雄安新区1995—2019年土地利用变化对生态系统服务价值的影响

侯春飞，韩永伟*，孟晓杰，刘丽香

1.国家环境保护区域生态过程与功能评估重点实验室，中国环境科学研究院 2.环境基准与风险评估国家重点实验室，中国环境科学研究院

土地利用变化影响着区域生态系统类型、面积及空间分布格局[1]，是生态系统服务变化的重要影响因素[2]。生态系统服务是通过生态系统的结构、功能、过程获得直接或间接为人类提供生命支持的产品和服务[3-5]。随着我国城市化进程的加快，土地利用类型、结构变化随之加快。在城市化快速发展阶段，研究土地利用变化及其对生态系统服务价值(ecosystem service values，ESV)的影响，对于优化土地利用结构，促进城市可持续发展具有重要意义[6-7]。土地利用变化会引起生物多样性、自然栖息地的变化和生态系统服务功能的变化[8-9]，从而影响碳汇[10-11]、水文调节[12]等功能，这些功能的变化将对ESV产生直接影响[13]。Costanza等[14]最早提出了ESV的估算原理和方法，国内学者也针对ESV做了很多相关研究，如谢高地等[15-16]依据我国实际情况制定了中国ESV当量因子表，在此基础上结合土地利用对生态系统服务价值影响的具体案例进行研究[17-21]。

雄安新区是继深圳经济特区和上海浦东新区之后又一具有全国意义的新区，是承担着国家重大战略的新区，承担着集中疏解北京非首都功能和带动京津冀协同发展的任务[22]。中央要求雄安新区建设需按照高质量发展要求，坚持世界眼光、国际标准、中国特色、高点定位，坚持生态优先、绿色发展，对于高起点规划高标准建设雄安新区，打造推动高质量发展的全国样板，建设现代化经济体系的新引擎具有重要意义[23]。笔者以雄安新区为研究对象，根据1995—2019年土地利用与ESV的变化，纵向对比在高质量发展要求下城市化进程中土地利用对ESV的影响，研究我国城市化快速发展阶段和城市高质量发展阶段土地利用变化对生态系统服务的影响，以期为促进该区域土地资源利用和可持续发展提供理论支持。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

雄安新区(115°38′03″E～116°19′56″E，38°43′27″N～39°10′20″N)位于河北省保定市东部、大清河水系冲积扇上，属太行山麓平原向冲积平原的过渡带，由雄县、容城县、安新县及高阳县北部和任丘市西南部区域组成(图1)。全境西北较高，东南略低，海拔为7～19 m，自然纵坡为1‰左右，为缓倾平原，土层深厚，地形开阔，植被覆盖率很低，境内有多处古河道。雄安新区属温带大陆性季风气候，四季分明，春旱多风，夏热多雨，秋凉气爽，冬寒少雪。雄安新区规划建设以特定区域为起步区先行开发，起步区面积约100 km2，中期发展区面积约200 km2，远期控制区面积约2 000 km2。

图1 雄安新区地理位置Fig.1 Location map of Xiong’an New Area

选取3期Landsat-TM遥感影像(1995年、2005年、2015年)和1期高分影像(2019年)解译土地利用覆被图，空间分辨率为30 m×30 m。结合研究区特点，参照GBT 21010—2017《土地利用现状分类》，将土地利用覆被分为耕地、林地、草地、建设用地、水域、未利用地6类，在此基础上计算生态系统服务功能。

1995—2019年是研究区由城市化高速发展转向以高质量发展为主的阶段，研究该时段土地利用变化对生态系统服务变化的影响具有重要意义。其中，1995—2015年是雄安新区确立前的城市化进程发展阶段；2017年确定为雄安新区后，按照国务院《河北雄安新区总体规划(2018—2035年)》批复要求，雄安新区实行高起点规划高标准建设，强化白洋淀生态整体修复和环境系统治理，建立多水源补水机制，逐步恢复淀区面积，有效治理农村面源污染，确保淀区水质达标，逐步恢复“华北之肾”功能；开展大规模植树造林，塑造高品质城区生态环境，保障区域生态安全[23]。将1995—2005年作为第1个研究期，2005—2015年作为第2个研究期，2015—2019年作为第3个研究期。

1.2 研究方法

采用土地动态度[24]、转移矩阵和生态系统服务价值当量法[15-17]研究土地利用变化及其对ESV的影响。土地动态度变化可以揭示研究时间段内土地利用变化速度，转移矩阵可以研究土地利用的变化方向，ESV当量法在土地利用变化的基础上揭示生态系统服务功能变化。

