山西省大同市2000-2019生态系统服务价值时空变化

陕永杰, 原卫利, 苗 圆, 魏绍康

(山西师范大学 地理科学学院, 山西 太原 030031)

土地资源是人类赖以生存的第一资源。土地具有有用性，人们可以循环从土地中获得收益，实现土地的可持续利用[1]。土地利用是人类结合土地自然属性和社会经济综合体改变土地功能的过程，土地利用的变化体现着自然与人类的相互作用[2-3]。生态系统服务(ecosystem services)的内涵一般指自然界生态系统及物种为人类提供环境条件，供其生存和发展[4-5]。土地利用变化能通过改变土地功能，进而改变生态系统结构与生态过程，这对生态系统维持及服务功能起到决定性作用，进而制约了人类社会的可持续发展[6]。所以，从土地利用变化角度研究生态系统服务价值变化现已成为可持续发展研究领域的重要组成部分。1997年Costanza[7]首次以货币的形式向人们展示了自然生态系统为人类所提供的服务价值，使抽象的生态系统服务定量化。自从Costanza等[8]学者对全球生态系统服务价值进行核算以来，全球生态学家以及相关学科带头人愈发重视对生态系统服务价值的研究，使之成为多学科研究领域的重要主题之一。谢高地等[9-10]在Costanza的研究基础上对我国的生态系统服务价值进行了评估。国内其他学者对一些典型流域的生态系统服务价值做了许多研究，例如，王迪[11]对钱塘江流域生态系统服务价值的研究，周文昌[12]对湖北省湿地生态系统服务价值的评估，邓楚雄等[13]对洞庭湖流域生态系统服务价值的研究等；还有的学者对一些典型城市或地区的生态系统服务价值做了研究，例如，关瑜[14]对雄安新区生态服务敏感性的分析，刘亚茹[15]对天山北坡城市群生态系统服务价值特征分析，刘桂林等[16]对长三角地区生态系统服务价值的研究等等。研究尺度多以建立不同大小的格网为尺度，例如吴会慧等[17]、贾琦等[18]均基于格网尺度进行研究。而基于土地利用变化从县域尺度对沙源通路城市开展生态系统服务价值的研究较为缺乏，不足以为这些城市的生态建设提供相应的理论参考。

山西省大同市地处生态脆弱的农牧交错带，煤炭资源丰富，且由于长期的不合理采矿和粗放的经济发展模式，使得大同市生态环境不容乐观。而大同市作为北京乃至京津冀地区的西大门，是重要的沙源通道，其生态环境直接影响北京市人居环境质量及可持续发展等问题。因此，本文以大同市为例，研究退耕还林以来生态系统服务的时空变化，以期为北京地区沙尘暴治理提供理论依据。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究区概况

大同市位于北京市西部，山西市北部，北纬39°03′—40°44′，东经112°34′—114°33′，面积约占山西省总面积的9.1%。大同市地处黄土高原的东北部，属温带大陆性半干旱季风气候区，昼夜温差大，降水年际变化大。主要河流有桑干河、御河、南洋河、唐河等，其中桑干河之册田水库存水数亿立方米，为北京供水之储水库之一。大同地区矿产资源丰富，被称为“中国煤都”，其火力发电量大，成为北京主要供电源头之一。2018年之前大同市下辖3区7县，3区分别为城区、南郊区(包括矿区)、新荣区，7县包含天镇县、阳高县、广灵县、灵丘县、浑源县、左云县、大同县。2018年大同市行政区划调整，现辖平城区、云冈区、新荣区、云州区4区，阳高县、天镇县、广灵县、灵丘县、浑源县、左云县6县。为保证数据统计一致性，本研究采用2018年之前的行政区划。

1.2 数据来源与处理

本文需要两部分数据：第一，土地利用数据，通过地理空间数据云(http:∥www.gscloud.cn/)下载2000，2005，2010，2015和2019年各期Landsat TM/ETM遥感影像为数据源，选取空间分辨率为30 m的DEM数字高程数据作为辅助数据，以中国行政矢量边界数据来提取研究区范围。运用ENVI 5.1对遥感影像进行大气校正、波段融合、图像裁剪镶嵌等预处理，再通过人工目视解译对数据源进行土地分类。本文运用监督分类法中的最大似然法进行土地分类，选取分类训练样本时每一种地类训练样本不低于80个且识别度大于1.8，样本的采集可通过解译人员对研究区的先验知识进行目视判读[19]，再参考百度高清地图、大同市部分县区高清影像图，以及外业调查结果进行样本采集，最后进行精度验证的kappa系数为0.80左右，解译精度可以满足本研究的需求。再运用ArcGIS 10.3软件的制图功能，最终得到5个节点年份的土地利用数据。第二，社会经济数据，主要来自2000—2020年的《山西省统计年鉴》《大同市统计年鉴》《全国农产品价格调查年鉴》、各区县统计年鉴以及从大同市自然资源局收集的部分数据。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用变化计算

