京津冀地區土地利用變化對生態系統服務價值的影響*

盛曉雯，曹銀貴， 2※，周 偉， 2，成 陸，張 輝

(1.中國地質大學土地科學技術學院，北京 100083； 2.國土資源部土地整治重點實驗室，北京 100035； 3.中國土地勘測規劃院，北京 100035)

0 引言

土地覆被與利用的變化改變了生態系統的結構和功能，從而影響生態系統的平衡[1]。生態系統服務是指生態系統通過提供產品和物質以此維持人類生存的自然環境[2]。1997年，著名生態學家Daily等闡述了生態系統服務的類型和評價[3]。同年，Costanza等學者依據效用價值理論和均衡價值理論等估算了全球生態系統服務經濟價值，自此，生態系統服務概念和價值研究得到廣泛重視[4]。國內外學者利用直接市場評價法、間接市場評價法和模擬市場評價法，分別從國家、省域、城市、自然保護區等不同研究尺度，對研究區的農田、森林、草地、水域、濕地等生態系統服務價值進行評估[5-10]，以經濟價值[6]的形式計算人類活動對生態系統服務功能的影響。

改革開放以來，隨著中國經濟高速發展和京津冀一體化的推進，京津冀地區的土地覆被與利用處于不斷調整中，城鎮建設、交通發展、產業對接等都會對局部土地利用產生較大的影響，造成的負面影響使生態環境形勢嚴峻，影響著人們的生產和生活[11]。國內現有的生態系統服務價值分析通常以單個城市為研究區[9-10]，而對多個毗鄰省(市)城市的研究較少，尤其是針對京津冀環首都城市圈的生態系統服務價值變化研究更少。鑒于此，文章針對京津冀地區快速發展過程中，土地利用變化對生態系統造成的影響，根據謝高地等[5]提出的生態系統服務價值當量因子表和京津冀地區糧食產出情況，探討2000～2015年研究區各城市土地利用變化引起的生態系統服務價值變化規律，為研究區土地利用規劃、生態環境保護和可持續發展提供參考。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

京津冀地區包括北京、天津兩個直轄市和河北省的石家莊市、唐山市、秦皇島市、邯鄲市、邢臺市、保定市、張家口市、承德市、滄州市、廊坊市和衡水市，總面積約21.80萬km2，約占全國陸地總面積的2%。研究區地勢西北高、東南低，呈階梯狀下降趨勢，地貌類型復雜多樣，以平原、丘陵和山地地貌為主，屬溫帶大陸性季風氣候，多年平均氣溫呈現出南高北低的分布特征，多年平均降水量呈現出由東部沿海向西部內陸遞減的趨勢。2015年，地處京津冀南部的邯鄲市、邢臺市、石家莊市和衡水市的平均溫度分別為14.4℃、14.1℃、14.1℃和13.9℃，北部的張家口市、承德市、北京市和秦皇島市的平均溫度分別為7.3℃、8.3℃、12.2℃和11.8℃。東部沿海的唐山市、天津市和滄州市的平均降水量分別為545.6mm、563.8mm和630.1mm，西部內陸的張家口市、保定市和石家莊市的平均降水量分別為433.2mm、526.9mm和505.8mm。2015年，京津冀地區人口總數為1.11億，占全國總人口的8.10%。研究區是全國主要的高新技術和重工業基地，也是中國北方經濟規模最大、最具活力的地區。2015年，京津冀地區生產總值(GDP)為6.93萬億元，約占全國GDP總量的10.20%。

1.2 數據來源

2000～2015年京津冀地區各地類面積來源于中國土地勘測規劃院提供的土地利用變更調查數據。該文根據研究區的實際情況，結合《土地利用現狀分類標準(GB/T21010-2007)》，在研究期內將研究區統一劃分為耕地、園地、林地、草地、建設用地、水域和未利用地7個1級土地利用類型，以便研究的開展。

2 研究方法

2.1 土地利用動態度

土地利用動態度可以表示在研究期間某一土地利用類型的數量變化情況，反映出在人類社會經濟活動和自然環境下對不同土地利用類型的變化速度和變化幅度影響情況[12]。

(1)

式(1)中，K為研究時期內某一土地利用類型動態度；Ua和Ub分別表示在研究期初和研究期末該土地利用類型面積；T為研究時間。

2.2 土地利用強度指數

土地利用強度指數反映了在社會經濟活動下，人類對土地的利用程度[7]。

(2)

