土地利用/覆被变化（LUCC）和生态系统服务（ES）之间逻辑联系十分紧密，不同的土地利用/覆被类型具有提供不同类型、数量和质量生态系统服务的能力，是生态系统服务变化的直接驱动因素。生态系统服务是指生态系统所形成及维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用^[1]，为人类直接或间接从生态系统得到的所有收益^[2]。目前，生态系统服务之间并不是独立的，而是相互影响的，彼此呈现多重非线性关系，主要表现为权衡和协同关系^[3-5]。潮白河区域作为横跨北京市通州区、顺义区，天津市宝坻区，河北省香河县、三河市、大厂县等六地的特殊区域，随着京津冀协同发展的推进，其逐渐成为区域协同发展的缩影，该流域的城镇建设、工业园区兴建及交通发展等极大改变了流域土地利用/覆被类型和水文循环、水平衡，还严重影响了流域生态系统服务^[6]。虽然北京市、天津市和河北省在地理位置上相邻，但它们属于不同行政单位的管辖范围，这使得内部协同区域一体化发展变得更加困难^[7]。

生态系统服务最早由美国昆虫学家Ehrlich等^[8]于1982年在探究物种灭绝的研究中提出。之后学者们开始对生态系统服务的分类进行研究，不同时期提出多种分类方法。Costanza等^[2]于1997年将生态系统服务划分为包括气体调节和水调节等在内的17种类型。2005年千年生态系统评估（MA）^[9]分类体系将生态系统服务分为四大类型，包括支持服务、供给服务、调节服务和文化服务。Wallace^[10]于2007年综合考虑人类福利、生态系统过程和自然资产，将生态系统服务分为四大类，包括自然资源、生物多样性保护、环境和社会-文化满足。Costanza^[11]于2008年又提出了空间分类方案和两分类方案，空间分类方案将生态系统服务分为全局长程型、局部短程型、有向流动型、原位型和使用者移动型五大类；两分类方案将生态系统服务分为竞争性的和非竞争性的两大类。Fisher等^[12]于2009年提出的两分方案将生态系统服务分为中间服务和终端服务。张彪等^[13]于2010年基于人类需求将生态系统服务分为物质产品生产服务、生态安全保障服务和景观文化承载服务三类。生态系统服务的共同国际分类（CICES）^[14]在2018年沿用千年生态系统评估的四大分类，但其分类体系更具有层次化结构。综上所述，生态系统服务分类方法很多，但目前千年生态系统评估分类法使用较多，影响较大。

潮白河区域作为京津冀协同发展的一个重要开发区和首都的生态屏障，在其土地利用变化协同发展中应把生态环境保护作为优先考虑因素。通过分析2001—2017年该区域的土地利用变化，计算该流域生态系统服务价值（ESV），分析该流域内土地利用变化对生态系统服务变化的影响，以期为本研究区及类似流域土地利用格局优化、流域生态环境治理、协同发展战略实施等提供参考依据。服务价值法^[15-16]和当量因子法^{[2, 17]}是目前生态系统服务价值核算的主要方法。相对服务价值法而言，当量因子法较直观，数据需求少，特别适用于区域生态系统服务价值的评估^[18-19]。国内研究集中在特定驱动机制下生态系统服务间关系的变化^[20-21]，在土地利用管理层面，多从实施土地利用规划等人为因素来影响生态系统服务间权衡与协同的转变^{[3, 22]}。由于生态系统服务有权衡与协同的存在，因此有必要在管理对策制定过程中考虑权衡与协同的发生，加强生态系统服务之间的协同^[23]。

1 材料与方法 1.1 研究区概况及数据来源

潮白河贯穿北京、天津、河北三个省（市），地处华北平原北部，位于东经115°25′~117°45′、北纬39°10′~ 41°49′之间。本研究以北京市的顺义区、通州区，天津市的宝坻区，河北省的香河县、三河市、大厂县为研究区（图 1）。通州区位于北京市东南部，北与顺义区接壤，东隔潮白河与河北省的三河市、大厂县和香河县相连。宝坻区位于天津市北部，西及西北与河北省的香河县、三河市相连，潮白河是宝坻区地表水资源的主要补给来源，是宝坻区的母亲河，与此同时潮白新河也是宝坻区非汛期的蓄水河道。

