水系连通过程中土地利用与生态服务价值变化分析——以济南西部多水源连通交汇区为例

刘玉玉， 张令光， 姜 欣， 刘齐栋

(1.济南大学 水利与环境学院，山东 济南 250022； 2.山东省水利科学研究院，山东 济南 250014；3.山东省农村供排水安全工程技术研究中心，山东 济南 250014)

1 研究背景

我国自古就是一个农业大国、水利大国。在人口众多、水土资源匹配不均匀的背景下，古人修建了诸多水系连通工程，例如邗沟工程(公元前486年)、都江堰引水工程(公元前256年)等。随着经济社会发展和需求的增加，我国水系连通实践更加广泛。近20年来，我国陆续开展实施了众多水系连通工程，包括南水北调、引江济太、引汉济渭、塔里木河下游应急输水以及城市生态水网建设工程等。水系连通关乎我国水资源安全与管理的重大战略需求，同时，为优化水资源配置、修复河湖健康以及提高抵御水旱灾害的能力，也亟需加强水系连通方面的研究[1-2]。

随着我国水利建设的发展，水系连通工程的数量不断增加，近年来很多学者也逐渐开展了有关水系连通方面的研究。从水系连通的基础理论体系，包括内涵、特征、分类及格局等[3-4]，到水系连通的实施借鉴，均取得了诸多研究成果[5-7]。这些研究主要涉及大中尺度、成效评估以及定性影响分析等[8]，较少涉及小尺度的水系连通区土地利用变化与生态服务价值评估等内容。

土地利用/覆被变化(land use and cover change, LUCC)是由国际地圈生物圈计划和国际全球环境变化人文因素计划支持下的专注于人文社会经济要素与自然界交互作用的核心计划[9]。LUCC使下垫面和陆地生态景观格局发生变化，进而影响气候、生物多样性、陆地蒸散量和水资源状况等[10-13]。解析LUCC有助于理解生态环境、土地利用和社会发展间的相互关系，对区域生态质量的改善及社会经济的良性发展具有重要意义[9,12,14]。郑江坤等[14]利用马尔科夫方法分析预测了北京市密云水库集水区土地利用变化及生态服务价值动态演变过程；Amini等[15]构建了伊朗西北部Azerbaijan省Arasbaran生物圈保护区的CA-Markov模型以模拟森林退化过程；Jin等[16]利用GIS对武汉市不同水文生态系统进行了评估；周佳宁等[17]通过分析LUCC转移率矩阵揭示了华北农牧交错区生态环境质量的变化；高新潮等[18]综合LUCC与SWAT模型模拟了济南市“三川”流域出口断面径流量的变化；李艳忠等[19]分析了退耕还林还草工程实施后黄河中游地区LUCC时空变化格局；窦小东等[12]结合SWAT模型与情景分析技术揭示了LUCC对澜沧江流域径流变化的影响；姬盼盼等[20]研究了新疆地区土地利用变化与大气中碳氧平衡的内在联系。上述研究主要通过构建LUCC模型[11]或设置LUCC情景[21]定量分析LUCC及其效应。

作为LUCC重要的应用方向之一，生态系统服务价值(ecosystem service value, ESV)是定量评估区域生态质量的工具，是生态补偿的重要理论依据。近年来借助LUCC进行ESV的探索不断增多，其中谢高地等[22-24]的基于单位面积当量因子的核算方法简化了计算过程，增强了可操作性，为诸多学者所借鉴[25-26]。

济南西部多水源连通交汇区是在自然河流水系和人工调蓄水系交互作用下形成的，政策引导、相关水利工程的修建改变了本地区的景观格局。本文依照有关工程建设的时间，选取3个典型代表年(1988、2002和2014年)的遥感影像资料进行解译，研究水系连通过程中的土地类型数量和空间分布上的变化，探讨水系连通过程对当地土地利用及生态服务价值的影响，揭示当地生态环境演变的机制，以期为多水源连通交汇区土地资源和水资源的可持续利用、区域生态文明建设提供参考。

2 研究材料与方法

2.1 研究区域

研究区位于山东省济南市主城区和西部城区的交界处，为长江水、黄河水、玉符河水等多水源汇集地，地理坐标为东经116°45′10″～116°52′41″，北纬36°37′46″～36°42′63″。研究区内现有济西国家湿地公园，以及小清河、丁字河、玉清湖水库(济南市一级饮用水源地)和沉砂池等多个水体(图1)。该地区在20世纪80年代及以前受人类活动的干扰程度低、水利工程少、土地利用较单一；随后为缓解水资源短缺问题、提高水资源配置和水生态修复能力，济南市逐年实施兴建了几项水利工程，使研究区形成独具特色的多水源连通交汇区。在此水系连通过程中，主要涉及以下工程：(1)玉清湖水库，是济南市大型引黄供水水库，于2000年2月竣工，其日供水量约占济南市总供水量的40%，该水库对减轻济南市供水压力与保泉有重要意义；(2)济平干渠，是南水北调东线胶东输水干线的首段工程，途径本区，于2005年12月竣工，具有防洪、排涝、交通等功能，对缓解济南市供水危机、恢复泉城的自然风光有重要作用；(3)沉砂池补水工程，于2011年推进，目前沉砂池是小清河的重要水源地；(4)济西湿地修复工程，隶属于2011年开始的济西湿地国家公园规划筹建工程，该工程旨在力争打造江北规模最大，功能最丰富的城市湿地。

