西北旱區(qū)生態(tài)服務(wù)價值時空動態(tài)研究

田 龍,張青峰,2,3,塔 娜,章 慧,董 艷

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 2.農(nóng)業(yè)部黃土高原農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境修復(fù)重點開放實驗室, 陜西 楊凌 712100;3.西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院, 陜西 楊凌 712100)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指通過生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過程和功能直接或間接得到的生命支持產(chǎn)品和服務(wù)[1],是人類生存和發(fā)展的基本條件，并能以經(jīng)濟價值即生態(tài)服務(wù)價值(ecological service value, ESV)的形式進行核算[1]。自1997年Costanza[2]提出生態(tài)系統(tǒng)可提供氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、干擾調(diào)節(jié)、水調(diào)節(jié)等17項服務(wù)功能后，國內(nèi)外諸多學(xué)者對不同地域生態(tài)系統(tǒng)的ESV進行了大量針對性的科學(xué)研究[3-7]，在理論和實踐方面均取得了重要進展，對于提高公眾生態(tài)保護意識、制定生態(tài)系統(tǒng)保育政策和決策提供了理論依據(jù)。但從區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃角度出發(fā)，以氣候特征劃分的大型區(qū)域如西北旱區(qū)為尺度而進行的研究仍較為稀少。在我國的ESV研究實踐中，由于Costanza方法中相關(guān)評價標(biāo)準的適用性遭到普遍質(zhì)疑[8]，而多采用謝高地等[9-10]提出的改進評價方法。故本文利用該方法定量分析了西北旱區(qū)不同土地利用類型的ESV時空分異特征，以期對西北旱區(qū)的土地利用規(guī)劃及生態(tài)經(jīng)濟協(xié)同發(fā)展提供一定理論參考。

1 研究區(qū)概況

我國西北旱區(qū)主要是以地理氣象特征命名的區(qū)域(73°28′E～119°54′E，31°33′N～49°11′N)，西部、北部與鄰國接壤，東至大興安嶺，南沿秦嶺—淮河的北麓，轄寧夏、甘肅、青海、新疆四省(區(qū))的全部及內(nèi)蒙古中西部和陜西中北部(如圖1)，東西距離約3 800 km，南北距離約2 100 km，總面積3.73×106km2，約占全國國土面積的38%。該區(qū)氣候干燥，蒸發(fā)量大，地形復(fù)雜，地貌類型多樣，山脈、河流眾多，草原、荒漠草原和荒漠并存，農(nóng)、林、牧等多產(chǎn)業(yè)并存發(fā)展，土地利用類型多樣。

注：地理坐標(biāo)系為GCS-WGS-1984，采用Asia-North-Albers-Equal-Area-Conic投影。

Note: Geographic coordinate system is GCS-WGS-1984, using Asia-North-Albers-Equal-Area-Conic projection.

圖1西北旱區(qū)地理范圍示意圖

Fig.1 The geographical scope of the Northwest Arid Areas

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于2004—2012年西北旱區(qū)各省(區(qū))國土資源廳提供的土地利用詳查及變更調(diào)查資料、各省(區(qū))統(tǒng)計年鑒以及中國統(tǒng)計年鑒、國土資源公報等公開出版物。

2.2 土地利用變化分析

按照國家土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準將土地利用二級地類進行歸并分為耕地、園地、林地、草地、居民點及工礦用地、交通用地、水域和未利用地等8種類型。

2.2.1 土地利用動態(tài)度 土地利用動態(tài)度是指在一定時間段內(nèi)，某類土地利用類型的面積變化情況[11]，該指標(biāo)可有效地反映土地利用的空間差異及土地利用變化的劇烈程度。公式如下：

(1)

式中，L表示T時間段內(nèi)某種土地利用類型的動態(tài)度(%)；Ua、Ub分別為研究起止時段內(nèi)某一土地利用類型的面積(hm2)；T為研究時間長度(a)。

2.2.2 土地利用綜合指數(shù) 人類對土地進行利用會產(chǎn)生不同的利用深度與廣度。根據(jù)樊玉山等[12]的研究，將土地利用程度分為4級，并賦予分級指數(shù)：未利用地賦值1，林地、草地和水域賦值2，耕地和園地賦值3，居民點及工礦用地、交通用地賦值4。土地利用程度公式如下：

(2)

式中，D為土地利用綜合指數(shù)；Ak為第k類土地利用類型的分級指數(shù)；Uk為第k類土地利用類型的面積(hm2)；U總為研究區(qū)域總面積(hm2)。

