水土资源

山西中部城市群生态系统服务对土地利用格局变化的响应

  • 吴朝巧 , 1, 2 ,
  • 林菲 2, 3 ,
  • 牛俊杰 , 2, 3 ,
  • 耿甜伟 1, 2
展开
  • 1.太原师范学院地理科学学院,山西 晋中 030619
  • 2.太原师范学院,汾河流域科学发展研究中心,山西 晋中 030619
  • 3.太原师范学院,汾河流域地表过程与资源生态安全山西省重点实验室,山西 晋中 030619
牛俊杰. E-mail:

吴朝巧(1999-),女,硕士研究生,主要从事生态系统服务与国土空间修复研究. E-mail:

收稿日期: 2024-03-06

  修回日期: 2024-04-10

  网络出版日期: 2025-08-14

基金资助

山西省哲学社会科学规划课题(2022YJ098)

教育部人文社会科学研究规划基金项目(19YJAZH066)

山西省基础研究计划(202203021222243)

山西省高等学校人文社会科学重点研究基地项目(20200133)

Response of ecosystem service to land use pattern change in the Shanxi central urban agglomeration

  • WU Zhaoqiao , 1, 2 ,
  • LIN Fei 2, 3 ,
  • NIU Junjie , 2, 3 ,
  • GENG Tianwei 1, 2
Expand
  • 1. Institute of Geographical Sciences, Taiyuan Normal University, Jinzhong 030619, Shanxi, China
  • 2. Research Center for Scientific Development in Fenhe River Valley, Taiyuan Normal University, Jinzhong 030619, Shanxi, China
  • 3. Shanxi Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology Security in Fenhe River Valley, Taiyuan Normal University, Jinzhong 030619, Shanxi, China

Received date: 2024-03-06

  Revised date: 2024-04-10

  Online published: 2025-08-14

摘要

山西中部城市群是山西省经济发展态势最好的区域,这种经济增长却伴随着生态系统不同程度的破坏。本文基于土地利用格局演变,运用InVEST模型、ArcGIS技术、像元统计分析和四象限模型等方法,评估2000—2020年产水、粮食供给、土壤保持和碳储量服务的时空格局及权衡/协同关系,并深入分析了土地利用格局对生态系统服务的影响。结果表明:(1) 山西中部城市群产水量、粮食供给和土壤保持逐年增加,而碳储量则缓慢递减,不同地类和行政区所提供的生态系统服务能力存在显著差异。(2) 空间格局上,生态系统服务整体以协同关系为主,粮食供给、产水量和土壤保持三者互为协同关系,而与碳储量均为权衡关系。(3) 建设用地扩张对产水服务产生正向影响,林地增加促进土壤保持,而林地和草地减少对碳储量产生负向影响;土地利用强度与产水量、粮食供给、土壤保持之间整体呈正相关关系,但对碳储量的影响却呈现负向趋势。这些结果为山西中部城市群及其他类似地区的生态安全建设和可持续发展提供重要参考。

本文引用格式

吴朝巧 , 林菲 , 牛俊杰 , 耿甜伟 . 山西中部城市群生态系统服务对土地利用格局变化的响应[J]. 干旱区研究, 2024 , 41(7) : 1153 -1166 . DOI: 10.13866/j.azr.2024.07.07

Abstract

The Shanxi central urban agglomeration is the region with the best economic development in that province. However, this economic growth is accompanied by varying degrees of damage to the ecosystem. Based on the evolution of land use patterns, methods such as the InVEST model, ArcGIS, pixel statistical analysis and the four-quadrant model to assess the spatiotemporal patterns and trade-offs/synergies of water yield, food provision, soil conservation, and carbon storage services from 2000 to 2020, and to analyze in depth the impact of land use patterns on ecosystem services. The results showed that (1) Shanxi central urban agglomeration services of water yield, food supply, and soil retention elevated over the years, while carbon storage diminished marginally, with significant discrepancies in the ecosystem service capacities across various land types and administrative regions. (2) Ecosystem services overall are primarily characterized by synergistic relationships; food supply, water yield, and soil conservation are synergistic, whereas all maintain a trade-off relationship with carbon storage. (3) Expansion of built-up land positively impacts water yield, increased forest land promotes soil conservation, while reduction of forest and grassland negatively impacts carbon storage. Land use intensity was positively correlated with water yield, food supply, and soil retention, yet adversely affected carbon storage. These findings provide critical reference points for the ecological security and sustainable development of Shanxi central urban agglomeration and other similar regions.

