基于LUCC的天津市生态系统服务价值评估

天津师范大学 艾佳超

生态系统服务是通过生态系统内部结构和功能以及生态过程为人类所提供的收益与效用，包括供给服务、文化服务、调节服务和支持服务[1]。党的十八大以来，我国生态环境保护认知发生了历史性变化，生态系统服务功能及其评价的研究作为生态体系建设的一方面，是统筹生态文明建设的关键。生态系统的变化与众多因素息息相关，一直以来土地利用/覆被变化作为影响生态系统的重要方式，可以改变生态系统的格局与过程，从而影响生态系统服务效能。目前，国内外许多学者也开展了土地利用/覆被变化与生态系统服务价值方面的研究。Costanza 等人最早在1997年提出了生态系统服务价值估算的原理和方法，为生态系统服务的应用与研究铺垫了基础[2]；国内学者谢高地等在Costanza 的基础上制定出我国生态系统服务价值当量因子表，并进行了理论和方法上的改进，为许多与LUCC 相关的生态系统服务价值研究提供了重要参考[3-4]。

天津市作为我国北方最大的沿海开放城市，同时也是京津冀城市圈的重要一员，在国家经济发展中占有十分重要的地位。自改革开放以来，随着经济水平不断提高、城市化建设不断加快，地区内的土地利用结构也在发生急剧变化，不合理的土地利用方式使生态系统各项服务能力不断下降，生态环境面临严峻的考验。另外，随着人口的增长和聚集，对粮食供给、水资源供给、气候调节、生物多样性保护等生态系统服务的需求不断提升，彻底打破了生态系统服务的供需平衡，严重阻碍了地区内经济社会的可持续发展[5]。因此，基于土地利用/覆被变化对区域内生态系统服务价值进行分析与评估，有助于直观、准确地掌握天津市的生态系统服务动态，为区域内土地利用规划管理和生态环境保护提供理论依据和决策指导。

一、研究区概况与数据源

（一）研究区概况

天津市位于华北平原北部，地跨海河两岸，总面积11966.45平方千米。天津临近渤海湾，四季分明，属暖温带半湿润季风性气候，年平均气温在14°C 左右，年平均降水量在360—970 毫米之间，辖区常住人口约为1386.6 万人[6]。

（二）数据来源与预处理

本研究采用的土地利用数据来源于地理空间数据云平台（http://www.gscloud.cn/） 的Landsat4-5 TM 和Landsat8 TM OLI 影像，参考我国土地利用现状分类标准以及研究区实际情况，对每景影像进行辐射定标、大气校正、图像镶嵌与裁剪等预处理，将区域土地利用类型划分为耕地、林地、建设用地、草地、湿地、水体和未利用地七类，空间分辨率为30m。为了保证土地分类结果的准确性，通过Arcgis软件对遥感图像进行监督分类与人工目视解译，得到三期影像分类精度均大于80%，符合研究所需的精度要求。

研究所采用的主要农作物数据，如小麦、玉米、稻谷的播种面积、农作物产量和市场价格等数据来源于天津市统计年鉴以及天津市农产品成本收益调查分析报告。

二、研究方法

（一）土地利用动态度

土地利用动态度一般用来描述在某个时期内土地利用类型的变化程度，在一定程度上也可以反映出某一研究区土地利用总体空间格局变化[7]。计算公式如下：

式中：K 表示为某种土地利用类型的动态度；Aa、Ab分别为研究初期和末期某种土地利用类型的面积；T 为时间段间隔。

（二）生态系统服务价值评估

本研究通过参考谢高地于2003 制定出的我国生态系统生态服务价值当量因子表以及2015年对表进行的改进，并结合研究区实际情况，采用旱地、阔叶、灌草丛、湿地、水系和裸地所对应的供给服务、支持服务、调节服务和文化服务4 个一级类和其包含的食物生产等11 个二级类的生态系统服务价值当量，进一步估算天津市2000-2020年各土地利用类型生态系统服务单价和总价值。

式中：ESV 为生态系统服务总价值（元）；Ak为第k 类土地利用类型的面积（hm2）；VCk为第k 类土地类型单位面积生态系统服务价值；ECf为第k 类土地利用类型第f 项生态系统服务价值当量；Ea为1 个标准单位当量因子的经济价值量（元/hm2*a）。

生态系统服务价值当量因子是指生态系统产生的生态服务的相对贡献大小的潜在能力，结合已有研究，1 个标准单位生态系统服务的经济价值约占据研究区平均粮食市场价值的1/7[8]。参考区域下各农产品资料数据，统计出2000-2020年天津市小麦、玉米、稻谷3 种主要农作物的单产、种植面积以及平均市场价格等，估算得到研究区每个单位的生态系统服务经济价值量为2193.94元/hm2。