2.3 ESV評估方法

謝高地等[9-10]以Costanza方法為依據(jù)，針對中國實際情況，制定了“中國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量因子表”，并規(guī)定每公頃農(nóng)田的年糧食產(chǎn)量的ESV當(dāng)量為1，其它生態(tài)系統(tǒng)類型的ESV當(dāng)量相對于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的貢獻而定，且以全國平均糧食市場產(chǎn)值的1/7為單位ESV當(dāng)量因子的經(jīng)濟價值量。生態(tài)服務(wù)功能單價計算公式如下：

Eik=eik·Ea

(3)

式中，Eik為第k種土地利用生態(tài)系統(tǒng)類型(如耕地、林地等生態(tài)系統(tǒng))的第i種生態(tài)服務(wù)功能(如氣體調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)、娛樂文化等)的單價(元·hm-2)；eik為當(dāng)量因子；Ea為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)糧食的單位面積ESV(元·hm-2)。

根據(jù)各類生態(tài)系統(tǒng)面積和各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的單價，由式(4)～(6)計算出研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的經(jīng)濟價值[13]。

ESVk=∑iUk×Eik

(4)

ESVi=∑kUk×Eik

(5)

ESV總=∑k∑iUk×Eik

(6)

式中，ESVk表示第k種土地利用類型的ESV(元)；ESVi表示第i項生態(tài)服務(wù)功能的價值(元)；ESV總表示研究區(qū)域總的ESV(元)；Eik代表第k類土地利用類型第i項服務(wù)功能的單位面積的生態(tài)價值(元·hm-2·a-1)。

變差貢獻率是指某一土地利用類型的ESV變化量占該區(qū)域總的ESV變化量的比例，用于判斷不同土地利用類型變化對ESV變化的影響程度，計算公式如下：

(7)

式中，ESVcc為變差貢獻率；ESVia和ESVib分別為研究時間起止點的第i項生態(tài)服務(wù)功能的價值(元)。

2.4 人均ESV

從人口對ESV影響的角度進行分析，人均ESV在一定程度上反映出區(qū)域ESV大小隨人口數(shù)量的變化規(guī)律，公式如下：

ESVave=ESV/P

(8)

式中，ESVave為人均ESV(元)；P為研究區(qū)域總?cè)丝?人)。

2.5 生態(tài)經(jīng)濟協(xié)調(diào)度模型與敏感性分析

2.5.1 生態(tài)經(jīng)濟協(xié)調(diào)度模型 生態(tài)經(jīng)濟協(xié)調(diào)度(eco-economic harmony, EEH)指研究區(qū)域在一定時期內(nèi)的ESV變化率和經(jīng)濟總量變化率的比值。公式如下[14]：

(9)

式中，EEH為生態(tài)經(jīng)濟協(xié)調(diào)度；ESVf為單位面積ESV變化率(%)；GDPf為單位面積經(jīng)濟總量變化率(%)。EEH在一定程度上反映生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟發(fā)展的耦合關(guān)系，參考相關(guān)文獻[14]得到其分級標(biāo)準(表1)。

表1 生態(tài)經(jīng)濟協(xié)調(diào)度分級標(biāo)準

2.5.2 敏感性指數(shù) 為驗證生態(tài)價值系數(shù)的準確性，本文引入敏感性指數(shù)(coefficient of sensitivity，CS)來分析ESV對生態(tài)價值系數(shù)的敏感程度，計算方法[15]如下：

(10)

式中，CS為敏感性系數(shù)，表示單位面積生態(tài)價值(VC)變化1%所引起的ESV變化；ESVn、ESVm分別為生態(tài)價值系數(shù)調(diào)整前后的ESV(元)；VCnk、VCmk分別為調(diào)整前后第k種土地利用類型的生態(tài)價值系數(shù)。

若CS<1，則說明ESV對于VC是缺乏彈性的，表明結(jié)果可信；若CS>1，則表明ESV對于VC是富有彈性的。

3 結(jié)果分析

3.1 西北旱區(qū)土地利用變化

2004—2012年西北旱區(qū)土地利用變化狀況如表2所示。由表2可知，研究期間，未利用地、草地面積占比均較大，平均占西北旱區(qū)總面積的39.36%和38.63%。西北旱區(qū)的土地利用類型面積發(fā)生了明顯變化，面積變化情況為林地(3.90×106hm2)>交通用地(2.49×105hm2)>水域(2.41×105hm2)>園地(1.65×105hm2)>居民點及工礦用地(1.48×105hm2)>耕地(-9.93×105hm2)>未利用地(-7.31×106hm2)>草地(-1.19×107hm2)，面積占比變化情況分別為交通用地(8.72%)>水域用地(8.01%)>園地(1.61%)>林地(0.71%)>居民、工礦用地(0.46%)>未利用地(-0.53%)>耕地(-0.60%)。隨著“村村通”工程的實施以及地方經(jīng)濟和旅游業(yè)的發(fā)展，交通網(wǎng)絡(luò)逐步發(fā)達，在一定程度上也促進了交通用地面積占比的增加。

