基于土地利用的河北省生态系统服务权衡/协同关系研究

王晓萌，潘佩佩*，王晓旭，刘苗苗，赵倩石，王雪然，王新云

(1.河北师范大学资源与环境科学学院，河北 石家庄 050024；2.河北省环境变化遥感识别技术创新中心，河北 石家庄 050024；3.河北省环境演变与生态建设实验室，河北 石家庄 050024；4.河北雄安新区管理委员会规划建设局，河北 保定 050021；5.宁夏大学西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室，宁夏 银川 750021)

0 引言

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[1,2]，而土地可为人类发展提供所需的各种生态系统服务[3]。随着社会发展和城镇化进程加快，人类活动导致土地利用类型、格局和强度发生显著变化并直接或间接地影响生态系统过程与格局，从而改变生态系统服务的提供能力，深刻影响人类福祉[4,5]。尤其是近50多年来，土地利用变化对各类生态系统的影响比过去任何时期都广泛，其带来的生态系统服务变化已引起学术界的广泛关注[6,7]。例如：有学者探讨了耕地[8]、林地[9]、水域[10]等土地利用变化对生态系统服务的影响；还有学者针对湖泊生态系统[11]和城市生态系统[12]等开展了生态系统服务研究；傅伯杰等从理论构建角度[6]、刘耀林等从实际土地利用空间优化角度[13]对土地利用变化与生态系统服务的相互影响进行了研究；在生态系统服务价值研究方面，有学者分析了土地利用驱动下生态系统服务价值的时空变化特征[14,15]。生态系统服务之间相互影响，呈现出多重非线性关系，表现为此消彼长的权衡(tradeoffs)和相互增益的协同(synergies)关系[16-18]，已有研究利用生产可能性边界法[19]、玫瑰图[20]、相关系数法[21]、ESTD模型[10]等分析了区域生态系统服务间的权衡/协同关系。上述研究有助于从宏观上深入理解土地利用变化与生态系统服务间的相互作用关系，但现有权衡/协同分析多针对流域[21，22]、区域[23]或市域[5]，不能反映区域内部的空间分异特征，而区域差异性直接或间接影响当地土地利用规律[24]，进而影响生态系统服务，因此，开展典型区不同尺度区域差别化的生态系统服务及土地利用优化调控研究至关重要。

河北省既是全国重要的粮食主产区，也是京津冀重要的生态屏障区，具有维护京津冀粮食安全和生态安全的“双重功能”[18]，该区土地利用类型复杂多样，土地利用变化对生态系统服务影响显著。随着生态文明建设不断推进，河北省社会经济将持续转型升级，如何通过合理调控土地利用以确保不同类型生态系统服务协同发展是该区面临的重要问题之一。本文在京津冀协同发展及雄安新区建设的背景下，应用InVEST模型量化评估1985-2015年河北省农作物生产、碳储量、生境质量和土壤保持4种生态系统服务，从不同尺度分析生态系统服务时空分异特征及其权衡/协同关系，识别河北省生态系统服务间复杂关系及相互影响，进而科学地预测该区未来土地利用及生态系统服务的变化趋势，有利于指导土地利用政策的制定及土地空间布局优化，对维持并提高河北省粮食—生态—经济可持续发展具有重要推动作用。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源及处理

本研究基础数据包括：1)河北省1985年、2000年、2005年、2015年4期土地(分为耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地)利用数据，来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn)，其中，1985年遥感数据源为Landsat MSS，2000-2015年数据源为Landsat TM/ETM，数据通过人工目视解译生成，空间分辨率均为1 km，投影坐标系为Krasovsky_1940_Albers；2)社会经济数据(农作物产量、行政区面积等)，来源于《河北省统计年鉴》、《中国农村统计年鉴》等。

生态系统服务评估所需数据包括：1)碳库数据(地上生物、地下生物、死亡生物和土壤的碳储量)，根据河北省相关区域已有研究[25]，获取各土地利用类型的碳密度数据，存储为CSV格式；2)气象和土壤数据，来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn)，包括1985年以来中国逐年年降水量空间插值数据集、土壤质地空间分布数据和土壤侵蚀空间分布数据等；3)DEM数据，采用空间分辨率为30 m的ASTER GDEM数据；4)模型所用参数主要参考InVEST模型评估手册及已有研究成果[5]。上述数据或参数均为开放数据或公开发表数据，已有相关研究公开使用[18]，可靠性高。

