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    科學技術論文

    模擬多情景下白洋淀流域土地利用變化及生態系統服務價值空間響應研究

    時間:2021年09月23日 所屬分類:科學技術論文 點擊次數:

    摘要:模擬多情景下白洋淀流域土地利用變化引起的生態系統服務價值改變,對保障流域生態安全和提升區域生態系統服務價值能力具有重要意義。選取白洋淀流域上下游所涉及的河北省相關縣級行政區為研究區,以1990、2000、2010、2020年4期遙感影像及統計年鑒為基

      摘要:模擬多情景下白洋淀流域土地利用變化引起的生態系統服務價值改變,對保障流域生態安全和提升區域生態系統服務價值能力具有重要意義。選取白洋淀流域上下游所涉及的河北省相關縣級行政區為研究區,以1990、2000、2010、2020年4期遙感影像及統計年鑒為基礎數據,分析和測算30年間白洋淀流域的土地利用與生態系統服務價值變化,在此基礎上利用CA⁃Markov模型模擬2035年趨勢延續、均衡發展和統籌發展等3種情景下研究區土地利用變化情況,估算各情景下生態系統服務價值,利用網格工具可視化表達3種情景下生態系統服務價值的空間分布狀況以及集聚程度。研究結果表明:①1990—2020年白洋淀流域土地利用變化最明顯的特征是耕地面積銳減,建設用地迅速擴張,30年間耕地面積減少了122776.99hm2,建設用地增加了167369.74hm2。②1990—2020年研究區生態系統服務價值分別為852.59億元、788.26億元、796.95億元和784.68億元,總體呈波動下降的趨勢。③在趨勢延續、均衡發展和統籌發展等3種模擬情景下,生態系統服務價值依次為785.36億元、807.26億元、812.46億元。研究區生態系統服務價值整體呈現西北高東南低的空間分布特征。④ESV值的熱點和冷點分布范圍較大且集聚性較強,熱點區域主要集中在西北部山地區域,冷點區域主要分布在研究區東南部平原地區以及研究區西北部的部分區域。模擬白洋淀流域未來土地利用變化趨勢,探尋不同情境下生態系統服務價值的響應有利于構建流域國土空間開發保護新格局,為今后全面推進白洋淀流域的可持續發展提供科學基礎和決策參考。

      關鍵詞:土地利用變化;生態系統服務價值;CA⁃Markov;白洋淀流域;雄安新區

    土地利用

      生態系統服務(EcosystemServices,ESs)指通過生態系統的結構、過程和功能直接或間接得到的生命支持產品和服務[1⁃2],其形成、供給和分配受到土地利用的深刻影響。隨著人口增長、經濟發展和城市的急速擴張,土地利用形式多樣和強度加強,自然生態系統逐漸向半自然半人工生態系統和人工生態系統方向轉變,由此帶來的物質和能量流的改變影響生態系統提供服務的能力。因此,不適宜的土地利用將危及區域生態安全,甚至限制城市的可持續發展[3]。

      雄安新區建設作為疏解北京非首都功能和推進京津冀協同發展的重要國家戰略,其過程中必然伴隨著高強度的人為建設活動,與當地自然生態環境不相適宜的土地利用方式勢必威脅區域生態系統服務的供需平衡,甚至導致生態環境問題[4]。同時,隨著雄安新區人口的聚集和城市規模的擴張,對糧食供給、水資源供給、空氣凈化、水源涵養和文化休閑等生態系統服務的需求將不斷提高[5]。而白洋淀流域作為雄安新區的生態腹地,既是由自然地理和經濟社會發展組成的復合性區域,又是實施生態建設和環境政策的整體空間,生態戰略地位顯要[6]。

      在此背景下,模擬白洋淀流域未來土地利用變化趨勢,探尋不同情境下生態系統服務價值的響應有利于構建流域國土空間開發保護新格局,為其提供技術支撐和決策參考[7]。目前,國內外學者對于土地利用變化對生態系統服務價值的影響已積累了相對豐富的研究成果。Costanza等[8]在1997年制訂了全球生態系統服務當量因子表,為相關研究奠定了基礎。國內學者謝高地等[9]在Costanza研究的基礎上制訂了《中國陸地生態系統單位面積生態服務價值當量表》,被國內學者廣泛使用于生態系統服務價值評估研究中。

