河北省生態環境支撐區生態系統服務價值評估

王彥芳, 劉 敏, 郭 英, 董鴻振

(1.河北地質大學 土地資源與城鄉規劃學院 自然資源與環境遙感研究中心，河北 石家莊 050031; 2.中國地質科學院 水文地質環境地質研究所, 河北 石家莊 050061;3.中國科學院遺傳與發育生物學研究所農業資源研究中心 中國科學院農業水資源重點實驗室河北省節水農業重點實驗室, 河北 石家莊 050021; 4.衡水市職業技術教育中心, 河北 衡水 053000)

生態系統服務功能是生態系統與生態過程所形成及維持的人類賴以生存的自然環境條件與效用[1]。不僅包括向經濟社會系統輸入有用物質和能量(如食物、其他生產生活原料等)，還包括創造與維持地球生命支持系統所必需的環境條件(如潔凈空氣、水、自然景觀等)，以及生態系統接受和轉化來自經濟社會系統的廢棄物(污染物的吸收與降解、有害氣體吸收等)[2-3]。生態系統服務功能的定量評價，即生態系統服務價值的評估是區域生態建設、生態保護、生態功能區劃、自然資產核算和生態補償決策的前提和依據，成為生態學的研究熱點[3-5]。國內外學者就生態系統服務的框架體系[5-7]、不同生態系統的生態服務價值化評估方法[4,6,8]、區域生態服務的空間格局和動態變化[9-10]、生態安全和生態環境管理[11-13]、生態服務與區域福祉的耦合[14-15]等方面展開研究。打造京津冀生態環境支撐區是河北省在京津冀協同發展戰略中“三區一基地”定位的重要一環。為此，本研究以1980，2000和2015年Landsat TM/ETM遙感影像解譯生成的土地利用數據為數據源，采用單位面積價值當量因子法，基于謝高地等改進的當量表[3]，構建細化的土地利用二級分類當量表，計算并分析不同時段河北省各生態環境支撐區生態系統服務價值及變化。旨在通過生態系統服務價值有效發現生態系統服務特征、變化及存在的問題，有助于推進地區生態環境建設，不斷提高各支撐區的生態系統服務功能，是建設經濟強省和美麗河北的必然要求，也是實現京津冀地區可持續發展的迫切需要。

1 研究區概況

河北省地處華北平原，位于北緯36°03′—42°40′，東經113°27′—119°50′，居環渤海地區的中心地帶，內環京、津，北與遼寧、內蒙古為鄰，西與山西為鄰，南與河南、山東接壤，具有獨特的區位優勢。河北省地貌類型復雜多樣，是全國唯一具有壩上高原、山地丘陵、盆地平原、湖泊海洋的省份。河北省屬北溫帶大陸性季風氣候，春季干燥多風，夏季炎熱多雨，秋季晝暖夜涼，冬季寒冷少雪。全省年日照時數為2 450～3 100 h，年平均氣溫0～13 ℃，多年平均降水量531.7 mm，主要集中在7—8月份。土壤類型多樣，共有21個土類，55個亞類，164個土屬，357個土種，主要以褐土、潮土、棕壤等為主。多數土壤質地為壤質，適宜農林牧業生產。河北省境內主要由灤河水系、海河水系、遼河水系、內陸水系4大水系組成。多年平均地表水資源量1.20×1010m3，人均地表水量僅為全國平均水平的10%。受地形影響，河北省植被分布有明顯的垂直差異，植物數量繁多。《河北省建設京津冀生態環境支撐區規劃(2016—2020年)》將全省的生態環境保護建設分區劃分為5個生態功能區，包括京津保中心區生態過渡帶、壩上高原生態防護區、燕山—太行山生態涵養區、低平原生態修復區、海岸海域生態防護區(圖1)。各生態支撐區基本特征如表1所示。

圖1 河北省建設京津冀生態環境支撐區的5個生態功能區

2 數據和方法

2.1 數據及來源

所采用的土地利用/覆被數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http:∥www.resdc.cn)。土地利用數據以Landsat TM/ETM遙感影像為主要數據源，通過人工目視解譯生成。土地利用類型包括農田、森林、草地、水域、居民地和未利用土地6個一級類型以及25個二級類型。該數據庫是目前我國精度最高的土地利用遙感監測數據產品，已經在國家土地資源調查、水文、生態研究中發揮著重要作用[16-17]。

