河南省土地利用下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化分析

范欽棟，梁國(guó)付，馬順興

(1.華北水利水電大學(xué)建筑學(xué)院，河南鄭州450011;2.河南大學(xué)黃河中下游數(shù)字地理技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南開封475004;3.河南投資集團(tuán)有限公司，河南鄭州450008)

土地利用/覆被變化(LUCC)已經(jīng)成為全球環(huán) 境變化的核心研究領(lǐng)域之一［1］，也是導(dǎo)致全球生物多樣性喪失和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)退化的直接原因［2］.土地利用/覆蓋變化下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化模擬已經(jīng)成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)［3］.早期的一些研究集中在定性分析土地利用變化和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的關(guān)系，近期在3S技術(shù)支持下，國(guó)內(nèi)外研究逐步開始采用數(shù)學(xué)模型對(duì)土地利用覆蓋變化和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化進(jìn)行具體的計(jì)算和模擬［4，5］.土地利用變化/覆被變化引起各類生態(tài)系統(tǒng)面積、空間分布格局等的變化，直接影響到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的存在和強(qiáng)度［6］.土地利用作為人類最基本的實(shí)踐活動(dòng)，對(duì)維持和改變生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能起著決定性的作用［7，8］.研究土地利用/覆蓋背景下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化對(duì)促進(jìn)區(qū)域生態(tài)建設(shè)，研究區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要意義［9，10］.河南是中華文明的發(fā)源地，隨著土地利用方式的改變，景觀異質(zhì)性也發(fā)生了重大改變，景觀生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的功能和價(jià)值也產(chǎn)生了巨大的變化［11］.采用1990—2010年的土地利用數(shù)據(jù)對(duì)河南省土地利用/覆蓋變化進(jìn)行研究，分析其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化，為下一步基于格局和過程的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化提供基礎(chǔ)，為河南省政府決策提供參考.

1 研究區(qū)概況

河南位于中國(guó)中東部，北緯31°23’～ 36°22’，東經(jīng)110°21’～ 116°39’.地勢(shì)西高東低，北、西、南3面千里太行山脈、伏牛山脈、桐柏山脈、大別山脈沿省界呈半環(huán)形分布;中、東部為華北平原南部;西南部為南陽(yáng)盆地，跨越黃河、淮河、海河、長(zhǎng)江4大水系，山水相連.國(guó)土面積16.7萬km2，居全國(guó)省區(qū)市第17位，約占全國(guó)總面積的1.73%.在全省面積中，山地丘陵面積7.4萬km2，占全省總面積的44.3%;平原和盆地面積9.3萬 km2，占總面積的55.7%.復(fù)雜多樣的土地類型為農(nóng)、林、牧、漁業(yè)的綜合發(fā)展提供了有利的條件.

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源和數(shù)據(jù)處理

河南省1990年地圖數(shù)據(jù)采用當(dāng)時(shí)土地利用圖(實(shí)地測(cè)繪制圖)，2010年地圖采用1∶1×104的地形圖為幾何校正的主控圖件，采用控制點(diǎn)校正方式對(duì)TM影像數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正，精度控制在0.5個(gè)像元以內(nèi)，然后實(shí)地進(jìn)行重采樣對(duì)比，吻合度達(dá)到95%以上.結(jié)合中國(guó)土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)［12］以及本研究需要將土地類型分為以下6類:耕地、林地、草地、水域、居民工礦用地和未利用地.采用分層隨機(jī)采樣法，結(jié)合目視判讀的結(jié)果、相近時(shí)期的土地利用圖和地形圖，利用誤差矩陣方法對(duì)以上4期土地利用分類結(jié)果進(jìn)行精度檢驗(yàn)，2期土地利用圖 Kappa系數(shù)均達(dá)到0.90以上.

2.2 土地利用類型變化分析模型

土地利用動(dòng)態(tài)度可以定量的分析一定區(qū)域土地利用變化的程度.土地利用動(dòng)態(tài)度可分為單一的土地利用動(dòng)態(tài)度以及綜合的土地利用動(dòng)態(tài)率和綜合土地利用度.

單一的土地利用動(dòng)態(tài)度直接反映了研究區(qū)內(nèi)某種土地利用變化的速率，具體表達(dá)式為:

式中:Ua和Ub分別為研究期初和研究期末某一種土地類型的面積;T為研究期時(shí)長(zhǎng).當(dāng)T的單位為年時(shí)，K的值就是該研究區(qū)域單一類型土地利用年變化率.

綜合土地利用動(dòng)態(tài)度(G)是反映研究期內(nèi)同一區(qū)域土地各種利用類型的相互轉(zhuǎn)換的劇烈程度，公式表述為:

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值計(jì)算方法及模型

研究區(qū)不同土地利用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)參照COSTANZA等［13］的文獻(xiàn)，分為氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)、土壤形成與保護(hù)、廢物處理、生物多樣性保護(hù)、廢物處理、生物多樣性保護(hù)、食物生產(chǎn)、原材料和娛樂文化等9類.河南省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子則參考謝高地等［14～16］基于問卷調(diào)查的中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子表，即不同用地類型單位面積每年的服務(wù)價(jià)值，同時(shí)根據(jù)謝高地等對(duì)生態(tài)服務(wù)價(jià)值的區(qū)域修正系數(shù)(河南省為1.39)，制定河南省不同土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)單位價(jià)值表，如表1所示.

參考COSTANZA等［13］的計(jì)算方法:

式中:ESV為總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值;ESVk為第k類土地類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，1≤k≤n;ESVf為第f類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，1≤f≤m;Vf為第k類土地利用類型中第f項(xiàng)生態(tài)服務(wù)價(jià)值;Ak為第k類土地類型中第f項(xiàng)的面積.