2017年底，该研究区土地总面积为0.45万km2，常住人口337万，GDP约为0.40万亿元。潮白河区域作为首都的生态屏障和重要水源地，是流经北京市北部、东部的重要河流，是中国五大海河水系之一，上游分潮河和白河两支，途经其他河流汇入密云水库，河长458 km，河流面积14.8 km2。流域属于温带半湿润性季风气候，年平均降水量为600 mm。该流域内土壤类型主要为褐土，伴有山地草甸土、潮土及棕壤等。

2001、2005、2009、2013年和2017年近20年的5期TM遥感影像数据下载于中科院遥感所与地理空间数据云，影像分辨率为30 m。各期土地利用分类参考2007年第二次全国土地调查的分类标准^[24]，结合研究目的，将研究区土地利用类型分为耕地、林地、草地、城镇用地、农村居民点、工矿用地和水域。各期的社会经济数据来源于《北京市统计年鉴》（2002、2006、2010、2014、2018年）、《天津市统计年鉴》（2002、2006、2010、2014、2018年）、《河北省统计年鉴》（2002、2006、2010、2014、2018年）。

1.2 研究方法 1.2.1 土地利用动态度

土地利用动态度可以表示在研究期间内某一土地利用类型的数量变化情况^[25]，反映人类社会经济活动和自然环境条件对不同土地利用类型的变化速度和变化幅度的影响情况^[26]。土地利用动态度的计算结果可以体现出在该研究期间内潮白河区域某一土地利用类型的变化情况，每种土地利用类型的变化情况可指导该区域内土地利用规划和土地管理政策的制定。计算公式如式（1）所示：

(1)

式中：K为研究时期内某一土地利用类型动态度，%；U_a、U_b分别表示研究期初、末该土地利用类型的面积, hm²；T为研究时间，a。

1.2.2 生态系统服务价值评估

（1）生态系统服务价值当量因子计算

生态系统服务是生态系统及其生态过程中所形成和维持的人类赖以生存的自然环境条件和效用，生态系统服务价值的大小可以体现生态系统服务的高低，因此可利用生态系统服务价值来评估该区域内的生态系统服务变化。生态系统服务价值评估包括不同土地利用类型和不同服务类型的生态系统服务价值。根据潮白河区域实际情况和研究需要，参照谢高地等^[27]的“中国生态系统单位面积生态系统服务价值当量表”确定该区域耕地、林地、草地和水域的生态服务价值当量，耕地对应农田，林地对应森林，草地对应草地，水域对应水域，研究不考虑建设用地和工矿用地的生态系统服务价值，将其设为0。

本研究将生态系统服务分为文化服务、调节服务、供给服务和支持服务四种类型, 并基于谢高地等^[27]的划分方法，将土地生态系统服务细分为食物生产、原材料生产等9类服务。生态系统功能与服务之间并不是一一对应的，每一项服务都可能由一种功能或多种功能组合产生^[3]。

（2）单位面积耕地食物生产生态服务价值计算参照谢高地等^[27]的方法，单位面积耕地食物生产生态服务价值（1个标准当量）相当于研究区域当年平均粮食单产市场价值的1/7。计算公式如式（2）所示：

(2)

式中：E_a为单位耕地生态系统提供食物生产服务功能的经济价值，元·hm^-2，i代表作物种类；M_i为主要粮食作物的经济价值，元；m_i为主要粮食作物的种植面积，hm²。

1.2.3 生态系统服务价值计算

根据潮白河区域的各类土地利用类型面积和对应的单位面积生态系统服务价值，可得出流域内的生态系统服务价值^[28]，计算公式如式（3）、式（4）所示：

(3)

(4)

式中：ESV为生态系统服务价值，元；A_k是土地利用类型k的面积，hm²；VC_k是土地利用类型k的生态系统服务价值系数，元·hm^-2；ESV_f是生态系统第f项服务功能的价值，元；VC_fk是土地利用类型k的第f项服务功能的系数，元·hm^-2。

1.2.4 生态系统服务价值敏感性分析

敏感性指数（CS）是用来计算生态系统服务价值随着时间变化对生态系统价值系数（VC）的依赖程度, 以此验证潮白河区域内生态系统服务质量的价值折算准确性^[29]。当敏感性指数>1时，研究结果准确度较低；反之结果可信。计算公式如式（5）所示：

(5)

