京津冀地区土地利用变化对生态系统服务价值的影响*

盛晓雯，曹银贵， 2※，周 伟， 2，成 陆，张 辉

(1.中国地质大学土地科学技术学院，北京 100083； 2.国土资源部土地整治重点实验室，北京 100035； 3.中国土地勘测规划院，北京 100035)

0 引言

土地覆被与利用的变化改变了生态系统的结构和功能，从而影响生态系统的平衡[1]。生态系统服务是指生态系统通过提供产品和物质以此维持人类生存的自然环境[2]。1997年，著名生态学家Daily等阐述了生态系统服务的类型和评价[3]。同年，Costanza等学者依据效用价值理论和均衡价值理论等估算了全球生态系统服务经济价值，自此，生态系统服务概念和价值研究得到广泛重视[4]。国内外学者利用直接市场评价法、间接市场评价法和模拟市场评价法，分别从国家、省域、城市、自然保护区等不同研究尺度，对研究区的农田、森林、草地、水域、湿地等生态系统服务价值进行评估[5-10]，以经济价值[6]的形式计算人类活动对生态系统服务功能的影响。

改革开放以来，随着中国经济高速发展和京津冀一体化的推进，京津冀地区的土地覆被与利用处于不断调整中，城镇建设、交通发展、产业对接等都会对局部土地利用产生较大的影响，造成的负面影响使生态环境形势严峻，影响着人们的生产和生活[11]。国内现有的生态系统服务价值分析通常以单个城市为研究区[9-10]，而对多个毗邻省(市)城市的研究较少，尤其是针对京津冀环首都城市圈的生态系统服务价值变化研究更少。鉴于此，文章针对京津冀地区快速发展过程中，土地利用变化对生态系统造成的影响，根据谢高地等[5]提出的生态系统服务价值当量因子表和京津冀地区粮食产出情况，探讨2000～2015年研究区各城市土地利用变化引起的生态系统服务价值变化规律，为研究区土地利用规划、生态环境保护和可持续发展提供参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

京津冀地区包括北京、天津两个直辖市和河北省的石家庄市、唐山市、秦皇岛市、邯郸市、邢台市、保定市、张家口市、承德市、沧州市、廊坊市和衡水市，总面积约21.80万km2，约占全国陆地总面积的2%。研究区地势西北高、东南低，呈阶梯状下降趋势，地貌类型复杂多样，以平原、丘陵和山地地貌为主，属温带大陆性季风气候，多年平均气温呈现出南高北低的分布特征，多年平均降水量呈现出由东部沿海向西部内陆递减的趋势。2015年，地处京津冀南部的邯郸市、邢台市、石家庄市和衡水市的平均温度分别为14.4℃、14.1℃、14.1℃和13.9℃，北部的张家口市、承德市、北京市和秦皇岛市的平均温度分别为7.3℃、8.3℃、12.2℃和11.8℃。东部沿海的唐山市、天津市和沧州市的平均降水量分别为545.6mm、563.8mm和630.1mm，西部内陆的张家口市、保定市和石家庄市的平均降水量分别为433.2mm、526.9mm和505.8mm。2015年，京津冀地区人口总数为1.11亿，占全国总人口的8.10%。研究区是全国主要的高新技术和重工业基地，也是中国北方经济规模最大、最具活力的地区。2015年，京津冀地区生产总值(GDP)为6.93万亿元，约占全国GDP总量的10.20%。

1.2 数据来源

2000～2015年京津冀地区各地类面积来源于中国土地勘测规划院提供的土地利用变更调查数据。该文根据研究区的实际情况，结合《土地利用现状分类标准(GB/T21010-2007)》，在研究期内将研究区统一划分为耕地、园地、林地、草地、建设用地、水域和未利用地7个1级土地利用类型，以便研究的开展。

2 研究方法

2.1 土地利用动态度

土地利用动态度可以表示在研究期间某一土地利用类型的数量变化情况，反映出在人类社会经济活动和自然环境下对不同土地利用类型的变化速度和变化幅度影响情况[12]。

(1)

式(1)中，K为研究时期内某一土地利用类型动态度；Ua和Ub分别表示在研究期初和研究期末该土地利用类型面积；T为研究时间。

2.2 土地利用强度指数

土地利用强度指数反映了在社会经济活动下，人类对土地的利用程度[7]。

(2)

式(2)中，L为土地利用强度指数；Ai为第i种土地利用类型的分级指数；Ci为第i种土地利用类型面积占研究区总面积的百分比；n为土地利用类型数量。该文的土地利用类型分级指数是依据刘纪远[13]分析方法，未利用地为1级，林地、草地、水域为2级，耕地、园地为3级，建设用地为4级。

