摘要：运用LNOPT平台和GIS软件对5种生态系统服务功能进行优化分析，构建研究区的生态景观优化模型。运用生态系统服务价值当量因子方法对怀来县土地利用总体规划前、土地利用总体规划后和土地利用景观优化后的生态系统服务价值进行计算和分析。结果表明，怀来县现状生态系统服务价值总量9.533 3×108元，经土地利用总体规划之后，生态系统服务价值总量9.438 3×108元，减少了1.00%。对怀来县的土地利用景观生态优化后，生态系统服务价值总量9.928 3×108元，增加4.14%。进行土地利用总体规划后，土地各单项生态系统服务价值除了食物生产功能增加外，其他均有所减少。经景观优化后，各单项生态系统服务价值量都有所增加。研究区的景观生态优化模型能取得一定的生态效应，可作为下一轮土地利用总体规划和地区发展的参考。
关键词：土地利用总体规划；生态系统服务价值；LNOPT软件；景观优化；怀来县
中图分类号：F301；F205；N31 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）14-3587-07
DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.14.013
Abstract： The LNOPT platform and GIS software were used to analyze five ecological functions and build the ecological landscape optimization model in the study area. The equivalent factor method of value of ecosystem services was used to calculate and analyze the value of ecosystem services before the overall plan for land-use，land-use planning and after land-use. The results showed that， the total value of ecosystem service was 9.533 3×108 yuan in Huailai. After land-use planning， the total value of ecosystem services became 9.438 3×108 yuan， a decreasing of 1.00%. After optimizing land use landscape ecology， the total value of ecosystem services was 9.928 2×108 yuan， increasing 4.14%. After the land use planning，the inspanidual service values of land all had been reduced except the food production. After optimization of the landscape， the inspanidual values of ecosystem service all had been increased. Landscape ecological optimization model of the study area could achieve certain ecological effects. It could be used as a reference for the next round of land use planning and regional development.
Key words：land use general planning； value of ecosystem services； LNOPT software； landscape optimization， Huailai county
