陜北地區(qū)土地利用及景觀格局變化對(duì)生態(tài)服務(wù)價(jià)值的影響*
——基于退耕還林(草)背景

魯亞楠，姚順波※，鄧元杰，丁振民，侯孟陽，鄭 雪，李雅男

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院,陜西咸陽 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源經(jīng)濟(jì)與環(huán)境管理研究中心,陜西咸陽 712100)

0 引言

生態(tài)系統(tǒng)的無可替代性以及其提供生態(tài)系統(tǒng)物品和服務(wù)的稀缺性決定了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是維持人類賴以生存的自然條件和效用[1-4]。人類通過土地利用改變地表自然景觀的同時(shí)，引起了生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的變化，進(jìn)而影響著生態(tài)系統(tǒng)所能提供的服務(wù)種類和強(qiáng)度[5]。自1997年Costanza等[4]提出生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的估算原理和方法之后，國內(nèi)外掀起了一股研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的熱潮[3，6-9]，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的價(jià)值評(píng)估逐漸成為國內(nèi)外生態(tài)學(xué)等相關(guān)學(xué)者研究的熱點(diǎn)問題之一，專家學(xué)者主要圍繞生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的理論框架[8，10]、類型劃分[7，11]、價(jià)值評(píng)估方法[12-14]等方面進(jìn)行了有意義的探索。微觀層面上，土地利用是人與自然交互過程中最密切的環(huán)節(jié)，土地利用方式在時(shí)間和空間上的長期積累會(huì)影響土地利用結(jié)構(gòu)的演化[15]。然而土地利用結(jié)構(gòu)的演化又會(huì)進(jìn)一步對(duì)區(qū)域的景觀生態(tài)格局造成影響，進(jìn)而改變了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[16]，即土地利用類型與生態(tài)服務(wù)是相互影響、相互制約的[17]。退耕還林(草)工程作為世界上最大的生態(tài)建設(shè)工程，主要通過改變地表土地利用類型與景觀格局、修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能與結(jié)構(gòu)、最終增加生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價(jià)值以實(shí)現(xiàn)緩解生態(tài)環(huán)境與人類活動(dòng)之間矛盾的目標(biāo)。退耕還林(草)工程始于1999年，陜西、四川和甘肅3省率先開展試點(diǎn)，國家林業(yè)局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截止2019年，我國累計(jì)完成退耕還林任務(wù)0.338 667億hm2。在退耕還林(草)工程的政策效果評(píng)估方面，眾多學(xué)者從微觀經(jīng)濟(jì)福利[18-20]、宏觀區(qū)域經(jīng)濟(jì)[21，22]、生態(tài)環(huán)境[23，24]、氣候變化[25，26]、土地利用[27，28]等方面做了大量的檢驗(yàn)與探討。眾所周知，“退耕還林(草)”政策的實(shí)施旨在保護(hù)林草地，而林草地帶來的生態(tài)服務(wù)價(jià)值在整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中占有著決定性地位。因此林草地面積增加，必然會(huì)帶來生態(tài)服務(wù)價(jià)值的上升。在退耕還林(草)引起的生態(tài)服務(wù)價(jià)值變化方面，有學(xué)者以陜西省為研究對(duì)象認(rèn)為“退耕還林(草)”促進(jìn)了林草地的生長與恢復(fù)，改善了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)服務(wù)功能[29]；也有學(xué)者已經(jīng)驗(yàn)證了退耕還林(草)的時(shí)間與生態(tài)服務(wù)價(jià)值的變化相對(duì)應(yīng)，并認(rèn)為退耕還林(草)政策的實(shí)施有助于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的提升[30]。雖然退耕還林(草)造成的土地利用變化受到了眾多關(guān)注，但對(duì)于通過改變土地利用類型與景觀格局最終改變生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的邏輯框架還需要進(jìn)一步檢驗(yàn)。

陜北地區(qū)位于水土流失最為嚴(yán)重的黃土高原北部的農(nóng)牧交錯(cuò)地帶，也是退耕還林(草)工程實(shí)施的重點(diǎn)區(qū)域，2014年全國退耕還林(草)工程生態(tài)效益監(jiān)測評(píng)估培訓(xùn)會(huì)議上，國家林業(yè)局將陜西省在內(nèi)的17個(gè)省(區(qū))列入了全國退耕還林(草)工程生態(tài)效益監(jiān)測重點(diǎn)省份。文章根據(jù)構(gòu)建的適合陜北地區(qū)的生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)，結(jié)合土地轉(zhuǎn)移矩陣、景觀格局指數(shù)、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(ESV)損益矩陣，將土地利用變化、景觀格局演變以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值響應(yīng)結(jié)合來揭示在退耕還林(草)工程背景下陜北地區(qū)近25年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的演變規(guī)律，旨在為陜北地區(qū)的土地利用規(guī)劃及新一輪退耕還林(草)政策的推進(jìn)提供參考。