表1 河北省各生態環境支撐區的基本特征

2.2 基于當量因子計算生態系統服務價值

2.2.1 單位面積生態系統服務價值當量 采用千年生態系統評估(the millennium ecosystem assessment, MA)的方法，將生態系統服務分為供給服務、調節服務、支持服務和文化服務4大類，并進一步細分為食物生產、原料生產、水資源供給、氣體調節、氣候調節、凈化環境、水文調節、土壤保持、維持養分循環、生物多樣性和美學景觀等11種服務功能(表2)。單位面積生態系統服務功能價值的基礎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(以下簡稱基礎當量)。基礎當量體現了不同生態系統及其各類生態系統服務功能在全國范圍內的年均價值量，也是合理構建表征生態系統服務價值區域空間差異和時間動態變化的動態當量表的前提和基礎。本研究以謝高地等[3]對生態系統服務價值評價研究為基礎，考慮到計算精度，本文采用生態系統二級分類，細化土地類型，使結果更加精確。由于缺乏對海洋生態系統服務功能及價值的系統研究數據，在本研究中尚未包括海洋生態系統。同時，在改進的生態系統服務功能中，充分考慮了水資源的供給服務，并提高了水域的水文調節服務的價值當量，這在缺水的京津冀地區是非常必要的。

表2 不同生態系統類型單位面積生態系統服務價值當量

2.2.2 單個標準單位面積生態系統服務價值當量因子的價值量 1個標準單位面積生態系統服務價值當量因子的價值量是指1 hm2全國平均產量的農田每年自然糧食產量的經濟價值。直接量化不同類型生態系統對生態服務功能的潛在貢獻能力。由于受人類活動影響，農田在自然條件下的糧食產量的經濟價值很難確定。根據謝高地等的研究，單位面積農田食物生產生態服務價值D(即1個當量因子的價值)相當于當年研究區域平均糧食單產市場價值的1/7，即：

D=1/7S/A

(1)

式中：S——年農作物經濟總價值；A——年農作物播種面積。

由于單位面積價值是引起生態系統服務價值變化的重要因子，以評估年份的價格為表征的價值量會出現由于價格因素引起的生態系統退化但生態功能服務價值增加的悖論。因此為了縱向對比結果的準確性，本文統一采用2015年河北省的單位面積的價值量。根據2016年《河北農村統計年鑒》的農作物播種面積和經濟價值，計算可得河北省2015年單位面積生態系統服務價值當量因子的價值量為1 731.5元/hm2。

2.2.3 生態系統服務功能價值估算 針對每個柵格對應的土地單元，其生態服務價值估算：

ESVij=Yij·D·Aij

(2)

式中：ESVij——計算柵格的生態系統總服務價值(元/km-2·a-1)；Yij——柵格對應土地利用類型的生態服務價值當量因子(表2)；D——1個標準單位生態系統服務價值當量因子的價值量；Aij——柵格對應土地面積與單位面積(1 hm2)的比值，本研究柵格分辨率為1 km，因此Aij的值為100。

3 結果分析

3.1 河北省生態環境支撐區土地利用方式變化

3.1.1 河北省土地利用方式變化的總體特征 表3為1980，2000和2015年河北省土地利用類型面積變化的總體情況，除城鄉、工礦、居民等建設用地增加之外，其他生態用地都為呈現面積縮小的趨勢。1980—2015年河北省城鄉建設用地增加了33.2%，新增加面積中86.2%是由農田轉換而來的，其次是草地占5.5%。1980—2015年河北省面積減少最多的土地利用類型為農田，轉出3 610 km2，轉進1 055 km2，減少面積2 555 km2。轉出面積中90.8%轉為城鄉建設用地，轉入類型中主要包括水域、草地、未利用地和森林。35 a間森林轉出573 km2，78.2%和18.3%轉為草地和農田，且主要在2000年之前。2000年后，森林轉出面積為89 km2，而且60%以上轉為工礦用地。同時，1980—2015年森林轉入的面積為257 km2，山區植樹造林、退耕還林、太行山綠化等工程的生態效應顯現。659 km2水域面積消失，66.2%轉為農田，圍水造田現象嚴重。轉出的300 km2的未利用地中1/2以上轉為農田，27%轉為建設用地，尤其是轉為廠礦、大型工業區、油田、鹽場、采石場等其他建設用地。697 km2草地轉出，46.1%轉為農田，30.0%轉為城鎮建設用地。雖然草地生態系統也有轉進，但是分析發現轉進的507 km2中，87.6%是由森林退化轉為草地，這一過程主要發生在2000年之前。