从生态系统为人类提供“服务”[1]理念的提出,国际生态系统评估报告[2]的发布,以及政府和国际组织对生态系统服务政策的实施,目前,生态系统服务已成为环境保护和可持续发展研究领域前沿。生态系统服务指自然系统为人类社会提供的直接和间接的恩惠和资源,如食物生产、气候调节、生物多样性维护等[3-4]。生态系统服务之间存在权衡和协同关系[5],即一种服务的增加可能导致另一种服务的降低,或者两种服务同增同减[6]。土地利用变化是生态系统变化的重要原因,通过改变生态系统类型、格局直接影响生态系统服务[7]。因此正确认识土地利用对生态系统服务的影响,有助于土地资源的合理配置和区域经济的协同发展。
国内外学者已开展大量研究,探讨土地利用对生态系统服务的影响,取得重要成果。例如,2001年Kreuter等[8]强调了土地覆被在生态系统服务时间序列研究中的重要性,开启了相关研究;谢高地等[9]改进了Costanza的方法,建立了更适合中国国情的生态系统服务评估模型,推动了相关研究在国内的快速发展。近年来,国内对土地利用影响生态系统服务的研究主要集中在土地利用转移矩阵和动态度方面,对土地利用强度的影响研究较少[10-12]。然而,深入探讨土地利用强度与生态系统服务的关系,能够揭示人类活动对生态系统的影响规律,这对于协调人与自然关系具有重要意义。
山西中部城市群是山西省人口最多、经济发展水平最高、土地利用强度最活跃的区域。城市化水平提高,导致社会经济活动增加,进而影响生态系统,降低生态系统服务水平。本研究选取山西中部城市群作为案例,综合运用遥感数据、气象数据、社会经济数据等多元数据源,以及InVEST模型、ArcGIS空间分析等多种分析方法,系统评估了2000—2020年山西中部城市群四种关键生态系统服务的时空变化特征及相互关系,并探讨生态系统服务对土地利用格局变化的响应。研究结果对科学调整土地利用开发策略及实现生态和经济可持续发展目标具有重要参考价值。

1 研究区概况与方法

1.1 研究区概况

山西中部城市群(110°20′E~114°05′E,36°40′N~39°50′N)是山西省的政治、经济、文化和科技中心,范围包括太原市、晋中市、吕梁市、忻州市和阳泉市5个地级市(图1),占山西省总面积的47.3%,地形多样,气候属暖温带大陆性季风气候。山西中部城市群高质量发展规划中明确提出了同保联治、加强生态保护修复、建设绿色低碳宜居城市等措施,以促进高质量发展。然而,作为典型的资源型城市,长期的不合理产业结构和高强度的能源开采严重破坏了生态环境,制约了生态系统服务建设和高质量发展。
图1 研究区位置

Fig. 1 Location of the study area

1.2 数据来源

本研究所采用的主要数据包括土地利用、气象、DEM、NDVI以及粮食产量等数据。土地利用数据来自中国科学院资源环境科学与数据中心的中国多时期土地利用/土地覆被遥感监测数据集,空间分辨率为30 m(https://www.resdc.cn),参照其土地分类系统,结合山西中部城市群土地利用类型特点,将研究区土地类型分为6种类型,依次是耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地。NDVI数据来自国家科技资源共享服务平台(http://www.nesdc.org.cn/)。DEM数字高程数据来源于地理空间数据云(https://www.gscloud.cn/)。气象数据如降雨量和潜在蒸散发来自中国气象数据网(http://data.cma.cn)。社会经济数据如粮食产量来源于山西及各地市统计年鉴。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用强度

