2021, Vol. 41
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2. 中国矿业大学(北京), 化学与环境工程学院, 北京 100083;
3. 中国科学院生态环境研究中心, 水污染控制实验室, 北京 100085;
4. 中国科学院大学, 北京 100049;
5. 中国科学院生态环境研究中心, 城市与区域生态国家重点实验室, 北京 100085
2. School of Chemical&Environmental Engineering, China University of Mining&Technology, Beijing 100083;
3. Laboratory of Water Pollution Control, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085;
4. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049;
5. State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085
土地利用/覆盖变化(Land-use and land cover change, LUCC)改变了生态系统的结构和功能, 并影响到生态系统服务(冉圣宏等, 2006; 魏伟等, 2014).生态系统服务(Ecosystem services, ES)是指人类直接或间接从生态系统及其生态过程中获取的产品或者服务, 包括供给(食品和原材料)、调节(水文调节、气候调节和气体调节)、支持(土壤形成、废物处理和生物多样性)和文化(娱乐、文化和旅游)(Costanza et al., 1998; Assessment, 2003).LUCC是ES变化的重要驱动因素之一, 研究其变化过程对维持ES起着决定性作用(Turner, 1995; 罗维等, 2017).目前世界上大多数发展中国家正经历着人口、社会和经济的快速发展, 这导致土地利用结构和生态服务价值(Ecosystem services value, ESV)发生了显著变化, 土地利用时空格局变异及其对ESV的影响备受国内外学者的高度关注(Fei et al., 2016; Yirsaw et al., 2017; Li et al., 2019).Sannigrahi等(2018)对全球ESV及其对LUCC的响应研究表明, 1995—2015年间全球森林覆盖率降低, 湿地/水面面积减少, 而城市覆盖范围扩大, 导致全球ESV显著下降；Chen等(2013)研究了中亚地区LUCC和ES的变化, 发现1990—2009年中亚生态脆弱地区耕地大量转化为自然植被, ES供给服务显著下降；汤洁等(2015)研究发现, 1989—2012年辽河流域ESV整体呈下降趋势, 分析主要原因是耕地的开发导致湿地和水域退化.
北运河纵贯我国政治、文化中心的京津冀地区, 是首都北京城区主要防洪和排水河道, 对京津冀大都市圈的生态环境保护起着关键作用(张亮等, 2011).目前, 国内众多学者已在北运河流域开展了土地利用变化的研究工作, 但这些研究多集中在部分河段及土地利用变化对河流水环境质量的影响上(孙久虎等, 2006; 耿润哲等, 2012; 赵霏等, 2014), 针对整个流域土地利用时空变异及其对ESV影响的研究仍相当匮乏.另外, 随着北京城市总体规划(2016—2035)的批复, 北运河水系作为京津冀河湖水系绿色生态走廊的重要组成部分, 原有的土地利用格局需做出重大调整(北京市规划和自然资源委员会, 2018).因此, 本文以遥感解译数据为基础, 深入分析北运河流域在1980—2015年土地利用格局和过程的变化, 并对其ESV的影响进行研究, 以期为北运河流域绿色生态走廊构建提供参考.
2 研究区域概况(Study area)北运河水系发源于北京市昌平区燕山南麓, 先后流经北京市、河北省廊坊市和天津市.城市副中心北关闸以上称温榆河, 北关闸以下始称北运河, 沿途纳通惠河、凉水河、凤港减河等平原河道, 于屈家店与永定河交汇后入海河(徐敏, 2010).北运河干流全长142.7 km, 流域面积为6166 km2, 其中, 山区面积为952 km2, 平原面积为5214 km2.研究区域属于半干旱大陆性季风季候, 夏季高温多雨, 年内降水季节变化显著(陈磊等, 2019).受京津冀大城市群影响, 北运河水系表现为以污水处理厂退水为主的非常规水源补给特征, 全流域污水排入量约300万t·d-1(刘国军, 2017).长期的水污染物排放和城市快速发展导致了一系列生态环境问题, 主要表现为土地利用缺乏合理的规划、整治和保护, 缓冲带土地圈占、农田化, 水体污染严重且具有微囊藻水华爆发风险(郁达伟等, 2012; 刘静等, 2015; 朱利英等, 2020)(图 1).
