河北省宁晋县生态系统服务时空演变权衡分析

摘要  以宁晋县为研究区，基于土地利用/覆被社会经济统计资料等数据，评估不同时期的生态系统服务价值，分析其损益变化权衡关系的时空规律。结果表明：1995—2019年生态系统多功能性、生产功能和生态功能整体呈先增加后减少；气候调节、养分固持、气体调节功能呈增加趋势；水源涵养功能明显下降；污染物容纳功能持续降低。耕地面积减少导致流失的生态系统服务最大。生态系统多功能性、生态功能、水源涵养功能与其他功能由协同关系变为权衡关系。

关键词  生态系统服务价值；权衡分析；时空演变；土地利用

中图分类号  X171  文献标识码  A

文章编号  0517-6611（2024）04-0036-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.04.009

开放科学（资源服务）标识码（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

基金项目  河北省高等学校科学技术研究项目（ZC2021002）。

作者简介  周丽娜（1983—），女，河北廊坊人，讲师，硕士，从事农业资源与环境研究。

收稿日期  2023-03-21

生态系统服务是人类从生态系统中获得的所有收益，是人类生存和发展的基础［1］，然而随着社会发展和人类急剧增长对食物供给的要求不断增加，对生态系统造成巨大压力，生态系统服务能力正在受到严重削弱［2］，人類当前面临的多种生态问题的本质是由于生态系统功能与服务受到破坏与退化的后果［3-5］。国内外土地生态系统服务研究多采用遥感影像解译获取 LUCC 数据，应用 GIS 进行时空变化分析［6-19］，使用 InVEST 模型模拟生态系统服务［20-22］，为生态补偿［23-24］、生态安全格局构建［25-27］、土地利用管理与规划［28］提供基础信息。

宁晋县地处太行山东麓冲积平原，地势低平，境内有洨河、滏阳河等河流，是国家重要的商品粮生产基地，也是冀中平原重要的生态屏障区。如何通过合理调控土地利用保障粮食安全、缓解生态压力，实现不同类型生态系统功能协同发展是该区域面临的重要问题之一。笔者通过指标量化，研究宁晋县生态系统服务功能的价值变化，采用生态系统多功能的响应比进行权衡分析，为把握区域生态系统服务变化、构建生态安全格局提供研究依据。

1  资料与方法

1.1  数据来源

基础数据包括：①宁晋县1995、2003、2011、2019年4期土地利用基础数据，数据源为Landsat7 ETM、Landsat8-9 OLI数据。通过非监督分类和人工目视判读相结合的方法进行遥感解译分为6类用地，空间分辨率为30 m，混合矩阵检验Kappa系数在88%以上。②《河北省统计年鉴》《中国农产品成本汇编》等。

1.2  生态系统功能评价与研究方法

1.2.1  生态系统功能评价方法。

根据《中国生物多样性国情研究报告》［5］对生态系统功能进行经济价值评估，构建以下评估体系（表1）。森林和草地生态系统生态价值评估及相关系数计算参考《森林生态系统功能评估规范》［29］和相关研究［30-34］。

（1）生产功能。森林和淡水生产功能价值以林业和渔业总产值表示。农田和草地生态系统生产功能以农产品和牧草经济价值表示。计算公式如下：

EC=ni=1（gi×Yi）

Eg=Ac×Y草×H

式中：EC為农田生产价值（元）；i为主要作物种类（小麦、玉米、大豆、花生、棉花和蔬菜）；Yi为某作物当年产量（t/hm2）；gi为某农作物当年市场价格（元/t）。Eg为草地生产价值（元）；Ac为草地面积（hm2）；Y草为牧草产量（t/hm2），参考已有研究取2.53 t/hm2［30］；H为牧草价格（元/t），按照近年市场价800元/t计算。

（2）气候调节。农田生态系统气候调节包括固碳和释氧功能价值。按照作物每合成单位有机干物质所吸收的碳量和释氧量的方法［35］计算。计算公式如下：

MC=ni=1ci×Yi×（1-Wi）×T碳HIi

MO=ni=1ri×Yi×（1-Wi）×C制氧HIi

式中：MC 为农田生态系统碳蓄积量（ t/a）；MO 为农田生态系统氧气的释放量（ t/a ）；ci 为作物碳吸收率（%）；Yi 为作物经济产量（ t/a ）；Wi 为作物经济产品部分的含水量（%）；HIi为作物经济系数；ri为释氧量（t/a）;T碳根据瑞典碳税法，按 2018 年 8 月汇率计算为1 200元/t;C制氧为工业制氧价格1 000元/t。

