河北省耕地图谱特征及其生态服务价值变化

郝 娜, 王晓晴, 王 耀, 张 迪, 牛志君, 齐跃普

(1.秦皇岛市国土资源局, 河北 秦皇岛 066000; 2.河北农业大学, 河北 保定 071000;3.石家庄师兄弟土地环境技术服务有限公司, 石家庄 050000)

土地是人类赖以生存的重要资源之一[1]。土地利用又是人类作用于自然最为关键的环节，地域土地利用/覆被的研究已被列为“国际地圈生物圈计划(IGBP)”的关键组成部分[2]，而土地利用类型当中的耕地最为关键，其事关区域的粮食安全和社会稳定。因此耕地变化必定对生态系统的结构和功能产生影响，其变化程度对保护生态服务功能起着决定性的作用[3-4]。

生态系统服务是指人类直接或间接从生态系统的结构、过程和功能中获得的产品和服务[5]。生态服务功能是指生态系统与生态过程所形成及维持人类赖以生存的自然环境条件与效用，其在土地利用/覆被中主要表现为人们为了切身利益，而改变了土地的利用方式，相应的土地系统的生态服务价值也产生剧烈变化[6]。随着各种生态问题的出现，国内外相关人士开始关注土地生态系统的生态服务价值，并开展大规模的研究，取得了不小的成果，如Costanza[7]把全球生态服务功能划分为17种主要类型，并求取了全球各地类的生态服务价值；欧阳志云等[8]评估了中国陆地生态系统的6种服务功能及其生态经济价值；谢高地等[9]建立了基于单位面积价值当量因子法的中国陆地生态系统服务价值的动态评估方法。近年来，随着大气变暖、生物量锐减和土地荒漠化等全球性生态环境问题的突出，对生态服务功能研究越来越迫切。于是，许多国内学者从生态系统不同尺度、不同方法等多方面开展了研究，如对海河上游、伊犁河流域、长白山地区以及各县域等多个地区进行了生态服务价值的定量评估[10-15]。

然而，这些研究鲜有专门针对耕地变化的。另外，耕地变化的生态效应研究多集中于土地利用变化对生态系统服务、碳储量和生态承载力的影响等方面[16-17]，然而这些研究很少涉及耕地与其他地类之间转化对生态系统服务价值产生的影响。河北省是产粮大省，必须加强耕地的“数量—质量—生态”保护。因此，本文以耕地图斑作为评价单元，分析河北省近10多年间耕地时空变化特征和生态服务价值变化，以期为河北省土地利用科学管理和生态补偿机制提供依据。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

河北省环抱首都北京(北纬36°03′—42°40′、东经113°27′—119°50′)，辖区土地总面积约为18 884.807 km2，南北长750 km，东西宽650 km。西倚太行山与山西为邻，西北部、北部、和东北部同内蒙古自治区和辽宁省接壤，东部濒临渤海，东南部和南部与山东、河南两省交界，京、津两大经济发达区包裹其中，所以称之为京歌大省。河北省地处中纬度欧亚大陆东岸，属于大陆性季风型气候，四季分明，春季干燥多风，夏季炎热多雨，秋季昼暖夜凉，冬季寒冷少雪。全省年平均气温为-0.3～14.0℃，气温由东南到西北逐渐降低；年平均降雨量为485 mm。河北省地貌类型多样复杂化，地势自西北向东南呈半环状逐级下降。最北面为坝上高原，占总面积的8.5%，平均海拔在1 200 m以上；其下方为山地丘陵区，占总面积的48.1%；南面为广阔平原，属华北平原的一部分，地貌类型分为山前冲洪积平原，中部中湖积平原区和滨海平原区3大类型，占该省总面积的43.4%，海拔一般低于50 m。

1.2 数据来源

本文所采用的土地利用数据从地理空间数据云下载，选用2004年、2010年以及2016年的Landsat-TM/ETM为数据源，其成像时间均选择在秋季，轨道号均为122/33，数据空间分辨率为30 m×30 m，借助ENVI 4.8软件对遥感数据进行波段融合、几何校正和影像裁剪，采用监督分类和非监督分类相结合的方法将研究区划分为耕地、园地、林地、草地、水域、建设用地以及未利用地共7种土地利用类型，并对解译结果通过混淆矩阵与Kappa指数进行评价与验证，进一步以野外实地及问卷调查来验证，最终解译数据的精度为86%。为了保证计算数据的一致性，本文将解译所获得的矢量数据统一转化为栅格，并存储为GRID格式，栅格大小统一为30 m×30 m(图1)[18-19]。

