甘肅白龍江流域生態(tài)系統(tǒng)糧食生產(chǎn)服務(wù)價值時空分異

謝余初,鞏 杰,齊姍姍,張 影,郭建軍

1 蘭州大學(xué), 資源環(huán)境學(xué)院 西部環(huán)境教育部重點實驗室, 蘭州 730000 2 廣西師范學(xué)院, 北部灣環(huán)境演變與資源利用教育部重點實驗室, 南寧 530001

甘肅白龍江流域生態(tài)系統(tǒng)糧食生產(chǎn)服務(wù)價值時空分異

謝余初1,2,鞏 杰1,*,齊姍姍1,張 影1,郭建軍1

1 蘭州大學(xué), 資源環(huán)境學(xué)院 西部環(huán)境教育部重點實驗室, 蘭州 730000 2 廣西師范學(xué)院, 北部灣環(huán)境演變與資源利用教育部重點實驗室, 南寧 530001

糧食生產(chǎn)服務(wù)是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)主要的服務(wù)功能之一,也是人類福祉和社會發(fā)展的基礎(chǔ),受自然環(huán)境和社會經(jīng)濟發(fā)展而不斷變化。然而,目前國內(nèi)外尚缺乏統(tǒng)一的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的時空動態(tài)評估方法,尤其是在脆弱的山區(qū)過渡帶區(qū)域。以災(zāi)害頻發(fā)的脆弱生態(tài)過渡帶——甘肅白龍江流域為例,嘗試引入自然環(huán)境和人文社會要素對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)服務(wù)經(jīng)濟價值進行系數(shù)調(diào)整與修正,構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的計量評估模型,測算流域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)服務(wù)價值并分析其時空差異性。結(jié)果表明：(1)1990—2010年間白龍江流域耕地面積波動起伏較大,但流域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)服務(wù)價值卻表現(xiàn)出持續(xù)上升的趨勢,至2010年平均生產(chǎn)服務(wù)價值達186.74萬元。生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)服務(wù)價值空間格局變化不大,其高產(chǎn)區(qū)約占42.4%以上,主要分布在宕昌縣西北部的岷江兩岸和舟曲城關(guān)鎮(zhèn)—武都漢王鎮(zhèn)的白龍江兩岸及其以北區(qū)域。(2)方法改進后,白龍江流域生產(chǎn)經(jīng)濟價值相對減小(172.74萬元),間接反映了研究區(qū)內(nèi)滑坡、泥石流等自然災(zāi)害和區(qū)位人文社會要素對生產(chǎn)經(jīng)濟價值的影響,更符合流域的實際情況。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)；糧食生產(chǎn)；經(jīng)濟價值；時空變化；甘肅白龍江流域

生態(tài)系統(tǒng)是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ),為人類提供了產(chǎn)品和其它生產(chǎn)生活原料,具有極高的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值[1- 2]。尤其是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),其農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)與供給功能,不僅是區(qū)域糧食生產(chǎn)和社會發(fā)展的關(guān)鍵,也是人類福祉的關(guān)鍵影響因素[2-4]。然而,隨著經(jīng)濟快速發(fā)展、人口持續(xù)增長以及農(nóng)業(yè)資源不合理的利用,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)正在或已經(jīng)發(fā)生退化,甚至引發(fā)了一系列的糧食安全和生態(tài)安全問題[4- 6]。尤其是位于生態(tài)脆弱過渡帶的貧困山區(qū),農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件差、后備耕地資源嚴重不足、農(nóng)業(yè)經(jīng)營方式落后以及自然災(zāi)害頻發(fā)等因素正在深刻影響著區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力穩(wěn)定性[6]。因此,深入了解和分析生態(tài)系統(tǒng)糧食生產(chǎn)供給服務(wù)功能,探討區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)服務(wù)價值的時空差異性,不僅有助于脆弱山區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變,而且能有效地協(xié)調(diào)山區(qū)生態(tài)環(huán)境保護與可持續(xù)發(fā)展。

