近20年平頂山市生態用地及其生態系統服務演變

張騫, 高松峰, 高成全, 王金柱, 牛磊, 張寧

1. 河南城建學院測繪與城市空間信息學院, 河南平頂山 467036

2. 西南大學資源環境學院, 重慶 400715

3. 河南城建學院建筑與城市規劃學院, 河南平頂山 467036

4. 平頂山學院旅游與規劃學院, 河南平頂山 467000

1 前言

陸地生態系統受人類活動影響頻繁, 地表生態系統類型改變也往往影響人類生存和發展的根本方式。城市作為人類社會與自然環境相互作用最為劇烈的地區, 自改革開放以來, 伴隨著工業化、城鎮化的發展, 城市自然生態系統越來越多地受到人類干擾, 主要表現在原有林地、草地和耕地被大量侵占,生態系統服務能力退化。城市是以人類活動為主導的一類自然—經濟—社會復合生態系統[1], 面對全球性和區域性的生態環境問題, 探討“地理—生態”耦合變化的發生機理, 以生態用地作為研究單元, 具有非常重要的理論意義和現實意義[2]。在此背景下, 城市生態用地的空間格局與生態系統服務功能價值演變逐漸成為土地資源學的研究熱點[3-6], 如何從國土開發布局與生態系統服務功能互相協調角度,提出水土資源空間配置戰略思路和措施是中國生態文明建設的重大科技需求和理論問題[7]。

“生態用地”是指具有提供生態產品與生態系統服務的重要空間, 在維護區域生態平衡, 保障國土生態安全與維持生物多樣性、預防與緩減自然災害領域里發揮著重要作用[8]。國內這一概念最早由董雅文[9]提出。之后國內學者圍繞生態用地概念與內涵[10-13]、分類體系[14-16]進行了一系列研究。其研究范圍也由全國[15, 17-19]演化到區域[13, 20, 21]、城市[11, 22-25]等不同尺度。生態系統服務代表著人類及其所居住的自然生態系統環境提供的一類維持人類生存與發展的必要環境條件與生態效用[26], 開展生態系統服務研究,是生態系統恢復、生態功能區劃和建立生態補償機制、保障國家生態安全的重大戰略需求[27]。不同的土地利用類型提供了不同的生態系統服務功能[28],如水源涵養、氣候調節、空氣凈化、糧食供給等生態服務功能均由不同的生態用地類型提供, 因此目前也普遍認為生態用地的格局演變是導致生態系統服務發生轉變的重要原因[29]。

在生態系統服務的定量化分析中, 整體上可以分為價值量評估和物質量評估兩類[30], 國際上以De Groot[31-33]、Costanza[34]的研究成果最為矚目。生態系統服務功能價值評估工作開展較早, 作為景觀功能、土地功能分類和評估的基礎, 其影響范圍大, 適用范圍廣[3]。謝高地在 Costanza的研究基礎上, 后續通過價值轉換[35]、專家知識[36]以及單位面積價值當量[37]修正并改進了生態系統服務價值模型[38], 部分學者應用在不同區域、城市以及縣域尺度作為價值評估的依據[39-41]。

平頂山市作為國內的典型煤炭資源城市, 面臨資源枯竭、水環境惡化、采煤區地表塌陷、空氣污染等一系列生態環境問題, 基于生態理念的轉型發展是平頂山市亟需解決的首要問題。采用RS、GIS技術的基礎上結合平頂山市生態用地分布類型, 采用謝高地的生態系統服務功能價值當量模型進行轉換, 研究探索平頂山市生態用地時空格局變化、生態系統服務功能價值定量評價以及生態系統服務演變特征三個科學問題, 以期為資源型城市生態文明城市建設提供理論依據及數據支撐。

2 研究區概況與研究方法

2.1 研究區概況

平頂山市位于河南省中部地區, 是豫中地區的中心城市, 也是國家重要的能源原材料工業基地和中原經濟區重要的煤炭資源與鹽礦資源主產區。行政區范圍包含四區六縣(市)： 新華區、湛河區、衛東區、石龍區、舞鋼市、汝州市、魯山縣、寶豐縣、葉縣、郟縣。全區面積7882 km2, 2013年常住人口495.7萬人, 總人口537.5萬人, 城鎮化率46.4%。研究區主要地貌類型有山地、平原、丘陵等, 整體地勢呈西高東低分布, 最高山峰位于魯山縣西部邊界的堯山, 海拔 2153.1米, 東部則以平原為主。其海拔高度大多在300—700米之間。研究區為大陸性季風氣候, 多年平均氣溫為 14.8—15.2 ℃之間, 年均降水量為1000 mm, 四季分明。