1 研究區(qū)概況

陜北地區(qū)位于黃土高原與內(nèi)蒙古高原的過渡區(qū)，黃河中游，屬于黃土高原溝壑區(qū)，內(nèi)轄榆林和延安兩市。該地區(qū)以風(fēng)沙地貌為主，地貌形態(tài)復(fù)雜，陡坡溝多，地表結(jié)構(gòu)疏松，土地利用類型多樣。在氣候上位于溫帶季風(fēng)區(qū)的邊緣，因此受東南季風(fēng)影響較弱，全區(qū)的年均氣溫為7.7～10.6℃，年均降水總量約507.7mm，年均蒸發(fā)量較高。由于其處于農(nóng)牧交錯(cuò)地帶，農(nóng)牧、農(nóng)林的交錯(cuò)性特征明顯，農(nóng)牧業(yè)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)波動(dòng)性交替，長期土地利用不合理導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化，地區(qū)人地關(guān)系不協(xié)調(diào)，水土流失和風(fēng)沙災(zāi)害嚴(yán)重。陜西省從1999年秋冬率先實(shí)施退耕還林(草)，10多年來累計(jì)完成退耕還林(含荒山造林、封山育林)240.9萬hm2，其中退耕地還林共101.92萬hm2，占工程總量的42.31%，當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境有了一定的改善。截止2011年，國家累計(jì)投入陜西省退耕還林補(bǔ)助資金263.4億元，工程投資額度和建設(shè)規(guī)模位居全國前列(1)數(shù)據(jù)來源于陜西省林業(yè)廳http：//www.snly.gov.cn/info/1033/4919.htm。

圖1 研究區(qū)位置示意圖

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

該研究所使用的陜北兩市(延安、榆林)土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心(http：//www.resdc.cn)，包括1990年、2000年和2015年3期，其空間分辨率為30m×30m。該數(shù)據(jù)集的生產(chǎn)是以各期LandsatTM、ETM+及OLS遙感影像為數(shù)據(jù)源，通過人工目視解譯生成。并經(jīng)過實(shí)地驗(yàn)證，誤差修正后的土地利用以及類型綜合評(píng)價(jià)精度達(dá)到94.3%以上，二級(jí)類型分類綜合精度達(dá)91.2%以上[31-33]。土地利用類型根據(jù)中國科學(xué)院土地利用/覆被標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合陜北地區(qū)的實(shí)際情況，將土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)建設(shè)用地和未利用地6種。研究區(qū)的陜北行政邊界矢量數(shù)據(jù)來源于國家基礎(chǔ)信息中心提供的全國1：100萬基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(www.webmap.cn)。

對(duì)于上述地理空間數(shù)據(jù)和土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的具體過程如下：(1)在ArcGIS平臺(tái)下對(duì)獲取的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)按照陜北地區(qū)的行政邊界進(jìn)行提取，并進(jìn)行地類合并。再使用空間分析(spatial analyst)工具下的面積制表(Tabulate Area)工具獲取得到研究時(shí)段內(nèi)各年份間土地利用轉(zhuǎn)移矩陣；(2)利用R語言編寫土地利用各地類之間面積的轉(zhuǎn)移弦圖；(3)運(yùn)用Fragstats4.2軟件對(duì)該文選取的景觀格局指數(shù)進(jìn)行計(jì)算；(4)運(yùn)用stata13.0對(duì)ESV與土地利用變化及景觀格局之間的相關(guān)性進(jìn)行計(jì)算。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣主要反映研究時(shí)間段內(nèi)各土地利用類型相互之間的轉(zhuǎn)換方向和轉(zhuǎn)換面積，其數(shù)學(xué)形式為[34]：

(1)

