临汾市土地利用变化的格局分析及其对生态系统服务价值的影响*

葛 静，王 丹，杨萍果

(1.山西师范大学生命学院，临汾 041000； 2.中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心，河北石家庄 050021)



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临汾市土地利用变化的格局分析及其对生态系统服务价值的影响*

葛 静1，王 丹1， 2，杨萍果1※

(1.山西师范大学生命学院，临汾 041000； 2.中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心，河北石家庄 050021)

文章以临汾市2004年、2009年、2014年等3期遥感影像为信息源对研究区土地利用及生态服务价值进行分析。从土地利用转移方向来看， 2004～2009年间，河流、湖泊和林地增加的部分主要由裸地和草地转化而来； 2009～2014年间，河流、湖泊主要转变为林地，其次为裸地。从研究区的空间格局来看，各类土地利用类型的发展趋于不均衡，优势斑块的优势地位越来越明显，斑块的连通性增强。从生态服务价值的角度来看，临汾市生态服务价值量表现出增加趋势，所有土地利用敏感性指数均小于1，生态系统服务价值对价值系数缺乏弹性，研究结果比较可信。

土地利用 景观格局 生态系统服务 价值变化 敏感性指数

0 引言

土地是人类赖以生存的物质基础，随着社会发展，人地关系日益紧张，矛盾日益突出，人类对土地利用方式的改变影响着生态环境的变化[1-3]。由土地利用变化导致的生态系统服务价值的变化是衡量土地利用变化环境效应的重要量化指标[4-6]。Henrik Vejre 以哥本哈根城市边缘区为研究对象，探讨生态系统服务价值时空变化[7]。Huang等人运用易损性评价探讨了欧洲土地利用变化情况对生态系统服务价值的影响[8]。王宗明等在松嫩平原三期土地利用动态数据的基础上，应用RS和GIS技术分析了该地区土地利用变化与成因及其所引起的生态价值的变化[9]； 刘祗坤等参照3期TM影像数据，对赤峰市土地利用类型变化及生态系统价值变化进行了系统分析[10]。

改革开放以来，临汾市经济快速、稳定发展，城市化水平大幅度提高，土地利用变化剧烈，人地矛盾日益突出，严重影响该区域的可持续发展。文章根据土地利用情况，研究了具有时间跨度的3个时间段的临汾的土地类型流转情况、土地利用格局变化以及生态系统服务价值变化过程，以期为该区域的土地利用规划提供参考建议。

1 材料与方法

1.1 数据来源及数据处理

根据临汾市的区域特征和研究要求，在其2004年、2009年、2014年等3个时期的卫星遥感影像的基础上进行数据解译。具体图像处理方法、解译标志的建立详见文献[11]。人口、经济和社会等数据来自《临汾市统计年鉴》(2005～2015年)。

参照国家通用的土地分类系统及临汾市本土特征，将土地分为农用地、建设用地、林地、湿地和未利用地5个大类； 以下又划分成农田、林地、灌木丛、草地、河流湖泊、建筑用地和裸地7种二级分类体系类型。

1.2 土地利用转移速率

研究区域内某种土地利用类型转移的变化速率可表示为：

(1)

式中，LCi代表第i种土地的转移变化速率(%)；LUi表示i类土地在基期的面积(hm2)；ΔLUi表示i类土地在研究时段内转为非i类土地的面积(hm2)；t表示研究时间段(年)。

1.3 景观指数计算

常见的景观指数有拼块类型面积(CA)、斑块类型所占景观面积的比例(Pland)、斑块个数(NP)、景观形状指数(LSI)、散布与并列指数(IJI)、蔓延度指数(CONTAG)、均匀度指数(SHEI)，计算方法详见文献[12]。