生态系统服务价值是指人类从生态系统中获得生活必需品并且保证生活质量这两部分的所有惠益。人类直接或间接地运用其过程、结构和功能来获取生存发展所需要的支持和服务。生态系统服务功能是指生态系统与生态过程所形成及所维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用[1]。生态系统服务价值维持着人类的生存和发展，是人类所必需的自然资本。科技的不断发展影响生态系统服务功能，但是不可以替代自然生态系统服务功能。随着可持续发展的不断深入和研究，保护和维持生态系统服务功能已经成为可持续发展的重要基础。对于生态系统服务价值的研究是国内外研究可持续发展的热点之一。近些年来，国外学者对生态系统服务价值做了诸多的理论和实例研究[2-5]，国内研究者也分别从不同区域尺度进行了积极探讨[6-11]。研究表明，开展土地利用背景下的生态系统服务价值的定量分析和区域比较，对促进区域生态建设和可持续发展具有重要意义。
土地利用总体规划是在一定区域内，根据国家社会经济可持续发展的要求和当地自然、经济、社会条件，对土地的开发、利用、治理、保护在空间上、时间上所作的总体安排和布局，是国家实行土地用途管制的基础[12]。土地利用总体规划是以经济效益为目标的，在这种目标下，土地的利用类型会发生变化，从而导致系统生态服务价值的变化。诸多学者将优化生态系统服务功能与土地利用总体规划相结合，对土地利用总体规划进行定量分析，协调经济效益和生态效益的关系，从而使土地利用总体规划更具科学性和直观性[13-17]。这对维持生态平衡、建立科学合理的土地规划利用方法具有重要指导意义。
1 基础数据来源与研究方法
1.1 基础数据来源 根据《怀来县土地利用总体规划（2010―2020）》、《怀来县土地利用现状（2010）》图件和文本等获取研究区土地利用类型数据。并将这些数据进行分类，即耕地、园地、林地、草地、水域、建设用地和其他土地。依据《河北省统计年鉴》和《河北省国民经济和社会发展统计》得到研究区社会经济发展状况的基础资料。
1.2 研究方法
从土地利用总体规划引起的土地类型变化入手，运用LNOPT软件进行研究区现状的景观生态优化，对水源涵养功能、物质生产功能、土壤保护功能、生物多样性功能和娱乐文化功能5项功能选取不同的指标并结合专家打分法建立景观生态优化模型，将地区的景观建设引入土地利用总体规划中，并与现有的土地利用总体规划的生态系统服务价值进行对比分析。
LNOPT是2002年由Gruehn与Kenneweg提出，用于模拟中欧地区景观特色的生物评价模型。该模型是通过“函子”按照排列顺序进行数据处理，并进行动态反馈、数据层和多区域方法的运算。通过LNOPT的生物评估模型、社会经济评估模型和非生物评估模型这3个模型的平台分别对水源涵养功能、物质生产功能、土壤保护功能、生物多样性功能和娱乐文化功能进行数据转化、矩阵加权和数据计算。通过三步封装，提供一系列的计算，利用ArcGIS 9.3成图。
采用Costanza等[18]的生态系统服务价值估算方法对气候调节、生物多样性、气体调节、土壤保护、物质生产、废物处理、水源涵养、娱乐文化和原材料9种生态系统服务功能价值进行估算，得出研究区优化前后的生态系统服务价值总量。
2 景观生态模型的构建
2.1 水源涵养功能模型
水源涵养服务功能的意义在于研究区中的水资源调节程度。根据该区域中的河流、水库的地理位置，以及整个河流水资源的利用和径流的调节作用进行综合考虑。一般地区涵养水源功能是由于地表覆盖、土壤渗透和地形这3方面构成，它们主要受地表覆盖率，土壤渗透力，地形等因素影响。根据该区域生态系统涵养水源服务功能的影响因素和生态环境的特征，考虑数据可获得性，选择地形坡度、土壤渗透、植被覆盖度和含水量作为重要评价指标，根据怀里地区的地形地貌特征，降水分布情况、土壤以及植被覆盖，进行不同等级划分，各指标的分级、赋值和权重通过专家打分法确定。
2.2 物质生产功能模型
从怀来县的生态系统服务功能出发，选择能够直接生产产品的功能进行评价。根据生态系统提供的农产品的能力作为重要的分级依据。评价研究区生态系统的物质涵养功能，结合该区域的地形地貌特征和产品生长条件，考虑该区域的数据可行性，选取土壤类型、剖面构型、有机质含量和坡度作为重要的评价指标，再根据该区域的地形地貌和生长条件进行等级划分，各指标的分级、赋值和权重通过专家打分法确定。
2.3 土壤保护功能模型
土壤保护功能的评价是在土壤侵蚀性的基础上，依据土壤侵蚀情况和土壤侵蚀对河流或者水资源的影响来进行评价。怀来县地形比较复杂，以山地为主，其中大多数都是坡度大于25°的坡地，该区域容易发生土壤侵蚀，是怀来县山区最为主要的土地生态环境问题。