式中：CS为敏感性指数；ESV_i和ESV_j分别为调整前后生态系统服务的总价值，元；VC_ik和VC_jk分别为第k次土地利用类型调整前后单位面积生态系统服务价值系数，元·hm^-2。

2 结果与分析 2.1 土地利用变化分析 2.1.1 土地利用空间变化

根据苏锐清等^[30]对潮白河区域2001—2007年5期土地利用图的研究得出，2001—2017年潮白河区域的土地利用情况发生了明显变化。整体上，与2001年相比，2017年耕地和农村居民点面积明显减少，城镇用地和水域明显增加。城镇用地在研究区的六个区县内均有不同程度的增加，主要分布在顺义和通州两区；水域的增加主要分布在宝坻区且增量明显。2009—2013年是研究期内土地利用结构变化最明显的时期，在该时期耕地面积大幅下降，城镇用地和水域面积明显增加。

2001—2017年耕地面积大幅减少，减少面积为37 715.13 hm²，宝坻、通州、顺义和三河的耕地减少尤为明显；农村居民点面积减少次之，减少面积为19 512.45 hm²。城镇用地快速增加，增加面积为40 147.65 hm²，顺义、通州和三河的城镇用地增加尤为明显；水域面积增加次之，增加面积为16 659.72 hm²，水域面积的增加主要集中在宝坻区。

2.1.2 土地利用数量变化

根据遥感解译获得的结果（表 1）可知，2001— 2017年，耕地、农村居民点和城镇用地是潮白河区域的主要土地利用类型，这三种土地利用类型在2001年的比例分别为69.77%、15.40%和7.64%，共占该区域面积的92.81%；其在2017年的比例分别为61.45%、11.10%和16.49%，共占该区域面积的89.04%。根据土地利用结构变化可以得出，三大主要土地利用类型中耕地和农村居民点面积减少，城镇用地面积增加，解译结果和土地利用图相吻合。

2.1.3 土地利用动态度变化

根据潮白河区域2001、2005、2009、2013年和2017年各土地利用类型的面积，由式1计算得出该区域在研究期内各个土地利用类型的土地动态度（表 2）。由表 2可知，2001—2005年，草地和水域的动态度呈现大幅增加趋势，草地的增长率最快，年平均增长率为17.28%；林地和耕地的动态度呈现大幅减少。2005—2009年，水域、林地、草地和耕地的动态度均呈现大幅度减少的趋势，水域在该期间快速减少，且该时期是研究区内水域唯一减少的时期。2009—2013年，草地和耕地的土地利用动态度呈现大幅减少；水域和林地呈现大幅增加趋势，耕地和草地在该期内减幅最快。2013—2017年，草地、水域土地利用动态度呈现大幅增加；林地的动态度呈现大幅下降，耕地动态度在该阶段内变化较平稳。整体上，2001—2017年期间，城镇用地、工矿用地和水域的动态度呈现大幅的增加趋势，其动态度分别为7.25%、5.56%和4.13%；农村居民点、耕地、草地和林地的动态度呈现较大幅减少，其动态度分别为-1.75%、-0.75%、-0.70%和-0.55%。

2.2 生态系统服务价值评估 2.2.1 生态系统服务价值当量因子确定

根据谢高地等^[31]制定的我国不同省份农田生态系统服务价值当量因子表，对潮白河生态系统服务价值进行了区域修正（北京市、天津市和河北省修正系数分别为1.04、0.85和1.02）, 结合研究区内各省（市）辖区的面积比例, 加权计算确定该研究区的修正系数为0.98, 并据此制定潮白河区域不同土地利用类型生态系统服务价值当量因子表（表 3）。

2.2.2 单位面积耕地食物生产生态服务价值的确定

根据潮白河区域2001、2005、2009、2013年和2017年主要农作物的年平均产值（448 532.26万元）和研究区内主要粮食作物的种植面积，由式2计算得出该区域的单位面积生态系统服务价值为2 147.24元·hm^-2，得出潮白河区域不同土地利用类型的单位面积生态系统服务价值（表 4）。