式(1)中，S代表面積，n代表土地利用的類型數(shù)，i、j分別代表研究期初與研究期末的土地利用類型。

2.2.2 弦圖

弦圖是一種重要的數(shù)據(jù)可視化表達(dá)的方法，它的原理是使用圓形坐標(biāo)系體現(xiàn)多組數(shù)據(jù)間關(guān)系強(qiáng)弱的可視化形式。弦圖最初被廣泛應(yīng)用于生物學(xué)領(lǐng)域，近年來開始被應(yīng)用于地理學(xué)領(lǐng)域，以表達(dá)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣中各種用地類型的轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出大小及方向。該研究中的弦圖，轉(zhuǎn)移線的寬度代表著不同土地利用類型之間轉(zhuǎn)換面積的大小，寬度越大，轉(zhuǎn)移的面積越多，反之則越小；弦圖中轉(zhuǎn)移線的顏色表示著不同地類間轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出的方向。該文中的弦圖以1990—2000年及2000—2015年兩期土地利用轉(zhuǎn)移矩陣為基礎(chǔ)，通過R語言編程所得。

2.2.3 景觀指數(shù)的選取

景觀指數(shù)是指高度濃縮景觀格局信息[35]，其特征主要體現(xiàn)在單個(gè)斑塊、斑塊類型以及整個(gè)景觀鑲嵌體3個(gè)尺度上，因此景觀指數(shù)統(tǒng)一分為斑塊水平、景觀類型水平以及景觀水平3個(gè)級(jí)別[36]。景觀格局指數(shù)一般可以分為景觀水平(Landscape metrics)和景觀類型水平(Class metrics)兩種指數(shù)，為從景觀結(jié)構(gòu)、景觀多樣性、空間異質(zhì)性、破碎度、人類活動(dòng)對(duì)景觀格局的影響程度以及各景觀類型面積等方面研究多層次生態(tài)過渡帶——陜北地區(qū)的景觀格局動(dòng)態(tài)和空間構(gòu)型變化的基本特征，該文在景觀層面上選?。喊邏K個(gè)數(shù)(NP)[37]、蔓延度(CONTAG)[38]、凝聚度指數(shù)(COHESION)[38]、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)[39]共計(jì)4個(gè)指標(biāo)；在景觀類型層面選取了斑塊個(gè)數(shù)(NP)、斑塊密度(PD)[39]、最大斑塊所占景觀面積的百分比(LPI)[37]、斑塊平均大小(MPS)[37]、景觀百分比(Pland)[38]共8個(gè)指數(shù)從多角度多方面分析并總結(jié)研究區(qū)的景觀格局演變規(guī)律。具體指數(shù)的含義、數(shù)學(xué)公式以及生態(tài)學(xué)意義見各指標(biāo)相應(yīng)的參考文獻(xiàn)。該文對(duì)所選取的景觀格局指數(shù)的計(jì)算在Fragstats4.2軟件中進(jìn)行，計(jì)算時(shí)選擇的土地利用景觀格局為30m×30m柵格單元數(shù)據(jù)。

2.2.4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(ESV)是反映生態(tài)系統(tǒng)功能強(qiáng)弱的一個(gè)重要指標(biāo)[2]，但由于計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的價(jià)格基礎(chǔ)不同，會(huì)造成基于單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量的計(jì)算結(jié)果不唯一[40]。當(dāng)量因子表的構(gòu)建是采用當(dāng)量因子法進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值評(píng)估的前提條件[14]，該文參照Costanza[4]和謝高地等[14]對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型的分類，結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況，將陜北地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型分為供給服務(wù)(食物生產(chǎn)、原料生產(chǎn)、水資源供給)、調(diào)節(jié)服務(wù)(氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、凈化環(huán)境、水文調(diào)節(jié))、支持服務(wù)(土壤保持、維持養(yǎng)分循環(huán)、生物多樣性)和文化服務(wù)(美學(xué)景觀)共四大類11小項(xiàng)。根據(jù)中國科學(xué)院土地利用/覆被標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合陜北地區(qū)的地形地貌，將土地利用景觀劃分為農(nóng)田、森林、草地、水域、城鄉(xiāng)建設(shè)用地和未利用地，由此確定符合陜北地區(qū)實(shí)際情況的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量表，其中耕地對(duì)應(yīng)農(nóng)田，林地對(duì)應(yīng)森林。在計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)，參照“中國生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量表”，根據(jù)CPI對(duì)陜北地區(qū)糧食平均價(jià)格進(jìn)行修訂，構(gòu)建適合陜北地區(qū)的生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)。

①生態(tài)服務(wù)價(jià)值

生態(tài)服務(wù)價(jià)值計(jì)算公式[41]為：

(2)