表3 河北省及各生態環境支撐區1980,2000,2015年土地利用類型面積 km2

3.1.2 不同生態環境支撐區土地利用方式變化的特點 由于不同生態環境支撐區的主要土地利用類型、社會經濟發展速度等不同，導致其土地利用變化的規律又有自身的特點。平原區是城鎮化速度較快的地區，1980—2015年土地利用方式整體變化是農田轉為城鄉建設用地，其他生態用地轉為農田的逆生態化趨勢。京津保生態區的農田用地轉出758 km2，93.3%轉為城鄉建設用地，其中，46.0%為城鎮用地，37.7%為農村居民點，9.1%為廠礦等建設用地。與此同時，263 km2的其他生態用地轉為農田，82.1%的面積曾經是湖泊、灘地等水域生態系統，以白洋淀的減小最為明顯。1980—2015年低平原生態修復區有1 542 km2(占平原區農田的4.3%)的農田轉出，其中轉為城鄉建設用地的面積占97.9%，轉出的農村居民點占1/2以上。而轉進的只有89 km2，主要是植被覆蓋度高的草地和河灘等生態用地。類似的，海岸海域生態防護區同樣農田減少，城鄉建設用地增加，但轉為廠礦、大型工業區、油田、鹽場等其他建設用地面積比例較高。且水庫面積在過去的35 a內增加了114 km2，沙河水庫、陡河水庫等水域面積增加。與平原地區農田大面積轉出的狀況不同的是，1980—2015年壩上高原生態區卻新增農田186 km2，其中60.2%是由草地轉換的，29%是由荒漠開辟而來。燕山—太行山山地是河北省森林分布的主要區域，同時也是森林面積變化最大的區域，森林覆蓋減少400 km2，其中太行山森林的減少最多，燕山太行山消失的森林里79.9%轉為植被覆蓋更低的草地，9.5%轉為工礦用地，其余轉為農田和居民用地。燕山—太行山森林減少主要是在2000年以前，2000年以后由于三北防護林，太行山工程等的實施，森林呈現增加的趨勢。

3.2 河北省生態系統服務價值時空變化

3.2.1 河北省生態系統服務價值的總體特征 1980—2015年河北省生態系統服務價值的年平均值為3.56×1011元。從生態系統類型分析，各生態系統服務的價值從大到小依次為：森林>草地>水域>農田>濕地>荒漠，分別占總生態系統服務價值的34.2%，26.6%，19.1%，17.2%，2.9%，0.04%。從提供的生態服務功能來看，以調節服務為主，占總服務價值的62.8%，主要是水文調節和氣候調節功能。其次是支持服務，包括土壤保持和保持生物多樣性方面的價值。而食物生產和原料生產的價值量僅占生態系統總價值量的5.3%和3.7%，每年提供的美學景觀價值占4.1%。空間上，生態系統服務價值的分布呈現西北高，東南低的總體格局。水域生態系統的生態服務價值最高，其次是燕山—太行山森林、高覆蓋草地，東南部農田和壩上東部的覆蓋草地，荒漠等地的生態服務價值較低(圖2)。

圖2 河北省1980，2000，2015年生態系統服務價值ESV的空間分布

3.2.2 河北省生態系統服務價值的時空變化 以2015年現價計算，1980，2000，2015年河北省生態系統服務價值分別為3.60×1011元、3.54×1011元、3.53×1011元。35 a間生態系統服務價值減少70億元，且主要發生在2000年以前。

各生態系統和各種生態服務類型的服務價值均呈現下降的趨勢(表4)。各生態系統類型中，水域的生態系統服務價值減少的最多，其次是農田和濕地。其中，森林和水域生態系統服務價值的減少主要發生在1980—2000年的第一階段，2000年后的第二階段有所增加；農田和濕地的生態系統服務價值持續減少，第一階段速率大于第二階段；由于有大量森林在第一階段轉為草地，所以草地生態系統服務價值表現為先增加后減少。

各種生態服務類型的服務價值均為下降，下降主要發生在2000年前，調節服務減少的最多，其次是支持服務、供給服務和文化服務。空間上，生態系統服務價值減少的區域主要分布在城鎮和農村居民點周圍，河流、濕地周邊，生態系統服務價值增加的區域主要分布在燕山—太行山草地、森林恢復區。