1.2 研究方法

1.2.1 生态系统服务评估模型(InVEST) 本研究基于当前应用较为广泛的InVEST模型进行生态系统服务评估模拟，该模型是开源生态系统服务和权衡的综合评估模型[26]，其最大优势在于可通过获取本地化参数[27]对生态系统服务进行模拟评估并实现结果的空间化表达，当前已应用于20多个国家和地区[28]。该模型可用于评估不同区域和景观尺度的供给服务(如农作物和水)、支持服务(碳循环、土壤保持、生境质量)和调节服务(气候调节)等生态系统服务，将生态系统功能与提供给人们的福利相联系。本研究结合区域实际，基于不同土地利用类型，应用InVEST模型的农作物生产、碳储量、生境质量和土壤保持4个子模块对河北省生态系统服务进行评估。

(1)农作物生产是重要的供给服务，可用单位面积农作物产量表征[22]。公式如下：

F(x)=CY(x)/A(x)

(1)

式中：F(x)为农作物生产(t/hm2)；CY(x)为农作物产量(t)；A(x)为行政区面积(hm2)。

(2)碳储量代表陆地生态系统的固碳能力[29]，为生态系统支持服务的评价指标，所需数据包括土地利用数据和碳库数据。公式如下[30]：

Ctotal=Cabove+Cbelow+Csoil+Cdead

(2)

式中：Ctotal表示碳总量(t)；Cabove、Cbelow、Csoil、Cdead分别表示地上碳储量、地下碳储量、土壤碳储量和死亡生物碳储量。

(3)生境质量指数表征一个地区的生物多样性水平[31，32]，通过土地利用数据、威胁因子、生境敏感性因子等计算获得，数值范围为0～1，越接近1，表示生境质量越好。公式如下[31]：

(3)

式中:Qxj为生境质量指数；Hj、Dxj分别为生境适宜度和生境退化度；k为半饱和系数，本研究设为0.5。

(4)土壤保持量(SDR，单位：t)由潜在土壤流失量(RKLS)减去实际土壤流失量(USLE)而得[33]，输入数据包括土地利用、DEM、降水量、土壤属性数据等。公式如下：

SDR=RKLS-USLE

(4)

RKLS=R×K×LS

(5)

USLE=R×K×LS×C×P

(6)

式中：R、LS分别为降雨侵蚀性因子和坡长因子；K为土壤可蚀性因子(式(7))[33]；C为荒草地植被覆盖与管理因子(式(8))，数值介于0～1之间；P为水土保持措施因子。

K=[2.1×10-4×(12-O)M×1.14+3.25×(S-2)+2.5×(G-3)]/100×0.1317

(7)

式中：O为有机质含量的百分数；M为土壤颗粒级配参数；S、G分别为土壤结构等级和渗透等级。

C=0.988e-0.11Rv

(8)

式中：Rv为植被覆盖度(%)。

1.2.2 生态系统服务变化指数(ESCI)ESCI既能以时间序列表征生态系统服务的变化趋势，又能研究未来多目标情景下生态系统服务的动态变化过程[22]：ESCI>0表示增益，ESCI<0表示减损，ESCI=0表示既无增益也无减损。公式如下：

ESCI=(ESCICUR-ESCIHIS)/ESCIHIS

(9)

式中：ESCICUR、ESCIHIS分别为当前情景下和历史过程中的生态系统服务。

1.2.3 生态系统服务权衡/协同模型(ESTD) 该模型基于线性拟合分析生态系统服务动态变化及权衡/协同关系，可分析各生态系统服务间相互作用关系并衡量其作用强度大小[10]：ESTD<0表示两者间存在权衡关系，ESTD>0表示两者间存在协同关系，绝对值大小反映两者间相互作用强度,即权衡/协同水平高低。公式如下[32]：

ESTD=(ESCib-ESCia)/(ESCjb-ESCja)

(10)

式中：ESCia、ESCib分别表示初期和末期i种生态系统服务变化量；ESCja、ESCjb分别表示初期和末期j种生态系统服务变化量。

2 结果与分析

2.1 河北省土地利用变化分析

河北省耕地、林地和草地面积占比较高，耕地主要分布在冀中南平原地区，林地和草地主要分布在太行山—燕山沿线的丘陵山区和坝上地区。由图1可知：1985-2015年耕地面积占比明显减少，由52.77%降至48.40%；其次是草地，减少了0.58%，集中分布在河北省西北部和太行山沿线地区；未利用地因耕地、草地占用共减少了0.41%；同期城镇化发展及工矿、交通用地扩张使得全省建设用地增长了5.05%，中、南部地区尤为明显；随着生态保护力度提升及退耕还林、还草政策大力实施，林地面积增加0.28%，主要分布在太行山沿线和张家口—承德等地区；水域面积变化不明显。总体上，1985-2015年河北省土地利用结构发生较大变化，建设用地、林地面积不断增加，耕地、草地、未利用地有所减少。