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| 图 1 北运河流域地理位置与高程图 Fig. 1 Geographical locations and elevation of the North Canal River watershed |
1980、1990、1995、2000、2005、2010和2015年北运河流域土地利用数据来源于中国科学院资源环境数据中心多时期土地利用监测数据库(CNLUCC), 其中, 1980年土地利用重建主要使用Landsat-MSS遥感影像数据, 1990、1995、2000、2005和2010各期数据的遥感解译主要使用Landsat-TM/ETM遥感影像数据, 而2015年土地利用更新主要使用Landsat 8遥感影像数据.参照中国科学院资源环境数据中心土地分类系统, 结合北运河流域土地利用类型特点, 将研究区土地类型分为6种一级类型：耕地、林地、草地、水体、城镇和其他.经过野外调查点随机抽样核查和Kappa系数精度评定, 7期土地利用分类结果的精度均高于85%.根据数字地图数据, 利用GIS技术对北运河流域和沿河道中心线两侧各500 m的缓冲带(车生泉, 2001; 张健等, 2018)土地数据进行分析, 得出不同时期土地利用变化的空间分布特征.
3.2 生态服务价值估算采用Costanza等的方法计算ESV和单项生态服务价值(ESVf)(Costanza et al., 1998; 马依拉·热合曼等, 2018), 计算公式如下：
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(1) |
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(2) |
式中, ESV为生态服务价值(元·a-1)；i为土地利用类型(i=1, 2, 3, …, n), Ai为土地利用类型i的面积(hm2)；VCi为土地利用类型i的生态系统服务功能价值系数(元·hm2·a-1)；ESVf为生态系统第f项服务功能价值(元·a-1)；VCfi为土地利用类型i的第f项生态系统服务功能价值系数(元·hm2·a-1).
3.3 敏感性指数敏感性指数(Coefficient of Sensitive, CS)表征ESV随时间变化对生态服务价值系数(Value Coefficient, VC)的依赖程度(Li et al., 2019).按照文献(罗维等, 2017；马依拉·热合曼等, 2018；Li et al., 2019；封建民等, 2020), 本研究将土地利用类型VC分别增加或减少50%计算CS.
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(3) |
式中, CS为敏感性指数；ESVi和ESVj分别为调整前和调整后的生态服务价值；VCik和VCjk分别为调整前和调整后第k类生态系统单位面积生态服务价值系数；若CS>1, 表明ESV对于VC富有弹性, 比值越大, CS的准确性就越关键；CS < 1, 表明ESV对于VC缺乏弹性, VC适用于研究区域ESV的估算.
3.4 土地利用动态度单一土地利用动态度(KU)表征在一定时间段内不同LUCC类型的变化速度和幅度, 反映人类活动对某种LUCC类型的影响(汤洁等, 2015).
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(4) |
式中, KU为研究时段内某种土地利用类型动态度；Ua为研究初期某一种土地利用类型的数量；Ub为研究末期某一种土地利用类型的数量；T为研究时段.
综合土地利用动态度(LC)表征一定时间段内区域LUCC类型的变化速度和幅度, 反映一个区域内LUCC类型发生变化的强烈程度(程宪波等, 2018).
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(5) |
式中, LC为T时段内研究区综合土地利用类型动态度；ΔLUi-j为研究时段内第i地类转为非i地类的土地利用类型面积；LUi为研究时段内第i地类的面积；T为研究时段.
3.5 生态贡献率生态贡献率表征在一定时间段内不同土地利用类型ESV变化量对总ESV变化量的影响大小, 用来揭示影响区域ESV变化的主要贡献因子和敏感因子(封建民等, 2020).
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(6) |
式中, SKT为K类生态系统在时间段T的ES贡献率；ΔESVKT为K类生态系统在时间段T内的ESV变化量.