1.4 生态系统服务价值评价方法

该文结合临汾市实际情况，参照谢高地制定的陆地生态系统单位面积生态服务价值表，得出生态系统单位面积内的生态服务价值，结果如表1所示。

表1 不同类型生态系统服务价值系数

该研究还对临汾市不同土地利用类型单位面积的单一生态系统服务价值系数进行细化(表2)。其中在计算单项服务价值时亦采用生态服务价值表达式，如：气体调节的总价值=气体调节服务下的各土地利用类型价值系数×各土地利用类型面积。

表2 生态系统各项服务价值系数

生态服务价值的数学表达式如下：

ESV=∑(Ak×VCk)

(2)

式中，ESV表示研究区内生态系统总服务价值(万元)；Ak表示第k种土地利用类型面积(hm2)；VCk表示第k种土地利用类型的生态服务价值系数。

1.5 生态价值敏感性计算方法

为了验证生态系统价值系数的准确性，引入敏感性指数(CS)，它是指生态系统服务价值系数的变化引起生态系统服务价值的变化程度。计算公式如下[13]：

(3)

式中，CS代表敏感性指数，ESVi和ESVj分别代表调整前后生态系统服务价值，VCjk和VCik分别代表调整前后服务价值系数。若CS<1，则说明ESV相对VC缺乏弹性，结果可信。

2 结果与分析

2.1 土地利用过程的变化

2004～2009年：裸地和草地减少的部分主要转化为河流、湖泊和林地，比例分别为4.13%、1.89%和25.42%、18.88%； 灌木丛增加的部分主要由农用地和草地转化而来，转入比例分别为38.62%、38.60%； 农用地减少的部分主要转化为草地，转化面积达1069.16hm2，转化比例为35.01%，其次为裸地和灌木丛，转入比例分别为11.71%、11.47%； 建筑用地增加部分的主要的转化来源是河流湖泊，转化面积为0.21hm2，转入比例仅为0.003%； 裸地的转化来源主要为农用地，其次为草地，转入比例为分别为58.35%、14.13%(表3)。

2009～2014年：林地、裸地主要由河流、湖泊转化而来，其中转化为林地179.23hm2，转移比例为4.6%，转化为裸地76.84hm2，转移比例为1.97%； 林地主要转变为裸地，其次分别为草地、灌木丛、河流湖泊，转移比例分别为9.18%、7.99%、4.95%、3.66%，转移率较少，变化不明显； 农用地和草地主要由灌木丛转化而来，其中转化为农用地661.97hm2，草地391.73hm2，转化明显； 农用地转化为其他土地利用类型的比例很小，主要转化为裸地，其次为草地，转移比例分别为4.038%， 1.057%； 建筑用地完全是自身转化。

表3 研究区土地利用类型转移矩阵 hm2

2.2 土地利用总体评价

2004～2009年变化的总体趋势为：河流湖泊、林地、灌木丛和农用地在增加，草地和裸地在减少，建筑用地面积小幅增加。土地利用年变化率较大的土地类型依次为草地、裸地、灌木丛，比率分别为10.44%、10.36%、10.09%，林地变化速度也较快，最慢的为建筑用地， 4年间小幅增加； 2009～2014年变化的总体趋势为：林地、灌木丛、草地和裸地面积大幅增加，建筑用地面积相对小幅增加，河流湖泊、农用地面积略减少。由于国家退耕还林还草政策的影响，导致5年间林地骤增，年均变化率最大，为30.29%，而且大部分是来源于农田的减少，说明这几年植树造林使林地的比重逐年增加； 河流湖泊年均减少0.33%，主要转化为裸地，其缩小率位于所有土地利用类型榜首； 农用地的年均变化率为-0.44%，退化也很严重。农田的缩减主要受到两方面原因影响：一方面是由于建设用地和林地的侵占； 另一方面是由于临汾市城市化进程不断加快，大量务农人员转变为务工人员，耕地荒废。水体的缩减则主要是由于气候变暖，加速水体干涸。