2004—2008年，林地、草地、水域和耕地比例呈下降趨勢，其它土地利用類型比例呈上升趨勢，其土地利用強度綜合指數(shù)亦有增長態(tài)勢；2008—2012年，林地、草地、水域和建設(shè)用地(包括居民點及工礦用地和交通用地)比例呈增長態(tài)勢，耕地和未利用地比例呈下降趨勢，其土地利用強度綜合指數(shù)呈增長態(tài)勢。

3.2 ESV時空變化

3.2.1 ESV時間維度分析 本文對西北旱區(qū)2004—2012年之間的年平均單位面積農(nóng)田自然糧食產(chǎn)量、糧食作物播種面積、糧食價格等相關(guān)指標(biāo)進行計算，根據(jù)式(3)得到不同土地利用類型年均單位面積的生態(tài)價值，結(jié)果見表3。

由表3和公式(4)～(7)，計算西北旱區(qū)不同土地利用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化結(jié)果見表4。

表2 2004—2012年西北旱區(qū)土地利用變化狀況

表3 西北旱區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)單位面積ESV/(元·hm-2·a-1)

由表4可知，西北旱區(qū)2004—2012年的ESV總體呈現(xiàn)出增長態(tài)勢，研究期間共增長了166.10×109元，價值變化率為4.84%。其中，林地ESV增長量最大(199.52×109元)，其次為水域(20.12×109元)和園地(4.28×109元)，而草地ESV減少量最大(-48.74×109元)，其次為耕地(-8.93×109元)和未利用地(-0.15×109元)；從價值變化率來看，水域ESV增長幅度最大(101.49%)，園地(20.02%)和林地(11.49%)次之，而耕地ESV減少率最大(-5.40%)，說明耕地面積的減少對其ESV變化較為顯著，今后應(yīng)注意保護耕地面積；從變差貢獻率來看，林地的生態(tài)服務(wù)功能貢獻率最大，草地面積的減少使其貢獻率明顯降低。由此可知，西北旱區(qū)的ESV與其土地利用類型面積變化有著緊密的聯(lián)系。

由西北旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)單項服務(wù)價值變化(見圖2)可知，土壤形成與保護、生物多樣性保護的ESV占比較大，而食物生產(chǎn)占比最小。單項ESV在2004—2008年呈減少狀態(tài)，在2008—2012年呈增加狀態(tài)。2004—2006年土壤形成與保護的減少量占總減少量的比例最大(20.09%)，而在2006—2008年間，氣體調(diào)節(jié)功能的單項ESV減少率最多(17.07%)，2008—2010年除食物生產(chǎn)功能減少外其它服務(wù)功能均有所增加， 2010—2012年各生態(tài)系統(tǒng)ESV均增加， 且土壤形成與保護的比例最大(16.5%)。2004—2012年， 水源涵養(yǎng)的ESV增長最多(19.6%)。

表4 西北旱區(qū)不同土地利用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化

3.2.2 ESV空間維度分析 西北旱區(qū)各省(區(qū))2004—2012年的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值及其變化率見表5。從表5可知，在研究期間，西北旱區(qū)各省(區(qū))的ESV變化不一：青海和寧夏凈減，這與林地面積的大幅減少緊密相關(guān)；內(nèi)蒙古中西部、陜西中北部、甘肅和新疆為凈增，原因是林地、水域面積的增加和未利用面積的減少；從變化幅度來看：寧夏的ESV下降的最快(20.79%)，其次為青海(3.44%)，寧夏的林地減少量占比較大，是其ESV減少率最大的主要原因；價值變化率最快的為甘肅(27.87%)，其次為陜西中北部(16.81%)，其余省(區(qū))的變化率都不超過10%，表明甘肅和陜西中北部近年來生態(tài)環(huán)境改善較快，生態(tài)效益明顯。水域、林地的單位面積生態(tài)價值較大，其面積大小成為影響各省區(qū)ESV的主要因素。