2 研究方法

2.1 土地利用图谱分析

土地利用变化信息图谱可以用来描述土地利用变化的过程，是进行土地利用变化驱动力诊断分析和模型构建的有效依据。其记录的是属性空间一体化的状态[20-21]。利用ArcGIS空间分析工具，将2004年、2010年、2016年3个时期土地利用图谱单元类型进行重组，可得到十几年来河北省土地利用变化的信息图谱，每一个图谱单元均记录着2004年、2010年、2016年3个采样时间点上土地单元的利用类型，反映了这10多年间土地利用变化的历程[20-22]。一般将图谱变化分为5种类型：(1) 稳定型。在2004—2016年都保持不变，未发生变化的类型；(2) 前期变化型。在2004—2010年发生变化，而2010—2016年未发生变化类型；(3) 后期变化型。在2004—2010年未发生变化，而2010—2016年发生变化类型；(4) 反复变化型。在2004—2010年变为另一种类型，而2010—2016年又变回原来类型；(5) 持续变化型。在2004—2016年一直发生变化，也未还原成原来类型的变化形式。

图1 河北省2004年、2010年、2016年土地利用分布

2.2 生态系统服务价值测算方法

2.2.1 生态服务价值当量因子确定 本研究借鉴谢高地等[22]的中国陆地生态系统服务价值化研究，以及在2015年修订补充后的单位面积生态系统服务价值当量结果，对河北省进行粮食产量经济价值系数修正，计算归纳出河北省生态系统服务价值当量因子表(表1)。在进行河北省生态服务价值量的核算时，首先将河北省规划中提到的土地利用类型与生态系统类型建立一定的对应关系，按以下原则进行对应：耕地对应农田，林地对应森林，未利用地对应荒漠；而园地则取耕地和林地之和的1/2，建设用地对生态环境影响主要体现在废水、废气、废物的排放以及用水问题的方面，故从气体调节、水源涵养和废物处理3个方面分别对其进行生态系统服务价值当量因子测算，且取值全部为负值[23-26]。依据统计数据计算得到河北省的农田生态系统粮食生产的服务价值在2004年、2010年和2016年分别为1 274.28，1 895.50，2 496.35元/hm2。

表1 河北省不同陆地生态系统单位面积生态服务价值当量因子

2.2.2 生态服务价值计算 Costanza提出了生态系统服务总价值的评价模式。其计算公式为：

式中：ESV为生态系统服务总价值；Si为研究区土地利用类型i的面积；Pi为单位面积土地利用类型i的生态系统服务价值。

3 结果与分析

3.1 土地利用变化分析

由表2分析可知，河北省土地利用类型主要以耕地为主，占总面积的比例在3年中均超过50%。2004—2016年耕地以及林地面积均呈现增加的趋势，园地和草地则均呈现减少的趋势，而水域、建设用地以及未利用地的面积则呈现先增后减的趋势。近年来河北省人口基数不断增加，伴随着人口压力的提升，对于粮食的需求日益迫切，2004—2016年耕地面积由全省的51.86%增加到71.25%，较大限度缓解了人口、环境所带来的压力；而近期随着退耕还林政策的实施以及水土流失等一系列环境问题的严重化，林地面积也随之增加，但增加幅度不明显[25]；在2004—2016年这十几年中，水域、建设用地以及未利用地的面积分布均呈现倒“U”型分布，说明建设用地的开发利用受到国家政策的严格控制，但是未利用地的开发效率仍然较低，需进一步开发利用。人类生产生活对水资源需求的增加及干旱等因素是水域面积减少的主要原因，其中2010—2016年减少的最多，达到47 414.15 hm2。在近10多年内园地与草地的面积以较大幅度减少，实则是因为大部分的园地与草地转向耕地。

3.2 耕地图谱特征的时空变化分析

由图2可知，在此阶段中变化图谱单元总量最大、图谱转移最为显著的是耕地的占用与补充过程。为了进一步研究耕地利用变化模式，通过融合3年的土地利用现状数据，构建耕地利用变化模式图谱来探究耕地在每一变化模式的图谱变化特征及其原因。全省耕地利用变化模式以后期变化型为主，其次为持续变化型，其他的两类变化类型相对较小，耕地利用变化模式出现了明显的时间序列特征。

表2 2004-2016年河北省土地利用面积

(1) 前期变化型指耕地仅仅在2004—2010年发生的转移，河北省前期变化型的图谱类型分布范围较广，主要分布在承德、唐山、秦皇岛以及保定等河北平原区，呈现东北—西南对角分布，在河北省东北部分布较为密集，均靠近沿海城市的边缘，以“耕地—草地—草地”和“耕地—林地—林地”类型为主，两者面积占据整个转移阶段的16.16%，这跟退耕还林还草政策的有效实施密不可分。

图2 2004-2016年河北省耕地利用变化图谱

(2) 后期变化型主要指在2010—2016年期间耕地图谱类型发生的转移，后期变化型模式在整个转移模式中所占比例最大，集中分布在燕山—太行山地以及山前平原区，出现明显的“聚集”现象，以廊坊市、张家口南部、保定北部地区最为显著，另外在一些沿海城市也有零散分布。后期变化型主要为“耕地—耕地—草地”类型，面积达到288 762.44 hm2，是整个变化模式中最大的单体变化类型。

(3) 反复变化型指在2010年发生转移，2004年和2016年均保持耕地的类型不变。河北省反复变化型在省内的各个城市均有分布，且分布极为分散,表明人类在利用土地上仍然处于探索阶段，2010年全省对于耕地的占用开发均存在不合理的情况，在2016年之后又重新开发为耕地，一方面是响应了保证18亿亩耕地红线的号召，另一方面则是没有更加科学可持续地利用土地。反复变化型模式主要以“耕地—草地—耕地”的变化类型为主，面积达到152 426.92 hm2。