表4 河北省1980，2000，2015年各生態系統的生態系統服務價值 108元

3.3 河北省生態環境支撐區生態系統服務價值及其變化

3.3.1 河北省生態支撐區生態系統服務價值的總體特征 1980—2015年京津保、壩上、燕山—太行山、低平原區和海岸海域地區5個生態環境支撐區的年平均生態系統服務總價值分別為1.74×1010，4.45×1010，2.36×1011，3.75×1010，2.03×1010元。單位面積的生態服務價值分別為1.02×1010，2.31×1010，2.44×1010，8.76×109，1.76×1010元/km2。單位面積生態系統服務價值最大的生態區為燕山—太行山、其次是壩上高原、海域海岸、京津保，最低的為低平原區，僅為燕山—太行山區的1/3。從生態系統服務功能的構成上看(圖3)，京津保和低平原區以農田提供的服務為主，占低平原區的67.0%，燕山—太行山以森林生態系統服務功能為最大，占總價值的43.6%，其次是草地和農田。壩上高原生態區各生態系統服務價值比例較為均勻，草地比例最高為34.4%。海域海岸生態功能區的生態系統服務價值以水域和濕地為主，二者占總服務價值的59.8%。從各生態支撐區的生態服務價值構成可以看出，低平原區和海域海岸區生態系統服務價值來源比較單一，壩上高原和燕山—太行山的類型較為豐富。從生態系統服務類型看，都以調節服務為主，尤其是水文調節的服務功能價值最大。其次是以土壤保持功能為主的支持服務，而食物、原料和水的供給價值在8%～24%之間，以美學景觀為主的文化服務的價值量占總價值的5%以下。

圖3 河北省不同生態支撐區生態系統服務價值量的構成

3.3.2 河北省各生態支撐區生態系統服務價值的變化特征 1980年以來河北省生態系統服務價值減少的量中，京津保生態區所占比例最高占41.5%，約28.1億元，其次是燕山—太行山生態區生態價值總量減少2.63×109元所占比例為38.7%，低平原生態修復區占12.8%，海岸海域生態區占8.7%，壩上地區基本保持不變。縱向分析，京津保生態區1980—2015年生態系統服務價值降低15.0%，為生態系統服務功能降低最嚴重的生態區，遠遠高于海岸海域生態區的2.75%和低平原區的2.28%。燕山—太行山生態區盡管生態系統服務價值總量減少較大，但是由于生態區整體生態系統服務價值量高，所以減少比例僅為1.11%，壩上高原生態系統服務價值變化最小。圖4為1980—2015年不同生態支撐區生態系統服務價值量的變化。從圖4可以看出，京津保地區所有生態系統和所有生態系統服務價值都有所下降，尤其是水域和濕地面積的縮小讓京津保地區生態調價服務功能價值大幅下降。相反，壩上高原的調節服務有所增加，但是由于壩上湖泊多屬于季節性湖泊，不排除由于數據來源的季節性差異導致的湖泊面積提取帶來的較大不確定性。燕山—太行山地除了草地生態系統服務價值有所上漲外，其他生態系統的服務價值均有不同程度下降，尤其是森林和水域，導致生態區生態調節服務大幅減小。海岸海域生態區水域生態系統稍有增加，但是遠遠不抵農田、濕地等的減少，導致整體生態服務功能退化。

圖4 河北省1980-2015年不同生態支撐區生態系統服務價值ESV的變化

4 討論與結論

4.1 河北省生態系統服務價值變化及原因

目前關于河北省建設京津冀生態環境支撐區的生態系統服務價值估算研究主要集中在不同地區和不同生態系統的生態服務價值估算，如京津冀區域、環京津冀、張承地區、森林生態系統等[18-20]。本研究的生態服務價值空間分布與變化趨勢與相關研究結果較為一致，從空間上看，壩上高原、燕山—太行山丘陵區生態系統服務供需呈盈余狀態，生態服務價值較高[18]。張承地區的生態系統服務價值為1.895×1011元/a，與本文的1.917×1011元/a較為接近[20]。從多年的變化情況看，無論是環京津地區還是整個京津冀地區，生態系統服務價值都呈現下降趨勢[18-19]，但由于研究時段的差異導致下降幅度有所不同。

