《土地利用现状分类》(GB/T 21010—2007), 《第二次全国土地调查技术规程》(TD/T 1014—2007), 以土地利用现状分类为基础开展生态用地划分并与之进行科学衔接, 从生态系统类型、土地利用类型、土地生态功能三个方面来划分平顶山市生态用地类型。操作在ArcGIS 10.3中合并土地类型后将平顶山市生态用地类型分为农田、林地、草地、水域四个大类, 按照生态系统类型和土地利用现状又进行了二级地类划分。具体分类情况详见表1。

2.3 数据来源及技术处理

所采用的数据主要包括3期(1995年、2005年、2015年)Landsat TM/ETM遥感影像, 为尽可能避免因季节产生的植被覆盖偏差, 选择日期分别为 1995年6月30日, 2005年8月17日, 2015年7月24日遥感影像, 同时搭配30米数字DEM高程图、土地利用现状调研数据, 另有2012年土地利用现状图作为对照。遥感影像处理过程如下：

对非监督分类的遥感影像进行目视修改后, 通过聚类分析、过滤分析和最大相似值处理, 在精度评价过程中通过对 Kappa系数进行检验, 其结果分别为0.91(1995年)、0.85(2005年) 、0.88(2015年), 精度评价结果满足于研究需求。

2.4 研究方法

2.4.1 生态用地动态度计算方法

单一生态用地变化动态度公式：

式中：ELUC为研究时段内单一生态用地类型动态度;ELUi、ELUj别为研究初期和研究末期单一生态用地类型数量;T为研究时段长, 当T的时段设定为年时,ELUC的值就是该研究区某种生态用地类型年变化率。

表1 平顶山市生态用地类型Tab.1 Ecological land use types of Pingdingshan city

图2 遥感影像处理流程图Fig.2 Remote sensing image processing flow chart

生态用地综合动态度公式：

式中：ELUi是研究起始时间段内的第i类生态用地类型的面积;ΔELUi-j为研究时段内第i类生态用地类型转为非i类生态用地类型面积的绝对值;T为研究时段长度。当T的时段设定为年时, ∑ELUC的值就是该研究区生态用地年变化率[42]。

2.4.2 基于单位面积价值当量因子的生态系统服务评估方法

生态系统服务功能价值评估模型众多, 其中以Costanza和谢高地的研究成果应用较为广泛。生态系统服务的单位面积价值当量是指不同类型生态系统单位面积上各类服务功能年均价值当量[37]。计算方法为采用 1hm2全国平均产量的农田每年自然粮食产量的经济价值, 以此当量为参照, 在结合专家知识的基础上, 来确定其他生态系统服务的当量因子, 其作用在于可以表征和量化不同类型生态系统对生态服务功能的潜在贡献[37]。针对平顶山市生态用地分类, 在谢高地2015年提出的单位面积价值当量因子基础上, 结合平顶山市土地利用数据对谢高地单位面积价值当量系数进行加权平均, 然后对单位面积价值当量系数进行转换, 最终确定平顶山市生态系统单位面积服务价值因子系数(表2)。在充分考虑因物价变化等人为干扰因素为研究结果带来的影响, 统一采用《2013年河南省统计年鉴》[43]中的1 hm2的农田生态系统食物生产的净利润作为标准,通过精确计算出农田生态系统自然条件下粮食生产的服务价值并进行价格转换, 最终确定平顶山市农田生态系统的食物生产服务价值为10770元/hm2。

生态系统服务总价值的测评公式为：

式中：ESVt表示研究区的生态系统总服务价值;Ai表示研究区生态用地分类的第i种类型的面积(hm2·a-1);Vi表示第i种生态用地类型的生态系统服务价值量[34]。

3 结果与分析

3.1 平顶山市1995—2015年生态用地演变特征

表2 平顶山市生态用地单位面积价值当量系数Tab.2 Ecosystem service value of per unit area in Pingdingshan city