(1) 土地利用动态度。单一土地利用动态度是研究区某一时间内不同土地类型数量变化状况，它反应土地利用变化的差异及特征[20-22]。计算公式为：

(1)

式中：K为单一土地动态度(%)；Ub，Ua分别为研究末期和研究初期某一种特定土地类型的面积(hm2)；T为研究时间节点。

(2) 土地利用转移矩阵。土地利用转移矩阵可表达研究时间内土地利用结构的变化，即在研究时间内，土地利用类型从T1时间向T2时间变化的程度[23]。其表达式为：

(2)

式中：A表示土地利用面积(hm2);i，j分别表示初期和末期的土地利用类型;n表示土地利用类型个数。

1.3.2 生态系统服务价值核算 本文运用价值当量法，依据谢高地等[24]制定的生态系统服务价值当量表，参考吴蒙[25]和雷军成等[26]的研究成果，构建大同市单位面积生态系统服务价值当量权重表(表1)，计算公式为：

表1 大同市单位面积生态系统服务价值当量权重

(3)

由于谢高地等[24]对建设用地的生态系统服务价值不做评估，而建设用地在生态系统服务价值核算中产生巨大的负价值，所以本文又参考相关学者[27-30]的研究，结合专家意见及大同市的实际情况，取已有成果的均值作为建设用地的价值系数，再根据当量权重表计算其他地类生态系统服务价值系数，最终得出大同市土地生态系统服务价值系数表(表2)。计算公式为：

表2 大同市土地生态系统服务价值系数 元/hm2

Vij=Va·Qij

(4)

式中：Vij为第i类土地利用类型的第j种生态服务类型的价值系数(元/hm2);Va为旱地的1个当量因子提供的食物生产服务的单位面积生态服务价值(元/hm2)；Qij为第i类土地类型的第j种生态服务的当量权重因子。

在此基础上，根据大同市各土地利用类型的面积，可计算出大同市生态系统服务价值，计算公式为[31]：

ESV=∑(Ai·Vi)

(5)

ESVj=∑(Ai·VCij)

(6)

式中：ESV为大同市生态系统服务价值(元); ESVj为第j种生态系统服务的价值(元);Ai为第i种土地利用类型的面积(hm2);Vi为第i种土地利用类型的生态系统服务价值系数(元/hm2); VCij为第i种土地利用类型的第j种生态服务类型的价值系数(元/hm2)。

2 结果与分析

2.1 大同市土地利用动态变化

根据遥感影像图的解译结果，运用ArcGIS 10.3对土地分类结果进行分析，得出大同市5个研究时间节点的土地利用类型面积变化情况(图1)。

图1 大同市2000-2019年各土地利用类型面积变化趋势

由图1可知，2000—2019年近20 a间，大同市土地利用类型面积占比次序未变，耕地、草地、林地为主要土地利用类型，面积占比一直高达90%以上。耕地、草地、水域、未利用地呈下降趋势，且耕地、草地、水域在2005—2010年下降趋势剧烈，未利用地在2015—2019年下降剧烈；林地在2000—2010年呈上升趋势，且2005—2010年增长迅速，2010—2019年呈缓慢下降趋势，总体呈先升后降变化；建设用地呈持续上升，且2005—2010年增长迅速。综上所述，2005—2010年是大同市土地类型变化最大的一个时期。由上述公式(1)可得出2000—2019年大同市单一土地利用动态度，再用绝对值计算出其综合动态度，最终获得成果(表3)。由表3可看出大同市近20 a土地利用动态度的以下特点： ①从年际变化来看，2005—2010年综合土地利用动态度最高，为83.18%，说明大同市在此期间土地利用覆被变化程度活跃；其次是2015—2019年，综合土地利用动态度为19.94%，2000—2005年为17.22%；2010—2015年综合土地利用动态度最低，为8.22%；20 a来综合土地利用动态度呈波动变化。 ②从各类型土地来看，建设用地的动态度远高于其他用地类型，尤其是2005—2010年，这是大同市城市建设的高峰期。