土地利用强度(Land Use Intensity,LUI)用于测度人类活动对土地利用格局的干扰程度,相关赋值参考韩增林等[13]的研究结果。

1.3.2 生态系统服务评估方法

参照Peng等[14]以城市为中心的生态系统服务研究,选取产水量(WY)、粮食供给(FP)、土壤保持(SR)和碳储量(CS)四种服务。选取依据为:研究区处于汾河流域关键水源涵养区,因此评估产水服务对地区水资源管理调控至关重要;此外,城市化扩张和耕地减少的问题日益突出,评估其粮食供给服务对区域粮食安全具有重要意义;鉴于该地区林地、草地面积占主导地位,评估土壤保持能力对维持生态系统稳定具有重要作用;在碳中和全球目标下,研究其碳储量变化有利于推进碳中和建设。
(1) 产水服务
采用InVEST模型中产水评估(Water Yield)模块对山西中部城市群产水服务进行评估,具体计算方法如下[15-16]
W Y x = 1 - Α Ε Τ x Ρ x × Ρ x
Α Ε Τ x Ρ x = 1 + Ρ Ε Τ x Ρ x - 1 + P Ε Τ x Ρ x W 1 W
Ρ Ε Τ x = Κ c x × E T O x
W x = Ζ Α W C x P x + 1.25
式中: W Y x Ρ x分别表示栅格 x的年产水量(mm)、年均降水量(mm); P Ε Τ x Α Ε Τ x表示栅格 x的潜在蒸散量与实际蒸散量(mm); Κ c x为栅格 x作物蒸散发系数, E T O x为植被蒸散量(mm); Α W C x为栅格 x的植物有效含水量(mm); W x为经验参数;Z为季节常数,取值[1,30],根据《山西统计年鉴》和《山西水资源公报》的实际产水量对模型所得产水量不断进行验证,最终2000年、2010年、2020年的Z取值分别为6.23、13.50和4.67。
(2) 土壤保持服务
使用InVEST模型中的沉积物保留模块(Sediment Retention)修正土壤流失方程(RUSLE),以估算山西中部城市群土壤保持能力,公式如下:
S R x = R K L S x - U S L E x
R K L S x = R x × K x × L S x
U S L E x = R x × K x × L S x × P x × C x
式中: S R x为栅格 x的土壤保持量(t), R K L S x U S L E x表示栅格 x的潜在土壤侵蚀量(t)和实际土壤侵蚀量(t); R x K x L S x分别为栅格 x的降雨侵蚀力因子、土壤可侵蚀因子和坡长坡度因子, P x C x表示栅格 x的水土保持措施和植被覆盖因子,均为无量纲单位。PCK因子及详细计算方法参考相关文献及InVEST模型用户指南赋值[17-18]
(3) 粮食供给服务
研究证明归一化植被指数(NDVI)与农作物呈显著线性关系[19],结合山西中部城市群的耕地栅格NDVI,空间化分配粮食产量,确定各栅格的粮食供给能力[20-21],粮食数据来源于山西省统计年鉴。计算方法如下:
F P i = N D V I i N D V I s u m × F Ρ s u m
式中: F P i表示栅格i的粮食供给服务(t); F Ρ s u m表示研究区粮食总产量(t);NDVI表示栅格i的归一化植被指数, N D V I s u m表示各栅格归一化植被指数之和。
(4) 碳储量服务
采用InVEST模型中碳储量模块(Carbon Storage)进行评估。陆地生态系统的碳密度包括地上、地下、土壤和死亡有机质中的碳密度,通过各地类的面积乘以4种碳库的碳密度再求和得到研究区总碳储量,相关碳密度数据参考已有研究结果[22-24]
C i = C i - a b o v e + C i - b e l o w + C i - d e a d + C i - s o i l
C t o t a l = i = 1 n C i × A i
式中: C i为地类 i的总碳密度(t·hm-2); C i - a b o v e C i - b e l o w C i - d e a d C i - s o i l分别为地类 i的地上、地下、土壤和死亡有机质中的碳密度(t·hm-2); C t o t a l为各地类的总碳储量(t), A i为地类 i的面积(hm2),n为土地利用类型的种类。

