基于LUCC的天津市生態系統服務價值評估

天津師范大學 艾佳超

生態系統服務是通過生態系統內部結構和功能以及生態過程為人類所提供的收益與效用，包括供給服務、文化服務、調節服務和支持服務[1]。黨的十八大以來，我國生態環境保護認知發生了歷史性變化，生態系統服務功能及其評價的研究作為生態體系建設的一方面，是統籌生態文明建設的關鍵。生態系統的變化與眾多因素息息相關，一直以來土地利用/覆被變化作為影響生態系統的重要方式，可以改變生態系統的格局與過程，從而影響生態系統服務效能。目前，國內外許多學者也開展了土地利用/覆被變化與生態系統服務價值方面的研究。Costanza 等人最早在1997年提出了生態系統服務價值估算的原理和方法，為生態系統服務的應用與研究鋪墊了基礎[2]；國內學者謝高地等在Costanza 的基礎上制定出我國生態系統服務價值當量因子表，并進行了理論和方法上的改進，為許多與LUCC 相關的生態系統服務價值研究提供了重要參考[3-4]。

天津市作為我國北方最大的沿海開放城市，同時也是京津冀城市圈的重要一員，在國家經濟發展中占有十分重要的地位。自改革開放以來，隨著經濟水平不斷提高、城市化建設不斷加快，地區內的土地利用結構也在發生急劇變化，不合理的土地利用方式使生態系統各項服務能力不斷下降，生態環境面臨嚴峻的考驗。另外，隨著人口的增長和聚集，對糧食供給、水資源供給、氣候調節、生物多樣性保護等生態系統服務的需求不斷提升，徹底打破了生態系統服務的供需平衡，嚴重阻礙了地區內經濟社會的可持續發展[5]。因此，基于土地利用/覆被變化對區域內生態系統服務價值進行分析與評估，有助于直觀、準確地掌握天津市的生態系統服務動態，為區域內土地利用規劃管理和生態環境保護提供理論依據和決策指導。

一、研究區概況與數據源

（一）研究區概況

天津市位于華北平原北部，地跨海河兩岸，總面積11966.45平方千米。天津臨近渤海灣，四季分明，屬暖溫帶半濕潤季風性氣候，年平均氣溫在14°C 左右，年平均降水量在360—970 毫米之間，轄區常住人口約為1386.6 萬人[6]。

（二）數據來源與預處理

本研究采用的土地利用數據來源于地理空間數據云平臺（http://www.gscloud.cn/） 的Landsat4-5 TM 和Landsat8 TM OLI 影像，參考我國土地利用現狀分類標準以及研究區實際情況，對每景影像進行輻射定標、大氣校正、圖像鑲嵌與裁剪等預處理，將區域土地利用類型劃分為耕地、林地、建設用地、草地、濕地、水體和未利用地七類，空間分辨率為30m。為了保證土地分類結果的準確性，通過Arcgis軟件對遙感圖像進行監督分類與人工目視解譯，得到三期影像分類精度均大于80%，符合研究所需的精度要求。

研究所采用的主要農作物數據，如小麥、玉米、稻谷的播種面積、農作物產量和市場價格等數據來源于天津市統計年鑒以及天津市農產品成本收益調查分析報告。

二、研究方法

（一）土地利用動態度

土地利用動態度一般用來描述在某個時期內土地利用類型的變化程度，在一定程度上也可以反映出某一研究區土地利用總體空間格局變化[7]。計算公式如下：

式中：K 表示為某種土地利用類型的動態度；Aa、Ab分別為研究初期和末期某種土地利用類型的面積；T 為時間段間隔。

（二）生態系統服務價值評估

本研究通過參考謝高地于2003 制定出的我國生態系統生態服務價值當量因子表以及2015年對表進行的改進，并結合研究區實際情況，采用旱地、闊葉、灌草叢、濕地、水系和裸地所對應的供給服務、支持服務、調節服務和文化服務4 個一級類和其包含的食物生產等11 個二級類的生態系統服務價值當量，進一步估算天津市2000-2020年各土地利用類型生態系統服務單價和總價值。

式中：ESV 為生態系統服務總價值（元）；Ak為第k 類土地利用類型的面積（hm2）；VCk為第k 類土地類型單位面積生態系統服務價值；ECf為第k 類土地利用類型第f 項生態系統服務價值當量；Ea為1 個標準單位當量因子的經濟價值量（元/hm2*a）。

生態系統服務價值當量因子是指生態系統產生的生態服務的相對貢獻大小的潛在能力，結合已有研究，1 個標準單位生態系統服務的經濟價值約占據研究區平均糧食市場價值的1/7[8]。參考區域下各農產品資料數據，統計出2000-2020年天津市小麥、玉米、稻谷3 種主要農作物的單產、種植面積以及平均市場價格等，估算得到研究區每個單位的生態系統服務經濟價值量為2193.94元/hm2。

