模拟多情景下白洋淀流域土地利用变化及生态系统服务价值空间响应研究

　　摘要：模拟多情景下白洋淀流域土地利用变化引起的生态系统服务价值改变，对保障流域生态安全和提升区域生态系统服务价值能力具有重要意义。选取白洋淀流域上下游所涉及的河北省相关县级行政区为研究区，以1990、2000、2010、2020年4期遥感影像及统计年鉴为基础数据，分析和测算30年间白洋淀流域的土地利用与生态系统服务价值变化，在此基础上利用CA⁃Markov模型模拟2035年趋势延续、均衡发展和统筹发展等3种情景下研究区土地利用变化情况，估算各情景下生态系统服务价值，利用网格工具可视化表达3种情景下生态系统服务价值的空间分布状况以及集聚程度。研究结果表明：①1990—2020年白洋淀流域土地利用变化最明显的特征是耕地面积锐减，建设用地迅速扩张，30年间耕地面积减少了122776.99hm2，建设用地增加了167369.74hm2。②1990—2020年研究区生态系统服务价值分别为852.59亿元、788.26亿元、796.95亿元和784.68亿元，总体呈波动下降的趋势。③在趋势延续、均衡发展和统筹发展等3种模拟情景下，生态系统服务价值依次为785.36亿元、807.26亿元、812.46亿元。研究区生态系统服务价值整体呈现西北高东南低的空间分布特征。④ESV值的热点和冷点分布范围较大且集聚性较强，热点区域主要集中在西北部山地区域，冷点区域主要分布在研究区东南部平原地区以及研究区西北部的部分区域。模拟白洋淀流域未来土地利用变化趋势，探寻不同情境下生态系统服务价值的响应有利于构建流域国土空间开发保护新格局，为今后全面推进白洋淀流域的可持续发展提供科学基础和决策参考。

　　关键词：土地利用变化;生态系统服务价值;CA⁃Markov;白洋淀流域;雄安新区

　　生态系统服务(EcosystemServices，ESs)指通过生态系统的结构、过程和功能直接或间接得到的生命支持产品和服务[1⁃2]，其形成、供给和分配受到土地利用的深刻影响。随着人口增长、经济发展和城市的急速扩张，土地利用形式多样和强度加强，自然生态系统逐渐向半自然半人工生态系统和人工生态系统方向转变，由此带来的物质和能量流的改变影响生态系统提供服务的能力。因此，不适宜的土地利用将危及区域生态安全，甚至限制城市的可持续发展[3]。

　　雄安新区建设作为疏解北京非首都功能和推进京津冀协同发展的重要国家战略，其过程中必然伴随着高强度的人为建设活动，与当地自然生态环境不相适宜的土地利用方式势必威胁区域生态系统服务的供需平衡，甚至导致生态环境问题[4]。同时，随着雄安新区人口的聚集和城市规模的扩张，对粮食供给、水资源供给、空气净化、水源涵养和文化休闲等生态系统服务的需求将不断提高[5]。而白洋淀流域作为雄安新区的生态腹地，既是由自然地理和经济社会发展组成的复合性区域，又是实施生态建设和环境政策的整体空间，生态战略地位显要[6]。

　　在此背景下，模拟白洋淀流域未来土地利用变化趋势，探寻不同情境下生态系统服务价值的响应有利于构建流域国土空间开发保护新格局，为其提供技术支撑和决策参考[7]。目前，国内外学者对于土地利用变化对生态系统服务价值的影响已积累了相对丰富的研究成果。Costanza等[8]在1997年制订了全球生态系统服务当量因子表，为相关研究奠定了基础。国内学者谢高地等[9]在Costanza研究的基础上制订了《中国陆地生态系统单位面积生态服务价值当量表》，被国内学者广泛使用于生态系统服务价值评估研究中。