图1 研究区域位置及概况

2.2 研究方法

2.2.1 基于RS和GIS的水系连通交汇区土地利用变化解译 为消除水利工程建设前后对地物识别的影响，保证植被和水体的解译精度，本文选取了玉清湖水库建成前的1988年7月、水库建成后的2002年7月的Landsat/TM以及济平干渠、济西湿地工程建成后的2014年7月的Landsat/OLI遥感影像作为基础数据，借助ENVI软件对影像进行预处理。基于中科院土地利用/覆盖分类体系，将研究区土地划分为林地、草地、耕地、水域和建设用地五大类，采用监督分类的方法进行解译，得到1988、2002和2014年三期的土地利用/覆被数据，结合Google Earth数据进行修订和验证，进而建立土地利用转型转移矩阵。三期数据的总体分类精度分别为89.82%、94.01%、93.63%，均符合精度要求。

土地利用转型转移矩阵[27]的一般形式为：

(1)

则新增与减少变化量[28]的计算公式为：

(2)

(3)

式中:Ni为第i种土地类型的新增量;Lj为第j种土地类型的减少量;pij为第j种土地类型向第i种土地类型转移的变化量；pii和pjj分别为第i种和第j种土地类型的稳定变化量。

2.2.2 生态系统服务价值(ESV) 生态服务价值作为一种效用价值[23,29]，其评估体系复杂，影响因素较多，核算难度较大。王权等[27]分析了贵州喀斯特槽谷地区的土地利用转型过程并核算了当地的生态服务价值；张杨等[30]借助空间自相关分析揭示了三峡库区ESV的空间分布特征；王思涵等[31]借助修正后的中国ESV当量表评价了水利工程对宜昌区森林生态系统服务功能的影响；姜翠红等[32]利用修正后的EGESV模型，对青海湖流域2000和2012年的生态服务价值进行了评估。考虑到研究区水系连通实践及社会经济的复杂性，本文采用当量因子法对研究区的ESV进行核算。

(1)标准当量的计算。计算标准当量因子需要考虑当地自然生产力、社会经济发展等诸多要素。研究区所在的山东省是农业大省，因此不能简单地使用小麦进行核算。综合考量山东省粮食生产状况，参照谢高地等[22-23]的计算方法，选取小麦、玉米、薯类为主要粮食作物，以研究时段的中间年份(2007年)为基准年，查找基准年各主要粮食作物的产量、播种面积、成本收益情况等数据，其中粮食作物的产量和播种面积数据源自《山东统计年鉴》，成本收益情况数据来源于中华粮网数据中心(http://datacenter.cngrain.com/)。2007年山东省小麦生产净利润为2 229.45元/hm2，玉米生产净利润为5 451元/hm2；薯类按其主要品种红心番薯的价格(1.2元/kg)，计算其单位面积收入为9 138.18元/hm2，而单位面积总投入借用文献[29]所提供的数据，为3 180.33元/hm2，最终得到薯类生产的净利润为5 957.85元/hm2。利用种植面积加权平均计算求得一个标准当量因子所包含的价值为3 752.39元/hm2。

(2)生态服务功能价值系数表。根据谢高地等[22-23]制作的14类二级生态系统的单位面积生态服务价值基础当量表，将生态系统服务功能划分为11种功能(见表1)。结合研究区实际，选取适当的二级生态系统与遥感影像解译得到的各土地利用类型与之一一对应，并对生态系统服务价值当量进行生物量订正。最终将所有当量因子乘以生态系统单位服务价值量，即可得到济西水系连通交汇区生态服务功能价值系数表，见表1。

表1 济西水系连通交汇区生态服务价值系数 元/hm2

借助以下公式可计算区域及生态系统的ESV值。

(4)

(5)