      隨著研究的逐步深入,國內外學者對生態系統服務的研究主要從定義與分類[8]、價值評估[10⁃12]、以及生態系統服務與社會發展之間的關系[13⁃15]等三個方面進行了鉆研與探索。具體而言,從研究內容上看,主要集中在生態系統服務的理論基礎[16]、驅動力[17⁃18]、時空變化[19]及影響因素[20]等方面;從研究尺度上看,全國、區域、省域、市域、縣域等尺度均有涉及[21⁃25]。從研究對象上看,研究區域多集中湖泊[26]、森林[27]、濕地[28]等生態系統服務價值高值區域;研究方法則以統計分析[29]和空間分析[30⁃31]為主,并越來越重視在土地利用規劃研究與實踐中的作用[32]。

      綜合來看,上述研究主要是對當前或過去時段因土地利用變化而改變的生態系統服務價值進行測度,隨著研究的深入,學者們嘗試著對未來土地利用變化對區域生態系統服務價值的影響進行分析,以便于制定可持續的土地利用措施,如Egoh等[33]采用Marxan模型模擬不同情境下南非草地生態系統服務狀況;Estoque等[34]研究Baguio市未來森林保護情景和自然發展情景下土地利用變化對生態系統服務價值的影響;Kubiszewski等[35]估算了全球尺度下市場導向情景、政策改良情景等4種情景下生態系統服務價值,結果顯示到2050年4種情景生態系統服務價值每年可能相差81萬億美元。

      杜勇等[36]通過Logistic-CA⁃Markov模型模擬福建省泉州市在2030年自然情景、規劃情景、保護情境下,定量評估了保水服務、固碳服務、保土服務和食物供給服務;歐陽曉等[37]以快速城鎮化下的長株潭城市群為例,模擬了3種情景下LUCC對ESV的影響。目前已有的多情景下生態系統服務價值的模擬測度,大部分是基于現有發展趨勢根據側重點設定不同情景進行分析,缺乏對由國家戰略引發的土地利用類型劇烈變化區域生態系統服務價值空間差異性的關注。

      雄安新區地處白洋淀流域范圍內,面臨著人口增長、社會經濟發展和生態保護的多重壓力,同時新區的開發建設勢必對白洋淀流域生態系統服務價值產生一定的影響。鑒于生態系統服務價值計算的便利性,本文以白洋淀流域為研究區,采用當量因子法估算其1990、2000、2010和2020等4期生態系統服務價值,并借助CA⁃Markov模型,模擬不同情境土地利用格局,并測算生態系統服務價值變化情況。在此基礎上利用網格工具可視化表達不同偏好下生態系統服務價值的空間分布狀況以及集聚程度,以期對白洋淀流域的生態系統服務功能變化分析以及對研究區未來土地生態安全建設提供理論參考。

      1 研究區概況與數據來源

      1.1 研究區概況

      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關縣級行政區域,涉及石家莊市、保定市、張家口市、滄州市、廊坊市以及衡水市的46個縣區;白洋淀流域上下游包括入淀出淀的潴龍河、孝義河、唐河、府河、漕河、瀑河、萍河、白溝引河(含南拒馬河與白溝河)、趙王新河等干支流流經的區域。

      白洋淀流域位于大清河流域范圍以內,總面積約3.4萬km2。該地區地貌類型多樣,以耕地、林地和建設用地為主,地勢西高東低,相對高度達2815m,流域處于溫帶季風區,多年平均降水量600mm,年平均氣溫在10—20℃之間,降水量年際變化大、年內分配不均,降水多以暴雨形式集中于7—8月,故經常出現連年干旱或先旱后澇、旱澇交替等情況。近年來,白洋淀流域各城市無序擴張、產業布局各自為政、大尺度生態空間管理理念缺乏,導致生態用地流失、水生態失衡等問題,由此帶來生態系統服務下降、生態風險加劇、生態安全受到威脅,嚴重影響了流域的可持續發展,與高質量發展要求存在一定差距。