2.3 生态系统服务价值

生态系统服务是指人类在生产生活中从生态环境获得的产品和服务，土地利用数量和结构的变化会影响生态系统的动态平衡，从而影响到生态系统提供的物质和生态服务[2]。该文参考谢高地等[5]提出的生态服务价值当量表和生态系统服务价值当量因子等于平均粮食产量市场价值的1/7，通过各城市平均粮食产量和平均粮食价格计算得到生态系统服务价值。该文根据《北京统计年鉴》《天津统计年鉴》和《河北经济年鉴》提供的数据，获得研究区2000年、2005年、2010年和2015年的平均粮食产量，以2015年北京市平均粮食价格2.307元/kg、天津市平均粮食价格2.308元/kg和河北省平均粮食价格2.398元/kg，计算得到生态系统服务价值当量因子(表1)。根据Costanza等[14]提出的生态系统服务价值公式，评估京津冀地区的生态系统服务价值。

(3)

式(3)中，ESV为生态系统服务价值；Bi为第i种陆地生态系统的面积；VCi为第i种陆地生态系统的服务价值。其中，耕地、林地、草地、水域分别参考农田、森林、草地和水体生态系统服务价值，未利用地参考荒漠生态系统服务价值，园地参考森林和草地生态系统服务价值的平均值[15]。

表1 京津冀地区生态系统服务价值当量因子

2.4 生态系统服务价值的敏感性分析

该文在前人研究的基础上[16]，利用生态系统服务价值变化率和土地利用强度变化率的比值，计算生态系统服务价值对土地利用强度变化的敏感性程度。

(4)

式(4)中，I为生态系统服务价值的敏感性指数；ESVj为第j年生态系统服务价值，ESVj-1为第j-1年生态系统服务价值；Lj为第j年土地利用强度指数，Lj-1为第j-1年土地利用强度指数。

3 研究结果

3.1 土地利用动态度分析

2000～2015年，北京市土地利用结构以耕地、林地和建设用地为主(表2)， 2000年，这3种土地类型的比重分别为21.86%、38.77%和16.21%，共占总面积的76.84%， 2015年的比重分别为14.52%、44.93%和22.58%，共占总面积的82.03%。天津市土地利用结构以耕地、建设用地和水域为主， 2000年，这3种土地类型的比重分别为48.96%、23.07%和16.83%，共占总面积的85.86%， 2015年的比重分别为37.36%、38.52%和15.66%，共占总面积的91.54%。河北省土地利用结构以耕地、林地和草地为主， 2000年，这3种土地类型的比重分别为39.29%、20.75%和17.08%，共占总面积的77.12%， 2015年，比重分别为35.71%、24.4%和14.68%，共占总面积的74.79%。其中，衡水市、廊坊市、沧州市、邢台市和邯郸市的耕地占比超过总面积的50%，承德市的林地占比高达59%，张家口市的草地占比高达28.82%。从表3可知， 2000～2005年期间，北京市和天津市的耕地、草地和水域面积的动态度呈小幅度增加趋势。2005～2010年期间北京市的耕地、草地、水域和未利用地减少的动态幅度较大，园地、林地和建设用地增加的动态幅度较大； 天津市的耕地、园地、草地、水域和未利用地面积下降的幅度较大，林地和建设用地增加幅度较大； 河北省的耕地、草地、水域和未利用地减少的幅度较大，园地、林地和建设用地增加幅度较大。2010～2015年期间北京市园地下降的幅度较大； 天津市和河北省各地类变化幅度较为平稳。

京津冀地区与长江三角洲地区、珠江三角洲地区比肩而立，是我国经济最具活力、开放程度最高、创新能力最强、吸纳人口最多的地区之一，是拉动我国经济发展的重要引擎。随着经济高速发展和城镇化的快速推进，建设用地的需求不断增长，耕地和未利用地相应转化为建设用地。近些年来，为了改善生态环境、维护生态安全，京津冀地区积极响应退耕还林政策、推动农业结构调整，开展山水林田湖整治工程，促进了林地和园地的增加。北京作为中国政治、文化和教育中心，为了更好发挥首都服务功能，加上山地、丘陵较多的资源特点，近些年来逐步调减耕地指标，加强园地和林地等生态用地的发展，同时控制建设用地的无序扩张，实行土地集约节约利用，使得建设用地增长的速度逐年降低，促进城市生态涵养功能，打造和谐首都。天津作为北方的经济中心之一，建设用地的需求也在增长，在进行经济发展的同时要保证一定数量的耕地面积和生态用地。河北省土地资源丰富，平原面积广阔，是我国主要的粮食生产区，承担着重要的粮食生产安全职能，因此耕地占有很大比重。但城镇化和工业化发展对的建设用地需求和京津产业结构转移的需要，建设用地的扩张不可避免会占用耕地，但与北京和天津相比，耕地减少的幅度较小。

