河北省宁晋县生态系统服务时空演变权衡分析

摘要  以宁晋县为研究区，基于土地利用/覆被社会经济统计资料等数据，评估不同时期的生态系统服务价值，分析其损益变化权衡关系的时空规律。结果表明：1995—2019年生态系统多功能性、生产功能和生态功能整体呈先增加后减少；气候调节、养分固持、气体调节功能呈增加趋势；水源涵养功能明显下降；污染物容纳功能持续降低。耕地面积减少导致流失的生态系统服务最大。生态系统多功能性、生态功能、水源涵养功能与其他功能由协同关系变为权衡关系。

关键词  生态系统服务价值；权衡分析；时空演变；土地利用

中图分类号  X171  文献标识码  A

文章编号  0517-6611（2024）04-0036-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.04.009

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Temporal and Spatial Variation Trade.offs Analysis of Ecosystem Services in Ningjin County of Hebei Province

ZHOU Li.na

（Baoding University，Baoding，Hebei 071000）

Abstract  Taking Ningjin County as the research area，base on the LUCC and social and economic statistics，the value of ecosystem services in different periods were estimated，the temporal and spatial change rule of the trade.off relationship between profit and loss were analyzed.The results showed that during 1995-2019，multi.functionality of ecosystem，production function and ecological function showed increased first and then decreased;the functions of climate regulation，nutrient fixation and gas regulation were showing an increasing trend; the water conservation function had significantly decreased; the pollutant containment function continued to decrease.The loss of ecosystem services caused by the reduction of cultivated land area was the most.Multi.functionality，ecological function，water conservation function and other functions of the ecosystem had changed from synergy to trade.off.

Key words  Ecosystem service;Trade.offs analysis;Temporal and spatial change;Land use

基金项目  河北省高等学校科学技术研究项目（ZC2021002）。

作者简介  周丽娜（1983—），女，河北廊坊人，讲师，硕士，从事农业资源与环境研究。

收稿日期  2023-03-21

生态系统服务是人类从生态系统中获得的所有收益，是人类生存和发展的基础［1］，然而随着社会发展和人类急剧增长对食物供给的要求不断增加，对生态系统造成巨大压力，生态系统服务能力正在受到严重削弱［2］，人类当前面临的多种生态问题的本质是由于生态系统功能与服务受到破坏与退化的后果［3-5］。国内外土地生态系统服务研究多采用遥感影像解译获取 LUCC 数据，应用 GIS 进行时空变化分析［6-19］，使用 InVEST 模型模拟生态系统服务［20-22］，为生态补偿［23-24］、生态安全格局构建［25-27］、土地利用管理与规划［28］提供基础信息。

宁晋县地处太行山东麓冲积平原，地势低平，境内有洨河、滏阳河等河流，是国家重要的商品粮生产基地，也是冀中平原重要的生态屏障区。如何通过合理调控土地利用保障粮食安全、缓解生态压力，实现不同类型生态系统功能协同发展是该区域面临的重要问题之一。笔者通过指标量化，研究宁晋县生态系统服务功能的价值变化，采用生态系统多功能的响应比进行权衡分析，为把握区域生态系统服务变化、构建生态安全格局提供研究依据。

1  资料与方法

1.1  数据来源

基础数据包括：①宁晋县1995、2003、2011、2019年4期土地利用基础数据，数据源为Landsat7 ETM、Landsat8-9 OLI数据。通过非监督分类和人工目视判读相结合的方法进行遥感解译分为6类用地，空间分辨率为30 m，混合矩阵检验Kappa系数在88%以上。②《河北省统计年鉴》《中国农产品成本汇编》等。

1.2  生态系统功能评价与研究方法

1.2.1  生态系统功能评价方法。

根据《中国生物多样性国情研究报告》［5］对生态系统功能进行经济价值评估，构建以下评估体系（表1）。森林和草地生态系统生态价值评估及相关系数计算参考《森林生态系统功能评估规范》［29］和相关研究［30-34］。

（1）生产功能。森林和淡水生产功能价值以林业和渔业总产值表示。农田和草地生态系统生产功能以农产品和牧草经济价值表示。计算公式如下：

EC=ni=1（gi×Yi）

Eg=Ac×Y草×H

式中：EC为农田生产价值（元）；i为主要作物种类（小麦、玉米、大豆、花生、棉花和蔬菜）；Yi为某作物当年产量（t/hm2）；gi为某农作物当年市场价格（元/t）。Eg为草地生产价值（元）；Ac为草地面积（hm2）；Y草为牧草产量（t/hm2），参考已有研究取2.53 t/hm2［30］；H为牧草价格（元/t），按照近年市场价800元/t计算。