图1 1985-2015年河北省土地利用变化Fig.1 Land use changs in Hebei Province from 1985 to 2015

从转出特征看，耕地、林地、草地及建设用地间转化较多。其中耕地流失显著，达12 493.53 km2(表1)，80.73%转化为建设用地(表2)；在生态建设和农业发展推动下，草地转出面积居第二位，主要转为林地(41.79%)和耕地(25.95%)；林地转出2 147.67 km2，其中65.71%转为草地；建设用地转出2 138.85 km2，受耕地“占补平衡”政策影响，68.04%转为耕地；水域和未利用地转出相对较少。

表1 1985-2015年河北省各土地利用类型转移矩阵Table 1 Transfer matrix of land use types in Hebei Province from 1985 to 2015 km2

表2 1985-2015年河北省各土地利用类型转入、转出比例Table 2 Transfer ratio of land use types in Hebei Province from 1985 to 2015 %

从转入特征看，快速城镇化导致建设用地转入最多，高达11 642.4 km2，其中86.63%源于耕地；耕地转入面积达4 295.34 km2，主要源于建设用地(33.88%)和草地(23.20%)；草地转入面积居第三位，51.28%源于林地；林地转入面积达2 681.28 km2，主要源于草地(59.87%)和耕地(32.24%)；水域和未利用地转入面积相对较少。可见建设用地的迅速扩张和耕地的快速减少代表了河北省1985-2015年土地利用变化的总体特征，也将对生态系统服务带来显著影响。

2.2 河北省生态系统服务时空异质性分析

受土地利用变化影响，1985-2015年河北省各种生态系统服务变化时空差异显著(表3)。

表3 1985-2015年河北省生态系统服务变化Table 3 Changes of ecosystem services in Hebei Province from 1985 to 2015

(1)1985-2015年河北省农作物生产增长了135.66 t/hm2，其中1985-2000年增加最明显，增长率为85.26%。分区域看(图2a-图2d)，1985-2015年河北省不同区域变化明显，东北部的张北县、康保县等在2000年后农作物产量提高，农作物生产水平由减损变为增益。由于耕地分布广泛，冀中南的馆陶县、临漳县、隆尧县等农作物生产增益明显，特别是2005年以来各项惠农政策实施带动农民的积极性，作物产量得到大幅跃升，加之农业技术的提高和化肥农药的合理投入，即使在耕地面积出现减少的情况下，农作物生产功能依然呈现增益。

(2)1985-2015年河北省碳储量呈先增后减趋势，1985-2000年增长率达30.61%，2000-2005年减少率为23.26%。由图2e-图2h可知，增益地区主要集中在河北省东部和北部坝上的崇礼县、围场满族蒙古族自治县等，主要缘于该区生态修复和保护政策的大力实施，加之城市及其周边地区生态绿化的完善，使得林地、草地占比增加，固碳能力显著增强。但经济快速发展导致河北省中南部地区耕地显著减少，植被覆盖率降低，固碳能力减弱，碳储量减损明显，尤其是黄骅市、滦南县、保定市区变化显著。

(3)1985-2015年河北省生境质量由0.58降至0.56，总体呈减少态势，但变化较平稳。由图2i-图2l可知，增益地区主要集中在河北省西北部和太行山沿线地区，如围场满族蒙古族自治县、易县南部等，该区林地、草地面积占比较大，生境质量相对较高。而中南部的石家庄周边县市等受城镇化影响较大，建设用地扩张导致耕地、林地与草地等出现不同程度的减少，生境质量减损明显；其次是南部的肥乡县、曲周县等，耕地大幅减少也导致生境质量减损明显。

(4)1985-2015年土壤保持呈波动递减趋势，1985-2000年减少了23.95%，2000-2005年增长了10.54%，2005-2015年又减少了2.7%。整体看(图2m-图2p)，河北省南部地势低平，径流量和水土流失量小，加之该区耕地面积广阔，作物具有一定的保持水土能力，土壤保持增益明显；而河北省北部的张家口、承德大部分地区，因土地利用不合理，土壤保持减损明显。