      1.2 數據來源及預處理

      本研究所使用的數據包括遙感影像數據、土地利用數據、糧食數據、DEM高程數據、坡度數據、社會經濟數據、道路數據和氣象數據。

      其中:(1)遙感影像從地理空間數據云平臺Landsat4⁃5/TM和Landsat⁃8/OLI衛星下載;(2)研究區1990年、2000年、2010年、2020年等4期土地利用均解譯自遙感影像,根據影像精度并結合研究區實際情況,并參照前人分類標準[38],將土地利用類型劃分為林地、草地、耕地、建設用地、水域和未利用地六類,分辨率為30m。使用ENVI5.3.1軟件,對遙感圖像進行監督分類和人工目視解譯,經檢驗三期圖像精度均達到85%以上,可用于研究使用;(3)糧食數據主要為小麥、玉米、大豆等糧食作物產值、播種面積、產量主要來源為石家莊市、張家口市、保定市、滄州市和衡水市統計年鑒以及河北農村統計年鑒;(4)白洋淀流域年平均降水量和平均氣溫等氣象數據收集自中國氣象數據網;(5)研究區DEM數據來源于地理空間數據云,坡度數據由DEM高程數據提取得到;(6)社會經濟數據來自相關縣域統計年鑒;(7)公路、鐵路數據來源于資源環境數據云平臺。

      2 研究方法

      2.1 生態系統服務價值估算

      本文基于謝高地等[1]建立的“中國陸地生態系統單位面積服務價值當量表” (根據研究區實際地類情況以及計算的便利性,除建設用地外五種地類分別采用了當量表中的旱地、闊葉、灌草叢、濕地、裸地和水系的單位面積服務價值當量),估算白洋淀流域各縣域1990—2020年4期生態系統服務價值量,初步分析多年間各項生態系統服務價值量的變化。

      2.2 土地利用格局情景模擬標準設定與過程

      通過IDRISI軟件中的Markov模塊和CA⁃Markov模塊對土地利用類型的數量及空間變化進行預測,基本步驟如下:(1)創建Markov轉移概率矩陣。將時間周期設置為10a,比例誤差設置為0.15,利用Markov模型得到研究區2010—2020年的年土地利用轉移面積矩陣和轉移概率矩陣。(2)制作適宜性圖集。利用IDRISI軟件中的“DecisionWizard”模塊制作適宜性圖集。借鑒前人的研究結果[39⁃44],考慮到數據的可獲得性以及具體模擬效果,本文選取DEM高程、坡度、年平均降水、年平均氣溫、距公路距離和距鐵路距離等6個對土地利用變化較大的驅動影響因子來制作適宜性圖集。

      (3)模擬2020年研究區土地利用圖像。以2010年為基期圖像,選擇步驟(1)建立的研究區2010—2020年的年土地利用轉移面積矩陣,以及步驟(2)中創建的適宜性圖集,確定迭代次數為10,構造CA濾波器(采用標準5×5的濾波器)。模擬運行出預測的2020年研究區土地利用圖像。(4)精度驗證。利用IDRISI軟件中的crosstab模塊,將2020年的預測圖與2020年實際土地利用類型進行對比,計算Kappa值。(5)多情景模擬預測。以2020年為基期圖像,分別模擬出3種情景下2035年研究區土地利用圖像。

      2.3 情景設置

      情景分析旨在描述和分析事物發展的各種可能性,對比不同發展路徑下的狀態,從而為決策提供依據。白洋淀流域社會經濟、自然環境均存在不確定性;诹饔虻牟煌l展目標和可能出現的干擾情景,本研究設定了3種土地利用變化模擬的情景:

      (1)趨勢延續情景(情景1)。趨勢延續情景是流域基于2010—2020年土地利用變化規律,按照目前的城市化發展模式和現有的土地利用轉移速率,在轉換規則中不對任何地類轉換進行限制的一種情景設定,是流域土地利用變化模擬考慮其他發展情景分析的基礎。(2)均衡發展情景(情景2)。該情景充分考慮流域中各城市的發展需求,實現流域空間均衡發展。其中,雄安新區的土地利用結構按照《河北雄安新區規劃綱要》、《河北雄安新區起步區控制性規劃》等規劃文本及圖集中對未來各地類在不同規劃方向上的數量要求進行確定,流域其他地區的土地利用結構則與情景1一致。(3)統籌發展情景(情景3)。該情景下,將整個流域城市發展納入統籌考慮,以雄安新區建設、生態保護作為目標。