表3 大同市2000-2019年土地利用动态度

2.2 土地利用转移矩阵分析

运用ArcGIS的空间分析功能，将研究区研究初期与研究末期的土地利用现状进行叠加分析，获得土地利用转移矩阵结果(表4)。由表4可知，大同市2000—2019年共有183 654.89 hm2土地发生了转移变化。其中，林地和建设用地的转入面积大于转出面积，林地和建设用地的增加主要由耕地和草地转入，具体为24 280.42 hm2耕地转为建设用地，21 535.12 hm2耕地转为林地，草地转出到林地的面积最大，高达41 346.04 hm2；耕地和草地虽然也有其他地类转入，但转入面积远不及转出面积，因此草地和耕地的面积逐渐减少；水域主要转为耕地和建设用地，但因水域总面积不大，其土地利用结构的变化对整个大同市土地利用结构的变化影响甚微；未利用地变化较小。

表4 大同市2000-2019年土地利用转移矩阵

2.3 生态系统服务价值时空分析

2.3.1 大同市整体生态系统服务价值时间序列分析 根据公式(5)计算得出大同市历年生态系统服务价值总额，分析其变化趋势(图2)，并计算各地类在生态系统服务价值中的贡献率(图3)。

图2 大同市2000-2019年生态系统服务价值总额变化趋势

图3 大同市2000-2019年各地类对生态系统服务价值的贡献率

由图2—3可知： ①从总体来看，2000—2019年，大同市生态系统服务价值总额急剧下降，20 a内总价值相继减少高达3.16亿元人民币。 ②从各地类对生态系统服务价值的贡献率来看，林地的贡献率居于首位，在38.07%～43.07%，且呈上升趋势；其次是草地，贡献率在33.00%～35.72%，呈波动趋势；而水域和耕地的贡献率基本相同，水域在13.47%～14.08%，耕地在12.81%～13.44%；未利用地的贡献率最低，在0.02%左右；建设用地负面贡献率不断上升，20 a内从1.26%上升到2.65%。林地和草地二者的贡献率之和在73.75%以上，说明林地和草地的生态系统服务价值变化对大同市生态系统服务价值总额变化的影响较大，是主要贡献因子和敏感因子。

由表5大同市2000—2019年各土地利用类型ESV变化情况可知，研究时期内，林地的生态系统服务价值总体在上升，变化率为11.080%；耕地、草地、水域、未利用地的生态系统服务价值均有波动状态，但整体呈下降趋势，总体变化率分别为-5.811%，-8.944%，-5.146%，-10.558%；引人注目的是，建设用地作为生态系统服务价值的负影响因子，其变化率高达105.967%，其正向变化率越高，对生态系统服务价值的负面影响越严重，这也是导致研究区20 a内生态系统服务价值总额急剧下降的重要原因之一。

表5 大同市2000-2019年各土地利用类型ESV变化情况

2.3.2 各单项生态系统服务价值时间序列分析 根据公式(6)计算得出各项生态系统的服务价值并进行统计分析(表6)。由表6可知，近2000—2019年间，一级分类的生态系统服务功能的价值由高到低依次为：调节服务>支持服务>供给服务>文化服务。调节服务价值急剧下降，从107.946 8亿元减少到103.891 4亿元，减少了4.055 4亿元，这也是导致研究区总价值大幅度减少的重要因素；支持服务价值缓慢上升，从41.227 3亿元增长到42.574 0亿元，增加了1.346 7亿元；由于耕地面积的不断减少，食物生产和原料生产价值降低，导致供给服务价值从16.887 9亿元减少到16.436 6亿元，减少了0.451 3亿元；文化服务价值增长不显著，从7.395 3亿元增加到7.401 8亿元，增加了0.006 6亿元。单项ESV相对变化最大的是水文调节服务，减少了3.556 2亿元，变化率为-0.087 3%，主要受建设用地负价值的影响。

表6 大同市2000-2019年各项生态系统服务功能价值及变化

2.3.3 各区县生态系统服务价值时空演变分析 运用ArcGIS 10.3软件，以县域为单位对各生态地类进行划分。由公式(5)计算得出各区县5个时间节点的生态系统服务价值。由于各县域土地总面积大小不相等，为了不受县域土地面积大小的影响，使研究更具有客观性，本文以单位土地面积的生态系统服务价值为基础，再采用自然间断点分级法(Jenks)将生态系统服务价值分成5个等级[32]，即极低值、低值、中值、高值、极高值。最后利用ArcGIS 10.3制作出5个时间节点的各区县生态系统服务价值时空分布图(图4)。由图4可知，近20 a来，大同市县域ESV空间分布整体趋势为南高北低，呈波动状态。

