流域土地利用变化及其对生态系统服务价值的影响-以唐河流域山西段为例

段兰兰，贺丽，薛占金，刘菊，王琰，严俊霞

（1.山西大学 黄土高原研究所，山西 太原 030006；2.山西大学 资源与环境工程研究所，山西 太原 030006；3.山西省林业和草原科学研究院，山西 太原 030006）

0 引言

生态系统服务是指为维持生命生存和发展而从生态环境中获取的食物和原材料的产品和服务［1］，其永续发展对人类发展和进步具有重要影响［2-3］。近年来，对于生态系统服务价值（Ecosystem Service Value，ESV）的研究已有许多［4-6］。早在1997 年，Costanza 提出ESV 分类方法，并建立了量化评估体系［7-8］。在千年生态系统评估（MA）的基础上，国外学者评估了不同流域的水资源、土壤保持等生态系统服务价值［9-10］。与国外相比，我国生态系统服务的研究起步较晚，但结合不同区域的生态特征，融合地理学、生态学等方法，开展了不同区域［11-13］和不同空间［14-17］相关研究，其中单位面积服务价值当量因子研究［18］最具代表性。

土地是生存之本、发展之基、生态之要。“人类世”（指地球的最近代历史）以来，人类活动对土地生态系统干扰日益加剧，土地生态系统服务衰减［19］。近年来，土地利用对生态系统服务的影响受到国内外学者的关注，采用主成分分析、空间自相关理论、引入“三生空间”概念（生产空间、生活空间和生态空间的简称）等方法分析了土地利用类型及生态系统服务时空演变［5-6，9-10］、影响维度［13-16］。已有成果主要集中在土地类型变化剧烈的城市地区［14-16］，对处于重要生态功能区、水源涵养区的流域上游生态系统服务关注较少。流域生态系统是由自然、经济和社会组成的一种复合生态系统。通过衡量流域ESV，可以为流域管理和生态保护提供理论依据［20-21］。土地利用变化在一定程度上不仅对生态系统的类型和分布范围产生影响，而且影响不同生态系统服务类型的强度，从而使总ESV 发生改变。唐河是大清河的源头之一，其水土环境状况直接关系到大清河下游的雄安新区和京津冀地区可持续发展。因此本研究以唐河流域山西段为例，利用2000、2010、2020 年3 期土地利用数据，分析2000-2020 年唐河流域土地利用类型的变化特征及其对ESV 影响，确定其主要驱动因素，为唐河流域提高生态环境质量、恢复生态系统服务提供科学依据。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

唐河发源于山西省浑源县千佛岭乡，在灵丘县下北泉村进入河北省涞源县。在山西省内，唐河流域地理位置为：39°09′N—39°38′N，113°42′E—114°30′E，河长为96 km，流域面积为2193 km2（图1）。地势呈西北高、东南低的特点。气候为温带半干旱大陆性季风气候，1 月平均气温为-12 ℃，7 月平均气温为22 ℃，≥10 ℃的积温平均为2600 ～3100 ℃，多年平均温为6.5 ℃～7.0 ℃，年均降水量500 mm～550 mm，年均蒸发量1000 mm～1050 mm［22］，多年平均无霜期为73 d～217 d。区内优势植物有华北落叶松（Larixprincipis-rupprechtii）、油松（PinustabuliformisCarr）、侧柏（Platycladusorientalis）、杨树（Populusspp.）、刺槐（Robiniapseudoacacia）、绣线菊（Spiraeasalicifolia）等。土壤类型以潮土和褐土为主。

图1 唐河流域山西段地理位置Fig.1 Geographical position of Tanghe river basin in Shanxi province