　　随着研究的逐步深入，国内外学者对生态系统服务的研究主要从定义与分类[8]、价值评估[10⁃12]、以及生态系统服务与社会发展之间的关系[13⁃15]等三个方面进行了钻研与探索。具体而言，从研究内容上看，主要集中在生态系统服务的理论基础[16]、驱动力[17⁃18]、时空变化[19]及影响因素[20]等方面;从研究尺度上看，全国、区域、省域、市域、县域等尺度均有涉及[21⁃25]。从研究对象上看，研究区域多集中湖泊[26]、森林[27]、湿地[28]等生态系统服务价值高值区域;研究方法则以统计分析[29]和空间分析[30⁃31]为主，并越来越重视在土地利用规划研究与实践中的作用[32]。

　　综合来看，上述研究主要是对当前或过去时段因土地利用变化而改变的生态系统服务价值进行测度，随着研究的深入，学者们尝试着对未来土地利用变化对区域生态系统服务价值的影响进行分析，以便于制定可持续的土地利用措施，如Egoh等[33]采用Marxan模型模拟不同情境下南非草地生态系统服务状况;Estoque等[34]研究Baguio市未来森林保护情景和自然发展情景下土地利用变化对生态系统服务价值的影响;Kubiszewski等[35]估算了全球尺度下市场导向情景、政策改良情景等4种情景下生态系统服务价值，结果显示到2050年4种情景生态系统服务价值每年可能相差81万亿美元。

　　杜勇等[36]通过Logistic-CA⁃Markov模型模拟福建省泉州市在2030年自然情景、规划情景、保护情境下，定量评估了保水服务、固碳服务、保土服务和食物供给服务;欧阳晓等[37]以快速城镇化下的长株潭城市群为例，模拟了3种情景下LUCC对ESV的影响。目前已有的多情景下生态系统服务价值的模拟测度，大部分是基于现有发展趋势根据侧重点设定不同情景进行分析，缺乏对由国家战略引发的土地利用类型剧烈变化区域生态系统服务价值空间差异性的关注。

　　雄安新区地处白洋淀流域范围内，面临着人口增长、社会经济发展和生态保护的多重压力，同时新区的开发建设势必对白洋淀流域生态系统服务价值产生一定的影响。鉴于生态系统服务价值计算的便利性，本文以白洋淀流域为研究区，采用当量因子法估算其1990、2000、2010和2020等4期生态系统服务价值，并借助CA⁃Markov模型，模拟不同情境土地利用格局，并测算生态系统服务价值变化情况。在此基础上利用网格工具可视化表达不同偏好下生态系统服务价值的空间分布状况以及集聚程度，以期对白洋淀流域的生态系统服务功能变化分析以及对研究区未来土地生态安全建设提供理论参考。

　　1　研究区概况与数据来源

　　1.1　研究区概况

　　本研究中的白洋淀流域是指白洋淀上下游涉及的河北省相关县级行政区域，涉及石家庄市、保定市、张家口市、沧州市、廊坊市以及衡水市的46个县区;白洋淀流域上下游包括入淀出淀的潴龙河、孝义河、唐河、府河、漕河、瀑河、萍河、白沟引河(含南拒马河与白沟河)、赵王新河等干支流流经的区域。

　　白洋淀流域位于大清河流域范围以内，总面积约3.4万km2。该地区地貌类型多样，以耕地、林地和建设用地为主，地势西高东低，相对高度达2815m，流域处于温带季风区，多年平均降水量600mm，年平均气温在10—20℃之间，降水量年际变化大、年内分配不均，降水多以暴雨形式集中于7—8月，故经常出现连年干旱或先旱后涝、旱涝交替等情况。近年来，白洋淀流域各城市无序扩张、产业布局各自为政、大尺度生态空间管理理念缺乏，导致生态用地流失、水生态失衡等问题，由此带来生态系统服务下降、生态风险加剧、生态安全受到威胁，严重影响了流域的可持续发展，与高质量发展要求存在一定差距。