平顶山市生态用地演变特征可以从其空间分布、结构变化以及面积增减三个方面来反映。从空间分布来看(图3), 平顶山市市辖区城市扩展呈“东—西”扩展方向, 其他各区县中心呈现出“集聚—外扩”特征, 沿市区主干道建设路向西沿平西湖打造的新城区建设是农田减少的主要原因。林地的空间增长主要体现在平顶山西部的尧山自然保护区建设与汝州市北部丘陵区的退耕还林还草措施, 草地空间变化主要体现在汝州市北部和鲁山县以北, 其主要原因是荒草地植树造林。市区南部的舞钢市所属的石漫滩国家森林公园对市区水域生态用地贡献突出, 同时, 平顶山市新城区的白龟湖国家湿地公园的建设以及市建设路西段的基于采煤塌陷区打造的白鹭湖国家城市湿地公园均为水域生态用地的增长做出明显贡献。从结构与数量变化来看(图4、图5), 农田比例持续下降, 由 69.30%下降为 53.51%,20年间一共减少126341.39 hm2, 林地比例由1995年的17.46%增长到2015年的23.76%, 20年间面积增加48952 hm2, 水域比例由2.60%增长到研究期末的3.72%, 20年间一共增长8693 hm2。建设用地比例由 6.72%增长到 16.27%,20年间一共增长 74921.09 hm2。草地比例由3.91%下降到2.74%, 相对于农田、林地来说, 草地整体所占比例较低, 20年间一共减少9337 hm2。

图3 平顶山市1995—2015年生态用地空间变化Fig.3 Spatial of ecological land changes in Pingdingshan city from 1995-2015

图4 平顶山市生态用地结构变化Fig.4 Ecological land use structure changes in Pingdingshan city

图5 平顶山市生态用地与建设用地面积变化Fig.5 Ecological land and built-up area changes in Pingdingshan city

3.2 生态用地转移特征分析

3.2.1 生态用地变化速率

反映某一类型的生态用地转移的快慢可以用单一动态度来表示, 而综合动态度值则可以反映整体生态用地在某一研究期内的综合活跃程度。如表3所示, 在1995—2005年间, 水域转移速率最高, 年均增长幅度达到 3.8%, 其次是林地, 年均增长0.99%。草地年均减少2.57%, 农田年均减少0.99%。在2005—2015年间, 林地转移速率变化明显, 年均达到 2.33%, 水域增长幅度为年均0.32%, 农田在这段时期内减少最为激烈, 年均达到 1.47%, 其次是草地, 年均减少0.61%。整个研究区来看, 1995—2005年变化幅度要略低于2005—2015年, 在这两个研究期内不同生态用地转移速率也不尽相同。1995—2005年间,以水域增加、草地减少为主, 在2005—2015年间,则以农田减少、林地增加为主, 整个研究期内生态用地结构呈现出“两减两增”的结构变化特点, 主要原因有以下几点： 1998年舞钢市石漫滩水库的修建, 并于2001年入选首批国家水利风景区对该时期水域的增加贡献较多; 随着平顶山市整治采煤塌陷区, 并对采煤塌陷区进行生态修复所打造的白鹭洲国家城市湿地公园也为城市湿地增长做出贡献。2005年后, 平顶山市进行生态旅游城市建设, 这期间内打造的尧山国家级自然保护区和石漫滩国家森林公园是研究区内林地增长的主要动力。

表3 平顶山市生态用地变化率Tab.3 Ecological land change rate in Pingdingshan city

3.2.2 生态用地转移类型

分析研究区内不同生态用地类型的稳定性情况, 可以通过计算各类型生态用地在保持自身面积不变的保留率来求得。某一类生态用地类型保留率越大, 其生态系统服务功能则更稳定。利用ArcGIS 10.3的 Dissolve工具将 1995、2015年两期shp格式数据融合, 然后通过叠置分析, 制作出研究区生态用地转移矩阵表(表4)。从表4中可以看出研究区在 1995—2015年间农田保留率最高,达到 92.97%, 其次是林地, 保留率为 65.34%, 草地和水域分别达到64.75%和50.62%。农田的转移类型主要是建设用地, 转移比例达到4.18%, 转移为林地、水域、草地的比例分别为1.87%、0.69%、0.29%,由此可以看出, 建设用地扩展是农田减少的主要原因。林地主要转移类型为农田和草地, 其比率分别达到 24.94%和 8.00%, 由此可以得出林地的增长主要来源于农田和草地的贡献。草地的主要转移类型为林地和农田, 其比率达到 19.34%和 1 3.6 4%, 其中研究区北部的荒草地开发是其主要驱动力。水域的主要转移类型为农田, 其转移比率达到42.95%, 向林地、建设用地、草地转移比率分别为 1.45%、4.94%、0.02%。从转移矩阵中可以看出, 农田的减少主要是由于城市扩展对农田的侵占, 草地的减少主要是由于荒草地的开发所带来的影响。林地、水域的增加主要来源于森林自然保护区以及湿地保护区的建设,其主要转移类型为农田与草地。研究期内除了农田主要向建设用地转移外, 林地、草地、水域均由其它生态用地类型转入, 这说明平顶山市自 1995年以来在森林自然保护区建设、湿地公园建设以及荒草地开发方面均取得了一定成就, 对生态用地内部结构调整明显。