圖1 研究區示意圖Fig.1 Location map of study area

2.2 生態用地分類

根據平頂山市土地利用現狀圖(2012年), 參考《土地利用現狀分類》(GB/T 21010—2007), 《第二次全國土地調查技術規程》(TD/T 1014—2007), 以土地利用現狀分類為基礎開展生態用地劃分并與之進行科學銜接, 從生態系統類型、土地利用類型、土地生態功能三個方面來劃分平頂山市生態用地類型。操作在ArcGIS 10.3中合并土地類型后將平頂山市生態用地類型分為農田、林地、草地、水域四個大類, 按照生態系統類型和土地利用現狀又進行了二級地類劃分。具體分類情況詳見表1。

2.3 數據來源及技術處理

所采用的數據主要包括3期(1995年、2005年、2015年)Landsat TM/ETM遙感影像, 為盡可能避免因季節產生的植被覆蓋偏差, 選擇日期分別為 1995年6月30日, 2005年8月17日, 2015年7月24日遙感影像, 同時搭配30米數字DEM高程圖、土地利用現狀調研數據, 另有2012年土地利用現狀圖作為對照。遙感影像處理過程如下：

對非監督分類的遙感影像進行目視修改后, 通過聚類分析、過濾分析和最大相似值處理, 在精度評價過程中通過對 Kappa系數進行檢驗, 其結果分別為0.91(1995年)、0.85(2005年) 、0.88(2015年), 精度評價結果滿足于研究需求。

2.4 研究方法

2.4.1 生態用地動態度計算方法

單一生態用地變化動態度公式：

式中：ELUC為研究時段內單一生態用地類型動態度;ELUi、ELUj別為研究初期和研究末期單一生態用地類型數量;T為研究時段長, 當T的時段設定為年時,ELUC的值就是該研究區某種生態用地類型年變化率。

表1 平頂山市生態用地類型Tab.1 Ecological land use types of Pingdingshan city

圖2 遙感影像處理流程圖Fig.2 Remote sensing image processing flow chart

生態用地綜合動態度公式：

式中：ELUi是研究起始時間段內的第i類生態用地類型的面積;ΔELUi-j為研究時段內第i類生態用地類型轉為非i類生態用地類型面積的絕對值;T為研究時段長度。當T的時段設定為年時, ∑ELUC的值就是該研究區生態用地年變化率[42]。

2.4.2 基于單位面積價值當量因子的生態系統服務評估方法

生態系統服務功能價值評估模型眾多, 其中以Costanza和謝高地的研究成果應用較為廣泛。生態系統服務的單位面積價值當量是指不同類型生態系統單位面積上各類服務功能年均價值當量[37]。計算方法為采用 1hm2全國平均產量的農田每年自然糧食產量的經濟價值, 以此當量為參照, 在結合專家知識的基礎上, 來確定其他生態系統服務的當量因子, 其作用在于可以表征和量化不同類型生態系統對生態服務功能的潛在貢獻[37]。針對平頂山市生態用地分類, 在謝高地2015年提出的單位面積價值當量因子基礎上, 結合平頂山市土地利用數據對謝高地單位面積價值當量系數進行加權平均, 然后對單位面積價值當量系數進行轉換, 最終確定平頂山市生態系統單位面積服務價值因子系數(表2)。在充分考慮因物價變化等人為干擾因素為研究結果帶來的影響, 統一采用《2013年河南省統計年鑒》[43]中的1 hm2的農田生態系統食物生產的凈利潤作為標準,通過精確計算出農田生態系統自然條件下糧食生產的服務價值并進行價格轉換, 最終確定平頂山市農田生態系統的食物生產服務價值為10770元/hm2。

生態系統服務總價值的測評公式為：

式中：ESVt表示研究區的生態系統總服務價值;Ai表示研究區生態用地分類的第i種類型的面積(hm2·a-1);Vi表示第i種生態用地類型的生態系統服務價值量[34]。

3 結果與分析

3.1 平頂山市1995—2015年生態用地演變特征

表2 平頂山市生態用地單位面積價值當量系數Tab.2 Ecosystem service value of per unit area in Pingdingshan city