　　1.2　数据来源及预处理

　　本研究所使用的数据包括遥感影像数据、土地利用数据、粮食数据、DEM高程数据、坡度数据、社会经济数据、道路数据和气象数据。

　　其中：(1)遥感影像从地理空间数据云平台Landsat4⁃5/TM和Landsat⁃8/OLI卫星下载;(2)研究区1990年、2000年、2010年、2020年等4期土地利用均解译自遥感影像，根据影像精度并结合研究区实际情况，并参照前人分类标准[38]，将土地利用类型划分为林地、草地、耕地、建设用地、水域和未利用地六类，分辨率为30m。使用ENVI5.3.1软件，对遥感图像进行监督分类和人工目视解译，经检验三期图像精度均达到85%以上，可用于研究使用;(3)粮食数据主要为小麦、玉米、大豆等粮食作物产值、播种面积、产量主要来源为石家庄市、张家口市、保定市、沧州市和衡水市统计年鉴以及河北农村统计年鉴;(4)白洋淀流域年平均降水量和平均气温等气象数据收集自中国气象数据网;(5)研究区DEM数据来源于地理空间数据云，坡度数据由DEM高程数据提取得到;(6)社会经济数据来自相关县域统计年鉴;(7)公路、铁路数据来源于资源环境数据云平台。

　　2　研究方法

　　2.1　生态系统服务价值估算

　　本文基于谢高地等[1]建立的“中国陆地生态系统单位面积服务价值当量表” (根据研究区实际地类情况以及计算的便利性，除建设用地外五种地类分别采用了当量表中的旱地、阔叶、灌草丛、湿地、裸地和水系的单位面积服务价值当量)，估算白洋淀流域各县域1990—2020年4期生态系统服务价值量，初步分析多年间各项生态系统服务价值量的变化。

　　2.2　土地利用格局情景模拟标准设定与过程

　　通过IDRISI软件中的Markov模块和CA⁃Markov模块对土地利用类型的数量及空间变化进行预测，基本步骤如下：(1)创建Markov转移概率矩阵。将时间周期设置为10a，比例误差设置为0.15，利用Markov模型得到研究区2010—2020年的年土地利用转移面积矩阵和转移概率矩阵。(2)制作适宜性图集。利用IDRISI软件中的“DecisionWizard”模块制作适宜性图集。借鉴前人的研究结果[39⁃44]，考虑到数据的可获得性以及具体模拟效果，本文选取DEM高程、坡度、年平均降水、年平均气温、距公路距离和距铁路距离等6个对土地利用变化较大的驱动影响因子来制作适宜性图集。

　　(3)模拟2020年研究区土地利用图像。以2010年为基期图像，选择步骤(1)建立的研究区2010—2020年的年土地利用转移面积矩阵，以及步骤(2)中创建的适宜性图集，确定迭代次数为10，构造CA滤波器(采用标准5×5的滤波器)。模拟运行出预测的2020年研究区土地利用图像。(4)精度验证。利用IDRISI软件中的crosstab模块，将2020年的预测图与2020年实际土地利用类型进行对比，计算Kappa值。(5)多情景模拟预测。以2020年为基期图像，分别模拟出3种情景下2035年研究区土地利用图像。

　　2.3　情景设置

　　情景分析旨在描述和分析事物发展的各种可能性，对比不同发展路径下的状态，从而为决策提供依据。白洋淀流域社会经济、自然环境均存在不确定性。基于流域的不同发展目标和可能出现的干扰情景，本研究设定了3种土地利用变化模拟的情景：

　　(1)趋势延续情景(情景1)。趋势延续情景是流域基于2010—2020年土地利用变化规律，按照目前的城市化发展模式和现有的土地利用转移速率，在转换规则中不对任何地类转换进行限制的一种情景设定，是流域土地利用变化模拟考虑其他发展情景分析的基础。(2)均衡发展情景(情景2)。该情景充分考虑流域中各城市的发展需求，实现流域空间均衡发展。其中，雄安新区的土地利用结构按照《河北雄安新区规划纲要》、《河北雄安新区起步区控制性规划》等规划文本及图集中对未来各地类在不同规划方向上的数量要求进行确定，流域其他地区的土地利用结构则与情景1一致。(3)统筹发展情景(情景3)。该情景下，将整个流域城市发展纳入统筹考虑，以雄安新区建设、生态保护作为目标。