2.3 生态系统服务价值变化的分析 2.3.1 流域内生态系统服务价值变化

由表 4和式（3）计算可得潮白河区域的生态系统服务总价值和不同土地利用类型的生态系统服务价值，结果如表 5所示。总体上来看，近20年来潮白河区域的生态系统服务价值整体上呈现增加的趋势，2001—2017年生态系统服务价值共增加9.33亿元，这主要是由于水域的生态系统服务价值大幅增加；2001—2017年，不同土地利用类型所提供的生态系统服务价值不同，依次为耕地>水域>林地>草地，其比例平均为59.00%、37.53%、3.15%和0.32%。2001—2005年，该流域生态系统服务总价值增加最多，增加值为9.74亿元；2005—2009年，生态系统服务价值呈现减少的趋势，在这5年间生态系统服务价值共减少12.01亿元；2009—2017年，生态系统服务价值在逐年增加，2017年该流域生态系统服务价值增加至89.35亿元。2001—2017年，耕地和林地的生态系统服务价值整体上呈现减少的趋势，减少值分别为6.27亿元和0.28亿元；水域的生态系统服务价值呈大幅增加趋势，增加值为15.90亿元；草地的生态系统服务价值呈现较平稳状态，减少值为0.03亿元。综上所述，各个土地利用类型的生态系统服务价值变化和各个土地利用类型的面积变化趋势一致，面积的增减会相应引起生态系统服务价值的增减。

由表 4潮白河区域各类用地单位面积生态系统服务价值可发现，四类土地利用类型提供供给服务能力大小依次为林地>耕地>水域>草地；提供调节服务的能力大小依次为水域>林地>草地>耕地；提供支持服务的能力大小依次为林地>草地>水域>耕地；提供文化服务的能力大小依次为水域>林地>草地>耕地。该区域内供给服务在研究期间呈现下降趋势，由表 5可知耕地所能提供的生态系统服务价值占比50%以上，因此该区域内供给服务能力的大小取决于耕地面积的变化；由表 4可知该区域内调节服务的能力大小取决于水域面积的变化，水域所能提供调节服务的能力为76 154.44元·hm^-2，远超过其他三类土地利用类型。

经比较发现，林地所能提供各项生态系统服务的能力很强，由表 3和表 4可知，林地在该区域内所能提供总生态系统服务的能力仅次于水域。

2.3.2 不同生态系统服务类型的生态系统服务价值变化

潮白河区域不同生态系统服务类型的生态系统服务价值见表 6。整体上，2001—2017年该研究区内生态系统服务价值依次为调节服务>支持服务>供给服务>文化服务，其比例平均分别为60.45%、22.84%、11.50%和5.20%。供给服务和支持服务的生态系统服务价值在研究期内整体上呈减少趋势，调节服务和文化服务总体上呈现增加趋势，调节服务增速较快，但文化服务增势较平缓；但2005—2009年调节服务的生态系统服务价值呈快速减少的趋势，调节服务的生态系统服务价值呈快速减少的同时引起了该流域生态系统服务总价值的减少。由表 3可知，水域所能提供的调节服务价值当量最大，再由表 1可知，水域面积在2005—2009年大幅度减少，这是该阶段调节服务价值减少的主要原因。研究期间，水域面积增加16 659.72 hm²，水域的生态系统服务价值增加15.90亿元。

2.4 生态系统服务价值敏感性分析

2001—2017年潮白河区域生态系统服务价值的敏感性指数见表 7。敏感性指数可以验证生态系统服务价值系数选取是否合理和生态系统服务价值的折算准确与否。2001—2017年潮白河区域内各地类的敏感性指数均小于1，敏感性指数从大到小依次为耕地>水域>林地>草地。2001—2017年，耕地的敏感性指数均最大，草地的敏感性指数均最小，说明研究区的生态系统服务价值对生态系统价值系数缺乏弹性，结果可信。不同土地利用类型的敏感性指数与不同土地利用类型的生态系统服务价值走势基本相同，但2005—2009年耕地的敏感性指数除外，原因是2005—2009年该流域内生态系统服务总价值降低，导致敏感性指数大幅增加。综上所述，敏感性指数可以表征生态系统价值系数对该土地利用类型的生态系统服务价值的影响程度，敏感性指数越大，生态系统价值系数对生态系统服务价值的影响越大；敏感性指数越小，生态系统价值系数对生态系统服务价值的影响越小。

3 讨论 3.1 水域变化对生态系统服务的影响

潮白河区域作为首都的生态屏障和重要水源地，水域对该流域内的生态系统服务具有重要的作用。目前对潮白河区域的研究多集中在水体方面，针对该区域土地利用变化对生态系统服务动态变化的影响研究较少。水域面积的不断增加不仅提升了流域内的调节服务和文化服务，还对该流域的生态系统服务总价值起决定作用。