近年來,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值研究越來越受到學(xué)者和各國政府的關(guān)注,并取得了一定成果[2- 3]。孫新章等[7]初步計算了2003年中國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)、社會保障、氣體調(diào)節(jié)、水土保持、水資源消耗等多項功能。嚴恩萍等[8]基于我國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積價值當量因子的方法定量分析了1990—2011年間三峽庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化狀況。Wang等[9]針對中國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)糧食供給的時空格局進行了細致分析,并指出當前中國北方地區(qū)糧食生產(chǎn)已接近飽和狀態(tài),南方糧食供給壓力大于北方。Estel 等[10]以MODIS數(shù)據(jù)為媒介,用遙感的手段分析和探討了歐洲地區(qū)農(nóng)田撂荒與復(fù)墾的變化趨勢。這些研究多是對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)多功能進行綜合評價或從糧食安全的角度分析農(nóng)田生產(chǎn)功能或耕地的變化狀況,而針對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)某一核心服務(wù)功能(如農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)功能)的時空動態(tài)變化深入細致的報道相對較少。在研究方法上,多數(shù)研究是直接借鑒或運用Costanza 的研究方法和謝高地等提出的中國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)對不同區(qū)域或不同時段內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值案例評估與研究,其研究結(jié)果是靜態(tài)的價值[11- 13],然而生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值是隨著自然環(huán)境和社會經(jīng)濟條件的變化而不斷變化的。因此,在評價生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值過程中,如何綜合考慮區(qū)域自然環(huán)境要素(如氣候、地貌、土壤和災(zāi)害等)和社會經(jīng)濟發(fā)展(如資源緊缺程度、市場交易、交通物流、政策和人們支付意愿等)的共同影響是當前生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究的難點和熱點之一[11- 14]。李曉賽等[12]從生物生產(chǎn)力和社會支付兩方面對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當量因子表進行功能性和經(jīng)濟性調(diào)整,構(gòu)建了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的動態(tài)評估模型。謝高地等[13]通過利用NPP、降水和土壤保持調(diào)節(jié)等對單位面積價值當量因子評估方法進行了改進和發(fā)展,并評估了全國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值在時間和空間上的狀況。Wang等[14]分析了土地利用與覆被變化對我國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時空變化的影響。由此可見,從生態(tài)系統(tǒng)類型及其質(zhì)量的時空差異性或區(qū)域環(huán)境和社會的異質(zhì)性等方面對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的研究方法進行改進和發(fā)展,以反映生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在時間和空間上的動態(tài)變化特征是可行的。

1 研究區(qū)概況

甘肅段白龍江流域(32°36′— 34°24′N,103°0′—105°30′E)地處甘肅東南部,是我國滑坡和泥石流災(zāi)害四大高發(fā)區(qū)之一,其干流長約475 km,流域面積約18437.7 km2(圖1)。流域內(nèi)地形復(fù)雜,山巒疊嶂、溝壑縱橫、坡陡流急,素以“山大溝深”著稱。白龍江流域?qū)儆谂瘻貛虮眮啛釒н^渡的氣候交錯區(qū),氣候垂直地帶分異明顯,冬寒夏涼、溫涼濕潤,年平均氣溫6—14.9℃,年平均降水量400—850 mm,且集中在5—10月。流域內(nèi)植物種類繁多、森林廣布,植被空間分布差異大,具有明顯的水平分布和垂直分布規(guī)律?；ń?、油橄欖、橘柑、核桃和油菜、玉米、水稻、茶葉等是主要的農(nóng)林經(jīng)濟作物；當歸、黨參、大黃、紅芪、柴胡等藥材也廣泛分布。由于受環(huán)境條件、區(qū)位和歷史因素等影響,該區(qū)發(fā)展仍十分落后。2012年人均GDP不足全國平均水平的40%,是我國西部地區(qū)“老、少、邊、窮”區(qū)域的一個典型代表[15]。

圖1 研究區(qū)位置及其高程Fig.1 Location and DEM of the study area

2 研究方法

2.1 改進前評估方法及不足之處

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值往往依賴于不同空間和時間尺度上的生態(tài)和地理過程[12- 14,16- 17],在大中尺度的區(qū)域水平上,土地利用結(jié)構(gòu)和功能的變化直接影響著生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值供給的數(shù)量和質(zhì)量,因此基于土地利用變化的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究是目前較為廣泛的研究模式之一[16-20]。Costanza等[21]1997年提出基于全球土地利用與覆被變化的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值和生態(tài)資本核算。在此基礎(chǔ)上,謝高地等[22]根據(jù)我國的實際情況及對國內(nèi)生態(tài)學(xué)學(xué)者進行問卷調(diào)查,制定了中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值當量因子表。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當量因子是指生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的生態(tài)服務(wù)的相對貢獻大小的潛在能力,其經(jīng)濟價值量等于當年全國平均糧食單產(chǎn)市場價值的1/7[12- 13,17-20]。因此,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)功能的單位面積經(jīng)濟價值計算公式為：

(1)

式中,Ea為單位農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)提供農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)服務(wù)功能的經(jīng)濟價值(元/hm2),i為農(nóng)作物種類；白龍江流域主要作物為小麥、玉米、水稻、油菜、蔬菜瓜果以及當歸、紅芪等中藥材；mi為第i種農(nóng)作物面積(hm2)；Pi為第i類農(nóng)作物產(chǎn)品的平均市場價格(元/kg2)；qi為第i種農(nóng)作物產(chǎn)品單產(chǎn)(kg/hm2)；M為研究區(qū)農(nóng)作物總面積(hm2)。

根據(jù)當量因子表可得研究區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)單位面積的服務(wù)價值系數(shù),在Costanza[21,23]理論基礎(chǔ)上計算得到區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值量,即：

(2)