平頂山市生態用地演變特征可以從其空間分布、結構變化以及面積增減三個方面來反映。從空間分布來看(圖3), 平頂山市市轄區城市擴展呈“東—西”擴展方向, 其他各區縣中心呈現出“集聚—外擴”特征, 沿市區主干道建設路向西沿平西湖打造的新城區建設是農田減少的主要原因。林地的空間增長主要體現在平頂山西部的堯山自然保護區建設與汝州市北部丘陵區的退耕還林還草措施, 草地空間變化主要體現在汝州市北部和魯山縣以北, 其主要原因是荒草地植樹造林。市區南部的舞鋼市所屬的石漫灘國家森林公園對市區水域生態用地貢獻突出, 同時, 平頂山市新城區的白龜湖國家濕地公園的建設以及市建設路西段的基于采煤塌陷區打造的白鷺湖國家城市濕地公園均為水域生態用地的增長做出明顯貢獻。從結構與數量變化來看(圖4、圖5), 農田比例持續下降, 由 69.30%下降為 53.51%,20年間一共減少126341.39 hm2, 林地比例由1995年的17.46%增長到2015年的23.76%, 20年間面積增加48952 hm2, 水域比例由2.60%增長到研究期末的3.72%, 20年間一共增長8693 hm2。建設用地比例由 6.72%增長到 16.27%,20年間一共增長 74921.09 hm2。草地比例由3.91%下降到2.74%, 相對于農田、林地來說, 草地整體所占比例較低, 20年間一共減少9337 hm2。

圖3 平頂山市1995—2015年生態用地空間變化Fig.3 Spatial of ecological land changes in Pingdingshan city from 1995-2015

圖4 平頂山市生態用地結構變化Fig.4 Ecological land use structure changes in Pingdingshan city

圖5 平頂山市生態用地與建設用地面積變化Fig.5 Ecological land and built-up area changes in Pingdingshan city

3.2 生態用地轉移特征分析

3.2.1 生態用地變化速率

反映某一類型的生態用地轉移的快慢可以用單一動態度來表示, 而綜合動態度值則可以反映整體生態用地在某一研究期內的綜合活躍程度。如表3所示, 在1995—2005年間, 水域轉移速率最高, 年均增長幅度達到 3.8%, 其次是林地, 年均增長0.99%。草地年均減少2.57%, 農田年均減少0.99%。在2005—2015年間, 林地轉移速率變化明顯, 年均達到 2.33%, 水域增長幅度為年均0.32%, 農田在這段時期內減少最為激烈, 年均達到 1.47%, 其次是草地, 年均減少0.61%。整個研究區來看, 1995—2005年變化幅度要略低于2005—2015年, 在這兩個研究期內不同生態用地轉移速率也不盡相同。1995—2005年間,以水域增加、草地減少為主, 在2005—2015年間,則以農田減少、林地增加為主, 整個研究期內生態用地結構呈現出“兩減兩增”的結構變化特點, 主要原因有以下幾點： 1998年舞鋼市石漫灘水庫的修建, 并于2001年入選首批國家水利風景區對該時期水域的增加貢獻較多; 隨著平頂山市整治采煤塌陷區, 并對采煤塌陷區進行生態修復所打造的白鷺洲國家城市濕地公園也為城市濕地增長做出貢獻。2005年后, 平頂山市進行生態旅游城市建設, 這期間內打造的堯山國家級自然保護區和石漫灘國家森林公園是研究區內林地增長的主要動力。