式(2)中，ESV是研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值，n代表土地利用類型數(shù)量，Sk為土地利用類型k的面積，VCk為單位面積上第k類土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。在上述公式基礎(chǔ)上得到ESV損益計(jì)算公式為：

Pij=(VCj-VCi)×Sij

(3)

式(3)中，Pij為第i類土地利用類型轉(zhuǎn)化成第j類土地利用類型后的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值損益，Sij是第i類土地利用類型轉(zhuǎn)化成第j類土地利用類型的面積。

②單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的修訂

(4)

(5)

(6)

VC′k=當(dāng)量×單位面積價(jià)值

(7)

3 結(jié)果分析

3.1 土地利用結(jié)構(gòu)和空間格局時(shí)空變化分析

3.1.1 土地利用時(shí)空變化特征分析

近25年陜北地區(qū)土地利用主要以草地、耕地和林地為主，占研究區(qū)總面積的90%以上。1990—2000年，耕地面積增加了1.652 751 萬hm2，林地、草地面積也有增加，但增加幅度均小于1%；受“退耕還林(草)”、“天保工程”等的影響，耕地、林地、草地的變化速度明顯加快：2000—2015年，耕地面積減少30.259 917 萬hm2，減幅3.81%，減少量占研究區(qū)總面積的3.59%；同期林地面積增加10.221 085 萬hm2，增加量占研究區(qū)總面積的1.55%，草地面積增加23.211 621 萬hm2，占研究區(qū)總面積的2.92%。近25年水域面積和未利用地面積持續(xù)減少，城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積增幅巨大，1990—2000年城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積僅增加了0.16%，而2015年城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積是1990年面積的4.5倍。

圖2 1990—2015年陜北地區(qū)土地利用變化情況

1990—2015年陜北地區(qū)各地類的互轉(zhuǎn)情況如表1所示，25年耕地的轉(zhuǎn)出面積最大，按轉(zhuǎn)出量排序?yàn)椋翰莸?林地>城鄉(xiāng)建設(shè)用地>未利用地>水域。轉(zhuǎn)出比重最大的是未利用地，轉(zhuǎn)出率為31.48%。草地的轉(zhuǎn)入面積最大，為59.449 194萬hm2，轉(zhuǎn)入率17.45%；其余地類依次是耕地(27.531 702 萬hm2)、林地(21.726 621 萬hm2)、城鄉(xiāng)建設(shè)用地(8.760 279 萬hm2)、未利用地(2.775 213 萬hm2)、水域(0.877 473 萬hm2)。其中耕地轉(zhuǎn)為草地的面積最多，占研究區(qū)總面積的5.05%；未利用地減少了15.823 425 萬hm2，主要是轉(zhuǎn)化為草地，占減少總量的86.44%；林地、草地面積總量增加，對(duì)陜北地區(qū)的生態(tài)環(huán)境改善及可持續(xù)發(fā)展起到了很重要的作用。

表1 1990—2015年陜北地區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 萬hm2

圖3 1990—2015年陜北地區(qū)土地利用弦圖

3.1.2 土地利用轉(zhuǎn)移面積及方向分析

陜北地區(qū)退耕前后的土地利用轉(zhuǎn)移情況如圖3所示，以2000年為分界點(diǎn)，各土地利用類型面積之間的轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出發(fā)生了較大的變化。1990—2000年，陜北地區(qū)未利用地轉(zhuǎn)為草地的面積最多，為12.924 990萬hm2，占研究區(qū)總面積的1.62%；其次是草地轉(zhuǎn)為耕地、草地轉(zhuǎn)為林地，占研究區(qū)總面積的比例分別是0.41%、0.42%；耕地轉(zhuǎn)為林草地的面積較少。2000—2015年，受到“退耕還林(草)工程”、“天保工程”的影響，耕地轉(zhuǎn)為林地草地的面積顯著增加，其中耕地轉(zhuǎn)為草地的面積最多，增加量最大，由1.212 084萬hm2增加到40.950 414萬hm2，占研究區(qū)總面積的5.15%；耕地轉(zhuǎn)為林地的面積由4 796.46hm2增加到11.707 731萬hm2。2000—2015年，未利用地轉(zhuǎn)為耕地的面積也顯著增加，說明為了彌補(bǔ)因退耕還林(草)造成的耕地面積減少，陜北地區(qū)開墾了部分未利用地。由于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，各地類轉(zhuǎn)為城鄉(xiāng)建設(shè)用地的面積均顯著增加。