式中， ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(萬元)；Ak為研究區(qū)第k類土地利用類型的面積(hm2)；VCk為生態(tài)系統(tǒng)價值系數(shù)(元/hm2)?？紤]到研究區(qū)的多元農(nóng)業(yè)生產(chǎn)(糧食作物、經(jīng)濟林果、藥材茶葉等)和土地利用格局主要是1990年前后逐漸形成的,且Landsat TM影像的質(zhì)量和可用性以及退耕還林還草工程的實施對區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和土地利用變化的影響。本文以1990年、2002年﹑2010年為時間節(jié)點來分析和評價近20年來白龍江流域土地利用和糧食生產(chǎn)服務(wù)經(jīng)濟價值的時空變化。

一直以來，農(nóng)業(yè)銀行持續(xù)不斷地探索，并成功創(chuàng)造出許多可以借鑒的經(jīng)營模式。然而，由于地區(qū)、自然、人文、環(huán)境、生活方式、經(jīng)濟發(fā)展等許多方面的差異，從試點研究的成功模式，并不一定就適應(yīng)于別的地方。在推廣過程中，要結(jié)合當?shù)貙嶋H情況，逐步改良、靈活運用，精準扶貧。

2.2 改進后的評估方法

鑒于上述評估方法的理論基礎(chǔ),考慮到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值區(qū)域間的差異性和同類生態(tài)系統(tǒng)的空間異質(zhì)性,主要體現(xiàn)在各區(qū)域間地理要素之間的區(qū)位差異上,而這種區(qū)位差異在自然和人文社會因素上又表現(xiàn)為自然環(huán)境條件的不同、資源稀缺性和社會發(fā)展水平的差異[11-14,16-18]。因此,對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值的判定應(yīng)綜合考慮區(qū)位自然環(huán)境條件和區(qū)位人文社會要素兩方面的影響。

(1)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值區(qū)位自然環(huán)境條件的差異,主要表現(xiàn)在影響著區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的綜合生態(tài)風(fēng)險上,因此,可用區(qū)域生態(tài)風(fēng)險源綜合危險度來反映[16-18]。白龍江流域自然災(zāi)害頻繁,深刻地影響著流域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)脆弱性及其生產(chǎn)服務(wù)功能。辨識和區(qū)分不同區(qū)域生態(tài)風(fēng)險源(災(zāi)害源)作用范圍、影響程度及發(fā)生頻率,構(gòu)建流域綜合生態(tài)風(fēng)險源危險度評價體系,并針對多重風(fēng)險源對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)功能的潛在影響力的差異性,利用相對權(quán)重系數(shù)來區(qū)分各生態(tài)風(fēng)險源危險度差異[16-17,24],可間接反映自然環(huán)境條件因子對生態(tài)系統(tǒng)農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)功能的影響。

(3)

式中,H為綜合生態(tài)風(fēng)險源風(fēng)險度指數(shù)；βi表示第i類風(fēng)險源權(quán)重；Ri為第i類風(fēng)險源對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)影響的力度；n為生態(tài)風(fēng)險類型總數(shù)。白龍江流域主要生態(tài)風(fēng)險源是地震、滑坡、泥石流、土壤侵蝕、干旱等。

(2)人文社會因子的差異對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響主要體現(xiàn)在資源的緊缺程度和人們對生態(tài)價值的認識程度及支付意愿上,是隨著人們認知和市場波動而動態(tài)變化的[11-13]。效用價值論認為商品的價值產(chǎn)生于其效用和稀缺性,即資源緊缺程度是影響價值的重要因素[25]。白龍江流域生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)服務(wù)價值的緊缺程度主要體現(xiàn)在耕地供給能力上,可通過流域內(nèi)人均耕地面積與全國人均耕地面積的比重來反映研究區(qū)耕地資源的緊缺程度。表達式如下：

Bi=ai/Ai

(4)

式中,Bi是研究區(qū)耕地資源緊缺程度,ai和Ai分別表示第i年白龍江流域人均耕地面積和全國人均耕地面積(hm2/人)。

人們對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的認知與支付意愿主要體現(xiàn)在對服務(wù)的需求程度上,是隨著社會發(fā)展而不斷變化的。在此,引入社會發(fā)展指數(shù)進行價值的修正,盡可能地反映當時社會經(jīng)濟發(fā)展水平下的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)功能的現(xiàn)實經(jīng)濟價值[11-12,16- 18]。社會發(fā)展程度與社會經(jīng)濟水平的關(guān)系可用皮爾生長曲線模型來表示[26],具體計算公式如下：

(5)

式中,L為社會發(fā)展程度指數(shù)；e為自然對數(shù)底數(shù)；En為區(qū)域恩格爾系數(shù),主要來源于統(tǒng)計年鑒和農(nóng)戶調(diào)查。

(3)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的估算

假設(shè)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)服務(wù)價值受區(qū)位自然環(huán)境條件和社會發(fā)展程度的影響,即生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間異質(zhì)性影響著服務(wù)價值的變化,將生態(tài)系統(tǒng)的分類與區(qū)域土地利用類型相對應(yīng),梳理各影響因子與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的數(shù)量關(guān)系,構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值計量模型,如下：

ESV=∑Ak×VCk×(φ1×(1-H)+φ2×(Bi+L))

(6)