表3 平頂山市生態用地變化率Tab.3 Ecological land change rate in Pingdingshan city

3.2.2 生態用地轉移類型

分析研究區內不同生態用地類型的穩定性情況, 可以通過計算各類型生態用地在保持自身面積不變的保留率來求得。某一類生態用地類型保留率越大, 其生態系統服務功能則更穩定。利用ArcGIS 10.3的 Dissolve工具將 1995、2015年兩期shp格式數據融合, 然后通過疊置分析, 制作出研究區生態用地轉移矩陣表(表4)。從表4中可以看出研究區在 1995—2015年間農田保留率最高,達到 92.97%, 其次是林地, 保留率為 65.34%, 草地和水域分別達到64.75%和50.62%。農田的轉移類型主要是建設用地, 轉移比例達到4.18%, 轉移為林地、水域、草地的比例分別為1.87%、0.69%、0.29%,由此可以看出, 建設用地擴展是農田減少的主要原因。林地主要轉移類型為農田和草地, 其比率分別達到 24.94%和 8.00%, 由此可以得出林地的增長主要來源于農田和草地的貢獻。草地的主要轉移類型為林地和農田, 其比率達到 19.34%和 1 3.6 4%, 其中研究區北部的荒草地開發是其主要驅動力。水域的主要轉移類型為農田, 其轉移比率達到42.95%, 向林地、建設用地、草地轉移比率分別為 1.45%、4.94%、0.02%。從轉移矩陣中可以看出, 農田的減少主要是由于城市擴展對農田的侵占, 草地的減少主要是由于荒草地的開發所帶來的影響。林地、水域的增加主要來源于森林自然保護區以及濕地保護區的建設,其主要轉移類型為農田與草地。研究期內除了農田主要向建設用地轉移外, 林地、草地、水域均由其它生態用地類型轉入, 這說明平頂山市自 1995年以來在森林自然保護區建設、濕地公園建設以及荒草地開發方面均取得了一定成就, 對生態用地內部結構調整明顯。

3.3 平頂山市1995—2015年生態系統服務演變分析

根據聯合國 MA千禧年計劃對生態系統服務的分類[44], 結合平頂山市生態用地的單位面積價值當量系數(表2), 計算出平頂山市生態用地結構變化所引起的生態系統服務功能價值變化(圖6)。

表4 1995—2015平頂山市生態用地轉移Tab.4 Transfer of ecological land in Pingdingshan city during 1995-2015

圖6 平頂山市生態系統服務結構變化Fig.6 The structure changes of ecosystem services in Pingdingshan city

從圖6中可以看出, 1995—2015年間, 平頂山市生態系統服務價值整體增長, 由1995年的819.46億元增長到2015年的948.51億元, 年均增長0.79%。但是其內部服務類型結構又有一定差異。研究期內除了供給服務出現先減少后增加外, 其與各項服務均不同程度增長, 其中調節服務增長最多, 20年間增長107.57億元, 支撐服務增長14.74億元, 文化服務增長6.69億元。

從單項服務功能來看(圖7), 研究期內平頂山市農田生態系統提供的食物生產功能的價值減少最多,20年間共減少 12.25億元, 在食物生產方面應引起重視。農田的減少主要是由于建設用地擴展引起的,在未來的國土與城市規劃布局中, 平頂山市應重點考慮劃定城市擴展邊界以及加大農村居民點復墾整治力度, 以維持農田生態服務功能。

圖7 平頂山市單項生態系統服務功能價值變化雷達圖Fig.7 Rader map of the single ecosystem service function value changes in Pingdingshan city

20年間森林生態系統面積的增長是研究區調節服務增長的關鍵。其中氣候調節增長32.85億元, 水文調節增長 24.09億元, 是森林生態服務功能主要增長類型, 其他各項服務功能價值也出現不同程度增長。林地的增長對提高區域生態服務功能價值具有重要意義, 平頂山市應圍繞市內的國家森林自然保護區劃定生態保護紅線, 施行禁止城鎮建設、工農業生產和礦產資源開發等改變保護區內生態用地類型的舉措。

平頂山市市區內有湛河穿城而過, 新城區有白龜山國家濕地公園, 市區建設路西段有依托采煤塌陷區打造的白鷺洲城市濕地公園, 舞鋼市毗鄰石漫灘水庫, 魯山縣西有昭平臺水庫, 水域生態系統極大地提高了平頂山市生態系統服務功能價值。研究期內水文調節服務一共增長 59.28億元, 是水域生態系統服務的主要貢獻類型, 其次是生物多樣性和水資源供給分別貢獻6.28億元、5.09億元。圍繞水域生態系統服務, 應注意各支流水質監測, 關注水體富營養化問題, 嚴禁污水排放、圍湖造田等危害水域生態安全的行為。

研究期內草地生態系統服務價值均出現不同程度下降, 其中氣候調節功能下降最多, 達到 5.24億元, 研究期內草地向林地、農田的轉換是其減少的主要原因。草地每公頃的生態系統服務價值總值為21.21萬元, 略低于林地的 23.73萬元·hm-2, 高于農田的4.14萬元·hm-2, 開發荒草地雖然可以提高食物生產的生態服務功能, 但是對整體生態系統服務功能價值而言存在不利影響, 圍繞草地生態系統服務,應考慮其向林地的轉換或維持草地其本身的生態系統服務功能。