1.2 数据来源与处理

本文所用的土地利用类型数据主要来源于国家基础地理信息中心（http：//www.ngcc.cn/ngcc/），分辨率为30 m×30 m。首先利用ArcGIS 10.2 对2000、2010 和2020 年3 期土地利用数据进行处理，具体步骤为：①利用ArcToolbox 设为空函数工具，将栅格数据去除黑边；②利用Mosaic to new raster 进行合并；③利用Extract by the mask将合并后的数据进行裁剪，得到研究区范围和土地利用数据；④利用Reclassify tool 将土地类型分为6 类：林地、耕地、草地、水域、建设用地和未利用地，根据属性表和空间分辨率计算各地类面积；⑤利用Raster calculator 得到土地转移矩阵。

年均气温数据来自worldclim.org；年均降水量数据来源于国家气象科学数据中心（http：//data.cma.cn/）；单位粮食产量数据来源于《山西省统计年鉴》，粮食价格来源于《中国农产品价格调查年鉴》；GDP、城镇人口和农村人口来源于山西省和大同市统计年鉴。

2 研究方法

2.1 土地利用变化分析

（1）净变化量表示特定区域特定时间段内某一地类的量的变化，计算公式为：

式中：Ci，Uia和Uib分别为第i种地类在研究期的净变化量（km2）、研究初期面积（km2）、研究末期面积（km2）。

（2）土地利用动态度表示特定区域特定时间段内不同地类的变化速率，其绝对值的大小代表了面积变化速率的幅度，数值越大，速率越快。分为单一和综合土地利用动态度2 类，计算公式［23］分别为：

式中：K为某一地类的土地利用动态度（%）；Ua为该地类在研究初期面积（km2）；Ub为该地类在研究末期面积（km2）；T为研究时段（a）。

式中：LUi为第i种地类在研究初期面积（km2）；ΔLUi-j为研究期内第i种地类转变为其他地类面积（km2，绝对值）；T为研究时段（a）。

（3）土地利用转移矩阵表示不同地类之间转移方向和数量的变化［24］，计算公式为：

式中：Aij为第i种地类在研究时段内演替为第j种地类面积（km2）；i（i=1，2，…，n），j（j=1，2，…，n）分别为研究初期和末期的地类，本研究中n=6。

2.2 生态系统服务价值

2.2.1 生态系统服务价值评估

本文在Costanza 等［9］研究基础上，参考谢高地等制定的价值当量因子表［25-27］，将其作为修正系数，分别对6 种地类的ESV 进行修正。通过查阅统计年鉴，计算得出唐河流域山西段的平均粮食单位产量为5 734 kg/hm2及山西省的粮食收购均价为2.78 元/kg，全国平均粮食单产市场价格的1/7 等于1 个当量因子的价值［26］，所以该流域1 个当量因子的经济价值量为2 277.22 元/hm2。根据研究区1 个当量因子的价值可以计算出研究区单位面积ESV（表1）［28］。

表1 唐河流域山西段不同土地利用类型生态系统当量因子（yuan/hm2）Table 1 Ecosystematic equivalent factors of different land use in Tanghe river basin in Shanxi province (yuan/hm2)

唐河流域山西段各时期的ESV 计算公式为：

式中：ESV为生态系统服务的总价值（元）；Ai为第i种地类面积（hm2）；VCi为第i种地类的单位面积生态服务价值（元/hm2·a-1）。

2.2.2 生态贡献率

生态贡献率是指在特定时间段内不同地类ESV 变化量与总ESV 变化量的比值。通过计算生态贡献率可以确定影响研究区ESV 变化的主要因子。计算公式为：

式中：Si，ΔESVi分别为研究时段第i种地类的贡献率（%）和生态服务价值变化量（元）；i为地类。

2.2.3 人为影响综合指数

人类活动在景观格局的变化中发挥着重要的作用。为了分析人类活动对ESV 的影响，本文利用人为影响综合指数定量分析一定区域内景观总体受人类干扰的强度［29］。计算公式为：

