陜西省生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估

劉紅彩，王 納，馮水園，富遜娣

(1.陜西佛坪國家級自然保護區(qū)管理局，陜西 佛坪 723400；2.陜西省天然林保護工程管理中心，西安 710082)

生態(tài)系統(tǒng)服務是指通過生態(tài)系統(tǒng)的結構、過程和功能直接或間接得到的生命支持產(chǎn)品和服務[1]。生態(tài)系統(tǒng)不僅為人類提供生活必需的生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)品服務，而且提供保證人類生活質(zhì)量的生態(tài)功能[2], 因而是人類生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎和基本條件，是人類擁有的關鍵自然資本，對其功能的評價在全球生態(tài)系統(tǒng)管理和可持續(xù)發(fā)展生態(tài)學研究中占有十分重要的地位[2-4]。Costanza等[1]于1997年最先估算了全球生態(tài)服務價值，在此基礎上，國內(nèi)外眾多學者對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的理論、評價、估算和應用進行了大量的研究[5-8]。生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估已成為當前生態(tài)學與生態(tài)經(jīng)濟學的前沿領域和全球熱點領域[9]。土地利用/覆蓋變化可通過改變生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能，對生態(tài)系統(tǒng)維持正常服務功能起主導性作用，從而影響其服務價值[10]。很多學者通過分析土地利用/覆蓋變化來研究生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化[11-13]。這些研究表明利用土地利用數(shù)據(jù)對生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行評估是可行的[13]。

陜西省由南向北因氣候、地形地貌、植被、土壤等因素差異，分為陜北黃土高原與毛烏素沙地、關中平原、秦巴山地，自然條件復雜多樣，人類活動歷史悠久[14]。陜北是我國重要的能源生產(chǎn)基地，也是水土流失嚴重地區(qū)，關中則是陜西重要的經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)帶和人類活動密集區(qū)，秦嶺山地既是我國中部地區(qū)重要的水源涵養(yǎng)區(qū)和生態(tài)屏障，也是東亞地區(qū)生物多樣性的熱點地區(qū)，素有“中央水塔”、“生物基因寶庫”等美譽，是維持我國生態(tài)安全的關鍵地區(qū)，對區(qū)域社會經(jīng)濟的發(fā)展發(fā)揮重要的服務功能[14-15]。但因長期以來對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的敏感性，生態(tài)系統(tǒng)對人類社會提供的支持服務功能及其空間分布規(guī)律的認識不足，在處理和協(xié)調(diào)生態(tài)環(huán)境保護和建設與經(jīng)濟發(fā)展關系時缺乏科學的依據(jù)，致使一些地區(qū)生態(tài)環(huán)境問題依然十分突出，生態(tài)服務功能下降，對區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展構成嚴重制約，并對中部周邊地區(qū)的生態(tài)安全產(chǎn)生潛在的影響。及時開展全域生態(tài)系統(tǒng)服務價值研究，可為全省各生態(tài)區(qū)土地資源可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境保護提供決策支持[14]。因此，本文以2015年土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)為基礎，估算了陜西省不同生態(tài)區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務價值及其與土地利用/覆蓋的關系，以期了解省域范圍內(nèi)土地利用/覆蓋類型對生態(tài)系統(tǒng)服務價值影響的一般規(guī)律，為生態(tài)系統(tǒng)服務功能管理提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