表2 1990—2015年陜北地區(qū)景觀層面景觀指數(shù)

3.2 景觀格局時(shí)空演變分析

3.2.1 景觀層面分析

由表2可以看出，近25年來陜北地區(qū)的景觀格局產(chǎn)生了較大的變化，斑塊個(gè)數(shù)(NP)方面，總斑塊數(shù)由1990年的40 874增加到2015年的51 461，即隨著經(jīng)濟(jì)的增長和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，陜北地區(qū)的景觀斑塊破碎度在逐年增加。蔓延度(CONTAG)呈波動(dòng)減小趨勢(shì)，1990年為55.804，2000年上升至56.397，2015年又下降到55.437，主要是因?yàn)?000年以前，人們?cè)谠懈刂車鷼Я珠_荒，使得大量的林草地和未利用地轉(zhuǎn)為耕地，其景觀優(yōu)勢(shì)連通性上升；而2000年之后由于退耕還林(草)等政策的實(shí)施和城鎮(zhèn)化原因，陜北地區(qū)總體景觀優(yōu)勢(shì)連通性下降，破碎化增加。香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)呈波動(dòng)遞增態(tài)勢(shì)，說明陜北地區(qū)土地利用方式逐年豐富，復(fù)雜度和破碎度一直在延續(xù)，生態(tài)系統(tǒng)向復(fù)雜化發(fā)展。凝聚度指數(shù)(COHESION)總體保持在較高的水平，但呈逐年下降趨勢(shì)，景觀連接性逐年降低?？傮w從景觀層面的景觀指數(shù)看，陜北地區(qū)景觀格局的連接性和通達(dá)性降低，景觀格局主要呈破碎化發(fā)展趨勢(shì)。

3.2.2 景觀類型層面分析

結(jié)合圖2、表3，耕地、林地、草地一直是研究區(qū)最主要的景觀類型，在陜北地區(qū)景觀格局的構(gòu)成中居于主導(dǎo)地位。從斑塊個(gè)數(shù)(NP)和斑塊密度(PD)可以看出陜北地區(qū)各景觀類型的破碎化程度增大，空間異質(zhì)性增加。

表3 1990—2015年陜北地區(qū)景觀類型層面指數(shù)

在耕地面積波動(dòng)減少的情況下，其斑塊個(gè)數(shù)(NP)逐年增加，最大斑塊指數(shù)(LPI)和平均斑塊大小(MPS)也逐漸減小，反映出耕地正在發(fā)生面積縮減、耕地破碎化程度增加的情形。林地面積、斑塊個(gè)數(shù)(NP)和斑塊密度(PD)均逐年增加，致使其平均斑塊大小(MPS)和最大斑塊指數(shù)(LPI)逐漸減小。1990—2000年林地MPS值年均降幅為13.70%，2000—2015年變化速率增長至122.25%，表明林地趨于破碎化。原因是當(dāng)?shù)鼐用裨趪彝烁€林還草等政策的號(hào)召下，在適宜種植林草的地區(qū)退耕為林、退耕為草，而部分地區(qū)仍保持原有景觀類型，導(dǎo)致該地區(qū)耕地、林地、草地等分布較為分散，破碎化程度上升。草地面積逐年增加，但斑塊數(shù)波動(dòng)增加；草地的平均斑塊大小(MPS)1990年到2000年增加，2000年到2015年減小，總體呈下降趨勢(shì)；且草地的最大斑塊指數(shù)(LPI)和平均斑塊大小(MPS)均明顯大于其他地類，說明草地是陜北地區(qū)的優(yōu)勢(shì)景觀類型。

在水域面積不斷減少的情況下，斑塊個(gè)數(shù)(NP)是增加的，最大斑塊指數(shù)(LPI)是減小的。以2000年為分界點(diǎn)，其斑塊密度(PD)先減小后增加，而平均斑塊大小(MPS)先增加后減小，說明水域變化復(fù)雜，1990—2000年水域面積趨于集中，而2000—2015年又逐漸破碎化。結(jié)合土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可知有大量的水域退化成草地，還有一部分主要被開墾為耕地，這些行為加速了水域萎縮，增加了水域的破碎化程度。城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積逐階段增加，最大斑塊指數(shù)(LPI)和平均斑塊大小(MPS)也呈增加趨勢(shì)，說明隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速，城鄉(xiāng)建設(shè)用地逐年增加，但由于文化、習(xí)俗等因素，新增建設(shè)用地均以原有建設(shè)用地為中心向四周擴(kuò)散，其整體分布較為集中，導(dǎo)致破碎化程度降低。在未利用地面積減少的情形下，未利用地的斑塊個(gè)數(shù)(NP)和斑塊密度(PD)是增加的，說明近25年未利用地斑塊個(gè)數(shù)(NP)的增加是未利用地破碎化造成的。