（3）养分固持。农田生态系统养分固持价值可通过秸秆还田价值表示，参考秸秆资源相关研究［29，36］，秸秆养分折算计算方法如下：

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为农田养分固持价值量（元）；Si为作物谷草比［37］；N耕、P耕、K耕分别为作物秸秆含N、P、K的百分比，根据相关研究计算作物养分含量［38］；R1、R2、R3分别为化肥磷酸二铵含氮量（%）、磷含量（%）、氯化钾化肥钾含量（%），按照14.00%、 15.01%、 50.00%计算;C1、C2采用 2007 年中国农业信息网公示平均价格磷酸二铵为2 400 元/t、氯化钾为2 200 元/t。

（4）水源涵养。水源涵养价值包括水源调节价值和水分净化价值。采用影子工程法和替代工程法进行估算［29］。耕地水源涵养价值计算如下：

W耕调节=10×Ag×（P-E耕-θ耕）×L1

W耕净化=10×Ag×（P- E耕-θ耕）×L2

式中：W耕调节为耕地水源调节价值（元）；W耕净化为水源净化价值（元）；P为降雨量（mm/a）；E耕为耕地水分的蒸散量（mm/a）；Ag为耕地面积（hm2）；θ耕为地表径流量（mm/a）；L1为修建水库的造价（元）；L2为水的净化费用（元）。依据文献［39］可知，耕地土壤年蒸发量为196.58 mm，地表径流系数以河北平原径流系数的平均值计算为32%［40］。

水域水源涵养功能经济价值计算公式如下：

W水调节=10×Aw×P×L1

W水净化=10×Aw×P×L2

式中：W水调节为水源涵养功能价值（元）；Aw为水域面积（hm2）；W水净化为水的净化价值（元）。其他指标同前。

（5）气体调节。

林地的气体调节功能主要计算SO2的吸收和阻滞粉尘的功能价值。参考《中国生物多样性国情研究报告》［5］取值。废气排污费按照河北省2020年的排污费收费标准计算。

（6）污染物容纳。

以农田化肥流失损失费用和农药、地膜污染造成产量经济损失来表征污染物容纳能力价值量。化肥流失污染计算公式如下：

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

式中：q为化肥利用率（%）;LN为折纯氮肥量（t）;LP为折纯P2O5肥料量（t）;18/14为N元素与氨氮的摩尔系数;0.8为氨氮的污染当量值;0.7为每当量污染物收费额;142/62为P2O5和元素P的摩尔系数;0.05为元素P的污染当量值。

地膜污染造成损失以农作物减产的经济损失表达，计算公式如下：

LG=-ni=1（Yi×di×Pi）

式中：Yi 为作物经济产量（t/a）;di为作物产量损失率（%）［41-42］;Pi为某作物的市场价格（元）。

农药污染损失的计算采用影子工程法，按农药主要成分氯氰菊酯参照工业水污染排污标准计算生产废水，以其生化需氧量BOD5污染收费来评估农药污染价值。计算公式如下：

LA=-Yi×T×LCOD×k×b

式中：Yi 为作物经济产量（t/a）;T为转位废水量（t/t）;LCOD为化学需氧量（mg/L）;k为COD与BOD5的转换系数［43］;b为每当量排污收费额0.7元。

1.2.2  权衡系数计算。

采用响应比［44］计算权衡系数C，反映生产功能增减比例与生态功能增减比例，权衡评价生态系统功能性，计算公式如下：

Cc-o=ln（Ec/Eo）+ln（Yc/Yo ）

RE=ln（Ec/Eo）

RY=ln（Yc/Yo）

式中：Cc-o表示不同年限生态系统功能的权衡系数；Ec/Eo表示不同年限生产功能的比例；Yc/Yo表示不同年限生态功能的比例；RE为生产功能权衡系数；RY为生态功能权衡系数。

2  结果与分析

2.1  土地利用变化分析

遥感影像解译土地利用类型如图1所示，土地利用面积占比统计（表2）表明，1995—2019年耕地面积明显减少，由89.25%减少至60.55%，城镇化发展使得建设用地面积由10.18%增加至33.29%。随着生态环境保护力度增加和退耕还林、植树造林政策的实施，林地面积增加了5.54百分点。草地和水域面积占比变化不大。

从转出数据分析（表3），耕地转出面积最多，建设用地的转出面积第二，主要复垦为耕地，其次为建设用地、林地、水域。从转入特征分析，城镇扩张导致建设用地转入面积最多，其次为林地、耕地、水域、草地，未利用地转入面积最少。1995—2019年宁晋县土地利用表现为建设用地大量扩张，耕地面积迅速减少，林地、水域和草地面积不断增加的变化特征。农田生态系统为研究区主要生态系统类型。

2.2  生态系统功能价值评价

从表4可以看出，1995—2019年宁晋县生态系统服务总价值、生产功能和生态功能整体上呈先增加后减少的趋势，气候调节功能增加明显，养分固持功能稳定增长，水源涵养功能明显下降；气体调节功能呈快速增加趋势，与林地面积的显著增加有关；污染物容纳功能逐年降低。各类型生态系统服务价值平均值从大到小依次为农田>草地>森林>淡水（表5）。