表2 2000～2015年京津冀地区土地利用类型比例 %

表3 2000～2015年京津冀地区土地利用动态度 %

图1 2000～2015年京津冀地区生态系统服务价值和土地利用强度指数变化

3.2 土地利用变化下的生态系统服务价值分析

3.2.1 生态系统服务价值的时间变化分析

从图1可以看出，京津冀地区的土地利用强度指数呈小幅度下降随后逐年增长趋势，由2000年的2.58下降到2005年的2.57， 2015年增加至2.66，与研究区的生态服务价值变化趋势相反，生态服务价值在呈先上升后下降趋势，下降幅度小于增长幅度。从2000年的4 498.05亿元增加到2005年的4 655.65亿元，增加率为3.50%。2005～2015年生态服务价值有所降低，下降到2015年的4 547.62亿元，减少率为2.32%。以城市分析(见表4)， 2000～2005年，除保定市、沧州市、廊坊市和衡水市外，各地区生态服务价值呈增加趋势，张家口市增加幅度较大，增加率为14.82%； 2005～2010年，邢台市、保定市、张家口市、承德市和衡水市的生态服务价值升高，唐山市和廊坊市的生态服务价值大幅度减少，下降率分别为12.05%和9.53%； 2010～2015年，各地区的生态服务价值整体处于下降趋势，且下降幅度较为平稳。

3.2.2 生态系统服务价值的空间变化分析

从图2可以看出，京津冀地区的生态系统服务价值在空间上呈现北高南低现象，位于北部的张家口市、承德市、北京市、唐山市和天津市的生态系统服务值较大。其中，承德市的生态服务价值占京津冀地区服务价值比重最大，占京津冀地区总服务价值的22%以上，其次是张家口市，占京津冀地区总服务价值的11%以上，廊坊市的生态服务价值最小。承德市位于河北省东北部，林地面积占全市的59.39%，占京津冀地区林地面积的43.48%。张家口市位于河北省西北部，林地面积占全市的29.89%，占京津冀地区林地面积的20.39%。森林面积为其提供了较多的生态系统服务价值。通过2000年和2015年各城市的生态系统服务价值对比可以看出，天津市、唐山市、沧州市和廊坊市的生态系统服务价值下降幅度较大。

总体来看，京津冀的生态服务功能在研究前期得到了加强， 2002年退耕还林工程在河北省全面开展，林业发展超过第一产业，退耕还林成为改善生态环境、促进经济社会发展的驱动力，维护了京津冀地区的生态安全，弥补了建设用地扩张占用耕地和其他生态用地造成生态系统服务价值的损失，林地和园地面积的增长确保了2000～2010年生态系统服务价值的提高。但在2010～2015年期间，建设用地的增长速度虽然有所缓和，扩张规模得到控制，但各类生态用地呈现下降趋势，导致生态系统服务价值的降低。

图2 京津冀地区生态系统服务价值分布(亿元)

表4 京津冀地区生态系统服务价值变化

3.3 敏感性分析

通过式(4)可计算出生态系统服务价值对土地利用强度变化的敏感程度。从各城市敏感指数变化趋势来看(表5)， 2000～2005年，敏感指数递增的城市：唐山市、邯郸市、邢台市、张家口市、沧州市和廊坊市； 2005～2010年，除了沧州市的敏感指数下降，其余城市的敏感指数呈递增趋势； 2010～2015年，各城市的生态敏感指数均降低。2005～2010年，京津冀经济发展较快， 2010年的GDP较比2005年增长了109.37%，经济的发展带动了城市用地的扩张，建设用地增加了3.07%，草地、水域和未利用地分别减少了1.95%、0.33%和1.92%，变化幅度均较大。2010～2015年，研究区经济增速趋于平稳， 2015年的GDP较比2010年增长了58.49%，建设用地增加了1.04%，其他生态用地发生了小幅度增减变化，草地、水域和未利用地分别减少了0.09%、0.14%和0.08%。可以看出，经济的高速发展带来的土地利用强度的变化对城市的生态系统服务价值产生了一定影响。