1.3.3 权衡与协同分析

本研究采用Spearman相关系数法评估不同时段生态系统服务间的权衡和协同关系并对相关系数进行显著性检验,借助R语言和ArcGIS软件进行空间格局分析。

1.3.4 四象限模型

四象限模型最初是用于房地产市场的变化分析,随着不同学科间的融合,其应用范围逐渐扩展至生态学领域[25]。本研究以县域为研究单元,采用四象限模型对生态系统服务和土地利用强度进行相关性分析并对其进行空间化展示。

2 结果与分析

2.1 山西中部城市群土地利用格局演变

2000年、2010年和2020年山西中部城市群土地利用以草地和耕地为主,面积占比均超过63%(表1)。近20 a耕地面积缩减最为显著,减少了1530.43 km2,林地和草地分别减少320.82 km2和350.59 km2;面积增幅最大的为建设用地,共增加了2239.74 km2,2010年后增速有所减缓。水域和未利用地呈现“先减后增”的趋势。空间分布上,耕地和建设用地主要分布在城镇周边人口密集区域;而林地主要分布在吕梁山、太行山等山脉地区,草地主要集中在吕梁山及五台山周围(图2)。这种变化的主要原因是城市化进程加速导致耕地、草地和林地减少,建设用地不断扩张。
表1 土地利用类型面积及变化

Tab. 1 Area and changes of land use types

土地利用
类型
2000年 2010年 2020年 2000—
2010年
2010—2020年 2000—
2020年
面积/km2 占比/% 面积/km2 占比/% 面积/km2 占比/%
耕地 23892.18 32.21 22451.25 30.27 22361.75 30.15 -1440.93 -89.5 -1530.43
林地 22044.32 29.72 21832.14 29.44 21723.50 29.29 -212.18 -108.64 -320.82
草地 25970.25 35.01 25874.22 34.88 25619.66 34.54 -96.03 -254.56 -350.59
水域 613.53 0.83 571.41 0.77 574.46 0.77 -42.12 3.05 -39.07
建设用地 1625.35 2.19 3416.67 4.61 3865.09 5.21 1791.32 448.42 2239.74
未利用地 24.98 0.04 24.93 0.03 26.16 0.04 -0.05 1.23 1.18
图2 土地利用类型(a)和土地利用强度(b)时空分布

Fig. 2 Spatiotemporal distribution of land use types (a) and land use intensity (b)

以县为单元测算山西中部城市群2000—2020年土地利用强度(图2)并分为五个等级(高、中高、中等、中低、低)。2000年、2010年和2020年平均土地利用强度分别为2.36、2.39和2.41,变化率为0.05,呈缓慢升高趋势。空间上,2000—2020年高强度和中高强度区域主要分布在中部建设用地上;中等强度区域大部分集中在草地上,小部分集中分布在忻州和晋中的耕地和建设用地上;中低、低强度区域与林地和草地分布特征基本一致。整体来看,山西中部城市群土地利用强度年际变化保持基本稳定,但空间差异明显。

2.2 山西中部城市群生态系统服务时空格局

2.2.1 产水服务

山西中部城市群2000年、2010年和2020年的产水总量分别为34.43×108 m3、41.28×108 m3和56.78×108 m3,总增长22.35×108 m3,其中2010—2020年的增量较显著(图3)。空间分布上,2000年、2010年和2020年平均产水量分别为46.77 mm、55.92 mm和76.87 mm,2000年产水高值区主要位于忻州市及中部地区的建设用地,2010—2020年扩大至晋中市和阳泉市部分地区,这主要归因于该区域降水量增加及城市化的快速发展,人造地表不断增加。整体来看,山西中部城市群2000—2020年产水量呈逐期递增趋势,表现为南高北低分布格局。
图3 山西中部城市群产水量时空分布及变化

Fig. 3 Spatiotemporal distribution and changes of water yield in Shanxi central urban agglomeration

