国土空间用地变化与生态系统服务价值时空演变关系
王可心 刘欣 张云路
摘要：
文章利用北京怀柔科学城2009年、2020年2期的卫星影像数据作为数据源，通过空间转移矩阵方法分析研究区域的国土空间用地类型转移及变化特征，运用价值当量因子评估法揭示研究区域内生态系统服务价值的空间分布差异及演变特征。结果表明：北京怀柔科学城耕地面积下降最多，主要转化为建设用地，而林地、草地、水体等用地类型也有一定程度的转移，但整体呈上升趋势;2009—2020年生态系统服务价值总量变化幅度不大，整体呈上升趋势，其中水体的生态系统服务价值增幅较大，其他用地类型的生态系统服务价值小幅上升，但耕地的生态系统服务价值呈下降趋势;国土空间用地变化与生态系统服务价值变化呈正相关关系，但生态系统服务价值的变化幅度相对于国土空间用地变化幅度较大。研究结果可为国土生态空间可持续管理提供科学参考。
关键词：
国土空间规划，土地利用，生态系统服务价值，时空演变，北京怀柔科学城
DOI：
10.12169/zgcsly.2021.04.14.0001
The Spatial-temporal relationship between Territory Land Use Change and Evolution of Ecosystem Service Value
Wang Kexin Liu XinZhang Yunlu
（School of Landscape Architecture， Beijing Forestry University， Beijing 100083， China）
Abstract：
Using the satellite image data of Beijing Huairou Science Town in 2009 and 2020 as the data source， the paper analyzes the characteristics of land use types shift and land use change in the study area using the spatial shift matrix method， and reveals the spatial distribution differences and evolution characteristics of ecosystem service value in the study area using the value equivalent factor assessment method. The results show that， according to the land use spatial shift matrix， arable land in Huairou Science Town has lost the most， which is mainly transformed into construction land， while forest land， grassland， water bodies and other land use types present an overall upward trend even though with certain extent of shifting. The ecosystem service value fall in a small change range with an upward trend of these， the ecosystem service value of arable land shows a decreasing trend， while the ecosystem service value of other land use types sees a rising trend， among which the water bodies have the largest increase. The territory land use change is positively correlated with the change of ecosystem service value， but the change of ecosystem service value is in larger range compared with the territory land use change. The study reveals the spatial-temporal relationship between territory land use change and ecosystem service value， which can provide scientific reference for sustainable management of national ecological space.