式(2)中，L為土地利用強度指數；Ai為第i種土地利用類型的分級指數；Ci為第i種土地利用類型面積占研究區總面積的百分比；n為土地利用類型數量。該文的土地利用類型分級指數是依據劉紀遠[13]分析方法，未利用地為1級，林地、草地、水域為2級，耕地、園地為3級，建設用地為4級。

2.3 生態系統服務價值

生態系統服務是指人類在生產生活中從生態環境獲得的產品和服務，土地利用數量和結構的變化會影響生態系統的動態平衡，從而影響到生態系統提供的物質和生態服務[2]。該文參考謝高地等[5]提出的生態服務價值當量表和生態系統服務價值當量因子等于平均糧食產量市場價值的1/7，通過各城市平均糧食產量和平均糧食價格計算得到生態系統服務價值。該文根據《北京統計年鑒》《天津統計年鑒》和《河北經濟年鑒》提供的數據，獲得研究區2000年、2005年、2010年和2015年的平均糧食產量，以2015年北京市平均糧食價格2.307元/kg、天津市平均糧食價格2.308元/kg和河北省平均糧食價格2.398元/kg，計算得到生態系統服務價值當量因子(表1)。根據Costanza等[14]提出的生態系統服務價值公式，評估京津冀地區的生態系統服務價值。

(3)

式(3)中，ESV為生態系統服務價值；Bi為第i種陸地生態系統的面積；VCi為第i種陸地生態系統的服務價值。其中，耕地、林地、草地、水域分別參考農田、森林、草地和水體生態系統服務價值，未利用地參考荒漠生態系統服務價值，園地參考森林和草地生態系統服務價值的平均值[15]。

表1 京津冀地區生態系統服務價值當量因子

2.4 生態系統服務價值的敏感性分析

該文在前人研究的基礎上[16]，利用生態系統服務價值變化率和土地利用強度變化率的比值，計算生態系統服務價值對土地利用強度變化的敏感性程度。

(4)

式(4)中，I為生態系統服務價值的敏感性指數；ESVj為第j年生態系統服務價值，ESVj-1為第j-1年生態系統服務價值；Lj為第j年土地利用強度指數，Lj-1為第j-1年土地利用強度指數。

3 研究結果

3.1 土地利用動態度分析

2000～2015年，北京市土地利用結構以耕地、林地和建設用地為主(表2)， 2000年，這3種土地類型的比重分別為21.86%、38.77%和16.21%，共占總面積的76.84%， 2015年的比重分別為14.52%、44.93%和22.58%，共占總面積的82.03%。天津市土地利用結構以耕地、建設用地和水域為主， 2000年，這3種土地類型的比重分別為48.96%、23.07%和16.83%，共占總面積的85.86%， 2015年的比重分別為37.36%、38.52%和15.66%，共占總面積的91.54%。河北省土地利用結構以耕地、林地和草地為主， 2000年，這3種土地類型的比重分別為39.29%、20.75%和17.08%，共占總面積的77.12%， 2015年，比重分別為35.71%、24.4%和14.68%，共占總面積的74.79%。其中，衡水市、廊坊市、滄州市、邢臺市和邯鄲市的耕地占比超過總面積的50%，承德市的林地占比高達59%，張家口市的草地占比高達28.82%。從表3可知， 2000～2005年期間，北京市和天津市的耕地、草地和水域面積的動態度呈小幅度增加趨勢。2005～2010年期間北京市的耕地、草地、水域和未利用地減少的動態幅度較大，園地、林地和建設用地增加的動態幅度較大； 天津市的耕地、園地、草地、水域和未利用地面積下降的幅度較大，林地和建設用地增加幅度較大； 河北省的耕地、草地、水域和未利用地減少的幅度較大，園地、林地和建設用地增加幅度較大。2010～2015年期間北京市園地下降的幅度較大； 天津市和河北省各地類變化幅度較為平穩。

京津冀地區與長江三角洲地區、珠江三角洲地區比肩而立，是我國經濟最具活力、開放程度最高、創新能力最強、吸納人口最多的地區之一，是拉動我國經濟發展的重要引擎。隨著經濟高速發展和城鎮化的快速推進，建設用地的需求不斷增長，耕地和未利用地相應轉化為建設用地。近些年來，為了改善生態環境、維護生態安全，京津冀地區積極響應退耕還林政策、推動農業結構調整，開展山水林田湖整治工程，促進了林地和園地的增加。北京作為中國政治、文化和教育中心，為了更好發揮首都服務功能，加上山地、丘陵較多的資源特點，近些年來逐步調減耕地指標，加強園地和林地等生態用地的發展，同時控制建設用地的無序擴張，實行土地集約節約利用，使得建設用地增長的速度逐年降低，促進城市生態涵養功能，打造和諧首都。天津作為北方的經濟中心之一，建設用地的需求也在增長，在進行經濟發展的同時要保證一定數量的耕地面積和生態用地。河北省土地資源豐富，平原面積廣闊，是我國主要的糧食生產區，承擔著重要的糧食生產安全職能，因此耕地占有很大比重。但城鎮化和工業化發展對的建設用地需求和京津產業結構轉移的需要，建設用地的擴張不可避免會占用耕地，但與北京和天津相比，耕地減少的幅度較小。