4 结果与讨论(Results and discussion) 4.1 土地利用类型的变化特征研究 4.1.1 流域及缓冲带土地利用类型时空演变特征1980—2015年北运河流域土地利用情况如图 2和表 1所示, 北运河流域主要土地利用类型为耕地、城镇用地和林地, 分别占流域总面积的36.77%~59.41%、19.93%~45.52%和16.05%~19.02%, 三者面积之和约占流域总面积的90%以上.北运河流域耕地面积逐年减少, 由1980年的59.41%减少到2015年的36.77%.林地和水体面积呈1980—2000年增多、2000年后逐渐减少的趋势, 最大面积占比分别为19.05%和2.71%.草地面积近40年变化不大, 平均占比为0.44%, 范围为0.39%~0.50%.城镇用地规模不断外延, 面积逐年增加, 由1980年的19.93%上升到2015年的45.52%, 增加了127351 hm2.1980—2015年北运河及其主要支流500 m缓冲带土地利用变化与流域一致(表 1)；耕地、林地、草地和水体面积逐年减少, 城镇面积逐年增加.1980年以来, 区域内的耕地开发强度不断加大, 自1978年我国实行改革开放以来, 城市化进程逐步加快, 尤其是京津冀地区.随着城乡经济和人口数量的快速增长, 北京市城市化率由1980年的57.62%提升至2015年的86.51%, 城镇建设等人类活动加速了其他土地面积的萎缩.汤洁等(2015)研究同样发现, 辽河流域林地、草地和水域等土地面积的减少主要原因是城乡经济建设的发展和人口数量的增长.
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| 图 2 1980—2015年北运河流域及沿河500 m缓冲带土地利用图 Fig. 2 Spatial distribution of LUCC in the North Canal River watershed and 500 m buffer zone from 1980 to 2015 |
| 表 1 1980—2015年北运河流域及沿河500 m缓冲带土地利用变化 Table 1 Area changes of LUCC in the North Canal River watershed and 500 m buffer zone from 1980 to 2015 |
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北运河流域及其分区段土地利用变化情况如图 3和表 2所示, 土地转移主要发生在耕地、林地、水体和城镇之间.1980—2000年北运河流域的耕地面积减少55264 hm2, 主要转向城镇用地, 占比为83.16%, 其次为林地, 占比为9.31%.北京段、天津段和河北段在此20年间耕地减少, 减少面积分别占各区段总面积的12.59%、5.37%和1.87%.1980—2000年北运河流域林地面积增加4305 hm2, 北京段、天津段和河北段在此20年间林地分别增加4029、271和5 hm2.而草地则与耕地转移状态一致, 减少面积288 hm2；主要转向林地和城镇, 分别占总减少面积的60.44%和34.24%；主要转移区段发生在北京段, 减少面积为295 hm2；河北段增加7 hm2.水体和城镇用地在1980—2000年间增加面积分别为3325 hm2和47965 hm2；其中, 耕地和城镇用地向水体转移贡献最大, 分别为58.94%和32.40%；耕地和林地向城镇转移贡献最大, 分别为81.11%和12.51%.北京段、天津段和河北段水体和城镇用地类型转移趋势一致.其中, 水体增加面积分别占各区段总面积的0.76%、0.03%和0.65%, 城镇增加面积占比分别为10.92%、4.95%和1.04%.
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| 图 3 不同时期北运河流域土地转移和变化分布 Fig. 3 Distribution of land transfer and change at different time in the North Canal River watershed |
| 表 2 1980—2015年北运河流域及分区段不同土地类型面积变化 Table 2 Area of different land use in different city of the Beiyun River Basin from 1980 to 2015 |
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2000—2015年间北运河流域耕地持续转出, 减少面积为57425 hm2, 主要转向城镇用地, 占比为94.59%；其次转向水体, 占比为2.49%.北京段、天津段和河北段在此20年间耕地减少, 分别占各区段总面积的11.81%、7.48%和16.32%, 其中, 河北段近15年耕地转移面积占比(16.32%)远大于1980—2000年的1.87%.2000—2015年北运河流域林地转移趋势与1980—2000年相反, 总面积减少14715 hm2, 主要转向耕地(56.58%)和城镇用地(41.42%).北京段、天津段和河北段的林地减少面积分别占各区段总面积的3.47%、0.39%和1.07%, 其中, 北京段、河北段近15年林地转移面积占比远大于1980—2000年.2000—2015年草地面积增加140 hm2, 其中, 北京段和河北段与1980—2000年草地转移趋势相反, 北京段草地面积增加192 hm2, 而河北段草地面积减少108 hm2.北运河流域水体用地近15年减少7483 hm2, 主要转向城镇(51.62%)和耕地用地(43.45%)；北京段和天津段水体面积分别减少1.83%和0.33%, 河北段水体面积增加0.77%.城镇面积持续增加79398 hm2, 约为1980—2000年城镇面积增加的2倍.不同时期各区段在北运河流域土地利用变化不同, 但2000—2015年比1980—2000年的土地变化范围更大(图 3).