生態系統服務價值在空間上受土地利用方式變化的直接影響。通過分析發現1980—2015年河北省土地利用方式變化的總體特征為：農田轉為城鄉建設用地，水域和草地等生態用地轉為農田的逆生態化過程，2015年城鎮和農業用地均為1980年的2.5倍。土地利用方式的逆生態化導致生態系統服務價值流由高到低，進而導致河北省整體生態系統服務價值降低。土地利用方式轉變的深層原因主要有： (1) 由于城鎮化和工業化發展對的建設用地需求的增加，導致建設用地的擴張占用周邊農田； (2) 農村廣大地區受人口和經濟因素的驅動增加了對農田需求，導致濕地、草地等生態用地的公地悲劇發生。河北省生態系統服務價值降低的過程主要發生在2000年以前，之后有逐步恢復的趨勢。

2000年，是河北省生態建設的一個重要時間節點。1999年河北省人民政府印發《河北省生態環境建設規劃》后，2000年退耕還林工程在張家口市、承德市壩上地區開始試點，隨后在河北全面展開，河北省生態環境建設進入一個新的階段。2001年京津風沙源治理工程建設工程正式啟動，河北省三北防護林體系建設、太行山綠化工程等生態環境建設范圍越來越大。這些生態建設工程不斷提升生態系統服務功能，基本扭轉了生態系統服務功能惡化的趨勢。但是，由于河北省生態環境基礎較差，同時正處在經濟轉型發展，城鎮化加快階段，生態環境壓力仍然較大。面臨京津冀協同發展重大國家戰略、規劃建設河北雄安新區等重大機遇，河北省應以建設京津冀生態支撐區為指引，優化生產—生活—生態的“三生空間”布局。制定嚴格的土地利用制度，不斷增加人們的生態環境服務的需求，提高城鎮的建設、管理現代化，并進一步加強生態環境建設，提升生態系統服務功能，最終實現區域可持續發展。

4.2 當量因子法估算生態系統服務價值

當量因子法是目前計算生態系統服務功能價值的常用方法，有較為簡單、易于操作和結果便于比較等優點，但短板也十分突出[3]。首先，表現在不同時間段和空間尺度上，由于表示價值的價格基礎不同，導致同一地區的生態系統服務價值在不同尺度上的計算結果存在較大差異。例如估算一個縣的生態系統服務價值時，將其放在縣、市、省、生態區、全國等不同尺度中計算的結果可能會存在很大差異，利用不同階段的價格計算出的結果也不同。其次，目前的計算生態系統服務價值在空間上受土地利用方式變化的直接影響，基本上只考慮了土地利用類型的質變影響，對同一種土地利用類型中不同程度的量變差異考慮較少。植被覆蓋程度、水體質量等的差異，雖然有少數研究[3,10]以NDVI，NPP，降水等作為考慮因子，但仍然不能細致地刻畫生態服務的差異。下一步研究應深入考慮不同生態系統生境質量的影響，更加科學和精細地計算生態系統服務價值，以期為生態評價、生態補償和生態保護等提供可靠參考。

4.3 結 論

(1) 1980—2015年河北省土地利用類型中除城鄉、工礦、居民等建設用地增加之外，其他生態用地都呈現面積縮小的趨勢。各生態支撐區土地利用方式整體變化是農田轉為城鄉建設用地，其他生態用地轉為農田的逆生態化趨勢。

(2) 以2015年現價計算，1980—2015年河北省生態系統服務價值的年平均值為3.56×1011元，各生態系統服務的價值從大到小依次為：森林>草地>水域>農田>濕地>荒漠。1980—2015年河北省生態系統服務價值減少約7.00×109元，且主要發生在2000年以前。

(3) 1980—2015年京津保、壩上、燕山—太行山、低平原區和海岸海域地區5個生態環境支撐區的生態系統服務總價值分別為1.74×1010，4.45×1010，2.36×1011，3.75×1010，2.03×1010元。單位面積生態系統服務價值最大的生態區為燕山—太行山，其次是壩上高原、海域海岸、京津保，最低的為低平原區。

(4) 1980年以來河北省生態系統服務功能減少的價值中，京津保生態區占41.5%，其次是燕山—太行山為38.7%，低平原生態修復區占12.8%，海岸海域生態區占8.7%，壩上地區基本保持不變。35 a間京津保生態區生態系統服務價值減少最多，降低了15.0%。