3.3 人均ESV分析

2004—2012年西北旱區(qū)人口數(shù)量變化見圖3。由圖3可知，研究期間西北旱區(qū)人口數(shù)量逐年增長。

由西北旱區(qū)各省區(qū)人均ESV(見表6)可知，除2004年外，其它年份各地區(qū)的ESVave大小依次為：青海>內(nèi)蒙古中西部>新疆>甘肅>陜西中北部>寧夏?？傮w上看，西北旱區(qū)人均ESV呈減少態(tài)勢，這說明在一定程度上，人口的增長對ESV有抑制作用。內(nèi)蒙古中西部、青海、寧夏和新疆的人均ESV都出現(xiàn)了不同程度的下降，說明人口的增長給其ESV的增長帶來負面影響，人口負荷較重；陜西中北部和甘肅的情況比較樂觀，人均ESV增加。

3.3 生態(tài)經(jīng)濟協(xié)調(diào)度與敏感性指數(shù)分析

3.3.1 生態(tài)經(jīng)濟協(xié)調(diào)度 西北旱區(qū)ESV、GDP變化率分別為89.47%、272.97%，其生態(tài)經(jīng)濟協(xié)調(diào)度EEH為0.33。西北旱區(qū)的經(jīng)濟和生態(tài)狀況都呈現(xiàn)出良好態(tài)勢，都有較高水平的增長；此外西北旱區(qū)的生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟發(fā)展處于輕度協(xié)調(diào)水平，雖然二者協(xié)調(diào)發(fā)展，但仍有惡化的可能。

圖2西北旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)單項服務(wù)價值變化

Fig.2 Variances of individual ecosystem service value in Northwest Arid Areas

3.3.2 敏感性指數(shù) 本文將單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值分別上下調(diào)整50%，得到西北旱區(qū)2004—2012年不同土地利用類型的CS變化(見表7)和2012年西北旱區(qū)內(nèi)各省(區(qū))的敏感性系數(shù)CS分布(見圖4)。

表5 2004—2012年各地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值空間分異/109元

圖3 2004—2012年西北旱區(qū)人口數(shù)量變化圖

由表7可知，CS林地>CS草地>CS耕地>CS未利用地>CS園地>CS水域，2004—2012年林地的CS為0.48～0.53，即當(dāng)林地的VC增加1%時，該區(qū)域的ESV將增加0.48%～0.53%。

由圖4可知，西北旱區(qū)內(nèi)各地區(qū)的CS分布情況有所不同，內(nèi)蒙古中西部、陜西中北部以及甘肅等地的CS林地最高，林地的變化會引起該區(qū)域ESV較大變化，故應(yīng)注重加強林地資源的保護；青海、寧夏、新疆等地敏感性指數(shù)最高的為牧草地，說明牧草地為影響該區(qū)域ESV的主要土地利用類型。由圖4和表7可知，ESV對VC的敏感性指數(shù)都小于1，這充分表明ESV對VC是缺乏彈性的，本文研究結(jié)果真實可信。

圖4 2012年西北旱區(qū)各地區(qū)敏感性指數(shù)分布

4 討 論

研究區(qū)的ESV的增加與土地利用的數(shù)量與結(jié)構(gòu)關(guān)系密切，在滿足土地利用多樣性的前提下，能否保護好該區(qū)有利于ESV的主導(dǎo)土地利用類型，對當(dāng)?shù)氐腅SV有著至關(guān)重要的作用。林地資源能明顯提升西北旱區(qū)的ESV，因此應(yīng)加大對林地資源的保護力度。

西北旱區(qū)的生態(tài)經(jīng)濟協(xié)調(diào)度處于輕度協(xié)調(diào)狀態(tài)，反映出該地區(qū)總體的經(jīng)濟、環(huán)境矛盾關(guān)系。如能在更細微的尺度上進行GDP和ESV的時空劃分，則能更精確地指導(dǎo)研究區(qū)生態(tài)和經(jīng)濟系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)發(fā)展，也是今后研究的方向。

數(shù)據(jù)的準確性對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的計算至關(guān)重要，然而它本身計算過程的復(fù)雜性以及其生態(tài)價值系數(shù)的精確計算的難度較大，導(dǎo)致研究結(jié)果一般都屬于估算，雖然能在總體上反映出研究區(qū)域的生態(tài)環(huán)境變化的趨勢，但要在更細的尺度上進行精確計算仍有一定難度，需綜合運用遙感解譯、經(jīng)濟學(xué)和統(tǒng)計學(xué)等相關(guān)知識進行更為精確的研究。

本文僅從時間、空間兩個維度對ESV進行分析，今后可從探索ESV變化的驅(qū)動力、ESV預(yù)測回歸等方面對西北旱區(qū)進行全方位分析，并對進一步改善西北旱區(qū)生態(tài)環(huán)境提出建議及對策。