4.1.2 土地利用类型变化的速度从表 3可以看出, 2000—2015年北运河流域整体土地利用变化较为强烈, 综合动态度为3.27%, 明显大于1980—2000年(1.39%), 说明2000年以来人类活动对土地利用类型的影响明显增强.1980—2000年, 各土地利用类型变化速度依次是城镇＞水体＞耕地＞草地＞林地＞其他, 面积增加幅度最大的为城镇用地, 其次为水体, 面积减少幅度最大的为耕地；2000—2015年, 各土地利用类型变化速度发生明显变化, 依次为其他＞水体＞城镇＞耕地＞林地＞草地, 面积增加幅度最大的是其他用地, 其次为城镇用地, 面积减少最大的是水体.1980—2015年, 各土地利用类型变化速度与2000—2015年变化一致, 面积增加最大的是其他用地, 其次为城镇用地, 面积减少最大的是水体, 其次为耕地.
| 表 3 1980—2015年北运河流域土地利用类型的动态度 Table 3 Changing rate of single and integrated land-use in the North Canal River watershed from 1980 to 2015 |
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本研究基于Costanza等和谢高地等的研究成果, 结合研究区域具体情况, 采用加权平均法计算北运河流域ESV的区域修正系数：北京为1.04, 河北为1.02, 天津为0.85, 得到北运河流域修正系数为1.016(Costanza et al., 1998; 谢高地等, 2005; 2008;2015;宁珊等, 2019).本研究中城镇用地主要为城乡、居民和工矿用地, 其生态服务价值较小, 以往研究中未将其列入价值计算(谢高地等, 2008; 罗维等, 2017; 张艳军等, 2017)；而考虑京津冀都市圈文化功能定位, 因此, 本研究城镇用地将文化服务参与计算.采用市场价值法, 参考各年份旅游收入(北京市统计局等, 1980—2015), 以北运河流域北京、河北和天津区段面积比为权重, 计算得到流域城镇用地文化服务价值系数为2859.27元·hm2·a-1.流域生态服务价值系数(VC)如表 4所示.
| 表 4 北运河流域各地类生态系统单位面积服务价值系数 Table 4 Coefficients for evaluation of ecosystem service-function values within the North Canal River watershed |
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在所有土地利用类型中, 各类型敏感性指数各异, 其中, 林地CS最高, 为0.62~0.69, 且1980—2015年林地CS逐渐增加, 至2015年最高(表 5).同时, 城镇的CS变化趋势与林地一致.而耕地和水体的CS变化趋势与林地和城镇相反, 自1980—2015年逐渐降低.耕地CS从1980年的0.20减少到2015年的0.16, 水体CS从0.17减少到0.12.说明林地和城镇的VC变化对北运河流域土地生态服务总价值具有放大效应, 耕地和水体的VC变化对总价值有缩小效应.草地和其他未利用土地的CS值基本不变, 说明二者的VC变化对区域内ESV没有明显影响.1980—2015年北运河流域各土类CS均小于1, 说明流域ESV对本研究采用的VC缺乏弹性, 本文采用的VC适用于该流域, 由此计算的ESV是可信的.
| 表 5 各土地利用类型ESV对VC的敏感程度(CS) Table 5 Sensitivity index of ecosystem service-function values of various land uses in the North Canal River watershed from 1980 to 2015 |
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研究区1980—2015年ESV计算结果见表 6.1980年北运河流域总生态服务价值为399.09×108元·a-1, 以2000年为分界点, ESV先上升后逐渐下降, 至2015年ESV为316.25×108元.各地类ESV中, 林地ESV占比最大, 1980—2015年均大于60%, 其次为水体和耕地, 两者平均占比分别为17.10%和17.08%.然而, 林地、耕地和水体占流域总面积分别为16.05%~19.02%、36.77%~59.41%和1.21%~2.71%(表 2、图 2), 其中, 水体以平均2.06%的面积占比贡献了流域17.08%的ESV(表 6), 说明水体对北运河流域生态服务价值贡献较大.
| 表 6 1980—2015年北运河流域各地类ESV时空变化 Table 6 Ecosystem service value of land use and its change in the North Canal River watershed from 1980 to 2015 |
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1980—2000年, 耕地和草地ESV各减少18.7%和12.65%, 林地、水体和城镇用地ESV增加.2000—2015年, 耕地、林地和水体ESV减少, 而草地、城镇和其他用地ESV增加.这与其土地利用面积占比时空变化趋势一致.