图2 1985-2015年河北省生态系统服务变化空间分布Fig.2 Spatial distribution of ecosystem service changes in Hebei Province from 1985 to 2015

2.3 河北省生态系统服务权衡/协同分析

2.3.1 省域生态系统服务权衡/协同分析 对省域1985-2015年生态系统服务评估结果进行标准化处理后，导入SPSS软件进行相关性分析，当相关系数为负且通过显著性检验(P<0.01)时，认为存在权衡关系，反之存在协同关系。由表4可知，河北省碳储量与农作物生产、土壤保持与生境质量均呈正相关，表现出相互增益的协同关系，其中土壤保持与生境质量协同关系最强，碳储量与农作物生产呈现弱协同，主要原因在于河北省全面推进退耕还林、还草工程，生态环境得以改善，促进了区域内粮食安全和生态安全的协同提升。农作物生产与生境质量、土壤保持以及碳储量与生境质量、土壤保持均呈负相关，表现出此消彼长的权衡关系，其中生境质量与农作物生产呈现强权衡作用，原因在于建设用地扩张占用大量耕地，加之退耕还林导致农作物生产能力降低，但城市生态用地和林地的增加会带来生境质量的提高。生境质量与碳储量的权衡程度最弱。

表4 河北省4种生态系统服务相关系数Table 4 Correlation coefficients of four ecosystem services in Hebei Province

2.3.2 生态系统服务权衡/协同区域空间分异 生态系统服务权衡/协同空间分异明显。从供给服务与支持服务权衡/协同特征看，农作物生产与碳储量(图3a)在河北省北部及太行山沿线协同关系明显，东南部平原地区权衡关系明显，整体上呈现西北协同—东南权衡的关系；农作物生产与生境质量(图3b)在北部的张家口、承德部分地区协同关系显著，中南部地区则呈现权衡关系，整体上呈现北部协同—中南权衡的关系；农作物生产与土壤保持(图3c)在东北部以及张家口—承德地区呈现协同关系，在西南部表现为权衡关系，整体上呈现东北协同—西南权衡的关系。从支持服务间权衡/协同特征看，河北省碳储量与生境质量(图3d)总体上呈现西北地区以协同为主、东南地区以权衡为主的关系，这与该区耕地面积广阔有关；受河北省土地利用结构调整和生态环境改善的影响，全省生境质量与土壤保持(图3e)协同关系较为明显，且在燕山—太行山沿线地区呈现强协同关系;而碳储量与土壤保持权衡关系较为明显(图3f)。分区域看，河北省北部地区农作物生产与生境质量、土壤保持呈现明显的协同关系，表明该区退耕还林、还草等政策的实施立足于粮食安全与生态安全协同发展，在促进生态恢复的同时，还注重农作物生产水平的提升。因此在生态退耕背景下，林地、草地面积增加可促进河北省北部地区生境质量和土壤保持能力提高，但不会影响农作物生产功能的提升。冀中南平原地区作为河北省重要的粮食主产区，农作物生产与碳储量、土壤保持权衡关系明显，该区农作物产量的提高以碳储量、土壤保持能力的降低为代价，表明耕地面积过度扩张会给生态系统带来相应损失，对区域农业发展及生态环境构成威胁；未来该区应合理调整农业生产方式，提高生态系统所带来的各项惠益。

图3 生态系统服务权衡/协同空间分异格局Fig.3 Spatial differentiation pattern of ecosystem service trade-off/synergy relationship