3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估

3.3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化分析

1990—2015年，除食物生產(chǎn)功能的ESV先增加后減少外，其余10種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的ESV均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，且氣候調(diào)節(jié)、凈化環(huán)境、水文調(diào)節(jié)、生物多樣性的ESV上升速度明顯加快。其中，氣候調(diào)節(jié)功能的ESV貢獻(xiàn)最大，增加量亦最多，25年期間共增加了6.27億元；其余各項(xiàng)功能的ESV增加量相對(duì)較少。由于食物生產(chǎn)功能的ESV減少(0.62億元)，導(dǎo)致供給服務(wù)功能的ESV減少了0.2億元。結(jié)合表7，1990—2015年陜北地區(qū)6種景觀類型ESV均有不同程度的變化。其中，減少最多的為農(nóng)田，25年間農(nóng)田的ESV減少4.79億元，變化率高達(dá)10.15%；水域和未利用地的ESV出現(xiàn)不同程度的減少，且未利用地的減少比例高達(dá)25.96%?？傮w來看陜北地區(qū)的ESV近25年間增加了17.03億元。

表4 1990—2015年陜北地區(qū)ESV時(shí)間變化

3.3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值結(jié)構(gòu)分析

表5 1990—2015年陜北地區(qū)各生態(tài)系統(tǒng)ESV及其變化

結(jié)合表1和表5可知，2015年陜北地區(qū)林地和草地占區(qū)域總面積的比例分別為17.84%、42.69%，其ESV貢獻(xiàn)量之和卻達(dá)到81.43%，說明林草地是維持陜北地區(qū)ESV的主要景觀類型；水域占總面積的比例為0.77%，ESV的貢獻(xiàn)量卻高達(dá)7.85%，說明水域?qū)SV的增長起著不可忽視的作用。耕地的面積先增加后減少，其ESV也是先增加后減少；水域和未利用地的面積在兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)持續(xù)減少，其ESV也是持續(xù)減少，可見面積變化是引起各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化的主要原因。1990—2015年陜北地區(qū)ESV呈上升趨勢(shì)，且速度逐漸加快。1990—2000年，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值增加10.67億元，年均變化率為13.96%；從主要的貢獻(xiàn)來源看，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的增加主要依賴于草地和林地的變化，其中草地的ESV增加最多，為9.85億元，林地的增加值為3.36億元。2000—2015年，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值增加24.79億元，年均變化率為56.22%，這一階段除未利用地外，其他各景觀類型的生態(tài)服務(wù)價(jià)值年均變化率均明顯提高。農(nóng)田的ESV急劇減少，減少了10.54億元，而林草地的ESV增加值則高達(dá)38.06億元，其中森林的ESV年均變化率由退耕還林(草)前的17.23%增加至退耕還林(草)后的206.70%。表明陜北地區(qū)生態(tài)功能逐步改善，這主要是由于國家實(shí)施的退耕還林(草)等政策保護(hù)了林草地，林草地面積增加、森林蓄積量上升，致使該地區(qū)的生態(tài)服務(wù)價(jià)值逐年增加。

3.3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)損益分析

表6 1990—2015年陜北地區(qū)ESV損益矩陣 億元

由表6可知，近25年間ESV增加37.41億元，主要是由耕地轉(zhuǎn)為林地、耕地轉(zhuǎn)為草地帶來的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)增值構(gòu)成；所有地類轉(zhuǎn)水域均為正流向，增加8.90億元。ESV的損失主要由草地轉(zhuǎn)耕地、水域轉(zhuǎn)耕地、水域轉(zhuǎn)草地、草地轉(zhuǎn)城鄉(xiāng)建設(shè)用地造成；所有地類轉(zhuǎn)城鄉(xiāng)建設(shè)用地均為負(fù)流向，共損失7.53億元。1990—2015年間，ESV整體收益大于損失，其生態(tài)增值主要來源于林地和草地的生態(tài)價(jià)值貢獻(xiàn)。