表5 平頂山市生態系統服務價值變化Tab.5 1995-2015 changes of ecosystem service value in Pingdingsdhan city

4 討論

以河南省 1 hm2平均產量的農田每年自然糧食產量的經濟價值作為計算單位, 結合專家知識確定其他生態系統服務當量因子, 其結果可完全消除人為因素干擾, 在實際應用中所需參數較少, 操作便捷。謝高地基于2010年物價成本核算得到河南省的生態系統價值服務為 5295.76億元[38], 本研究基于2012年物價成本核算得到平頂山市研究期末生態系統服務價值為 948.51億元, 兩者比較來看, 研究結果略高于謝高地的年均生態系統服務價值。主要原因除了有 2012年物價成本于 2010年物價成本外,由于生態系統服務價值在年內不同月份也存在變化[38], 所選用的研究數據月份均處于一年中生態系統服務價值最高的7—8月, 從而造成數值偏高。通過當量因子法核算平頂山市生態系統服務功能價值,能夠較為直觀的發現平頂山市生態系統服務價值總量的變化趨勢, 同時, 對于單一某項生態系統服務功能變化趨勢也可以做出判斷。雖然研究期內平頂山市整體生態系統服務處于增長階段, 但是對于食物生產、原料供給等生態服務功能下降仍需引起重視, 深入探討生態用地空間格局與生態系統服務演變的機理, 提高平頂山市農田生態系統服務功能價值是維持平頂山市生態平衡與確保平頂山市生態安全的關鍵。

采用單位面積價值當量系數來評估市級生態系統服務價值, 可以實現對市級生態系統服務價值的快速核算。然而仍然存在一定的局限性。主要原因有以下幾點： (1)核算結果為生態系統通過本身生態功能提供的生態服務價值, 并不包括通過人為投入和控制生產和增加的已包含在 GDP核算中的產品與服務[38], 可能會導致評估價值的結果偏低。(2)隨著生態系統服務理論未來的發展以及人們對生態系統服務認識的提高, 生態系統服務功能的分類可能會發生改變。(3)針對全國不同生態類型區域、不同城市的生態資產核算研究需要對單位面積價值當量系數進行更精確的改進, 使結果更滿足于不同需求導向的城市生態系統服務核算。(4)隨著高分遙感影像的發展, 高精度遙感影像數據的獲取對于生態系統服務的評估結果會更加精確。

5 結論

以平頂山市作為研究對象, 采用RS、GIS技術及單位面積生態系統服務價值當量系數, 探討了平頂山市 1995—2015年間的生態系統服務演變過程與結果分析, 主要結論如下：

(1)1995—2015年間, 平頂山市生態用地空間結構發生改變, 林地比例由 1995年的 17.46%增長到2015年的23.76%, 水域比例由2.60%增長到3.72%,農田比例由69.30%下降到53.51%, 草地由3.91%下降到2.74%, 整個研究期內呈現出“林地、水域增加,農田、草地減少”的生態用地變化格局。

(2)2015年研究期末平頂山市生態系統服務價值為948.51億元。20年間生態系統服務價值一共增加129.05億元, 年均增長0.79%。

(3)就生態系統服務類別而言, 平頂山市調節服務增長最多, 20年間增長107.57億元。研究期內調節服務由 64.72%增長到 67.25%, 支持服務由21.27%下降到 19.92%, 供給服務由 10.47%下降到9.05%, 文化服務由3.56%增長到3.78%。

(4)從生態系統服務功能來看, 平頂山市水文調節功能是關鍵, 20年間一共增長70.70億元。其次是氣候調節功能增長 25.49億元, 生物多樣性功能增長14.37億元、水資源供給功能增長11.97億元、景觀美學功能增長6.69億元。需要注意的是, 平頂山市食物生產、原料供給、維持養分功能分別下降了10.53、1.38、0.83億元, 其中食物生產功能退化是平頂山市生態系統服務的主要問題。

(5)平頂山市森林生態系統和水域生態系統面積的增長是價值增長的主要因素, 農田生態系統的減少是食物生產、原料供給功能下降的主要原因。平頂山市應圍繞森林生態系統、水域生態系統構建生態系統服務功能分區, 同時劃定生態用地自然保護區紅線,嚴禁對森林、水域生態用地的不合理開發利用, 同時應明確城市擴展邊界, 加大對市內的農村居民點復墾力度, 以維持農田的食物生產與原材料供給功能。

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