式中：Ei为第i类生态系统的ESV值；Cij为第i类生态系统第j种服务功能的价值系数；Ai为第i类生态系统的面积；Et为区域ESV值(全年平均值)。

3 结果与分析

3.1 土地利用变化的时空特征分析

3.1.1 土地利用结构与空间分布特征 1988-2014年，研究区土地利用结构与空间格局产生了显著的改变。由图2可知，1988-2002年，随着玉清湖水库、沉砂池等水利工程的建设，林地景观由集中式的面状分布逐渐变得破碎化、分散化，大量林地被水域和耕地取代。玉清湖水库建成蓄水后，为农田提供了丰富的灌溉水源，导致耕地迅速扩展；2002-2014年，草地生态系统随着济西湿地的建设迅速扩张，建设用地亦进一步沿济南城区主干道经十西路向两侧扩展；耕地作为景观中的基质部分，总体上保持稳定。

图2 1988-2014年研究区土地利用空间变化

利用ENVI5.3和ArcGIS10.2软件中的统计与测量工具，得到1988-2014年各土地利用类型的面积(表2)。

表2 1988-2014年研究区各土地类型面积 km2

1988年，研究区的土地结构较为简单，无草地分布，其中耕地面积最大，为43.79 km2；其次为建设用地和林地，水域面积最小，为5.69 km2。2002年，水库蓄水导致水域的面积增加至11.18 km2，变化率为96.49%；而林地面积缩减至18.07 km2，变化率为50.92%；耕地的面积有所扩大，较1988年增长了19.42 km2，增幅为44.35%；建设用地的面积有所减少，较1988年减少了18.2%。2014年，济西国家湿地公园的规划设计与城市化的发展，使得水域、林地及建设用地面积较2002年均有所增加，分别增加了4.28、10.99和2.17 km2；草地主要分布于水库及湿地周围，增速最快，12年间增加了6.63倍，已成为湿地生境的主要植被；耕地的面积缩减了22.68 km2，变化率为35.88%。总体来看，1988-2014年，林地和建设用地呈现出先减少、后增加的特点，耕地则表现为相反的趋势，水域和草地呈持续增加的状态。

3.1.2 土地利用类型数量变化分析 通过土地利用转型转移矩阵可以得到各土地利用类型不同时段内的新增、减少、变化的数量(表3)。由表3可知，1988-2002年，耕地稳定部分和新增部分的比例均最高，分别为24.98%和25.82%，说明耕地整体上保持不断扩张的态势；林地减少的比例最高，为24.69%，这一时期以林地向耕地、向水域转化为主；整体上看，所有土地利用类型新增和减少部分所占的比例普遍超过稳定部分所占比例，说明这一时期土地利用的稳定性较差。水利工程的兴建占据了大量土地，显著地改变了该地的景观面貌，研究区的水文情势亦发生了明显的变化，从而推动了土地利用格局的演变。

表3 1988-2014年土地利用类型变化量 %

2002-2014年，耕地稳定部分比例依然最高，为25.11%，较1988-2002年增长了0.13%，其次是建设用地，所占比例为13.62%，较上一时期增长了0.48%，草地最低；林地新增部分比例最高，为17.62%，较1988-2002年增加了8%，水域最低，为3.99%，较上一时期减少了2.05%，而林地减少部分较上一时期减少了15.89%，稳定部分略增加了0.83%，说明本时期林地以稳定增加的趋势为主；耕地减少部分的比例最高，为25.69%，较1988-2002年增加了15.48%，草地的比例最低，为0.44%，说明这一时期以耕地转化为林地、建设用地及草地为主。公园的规划及政策的转向使得水库周围耕地的分布大量减少，取而代之的是林地、草地和相关设施用地。

总体来看，2002-2014年与1988-2002年相比，各土地类型稳定部分的比例有所增加，新增和减少部分的比例整体呈现下降趋势，这表明2002-2014年土地利用的稳定性较1988-2002年略高；就稳定、新增和减少部分的数量关系上来看， 1988-2002年以林地转化为其他地类为主导，2002-2014年以耕地转化为其他地类为主导。

3.2 生态系统服务价值变化分析

根据表1和2的结果，借助公式(4)和(5)计算可以得到历年生态服务价值(表4)。1988、2002、2014年研究区生态服务总价值分别为9.04×108、10.85×108、15.01×108元，呈现出不断增加的态势。1988年，由于土地开发利用程度不高，生态系统成分单一，耕地开垦程度低，土地利用出现了耕、林、建“三足鼎立”的局面，其中林地生态系统的对区域ESV贡献最大，为48.55%；其次为水系生态系统，建设用地对区域ESV的贡献最小。2002年，玉清湖水库和黄河沉砂池建成蓄水，在二维空间上扩展了水系的范围，使水系连通区涵养水源的能力提升，水域和耕地面积增加，林地面积缩减；水系生态系统服务价值为7.27×108元，对区域ESV贡献最大，占总ESV的67.28%，较1988年增加了26.32%；其次是林地生态系统，但其对ESV贡献率较1988年降低了28.69%。2014年，湿地公园项目的开展，拓展了原有的水面，使得水系生态系统服务价值达到了10.05×108元，占总生态服务价值的66.99%；湿生草本、景观林木的种植增加了景观的多样性，林地生态系统服务价值有所回升，达到了3.46×108元，占总ESV的23.08%，较2002年增加了3.22%。总的来看，水系连通对区域生态质量产生了积极影响，济西多水源连通交汇区的生态服务价值不断增加，生态环境质量明显提高。