3.4 ESV與土地利用類型、景觀格局變化的響應(yīng)關(guān)系分析

3.4.1 土地利用變化對(duì)ESV的影響

隨著人口的增長和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，土地利用類型變化是生態(tài)系統(tǒng)變化最直接的體現(xiàn)[42]。1990—2000年，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值增加主要的貢獻(xiàn)來源是草地和林地；2000—2015年，其貢獻(xiàn)的比例持續(xù)上升。由于“退耕還林(草)”工程的推進(jìn)，林草地面積增加，進(jìn)而導(dǎo)致陜北地區(qū)生態(tài)服務(wù)價(jià)值上升。從單向生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能看，研究區(qū)食物生產(chǎn)的功能隨著耕地的變化而波動(dòng)遞減；而由于林草地面積的增加和保護(hù)工程致使森林蓄積量上升，研究區(qū)氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、凈化環(huán)境、土壤保持、美學(xué)景觀等各項(xiàng)功能都逐年上升，其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值呈增加趨勢(shì)。

運(yùn)用stata13.0對(duì)研究區(qū)1990年、2000年、2015年3個(gè)年份的一級(jí)地類面積與對(duì)應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(ESV)進(jìn)行相關(guān)性分析，得到其相關(guān)系數(shù)為0.773，在0.01的水平上顯著，說明經(jīng)過修正后的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(ESV)與各地類面積存在顯著的正相關(guān)關(guān)系。

為進(jìn)一步探究土地利用類型對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響，該文參照前人的研究成果[43]，分別計(jì)算出每個(gè)縣的土地利用程度指數(shù)，然后繪制生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與土地利用程度的散點(diǎn)圖。由圖4可知，隨著土地利用程度的增加，各縣的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總體上呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。研究結(jié)果表明，土地利用結(jié)構(gòu)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)有負(fù)向影響：即土地利用程度越高，研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值越小。

圖4 土地利用程度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響

3.4.2 景觀格局變化對(duì)ESV的影響

運(yùn)用Fragstats4.2軟件計(jì)算斑塊數(shù)目(NP)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、散布與并列指數(shù)(IJI)、平均斑塊大小(MPS)、分形維(FRAC_MN)、斑塊形狀指數(shù)(SHAPE_MN)、聚集度(AI)共7個(gè)景觀指數(shù)，共得到3期耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)建設(shè)用地和未利用地共6類景觀類型的指數(shù)。在stata13.0軟件中對(duì)6個(gè)地類的指數(shù)逐一與各期ESV進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表7所示。

表7 1990—2015年景觀格局指數(shù)與ESV相關(guān)性

由表7可以看出陜北地區(qū)的景觀格局對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)服務(wù)價(jià)值具有顯著的影響，但是不同的景觀指數(shù)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響程度和趨勢(shì)不同。陜北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(ESV)與最大斑塊指數(shù)(LPI)、平均斑塊大小(MPS)有明顯的正相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)性在1%的水平上顯著，與分形維(FRAC_MN)、斑塊形狀指數(shù)(SHAPE_MN)在5%的水平上顯著正相關(guān)；與散布與并列指數(shù)(IJI)在10%的水平上顯著負(fù)相關(guān)。平均斑塊大小(MPS)越大，地類聚集程度越高，連通性越強(qiáng)，其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值越高，即景觀破碎度降低會(huì)提升當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。

借用敏感性指數(shù)[44]進(jìn)一步探究生態(tài)服務(wù)價(jià)值對(duì)景觀多樣性和景觀破碎度的響應(yīng)機(jī)制，進(jìn)行SHDI-ESV和FN-ESV敏感度系數(shù)的計(jì)算，得到CS(S)為6.83，CS(F)為0.17，即生態(tài)服務(wù)價(jià)值對(duì)景觀多樣性指數(shù)變化的反應(yīng)更為敏感。在變化程度相同時(shí)，多樣性指數(shù)對(duì)ESV的影響更顯著，因此研究區(qū)應(yīng)該更注重對(duì)生態(tài)多樣性的發(fā)展與保護(hù)。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

(1)退耕還林(草)前10年林地面積增加了2.079 036萬hm2，年均增長17.24%，草地面積增加了7.287 723 萬hm2，年均增長25.56%；退耕還林(草)后15年林地面積增加了10.221 085 萬hm2，年均增長206.72%，草地面積增加了15.923 898 萬hm2，年均增長105.45%。林地和草地的增加量分別是1990—2000年的4.92倍和2.19倍，退耕還林(草)政策效果明顯。