（2）气候调节。农田生态系统气候调节包括固碳和释氧功能价值。按照作物每合成单位有机干物质所吸收的碳量和释氧量的方法［35］计算。计算公式如下：

MC=ni=1ci×Yi×（1-Wi）×T碳HIi

MO=ni=1ri×Yi×（1-Wi）×C制氧HIi

式中：MC 为农田生态系统碳蓄积量（ t/a）；MO 为农田生态系统氧气的释放量（ t/a ）；ci 为作物碳吸收率（%）；Yi 为作物经济产量（ t/a ）；Wi 为作物经济产品部分的含水量（%）；HIi为作物经济系数；ri为释氧量（t/a）;T碳根据瑞典碳税法，按 2018 年 8 月汇率计算为1 200元/t;C制氧为工业制氧价格1 000元/t。

（3）养分固持。农田生态系统养分固持价值可通过秸秆还田价值表示，参考秸秆资源相关研究［29，36］，秸秆养分折算计算方法如下：

FCN=ni=1［yi×Si×N耕×C1/R1］

FCP=ni=1［yi×Si×P耕×C1/R2］

FCK=ni=1［yi×Si×K耕×C2/R3］

FC=FCN+FCP+FCK

式中：FC为农田养分固持价值量（元）；Si为作物谷草比［37］；N耕、P耕、K耕分别为作物秸秆含N、P、K的百分比，根据相关研究计算作物养分含量［38］；R1、R2、R3分别为化肥磷酸二铵含氮量（%）、磷含量（%）、氯化钾化肥钾含量（%），按照14.00%、 15.01%、 50.00%计算;C1、C2采用 2007 年中国农业信息网公示平均价格磷酸二铵为2 400 元/t、氯化钾为2 200 元/t。

（4）水源涵养。水源涵养价值包括水源调节价值和水分净化价值。采用影子工程法和替代工程法进行估算［29］。耕地水源涵养价值计算如下：

W耕调节=10×Ag×（P-E耕-θ耕）×L1

W耕净化=10×Ag×（P- E耕-θ耕）×L2

式中：W耕调节为耕地水源调节价值（元）；W耕净化为水源净化价值（元）；P为降雨量（mm/a）；E耕为耕地水分的蒸散量（mm/a）；Ag为耕地面积（hm2）；θ耕为地表径流量（mm/a）；L1为修建水库的造价（元）；L2为水的净化费用（元）。依据文献［39］可知，耕地土壤年蒸发量为196.58 mm，地表径流系数以河北平原径流系数的平均值计算为32%［40］。

水域水源涵养功能经济价值计算公式如下：

W水调节=10×Aw×P×L1

W水净化=10×Aw×P×L2

式中：W水调节为水源涵养功能价值（元）；Aw为水域面积（hm2）；W水净化为水的净化价值（元）。其他指标同前。

（5）气体调节。

林地的气体调节功能主要计算SO2的吸收和阻滞粉尘的功能价值。参考《中国生物多样性国情研究报告》［5］取值。废气排污费按照河北省2020年的排污费收费标准计算。

（6）污染物容纳。

以农田化肥流失损失费用和农药、地膜污染造成产量经济损失来表征污染物容纳能力价值量。化肥流失污染计算公式如下：

LF=-ni=1（1-q）×（LN×1814×0.70.8+LP×14262×0.70.05）

式中：q为化肥利用率（%）;LN为折纯氮肥量（t）;LP为折纯P2O5肥料量（t）;18/14为N元素与氨氮的摩尔系数;0.8为氨氮的污染当量值;0.7为每当量污染物收费额;142/62为P2O5和元素P的摩尔系数;0.05为元素P的污染当量值。

地膜污染造成损失以农作物减产的经济损失表达，计算公式如下：

LG=-ni=1（Yi×di×Pi）

式中：Yi 为作物经济产量（t/a）;di为作物产量损失率（%）［41-42］;Pi为某作物的市场价格（元）。

农药污染损失的计算采用影子工程法，按农药主要成分氯氰菊酯参照工业水污染排污标准计算生产废水，以其生化需氧量BOD5污染收费来评估农药污染价值。计算公式如下：

LA=-Yi×T×LCOD×k×b

式中：Yi 为作物经济产量（t/a）;T为转位废水量（t/t）;LCOD为化学需氧量（mg/L）;k为COD与BOD5的转换系数［43］;b为每当量排污收费额0.7元。

1.2.2  权衡系数计算。

采用响应比［44］计算权衡系数C，反映生产功能增减比例与生态功能增减比例，权衡评价生态系统功能性，计算公式如下：

Cc-o=ln（Ec/Eo）+ln（Yc/Yo ）

RE=ln（Ec/Eo）