表2 2000～2015年京津冀地區土地利用類型比例 %

表3 2000～2015年京津冀地區土地利用動態度 %

圖1 2000～2015年京津冀地區生態系統服務價值和土地利用強度指數變化

3.2 土地利用變化下的生態系統服務價值分析

3.2.1 生態系統服務價值的時間變化分析

從圖1可以看出，京津冀地區的土地利用強度指數呈小幅度下降隨后逐年增長趨勢，由2000年的2.58下降到2005年的2.57， 2015年增加至2.66，與研究區的生態服務價值變化趨勢相反，生態服務價值在呈先上升后下降趨勢，下降幅度小于增長幅度。從2000年的4 498.05億元增加到2005年的4 655.65億元，增加率為3.50%。2005～2015年生態服務價值有所降低，下降到2015年的4 547.62億元，減少率為2.32%。以城市分析(見表4)， 2000～2005年，除保定市、滄州市、廊坊市和衡水市外，各地區生態服務價值呈增加趨勢，張家口市增加幅度較大，增加率為14.82%； 2005～2010年，邢臺市、保定市、張家口市、承德市和衡水市的生態服務價值升高，唐山市和廊坊市的生態服務價值大幅度減少，下降率分別為12.05%和9.53%； 2010～2015年，各地區的生態服務價值整體處于下降趨勢，且下降幅度較為平穩。

3.2.2 生態系統服務價值的空間變化分析

從圖2可以看出，京津冀地區的生態系統服務價值在空間上呈現北高南低現象，位于北部的張家口市、承德市、北京市、唐山市和天津市的生態系統服務值較大。其中，承德市的生態服務價值占京津冀地區服務價值比重最大，占京津冀地區總服務價值的22%以上，其次是張家口市，占京津冀地區總服務價值的11%以上，廊坊市的生態服務價值最小。承德市位于河北省東北部，林地面積占全市的59.39%，占京津冀地區林地面積的43.48%。張家口市位于河北省西北部，林地面積占全市的29.89%，占京津冀地區林地面積的20.39%。森林面積為其提供了較多的生態系統服務價值。通過2000年和2015年各城市的生態系統服務價值對比可以看出，天津市、唐山市、滄州市和廊坊市的生態系統服務價值下降幅度較大。

總體來看，京津冀的生態服務功能在研究前期得到了加強， 2002年退耕還林工程在河北省全面開展，林業發展超過第一產業，退耕還林成為改善生態環境、促進經濟社會發展的驅動力，維護了京津冀地區的生態安全，彌補了建設用地擴張占用耕地和其他生態用地造成生態系統服務價值的損失，林地和園地面積的增長確保了2000～2010年生態系統服務價值的提高。但在2010～2015年期間，建設用地的增長速度雖然有所緩和，擴張規模得到控制，但各類生態用地呈現下降趨勢，導致生態系統服務價值的降低。

圖2 京津冀地區生態系統服務價值分布(億元)

表4 京津冀地區生態系統服務價值變化

3.3 敏感性分析

通過式(4)可計算出生態系統服務價值對土地利用強度變化的敏感程度。從各城市敏感指數變化趨勢來看(表5)， 2000～2005年，敏感指數遞增的城市：唐山市、邯鄲市、邢臺市、張家口市、滄州市和廊坊市； 2005～2010年，除了滄州市的敏感指數下降，其余城市的敏感指數呈遞增趨勢； 2010～2015年，各城市的生態敏感指數均降低。2005～2010年，京津冀經濟發展較快， 2010年的GDP較比2005年增長了109.37%，經濟的發展帶動了城市用地的擴張，建設用地增加了3.07%，草地、水域和未利用地分別減少了1.95%、0.33%和1.92%，變化幅度均較大。2010～2015年，研究區經濟增速趨于平穩， 2015年的GDP較比2010年增長了58.49%，建設用地增加了1.04%，其他生態用地發生了小幅度增減變化，草地、水域和未利用地分別減少了0.09%、0.14%和0.08%。可以看出，經濟的高速發展帶來的土地利用強度的變化對城市的生態系統服務價值產生了一定影響。

