坝上高原生态用地时空格局演变与生态系统服务价值分析

武爱彬，赵艳霞



坝上高原生态用地时空格局演变与生态系统服务价值分析

武爱彬，赵艳霞

（河北省科学院地理科学研究所，石家庄 050021）

为了给当地的生态用地保护和区域间生态补偿提供科学依据，该研究在坝上高原地区1990、1995、2000、2005、2010和2015年6期土地利用解译数据的基础上，通过GIS等工具分析了研究区域1990－2015年间生态用地格局演变的基本特征，并对生态用地的生态系统服务价值进行了计算。主要结论如下：1990－2015年期间，研究区域生态用地数量呈减少趋势，其中林地和其他生态用地数量在增加，草地和湿地数量在减少。生态用地活跃程度在2000－2015年比1990－2000年期间更高。林地的空间稳定性最好，然后为草地和湿地，其他生态用地稳定性最差。生态用地生态系统服务价值由46.01亿元上升到428.26亿元，增加了8.31倍，林地和湿地提供的生态系统服务价值最大，其次为草地，其他生态用地最小，应当继续加强生态防护林建设，采取生物恢复技术，人工补水，科学禁牧、休牧、轮牧，调整产业结构等措施恢复和增加林地、湿地和草地的生态系统服务功能。

生态系统；土地利用；GIS；生态用地；格局演变；服务价值；坝上高原

0 引 言

土地是人类活动的载体，是人类社会生存和发展最根本的物质基础。在各种土地利用类型中，生态用地提供了涵养水源、保护土壤、防风固沙、调节气候、净化环境、保护生物多样性等多方面的生态服务功能，是维持区域生态平衡、确保区域生态安全最重要的生态系统[1]。近年来，中国在自然资源管理中对生态用地的保护日臻重视，2000、2008和2010年分别颁布《全国生态环境保护纲要》、《全国土地利用总体规划纲要》和《全国主体功能区规划》，均明确提出了“加强保护生态用地”的概念和要求。在学术界，“生态用地”一词最早由董雅文在1999年提出[2]，2001年石元春院士和石玉林院士在研究中对生态用地做了进一步阐述[3]。随后针对生态用地的概念，岳健等[4]从土地空间形态角度，龙花楼等[5]从土地生态功能角度，邓红兵等[6]从土地主体功能角度进行了定义和探讨。许多学者围绕生态用地内涵与分类[7-10]、空间识别[11-13]、需求测算[14-15]、景观格局变化[16-17]、演变驱动机制[18-20]、管控优化策略[21-22]等方面开展了广泛研究。研究区域大多集中在北京、天津、重庆、武汉等大型城市区和京津冀、长三角、长株潭、西北干旱区等典型区域，针对高原地区的研究很少。

坝上高原地区是河北省建设京津冀生态环境支撑区中5个生态区之一，在防风固沙、水源涵养、防止水土流失等方面起到特殊的生态保护作用。作为京津冀最重要的生态屏障，坝上地区需要承担恢复草地植被、打造防风固沙林、缓解京津风沙危害等生态建设任务，同时该区域所包括的6个县（市）皆为国家级贫困县，经济发展形势严峻，生产生活用地与生态用地矛盾突出。针对生态用地具有尺度性、区域性的特点[23]，本研究根据坝上高原土地利用的特殊性，从土地主体功能角度将坝上高原生态用地定义为：生态用地是相对于生产生活用地，以提供防风固沙、水源涵养、水文调节、维持生物多样性等重要生态服务功能为主的用地类型。通过研究分析坝上高原区近20多年生态用地的数量结构、布局形态变化，认识和理解其生态用地格局演化过程及变化的基本特征规律，计算其生态系统服务价值，可以为分析其演化驱动机制、优化生态用地格局、模拟分析和预测生态用地演变过程提供研究基础，为当地的生态用地保护、土地利用规划以及区域生态环境保护提供科学依据。