陜西省位于中國大陸的中部，地理位置為北緯31°42′～39°35′，東經(jīng)105°29′～110°15′(圖1)，面積20.58萬平方公里，南北狹長，跨近8個緯度，因而氣候類型多樣。自南向北可劃分為3個氣候區(qū)：秦巴山地北亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，關中平原和陜北黃土高原暖溫帶半濕潤—半干旱季風氣候區(qū)，風沙灘地溫帶半干旱季風氣候區(qū)[14]。陜西省氣候類型多樣，季風性氣候顯著，自南向北按熱量分為亞熱帶、暖溫帶和溫帶三個基本氣候帶，按水分差異又分為濕潤、半濕潤、半干旱、干旱四種氣候[14]。陜西地處南北過渡，東西交匯地帶，植物區(qū)系成分復雜，植被類型南北差異十分明顯，水平分布自南向北依次為秦巴山地落葉闊葉—常綠闊葉混交林帶、渭河谷地和黃土高原南部暖溫帶落葉闊葉林帶、黃土高原北部森林草原帶、長城沿線溫帶草原帶[14-15]。陜西關中地區(qū)是人口分布的重心，陜北高原人口分布以黃河干流和各支流下游最為密集，陜南地區(qū)人口呈點線狀集中分布在河谷川道區(qū)，而山區(qū)人口稀少、密度較低[14]。2004年發(fā)布的《陜西省生態(tài)功能區(qū)劃》中將全省劃分為4個一級生態(tài)區(qū)：秦嶺山地生態(tài)區(qū)、關中平原農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)、黃土高原農(nóng)牧生態(tài)區(qū)、陜北風沙草原區(qū)[14]。

2 研究方法

2.1 土地利用數(shù)據(jù)獲取

2015年土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)來源于國家科技基礎條件平臺—國家地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)中心 (http://www.geodata.cn) ，數(shù)據(jù)格式為1 km像元大小的柵格數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)集以各期Landsat TM/ETM遙感影像為主要數(shù)據(jù)源通過人工目視解譯生成，包括農(nóng)田、林地、草地、水域、裸地和建設用地等6個一級土地利用/覆蓋類型[15](圖1)。

圖1 陜西省生態(tài)功能區(qū)劃及2015年土地利用/覆蓋類型圖

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值計算

采用價值量評價法，分別對耕地、林地、草地、水域和裸地等5個土地利用/覆蓋類型的生態(tài)服務價值進行估算(由于建設用地的生態(tài)價值很小，故不考慮)。謝高地等[7]在Costanza[1]的研究基礎上總結了氣候調(diào)節(jié)、氣體調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)、土壤形成與保護、廢物處理、生物多樣性保護、食物生產(chǎn)、原材料和娛樂休閑在內(nèi)的9項生態(tài)系統(tǒng)服務功能，并提出了中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務價值系數(shù)。由于生態(tài)服務功能與生物量大小相關，為了減少估算誤差，我們根據(jù)謝高地等[16]提出區(qū)域生物量因子修正系數(shù)(陜西省為0.51)對前述生態(tài)服務價值系數(shù)表進行了修正，得到陜西省各土地利用/覆蓋類型的生態(tài)服務價值系數(shù)(表1)。

表1 陜西省各土地利用/覆蓋類型單位面積生態(tài)服務價值

各土地利用/覆蓋類型及單項功能的生態(tài)系統(tǒng)服務價值的計算公式如下：

V=C×A

式中V為某一土地利用/覆蓋類型及單項功能的生態(tài)系統(tǒng)服務總價值；C為該土地利用/覆蓋類型及單項功能對應的生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)；A為該土地利用/覆蓋類型的面積。

為了便于比較不同生態(tài)區(qū)生態(tài)服務價值貢獻，采用生態(tài)區(qū)單位面積價值量作為衡量指標以消除面積差異的影響，其計算公式如下：

生態(tài)區(qū)單位面積價值量 = 生態(tài)區(qū)總價質(zhì)量 / 生態(tài)區(qū)面積

3 結果與分析

3.1 陜西省生態(tài)系統(tǒng)服務價值

3.1.1 總價值及不同生態(tài)區(qū)占比排序 陜西省的生態(tài)系統(tǒng)服務總價值為974億元·a-1。各生態(tài)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務總價值量排序為：秦巴山地生態(tài)區(qū)>黃土高原生態(tài)區(qū)>關中平原生態(tài)區(qū)>陜北風沙生態(tài)區(qū)(圖2)。