      因此,參考了有關修改Markov轉移矩陣的相關研究成果[46],其中,雄安新區土地利用結構與均衡發展情景一致,流域除雄安新區部分為整體實現生態用地保護目標,嚴格限制生態用地相關的林地、草地和水域向建設用地轉換,以保障整個流域的土地利用結構總體穩定。具體參數設置為將林地轉化為建設用地的速率減緩63%,轉移速率由原來的4.45%調整為2.80%;將草地轉化為建設用地的速率減緩50%,轉移速率由原來的10.92%調整為5.47%;水域由于基數過小,未進行限制;耕地、未利用地變化速率未進行限制。

      3 結果分析

      3.1 生態系統服務價值估算結果及變化特征

      3.1.1 1990—2020年研究區土地利用變化總體特征

      1990—2020年研究區利用變化總體特征呈現耕地面積大幅度減少,建設用地面積急速增加的趨勢。30年間耕地在研究區范圍內土地利用結構中占比最大,平均占比48.12%,總體來看耕地面積銳減,減少122776.99hm2,耕地面積減少率為7.21%;林地在研究區范圍內土地利用結構中面積占比僅次于耕地,且1990—2020年間林地面積變化不大,呈波動增長趨勢,從1193822.47hm2增加到1207925.59hm2,增加率為1.18%;與之相比,草地面積在30年間呈波動下降的趨勢,2010年達到峰值212026.37hm2,面積減少率為15.9%。

      隨著改革開放和京津冀協同發展等政策的推進,建設用地擴張速度也在不斷加快。1990—2020年建設用地面積從253926.75hm2增加到421296.49hm2,共增加了167369.74hm2,面積增長率高達65.91%;1990—2020年研究區水域面積呈現了先急速下降后小幅度回升的變化趨勢,總體來說,水域面積明顯減少,減少率為35.76%;未利用地占比較小,從研究區整體來看,面積變化不明顯。

      研究區在空間上土地利用總體特征為,西部以林地、草地為主,東部多為耕地和建設用地交錯分布,小部分為水域。這主要由于研究區地勢西高東低,西部以山地為主,東部為華北平原以及白洋淀流域。從4期研究區土地類型圖可以看出,城市的擴張是造成土地利用類型發生變化的關鍵因素。在快速的城鎮化過程中,耕地被大量侵占,為堅持生態文明建設和可持續發展,山林區域的耕地還林還草現象明顯,導致耕地面積進一步銳減,白洋淀流域也在城市的發展下逐步縮小,生態安全情況不容樂觀。

      3.1.2 1990—2020年研究區生態系統服務價值變化特征

      土地利用變化會引起生態系統服務價值的變化。1990—2020年研究區生態系統服務價值分別為852.59億元、788.26億元、796.95億元和784.68億元,總體呈波動下降的趨勢。

      其中,耕地的生態系統服務價值變化較多,30年間減少9.03億元,變化率為7.21%;林地對研究區的生態系統服務價值貢獻最大,四個時段分別為502.30億元、502.04億元、510.22億元和508.23億元,可以看出1990—2000年變化不明顯,2000—2020年價值量總體呈波動上升的趨勢,這是由于2000年以后林地面積小幅度增加;草地生態系統服務價值變化趨勢與其面積變化趨勢相同,1990—2020年波動下降,30年間ESV減少12.53億元。

      建設用地的生態系統服務價值為0;水域的生態系統服務價值僅次于林地,聯系表2可知,它憑借1%左右的面積占比提供了整個研究區12%左右的生態系統服務價值,然而由于城市快速發展的需要,建設用地的急速擴張使得一部分水域被侵占,導致水域的ESV下降為93.92億元,下降率為36.76%;未利用地由于其面積基數小,以及單位生態系統服務價值不高,對整個研究區的生態系統服務價值的影響幾乎可以忽略不計。