式中,ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(萬元)；Ak、VCk、H、L同上,為權(quán)重。各指標均進行標準化處理。改進后的評價方法,充分考慮了自然條件和社會經(jīng)濟發(fā)展(人的主觀價值)評估因素,避免了忽視自然環(huán)境和人文因素影響得到的形式化的客觀價值,其獲得的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值才有可能被市場化[11-14]。其次,將靜態(tài)的生態(tài)價值估算轉(zhuǎn)換為能反映社會經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)資源稀缺性的動態(tài)變化相關(guān)聯(lián)起來[11-14,16-18]。

3 結(jié)果與分析

3.1 甘肅白龍江流域耕地空間分布

由圖2可知,甘肅白龍江流域絕大部分農(nóng)田屬于坡耕地,且在15—25°之間分布最廣,約占33%。在0—8°和≥35°的區(qū)間范圍內(nèi)耕地面積分布相對較少。這主要是由于：研究區(qū)山大溝深,山地分布廣泛,而平原盆地及平坦緩丘地帶相對較少,即適合農(nóng)業(yè)發(fā)展的0—8°區(qū)間的平坦地區(qū)面積極少,僅占研究區(qū)總面積的4%；其次,≥35°的區(qū)間基本上是山地,極其不利于農(nóng)業(yè)的開發(fā),因此耕地分布面積最小。從各不同坡度區(qū)間上來看,0—8°區(qū)間內(nèi)耕地是主要的景觀類型,其面積比重在40.3%以上。在8—15°和15—25°區(qū)間耕地、林地和草地占主導(dǎo)優(yōu)勢。≥25°的區(qū)間耕地面積開始逐漸減少。從不同海拔高度分布情況上看,耕地面積在海拔1500—2000m區(qū)間分布最大,其次是568—1500m和2000—2500m區(qū)間。從時間上看,耕地面積總體呈現(xiàn)先增長后減少的趨勢。

圖2 1990—2010年甘肅白龍江流域不同坡度和高程帶上耕地面積分布情況Fig.2 Areal change of cropland in different slope-zone and elevation-zone from 1990 to 2010 in BRW of Gansu

3.2 流域生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)服務(wù)價值的影響因子

由圖3可知,白龍江流域綜合生態(tài)風(fēng)險源危險度呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性,整體沿白龍江兩岸呈帶狀分布。高風(fēng)險以上區(qū)域主要集中分布在舟曲—武都—文縣段白龍江兩岸及其以北區(qū)域(尤其是河谷地兩岸),其面積約占研究面積的33.31%。中度危險區(qū)面積約占25.03%,多位于高危險區(qū)域周邊,主要分布在武都、舟曲、文縣和宕昌縣等區(qū)域。中度和高度以上的風(fēng)險區(qū)面積比重超過研究區(qū)總面積的一半以上,可見地震、滑坡、泥石流、土壤侵蝕和干旱等風(fēng)險源對生態(tài)系統(tǒng)影響巨大,也間接表明流域內(nèi)生態(tài)風(fēng)險防范任務(wù)的艱巨。時間上,近20年來白龍江流域風(fēng)險源危險度總體呈現(xiàn)輕微減弱的趨勢,其高危險區(qū)面積比重由1990年的12.87%降至2010年的12.65%。然而,近年來白龍江流域災(zāi)害發(fā)生的頻率、強度及其破壞程度呈無規(guī)律性,年均經(jīng)濟損失呈增長的趨勢,以2010年舟曲特大泥石流造成的損失最大。由此可見,盡管流域內(nèi)主要風(fēng)險源綜合危險度有減弱的趨勢,但在個別年份局部區(qū)域破壞性仍極大。

圖3 1990—2010年甘肅白龍江流域主要生態(tài)風(fēng)險源危險程度分布圖Fig.3 Spatial distribution of the main ecological risk sources from 1990 to 2010 in the BRW of Gansu

區(qū)域資源供給能力和社會發(fā)展程度反映著本區(qū)域內(nèi)對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求的緊缺程度。區(qū)域資源供給能力越小,其所對應(yīng)的生態(tài)服務(wù)越緊缺、價值越高；同時,社會發(fā)展程度越高,當?shù)厝藗儗ι鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)數(shù)量與質(zhì)量的要求就越高,人們的支付意愿也越高。考慮到數(shù)據(jù)獲取可能性和研究區(qū)的實際特征,本文以流域內(nèi)各市縣社會發(fā)展程度的平均水平來代替整個流域的社會發(fā)展程度。由圖4可知,1990—2010年間白龍江流域耕地資源供給能力呈現(xiàn)不斷減弱的趨勢。社會發(fā)展水平呈現(xiàn)不斷上升的趨勢,其數(shù)值從0.20升至0.25,其年均增長率達1.97%；表明近20年來流域內(nèi)社會經(jīng)濟不斷發(fā)展,生態(tài)系統(tǒng)單位面積生產(chǎn)服務(wù)價值越高,人們生活水平逐漸提高,對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求的種類、數(shù)量和質(zhì)量也逐漸上升。