圖2 陜西省各生態(tài)區(qū)生態(tài)服務總價值及單位面積價值量

從各生態(tài)區(qū)的單位面積價值量來看，秦巴山地生態(tài)區(qū)的單位面積價值量為最高，達到56.15萬元·km-1·a-1；黃土高原生態(tài)區(qū)的單位面積價值量顯著低于秦巴山地區(qū)的單位面積價值量，但略高于關中平原生態(tài)區(qū)的單位面積價值量；陜北風沙生態(tài)區(qū)的單位面積價值量僅有28.24萬元·km-1·a-1，顯著低于其它三個生態(tài)區(qū)(圖2)。

3.1.2 不同土地利用類型的生態(tài)服務價值 總體來看，林地、草地和農(nóng)田的生態(tài)系統(tǒng)服務價值之和達到935.62億元，占全省總價值的96.06%(圖3)。其中，林地面積占全省總面積的23.5%，而其生態(tài)系統(tǒng)服務價值則占到全省總價值的47.8%；草地和農(nóng)田的面積占比分別達到38.5%和34.8%，但其生態(tài)系統(tǒng)服務價值占總價值的比例僅有25.9%和22.3%(圖3)。此外，裸地的面積占全省總面積的2.3%，但其生態(tài)服務價值僅占總價值的0.1%；而水域的面積雖然只占總面積的0.9%，但其生態(tài)服務價值卻達到總價值的3.9%(圖3)。

圖3 陜西省不同土地利用類型的面積和生態(tài)服務價值占比

3.2 不同生態(tài)區(qū)生態(tài)服務功能價值及其構成

3.2.1 秦巴山地生態(tài)區(qū) 秦巴山地生態(tài)區(qū)的生態(tài)服務價值達到456.92億元·a-1(圖2)，占全省生態(tài)服務總價值的47%。各土地利用類型的價值貢獻排序為：林地>草地>農(nóng)田>水體>裸地。其中，林地的生態(tài)服務價值最高，達到284.32億元·a-1(表2)，占秦巴山地區(qū)生態(tài)服務總價值的62.23%(圖4)；草地的生態(tài)服務價值(107.3億元·a-1)次之，占秦巴生態(tài)區(qū)總價值的23.48%；農(nóng)田的生態(tài)服務價值(58.77億元·a-1)占生態(tài)區(qū)總價值的12.86%，而水體和裸地的生態(tài)服務價值所占比例不足1.5%(圖4)。

表2 陜西省各生態(tài)區(qū)不同土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務價值統(tǒng)計

關中平原生態(tài)區(qū)各生態(tài)系統(tǒng)單項服務功能的價值貢獻排序為：土壤形成保護>生物多樣性保護>氣體調(diào)節(jié)>水源涵養(yǎng)>氣候調(diào)節(jié)>廢物處理>原材料>娛樂文化>食物生產(chǎn)(圖5)。其中，秦巴山地區(qū)的土壤形成與保護功能的生態(tài)價值貢獻達到92.07億元·a-1(表3)，占秦巴山地區(qū)總價值的20%(圖5)，而生物多樣性保護、氣體調(diào)節(jié)和水源涵養(yǎng)功能的價值次之，分別為64.97億元、61.65億元和61.49億元·a-1(表2。此外，氣候調(diào)節(jié)和廢物處理功能的生態(tài)價值(56.11億元·a-1和52.99億元·a-1)均達到總價值的12%，而原材料、娛樂文化和食物生產(chǎn)功能的價值分別僅占8%、4%和3%(圖5)。

表3 陜西省各生態(tài)區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值 (單位：億元·a-1)

3.2.2 關中平原 關中平原生態(tài)區(qū)的生態(tài)服務價值為152.29億元·a-1(圖2)，約占全省生態(tài)服務總價值的18%。各土地利用類型的價值排序為：農(nóng)田>林地>草地>水體>裸地。其中，農(nóng)田的生態(tài)服務價值為 63.34億元(表2)，占生態(tài)區(qū)總價值的41.59%(圖4)；林地的生態(tài)服務價值(47.08億元·a-1)次之，占生態(tài)區(qū)總價值的30.92%；草地的生態(tài)服務價值(25.53億元·a-1)占生態(tài)區(qū)總價值的16.76%，而水體的生態(tài)服務價值(16.33億元·a-1)占比為10.72%(圖4)。