1.2.1净变化量和动态度变化

土地利用动态度变化是指一定研究时间内土地利用的变化速度，数值越大表明该区域土地利用变化剧烈程度越高，反之表明该区域土地利用变化缓慢。单一土地利用动态度用于计算某种土地类型的变化速度[24]，综合土地利用动态度等于各类土地利用动态度之和。为了更好地对比变化幅度和变化速度，将单一地类在研究期内的变化量剥离出来，构建净变化量指标和净变化倍数指标[13]。计算公式如下：

Ri=Uih-Uig

(1)

(2)

(3)

式中：Ri为i类土地利用类型面积净变化量,km2；Uig、Uih分别为i类土地利用类型研究期初和研究期末的面积，km2；Rim、Rin为i类土地利用类型在研究期m、n的净变化量，km2；Pmn为研究期m和n净变化量的比值；Li为动态度；T为研究时长，a。

1.2.2生态系统服务价值计算

ESV的核算主要有模型和当量因子[16-17,24]2类方法。由于模型参数的差异性，导致结果差异较大。采用谢高地等[17]修正过的中国ESV当量计算方法，1个标准当量因子即全国平均产量的农田每年自然粮食产量的经济价值。在此基础上，根据保定市2010年粮食作物产量、播种面积，计算出粮食作物的经济价值为3 922.2元hm2，并采用修正后的价值当量因子进行计算[25]，公式如下：

(4)

式中：VCif为第i类土地利用类型f项生态系统服务价值，元hm2；Ai为研究区第i类土地利用类型面积，hm2；ESV为生态系统服务总价值，元。

2 结果与分析

2.1 雄安新区土地利用变化

2.1.1土地利用结构变化

对1995—2019年雄安新区的土地利用进行解译，得到土地利用分类信息如表1所示。从表1可以看出，1995年、2005年、2015年和2019年耕地、水域是研究区主要的土地利用类型，4个年份中耕地和水域面积之和占雄安新区总面积的88.78%、87.53%、81.33%、78.11%。

1995—2019年，建设用地、林地、草地面积有所增长，耕地、水域、未利用地面积有所减少。建设用地面积净变化量最大(179.58 km2)，2015年其面积占比升至18.15%，成为土地利用类型中主要类型之一；耕地净变化量次之(-139.11 km2)。建设用地面积的增加量与耕地、水域的减少量基本持平，说明该阶段建设用地的增加大部分来自于耕地和水域。林地面积呈先下降后增长的趋势，增长最多的是2015—2019年，因该阶段植树造林力度较大。

表1 1995—2019年雄安新区土地利用变化

分阶段来看，2005—2015年，建设用地面积净变化量分别为1995—2005年及2015—2019年的427.02%和296.42%，该阶段是雄安新区建设用地急剧增加时期。2015—2019年，林地和水域面积的净变化量最多，分别是1995—2005年的324.76%、70.68%，是2005—2015年的423.58%、204.87%，该阶段林地和水域面积的增加大多与高质量发展，重视生态环境保护，建设千年秀林，加强对白洋淀保护，引黄入淀等水利工程措施保持白洋淀湖体水量有关[26-27]。

从各阶段各土地利用类型来看，耕地、水域、建设用地面积变化较大。1995—2005年，水域面积变化最大(-82.14 km2)，其次为耕地(59.58 km2)和建设用地(26.76 km2)。2005—2015年，建设用地面积变化最大(114.27 km2)，其次为耕地(-82.96 km2)和水域(-28.34 km2)。2015—2019年，耕地面积变化最大(-115.73 km2)，其次为水域(58.06 km2)和建设用地(38.55 km2)。雄安新区1995—2005年耕地面积有所增加，与该阶段实施家庭联产责任制有关，农民大量开垦土地，破坏森林、草地、水域。2005—2015年、2015—2019年2个阶段均是耕地面积大量减少，建设用地面积大量增加。2005—2019年建设用地面积呈先高速增加再变为缓慢增长的趋势，这与人口增长及城镇化进程加快有关。

从空间上来看，1995—2019年，建设用地面积增长较多，主要集中在白洋淀的北侧区域；水域面积呈先减少后增加的趋势，集中在白洋淀的北侧和西侧区域；耕地面积呈减少态势，主要集中在白洋淀北侧的容城、雄县的城区周边及农村区域。其中，1995—2015年研究区白洋淀水域面积呈快速减少趋势，主要集中在白洋淀西部的藻苲淀和北部的烧车淀区域，2015—2019年白洋淀水域面积增加主要集中在西部的藻苲淀和北部的烧车淀区域(图2)。

图2 1995—2019年雄安新区土地利用类型空间变化Fig.2 Spatial change of land-use type in Xiong’an New Area from 1995 to 2019