式中：Ea 為1 個標準單位生態服務價值當量因子所提供的經濟價值（元/hm2*a）；為研究區主要農作物類別，pi為研究區i種農作物的平均市場價格（元/t）；qi為i 種作物的產量（t/hm2）；mi為i 種作物的耕種面積（hm2）；M 為n 種農作物的總種植面積（hm2）。

三、結果分析

（一）土地利用變化分析

從表1中可以看出天津市土地利用結構以耕地為主，面積占比量達到60%以上，建設用地和水體、其他土地利用類型面積占比相對較小。2000-2020年研究區土地利用變化總體特征表現為耕地面積不斷減少，建設用地面積大幅度增加的趨勢，且不同土地利用類型在不同時間段呈現出階段性的變化特征。2000-2020年耕地面積減少75530hm2，但從時間變化上來看，后十年耕地面積減少速率遠小于前十年耕地面積減少速率，在一定程度上可以反映近些年天津市開展耕地保護工作、嚴守耕地保護紅線的有效性。20年間林地、草地和濕地面積變化不大，其中林地面積呈先增長后下降的趨勢，而草地面積呈現先下降后上升的變化趨勢，濕地類型面積在20年間呈現小幅增加的趨勢；另外，隨著經濟的快速增長，京津冀協同發展等相關政策的推進，區域城鎮化水平進入高速發展時期，導致2000年到2020年天津市建設用地面積從136360hm2增加到267310hm2，增加量達到130950hm2，土地利用動態度達4.8%。從表1中可以看出，建設用地面積的增加大部分來自耕地、水體面積的轉化。城市化建設的加快，是造成地區土地利用類型發生變化的關鍵因素。在此期間，土地供需矛盾不斷加劇，大量耕地、水域被居民用地或其他建設用地所侵占，部分生態用地面積得不到進一步擴張，生態安全情況不容樂觀。因此，天津市作為北方的經濟中心之一，在進行經濟發展的同時應該加強耕地面積的保護，嚴格控制建設用地的規模管控，優化土地利用格局，促進土地節約集約利用。

表1 2000-2020年天津市土地利用變化特征

（二）生態系統服務價值分析與評估

利用生態系統服務價值當量因子法以及LUCC 數據，對天津市2000-2020年土地利用類型ESV進行估算，結果如表2所示，可以看出20年來天津市生態系統服務總價值量變化呈下降趨勢，從2000年的619.87 億元減少到2020年的441.99 億元。從ESV組成結構上來看，水體對研究區的生態系統服務價值貢獻最大，其次是耕地，原因是水體單位面積生態系統服務價值當量遠超過其他土地利用類型，對于林地、草地以及濕地來說，盡管其單位生態系統服務價值較高，但由于其面積占比小，因而其總的生態系統服務價值量并不高。從ESV變化程度上來看，耕地、草地和水體在近20年來生態系統服務價值呈下降趨勢，林地和濕地呈上升趨勢，水體生態系統服務價值在2000-2020年變化程度最大，減少率為37.33%，其次是濕地，增加率為32.7%。一定程度上反映出由于城市擴張，使得研究區一部分耕地和水體被侵占，導致ESV 下降。同時由于近些年大力實施生態環境保護政策，使得部分生態用地ESV 有所增加。

表2 天津市不同土地利用類型的生態系統服務價值量變化（108 元）

表3反映了2000-2020年天津市單項生態系統服務價值變化情況，可以看出每項服務對ESV的貢獻程度依次是調節服務、供給服務、支持服務、文化服務，其中水文調節的ESV 在所有類型生態系統服務價值中占比最大，遠高于其他各項生態服務類型。從變化趨勢上來看，除食物生產的ESV 呈現波動上升趨勢外，其他各項生態服務價值總體上呈下降趨勢，其中水文調節減少幅度最大，原因可能是水體、林地等生態系統服務價值較高的土地利用類型面積減少所致。總的來說，區域土地利用不合理的變化，引起了生態系統服務價值的減少。為了實現區域內生態系統服務供需平衡，應該大力堅持生態文明建設和可持續發展戰略，落實地區土地利用規劃和生態環境保護方針，實現人、社會經濟和自然環境協調發展。

表3 天津市不同生態系統服務類型的生態系統服務價值量變化（108 元）

四、結論

本研究通過對天津市土地利用/土地覆被進行了動態變化分析，在此基礎上采用當量因子法評估了天津市2000—2020年三期生態系統服務價值ESV 的變化情況，主要結論如下：(1)天津市土地利用結構以耕地占主導，土地利用變化總體特征呈現為耕地面積不斷減少，建設用地面積大幅度增加的趨勢，其他土地利用類型變化特征不明顯。(2)2000、2010 和2020年研究區生態系統服務價值ESV 分別為619.87 億元、576.05 億元和441.99 億元，總體呈下降趨勢，其中水體對研究區的生態系統服務價值貢獻最大，其次是耕地。(3)20年間研究區單項生態系統服務價值呈下降的變化趨勢，水文調節對生態系統服務價值的貢獻程度最大。