圖4 陜西省各生態(tài)區(qū)不同土地利用類型的生態(tài)服務價值占比

關中平原生態(tài)區(qū)各生態(tài)系統(tǒng)單項服務功能的價值貢獻排序為：廢物處理>土壤形成保護>水源涵養(yǎng)>生物多樣性保護>氣候調(diào)節(jié)>氣體調(diào)節(jié)>食物生產(chǎn)>原材料>娛樂文化(圖5)。其中，廢物處理和土壤形成保護功能的生態(tài)價值貢獻合計達到57.6億元·a-1(表3)，占生態(tài)區(qū)總價值的38%(圖5)；水源涵養(yǎng)、生物多樣性保護、氣候調(diào)節(jié)和氣體調(diào)節(jié)功能的價值貢獻合計72.98億元·a-1(表3)，食物生產(chǎn)、原材料和娛樂文化功能的價值貢獻分別僅占生態(tài)區(qū)總價值的7%、4%和3%(圖5)。

3.2.3 陜北黃土高原區(qū) 黃土高原生態(tài)區(qū)的生態(tài)服務價值為328.76億元·a-1(圖2)，占全省生態(tài)服務總價值的34%。各土地利用類型的價值排序為：林地>草地>農(nóng)田>水體>裸地。其中，林地的生態(tài)服務價值為 128.03億元·a-1(表2)，占生態(tài)區(qū)總價值的38.94%(圖4)；草地的生態(tài)服務價值(102.37億元·a-1)次之，占生態(tài)區(qū)總價值的31.14%；農(nóng)田的生態(tài)服務價值(86.92億元·a-1)占生態(tài)區(qū)總價值的26.44%，而水體的生態(tài)服務價值(11.29億元·a-1)占比為3.43%(圖4)。

黃土高原生態(tài)區(qū)各生態(tài)系統(tǒng)單項服務功能的價值貢獻排序為：土壤形成保護>廢物處理>生物多樣性保護>水源涵養(yǎng)>氣候調(diào)節(jié)>氣體調(diào)節(jié)>食物生產(chǎn)>原材料>娛樂文化(圖5)。其中，土壤形成保護和廢物處理功能的生態(tài)價值貢獻分別為68.8億元·a-1和51.3億元·a-1(表3)，占到生態(tài)區(qū)總價值的37%(圖5)；生物多樣性保護、水源涵養(yǎng)、氣候調(diào)節(jié)和氣體調(diào)節(jié)等四個功能的價值貢獻則占到總價值的50%；而食物生產(chǎn)、原材料和娛樂文化功能的價值貢獻分別僅占生態(tài)區(qū)總價值的5%、5%和3%(圖5)。

圖5 陜西省各生態(tài)區(qū)不同土地利用類型的生態(tài)服務價值占比

3.2.4 陜北風沙區(qū) 陜北風沙生態(tài)區(qū)的生態(tài)服務價值為36.04億元·a-1，僅占全省總價值的4%。各土地利用類型的價值排序為：林地>草地>農(nóng)田>水體>裸地。其中，林地的生態(tài)服務價值為128.03億元·a-1(表2)，占生態(tài)區(qū)總價值的38.94%(圖4)；草地的生態(tài)服務價值(102.37億元·a-1)次之，占生態(tài)區(qū)總價值的31.14%；農(nóng)田的生態(tài)服務價值(86.92億元·a-1)占生態(tài)區(qū)總價值的26.44%，而水體的生態(tài)服務價值(11.29億元·a-1)占比為3.43%(圖4)。