Keywords：territorial spatial planning， land use， ecosystem service value， spatial-temporal evolution， Huairou Science Town in Beijing
探究國土空间规划与生态系统服务价值之间的关联，能够更好地从生态系统的整体性角度保护生态系统结构、功能与资源的可持续供给能力，同时为国土空间规划提供更好的指引。生态系统服务关联着生态系统与人类福祉，是新时代推进生态优先的国土空间优化的重要内容。生态系统服务价值ESV评估是量化和评价生态系统服务能力的重要方法之一，是生态环境保护、环境经济核算的重要依据与基础[1-4] 。生态系统服务价值的评价方法已经非常成熟，现有关生态系统服务价值的评价方法主要有能值分析法[5] 、物质量评估法[6] 、价值当量评估法[7] 和生态足迹法[8] 等。随着我国城镇化进程的加快，国土空间用地类型、格局与用地强度发生了巨大的变化，并直接或间接影响到国土空间生态系统过程与格局，从而改变生态系统服务的提供能力，并深刻影响着城市生态系统安全和人类的福祉[9-10] 。
近年来，已经有诸多研究开始关注国土空间用地变化与生态系统服务价值之间的关系。有些学者先后运用经济定量评价方法评价生态系统服务价值[1] ，如从土地的时间演变角度探讨其對于生态系统服务价值的影响。王宁等[11] 研究了1990—2018年内蒙古土地利用变化及生态系统服务价值的变化关系;朱利英等[12] 研究了1980—2015年北运河流域土地利用时空变化及对生态系统服务价值的影响。也有学者研究不同土地利用类型演变过程中对于生态系统服务价值的影响，如叶延琼等[13] 研究了广州市农业生态系统服务价值变化特征;王永琪[14] 等基于县域尺度研究了珠江-西江经济带广西段土地利用变化对生态系统服务价值的影响。现有研究多从时间演变角度探究不同土地类型的演变特征及其对于生态系统服务价值的影响，但缺乏国土空间用地类型演变对于生态系统服务价值的空间分布影响的研究，对于国土空间用地类型演变与生态系统服务价值变化关系也尚不明确，无法科学把握国土空间用地变化对生态系统服务的作用机制。当前在新时代国土空间规划的新要求下，亟待开展土地利用驱动下的生态系统服务价值时空演变特征的研究，并进一步理清两者之间的定量关系，以便能够更加全面地为生态安全管控与土地利用优化提供依据，为国土空间规划提供科学指引。
怀柔科学城位于北京市怀柔区，是北京在“十三五”期间以国家重大科技基础设施为引领的综合性国家科学中心项目。自2009年中国科学院与北京市政府签署合作协议[15] 后，怀柔科学城开始步入快速发展阶段;直至2020年，随着近10年的城市化建设加快，怀柔科学城的建设用地快速扩张，城乡用地类型和空间结构也随之发生变化，其与毗邻的生态涵养区的冲突矛盾日益显现，进而影响到了区域国土空间发展质量和生态系统稳定。本文以怀柔科学城为研究对象，通过运用价值当量因子评估、土地空间转移矩阵分析等方法，期望达到如下研究目标：1）选取2009年和2020年国土空间利用具有明显变化的2个时段，分析研究怀柔科学城的国土空间用地类型转移及变化特征;2）探究在国土空间用地类型下的生态系统服务价值时空演变特点;3）探究国土空间用地类型演变与生态系统服务价值演变之间的定量关系和关联特征，结合政策导向提出优化路径，以期为研究区域生态安全管控和国土空间利用优化配置提供依据，也为同类型区域提供借鉴参考。
1 研究区概况
北京怀柔科学城位于北京市东北部，距离北 京中心城区约50 km，位于东经116°17′～116°63′， 北纬40°41′～41°4′[15] ，规划面积约为100.9 km2 。区域内分布雁栖河、牤牛河和沙河3条主要河道，总体地势较为平坦。主要的土地利用类型是耕地、林地、水域、草地和建设用地，总体上非建设用地分布广泛，自然条件优越。
2 研究方法
2.1 数据来源以及预处理