京津冀地区生态系统服务价值敏感性指数的区间为：I∈[0.42， 45.72]，参考前人的研究成果[17]，把I<1划分为非敏感性，敏感性的区间就为[1， 45.72]。通过计算，将敏感性均分为4个等级：低敏感性区域∈[1， 12.18]、中敏感性区域∈[12.18， 23.36]、高敏感性区域∈[23.36， 34.54]和极高敏感性区域∈[34.54， 45.72]。在此分区下， 2000年和2015年，各地均属于低敏感性区域； 2005年，沧州为极高敏感性区域，其余城市为低敏感性区域； 2010年，天津市、石家庄市、唐山市、邯郸市、邢台市、保定市、承德市、廊坊市和衡水市属于中敏感性区域，表明2010年，土地利用强度的改变对京津冀生态系统服务价值影响较为强烈。

表5 京津冀地区生态服务价值敏感性指数

4 结论与讨论

该文采用土地利用动态度和生态系统服务价值模型等方法，对京津冀地区土地利用变化影响下的生态系统服务价值在时间和空间上的差异进行了分析，分析结果如下。

(1)2000～2015年期间，北京市以林地和建设用地为主，天津市以耕地和建设用地为主，河北省以耕地和林地为主。北京市、天津市和河北省的耕地分别减少了7.34%、11.6%和3.58%； 草地分别减少了2.89%、2.36%和2.40%； 水域分别减少了0.98%、1.17%和0.41%； 未利用地分别减少了3.37%、1.48%和2.61%； 林地分别增加了6.16%、1.76%和3.65%； 建设用地分别增加了6.37%、15.45%和3.83%。可以看出，各城市的地类增减趋势是一致的，但增减幅度不同，北京市的草地面积减少的最多，林地面积增幅最大； 天津市的耕地和水域面积减少的幅度最大，建设用地面积增长最快，河北省耕地和建设用地面积增减的幅度最小。从土地利用类型的增减情况可以看出，北京加强了生态环境保护和土地集约节约利用，将严控增量和疏解存量相结合，有效地控制新增建设用地的增长； 天津市近些年来经济高速发展， 2005年滨海新区被纳入国家整体发展战略，进一步促进社会发展，但与此同时土地粗放利用现象频发，工业园区和城市边界无序扩张，造成耕地大量流失； 河北省与京津两地相比发展水平相距悬殊，建设用地扩张规模低于京津两地，作为农业大省，对耕地保护较为严格，耕地减少速度低于京津两地。

(2)2000～2015年，京津冀的生态系统服务价值经历了增长后降低的倒“V”形变化，减少的幅度小于增长幅度，因此从整个研究阶段来看，生态系统服务价值是增长的，从2000年的4 498.05亿元上升到2015年的4 547.64亿元。北京市的生态系统服务价值增长了0.17%，天津市减少了7.16%，河北省增加了2.25%。其中，2000～2015年期间，沧州市和廊坊市的生态系统服务价值逐年减少，沧州市的生态系统服务价值下降了7.62%，廊坊市的生态系统服务价值下降了14.73%。唐山市的生态系统服务在2005～2015年下降幅度较大，在研究期间，生态系统服务价值减少了15.80%。秦皇岛市、张家口市和承德市的生态系统服务价值分别增长了4.05%、25.39%和6.10%。

(3)在研究后期，京津冀地区整体处于低敏感性区域，土地利用强度的改变对生态系统服务价值的影响不是很大，生态系统能够适应目前的土地利用的变化。但针对2010～2015年期间，各城市生态系统服务价值均呈下降趋势，应引起相关部门对生态环境保护的重视。

(4)根据各城市土地利用和生态系统服务价值变化情况，结合各城市发展状况，重点对生态系统服务价值下降较多的城市提出以下建议：天津市要注重对园地和草地的保护，针对其工业用地占比较高的特点，加强优化工业园区内的生态空间，提高工矿用地集约度。唐山市应提高对耕地、林地和水域的保护，唐山市的工业废水排放强度是河北省平均排放程度的3～5倍，不能走以牺牲生态环境而发展经济的路子。沧州市盐碱地面积较大，因此林地面积少、未利用地面积较多，今后要加强土地综合整治，提高耕地数量和质量，治理沙化地、盐碱地等。廊坊市毗邻京、津两地，地理区位优势明显，在努力做到与京津产业对接的同时，要注重资源环境的保护，不能以牺牲耕地、污染环境为代价，针对近年来耕地和未利用地大幅度减少的趋势，要对耕地进行严格保护，未利用地适当开发。