表1 河南省不同土地利用類型單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值Table 1 Ecosystem services value unit area with different land use types in the Henan province

利用根據(jù)式(3)～(5)計(jì)算各個(gè)土地利用類型的服務(wù)價(jià)值、各項(xiàng)服務(wù)功能的價(jià)值和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的總價(jià)值.

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用/覆蓋變化分析

河南省1990—2010年土地利用/覆蓋變化如表2所示.耕地和林地的面積最大，約占河南省總面積的81%，其中耕地(水地和旱地)約占土地利用類型的65%，這與河南省是農(nóng)業(yè)大省的定位吻合，其次為草地、水域和居民工礦用地.河南省土地利用率高，未利用的土地面積(沙地、戈壁、鹽堿地、沼澤地、裸土地、裸巖石礫地等其他)僅占河南省總面積的0.1%.

從1990—2010年的土地利用動(dòng)態(tài)變化上分析，各種土地利用類型動(dòng)態(tài)變化不大，均在3%以內(nèi)，綜合土地利用動(dòng)態(tài)率為1.7.耕地和林地幾乎沒有變化，未利用地動(dòng)態(tài)度最高，且為負(fù)值，說明土地利用強(qiáng)度增大，未利用土地繼續(xù)被開發(fā).居民工礦用地、水域和草地動(dòng)態(tài)變化速度次之，居民工礦用地動(dòng)態(tài)變化在3者中最快，為正值，與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展呈正相關(guān);水域和草地動(dòng)態(tài)變化較低，均為負(fù)值，所占面積和比例不同程度的降低;從土地變化面積上分析，自然發(fā)展為主的土地利用類型(草地、林地、水域、未利用地)除林地外均在減少，即自然資源比例逐漸降低、降低速率平緩，林地的增加與同時(shí)期林業(yè)的重視和植樹造林活動(dòng)相關(guān).居民工礦用地和耕地兩種人工干涉較多的土地類型比例均在增加，居民工礦用地增加最快，增加面積約1 195.7 km2.

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化分析:

根據(jù)表1和表2得出河南省1990—2010生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值構(gòu)成及變化如表3所示.

具體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化與土地利用變化關(guān)系參照?qǐng)D1.橫坐標(biāo)代表土地利用類型，縱坐標(biāo)代表面積及價(jià)值變化值.面積單位取km2，價(jià)值變化單位取106元.

除居民工礦用地外，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化和土地利用類型的變化呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，即其它用地類型面積的增加伴隨著生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的增加，而居民工礦用地的增加卻導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的降低.自1990—2010年，耕地和林地面積基本保持不變的狀態(tài)下，其他各種土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值均在降低，總價(jià)值降低約0.6×1010元.水域在其面積變化值較小的情況下，生態(tài)服務(wù)價(jià)值變化最大，達(dá)到0.3×1010元，與其單位面積較高的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值呈正相關(guān).草地和居民工礦用地雖然面積變化值較大，但其單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值較低，所以價(jià)值變化影響較低.未利用地情況類似于水域.

表2 河南省1990—2010年土地利用/覆蓋變化Table 2 Land use/cover change in Henan province from 1995 to 2005

表3 河南省1990—2010年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值構(gòu)成及變化Table 3 Ecosystem services value and their variation in Henan province from 1990 to 2010

圖1 河南省1990—2010年土地利用類型與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化Fig.1 Ecosystem services value variation for land use changing in Henan province from 1990 to 2010

4 結(jié)論與討論

利用遙感和地理信息系統(tǒng)，獲取河南省土地的利用/覆蓋變化數(shù)據(jù)，同時(shí)構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)價(jià)模型對(duì)河南省1990—2010年的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行研究分析，結(jié)果表明:

(1)河南省土地利用率極高，未利用土地僅占0.1%，而且自1990—2010年不斷加大，同時(shí)也說明此時(shí)期內(nèi)，河南省總體土地利用價(jià)值較高;農(nóng)田面積約占整個(gè)面積的65%，展示其農(nóng)業(yè)為主的土地利用現(xiàn)狀.農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值約占總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的60%，農(nóng)業(yè)以食物供給的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)為主，間接表明了河南省生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)、支持等服務(wù)的弱化，根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)的反饋和平衡原理，在面積不變、投入不變的情況下，食物供給服務(wù)會(huì)逐漸降低，即河南省的糧食產(chǎn)量會(huì)逐漸降低，河南省整體生態(tài)環(huán)境也會(huì)隨著社會(huì)發(fā)展環(huán)境會(huì)進(jìn)一步破壞.

(2)河南省1990—2010年土地利用/覆蓋發(fā)生變化較小，但是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值持續(xù)降低，在耕地和林地面積變化不明顯的情況下，水域面積變化對(duì)河南省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響最為顯著，即水域是河南土地利用類型中對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)影響的最敏感因子.因此在政府在土地利用和開發(fā)的決策中，應(yīng)充分加強(qiáng)對(duì)水域的保護(hù)，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展.

(3)河南省1990—2010年的土地利用/覆蓋變化整體動(dòng)態(tài)度較低，表明了河南省2個(gè)時(shí)間端點(diǎn)的土地利用變化程度較小，不能準(zhǔn)確反映這一時(shí)期各個(gè)土地類型的相互轉(zhuǎn)化情況.只能闡述這一時(shí)期土地利用的變化狀態(tài)和生態(tài)服務(wù)價(jià)值變化趨勢(shì)，對(duì)變化過程的復(fù)雜程度仍是進(jìn)一步研究的方向.

(4)土地利用/覆蓋面積的變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響巨大，但在面積維持不變的情況下，改變土地利用類型的格局對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的量化影響，仍不確定.

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