式中：HAI表示人为影响综合指数；N为地类的种类；Ai为第i种地类面积（hm2）；Pi为第i种地类所反映的人为影响强度系数；TA为研究区总面积（hm2）。

为了使计算结果更准确，本文通过Lohani清单法、Leopold 矩阵法和Delphi 法分别计算得出不同地类的人为影响强度系数，再通过求三者的平均值，最终得出研究区不同地类的人为影响强度系数Pi（表2）。

表2 唐河流域山西段不同地类人为影响强度系数Table 2 Intensity coefficients of anthropogenic influence of different land use in Tanghe river basin in Shanxi province

HAI值取值范围为0 ～ 1，值越大意味着人为活动对景观组分干扰越大，HAI＞0.80、0.60＜HAI＜ 0.80、0.40＜HAI≤ 0.60、0.20 ＜HAI≤ 0.40、0 ＜HAI≤ 0.20 分别表示景观组分受到人类干扰程度为高、较高、中、较低和低。

3 结果与分析

3.1 土地利用变化

3.1.1 土地利用类型的时空变化

由表3 可知，20 年来研究区内每种土地利用类型的面积均发生了变化。可以看出，林地和耕地是研究区的主要土地利用类型，二者约占总面积的50%以上（图2）。林地多集中在研究区的外围山区，其面积从2000 年的722.02 km2（占34.90%），增加到2020 年的739.91 km2（占35.80%）。耕地多分布于研究区中部，20年间面积从736.96 km2减少到690.87 km2。2000-2020 年草地面积变化不大，减少了8.51 km2；建设用地面积增加了34.20 km2。

表3 2000、2010和2020年唐河流域山西段不同土地类型面积变化Table 3 Area change in different land use in Tanghe river basin in Shanxi province in 2000, 2010 and 2020

图2 2000、2010和2020年唐河流域山西段土地利用类型Fig.2 Land use type of Tanghe river basin in Shanxi province in 2000, 2010 and 2020

3.1.2 土地利用动态度

从单一土地利用动态度来看，2000-2010、2010-2020、2000-2020 年研究区内动态度变化较大的是水域和建设用地，分别为-5.00%和3.47%、86.00%和8.72%、19.00%和7.61%；林地、草地、耕地、未利用地的动态度较小，均低于0.40%（表4）。2010-2020 年不同土地利用动态度差异较大，为0～86.00%，主要原因是水域和建设用地的土地利用动态度较高，分别为86.00%和8.72%。整体来看，20 年间唐河流域山西段综合土地利用动态度为0.13%，其中2000-2010、2010-2020 年的综合土地利用动态度分别为0.11%和0.25%，后者变化更剧烈。

表4 2000-2020年唐河流域山西段土地利用动态度（%）Table 4 Dynamic of different land use in Tanghe river basin in Shanxi province during 2000-2020 （%）

3.1.3 土地利用面积转移

从2000-2010、2010-2020、2000-2020 年研究区土地利用转移矩阵（表5-7）可以看出，2000-2010 年草地转入的土地面积最多（58.34 km2），其次是林地（35.55 km2）；转出的面积中，草地仍为最多（43.09 km2），其次为耕地（41.48 km2）。2010-2020 年林地转入的面积最多，为85.08 km2，其次是草地（80.94 km2）；转出的面积中，草地最多（103.72 km2），其次是林地（62.38 km2）。在两个时间段转入和转出面积中，水域和未利用地都较少。整体来看，20 年间草地转入和转出的面积均最多，分别为119.17 km2和110.66 km2。

表5 2000-2010年唐河流域山西段土地利用转移矩阵（km2）Table 5 Land use transfer matrix of Tanghe river basin in Shanxi province from 2000 to 2010 (km2)

表6 2010-2020年唐河流域山西段土地利用转移矩阵（km2）Table 6 Land use transfer matrix of Tanghe river basin in Shanxi province from 2010 to 2020 (km2)

表7 2000-2020年唐河流域山西段土地利用转移矩阵（km2）Table 7 Land use transfer matrix of Tanghe river basin in Shanxi province from 2000 to 2020 (km2)