圖4 1990—2010年甘肅白龍江流域耕地資源供給能力及社會發(fā)展指數(shù)Fig.4 The supply capacity of cropland and index of social progress from 1990 to 2010 in the BRW of Gansu

3.3 生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)經(jīng)濟價值的時空變化

將白龍江流域土地利用類型與謝高地等分類進行比對,其中建設(shè)用地(包括居民點、交通用地、工礦用地等)的生產(chǎn)經(jīng)濟服務(wù)價值取值為零；同時,流域內(nèi)主要農(nóng)作物產(chǎn)品價格取2008—2011年間甘肅省市場批發(fā)價格的平均值,進而計算1990、2002、2010年3個時期修正前后流域生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)服務(wù)價值。

從區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的自身價值角度出發(fā),僅考慮生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)服務(wù)價值的變化與耕地面積變化、種植結(jié)構(gòu)及單位面積產(chǎn)量等因素相關(guān)。在時間上,1990—2002年間改進前白龍江流域生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)經(jīng)濟價值呈增加趨勢,其最大值和平均值分別從283.8萬元與149.3萬元增至356.1萬元與174.4萬元。2002—2010年間研究區(qū)生產(chǎn)服務(wù)經(jīng)濟價值持續(xù)增長,2010年達186.41萬元,其中最大值和平均值年平均增長幅度分別為1.32%和0.86%,較1990—2002年間年增長幅度相對較減少?？傮w上,近20年來流域生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)服務(wù)經(jīng)濟價值持續(xù)增長。近20年來白龍江流域生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)服務(wù)經(jīng)濟價值空間分布格局基本不變,高值區(qū)約占42.4%以上,主要分布在舟曲縣城—武都區(qū)漢王鎮(zhèn)的白龍江兩岸及其以北區(qū)域,宕昌縣西部地區(qū)的哈達鋪鎮(zhèn)至甘江頭鄉(xiāng)的岷江兩岸地區(qū),其次是文縣大部分區(qū)域,迭部縣則相對較低(圖5)。從縣域尺度上來看,研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)服務(wù)經(jīng)濟價值排序依次為：武都區(qū)>宕昌縣>文縣>舟曲縣>迭部縣。

圖5 改進前白龍江流域生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)服務(wù)價值動態(tài)變化Fig.5 Ecosystem food production service value changes from 1990 to 2010 with the original method

結(jié)合自然條件(環(huán)境災(zāi)害)與社會發(fā)展水平,改進后的流域生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)服務(wù)價值變化趨勢與僅考慮生態(tài)系統(tǒng)自身價值的變化趨勢總體上相似,且均呈現(xiàn)不斷增長的態(tài)勢,其平均值由1990年的139.84萬元增至2010年的172.74萬元；但其價值總量在數(shù)值上略有差異,其最大值、最小值和平均值均低于修正前的價值,同時改進后的生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)服務(wù)經(jīng)濟價值增長幅度(1.18%)也低于改進前的增長幅度(1.94%),表明流域內(nèi)環(huán)境災(zāi)害和社會發(fā)展水平對區(qū)域生產(chǎn)服務(wù)價值影響巨大。在空間上,1990—2010年間改進后的生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)服務(wù)價值的分布格局變化不大(圖6)。相對于改進前生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)服務(wù)價值空間格局,其高、中、低產(chǎn)區(qū)分布格局基本保持一致,但在水土流失和泥石流災(zāi)害嚴重區(qū)域,如舟曲縣城—武都區(qū)漢王鎮(zhèn)的白龍江河谷兩岸生產(chǎn)服務(wù)價值程度則相對減弱,這可能與該區(qū)域自然災(zāi)害頻發(fā)有關(guān)。

圖6 改進后白龍江流域生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)服務(wù)價值動態(tài)變化Fig.6 Ecosystem food production service value changes from 1990 to 2010 with the modified method

4 討論

圖7 1990—2010年甘肅白龍江流域農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)變化 Fig.7 Change of cropping structure from 1990 to 2010 in BRW of Gansu

(1)1990—2010年,盡管白龍江流域耕地面積呈現(xiàn)波動起伏變化,但其生產(chǎn)服務(wù)供給功能總體呈現(xiàn)上升趨勢,表明研究區(qū)自然要素和區(qū)位人文社會要素影響著服務(wù)功能的變化。研究期間,流域風(fēng)險呈現(xiàn)微弱減小的趨勢,生態(tài)環(huán)境得到了一定的改善,災(zāi)害損失減少,為農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了良好的環(huán)境基礎(chǔ)。同時,由于社會發(fā)展水平的不斷提高,人口的增長,人們對耕地供給功能需求的增加和耕地資源本身的稀缺性,使得在耕地面積減少或變化不大的情況下,其服務(wù)價值仍表現(xiàn)出上升的趨勢。實地調(diào)查與統(tǒng)計分析也表明,在追求更高經(jīng)濟利潤驅(qū)動下,農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)和經(jīng)營方式變化、人口的增加、科技進步、社會經(jīng)濟發(fā)展以及政策等因素深刻地影響著流域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)服務(wù)價值的變化。例如,1990—2010年間研究區(qū)人口不斷增加,農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)也由以玉米、水稻等糧食作物為主逐漸向以花椒、油橄欖、藥材、茶葉等經(jīng)濟作物為主的種植模式轉(zhuǎn)變(圖7)；在這樣的情形下,單位面積耕地的經(jīng)濟價值會因經(jīng)濟作物較高的經(jīng)濟效益而提升,同時糧油類農(nóng)產(chǎn)品需求量和價格會因生產(chǎn)量的減少而上升,進而導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)服務(wù)的市場經(jīng)濟價值明顯增加。由此可見,價值的變化是面積和區(qū)位自然環(huán)境要素、人文社會要素綜合作用的結(jié)果。因此,在評估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時,應(yīng)綜合考慮客觀環(huán)境要素和人文社會因素,正確評估其價值變化。