　　因此，参考了有关修改Markov转移矩阵的相关研究成果[46]，其中，雄安新区土地利用结构与均衡发展情景一致，流域除雄安新区部分为整体实现生态用地保护目标，严格限制生态用地相关的林地、草地和水域向建设用地转换，以保障整个流域的土地利用结构总体稳定。具体参数设置为将林地转化为建设用地的速率减缓63%，转移速率由原来的4.45%调整为2.80%;将草地转化为建设用地的速率减缓50%，转移速率由原来的10.92%调整为5.47%;水域由于基数过小，未进行限制;耕地、未利用地变化速率未进行限制。

　　3　结果分析

　　3.1　生态系统服务价值估算结果及变化特征

　　3.1.1　1990—2020年研究区土地利用变化总体特征

　　1990—2020年研究区利用变化总体特征呈现耕地面积大幅度减少，建设用地面积急速增加的趋势。30年间耕地在研究区范围内土地利用结构中占比最大，平均占比48.12%，总体来看耕地面积锐减，减少122776.99hm2，耕地面积减少率为7.21%;林地在研究区范围内土地利用结构中面积占比仅次于耕地，且1990—2020年间林地面积变化不大，呈波动增长趋势，从1193822.47hm2增加到1207925.59hm2，增加率为1.18%;与之相比，草地面积在30年间呈波动下降的趋势，2010年达到峰值212026.37hm2，面积减少率为15.9%。

　　随着改革开放和京津冀协同发展等政策的推进，建设用地扩张速度也在不断加快。1990—2020年建设用地面积从253926.75hm2增加到421296.49hm2，共增加了167369.74hm2，面积增长率高达65.91%;1990—2020年研究区水域面积呈现了先急速下降后小幅度回升的变化趋势，总体来说，水域面积明显减少，减少率为35.76%;未利用地占比较小，从研究区整体来看，面积变化不明显。

　　研究区在空间上土地利用总体特征为，西部以林地、草地为主，东部多为耕地和建设用地交错分布，小部分为水域。这主要由于研究区地势西高东低，西部以山地为主，东部为华北平原以及白洋淀流域。从4期研究区土地类型图可以看出，城市的扩张是造成土地利用类型发生变化的关键因素。在快速的城镇化过程中，耕地被大量侵占，为坚持生态文明建设和可持续发展，山林区域的耕地还林还草现象明显，导致耕地面积进一步锐减，白洋淀流域也在城市的发展下逐步缩小，生态安全情况不容乐观。

　　3.1.2　1990—2020年研究区生态系统服务价值变化特征

　　土地利用变化会引起生态系统服务价值的变化。1990—2020年研究区生态系统服务价值分别为852.59亿元、788.26亿元、796.95亿元和784.68亿元，总体呈波动下降的趋势。

　　其中，耕地的生态系统服务价值变化较多，30年间减少9.03亿元，变化率为7.21%;林地对研究区的生态系统服务价值贡献最大，四个时段分别为502.30亿元、502.04亿元、510.22亿元和508.23亿元，可以看出1990—2000年变化不明显，2000—2020年价值量总体呈波动上升的趋势，这是由于2000年以后林地面积小幅度增加;草地生态系统服务价值变化趋势与其面积变化趋势相同，1990—2020年波动下降，30年间ESV减少12.53亿元。

　　建设用地的生态系统服务价值为0;水域的生态系统服务价值仅次于林地，联系表2可知，它凭借1%左右的面积占比提供了整个研究区12%左右的生态系统服务价值，然而由于城市快速发展的需要，建设用地的急速扩张使得一部分水域被侵占，导致水域的ESV下降为93.92亿元，下降率为36.76%;未利用地由于其面积基数小，以及单位生态系统服务价值不高，对整个研究区的生态系统服务价值的影响几乎可以忽略不计。