在2000-2010、2010-2020、2000-2020 年，草地、林地和耕地三者之间发生了明显的土地利用转移。其中草地向林地转移的面积最多，分别为28.60、79.75、88.37 km2；其次是林地转为草地，分别为28.60、54.76、63.94 km2。

3.2 生态系统服务价值变化

3.2.1 各地类生态系统服务价值时间变化

2000、2010、2020 年研究区总ESV 分别为1 800 807.88、1 803 853.41 和1 822 512.73 万元（表8）。在不同土地利用类型中，林地、草地和耕地具有较高的ESV 贡献率，分别为70.19%、26.18%、3.61% 和69.66%、26.81%、3.51% 和71.08%、25.49%、3.34%，建设用地和未利用地的ESV 较低。2000-2020 年研究区的总ESV呈逐渐上升趋势，增加了21 704.85 万元，增幅为0.01%，其中林地、水域和建设用地的ESV分别增加了31 320.50、1 076.23 和155.77 万元；耕地和草地提供的ESV 均有所降低，分别减少了4 061.88 和6 837.77 万元。2010 年与2000 年相比，除草地提供的ESV 增加了12 255.11 万元外，耕地、林地和水域提供的ESV 均有所降低，分别减少了1 653.81、7 407.32 和148.45 万元，研究区总ESV 增加了3 405.53 万元。2020 年与2010 年相比，林地、水域、建设用地和未利用地提供的ESV 分别增加了38 727.83、1224.68、155.77 和52.00 万元，耕地和草地提供的ESV均有所减低，分别减少了2 408.06 和19 092.88万元，研究区总ESV 增加了18 659.32 万元（表8）。总体来看，20 年间研究区ESV 增加的主要原因是林地、水域和建设用地面积的增加。

表8 2000-2020年唐河流域山西段各地类生态系统服务价值Table 8 ESV of different land use in Tanghe river basin in Shanxi province from 2000 to 2020

3.2.2 单项生态系统服务类型价值变化

从一级服务功能来看，2000、2010、2020 年占总ESV 的比例从高到低依次为调节、支持、供给和文化服务。其中占比最高的是调节服务，均在60% 左右，其次为支持服务，占比在25%左右，供给和文化服务的占比较低，约为0.05%。2000-2020 年，调节、支持和文化服务呈持续增加趋势，2010 年比2000 年分别增加了2 356.70、714.76 和229.40 万元，2020 年比2010年分别增加了14 040.45、3 740.26 和903.22 万元，2020 年比2000 年分别共增加了16 397.15、4 455.02 和1 132.62 万元。供给服务呈持续减少趋势，2010 年比2000 年减少255.33 万元，2020 年比2010 年减少24.61 万元，20 年共减少了279.94 万元（图3）。

图3 2000—2020年唐河流域山西段生态系统一级服务功能价值及其变化Fig.3 ESV and its change in Tanghe river basin in Shanxi province from 2000 to 2020

从二级服务功能来看，2000-2010 年除食物生产和原材料生产价值降低了218.37 万元和36.96 万元以外，其他二级服务功能的ESV 增加了195.52 万元～967.45 万元；2010-2020 年仅食物生产价值降低了390.68 万元，其他二级服务功能的ESV 增加了366.06 万元～4 666.28 万元。过去20 年间原材料生产价值呈先减少后增加趋势；食物生产价值呈持续降低趋势，年均减少30.45 万元；气体调节、气候调节、水源涵养、废物处理、保持土壤、维持生物多样性和提供美学景观呈持续增加趋势，每年分别增加86.63、354.87、270.85、107.51、93.94、128.81 和56.63 万元（表9）。

表9 2000-2020年唐河流域山西段土地生态系统单项服务价值Table 9 Individual ESV of different land use in Tanghe river basin in Shanxi province from 2000 to 2020