3.3 平顶山市1995—2015年生态系统服务演变分析

根据联合国 MA千禧年计划对生态系统服务的分类[44], 结合平顶山市生态用地的单位面积价值当量系数(表2), 计算出平顶山市生态用地结构变化所引起的生态系统服务功能价值变化(图6)。

表4 1995—2015平顶山市生态用地转移Tab.4 Transfer of ecological land in Pingdingshan city during 1995-2015

图6 平顶山市生态系统服务结构变化Fig.6 The structure changes of ecosystem services in Pingdingshan city

从图6中可以看出, 1995—2015年间, 平顶山市生态系统服务价值整体增长, 由1995年的819.46亿元增长到2015年的948.51亿元, 年均增长0.79%。但是其内部服务类型结构又有一定差异。研究期内除了供给服务出现先减少后增加外, 其与各项服务均不同程度增长, 其中调节服务增长最多, 20年间增长107.57亿元, 支撑服务增长14.74亿元, 文化服务增长6.69亿元。

从单项服务功能来看(图7), 研究期内平顶山市农田生态系统提供的食物生产功能的价值减少最多,20年间共减少 12.25亿元, 在食物生产方面应引起重视。农田的减少主要是由于建设用地扩展引起的,在未来的国土与城市规划布局中, 平顶山市应重点考虑划定城市扩展边界以及加大农村居民点复垦整治力度, 以维持农田生态服务功能。

图7 平顶山市单项生态系统服务功能价值变化雷达图Fig.7 Rader map of the single ecosystem service function value changes in Pingdingshan city

20年间森林生态系统面积的增长是研究区调节服务增长的关键。其中气候调节增长32.85亿元, 水文调节增长 24.09亿元, 是森林生态服务功能主要增长类型, 其他各项服务功能价值也出现不同程度增长。林地的增长对提高区域生态服务功能价值具有重要意义, 平顶山市应围绕市内的国家森林自然保护区划定生态保护红线, 施行禁止城镇建设、工农业生产和矿产资源开发等改变保护区内生态用地类型的举措。

平顶山市市区内有湛河穿城而过, 新城区有白龟山国家湿地公园, 市区建设路西段有依托采煤塌陷区打造的白鹭洲城市湿地公园, 舞钢市毗邻石漫滩水库, 鲁山县西有昭平台水库, 水域生态系统极大地提高了平顶山市生态系统服务功能价值。研究期内水文调节服务一共增长 59.28亿元, 是水域生态系统服务的主要贡献类型, 其次是生物多样性和水资源供给分别贡献6.28亿元、5.09亿元。围绕水域生态系统服务, 应注意各支流水质监测, 关注水体富营养化问题, 严禁污水排放、围湖造田等危害水域生态安全的行为。

研究期内草地生态系统服务价值均出现不同程度下降, 其中气候调节功能下降最多, 达到 5.24亿元, 研究期内草地向林地、农田的转换是其减少的主要原因。草地每公顷的生态系统服务价值总值为21.21万元, 略低于林地的 23.73万元·hm-2, 高于农田的4.14万元·hm-2, 开发荒草地虽然可以提高食物生产的生态服务功能, 但是对整体生态系统服务功能价值而言存在不利影响, 围绕草地生态系统服务,应考虑其向林地的转换或维持草地其本身的生态系统服务功能。

表5 平顶山市生态系统服务价值变化Tab.5 1995-2015 changes of ecosystem service value in Pingdingsdhan city