2.2.2 碳储量服务

山西中部城市群2000—2020年的总碳储量呈逐期下降趋势,2000年、2010年和2020年分别为942.19×106 t、930.25×106 t、926.30×106 t。空间上,高碳储量区域与林地、草地分布保持一致(图2图4);低碳储量集中区域与建设用地扩张范围相吻合,2000年低碳储量地区主要分布在中部盆地、谷地地区,2010年到2020年随着建设用地的增加,低碳储量区域也有所增加。从变化上看,2000—2010年和2010—2020年碳储量减少区域集中在城市周边和部分草地,尤其是靠近城市中心的地区,但整体上近20 a碳储量变化幅度很小,无变化区域占大部分。
图4 山西中部城市群碳储量时空分布及变化

Fig. 4 Spatiotemporal distribution and changes of carbon storage in Shanxi central urban agglomeration

2.2.3 土壤保持服务

山西中部城市群的土壤保持量自2000—2020年呈逐年递增趋势,2000年、2010年和2020年平均土壤保持量分别为25019 t· km-2、25581 t·km-2和35649 t·km-2图5)。空间分布显示,高值区域位于吕梁山系、忻州东部衡山、五台山、晋中东部太行山脉和东南部灵石县境内太岳山脉部分区域,由于植被覆盖度密集,以森林和草地为主,截留和拦蓄功能较强有利于水土保持[26]。低值区域则集中在中部忻定盆地、太原盆地和汾河谷地等地,地势平缓,以耕地和建设用地为主,加上人口密集,加速了土壤流失。在年际变化方面,2000—2010年,东部和中部小区域土壤保持能力有所减弱,2010—2020年则增强,但忻州西北的偏关县地区出现轻微下降,忻州市滹沱河和中部汾河水库等流域小地区基本保持不变。
图5 山西中部城市群土壤保持时空分布及变化

Fig. 5 Spatiotemporal distribution and changes of soil conservation in Shanxi central urban agglomeration

2.2.4 粮食供给服务

2000年、2010年和2020年山西中部城市群粮食供给平均为160.57 t·km-2、208.14 t·km-2和221.18 t·km-2图6),同时,粮食供给总量也在增加,从2000年267.7×104 t增加到2020年的494.0×104 t。这得益于山西省实施的农业鼓励政策、粮食综合生产能力提升工程和农业机械化推进工程等措施。空间分布显示两个集中区,一个位于忻定盆地、太原盆地和晋中地区,该区域地势平坦、水源较充足,适宜农业生产;另一个分布在吕梁西部、忻州西北及阳泉地区,地势较低,主要土地利用类型为耕地和草地。2000—2010年晋中和忻州粮食供给增长相对显著,吕梁、阳泉也有所增长,2010—2020年增长幅度明显小于前一时段,但近20 a粮食供给整体呈上升态势。
图6 山西中部城市群粮食供给时空分布及变化

Fig. 6 Spatiotemporal distribution and changes of food provision in Shanxi central urban agglomeration

2.3 生态系统服务能力的地类差异及区域异质性

2.3.1 不同地类生态系统服务能力差异

山西中部城市群不同地类生态系统服务能力差异,用玫瑰图显示均值标准化处理后的结果(图7)。建设用地和未利用地产水服务能力最强,耕地在粮食供给服务方面表现最佳;林地的土壤保持服务能力最强,其次是草地;碳储量服务按照地类从高到低依次为林地、草地、耕地、未利用地、建设用地和水域;水域提供的各类生态系统服务接近为0。
图7 山西中部城市群不同地类生态系统服务能力对比

Fig. 7 Comparison of ecosystem services ability of diffrent land use types in Shanxi central urban agglomeration