2.3 土地利用格局的变化

从斑块类型水平来看(表4)： 2004年，农用地处于优势地位，其面积占80.82%，可看作整个区域的基质，草地和农用地的破碎化和分割程度较高，内部复杂，边界主要由自然因素导致形成，人为干扰相对较小； 2004～2009年，农用地仍被视为整个区域的基质，建筑用地和裸地的破碎化程度较高，农用地和草地的斑块结构最为复杂； 2014年农用地占有绝对优势度，受人为活动影响仍然较高，农用地和林地的斑块结构最为复杂，草地的斑块结构最简单，比较单一。

从景观水平来看： 2004～2014年临汾市斑块形状从原来的复杂多边形变为稍微简单的多边形； 各类土地利用类型的发展趋于不均衡； 优势斑块的优势地位越来越明显，斑块的连通性增强。

表4 研究区景观格局指数特征

2.4 城市土地生态系统服务的价值分析

2.4.1 生态系统服务改变的经济价值评估

如表5所示，临汾市的土地生态系统服务价值在10年间整体呈现增加的趋势，在2014年值达到最高，为22.32亿元。从构成来看， 2004～2014年林地生态系统服务价值在生态系统服务价值中所占比例最大，是生态系统服务价值的主体部分。随着城市化进程的加快，农田生态系统服务价值逐渐低于水体生态系统的服务价值。

农田、林地和水体生态系统服务价值在这10年间的变化幅度与各自的面积变化幅度趋势基本相符合，即农田生态服务价值在2009～2014年间下降最大； 林地生态服务价值在2009～2014年间增长最快，水体面积在2004～2009年间增幅最大。总之，临汾市农田面积呈现逐年减少趋势，但是其降幅较小，且林地和水体面积的增幅大于农田面积的降幅，再加上建设用地面积的增加相对缓慢，因此使得生态系统服务价值总体呈现增加趋势。

表5 临汾市不同土地利用类型的生态系统服务价值

2.4.2 生态系统单项服务价值变化

如表6所示， 2004～2014年除食物生产值外，剩余各项服务价值均表现出不同程度的升高。其中水源涵养的服务价值的增加量最大，增加值为1.03×109元，废物处理次之，增加值为0.72×109元。这主要归因于农田面积减少及林地和水域面积的增加。农田面积的减少导致食物生产价值下降，但由于农田的减少所带来的生态服务的价值损失要远小于林地和水域面积增加所带来的生态服务价值增加值，这一结果就导致气体调节、水源涵养、废物处理等生态系统服务价值增加。

在2004～2014年间，各项服务价值的结构顺序也发生明显的变化， 2004年顺序为土壤形成与保护>生物多样性与保护>水源涵养>废物处理>气候调节>气体调节>原材料>娱乐文化>食物生产，至2014年演变为土壤形成与保护>水源涵养>废物处理>生物多样性与保护>气体调节>气候调节>原材料>娱乐文化>食物生产。这种变化趋势表明土地利用类型在流转过程中，土地的服务性功能比较重要，处于主导性地位，而生产性功能作用相对较弱，且有弱化的趋势。此外，水源涵养和废物处理服务功能所占比重越来越大，表明通过增加林地面积和水体面积能显著提升生态系统的服务性功能，并有利于提高服务价值。

表6 临汾市2004年、2009年及2014年生态系统各服务类型价值变化

2.5 敏感性分析

根据敏感性指数公式，将各土地利用类型的生态服务价值系数VC分别上下调整50%[14， 15]，从而得到ESV和VC的敏感性程度。由表7可知，在2004～2014年除林地和草地外，其余土地利用类型的敏感性指数上下浮动，变化不大。林地的敏感性持续增加，草地的敏感性指数逐渐减少。说明生态系统服务总价值对林地的价值系数依赖性逐步增强，而对草地的价值系数依赖程度慢慢减少。在研究年份内，临汾市所有土地利用类型的ESV对VC的敏感性指数均小于1，表现为林地>农田>草地>河流湖泊>建设用地>灌木丛>裸地，表明研究区域内ESV对VC是缺乏弹性的，研究结果可信，具有实际意义。