(2)近25年陜北地區(qū)景觀格局中最主要的地類是耕地、林地和草地，其中草地在陜北地區(qū)景觀格局的構(gòu)成中居于主導(dǎo)地位。景觀蔓延度先增加后下降，景觀多樣性先減小后增加，凝聚度下降，景觀連接性逐年降低。通過總結(jié)可知陜北地區(qū)土地利用方式逐年豐富，整體景觀呈破碎化發(fā)展趨勢(shì)，景觀格局的連接性和通達(dá)性降低，生態(tài)系統(tǒng)更趨向于復(fù)雜化。

(3)研究區(qū)近25年的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值呈上升趨勢(shì)，這與李晶[45]、李娜[46]和宋敏敏等[35]的研究結(jié)果一致。陜北地區(qū)1990年、2000年和2015年各類生態(tài)系統(tǒng)提供的總生態(tài)服務(wù)價(jià)值分別為389.19、394.31和406.22億元，退耕還林(草)前10年增加ESV5.12億元，年均增長率為13.96%；退耕還林(草)后15年增加ESV11.91億元，年均增長率為56.22%，退耕還林(草)政策效果顯著。從各景觀類型的ESV值看，1990—2000年，水域和未利用地的ESV呈減少趨勢(shì)，其他地類的ESV均呈增加趨勢(shì)；2000—2015年，耕地、水域、未利用地的ESV均呈減少趨勢(shì)。從各項(xiàng)服務(wù)功能看，陜北地區(qū)水文調(diào)節(jié)和氣候調(diào)節(jié)的功能價(jià)值最突出，1990年水文調(diào)節(jié)的功能價(jià)值最高，而2015年則氣候調(diào)節(jié)的功能價(jià)值最高；以2015年為例，僅水文調(diào)節(jié)和氣候調(diào)節(jié)的功能價(jià)值就占了總價(jià)值的46.02%。經(jīng)過分析可知，陜北地區(qū)ESV的變化主要是土地利用變化導(dǎo)致自然生態(tài)系統(tǒng)面積變化和“天保工程”、“退耕還林(草)”工程的推動(dòng)。

4.2 討論

受退耕還林(草)政策的影響，陜北地區(qū)土地利用類型和土地景觀格局的變化均對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值有顯著的影響，水域和林草地面積對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值呈正相關(guān)，未利用地和城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值呈負(fù)相關(guān)。該文進(jìn)一步對(duì)1990—2015年研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值對(duì)土地利用類型的響應(yīng)進(jìn)行了探討，通過土地利用程度與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的散點(diǎn)圖可以看出兩者之間存在負(fù)效應(yīng)，即隨著土地利用程度的提高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值反而下降。該結(jié)論與胡和兵等[47]、黃云鳳等[48]的結(jié)論一致，但與石龍宇等[49]的研究結(jié)果相反。通過深入分析發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致該研究結(jié)果差異的主要原因可能是生態(tài)服務(wù)價(jià)值計(jì)算方法的不同。但由于樣本數(shù)量等原因，僅通過散點(diǎn)圖與相關(guān)系數(shù)得出結(jié)論運(yùn)用于土地利用與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間相互關(guān)系的計(jì)量方法的精確度還有待提高，其計(jì)量方法也需進(jìn)一步完善，這將是今后研究的主要目標(biāo)和方向。

最大斑塊指數(shù)(LPI)、平均斑塊大小(MPS)與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值呈正相關(guān)，且在1%的水平上顯著。地類聚集程度越高，連通性越強(qiáng)，其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值越高，即景觀破碎度降低會(huì)提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。敏感度指數(shù)計(jì)算結(jié)果顯示，在景觀多樣性和景觀破碎度變化程度相同時(shí)，生態(tài)服務(wù)價(jià)值對(duì)景觀多樣性指數(shù)變化的反應(yīng)更為敏感，這與邵雪亞等[50]的研究結(jié)論相同。該文選擇的指標(biāo)能夠較好的反映當(dāng)?shù)鼐坝^格局的分布規(guī)律，對(duì)分析陜北地區(qū)生態(tài)服務(wù)價(jià)值具有較好的輔助作用，但是該文只是對(duì)生態(tài)服務(wù)價(jià)值和選取的這些指標(biāo)之間的相關(guān)性進(jìn)行了初步的分析，其生態(tài)景觀格局和生態(tài)服務(wù)價(jià)值之間的相互作用機(jī)理還有待于進(jìn)一步深入研究。