式中：Ea 为1 个标准单位生态服务价值当量因子所提供的经济价值（元/hm2*a）；为研究区主要农作物类别，pi为研究区i种农作物的平均市场价格（元/t）；qi为i 种作物的产量（t/hm2）；mi为i 种作物的耕种面积（hm2）；M 为n 种农作物的总种植面积（hm2）。

三、结果分析

（一）土地利用变化分析

从表1中可以看出天津市土地利用结构以耕地为主，面积占比量达到60%以上，建设用地和水体、其他土地利用类型面积占比相对较小。2000-2020年研究区土地利用变化总体特征表现为耕地面积不断减少，建设用地面积大幅度增加的趋势，且不同土地利用类型在不同时间段呈现出阶段性的变化特征。2000-2020年耕地面积减少75530hm2，但从时间变化上来看，后十年耕地面积减少速率远小于前十年耕地面积减少速率，在一定程度上可以反映近些年天津市开展耕地保护工作、严守耕地保护红线的有效性。20年间林地、草地和湿地面积变化不大，其中林地面积呈先增长后下降的趋势，而草地面积呈现先下降后上升的变化趋势，湿地类型面积在20年间呈现小幅增加的趋势；另外，随着经济的快速增长，京津冀协同发展等相关政策的推进，区域城镇化水平进入高速发展时期，导致2000年到2020年天津市建设用地面积从136360hm2增加到267310hm2，增加量达到130950hm2，土地利用动态度达4.8%。从表1中可以看出，建设用地面积的增加大部分来自耕地、水体面积的转化。城市化建设的加快，是造成地区土地利用类型发生变化的关键因素。在此期间，土地供需矛盾不断加剧，大量耕地、水域被居民用地或其他建设用地所侵占，部分生态用地面积得不到进一步扩张，生态安全情况不容乐观。因此，天津市作为北方的经济中心之一，在进行经济发展的同时应该加强耕地面积的保护，严格控制建设用地的规模管控，优化土地利用格局，促进土地节约集约利用。

表1 2000-2020年天津市土地利用变化特征

（二）生态系统服务价值分析与评估

利用生态系统服务价值当量因子法以及LUCC 数据，对天津市2000-2020年土地利用类型ESV进行估算，结果如表2所示，可以看出20年来天津市生态系统服务总价值量变化呈下降趋势，从2000年的619.87 亿元减少到2020年的441.99 亿元。从ESV组成结构上来看，水体对研究区的生态系统服务价值贡献最大，其次是耕地，原因是水体单位面积生态系统服务价值当量远超过其他土地利用类型，对于林地、草地以及湿地来说，尽管其单位生态系统服务价值较高，但由于其面积占比小，因而其总的生态系统服务价值量并不高。从ESV变化程度上来看，耕地、草地和水体在近20年来生态系统服务价值呈下降趋势，林地和湿地呈上升趋势，水体生态系统服务价值在2000-2020年变化程度最大，减少率为37.33%，其次是湿地，增加率为32.7%。一定程度上反映出由于城市扩张，使得研究区一部分耕地和水体被侵占，导致ESV 下降。同时由于近些年大力实施生态环境保护政策，使得部分生态用地ESV 有所增加。

表2 天津市不同土地利用类型的生态系统服务价值量变化（108 元）

表3反映了2000-2020年天津市单项生态系统服务价值变化情况，可以看出每项服务对ESV的贡献程度依次是调节服务、供给服务、支持服务、文化服务，其中水文调节的ESV 在所有类型生态系统服务价值中占比最大，远高于其他各项生态服务类型。从变化趋势上来看，除食物生产的ESV 呈现波动上升趋势外，其他各项生态服务价值总体上呈下降趋势，其中水文调节减少幅度最大，原因可能是水体、林地等生态系统服务价值较高的土地利用类型面积减少所致。总的来说，区域土地利用不合理的变化，引起了生态系统服务价值的减少。为了实现区域内生态系统服务供需平衡，应该大力坚持生态文明建设和可持续发展战略，落实地区土地利用规划和生态环境保护方针，实现人、社会经济和自然环境协调发展。

表3 天津市不同生态系统服务类型的生态系统服务价值量变化（108 元）

四、结论

本研究通过对天津市土地利用/土地覆被进行了动态变化分析，在此基础上采用当量因子法评估了天津市2000—2020年三期生态系统服务价值ESV 的变化情况，主要结论如下：(1)天津市土地利用结构以耕地占主导，土地利用变化总体特征呈现为耕地面积不断减少，建设用地面积大幅度增加的趋势，其他土地利用类型变化特征不明显。(2)2000、2010 和2020年研究区生态系统服务价值ESV 分别为619.87 亿元、576.05 亿元和441.99 亿元，总体呈下降趋势，其中水体对研究区的生态系统服务价值贡献最大，其次是耕地。(3)20年间研究区单项生态系统服务价值呈下降的变化趋势，水文调节对生态系统服务价值的贡献程度最大。