研究发现水域政策的实施对水域面积的增加起到了积极作用，对提升该区域的生态系统服务价值十分重要。2001年将潮白河划定为生态功能保护区，可见潮白河生态建设的重要性；2006年潮白河实行的“水改旱”工程等是该区域2005—2009年水域面积减少的原因；2009—2013年的政策涉及潮白河区域水系的综合治理和河流保护工作。因此在该区域内应加强各项保护潮白河流域河湖环境综合治理政策的实施及监管强度。

3.2 耕地、林地变化对生态系统服务的影响

研究期间该区域内耕地面积大幅减少，减少值为37 715.13 hm²（表 1）。根据苏锐清等^[30]对潮白河区域2001—2017年间耕地利用转移特征的研究得出，耕地以转出为主，主要转换成城镇用地、农村居民点和水域。耕地面积减少最多的区域是天津市的宝坻区、北京市的通州区和顺义区，这三个地区是京津冀协同发展中经济发展最快的三个区域。但耕地作为一种重要的土地利用类型，其变化对区域可持续发展和粮食安全具有重要意义。因此，应在该流域内实行严格的耕地保护政策，对农民的耕地保护行为制定激励性政策，积极实践土地集约利用政策，加强未利用地的开发强度，提高土地利用率。

研究发现，在该流域内林地所能提供各项生态系统服务的能力也很强，其总生态系统服务的能力仅次于水域。但在该研究区内林地、草地面积较少（表 1），占比分别为0.99%、0.25%，并且在研究期内，林地、草地的面积都在减少。因此，在该区域可以将草地适当变更为林地用途，若将草地全部转换为林地来预估，该区域生态系统服务总价值年均可以提升201.96万元，这对当地提升生态系统服务有十分重要的作用。同时，也可将其他闲置或废弃的工矿用地适当转变为林地，提升该区域内的总体生态系统服务价值。

3.3 土地利用变化与生态系统服务之间的关系

生态系统服务作为人类从生态系统中获得的各种惠益, 体现了人类对土地资源的直接和间接利用关系, 而土地利用格局与生态过程的改变是影响生态系统服务的主导因素^[32]。土地利用变化导致生态系统服务变化，生态系统服务现状同时可以反映土地利用状况，两者相互影响。在未来的研究中，建议在该区域内将生态系统服务纳入土地用途管制政策中，严格控制土地用途的转变，对土地用途转变的审批要强调用途改变后其所能带来的生态系统服务价值绝不能降低；其次，应厘清“格局-过程-服务”的级联关系, 并加强生态系统服务对土地利用变化的反馈作用^[33]。

土地管制政策可以通过土地利用的传导作用来影响生态系统服务变化^[34]，通过制定土地用途管制政策和潮白河流域河道综合治理等相关政策，减少耕地占用、水体污染和围湖造田等行为的发生，提升该区域内的生态系统服务。为此尝试构建融入生态系统服务的土地利用管理概念框架（图 2），提出生态系统服务与土地利用管理的融合过程，探索通过构建合理的土地利用格局，实现提升生态系统服务的目标。合理配置土地资源，权衡、协同各项生态系统服务类型间的关系，使该研究区的生态系统服务价值达到综合最优是今后的研究重点。

4 结论

（1）2001—2017年京津冀潮白河区域耕地和农村居民点面积明显减少、比例逐渐降低，城镇用地和水域面积明显增加、比例逐渐增大；耕地、农村居民点和城镇用地是该区域的主要土地利用类型；城镇用地、工矿用地和水域的动态度呈现大幅的增加趋势，农村居民点、耕地、草地和林地的动态度呈现较大幅的减少趋势。

（2）近20年来该区域的生态系统服务价值整体上呈现增加的趋势，这主要是由于水域的生态系统服务价值大幅增加；2001—2017年，不同土地利用类型所能提供的生态系统服务价值不同，依次为耕地>水域>林地>草地；不同生态系统服务类型所能提供的生态系统服务价值也不同，依次为调节服务>支持服务>供给服务>文化服务。

（3）2001—2017年潮白河区域内各地类的敏感性指数均小于1，敏感性指数从大到小依次为耕地>水域>林地>草地，即研究选取的生态系统价值系数对潮白河区域的生态系统服务价值影响不大，研究结果可信。