从表 7可以看出, 1980—2015年北运河流域4类一级ESV与总ESV变化一致, 均为先上升后逐年下降, 仅文化服务于2015年略有上升.主要一级ES为调节服务, 其次为支持服务, 平均占总ESV的69.45%和20.06%；调节服务中以水文调节服务价值最高, 占该类服务的41.15%~46.66%, 平均占比为44.43%.研究期间, 各二级ESV中, 水资源供给服务价值减幅最大, 为42.96%；其次是水文调节服务价值, 为29.08%；景观美学价值略有上升.这与京津冀城市发展规律及定位相一致.
| 表 7 1980—2015年北运河流域生态系统一级和二级服务价值时空变化 Table 7 Value of ecosystem service function in the North Canal River watershed from 1980 to 2015 |
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北运河流域500 m缓冲带的生态服务价值分析结果表明(表 8), 1980—2015年北运河总ESV先上升, 2005年后剧烈下降.生态服务价值总损失12.97亿元, 其中, 水体ESV损失最大, 为8.19亿元.1980—2015年北京市人口逐年增加, 由904.3万人增加到2170.5万人, 城镇化率由57.62%提升至86.51%, 城市的快速发展以挤占河道生态空间为代价, 缓冲带水体面积占比由11.01%下降至8.01%(表 2、图 2), 水体面积下降是其整体ESV下降的主要原因.这极大地违背了可持续发展的理念, 且成为京津冀世界级城市群发展的环境障碍.
| 表 8 1980—2015年北运河流域500 m缓冲带各地类ESV时空变化 Table 8 Ecosystem service value of land use and its change in 500 m buffer zone from 1980 to 2015 |
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1980—2015年北运河流域耕地、林地和水体的生态贡献率最大, 分别为34.20%、31.54%和30.01%, 三者之和超过95.75%(表 9).1980—2000年和2000—2015年北运河流域不同土地利用类型生态服务价值变化贡献率差异较大.1980—2000年生态贡献率最大的是城镇, 为41.27%, 其次为水体和耕地, 分别为27.90%和15.97%；而2000—2015年生态贡献率最大的是其他用地(85.39%), 其次为水体(5.19%)、城镇(5.06%)和耕地(2.24%), 这可能是其他用地类型面积变化较大造成的(表 2、图 2、表 6).除其他用地类型外, 1980—2000年和2000—2015年两个时期城镇和水体的生态贡献率最大, 说明1980—2015年城镇和水体是北运河流域生态服务价值变化的主要贡献因子和敏感因子.
| 表 9 1980—2015年北运河流域不同土地类型生态服务价值变化的贡献率 Table 9 Contribution of ecosystem service value of different land use in the North Canal River watershed from 1980 to 2015 |
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1) 1980—2015年北运河流域主要土地利用类型为耕地、城镇用地和林地, 三者面积之和约占流域总面积的90%以上.期间, 流域耕地面积逐年减少, 而城镇用地面积逐年增加.以2000年为拐点, 2000年以后流域综合土地利用变化速度高于2000年以前, 说明2000年以来人类活动对土地利用类型的影响明显增强.
2) 1980—2015年北运河流域总ESV先上升后逐渐下降, 耕地ESV持续减少, 而城镇ESV持续增加, 这与其土地类型变化趋势一致.一级ESV与总ESV变化一致；二级ESV中, 水资源供给服务价值减幅最大.城镇和水体的生态贡献率最大, 是北运河流域ESV变化的主要贡献因子和敏感因子.
3) 1980—2015年北运河500 m缓冲带的主要土地利用类型以耕地、水体和城镇为主；期间水体面积变化最为剧烈, 由11.01%以上骤降为8.01%；城镇面积逐年增加.缓冲带ESV受土地利用类型影响, 其变化趋势与流域略有不同, 各二级ESV整体呈下降趋势, 总损失12.97亿元, 水体面积骤减是导致其总ESV降低的主要原因.因此, 修复和保护北运河流域生态服务价值贡献较大的水体环境对增加该流域ESV具有重要意义.
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