2.3.2 不同行政区生态系统服务能力差异

基于ArcGIS软件对研究区各行政单元(以地级市为主)相同地类生态系统服务进行分区统计并进行标准化处理。在土壤保持服务中,选择了林地、草地和耕地三种提供土壤保持服务较高的典型地类进行分析,其他地类差异极小;因粮食供给仅涉及耕地,选择耕地进行分区统计;在产水服务中,水域和未利用地总面积占比不到1%,因此只考虑了主要地类(耕地、林地、草地、建设用地);在碳储量服务中,选择林地、草地和耕地碳汇比较高的地类,同时这3种地类也是山西中部城市群主要用地类型。
晋中市的耕地、林地、草地和阳泉市的建设用地在产水服务方面最强,得益于地处高降雨区且建设用地较多(产水多且不易下渗)。忻州市的耕地和草地碳储量最强,吕梁市的林地碳储量最佳。此外,忻州市也是耕地、林地、草地土壤保持和耕地粮食供给的高值区。综合生态系统服务各方面能力来看,忻州市各类生态系统服务水平较高,太原市则较低,阳泉市除了产水服务较高外,其余生态系统服务水平均偏低(图8)。政府在决策时需注重区域间生态系统服务的整体稳定性。
图8 山西中部城市群不同地级市生态系统服务能力对比

Fig. 8 Comparison of ecosystem services ability of different prefecture-level cities in Shanxi central urban agglomeration

2.4 山西中部城市群生态系统服务权衡与协同关系

2.4.1 权衡和协同相关系数

静态时间尺度上2000年、2010年和2020年4种生态系统服务相关性均通过0.01水平上显著检验,即生态系统服务之间存在显著的权衡或协同关系(表2)。WY和FP表现为协同关系,而WY与CS和SR呈现权衡关系,相关系数先减小后增大。FP与CS和SR呈权衡关系,CS和SR表现为协同关系,相关性变化整体均比较稳定。
表2 生态系统服务权衡/协同关系的相关系数

Tab. 2 Correlation coefficient of ecosystem services trade-offs/synergies

生态系统服务 WY和FP WY和CS WY和SR FP和CS FP和SR CS和SR
2000年相关系数 0.28** -0.80** -0.31** -0.47** -0.37** 0.50**
2010年相关系数 0.08** -0.59** -0.08** -0.46** -0.36** 0.46**
2020年相关系数 0.24** -0.77** -0.29** -0.46** -0.37** 0.47**

注:**表示在0.01水平上显著相关。WY、FP、CS和SR分别为产水量、粮食供给、碳储量和土壤保持。

2.4.2 权衡和协同空间格局

基于像元尺度对山西中部城市群2000—2020年生态系统服务间动态相互关系进行空间制图,并对结果进行显著性检验,划分为6个等级[27]。山西中部城市群的生态系统服务整体表现为协同关系(图9),粮食供给和产水量、粮食供给和土壤保持、土壤保持与产水量两两以协同关系为主,像元占比分别为74.88%、90.79%和76.50%,主要分布在南部;碳储量与粮食供给、土壤保持和产水量均为权衡关系,主要原因是近20 a研究区碳储量呈缓慢下降趋势,而粮食供给、产水量和土壤保持呈增加趋势。
图9 2000—2020年生态系统服务权衡与协同关系的空间格局

Fig. 9 Spatial pattern of ecosystem services trade-offs and synergies from 2000 to 2020

2.5 山西中部城市群土地利用对生态系统服务的影响

2000—2020年山西中部城市群的土地利用覆被对生态系统服务产生重要影响(表1图2~图6)。建设用地扩张对产水服务影响最大,林地和草地略微下降,对碳储量产生负向影响,而2010年后林地增加对土壤保持具有积极影响。采用四象限模型分析土地利用强度和生态系统服务的相关性,I、II象限分别代表随着土地利用强度增加,生态系统服务变好、变差,III、IV则完全相反[28]。由图10可知,产水量、粮食供给和土壤保持与土地利用强度大部分地区呈正相关关系,I、III象限县域占比较多,主要分布在忻州和吕梁地区,反映了生态系统服务退化可能受非人为因素影响较大。而碳储量与土地利用强度呈负相关,II、IV象限占比较大,尤其第IV象限占比最大,广泛分布在忻州和晋中大部分地区及太原市阳曲县、娄烦县、古交市,该地区土地利用强度降低碳储量会提升。
图10 2000—2020年土地利用强度和生态系统服务的相关性

Fig. 10 Correlations between land use intensity and ecosystem services from 2000 to 2020