本研究所需土地利用数据均来源于2009年和2020年的Landsat TM和Landsat OLI-TIRS卫星影像数据（空间分辨率为30 m×30 m，数据来源于地理空间数据云网站），同时结合怀柔科学城的自然环境现状与土地资源特征，参照现行的《土地利用现状分类》（GB/T 21010-2017），将研究区域的用地类型分为耕地、林地、草地、水域、建设用地5类。
为了保证研究区域国土空间用地类型的解译精度，利用Envi 5.1软件平台对这2期影像进行解译获取土地利用数据，并以Google Earth中历史影像数据为参照对象做精度评价，将国土空间用地类型中的斑块数据与解译数据进行对比分析。经过Kappa系数检验，这2期影像解译结果总体精确度均大于90%，空间分类结果能够满足该研究要求。在ArcGIS 10.5软件平台的支持下，对相关数据进行统计、分析和制图。
2.2 国土空间用地变化分析
1） 国土空间用地类型转移矩阵计算方法。国土空间用地类型转移矩阵是对土地状态与转移状况的定量化描述，可以全面又具体地分析各国土空间用地类型的定量转变[16] 。本研究基于解译提取的2009年和2020年的国土空间用地类型数据（Shp格式），首先，利用Arc GIS10.5平台转换为同一投影系统（WGS_ 1984），进而统计2个时期各国土空间用地类型的面积;然后，对各时段国土空间用地类型矢量图层的同类数据进行合并，并叠加分析;最后，将数据导入Excel中建立研究区域的国土空间用地类型转移矩阵。
2） 国土空间用地动态度分析方法。国土空间用地动态度分析是研究土地利用演化的常用方法，主要用于定量探究特定区域范围内不同时段的各国土空间用地类型的变化强度和范围等，通常包括单一类型国土空间用地动态度和综合国土空间用地动态度2种[17] 。单一国土空间用地动态度用来表达一定时间范围内某种土地利用类型的数量变化，它可以直观反映不同国土空间用地类型变化的速度与幅度，对于理解和预测国土空间用地格局有很重要的作用;而综合土地利用动态度用来描述区域国土空间用地的变化率，是测算特定区域内国土空间用地类型整体变化速度和强度的重要指标之一，其主要用于反映人类各种活动对区域整体国土空间用地变化的影响。
2.3 生态系统服务价值（ESV）评估
本研究基于生态价值货币当量化的评估方法，在不同土地利用类型生态系统服务价值当量因子的计算方法中引用Costanza等[17] 于1997年发表的用于全球自然资产评估的方法，该方法针对不同的生态系统以及生态因子进行计算，但并不适用于某一特定区域的研究。因此，本文参考了我国学者谢高地等[7] 修订的生态系统服务价值当量因子，结合研究区域的特征，构建适合本研究区域的土地利用单位面积ESV当量因子（表1）。
根据相关研究成果[7] ，确定全国一个标准单位生态系统生态服务价值当量因子的经济价值为1 971.5元/hm2 ，同时结合北京地区的具体情况，对于研究区域的一个标准单位生态系统生态服务价值当量因子的经济价值进行修正，以此核算研究区域各用地类型的生态系统服务价值，计算公式如式（1）：
ESV=Σ j （VC j ×A j ）（1）
式（1）中：
VC j 是第 j 类用地单位面积的生态服务价值（元/hm2 ）; A j 为第 j 类土地的面积（hm2 ）。
3 结果与分析
3.1 用地类型变化特征
1） 国土空间用地转移矩阵。基于研究区域2009年、2020年2个重要时期的土地遥感解译数据（图1），通过分析怀柔科学城国土空间用地类型随时间变化的特点，得出国土空间用地类型转移矩阵（表2），结果表明：随着怀柔科学城的建设与发展，各类型用地之间相互转化，耕地主要转化为建设用地、林地、水体与草地，转化面积 分别为16.47 km2 ，2.14 km2 ， 1.25 km2，0.70 km2 ; 林地主要转化为建设用地、耕地、草地与水体，转化面积分别为 1.10 km2，0.52 km2 ，0.05 km2 ，0.03 km2 ;草地主要转化为林地、建设用地、耕 地，转化面积分别为0.12 km2 ，0.12 km2 ，0.10 km2 ; 水体有0.56 km2 转化为建设用地，0.12 km2 转化为林地，0.11 km2 转化为耕地;城镇建设用地的变化不明显，主要转化为耕地与林地，转化面积分别为0.26 km2 和0.06 km2 。
2） 国土空间用地动态度。单一国土空间用地动态度分析结果表明，研究区域的草地动态度变化幅度最大，为0.114%;随着科学城的建设持续加快，建设用地扩张明显，建设用地动态度为0.058%;水体变化的动态度为0.053%;林地变化动态度为0.013%;耕地呈减少趋势，其动态度为-0.027%。整体而言，北京怀柔科学城自2009年开始建设至今，耕地受到一定程度的侵占，但林地、草地、水体面积均有所上升，综合国土空间用地动态度为0.045%。