京津冀地區生態系統服務價值敏感性指數的區間為：I∈[0.42， 45.72]，參考前人的研究成果[17]，把I<1劃分為非敏感性，敏感性的區間就為[1， 45.72]。通過計算，將敏感性均分為4個等級：低敏感性區域∈[1， 12.18]、中敏感性區域∈[12.18， 23.36]、高敏感性區域∈[23.36， 34.54]和極高敏感性區域∈[34.54， 45.72]。在此分區下， 2000年和2015年，各地均屬于低敏感性區域； 2005年，滄州為極高敏感性區域，其余城市為低敏感性區域； 2010年，天津市、石家莊市、唐山市、邯鄲市、邢臺市、保定市、承德市、廊坊市和衡水市屬于中敏感性區域，表明2010年，土地利用強度的改變對京津冀生態系統服務價值影響較為強烈。

表5 京津冀地區生態服務價值敏感性指數

4 結論與討論

該文采用土地利用動態度和生態系統服務價值模型等方法，對京津冀地區土地利用變化影響下的生態系統服務價值在時間和空間上的差異進行了分析，分析結果如下。

(1)2000～2015年期間，北京市以林地和建設用地為主，天津市以耕地和建設用地為主，河北省以耕地和林地為主。北京市、天津市和河北省的耕地分別減少了7.34%、11.6%和3.58%； 草地分別減少了2.89%、2.36%和2.40%； 水域分別減少了0.98%、1.17%和0.41%； 未利用地分別減少了3.37%、1.48%和2.61%； 林地分別增加了6.16%、1.76%和3.65%； 建設用地分別增加了6.37%、15.45%和3.83%。可以看出，各城市的地類增減趨勢是一致的，但增減幅度不同，北京市的草地面積減少的最多，林地面積增幅最大； 天津市的耕地和水域面積減少的幅度最大，建設用地面積增長最快，河北省耕地和建設用地面積增減的幅度最小。從土地利用類型的增減情況可以看出，北京加強了生態環境保護和土地集約節約利用，將嚴控增量和疏解存量相結合，有效地控制新增建設用地的增長； 天津市近些年來經濟高速發展， 2005年濱海新區被納入國家整體發展戰略，進一步促進社會發展，但與此同時土地粗放利用現象頻發，工業園區和城市邊界無序擴張，造成耕地大量流失； 河北省與京津兩地相比發展水平相距懸殊，建設用地擴張規模低于京津兩地，作為農業大省，對耕地保護較為嚴格，耕地減少速度低于京津兩地。

(2)2000～2015年，京津冀的生態系統服務價值經歷了增長后降低的倒“V”形變化，減少的幅度小于增長幅度，因此從整個研究階段來看，生態系統服務價值是增長的，從2000年的4 498.05億元上升到2015年的4 547.64億元。北京市的生態系統服務價值增長了0.17%，天津市減少了7.16%，河北省增加了2.25%。其中，2000～2015年期間，滄州市和廊坊市的生態系統服務價值逐年減少，滄州市的生態系統服務價值下降了7.62%，廊坊市的生態系統服務價值下降了14.73%。唐山市的生態系統服務在2005～2015年下降幅度較大，在研究期間，生態系統服務價值減少了15.80%。秦皇島市、張家口市和承德市的生態系統服務價值分別增長了4.05%、25.39%和6.10%。

(3)在研究后期，京津冀地區整體處于低敏感性區域，土地利用強度的改變對生態系統服務價值的影響不是很大，生態系統能夠適應目前的土地利用的變化。但針對2010～2015年期間，各城市生態系統服務價值均呈下降趨勢，應引起相關部門對生態環境保護的重視。

(4)根據各城市土地利用和生態系統服務價值變化情況，結合各城市發展狀況，重點對生態系統服務價值下降較多的城市提出以下建議：天津市要注重對園地和草地的保護，針對其工業用地占比較高的特點，加強優化工業園區內的生態空間，提高工礦用地集約度。唐山市應提高對耕地、林地和水域的保護，唐山市的工業廢水排放強度是河北省平均排放程度的3～5倍，不能走以犧牲生態環境而發展經濟的路子。滄州市鹽堿地面積較大，因此林地面積少、未利用地面積較多，今后要加強土地綜合整治，提高耕地數量和質量，治理沙化地、鹽堿地等。廊坊市毗鄰京、津兩地，地理區位優勢明顯，在努力做到與京津產業對接的同時，要注重資源環境的保護，不能以犧牲耕地、污染環境為代價，針對近年來耕地和未利用地大幅度減少的趨勢，要對耕地進行嚴格保護，未利用地適當開發。