1 研究区域和研究方法

1.1 研究区概况

坝上高原位处河北省北部，内蒙古高原的东南缘（114°35′～116°45′E，41°00′～42°20′N），如图1所示，为中国北方干旱与半干旱、农区与牧区接壤的过渡地带，是京津境内众多河流的发源地及上游所在地，也是京津等地的重要沙源地。坝上高原东西约330 km，南北约212 km，总面积约18 967 km2。海拔1 100～2 200 m，受蒙古高压的长期控制，气候特征为低温、少雨、多风、高蒸发，年平均温度2～5 ℃，年均降水量330～460 mm。土壤质地主要为沙质和黏质土，西部土壤类型以栗钙土为主，东部主要为灰色森林土。行政区域包括张家口市的张北县、康保县、沽源县、尚义县全部区域和承德市的丰宁满族自治县、围场满族蒙古族自治县部分区域。至2014年末研究区域总人口约200.67万人，国民生产总值约387.99亿元。

1.2 生态用地分类体系

根据定义将研究区域生态用地分为草地、林地、湿地和其他生态用地4个一级类，15个二级类，分类结果如表1所示。其中草地指以生长草本植物为主，覆盖度在5%以上的各类草地，包括以牧为主的灌丛草地和郁闭度在10%以下的疏林草地；林地指生长乔木、灌木、竹类以及沿海红树林地等林业用地；湿地指天然的或人工、常年或季节性，蓄有静止或流动的淡水、半咸水或咸水的沼泽地、泥炭地或水域；其他生态用地指草地、林地、湿地以外的生态用地。

表1 坝上高原生态用地统一分类体系

1.3 数据来源与处理

本研究采用的土地覆被数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心，为1990、1995、2000、2005、2010和2015年中国1:10万比例尺土地利用现状遥感监测解译数据[24]，该解译数据对全国LUCC （land use/cover change）共划分了6个一级类，25个二级类，从中提出研究需要的生态用地类型。该解译数据栅格大小为1 000 m× 1 000 m，根据栅格数量可计算出生态用地面积。研究区域1990－2015年期间研究区域生态用地分布如图2所示。

1.4 土地利用转移速率和动态度

土地利用类型转移速率反映一段时间内某类土地利用类型的转移量[25]。

该模型为

式中P为第种土地利用类型的转移速率；S为研究期末第种土地类型面积，hm2；S为研究期始第种土地类型面积，hm2；为研究时间段，a。

土地利用动态度模型反映不同区域土地利用变化的总体及综合活跃程度[24]。

该模型为：

式中为时段对应的研究区土地利用综合动态度；S为时段开始第类土地利用类型的面积，hm2；∆S-j为时段从开始到结束第类土地利用类型转化为其他类土地利用类型的面积总和，hm2；为时间段，a；为土地利用类型总数。

1.5 生态系统服务价值

Costanza等在总结过去几十年生态系统公益价值评价研究的基础上，将生态系统的服务功能分为气体调节、气候调节、土壤形成、物质循环、娱乐及文化价值等17种，并进行了货币化测算[26]。

该模型为：

式中为生态系统服务总价值，元/a；A为研究区第种土地利用类型的面积，hm2；VC为第种土地利用类型单位面积生态系统服务价值，元/hm2·a。

谢高地等2008年在Costanza生态系统服务功能分类的基础上，结合中国实际情况构建了一种基于专家知识的生态系统服务价值化方法[27]，该方法将农田生态系统粮食生产的服务价值定义为1，其他生态系统服务价值与农田生态系统粮食生产的服务价值的比值即为该生态系统的当量因子，并在2015年进行了修订和补充，建立了不同生态系统类型、不同生态服务功能价值的时间和空间动态评估方法[28]。本研究借鉴该研究方法和研究成果，计算归纳得出坝上高原区生态用地生态系统服务价值当量因子表，如表2所示。考虑到实际应用中难以完全消除人为因素的干扰，准确衡量出农田生态系统自然条件下粮食生产的服务价值[28]，本研究中将1 hm2农田生态系统粮食生产的净利润作为替代。依据统计数据[29-30]计算得到坝上高原区的农田生态系统粮食生产的服务价值在1990、1995、2000、2005、2010和2015年分别为273.50、424.60、711.00、1 236.80、1 945.50和2 496.00元/hm2。