2.1.2土地利用转移矩阵

对4期土地利用数据进行叠加后，分析各类型土地转移变化情况，将土地转化量大于10 km2的地类信息放在土地利用转移矩阵中，结果如表2所示。

表2 1995—2019年雄安新区土地利用转移矩阵

从表2可以看出，1995—2019年研究区土地利用的主要转移是耕地向建设用地的转移、水域向耕地转移。1995—2005年，水域面积减少了104.61 km2，其中有102.10 km2转化为耕地；耕地面积减少了86.60 km2，其中有63.08 km2转化为建设用地。

2005—2015年，耕地面积减少了70.12 km2，其中有60.19 km2转化为建设用地；水域面积减少了125.31 km2，其中有124.52 km2转化为耕地。该阶段建设用地面积大幅增加，由2005年的211.39 km2增至2015年的325.68 km2，增加量是1995—2005年的4.27倍，该阶段雄安新区建设用地增量大幅度超过历史时期和同时期其他各类用地。

2015—2019年，耕地面积减少了151.49 km2，其中有67.02 km2转化为建设用地，62.63 km2转化为水域。该阶段除了建设用地连续增长外，水域的面积也大幅增加，这与雄安新区实施的高质量发展，生态保护优先，保护白洋淀水域以及占用水域的农田相继退出等政策有关。

综上，雄安新区的城市化加速过程主要发生在2005—2015年，通过占用耕地来完成。

2.1.3土地利用动态度

结合雄安新区土地利用数据，得出雄安新区土地利用动态度(L)，结果见表3。

表3 1995—2019年雄安新区土地利用动态度

从表3可以看出，雄安新区1995—2019年土地利用综合动态度为98.96%。从各类土地利用来看，草地为92.67%，建设用地为3.89%，二者的动态度高于其他土地利用类型。

1995—2005年，未利用地(10.00%)、草地(4.17%)、水域(2.51%)、林地(2.04%)的土地利用动态度高于其他土地利用类型，该阶段林地、水域、草地、未利用地间转化较多，4类土地动态度较高。2005—2015年，除草地外，建设用地(5.41%)土地利用动态度显著高于其他土地利用类型，说明该阶段建设用地增长较快，城市化进程加快。2015—2019年，林地(22.12%)、水域(5.36%)土地利用动态度高于其他土地利用类型，该阶段以城市高质量发展为主，注重植树造林、退耕还湿、人工补水，林地和水域面积大幅上升。

2.1.4空间分布及变化

通过ArcGIS 10.2软件对1995—2019年雄安新区各阶段土地利用类型变化进行表达，结果见图3。

图3 1995—2019年雄安新区土地利用类型变化Fig.3 Land-use change in Xiong’an New Area from 1995 to 2019

从图3可以看出，1995—2005年，土地利用类型变化主要集中在雄县、安新城区及农村区域，其耕地变为建设用地；水域变成耕地的部分主要集中在白洋淀西部的藻苲淀和西南部的端村镇和刘李庄镇区域。由此可见，城市化导致耕地面积减少，而水域面积的减少亦是由于耕地被大量占用。

2005—2015年，建设用地增加较多，主要沿白洋淀呈放射状分布，雄县、安新、容城城镇及农村用地面积大量增长，可见该阶段耕地面积减少主要是城市化所致。有较多水域转为耕地，主要集中在烧车淀、雄县大清河附近。

2015—2019年，水域面积大量增长，主要集中在藻苲淀、烧车淀东北区域，该阶段通过南水北调工程、引黄济淀工程，实现白洋淀水面恢复，部分耕地转变为水域。林地主要集中在北部及东北部区域，与该阶段注重白洋淀生态保护有关；雄安新区于2017年秋季启动了“千年秀林”建设，至2018年底已建成城市森林7 000多hm2，2019年底城市森林建成达4.06万hm2(含既有林2万hm2)[27]。

2.2 生态系统服务价值变化

根据保定市2010年主要粮食作物产值情况，确定保定市单位面积ESV为3 922.2元hm2，为便于数据横向比较，统一采用2010年ESV进行计算。各类ESV系数参照谢高地[17-28]等研究，并结合研究区情况进行调整，采用大清河阜平流域生态系统服务调节因子[25]，得出研究区的ESV见表4。