3.2 生态系统服务价值演变特征分析
基于全国一个标准单位生态系统生态服务价值当量因子的经济价值，对研究区域的生态系统服务价值当量因子进行修正，得到研究区域一个标准单位当量因子的经济价值为2 146.8元/hm2 。根据北京怀柔科学城各地类生态系统服务价值系数得到该区域单位面积生态系统服务价值（表3）和2009年、2020年各用地类型的生态系统服务价值（表4）。由表4可知，2009年生态系统服务价值总量为8 260万元，2020年为8 600万元，说明生态系统服务价值总量变化幅度不大，但整體呈上升趋势。水体的生态系统服务价值增长幅度 最大，由2009年的2 260万元增长到2020年的 3 570 万元;林地的生态系统服务价值由 1 740 万 元增长至1 980万元;草地的生态系统服务价值由30万元增长至70万元;但耕地的生态系统服务价值呈下降趋势，由4 230万元下降至 2 980 万元。
3.3 生态系统服务价值空间分异格局
由2009年、2020年2个时期内的生态系统服务价值空间分异格局分析结果可知，2009—2020年北京怀柔科学城生态系统服务价值的空间分布上总体呈现 以中部农田、林地以及雁栖河、牤牛河、沙河流域周边为主的生态系统服务价值高值集聚区（图1、图2）。沙河西侧大面积的城镇建设用地以及东侧零散分布的村庄区域呈现出生态系统服务价值低值集聚区。随着时间的推移，研究区域生态系统服务价值高值集聚区由原有的大面积集中式分布，逐渐演变为多点集中式分布;生态系统服务价值低值集聚区主要表现为研究区域西侧大面积集聚区逐渐向东侧蔓延，而东部以各个村庄为中心零散分布的生态系统服务价值低值集聚区逐渐向四周蔓延，并粘连在一起。
3.4国土空间用地变化与生态系统服务价值演变关系
通过分析国土空间用地变化度和生态系统服务价值在不同时间内的变化幅度（图3），结果表明，生态系统服务价值的变化与国土空间用地面积的变化呈正相关关系，不同国土空间用地类型面积的变化会引起生态系统服务价值较大幅度的增加或减少。在2009—2020年，林地和草地的用地面积小幅度增加，其生态系统服务价值也有一定量的增加;耕地的面积大幅减少，相应的生态系统服务价值也大幅减小。而水体与草地面积小幅度增大，其生态系统服务价值的增长却极为显著。
4 结论与建议
4.1 结论
研究区域的国土空间用地类型中，耕地面积下降最多，耕地和林地均主要转化为建设用地;草地与水体向其他用地类型的转化面积较少。国土空间用地动态度中，林地、草地、水体、建设用地的单一用地类型动态度均为正值，耕地的单一用地类型动态度为负值，综合国土空间用地动态度为0.045%。
生态系统服务价值中，2009年耕地的ESV贡献值最大，2020年水体ESV贡献值最大。从ESV空间分布看，2009年生态系统服务价值高值集聚区分布较为广泛，低值集聚区主要分布在研究区域的西侧，面积相对较小;2020年生态系统服务价值高值集聚区分布逐渐分散，面积逐渐缩小，而低值集聚区在原有的基础上向外扩张，面积不断扩大。
国土空间用地变化对生态系统服务价值的影响较大，两者呈正相关关系。随着耕地面积的减少，其生态系统服务价值随之减少，而林地、草地、水体的生态系统服务价值随着其面积的增加而增加。耕地、水体、林地3类用地的变化对生态系统服务价值的影响较大，而草地的变化影响较小。
4.2 建议
研究结果表明，生态系统服务价值的变化幅度大于国土空间用地面积的变化幅度。虽然耕地面积大幅下降，林地、草地、水体面积小幅上升，但整体的生态系统服务价值仍呈上升趋势，原因在于生态系统服务价值系数中，水体的调节服务价值系数远大于其他用地类型，从而使怀柔科学城的总体生态价值能够保持相对稳定，不会因耕地面积减小而下降过快。因此，为提升怀柔科学城的生态系统服务价值，实现该区域的绿色可持续发展，必须维持水体等生态用地的环境质量，做好非建设用地中生态资源的保护工作。综合北京怀柔科学城的国土空间用地演变状况以及生态系统服务价值演变，建议根据最新的土地利用影像数据，对中部区域的草地、林地、水体等用地要加强保护，避免城市建设过程当中对其侵蚀，保证生态系统服务价值的最大化;耕地应特别加强管理，防止耕地出现大面积的退化，基本农田的保护治理工作要加强落实;在兼顾当地经济发展的前提下，实现建设用地的高效集约利用，避免其对于其他用地的侵占。
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