3.2.3 各地类对生态系统服务价值变化的生态贡献率

2000-2010、2010-2020、2000-2020 年研究区ESV 变化贡献率较高的是耕地、林地和草地，分别为6.65%、29.78%、49.28%和3.00%、48.22%、23.77% 和6.23%、48.03%、10.49%（表10），3 个地类生态贡献率合计在98% 以上；建设用地和未利用地的生态贡献率较低。表明影响研究区总ESV 变化最大的土地利用类型是耕地、林地和草地，三者是研究区ESV变化的主要贡献因子和影响因子。

表10 2000-2020年唐河流域山西段各地类对ESV变化的生态贡献率（%）Table 10 Ecological contribution to ESV change in different land use in Shanxi province in 2000-2020 (%)

3.3 驱动力分析

从以上分析可以看出，20 年间唐河流域的总ESV 增加了21 704.85 万元，这与环境变化和人类活动有很大的关系。已有研究表明，自然环境变化和人类活动在一定程度上影响着物种的正常生长和群落演替［30］。

3.3.1 人为活动

为了更清楚了解人为活动对ESV 的影响。本文首先将研究区划分为5 km×5 km 的格网，并分别计算每个格网的人为影响强度，将其作为每个格网中心点的值；然后通过趋势分析和正态检验，利用ArcGIS 10.2 里Kriging 空间插值方法得到唐河流域山西段2000、2010 和2020年3 期人为影响强度的空间分布图（图4）。

图4 唐河流域山西段三期人为干扰综合强度分布Fig.4 Distribution of comprehensive intensity of human disturbance over three periods in Tanghe river basin in Shanxi province

从图4 可以看出，唐河流域山西段人为干扰综合强度的空间分布主要表现为：中高影响和高影响强度占主要地位，主要分布在研究区中部；低影响和中影响强度呈小块状、零星分布；中低影响强度主要分布在研究区东南部。过去20 年间低影响和中低影响强度基本保持不变，中影响强度范围有所扩张，中高影响和高影响强度区域范围有所减少。进一步分析表明，干扰强度高的区域主要土地利用类型为耕地；干扰强度低、中低的区域主要土地利用类型是林地和草地；干扰强度大的区域由大量耕地、草地转为林地，促使ESV 增加，与前述唐河流域山西段ESV 的变化规律相一致。

3.3.2 自然因素

温度和降水不仅是影响植物生长最直接的环境因子，还会影响生态系统的正常演替。为进一步分析引起唐河流域山西段ESV 变化的自然驱动力，本文利用研究区的温度和降水与年份之间的相关性进行回归分析（图5）。

图5 2000-2020年唐河流域山西段气候变化特征Fig.5 Characteristics of climatic change from 2000 to 2020 in Tanghe river basin in Shanxi province

从图5 可以看出，过去20 年来唐河流域山西段的年降水量呈上升趋势，上升率为10.816 mm/10 a；年均温也呈上升趋势。主要表现为：全球气候变暖引起温度带北移，对唐河流域山西段的影响主要体现为降水量增加；年降水量增加使土壤含水量上升，植被存活率提高，ESV 提高。

4 讨论

过去20 年来，研究区土地利用类型的结构和分布发生了明显变化，其中耕地面积减小，林地、建设用地和水域面积增加。其原因有：①农村人口减少导致耕地面积减少，调查资料显示，2000-2020 年研究区城镇人口增加了80 901 人，农村人口减少了58 134 人。城镇化过程中，大批的农村人口向城镇迁移，农村许多耕地撂荒，从而导致耕地面积减少、建设用地面积增加；②三北防护林、退耕还林还草、京津风沙源治理等生态政策和工程的实施，使大量耕地转变为林草地，林草地面积增加［31-32］，生态环境趋于好转，20 年间研究区共完成退耕还林还草4 226.23 hm2；③研究区在原有生态保护措施基础上，通过划定唐河水源保护区、关停煤矿和铁矿、低产地（如：坡耕地、沙化地等）改造为草地和林地等手段，实现了净水保土增绿的环境效益，极大地改善了流域生态环境功能，提升了流域生态环境质量。在本研究中，2000-2020 年研究区总ESV 增加了21 704.85万元，增幅为0.01%，这主要得益于草地向林地的转移，这与陈明叶等［33］在大清河阜平流域的研究结果一致。