(2)運用改進后評估方法得到白龍江流域生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)服務(wù)價值變化趨勢與改進前的相似,均呈現(xiàn)不斷增長的態(tài)勢,但流域生態(tài)系統(tǒng)系統(tǒng)生產(chǎn)服務(wù)價值的數(shù)值相對較小,且在空間上也略有輕微的變化,這可能與研究方法的改進前后的差異性和白龍江流域環(huán)境特征有關(guān)。首先,Costanza 等提出的基于土地利用面積變化的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的評估方法,是一種僅考慮生態(tài)系統(tǒng)自身屬性的客觀評估方法,但它忽視了地理環(huán)境變化(如災(zāi)害)和人們主觀價值認知及區(qū)域資源緊缺性對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響；同時,該方法運用統(tǒng)一的價值系數(shù)表,沒有考慮生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的空間異質(zhì)性[11-14,16-19]。改進后的生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)價值評價方法,有效地考慮主客觀因素(地理環(huán)境與社會發(fā)展)以及不同時期市場價格的影響。其次,白龍江流域絕大部分地區(qū)是山高坡陡、水土流失嚴重的山區(qū),與平原地區(qū)相比較,不僅氣候較為惡劣、土地資源貧乏、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件較差,而且社會發(fā)展水平較低、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式落后、農(nóng)業(yè)投資較少,其農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)服務(wù)價值相對平原農(nóng)業(yè)區(qū)的較小。同時,流域內(nèi)生產(chǎn)服務(wù)高值區(qū)恰是泥石流、水土流失等災(zāi)害的高發(fā)區(qū),且近年來局部地區(qū)環(huán)境災(zāi)害發(fā)生的頻率高、破壞程度強(如2010年舟曲特大泥石流災(zāi)害)[24,27],給流域生產(chǎn)服務(wù)造成極大損失。可見,改進后的研究結(jié)果更客觀地反映了白龍江流域生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)服務(wù)價值的變化,更符合研究區(qū)實際情況,同時有效地反映了區(qū)域環(huán)境地理條件和社會經(jīng)濟發(fā)展程度的差異性對研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)服務(wù)價值的影響。因此,針對流域生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)服務(wù)價值的狀況,建議研究區(qū)進一步加強和細化區(qū)域生態(tài)功能區(qū)劃以及合理規(guī)劃特色農(nóng)林產(chǎn)業(yè)；其次,堅持生態(tài)優(yōu)先,在加強自然保護區(qū)、林業(yè)管護區(qū)保護的同時,優(yōu)先發(fā)展多年生的經(jīng)濟林果產(chǎn)業(yè)(如核桃、油橄欖等),而對地表土壤擾動較大的農(nóng)作物(如玉米、糜子、馬鈴薯及疏菜瓜果種植等)則不適宜大規(guī)模發(fā)展。最后,結(jié)合研究區(qū)自身農(nóng)業(yè)特色,積極發(fā)展“公司+基地+農(nóng)戶”生產(chǎn)組織模式,努力構(gòu)建從“生產(chǎn)-加工-貿(mào)易”一體化的產(chǎn)業(yè)發(fā)展,同時因地制宜的發(fā)展農(nóng)牧相結(jié)合或立體農(nóng)業(yè)等其他農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式,以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)集約化、專業(yè)化生產(chǎn)與可持續(xù)發(fā)展[7]。

5 結(jié)論

1990—2010年間白龍江流域生態(tài)風(fēng)險源高危險區(qū)面積比重由12.87%降至12.65%,區(qū)域環(huán)境得到一定的改善；社會經(jīng)濟不斷發(fā)展,人們對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的需求也逐漸上升,耕地資源稀缺性明顯。耕地面積表現(xiàn)出先增長后減少的起伏變化,然而生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)服務(wù)價值卻持續(xù)上升(其平均值149.3萬元增至186.4萬元)；在空間上,流域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)服務(wù)價值格局變化不大,其高值區(qū)約占42.4%以上,主要分布在宕昌縣西北部的岷江兩岸地區(qū)和舟曲縣城—武都區(qū)漢王鎮(zhèn)的白龍江兩岸及其以北區(qū)域。同時,改進后白龍江流域生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)服務(wù)價值的量相對于改進前的較小。這些差異,反映了自然環(huán)境要素和區(qū)位人文社會要素對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響。