土壤侵蚀敏感性是方便分辨出土壤侵蚀的区域，分析它对人类活动的影响。美国通用土壤侵蚀方程（USLE）包括坡面土壤流失影响程度的主要因素，该公式在国内外得到了广泛的应用。通用土壤侵蚀方程（USLE）的表达式为：
A=R・K・LS・C・P（1）
式（1）中，A为土壤侵蚀量，R为降水侵蚀力，K为土壤质地因子，LS为坡度坡向因子，C为地表覆盖因子，P为农业耕作措施因子。其中，农业耕作措施是人为因素。
从土壤侵蚀方程中，可以看出影响一个区域土壤侵蚀的主要有地理条件、水资源、植被、土壤和人类活动五大因素，这些因素同时可以被用来表示某个区域对土壤侵蚀的敏感性。根据怀来相关文献和获得数据情况，本研究选取了土地利用类型、坡度、土壤质地、水资源分布和距林场、林地距离作为评价因子，并对各指标因子进行不同等级划分，各指标的分级、赋值和权重通过专家打分法确定。
2.4 生物多样性功能模型
怀来县拥有丰富的植物类型和复杂的生物群落，而植物是鸟类分布和多度的第一影响因子。鸟类常常作为植物群落的指示物种，进而反映栖息地及周边生态环境。本研究选取大白鹭作为怀来县的生态多功能优化的焦点物种，通过观察怀来县鸟类的生物习性、栖息地类型、生态特征等进行分析。大白鹭是大中型涉禽，栖息于平原和山地附近的河流、水田、湖泊及沼泽地带，以甲壳类、软体动物、水生昆虫以及小鱼、蛙、蝌蚪和蜥蜴等动物性食物为食，摄食区域主要是河流、沼泽等浅水区域。从大白鹭摄食地区的距离来看，大多数是在距离巢穴大约5～10 km范围内，少数在15～25 km的范围内，极少数在巢穴周围约2 km范围内摄食。本研究针对大白鹭栖息地和筑巢特征，确定影响大白鹭选择栖息地的因子，各指标的分级、赋值和权重通过专家打分法确定。
2.5 娱乐文化功能模型
怀来县具有良好的生态环境，拥有官厅水库、休闲度假太师庄、葡萄庄园、自然风景区等户外游憩空间，游憩资源具有类型多、数量大、分布广的特征。本研究根据研究区的各地区景点以及地形地类的分布情况，考虑研究区的数据可行性，选取坡度、土地类型、距农村道路和公路的距离、距水体的距离和距景区（特殊用地）的距离这5个因子作为评价指标，各指标的分级、赋值和权重通过专家打分法确定。
综上所述，运用LNOPT软件平台的非生物评估程序对水源涵养、物质生产、土壤保护功能进行优化，运用生物评价程序对生物多样性功能进行优化，运用社会经济评价程序对娱乐文化功能进行优化。首先是运用GIS软件对怀来县遥感影像图解译，并进行矢量化和编辑处理每个图形的属性，再运用插值计算，将其表面数据转化成栅格图层；第二步，根据LNOPT软件的应用程序，确实功能因子，通过专家打分法确定每个因子的分值；第三步，对水源涵养的因子进行相关性检查，并且运用专家打分法确定权重，确定每个因子的权重分值；第四步，运用LNOPT软件平台，结合栅格数据，通过权重加权的方法进行计算；第五步，经过LNOPT平台数据验证模型以研究区现状为样本进行校正，确定该区域功能的景观优化图，结果见图1～图5。 2.6 综合生态系统服务功能景观优化模型
综合以上水源涵养功能、物质生产功能、土壤保护功能、生物多样性功能和娱乐文化功能的景观生态优化模型，建立综合的景观生态优化模型。这5项生态系统服务功能的景观生态优化模型是具有同等重要性的，将其赋予相同的权重。将这5项生态系统服务功能的景观生态优化模型运用LNOPT软件中的矩阵加权方法进行叠加，根据最终分值确定怀来县生态系统服务价值景观优化模型（图6）。它们形成了连续而完整的生态系统服务功能格局，为区域生态系统服务的健康和安全提供保障。
高水平区域是生态系统服务功能在城市发展中最重要的保障范围，是不可打破的生态红线，是需要严格控制和特殊保护的地带，应该纳入城市的禁止区域和限制建设区；中水平区域是生态系统服务功能比较限制的区域，该区域可以发展农业、建设用地，适合开展一些旅游景点供给人们进行旅游和观赏；低水平区域是应该加强生态环境建设的区域，如在城市周围增加绿化，减少建设用地。这种景观生态优化模型维护了城市的基本生态环境，是怀来县可持续发展的基础保障，为城市建设提供一定的界线。
3 研究区生态系统服务功能变化分析
3.1 研究区生态系统服务价值系数计算