表4 济西水系连通交汇区生态服务价值 108 元

4 讨 论

本文以济南西部多水源连通(黄河、长江、玉符河、小清河、玉清湖水库)交汇区为研究对象，借助土地利用转型分析和生态服务价值变化分析两大工具，探究了水系连通过程影响下的区域土地资源变化及生态质量演变，解读了区域自然生态系统与社会经济系统的耦合过程，在一定程度上可以为水系连通交汇区生态资源评价与可持续利用提供参考。研究结果表明，随着时间的推移，研究区的生态服务价值明显增加，区域生态质量不断提高，土地利用结构趋于合理，景观类型不断丰富，生态环境抗干扰能力不断增强。

由于谢高地等[22-24]改进的当量因子法核算ESV主要应用于全国和大中尺度地区(如流域、大型地貌单元等)[27-30]，基于小尺度地区的研究十分少见，因此适用性有待进一步讨论和商榷；在ESV计算中，以2007年各项指标数据为基础计算得到标准当量，未考虑研究时段内的通货膨胀率，粮食的产量、价格、生产成本，以及其他与之相关的社会经济因素的变化，因此最终的核算结果与真实情况相比会有所偏差。总的来看，本文得出的结论基本符合实际，对河湖水系连通区域的相关研究工作具有一定的参考价值。

研究区LUCC受到政策、规划、社会经济发展等人类驱动力的作用十分显著，这与其他水系连通区有所不同。已有水系连通实践不仅改变了地表下垫面的性质，同时也改变了当地的城市功能定位和未来的发展方向。水环境的改变是当地土地变化的重要原因，南水北调、水库蓄水一方面增加了当地的水源供给，同时也改变了土壤水分含量。济西湿地工程的实践兼顾自然生态功能和文化游憩功能，通过人为设计、统一规划，增加绿化面积，营造生物栖息地等手段，促进当地的生态系统正向发展。水系连通过程下的生态环境演变体现为以水源为驱动、以土地利用为形式的人类参与下的生态环境规划与设计。未来水系连通的实践仍具有不确定性，只有更加合理配置物种，处理好水环境与生物多样性、社会经济发展之间的关系，努力提升公众的认识与接受程度[33]，生态质量才能不断提高。核算ESV的意义在于管控风险，科学决策，让生态文明建设更好地与土地利用相结合，与市场经济相结合，与市民生活相结合。

5 结 论

(1)1988-2014年，济西多水源连通交汇区林地、草地、耕地、建设用地、水域均发生了显著的变化。从数量上看，林地、耕地和建设用地分别减少了7.76、3.26和4.77 km2，水域和草地分别增加了9.77和6.03 km2。从空间分布来看，林地景观由集中式分布逐渐变得破碎化、分散化；草地景观在水系连通过程中逐渐呈现出集中分布的格局，成为湿地生态系统的重要组成部分；耕地长期作为景观中的基质部分，总体上没有发生大的改变；水域景观由最初的单一水系(黄河)带状分布，逐渐演变为点、线、面全方位、多水源交汇分布；建设用地随着城市建设的发展，以城区主干道为中心向外扩展。

(2)1988-2014年，研究区土地利用转型经历了两个阶段。第一阶段为1988-2002年，本时期的土地利用转型的特点是以林地转化为其他地类为主导，表现为林地新增和稳定部分的比例小于其减少部分的比例，而除建设用地外的其他土地类型新增部分的比例均高于稳定部分的比例。第二阶段为2002-2014年，本时期的土地利用转型的特点是以耕地转化为其他地类为主导，土地利用的稳定性提高，表现为所有土地类型稳定部分的比例均不断提高，耕地新增部分的比例下降，稳定和减少部分的比例增加，其余土地利用类型新增部分的比例均高于减少部分的比例。

(3)1988、2002、2014年济西多水源连通交汇区生态服务价值分别为9.04×108、10.85×108、15.01×108元。这表明，1988-2014年，研究区生态环境不断得到改善，区域生态质量不断提高。这是因为水系连通背景下的土地利用变化过程具有一定的方向性，来自不同水源的水体在连通的过程中扩大了水域的面积，而水系在气候调节、蓄水、净化环境、景观多样性等方面有着十分重要的作用，拥有极高的生态服务价值；同时，在自然驱动力和人类驱动力的双重作用下，其他土地利用类型倾向于向林、草、湿地等拥有高ESV值的土地利用类型转化。济西湿地是研究区生态质量提高的关键，湿地的修复与建设既是水系连通的成果，又是水系连通的保障。