自然和人为因素均会引起ESV 的变化。在自然因素中，温度和降水直接影响着生态系统中的各项服务功能。Shen 等［34］通过研究京津冀地区的生态系统服务变化，表明植被指数是其主要影响因子。但自然因素（如：气温、降水等）在短期内变化幅度不大，对ESV 影响不明显［35］。赵志刚等［36］研究发现鄱阳湖生态经济区影响ESV 变化的主要驱动因子是城镇化率，其次是城镇人口、人口密度和GDP。茆长宝等［37］研究发现影响土地利用变化的主要因素是人口数量和质量。在本研究中，人类活动是影响唐河流域土地利用变化的主导因素，这与祝冰洁等［38］对大清河山区的研究结果一致。

与大清河流域已有研究成果相比，本文的计算结果与其他研究结果有一定的差别，主要原因是研究方法不同，本文采用“价值当量因子法”，结合唐河流域的实际情况对当量因子进行修正，使得研究结果与实际较为吻合。潘莹等［39］采用InVEST 模型对大清河流域生态系统服务进行评估，使用该模型应评价其适用性，且如何选择模型参数并进行本地化校正是关键问题。

需要指出的是，本研究重点分析了唐河流域山西段土地利用变化及其对ESV 变化的影响，并探究了影响唐河流域山西段ESV 变化的驱动因素。限于资料的获取性，本研究重点分析了温度、降水和人为干扰情况对ESV 变化的影响。未来，应考虑地形、坡向、城镇和农村人口数量、质量以及GDP 等因素对ESV 变化的影响。此外，应从不同时空维度深入分析唐河流域山西段生态系统服务的权衡与协同关系，探究唐河流域山西段的生态补偿机制，为制定流域生态保护政策提供参考依据。

5 结论

（1）2000-2020 年，唐河流域山西段的主要地类是耕地和林地。20 年来，耕地从736.96 km2减少到690.87 km2；草地减少了8.51 km2；林地的面积从722.02 km2增加到739.91 km2；建设用地增加了34.20 km2；水域和未利用地的面积变化不大。20 年间土地利用转移主要发生在林地、草地、耕地三者之间，其中草地约有88.37 km2转为耕地。

（2）2000-2020 年唐河流域山西段土地利用变化最大的是水域，动态度为19.00%，面积增加了0.38 km2；其次是建设用地，动态度为7.61%，面积增加了34.20 km2。20 年间，唐河流域山西段综合土地利用动态度为0.13%，其中2000-2010、2010-2020 年的综合土地利用动态度分别为0.11% 和0.25%，2010-2020 年变化更剧烈。

（3）2000-2020 年唐河流域山西段总ESV呈逐渐增加趋势，20 年增加了21 704.85 万元，年均净增加值达5 246.98 元/km2。在一级服务价值中，除供给服务呈先减后增趋势，调节、支持和文化服务所提供的价值均呈持续增加趋势。二级生态服务价值以气候调节和水源涵养服务为主，分别增加了7 097.30 万元和5 416.96 万元。

（4）2000-2020 年研究区ESV 变化贡献率较高的是林地、耕地和草地，分别是48.03%、6.23%，10.49%；且三者生态贡献率合计在98%以上，说明林地、耕地和草地是影响研究区ESV 变化的主要因子。

（5）生态系统服务的发展变化是自然因素和人为活动共同作用的结果，通过分析唐河流域山西段ESV 变化及其驱动因素，人为活动是唐河流域山西段ESV 变化的主要驱动因素。