生态系统服务价值当量因子指生态系统产生生态服务相对贡献大小的潜在能力[19]，将全国农田1 hm2粮食自然产量的经济价值定义为1，其他生态系统服务价值当量因子表示该生态服务相对于农田生态系统生产服务的贡献大小，本研究依据谢高地等[6]制定的不同省份农田生态系统生物量因子表，对怀来县所在地区的生态系统服务价值当量系数进行修正（河北省的修正系数为1.02）。
没有人力投入的自然生态系统提供的经济价值等于当年平均粮食单产价值的1/7[20，21]，中国2005年单个生态系统价值当量的经济价值为449.1元/hm2，结合2006年《河北省统计年鉴》的相关数据，可以计算得出2005年环京津地区平均粮食产量为4 683.35 kg/hm2。全国地均粮食产量为5 896.50 kg/hm2，据此为标准对全国的生态系统服务价值当量价值进行系数修正，确定该地区单个生态当量的价值为356.70元/hm2，据此可得到该研究区单位面积土地生态系统服务价值系数（表1）。
本研究中生态服务价值当量因子按以下方法进行归类：耕地――农田，林地――森林，草地――牧草地，水域――水体，建设用地――居民点及工矿用地和交通用地；园地以本研究区的牧草地和林地的平均值为其生态系统服务单位价值[22]。
3.2 研究区生态系统服务价值计算
根据单位面积土地生态服务价值系数和各利用类型土地面积可以得出怀来县生态系统服务功能的总经济价值，其计算公式：
ESV=∑（VCk×Ak） （2）
式（2）中，ESV为土地生态服务价值，单位为元；VCk为第k类土地利用类型的生态服务价值系数，单位为元/hm2；Ak为第k类土地利用类型的总面积，单位为hm2。
依上可以得出怀来县2010年各类土地生态服务价值量（表2）。
从表2中可以得出研究区现状各类土地生态系统服务价值量。研究区域的林地面积居多，而且单位面积生态系统服务价值比较大，因此林地的生态系统服务价值总量最高，为3.541 3×108元。由表1可知，湿地的单位面积生态系统服务价值量比较高，但是生态系统服务价值总量受到土地类型面积的影响，湿地的生态系统服务价值量仅4.149×107元。同理，水域的生态系统服务价值为2.297 6×108元。研究地区中建设用地面积相对较大，且单位面积生态系统服务价值量变现为负效应，其价值量为-5.557×107元。研究区现状的各类土地生态系统服务价值总量为9.533 3×108元。
3.3 各类土地利用类型生态系统服务价值变化
由表3可知，依据土地利用总体规划方案，怀来县在土地利用总体规划前的总生态系统服务价值是9.533 3×108元，土地总体规划后总生态系统服务价值有所减少，为9.438 3×108元，总体减少9.50×106元。土地利用规划后，只有耕地增加了5.09×106元，其他土地利用类型的生态服务价值量均有下降，最为明显的是园地，为6.27×106元，水域的变化量最小，为4×104元。
基于LNOPT软件的景观生态优化方案，对研究区的进行景观优化后，生态系统服务价值总量有所增加，为9.928 2×108，增加率为4.14%。就土地利用总体景观规划后各类用地生态系统服务价值而言，只有林地减少了1.317 3×108元，其他利用类型的土地生态服务价值均有所增加，园地生态系统服务价值增加了1.378 1×108元，明显高于其他土地利用类型，建设用地次之，为2.162×107元。未利用地因其单位面积价值量低，面积变化小，因此生态服务价值量变化最小，仅增加了4.2×105元。
3.4 各单项生态系统服务价值变化
从单项生态系统服务功能价值（表4）来看，土地总体规划前研究区的废物处理功能最大，占18.68%，水源涵养功能次之；食物生产功能最小，仅占4.16%。但是土地利用总体规划后，生态系统服务价值总量减少了9.50×106元，仅有粮食生产功能增加了3.0×105元，其他功能均有所降低，其中水源涵养、废物处理和气候调节这3个功能降低得最多。这种土地利用总体规划就是以增加粮食生产和城市发展对土地需求为目的，却忽略了维护整个土地生态系统服务价值。而按照景观优化方案来看，各项生态系统服务功能价值都有所提高，其中提高量最多是水源涵养，增加量达到1.933×107元，增加量最少的是原材料功能。与土地利用总体规划相比，可以发现景观优化方案能提高研究区生态系统服务价值，并且避免了只追求粮食生产而带来的对生态系统服务功能的破坏，实现了缓解城市快速发展对土地的需求，保护了耕地，维护了粮食安全，生态屏障的建立维持了土地生态系统稳定性[23]。