本文嘗試從區(qū)域自然環(huán)境條件、耕地資源緊缺程度和社會發(fā)展程度差異性方面對流域生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)服務(wù)價值系數(shù)進行調(diào)整,旨在通過結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)本身變化、地理環(huán)境要素和社會發(fā)展變化三者的動態(tài)過程來反映區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)服務(wù)價值的動態(tài)變化。與以往靜態(tài)評估模型相比,對于山大溝深、災(zāi)害頻發(fā)、經(jīng)濟落后的甘肅白龍江流域而言,經(jīng)過系數(shù)調(diào)整改進后的生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)服務(wù)價值更為客觀和真實、更符合流域的實際情況。

[1] Swinton S M, Lupi F, Robertson G P, Hamilton S K. Ecosystem services and agriculture: cultivating agricultural ecosystems for diverse benefits. Ecological Economics, 2007, 64(2): 245- 252.

[2] 白琳紅, 王衛(wèi), 張玉. 河北省縣域農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)供給功能的健康評價. 生態(tài)學(xué)報, 2012, 32(7): 2033- 2039.

[3] van den Belt M, Blake D. Ecosystem services in New Zealand agro-ecosystems: a literature review. Ecosystem Services, 2014, 9: 115- 132.

[4] Yin P H, Fang X Q, Yun Y R. Regional differences of vulnerability of food security in China. Journal of Geographical Sciences, 2009, 19(5): 532- 544.

[5] Godfray H C J, Beddington J R, Crute I R, Haddad L, Lawrence D, Muir J F, Pretty J, Robinson S, Thomas S M, Toulmin C. Food security: the challenge of feeding 9 billion people. Science, 2010, 327(5967): 812- 818.

[6] 石峰. 基于“公司+基地+農(nóng)戶”模式的貧困山區(qū)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化研究. 重慶: 重慶師范大學(xué), 2013.

[7] 孫新章, 周海林, 謝高地. 中國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能及其經(jīng)濟價值. 中國人口·資源與環(huán)境, 2007, 17(4): 55- 60.

[8] 嚴恩萍, 林輝, 王廣興, 夏朝宗. 1990—2011年三峽庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值演變及驅(qū)動力. 生態(tài)學(xué)報, 2014, 34(20): 5962- 5973.

[9] Wang Q, Liu X H, Yue T X, Wang C L, Wilson J P. Using models and spatial analysis to analyze spatio-temporal variations of food provision and food potential across China′s agro-ecosystems. Ecological Modelling, 2015, 306: 152- 159.

[10] Estel S, Kuemmerle T, Alcántara C, Levers C, Prishchepov A, Hostert P. Mapping farmland abandonment and recultivation across Europe using MODIS NDVI time series. Remote Sensing of Environment, 2015, 163: 312- 325.

[11] 石惠春, 師曉娟, 劉鹿, 何劍, 劉偉, 萬海瀅. 蘭州城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估方法與結(jié)果比較. 中國人口·資源與環(huán)境, 2013, 23(2): 30- 35.

[12] 李曉賽, 朱永明, 趙麗, 田京京, 李靜. 基于價值系數(shù)動態(tài)調(diào)整的青龍縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化研究. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2015, 23(3): 373- 381.

[13] 謝高地, 張彩霞, 張雷明, 陳文輝, 李士美. 基于單位面積價值當量因子的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值化方法改進. 自然資源學(xué)報, 2015, 30(8): 1243- 1254.

[14] Wang W J, Guo H C, Chuai X W, Dai C, Lai L, Zhang M. The impact of land use change on the temporospatial variations of ecosystems services value in China and an optimized land use solution. Environmental Science & Policy, 2014, 44: 62- 72.

[15] 謝余初, 鞏杰, 趙彩霞. 甘肅白龍江流域水土流失的景觀生態(tài)風(fēng)險評價. 生態(tài)學(xué)雜志, 2014, 33(3): 702- 708.

[16] 粟曉玲, 康紹忠, 佟玲. 內(nèi)陸河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的動態(tài)估算方法與應(yīng)用——以甘肅河西走廊石羊河流域為例. 生態(tài)學(xué)報, 2006, 26(6): 2011- 2019.

[17] 李博, 石培基, 金淑婷, 魏偉, 周俊菊. 石羊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的空間異質(zhì)性及其計量. 中國沙漠, 2013, 33(3): 943- 951.

[18] Sch?gner J P, Brander L, Maes J, Hartje V. Mapping ecosystem services′ values: current practice and future prospects. Ecosystem Services, 2013, 4: 33- 46.

[19] 李雙成, 王玨, 朱文博, 張津, 劉婭, 高陽, 王陽, 李琰. 基于空間與區(qū)域視角的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)地理學(xué)框架. 地理學(xué)報, 2014, 69(11): 1628- 1639.

[20] 傅伯杰, 張立偉. 土地利用變化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù): 概念、方法與進展. 地理科學(xué)進展, 2014, 33(4): 441- 446.