      總體來說,由于草地、水域等生態系統服務價值中貢獻較高的土地都在不同程度的減少,而不利于生態系統服務價值增加的建設用地急速擴張,導致30年間研究區整體生態系統服務價值下降明顯,減少率為81.25%。林地、水域和草地是生態系統服務價值的主要來源,嚴格保護林地、水域和草地等生態用地,對保護研究區的生態安全具有重要作用。

      4 結論與討論

      4.1 討論

      本研究在探討雄安新區建設引起的流域土地利用變化背景下,利用CA⁃Markov模型模擬趨勢延續、均衡發展和統籌發展等3種發展情景下2035年白洋淀流域的土地利用變化狀況,并評估白洋淀流域的ESV,在此基礎上分析ESV空間分布特征和集聚特征。不同發展情景下的流域生態系統服務價值差異較為明顯。趨勢延續情景延續了白洋淀流域在未設立雄安新區的背景下的用地需求,生態系統服務價值略有上升,基本實現流域生態文明建設與可持續發展。均衡發展情景兼顧了雄安新區與流域內其他縣市的建設用地需求,以適應于城鎮化的推進與增強社會經濟的發展的主要目標,生態系統服務價值略有上升,一定程度上有利于生態保護;統籌發展情景凸顯了國家戰略與生態約束高水平融合,滿足雄安新區土地利用急劇轉型的同時保障生態空間的面積。

      三種發展情景為未來流域生態建設與用地擴張提供了重要的參考,結合雄安新區發展戰略與流域實際發展需求選擇相應的情景以期為區域提供適用于未來用地空間發展模式的科學依據及理論支撐。白洋淀流域內市、縣的城鎮化水平在未來一段時間還將繼續上升,建設用地的快速擴張時期尚未完全結束,且又地處于資源環境承載能力較弱、水資源超載、景觀破碎、空氣質量治理任重道遠的華北地區,提升白洋淀流域的生態系統服務功能需求十分迫切[5,47]。因此,雄安新區作為生態城市建設的標桿,有必要探討在高質量發展背景下制定精細化、差異化的國土空間格局優化調控措施,協調與流域其他區域的發展目標。

      4.2 結論

      白洋淀流域由于獨特的地理位置,人類活動對流域內的土地利用結構變化有著顯著影響,本研究以土地利用變化為基礎,采用當量因子法估算4期生態系統服務價值,并借助CA⁃Markov模型,模擬不同情境土地利用格局,進而測算生態系統服務價值變化情況。主要結論如下:

      (1)1990—2020年白洋淀流域土地利用變化最明顯的特征是耕地面積銳減,建設用地迅速擴張,30年間耕地面積減少了122776.99hm2,建設用地增加了167369.74hm2。

      (2)1990—2020年研究區生態系統服務價值分別為852.59億元、788.26億元、796.95億元和784.68億元,總體呈波動下降的趨勢。30年間白洋淀流域快速城市化過程導致城市建設用地擴張侵占大量耕地、草地和水域等生態用地,使人地關系的矛盾加劇,破壞城市生態環境,甚至威脅城市生態安全。

      (3)在對白洋淀流域2035年3種情景模擬后發現,趨勢延續情景、均衡發展情景、統籌發展情景的生態系統服務價值依次為785.36億元、807.26億元、812.46億元,均高于2020年研究區生態系統服務價值。趨勢延續情景下,由于城市的快速擴張,平原地區耕地、水域受到影響,山地地區耕地、草地少部分轉化為林地和建設用地;均衡發展情景下,由于雄安建設規劃和白洋淀生態環境保護的要求,雄安新區范圍內林地、水域增加,其他地區保持不變;在統籌發展的情景下,白洋淀流域上游縣域城市建設放緩,生態用地增多,為整個流域的生態安全做出了貢獻。

      (4)從生態系統服務價值空間分布來看,白洋淀流域生態系統服務價值整體呈現西北高東南低的特點。不同情境下ESV熱點分布情況?傮w來說,研究區ESV值的熱點和冷點分布范圍較大且集聚性較強。

      生態論文范例: 基于生態系統服務的浙江省水生態環境分區分類管控

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      作者:高星1,2,楊劉婉青1,李晨曦3,宋昭穎1,王杰1

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