5 結(jié) 論

本文借鑒前人研究成果，對西北旱區(qū)土地利用生態(tài)系統(tǒng)的ESV進行計算，并從時間和空間角度分析了其分異特征，主要研究結(jié)論如下：

(1) 從時間維度來看，西北旱區(qū)的ESV由2004年的3 435.14×109元增加到2012年的3 601.24×109元；除食物生產(chǎn)外，單項ESV都有所增長，表明該區(qū)域生態(tài)環(huán)境壓力較小。從空間維度來看，各省區(qū)平均ESV分異明顯，依次為內(nèi)蒙古中西部>新疆>青海>陜西中北部>甘肅>寧夏，ESV變化率依次為甘肅>陜西中北部>新疆>內(nèi)蒙古中西部>青海>寧夏，說明甘肅、陜西中北部的ESV雖處于較低水平，但增長迅速，內(nèi)蒙古中西部、新疆、青海的平均ESV較高，但增長態(tài)勢較緩慢，寧夏的平均ESV及其增速都處于劣勢。

(2) 研究期內(nèi)西北旱區(qū)整體ESV有所提升，但人均ESV卻有所下降，說明人口的增加在一定程度上減弱了總體ESV的增加，生態(tài)系統(tǒng)的人口負荷有不斷增強的趨勢，今后發(fā)展過程中還要注意保持好合適的人口數(shù)量，避免超出生態(tài)負荷。

(3) 西北旱區(qū)的生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟發(fā)展處于輕度協(xié)調(diào)狀態(tài)，ESV增長率低于經(jīng)濟增長率，雖然二者協(xié)調(diào)發(fā)展，但仍有惡化的潛力，今后仍需加強對生態(tài)環(huán)境的保護力度。

(4) 林地的VC指數(shù)較高，耕地和草地的VC指數(shù)較低，林地的ESV不僅把減少的耕地及草地的ESV抵消掉，還使整體ESV有所升高，說明林地在西北旱區(qū)ESV中扮演著重要角色，它的減少將會使整體ESV急劇下降。這就要求政府及人民努力保護好林地資源，爭取實現(xiàn)土地質(zhì)量與數(shù)量的“雙贏”。

[1] 李 晶,任志遠.陜北黃土高原土地利用生態(tài)服務(wù)價值時空研究[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2006,39(12):2538-2544．

[2] Costanza R, Arge R, Groot R. The Value of the world's ecosystem service and natural capital[J]. Nature, 1997,387(15):253-260.

[3] Chen M Q, Lu Y F, Ling L, et al. Drivers of changes in ecosystem service values in Ganjiang upstream watershed[J]. Land Use Policy, 2015,47(9):247-252.

[4] Li G D, Fang C L. Global mapping and estimation of ecosystem services values and gross domestic product: A spatially explicit integration of national ‘green GDP’ accounting[J]. Ecological Indicators, 2014,46(11):293-314.

[5] 李 超,杜 哲,陳亞恒，等.環(huán)京津地區(qū)土地生態(tài)服務(wù)價值時空分異特征[J].土壤通報,2015,46(1):42-46.

[6] 張文海,趙 陽,余新曉，等.基于LUCC的黃土丘陵區(qū)生態(tài)服務(wù)價值動態(tài)演變研究[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報,2013,3(6):442-450.

[7] 郭榮中,楊敏華.長株潭地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值分析及趨勢預(yù)測[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2014,30(5):238-244.

[8] 李文華,張 彪,謝高地.中國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究的回顧與展望[J].自然資源學(xué)報,2009,24(1):1-10.

[9] 謝高地,甄 霖,魯春霞，等.一個基于專家知識的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值化方法[J].自然資源學(xué)報,2008,23(5):911-919．

[10] 謝高地，張彩霞，張昌順，等.中國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的價值[J].資源科學(xué),2015,37(9):1740-1746.

[11] 趙永華,張玲玲,王曉峰.陜西省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估及時空差異[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2011,22(10):1662-1672.

[12] 樊玉山,劉紀遠．西藏自治區(qū)土地利用[M].北京:科學(xué)出版社,1994.

[13] 何 鋒.長武縣土地資源安全評價[D].楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué)，2009.

[14] 劉帥賓.基于土地利用變化的青海省生態(tài)服務(wù)價值研究[D].鄭州:河南大學(xué)，2014.

[15] 黃賢金,濮勵杰,彭補拙.城市土地利用變化及其響應(yīng):模型構(gòu)建于實證研究[M].北京:科學(xué)出版社，2008.