4 讨论

以河南省 1 hm2平均产量的农田每年自然粮食产量的经济价值作为计算单位, 结合专家知识确定其他生态系统服务当量因子, 其结果可完全消除人为因素干扰, 在实际应用中所需参数较少, 操作便捷。谢高地基于2010年物价成本核算得到河南省的生态系统价值服务为 5295.76亿元[38], 本研究基于2012年物价成本核算得到平顶山市研究期末生态系统服务价值为 948.51亿元, 两者比较来看, 研究结果略高于谢高地的年均生态系统服务价值。主要原因除了有 2012年物价成本于 2010年物价成本外,由于生态系统服务价值在年内不同月份也存在变化[38], 所选用的研究数据月份均处于一年中生态系统服务价值最高的7—8月, 从而造成数值偏高。通过当量因子法核算平顶山市生态系统服务功能价值,能够较为直观的发现平顶山市生态系统服务价值总量的变化趋势, 同时, 对于单一某项生态系统服务功能变化趋势也可以做出判断。虽然研究期内平顶山市整体生态系统服务处于增长阶段, 但是对于食物生产、原料供给等生态服务功能下降仍需引起重视, 深入探讨生态用地空间格局与生态系统服务演变的机理, 提高平顶山市农田生态系统服务功能价值是维持平顶山市生态平衡与确保平顶山市生态安全的关键。

采用单位面积价值当量系数来评估市级生态系统服务价值, 可以实现对市级生态系统服务价值的快速核算。然而仍然存在一定的局限性。主要原因有以下几点： (1)核算结果为生态系统通过本身生态功能提供的生态服务价值, 并不包括通过人为投入和控制生产和增加的已包含在 GDP核算中的产品与服务[38], 可能会导致评估价值的结果偏低。(2)随着生态系统服务理论未来的发展以及人们对生态系统服务认识的提高, 生态系统服务功能的分类可能会发生改变。(3)针对全国不同生态类型区域、不同城市的生态资产核算研究需要对单位面积价值当量系数进行更精确的改进, 使结果更满足于不同需求导向的城市生态系统服务核算。(4)随着高分遥感影像的发展, 高精度遥感影像数据的获取对于生态系统服务的评估结果会更加精确。

5 结论

以平顶山市作为研究对象, 采用RS、GIS技术及单位面积生态系统服务价值当量系数, 探讨了平顶山市 1995—2015年间的生态系统服务演变过程与结果分析, 主要结论如下：

(1)1995—2015年间, 平顶山市生态用地空间结构发生改变, 林地比例由 1995年的 17.46%增长到2015年的23.76%, 水域比例由2.60%增长到3.72%,农田比例由69.30%下降到53.51%, 草地由3.91%下降到2.74%, 整个研究期内呈现出“林地、水域增加,农田、草地减少”的生态用地变化格局。

(2)2015年研究期末平顶山市生态系统服务价值为948.51亿元。20年间生态系统服务价值一共增加129.05亿元, 年均增长0.79%。

(3)就生态系统服务类别而言, 平顶山市调节服务增长最多, 20年间增长107.57亿元。研究期内调节服务由 64.72%增长到 67.25%, 支持服务由21.27%下降到 19.92%, 供给服务由 10.47%下降到9.05%, 文化服务由3.56%增长到3.78%。

(4)从生态系统服务功能来看, 平顶山市水文调节功能是关键, 20年间一共增长70.70亿元。其次是气候调节功能增长 25.49亿元, 生物多样性功能增长14.37亿元、水资源供给功能增长11.97亿元、景观美学功能增长6.69亿元。需要注意的是, 平顶山市食物生产、原料供给、维持养分功能分别下降了10.53、1.38、0.83亿元, 其中食物生产功能退化是平顶山市生态系统服务的主要问题。

(5)平顶山市森林生态系统和水域生态系统面积的增长是价值增长的主要因素, 农田生态系统的减少是食物生产、原料供给功能下降的主要原因。平顶山市应围绕森林生态系统、水域生态系统构建生态系统服务功能分区, 同时划定生态用地自然保护区红线,严禁对森林、水域生态用地的不合理开发利用, 同时应明确城市扩展边界, 加大对市内的农村居民点复垦力度, 以维持农田的食物生产与原材料供给功能。

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