图4 大同市县域生态系统服务价值(ESV)时空分布

其中，灵丘县和大同县处于极高值状态。因为灵丘县的林地、草地面积占比位居第一，且建设用地占比最低，根据图3各地类对ESV的贡献率可知，林地和草地在ESV中的贡献率最高，建设用地为负影响因素，因此灵丘县的ESV长期处于极高值；大同县的ESV值高源于其林草面积占比较高，且其水域面积广阔，其中册田水库存水数亿立方米，为北京供水之储水库之一。

浑源县长期处于高值状态，仅2000年处于极高值边缘。广灵县处于中值状态且在稳步上升，到2019年上升为高值状态。天镇县和左云县变化趋势相似，除2005年两县处于中值状态以外，其他年份均处于高值状态，2005—2010年两个县的ESV值急剧增长，均因林地面积突然增长，这与国家实施“退耕还林”政策分不开。新荣区处于中值状态，变化不显著。阳高县2000—2005年处于低值状态，2010年后进入中值状态，同样得益于“退耕还林”政策使得林地面积大增。南郊区处于低值状态，城区处于极低值状态，因为二者处于城市化的中心位置，建设用地迅猛增长，其他地类相应减少，城区甚至出现负价值。

3 讨论与结论

3.1 讨 论

(1) 本文的研究方法仅考虑了价值当量，没有考虑到人们的支付意愿。对生态系统服务价值的评估，不管在理论上还是实践中，面临着许多的困难，特别是以货币的直观形式对区域生态系统的服务价值进行经济评估的时候更是困难重重。但是，只有这样的评估才能让人们感受到生态系统的重要性，为政府决策衡量发展效益提供一定的说服力。

(2) 恶劣的沙尘天气对首都北京的区域发展和人民生产生活产生了很大的影响。对大同市生态系统服务价值的核算研究，是为了从生态系统的服务价值出发，寻找阻碍沙源迁移、治理通路区域生态环境的关键点，为减弱和防治沙尘暴对首都北京的影响提供决策依据。

(3) 本文中林地面积在2005—2015年快速增长，得益于国家“退耕还林”政策的实施以及京津地区对风沙源治理工程的贡献。林地可分为有林地、疏林地、灌木林地、未成林造林地、苗圃、无立木林地等等，不同类型林地的实际生态服务价值有较大差异。由于数据缺乏没有细分，可能存在林地价值夸大现象。

3.2 结 论

(1) 2000—2019年，耕地、草地、林地为大同市主体土地利用类型，占土地总面积的90%以上。建设用地和林地整体呈增长趋势，其他地类均处于下降趋势。2005—2010年综合土地利用动态度最高，且建设用地的动态度远高于其他用地类型，因为这一时期大同市城市化进程最快。土地利用转移主要是草地转化为林地，耕地转化为建设用地。

(2) 2000—2019年，大同市整体生态系统服务价值大幅度下降，20 a内总价值减少高达3.16亿元人民币。林地和草地对大同市生态系统服务价值的贡献率最大，是主要贡献因子和敏感因子，因此，需要相关部门加强对林草的保护；建设用地负面贡献率不断上升，从1.263 0%上升到2.649 6%，需对建设用地加强管理和控制。

(3) 2000—2019年，大同市一级分类的生态系统功能的服务价值依次为：调节服务>支持服务>供给服务>文化服务。调节服务价值急剧下降，因为调节服务中的水文调节价值下降最多，减少了3.556 2亿元，主要受建设用地负价值的影响。

(4) 2000—2019年，大同市各区县生态系统服务价值分为5个等级，空间分布整体趋势南高北低，呈波动状态。南部的灵丘县和中南部的大同县一直处于极高值状态，南郊区长期处于低值状态，城区长期处于极低值状态，其他县区在高值与低值间波动。大同市是北京西路沙源的必经之路，其生态环境，尤其是植被覆盖度直接影响北京的沙尘天气。所以要加强各区县生态环境保护政策实施力度，并监督执行，对于乱采滥伐和违法占地行为要严惩不贷。