2.3  生态系统功能权衡/协同关系时空变化

权衡系数计算结果（表6）显示，1995—2003年生态系统多功能性和各功能间为协同关系，其中污染物容纳功能权衡系数大于0，农田生态环境压力增大。2003—2011年，生态系统多功能性、生态功能和水源涵养功能与生产功能、气候调节、养分固持、气体调节功能之间呈权衡关系；生产功能与生态功能呈此消彼长的权衡关系；水源涵养功能大幅降低。2011—2019年，生态系统多功能性、生产功能、生态功能、养分固持和水源涵养功能与其他功能呈权衡关系；环境污染程度增加，农田生态环境压力持续增大；生态功能与生产功能呈协同下降趋势，生产功能急剧锐减；生态功能下降速度较上一时期缓慢，说明近年退耕还林、大面积植树造林等生态建设为遏制生态功能的下降发挥了一定作用。

利用ArcGIS根据土地利用和生态系统价值数据绘制生态系统功能损益图，如图2～3所示。从图2～3可以看出，1995—2003年，生态系统多功能性以及各功能增益和减损面积变化较小。2003—2011年，气候调节功能增益面积显著增加，减损面积较少；其他功能增益减损面积较少。2011—2019年，生態功能增益和减损面积变化最为显著，气体调节功能损益面积变化较小，其他功能增益和减损面积变化一致。

从生态系统功能时间权衡与协同变化趋势（图4）可以看出，1995—2019年生态系统多功能性和生产功能的增长速度明显减慢，根据发展趋势未来可能出现减损情况；污染物容纳功能持续减损，生态功能总体减损有所减缓；林地的增加减缓了生态功能减损速度，水源涵养功能下降是导致区域生态功能下降的主要原因。

由生态系统功能损益图（图5）可知：多功能性、生产功能、生态功能、气候调节、养分固持功能损益的空间变化规律一致，随时间减损面积有较大增加；早期水源涵养功能大面积增加，近期呈大面积减损；气体调节功能保持变化较小；污染物容纳功能减损和增益均有较大面积，增益空间为耕地转出面积。1995—2019年区域生态功能呈大面积增益而权衡系数为负，表明生态功能时空权衡关系不一致；农田生态系统生态功能单位价值有所提升且面积占比最大，但该区域生态功能价值却整体下降，进一步说明耕地大面积转入建设用地导致生态系统价值流失。农田生态系统多功能性呈现快速增长—缓慢增长—逐渐下降的变化过程；生产功能增速变缓，与生态功能由协同关系转变为权衡关系。草地生态系统

多功能性逐渐增加，其生产与生态功能呈协同关系。淡水生态系统多功能性逐渐增加，其生态功能与水源涵养为协同关系。森林生态系统各功能间保持协同增长。

3  讨论

土地利用变化对生态系统价值的影响十分显著，这与多数研究结果一致［17，45-47］。研究区耕地大量流向建设用地导致生态系统多功能性降低。增加林地类型结构有利于缓解区域生态环境压力和提升整体生态功能。有研究显示，林地面积的增长对生态系统的积极影响一定程度抵消了建设用地面积的加剧带来的消极影响［10］。有研究表明气候对固碳服务贡献较大［48］。

对生态系统服务与功能价值评估采用计算经济价值的方法，结合文献查阅采用普查数据、系数修正等方法评估。此外经典的评估方法如谢高地等［49-51］核算了生态系统服务单位面积价值量，部分文献通过计算植物净初级生产力评估生态系统功能［52-53］。对于消纳污染物的能力评估，有研究通

过评估农药地膜等对农田生态系统的污染造成的损失来表示［54］。结合相关研究［42］引入减产系数，对地膜污染造成的生态系统功能价值损失进行评估，此外有文献采用意愿调查法［55］进行评估。化肥流失和农药使用的污染负价值评价根据污染的生产排污收费计算。近年来对区域生态系统服务与功能权衡分析认为生态系统功能权衡分析是多重的，应考虑时间和空间尺度效应［56-59］。

4  结论

1995—2019年，研究区生态系统多功能性、生产功能和生态功能整体呈现先增加后减少趋势；气候调节、养分固持功能稳定增加，气体调节功能增加迅速；水源涵养功能明显下降；污染物容纳功能持续降低。农田生态系统是研究区生态系统的主体，由耕地面积减少导致流失的生态系统服务最大，该地类生态系统价值主要流向建设用地。森林、草地生态系统对提升区域生态的系统价值具有重要意义。土地利用对生态系统多功能性有重要影响。研究期内区域生态功能、水源涵养功能、生态系统多功能性和其他功能由协同关系变为权衡关系。农田生态功能的协同/权衡关系时空表现不一致。

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