　　总体来说，由于草地、水域等生态系统服务价值中贡献较高的土地都在不同程度的减少，而不利于生态系统服务价值增加的建设用地急速扩张，导致30年间研究区整体生态系统服务价值下降明显，减少率为81.25%。林地、水域和草地是生态系统服务价值的主要来源，严格保护林地、水域和草地等生态用地，对保护研究区的生态安全具有重要作用。

　　4　结论与讨论

　　4.1　讨论

　　本研究在探讨雄安新区建设引起的流域土地利用变化背景下，利用CA⁃Markov模型模拟趋势延续、均衡发展和统筹发展等3种发展情景下2035年白洋淀流域的土地利用变化状况，并评估白洋淀流域的ESV，在此基础上分析ESV空间分布特征和集聚特征。不同发展情景下的流域生态系统服务价值差异较为明显。趋势延续情景延续了白洋淀流域在未设立雄安新区的背景下的用地需求，生态系统服务价值略有上升，基本实现流域生态文明建设与可持续发展。均衡发展情景兼顾了雄安新区与流域内其他县市的建设用地需求，以适应于城镇化的推进与增强社会经济的发展的主要目标，生态系统服务价值略有上升，一定程度上有利于生态保护;统筹发展情景凸显了国家战略与生态约束高水平融合，满足雄安新区土地利用急剧转型的同时保障生态空间的面积。

　　三种发展情景为未来流域生态建设与用地扩张提供了重要的参考，结合雄安新区发展战略与流域实际发展需求选择相应的情景以期为区域提供适用于未来用地空间发展模式的科学依据及理论支撑。白洋淀流域内市、县的城镇化水平在未来一段时间还将继续上升，建设用地的快速扩张时期尚未完全结束，且又地处于资源环境承载能力较弱、水资源超载、景观破碎、空气质量治理任重道远的华北地区，提升白洋淀流域的生态系统服务功能需求十分迫切[5，47]。因此，雄安新区作为生态城市建设的标杆，有必要探讨在高质量发展背景下制定精细化、差异化的国土空间格局优化调控措施，协调与流域其他区域的发展目标。

　　4.2　结论

　　白洋淀流域由于独特的地理位置，人类活动对流域内的土地利用结构变化有着显著影响，本研究以土地利用变化为基础，采用当量因子法估算4期生态系统服务价值，并借助CA⁃Markov模型，模拟不同情境土地利用格局，进而测算生态系统服务价值变化情况。主要结论如下：

　　(1)1990—2020年白洋淀流域土地利用变化最明显的特征是耕地面积锐减，建设用地迅速扩张，30年间耕地面积减少了122776.99hm2，建设用地增加了167369.74hm2。

　　(2)1990—2020年研究区生态系统服务价值分别为852.59亿元、788.26亿元、796.95亿元和784.68亿元，总体呈波动下降的趋势。30年间白洋淀流域快速城市化过程导致城市建设用地扩张侵占大量耕地、草地和水域等生态用地，使人地关系的矛盾加剧，破坏城市生态环境，甚至威胁城市生态安全。

　　(3)在对白洋淀流域2035年3种情景模拟后发现，趋势延续情景、均衡发展情景、统筹发展情景的生态系统服务价值依次为785.36亿元、807.26亿元、812.46亿元，均高于2020年研究区生态系统服务价值。趋势延续情景下，由于城市的快速扩张，平原地区耕地、水域受到影响，山地地区耕地、草地少部分转化为林地和建设用地;均衡发展情景下，由于雄安建设规划和白洋淀生态环境保护的要求，雄安新区范围内林地、水域增加，其他地区保持不变;在统筹发展的情景下，白洋淀流域上游县域城市建设放缓，生态用地增多，为整个流域的生态安全做出了贡献。

　　(4)从生态系统服务价值空间分布来看，白洋淀流域生态系统服务价值整体呈现西北高东南低的特点。不同情境下ESV热点分布情况。总体来说，研究区ESV值的热点和冷点分布范围较大且集聚性较强。

　　生态论文范例： 基于生态系统服务的浙江省水生态环境分区分类管控

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　　作者：高星1，2，杨刘婉青1，李晨曦3，宋昭颖1，王杰1