表2 坝上高原区生态用地单位面积生态系统服务价值当量因子

2 结果与分析

2.1 生态用地格局演变的基本特征

如图3所示，研究区域1990－2015年间生态用地数量呈减少趋势，由1990年90.45万hm2、占总用地的47.69%，减少至2015年88.18万hm2、占总用地的46.49%。其中林地数量和其他生态用地数量呈增加趋势，分别由27.50万、0.83万hm2增加至32.49万、1.13万hm2，所占总用地的比例分别由14.50%、0.44%，增加至17.13%、0.60%；草地数量和湿地数量呈下降趋势，分别由50.15万、11.97万hm2减少到43.73万、10.83万hm2，所占总用地的比例分别由26.44%、6.31%，减少到23.06%、5.71%。二级地类中，其他林地、低覆盖度草地、河渠、有林地和盐碱地数量有较大幅度增加，分别增加了540.00%、103.03%、73.91%、44.90%和36.14%，滩地、沼泽地、水库坑塘和高覆盖度草地数量有较大幅度减少，分别减少了65.26%、27.51%、21.74%和17.24%，其他二级地类数量变化幅度较小。

2.2 生态用地转移特征

2.2.1 生态用地转移速率与动态度

转移速率可以衡量该类型用地转移的快慢，综合动态度值的大小可以整体反映生态用地转移的活跃程度。如表3所示，研究区域生态用地1990－2015年期间综合动态度为1.28%，其中其他生态用地转移速率最快，达到了1.45%；其次为林地，为0.73%；草地和湿地的转移速率分别为−0.51%和−0.38%。研究区域1990－2000年、2000－2015年期间生态用地综合动态度分别为−0.50%、2.43%，说明与1990－2000年相比较，2000－2015年期间研究区域生态用地综合活跃程度更高。其中草地减少的速率和林地增加的速率在加快，湿地减少的速率在减慢，其他生态用地由减少变为增加，主要是因为2000年以后，国家围绕“沿边、沿坝、坝上林网、潮河流域、滦河流域、窗口地带”六大工程体系布局，在坝上高原地区连续实施了京津风沙源治理、“一退双还”、千松坝造林、坝上生态农业开发等一批重点生态工程[31]，进行了大量的生态建设投资，直接导致林地数量快速增长。与此同时，由于气候趋于干燥化，尤其是2007、2009年2次严重的旱灾，加上大面积对草原的开垦、过度载畜、地下水超采和农田不合理灌溉、蔬菜种植面积激增、产业结构不合理等因素，致使坝上地区草地、湿地数量仍在持续减少，部分湿地转变为盐碱地，导致其他生态用地数量大幅度增加。

表3 坝上高原1990－2015年生态用地转移速率及动态度

2.2.2 生态用地转移类型

各土地利用类型保持自身面积不变的比例即保留率，可比较分析不同土地利用类型在研究时段内的稳定性情况[32]，某一土地利用类型保留率越大，其空间稳定性也越大，在区域尺度上更有利于景观自身功能和过程的正常运行与多样性的维持。利用ArcGIS软件的Tabulate Area工具将研究区域1990年和2015年生态用地分布图叠加分析后，统计结果如表4所示。在1990－2015年期间，林地的保留率最高，达到了63.22%，其次为草地和湿地，保留率分别为41.23%和34.88%，其他生态用地的保留率最低，仅为11.90%，说明在研究期间，林地的空间稳定性最好，其次为草地和湿地，其他生态用地稳定性最差。

草地的主要转移类型为非生态用地，转移比例达到了38.08%，转移为林地、湿地和其他生态用地的比例分别为16.40%、3.97%和0.32%，是由于对草原过度开垦、无序旅游开发、违规建造宅基地等使大量草地被转变为耕地、建设用地等非生态用地。林地的主要转移类型为草地和非生态用地，比例分别为20.75%和14.54%，转移为湿地和其他生态用地的比例仅为1.39%和0.11%。湿地的主要转移类型为非生态用地，比例达到了44.41%，转移为草地、林地和其他生态用地的比例分别为13.54%、5.67%和1.50%，坝上地区湿地退化形势十分严峻，除了研究期间年均温上升、年降水量下降以及大风出现频率高、持续时间长等自然因素，围湖造田、水浇地数量大幅度增加、居民生产生活用水总量急剧增长、透支地下水等人为因素也加剧了湿地的退化。其他生态用地的主要转移类型为湿地，比例为51.19%，转移为非生态用地和草地的比例分别为20.24%和16.67%，没有发生向林地转移。非生态用地的转移主要类型为草地，转移比例为16.28%，转移为林地、湿地和其他生态用地的比例分别为6.55%、3.65%和0.76%。从数量上看，研究区域在1990－2015年期间，生态用地的演变过程主要集中在草地向非生态用地、林地转移，林地向草地转移，湿地向非生态用地转移以及非生态用地向草地、林地转移。这也反映了研究期间坝上地区草地、湿地的退化形势严峻，其中非生态用地向草地、林地的转移说明21世纪以来一系列生态建设工程已经初见成效。