3 讨论

山西中部城市群2000—2020年产水、土壤保持服务增加,而碳储量服务则减少,这与相关研究结果[29]基本一致。在退耕还林(草)工程和水土流失综合治理下,土壤保持能力有所提升,殷宝库等[30]也表明黄河中游地区近20 a来土壤侵蚀状况有所好转。生态系统服务和土地覆被类型有密切联系[31],使用生态系统服务玫瑰图清晰展示了不同地类生态系统服务能力差异,林地在碳储量服务方面具有优势,因此在城市规划中应重点增加城市绿地面积,以提高生态系统的调节能力。同时,对于生态系统服务能力较强的区域,如北部的忻州区域,政府应加强对林地的保护,控制建设用地的扩张,以保障该地区生态系统服务的稳定性。
不同角度、尺度生态系统服务权衡协同关系具有差异[32-33]。从静态时间角度,土壤保持和碳储量表现为较稳定的协同关系。动态空间角度,土壤保持和碳储量则呈权衡关系。原因在于前者以整个研究区为尺度计算各年份相关系数,后者以栅格单元为尺度探究空间一致性与地区差异性。空间变化上,碳储量和土壤保持为权衡关系,这与任娟等[29]对黄河中游研究结果相似。产水量和土壤保持、粮食供给之间存在协同关系,这与已有研究结果相符[34-35]。但也有一些地区存在差异,如韩磊等[36]对延安市的研究发现产水服务与其他生态系统服务呈权衡关系,这可能受降水和蒸散影响不同。因此,在未来的研究中,应考虑多角度、多区域尺度下生态系统服务之间的关系。
土地利用强度四象限模型结果可以更好反映受人类活动影响下的生态系统服务空间分布。尽管研究区产水、粮食供给、土壤保持服务受Ⅰ、Ⅲ象限非人为因素影响区域较大,但也要重点关注Ⅱ、Ⅳ象限这些受人类活动影响的小区域,土地利用强度的加强、减弱,对应生态系统服务退化和提升,尤其Ⅱ象限区域为土地利用高强度区,要注意调整人类活动以促进区域整体生态系统服务水平的提升。四象限分别表示不同土地利用强度的生态系统服务变化状况,未来研究区生态保护和修复应以四象限为基准,参考相应对策。Ⅰ象限区域在遵循自然规律的前提下,应继续维持生态系统服务供给水平;Ⅲ象限区域可结合自然资源条件,适当加强人为因素影响作用,提高生态系统服务能力;Ⅱ、Ⅳ象限区域需要减弱土地利用强度对生态系统服务的影响。

4 结论

本文聚焦于山西中部城市群,通过InVEST模型和像元统计分析方法,在土地利用格局演变的基础上,综合评估4种生态系统服务,最后探讨了土地利用格局对生态系统服务的影响。主要结论如下:
(1) 在过去20 a间,山西中部城市群土地利用变化显著,城市化进程推动了土地利用类型的转换,同时伴随着土地利用强度的区域性增长。草地和耕地一直是土地利用的主导类型,耕地面积缩减1530.43 km2,而建设用地增加2239.74 km2。土地利用强度在研究期间缓慢上升,从2000年的2.36逐渐提高至2020年的2.41,但区域差异显著,高强度和中高强度区域主要位于建设用地上,而中低和低强度区域则与林地和草地的分布特征基本一致。
(2) 2000—2020年山西中部城市群产水服务、粮食供给和土壤保持服务总体增加,而碳储量则缓慢减少。不同地类对生态系统服务的贡献存在差异,建设用地和未利用地提供的产水服务能力最高,而林地和草地上则在碳储量和土壤保持方面具有优势,耕地则主要提供粮食供给。不同地区的生态系统服务水平也有所不同,其中,忻州市表现出较高水平,而太原市和阳泉市则偏低。
(3) 土地利用对生态系统服务的影响主要体现在两个方面,首先是土地利用类型变化对生态系统服务产生显著影响,建设用地增加对产水服务产生正向影响,林地和草地减少对碳储量产生明显的负向影响。其次是土地利用强度,土地利用强度变化与产水、粮食供给和土壤保持服务大部分区域呈正相关关系,小部分区域为负相关关系,与碳储量服务则完全相反。
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