表4 1995—2019年雄安新区不同地类生态系统服务价值

由表4可知，耕地、水域是雄安新区ESV主要组成部分，其次为林地。1995—2019年，ESV总体呈下降趋势，ESV下降了26.47亿元，说明生态系统给人类提供服务的能力不断下降。其中，1995—2005年、2005—2015年ESV分别下降了21.36亿和12.02亿元。2015—2019年，ESV呈上升趋势，主要原因是水域面积的增长。综上，1995—2015年，雄安新区城市化快速发展，促使大量耕地转化为建设用地，水域转化为耕地，从而导致ESV整体降低；2015—2019年，雄安新区作为国家级新区，更加重视生态保护、退耕还湿，该阶段ESV相应增加。

对研究区内各单项ESV进行计算，结果见表5。从表5可以看出，该区域主要的ESV为废物处理、水文调节、维持生物多样性，其次为保持土壤、气候调节。各项服务功能的变化也不一致，其中除食物生产、保持土壤ESV在1995—2019年基本呈连续下降趋势外，其他的各类服务功能基本呈1995—2015年下降，2015—2019年有所增加的趋势。水文调节、废物处理ESV在2015—2019年增长较多，这与该阶段水域面积增长有关。

表5 雄安新区生态系统服务价值变化

由于雄安新区1995—2015年水域和耕地面积大幅度减少，逐渐被建设用地所替代，导致水文调节、废物处理、维持生物多样性等生态系统服务功能退化，总体ESV下降。2015—2019年，水域面积持续增加，生态系统服务功能不断提升，该阶段虽然耕地面积大幅度减少，但对ESV的增加趋势影响不大。由于水域是雄安新区ESV的最主要构成部分，未来城市建设中，应当加强对水域、林地、耕地等生态用地的保护，注重城市合理有序开发。

3 讨论

生态系统为人类提供生存发展必须的资源，对维护人类可持续发展具有重要意义[29]。研究生态系统服务与生态系统结构、格局、过程的相互作用，对服务于城市可持续发展及其生态安全构建具有重要作用。明确生态系统服务于土地利用变化的相关效应，有利于更加合理地管理自然资源。

(1)研究区前20年的发展，经历了我国人口增加、城市扩展、大量占用生态用地的过程，生态系统结构产生明显变化。确立为雄安新区后，发展模式由快速粗放向有规划、高质量发展，更加注重生态用地的保护，对生态系统产生了积极的影响。《全国生态环境十年变化(2000—2010年)遥感调查与评估》[30]结果显示，我国2000—2010年生态系统服务功能降低，这与本研究结果相同。本研究中水域面积在1995—2015年降低，2015—2019年增加，与朱金峰等[31]研究结果一致，这与对白洋淀进行人工补水的引黄入淀工程有关[26]。林地面积呈先减少后增加的趋势，增加阶段集中在2015—2019年，这与雄安新区启动“千年秀林”，建设城市森林有关[27]。本研究水文调节和废物处理的服务价值变化明显，研究区未来应更加注重对白洋淀的保护，加强林地保护及增加林地面积，提高森林覆盖率。

(2)生态系统服务评价方法多样，其中模型法需要的参数多，计算复杂，结果相对准确，更适用于大尺度生态系统评价；当量因子法因所需数据较少，适用于纵向尺度的对比[16-17]。笔者仅从生态系统面积、转移分析、价值变化等方面探讨了其基于土地利用变化的相应机制，未来需要加强跟踪，明确高质量发展下生态系统服务价值对生态系统结构变化的响应。

4 结论

(1)1995—2019年，建设用地面积实现了全时段增长；1995—2005年，耕地面积增长较快，占用了大量水域，该阶段湿地生态系统遭到较大破坏；2005—2015年，建设用地动态度最大，表明城市化进程进入高速发展期；2015—2019年，林地、水域面积快速增长，与该阶段注重生态环境建设，构建生态安全格局有关。

(2)水域对应的湿地生态系统ESV较高，是研究区ESV重要的构成部分，其次为耕地和林地。研究区水域对应的湿地ESV与总体ESV均表现为1995—2015年持续走低，2015—2019年出现回升，且湿地生态系统面积出现先减少后逐渐增加的趋势，与总体ESV变化趋势一致。单项ESV中水文调节、废物处理、维持生物多样性和保持土壤对总体ESV的贡献率最大，其次是提供美学景观和气候调节服务价值；水域面积增长对水文调节和废物处理服务功能的正向作用明显。

(3)研究区ESV的增加主要是由耕地转化为水域和林地造成的，ESV的减少主要是建设用地占用耕地，耕地占用部分水域所致。ESV增加的区域主要位于容城北部和藻苲淀区域，减少的区域主要集中在城市周边，城市扩张明显及经济发展迅速。生态服务对林地、水域等生态用地表现出正向响应，对超出生态承载力的城市扩张、小城镇快速发展等表现出负响应。