表4 坝上高原地区1990－2015年生态用地转移

2.3 生态用地生态系统服务价值变化特征

研究区域生态用地生态系统服务价值计算结果如表5所示，由1990年的46.01亿元，上升到2015年的428.26亿元，增加了8.31倍，其中1990－2000年期间生态用地的生态系统服务价值年均增长幅度为15.82%，2000－2015年期间年均增长幅度略有增加，达到17.37%。

研究期间林地和湿地提供的生态系统服务价值最大、然后为草地，其他生态用地最小。林地提供的生态系统服务功能主要为气候调节、土壤保持、气体调节等，1990－2015年期间林地的生态系统服务价值由17.31亿元增加至186.70亿元，增长幅度为978.84%，1990－2000年期间年均增长幅度为16.82%，2000－2010年增大至20.15%，应当继续采取封山育林，加强生态保护林建设，采取适宜乡土树种人工造林，提高林木成活率，构建多层次林分结构，增加林地生态系统服务功能。湿地提供的最为重要的生态系统服务功能是水文调节，1990－2015年期间湿地的生态系统服务价值由17.45亿元增加至147.22亿元，增长幅度为743.84%，坝上地区是京津冀最重要的水源涵养地，直接决定了京津的用水安全和生态平衡，坝上地区应实行更严格的湿地保护制度，同时针对不同的湿地退化程度，采取生物恢复技术、人工补水等措施，使湿地生态功能能得以恢复和增强。草地提供的生态系统服务功能主要为气候调节、水文调节和水土保持等。1990－2015年期间草地生态系统服务价值由11.25亿元增加至94.29亿元，增长幅度为738.00%，1990－2000年期间年均增长幅度为15.84%，2000－2015年期间略有下降，为14.95%，低于其他类型生态用地，坝上草原是河北省最重要的旅游地之一，畜牧业在当地经济发展中占有重要比例，草地保护压力巨大，应进一步加强科学种草、改良草场，合理禁牧、休牧和划区轮牧，调整产业结构，大力提倡节水灌溉，做好鼠虫害防治，建造护林带等改善措施，有效利用和保护草原。研究区的其他生态用地全部为盐碱地，提供的生态功能主要为土壤保持，1990－2015年期间提供的生态系统服务价值很小。

表5 坝上高原区1990－2015年生态用地生态系统服务价值变化

3 结 论

本研究在坝上高原地区1900、1995、2000、2005、2010和2015年6期生态用地解译数据的基础上，分析了研究区域1990－2015年期间生态用地格局演变的基本特征，并对生态用地的生态系统服务价值进行了计算，主要结论有：

1）研究区域在研究期间生态用地数量呈减少趋势，其中林地和其他生态用地数量在增加，草地和湿地数量在减少。

2）时间角度上研究期间林地的转移速率最高，其次为其他生态用地和草地，湿地最低。由于2000年以后在坝上地区的实施了京津风沙源治理等一系列生态工程建设项目，生态用地2000－2015年生态用地活跃程度远高于1990－2000年，综合动态度值分别为2.43%和−0.50%。

3）空间角度上研究期间林地的空间稳定性最好，草地和湿地次之，其他生态用地稳定性最差。生态用地的演变过程主要集中在草地向非生态用地、林地转移，林地向草地转移，湿地向非生态用地转移以及非生态用地向草地、林地转移。

4）研究期间生态用地生态系统服务价值由1990年的46.01亿元，上升到2015年的428.26亿元，增加了8.31倍，主要是由于生态系统服务价值标准当量从1990年的273.50元提高到2015年的2 496.00元，提高了8.13倍。应当继续加强生态防护林建设，采取生物恢复技术、人工补水，科学禁牧、休牧、轮牧，调整产业结构等措施恢复和增加林地、湿地和草地的生态系统服务功能。

坝上高原地区是京津冀地区的重要生态屏障，同时也是京津冀的水涵养地和生物多样性保护的重要基地，对保障京津冀地区的生态安全和水资源供给有着不可替代的作用。通过对近20多年生态用地格局演变的研究，掌握其演变规律，可以为下一步分析人文驱动和自然驱动因子提供研究基础，为未来时期演变模拟提供验证。通过对生态用地生态系统服务价值的货币化计算，可以为区域间生态补偿的实施提供参考借鉴。