表7 研究区生态系统服务价值敏感性指数

3 结果与讨论

基于遥感影像解译结果，对临汾市2004～2014年土地类型流转情况、土地利用格局变化以及生态系统服务价值变化过程进行定量分析，得出如下结论。

(1)2004～2009年土地利用变化的总特点是河流湖泊、林地、灌木丛和农用地在增加，草地和裸地在减少，建筑用地面积小幅增加。土地利用变化速度较大的为草地。2009～2014年变化的总体趋势为林地、灌木丛、草地和裸地面积增加，河流湖泊、农用地面积略减少，建筑用地面积小幅增加。从景观水平来看，从2004～2014年临汾市斑块形状从原来的复杂多边形变为稍微简单的多边形； 各类土地利用类型的发展趋于不均衡； 优势斑块的优势地位越来越明显，斑块的连通性增强。

(2)临汾市生态系统各项服务价值变化趋势表明：在流转过程中，土地的服务性功能处于主导性地位，生产性功能作用相对较弱，且有弱化的趋势。此外，水源涵养和废物处理服务功能所占比重越来越大，表明通过增加林地面积和水体面积能显著提升生态系统的服务性功能，并有利于提高服务价值。

(3)研究区域内所有土地利用类型的生态系统服务价值敏感性指数均小于1，表明ESV对VC的变化缺乏弹性，研究采用的价值系数比较合理，结果可信。

(4)在今后的土地规划过程中，要注意城市化建设不能过度吞食具有生产性功能的耕地和具有生态性功能的草地。一方面要实行耕地保护政策，减少耕地流失： ①调整土地收益分配办法，建立保护耕地的经济制约机制； ②强化土地管理的集中统一领导； ③修改和制定相关法律，为实现耕地总量动态平衡提供法律保障。另一方面要在提高土地资源的利用率，要在最大限度的保护生态用地的前提下，适度开发未利用地，拓展经济发展与生态建设用地空间。

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ANALYSIS OF CHANGING SITUATION OF LANDSCAPE PATTERNS AND EFFECTS OF LAND USE CHANGE ON ECOSYSTEM SERVICE VALUE IN LINFEN CITY, CHINA*

Ge Jing1，Wang Dan1， 2，Yang Pingguo1※

(1.College of Life Science，Shanxi Normal University，Linfen 041000， China；2.Centre for Agricultural Resources Research，Institute of genetics and developmental biology，Chinese Academy of Sciences，Shijiazhuang，Hebei 050021， China)

In this study, the changes of land use and ecosystem service values were evaluated using the data from the TM imags of Linfen city obtained in 2004, 2009 and 2014. From the view of land use transfer direction, the lands of rivers, lakes and woodlands increased from bare land and grassland during 2004-2009; Rivers and lakes mainly converted to forest land and bare ground during 2009-2014. From the spatial pattern of the study area, the various land use types tended to be unbalanced, the dominant position in the advantage plaques were increasingly obvious, and the plaques enhanced connectivity. Meanwhile, the value of ecosystem services increased from 2004 to 2014, all of the land use value coefficients were less than 1. The value of ecosystem services in the study area was lack of flexibility on the value coefficient.

land use； landscape pattern； ecosystem services； value variation； coefficient of sensitivity

10.7621/cjarrp.1005-9121.20161013

2015-08-20

葛静(1991—)，女，山西大同人，硕士。研究方向：土地资源利用管理。

※通讯作者：杨萍果(1974—)，女，山西襄汾人，博士、副教授。研究方向：农田土壤资源利用。Email： 4526789@qq.com

国家自然科学基金项目“农田土壤磁化率与微量金属含量相关性及空间格局研究”(31272258)

F301.2; X171

A

1005-9121[2016]10-0077-06