(4) 持续变化型模式指在2004—2016年土地利用类型均发生改变，由耕地转化为其他类型的土地，并且变化种类呈现多样化,主要分布在河北省的中部地区以及东北部地区，集中在以唐山、秦皇岛为主的滨海平原地带以及保定、石家庄等山前平原地带。

表3 2004-2016年河北省耕地变化模式图谱特征

3.3 耕地利用变化类型对ESV的影响

由表4可知，2004—2016年耕地生态服务价值持续增长，且在各地类中生态服务价值均最大，分别为139.74亿元、222.97亿元、376.07亿元，但是耕地的变化速率并不是最快的，年均增长幅度约为14.09%。而由于近年来退耕还林政策的有效实施，使得林地年均变化速率明显高于其他地类，面积大幅度上涨，其生态服务价值也随之迅速增长。2004—2016年各生态系统的生态服务价值有增有减，虽然总生态服务价值保持着增长趋势，但增长速率明显在逐年减缓，这充分说明了河北省的生态系统目前处于优势状态，但需迫切实施生态补偿机制，使其生态系统维持平衡，以防整个生态系统的生态服务价值下降。

表4 2004-2016年各地类ESV变化

由表5可知，本文以耕地图斑为基准评价单元，从前期变化、后期变化、反复变化、持续变化4个模式的耕地与其他地类之间转化对ESV的影响进行分析。前期变化型耕地主要转向草地，生态服务价值增加了38 599.78万元，其次转向了林地，生态服务价值增加最大为104 756.88万元；后期变化型耕地主要转变成草地，生态服务价值增加了85 651.01万元；反复变化型由耕地经过一系列变化后最终又变回耕地，生态服务价值均有所增加，但是过渡期除了未利用地和建设用地转移成耕地生态服务价值增加之外，其余地类转移为耕地其生态服务价值均有不等程度减少；持续变化型主要模式为“耕地—园地—草地”，其耕地转向园地生态服务价值增加了40 044.61万元，园地转向草地生态服务价值减少了5 585.61万元，其次是“耕地—草地—林地”模式以及“耕地—林地—草地”模式。综上所述，耕地变化模式不同，致使生态服务价值变化不一，合理分析利用各地类之间的转化关系，可以调节生态系统的总体平衡，维护生态价值稳定。

表5 耕地与其他地类之间转化对ESV的影响

续表5

4 讨论与结论

4.1 讨 论

从河北省整体上看，耕地生态服务价值处于上升状态，从耕地图谱特征变化分析来看，由于耕地的生态服务价值系数小于林地、园地、草地以及水域，大于未利用地和建设用地，当耕地向系数大于自身的地类转变时，ESV有增加趋势，反之ESV有减少趋势，因此说明土地利用变化对生态服务价值影响很大。本文分析了河北省近十几年间的土地利用变化和生态系统服务价值变化情况，笔者会基于此研究结果运用预测模型对研究区未来几十年的生态服务价值变化进行预测，以期进一步优化区域的生态空间布局，以及为政府决策和生态补偿机制提供依据。

4.2 结 论

(1) 河北省土地利用类型主要以耕地为主，其面积占河北省总面积的比例超过50%。近年来河北省人口基数不断增加，伴随着人口压力的提升，对于粮食的需求日益迫切，2004—2016年耕地面积持续增加，较大限度地缓解了人口、环境所带来的压力；在近10多年内园地与草地的面积较大幅度减少，大部分的园地与草地转向耕地。

(2) 近10多年间，耕地生态服务价值保持上升状态，分别为139.74亿元、222.97亿元、376.07亿元，但是耕地的变化速率并不是最快的，年均增长幅度约为14.09%，明显小于林地的增长速率。13年间，总体上来说河北省的生态服务总价值呈现增长趋势，但其年均增长速率明显处于下降状态，因而要迫切实施生态补偿制度，维护生态系统的平衡。

(3) 全省耕地利用变化模式以后期变化型为主，其次为持续变化型，其他的两类变化类型相对较小，耕地利用变化模式出现了明显的时间序列特征。前期变化型主要以“耕地—草地—草地”以及“耕地—林地—林地”两类为主，两者面积占据整个转移阶段的16.16%，其中“耕地—林地—林地”类型生态服务价值增加最多为104 756.88万元；后期变化型主要以“耕地—耕地—草地”类型为主，面积达到288 762.44 hm2，是整个变化模式中最大的单体变化类型，生态服务价值增加了85 651.01万元；反复变化型主要以“耕地—草地—耕地”的变化类型为主，面积达到152 426.92 hm2，生态服务价值也是此变化类型中增加最多的；持续变化型模式指在2004—2016年由耕地转化为其他类型的土地，并且变化种类呈现多样化，主要以“耕地—园地—草地”类型为主，耕地转向园地生态服务价值增加了40 044.61万元，园地转向草地生态服务价值减少了5 585.61万元。