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Analysis of ecological land pattern evolution and ecosystem service value in Bashang plateau

Wu Aibin, Zhao Yanxia

(,050021,)

Ecological land is of great significance in safeguarding important ecological processes and providing essential ecosystem services, and the classification and evaluation of the ecosystem services of ecological land have become increasingly important in recent years. In order to change the trend of ecological land loss caused by blind economic development and to improve the regional pattern for ecological security, it is necessary to study the rational allocation of the quantitative structure and the spatial patterns of ecological land. Based on land use data of Bashang plateau in 1990, 1995, 2000, 2005, 2010 and 2015, GIS (geographic information system) technology was used to analyze ecological land pattern evolution and ecosystem service values of Bashang plateau. The results were as follows: (1) The ecological land in Bashang plateau was classified into 4 types (forest, grassland, wetland and other ecological land) and 15 sub-types; the quantity of ecological land decreased from 904 500 to 881 800 hm2during 1990- 2015 due to the decreased grassland and wetland and the increased forest and other ecological land. The quantities of forest and other ecological land increased from 275 000 and 8 300 to 324 900 and 11 300 hm2respectively, and meanwhile the quantities of grassland and wetland decreased from 501 500 and 119 700 to 437 300 and 108 300 hm2respectively. (2) The transfer rates of forest, other ecological land, grassland and wetland were 1.45%, 0.73%, -0.51% and -0.38% from 1990 to 2015, respectively. The dynamic degree during 1990-2000 was -0.50%, while it was 2.43% during 2000-2015, which indicated that the activity degree of ecological land in 2000-2015 was much higher than that in 1990-2000. The decrease of grassland and the increase of forest land accelerated, while the reduction of wetland slowed down, and other ecological land change increased. All of these were mainly due to a series of key ecological projects that were carried out in Bashang plateau to control sandstorm source of Tianjin and Beijing, which have led to the rapid growth of forest; meanwhile, as the climate of Bashang plateau tended to be dry after entering 21 century, as well as the unreasonable utilization of grassland and wetland resources, the areas of grassland and wetland decreased. (3) The retention land rates of forest, grassland, wetland and other ecosystem land in the study area were 63.22%, 41.23%, 34.88% and 11.90% respectively, indicating that the spatial stability of forest was the best, followed by grassland and wetland, and the stability of other ecological land was the worst. The ecological evolution process was mainly concentrated in the transfer from grassland to non-ecological land and forest, the transfer from forest to grassland, the transfer from wetland to non-ecological land and the transfer from non-ecological land to grassland and forest. The transfer from non-ecological land to grassland and forest land showed that the series of ecological construction projects had achieved initial success. (4) The ecosystem service values of ecological land decreased from 46.01×108yuan in 1990 to 428.26×108yuan in 2015, enlarged by 831%. The average annual growth rate of ecosystem service values increased from 15.82% during 1990-2000 to 17.37% during 2000-2015. The forest ecosystem service values were the maximum, while the other ecological land ecosystem service values were the minimum. We should continue to strengthen the construction of ecological nature preserves, use biological recovery technology and artificial replenishment such as scientific grazing, adjust the industrial structure and use other measures to restore and increase the forest, wetland and grassland ecosystems.

ecosystem; land use; geographic information systems; ecological land; pattern evolution; service value; Bashang plateau

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.039

P964; Q149

A

1002-6819(2017)-02-0283-08

2016-08-18

2016-11-11

河北省社会科学基金项目（HB16YJ064）；河北省自然科学基金资助项目（D2014302007）；河北省科技计划项目（15457672D）；河北省科学院青年创新项目（2017）

武爱彬，男，河北石家庄人，助理研究员，主要从事区域生态学、遥感与地理信息等方面的研究。石家庄 河北省科学院地理科学研究所，050021。Email：wu.ai.bin@163.com

武爱彬，赵艳霞. 坝上高原生态用地时空格局演变与生态系统服务价值分析[J]. 农业工程学报，2017，33(2)：283－290. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.039 http://www.tcsae.org

Wu Aibin, Zhao Yanxia. Analysis of ecological land pattern evolution and ecosystem service value in Bashang plateau[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(2): 283－290. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.039 http://www.tcsae.org