[21] Costanza R, d′Arge R, de Groot R, Farber S, Grasso M, Hannon B, Limburg K, Naeem S, O′Neill R V, Paruelo J, Raskin R G, Sutton P, van den Belt M. The value of the world′s ecosystem services and natural capital. Nature, 1997, 387(6630): 253- 260.

[22] 謝高地, 魯春霞, 冷允法, 鄭度, 李雙成. 青藏高原生態(tài)資產(chǎn)的價值評估. 自然資源學(xué)報, 2003, 18(2): 189- 196.

[23] Costanza R, de Groot R, Sutton P, van der Ploeg S, Anderson S J, Kubiszewski I, Farber S, Turner R K. Changes in the global value of ecosystem services. Global Environmental Change, 2014, 26: 152- 158.

[24] 謝余初. 基于InVEST模型的甘肅白龍江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時空變化研究. 蘭州：蘭州大學(xué),2015

[25] Straton A. A complex systems approach to the value of ecological resources. Ecological Economics, 2006, 56(3): 402- 411.

[26] Huang S L, Wang S H, Budd W W. Sprawl in Taipei′s peri-urban zone: responses to spatial planning and implications for adapting global environmental change. Landscape and Urban Planning, 2009, 90(1/2): 20- 32.

[27] 謝余初, 鞏杰, 張玲玲. 基于PSR模型的白龍江流域景觀生態(tài)安全時空變化. 地理科學(xué), 2015, 35(6): 790- 797.

Assessment of ecosystem food production and its spatiotemporal heterogeneity in the Bailong River Watershed, Gansu

XIE Yuchu1,2, GONG Jie1,*, QI Shanshan1, ZHANG Ying1, GUO Jianjun1

1KeyLaboratoryofWesternChina′sEnvironmentalSystems(MinistryofEducation),CollegeofEarthandEnvironmentalSciences,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China2KeyLaboratoryofEnvironmentChangeandResourcesUseinBeibuGulf(MinistryofEducation),GuangxiTeachersEducationUniversity,Nanning530001,China

Terrestrial ecosystems function supply food (e.g. grains, vegetables), maintain diversity, and prevent environmental contamination. Thus, it is important to human well-being. Food production is vital for the sustainable development of human populations, and its dynamic spatiotemporal factors are closely related to spatial geographical heterogeneity and social development. However, there are only a few studies on the universal dynamic evaluation methods for ecosystem function used at the regional scale, especially in the fragile mountains of China. Bailong River Watershed (BRW) is located in the transitional ecotone along the Tibet Plateau, Loess Plateau and Qinba Mountains, and it was selected to analyze the spatiotemporal heterogeneity of ecosystem food production. Based on a field survey employing land use data, model simulations, and GIS spatial analysis, the ecological conditions and socio-economical factors were used to revise the previously held dogma which put forward by Costanza in 1997. Specifically, sources of hazards reflected the differences in ecological conditions. The resource scarcity theory and the willingness to pay were used to revise and calculate the economic developmental coefficient. A dynamic evaluation model was constructed with the above corrections method and applied for ecosystem food production services assessment in the Bailong river watershed during 1990—2010. In addition, spatiotemporal heterogeneity and food production were analyzed by ArcGIS 9.3. The results indicated that the supply of cropland distributed in the river valley and bank area of BRW, hill slopes, low mountain regions and decreased. The area of instable cropland and the index of social progress increased. In the period of 1990—2010, ecosystem food production value increased. The mean value of food production was 1.8674 million Yuan in 2010. In addition, the spatial distribution pattern change of food production value was not obvious. Land accounting for high yield of food production value was 42.4% of the total area, which was mainly distributed in the valleys of BRW between Zhouqu and Hanwang town, the northwestern part of Tanchang County. The low-yield areas of food production distributed in the national nature reserve and forest. Our data change how the value of China′s terrestrial ecosystem was previously defined on a national to regional scale. Compared with a previous evaluation model, the change in food production was smaller using our method, and its spatial pattern was a better fit to the natural system of the Bailong river watershed. These data indicate that natural hazards (such as landslides and debris) and human activities affected food production and its value.

ecosystem service; food production; economic value; spatiotemporal change; bailong river watershed of Gansu

國家自然科學(xué)基金項目(41271199)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金(lzujbky- 2014- 265,lzujbky- 2014- 117)

2015- 09- 23;

日期:2016- 07- 13

10.5846/stxb201509231959

*通訊作者Corresponding author.E-mail: jgong@lzu.edu.cn

謝余初,鞏杰,齊姍姍,張影,郭建軍.甘肅白龍江流域生態(tài)系統(tǒng)糧食生產(chǎn)服務(wù)價值時空分異.生態(tài)學(xué)報,2017,37(5):1719- 1728.

Xie Y C, Gong J, Qi S S, Zhang Y, Guo J J.Assessment of ecosystem food production and its spatiotemporal heterogeneity in the Bailong River Watershed, Gansu.Acta Ecologica Sinica,2017,37(5):1719- 1728.