2.3.3 县域尺度生态系统服务权衡/协同空间集聚特征 为更有针对性地开展区域土地利用调控，本研究利用GeoDa软件分析县域尺度生态系统服务权衡/协同空间集聚特征(图4，彩图见附录2)。其中高—高、低—低均表示协同关系，高—低、低—高均表示权衡关系，不显著则表示不具有显著的相关性。农作物生产与碳储量、农作物生产与土壤保持的权衡/协同关系集聚特征相似，协同关系主要分布在承德市的隆化县和滦平县、张家口市康保县；权衡关系在河北省西部的蔚县、阳原县较为集中(图4a、图4b)。由图4c可见，农作物生产与生境质量权衡/协同关系集聚特征相对较为分散，其协同关系主要位于河北省中部的安新县、任丘市、行唐县及南部的馆陶县；权衡关系主要分布于围场满族蒙古族自治县、霸州市和青龙满族自治县。图4d则表明碳储量与生境质量权衡/协同关系集聚特征较为分散，权衡关系集中于东部的围场满族蒙古族自治县、青龙满族自治县以及中部的行唐县、霸州市和任丘市；协同关系集聚在遵化市、无极县、新河县。同时，碳储量与土壤保持权衡/协同关系集聚特征明显，协同关系主要位于承德的隆化县、滦平县和保定的阜平县；而权衡关系集中于承德的兴隆县、宽城满族自治县以及张家口的康保县、蔚县、涿鹿县等(图4e)。图4f则表明生境质量与土壤保持权衡关系集聚于保定中部，同时平山县、康保县、平泉县也出现权衡关系集聚；协同关系主要位于承德的平泉县、保定的易县和涞水县等。河北省中部地区城市生态用地增加，生境质量提升相对较快，但过度开发导致耕地被占用而造成农作物生产能力下降，农作物生产与生境质量呈现权衡关系；西北部地区由于林地、草地面积占比较大，加之受生态退耕政策的影响，生态系统供给服务与支持服务呈现权衡关系，但部分县市惠农政策的出台及农用机械水平的提高促进了农作物生产水平提升，确保了协同发展。县域尺度权衡/协同关系分析与上文空间分异格局总体趋势基本一致，但县域尺度权衡/协同关系研究更有利于不同地区结合实际，有针对性地开展土地利用优化调控，避免不必要的权衡风险，实现经济—社会—生态协同发展。

图4 生态系统服务间局部LISA图Fig.4 Local LISA diagram of ecosystem services

3 结论与讨论

本研究基于河北省1985年、2000年、2005年和2015年土地利用和土壤、气象、碳库等数据，分析农作物生产、碳储量、生境质量和土壤保持4种生态系统服务时空变化格局及其权衡/协同关系，得出以下结论：1)1985-2015年河北省土地利用变化显著，总体特征为建设用地迅速扩张和耕地锐减。受土地利用变化影响，4种生态系统服务变化迥异：农作物生产增益明显；碳储量先增后减，总体呈减少趋势；生境质量变化平稳；土壤保持呈波动递减趋势。2)从省域尺度看，1985-2015年河北省碳储量与农作物生产、土壤保持与生境质量均呈协同关系，而农作物生产与生境质量、土壤保持以及碳储量与生境质量、土壤保持均呈权衡关系。从空间分异特征看，农作物生产与碳储量呈西北协同—东南权衡关系，与生境质量呈北部协同—中南权衡关系，与土壤保持呈东北协同—西南权衡关系；生境质量与碳储量整体呈西北协同—东南权衡关系，生境质量与土壤保持协同关系明显，碳储量与土壤保持权衡关系显著。3)从县域尺度的集聚特征看，土壤保持与碳储量、生境质量以及农作物生产与碳储量、土壤保持的权衡/协同关系集聚特征明显，而生境质量与农作物生产、碳储量权衡/协同关系集聚特征较为分散。

随着京津冀协同发展及雄安新区建设不断推进，未来河北省土地利用将持续变化并对生态系统服务影响显著。冀中南粮食主产区农作物生产水平的提升对生态系统供给服务的提升具有促进作用，但导致碳储量、生境质量减损，威胁着区域粮食安全和生态安全，因此，该区在持续强化土地利用分区及耕地利用保护的同时，要兼顾区域生态环境建设，确保农业可持续发展；太行山—燕山沿线地区农作物生产与碳储量、土壤保持协同关系明显，因此，在未来的发展规划和优化调控中更应注重耕地合理利用及林地等生态用地的保护，确保生态系统服务持续提供；耕地的不合理开发不但影响农作物持续产出，也不利于生态环境的改善，坝上地区农作物生产与生境质量、土壤保持权衡关系显著，因而该区要谨慎开发农业用地，采用科学的用地方式和生态用地保护政策对区域粮食安全与生态安全协调发展至关重要。

本研究基于土地利用变化系统分析了河北省生态系统服务时空变化，既能直观体现河北省生态系统服务宏观格局，又能揭示权衡/协同空间分异规律，研究结果可为该区生态系统服务的提升及生态系统功能分区提供理论指导与实践借鉴，并为未来河北省土地利用空间格局优化及生态农业可持续发展提供基础支撑。受篇幅限制，仅探讨了1985-2015年生态系统供给服务和支持服务的时空变化，今后还需深入开展多种生态系统服务的综合评估，为河北省新一轮国土空间规划以及生态安全格局构建提供依据。为减少不合理的土地利用所带来的生态环境问题，基于不同土地利用情景模拟下的生态系统服务变化及权衡/协同关系将是下一步的研究方向[19]。