陜北風沙生態(tài)區(qū)各生態(tài)系統(tǒng)單項服務功能的價值貢獻排序為：土壤形成保護>廢物處理>生物多樣性保護>水源涵養(yǎng)>氣候調(diào)節(jié)>氣體調(diào)節(jié)>食物生產(chǎn)>原材料>娛樂文化(圖5)。其中，土壤形成保護和廢物處理功能的生態(tài)價值貢獻分別為7.58億元·a-1和6.86億元·a-1(表3)，占到生態(tài)區(qū)總價值的40%(圖5)；生物多樣性保護、水源涵養(yǎng)、氣候調(diào)節(jié)和氣體調(diào)節(jié)等四個功能的價值貢獻則占到總價值的49%；而食物生產(chǎn)、原材料和娛樂文化功能的價值貢獻分別僅占生態(tài)區(qū)總價值的6%、3%和2%(圖5)。

4 結論與討論

本文基于國家地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)中心的2015年土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)，應用修正后的陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務價值系數(shù)，估算和分析了陜西省4個生態(tài)功能區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務價值。結果表明，陜西省的生態(tài)系統(tǒng)服務總價值為974億元·a-1，四個生態(tài)區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值差異明顯，秦巴山地的生態(tài)價值最大，黃土高原和關中平原次之，陜北風沙區(qū)最小。陜南秦巴山地生態(tài)區(qū)的生態(tài)服務價值達到456.92億元·a-1，占全省總價值的47%，對陜西省的生態(tài)系統(tǒng)服務功能起著決定性作用；黃土高原生態(tài)區(qū)的生態(tài)服務價值為328.76億元·a-1，占全省總價值的34%；關中平原生態(tài)區(qū)的生態(tài)服務價值為152.29億元·a-1，占全省總價值的18%；而陜北風沙生態(tài)區(qū)的生態(tài)服務價值為36.04億元·a-1。土壤形成與保護、生物多樣性保護、氣體調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)、氣候調(diào)節(jié)和廢物處理功能貢獻了約85%的生態(tài)系統(tǒng)服務價值，是陜西各生態(tài)區(qū)的主體生態(tài)服務功能。

從單個生態(tài)區(qū)來看，秦巴山地生態(tài)區(qū)的土壤形成與保護功能價值量最大，達到該區(qū)生態(tài)服務總價值的20%，說明秦巴山區(qū)在水土保持方面發(fā)揮著巨大作用；生物多樣性保護、氣體調(diào)節(jié)和水源涵養(yǎng)、氣候調(diào)節(jié)和廢物處理功能則次之，但均達到50億元·a-1以上，這主要是因為森林和草地是秦嶺山地的主要土地利用/覆蓋類型。黃土高原生態(tài)區(qū)的土壤形成與保護功能價值達到68.8億元·a-1，占到該區(qū)生態(tài)服務總價值的21%，說明黃土高原生態(tài)區(qū)在土壤形成保護與防止水土流失方面發(fā)揮著關鍵作用。從生態(tài)系統(tǒng)單項服務功能來看，秦巴山地功能區(qū)對全省生態(tài)服務價值的貢獻最大，除了食物生產(chǎn)和廢物處理之外，其它7個生態(tài)系統(tǒng)單項服務功能的價值貢獻均達到全省的50%或以上；黃土高原區(qū)對全省生態(tài)服務價值的貢獻次之，特別是在食物生產(chǎn)和廢料處理上發(fā)揮著重要作用。

根據(jù)以上各生態(tài)功能區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值的評估，可以看到，秦巴山地區(qū)、黃土高原區(qū)和關中平原區(qū)對陜西省生態(tài)系統(tǒng)服務功能的維持具有重要作用，特別是秦嶺山地生態(tài)功能區(qū)在土壤保持、水源涵養(yǎng)和生物多樣性維持及對周邊地區(qū)的生態(tài)安全等方面具有重要意義。因此，牢固樹立“綠水青山就是金山銀山”理念，堅持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展，恪守生態(tài)保護紅線、環(huán)境質(zhì)量底線和資源利用上線，在保護基本農(nóng)田的同時，進一步提高林草覆蓋率，合理優(yōu)化生態(tài)空間，是建設“綠色陜西”的主體思路與途徑，可顯著提升生態(tài)系統(tǒng)服務價值，有利于維護我國特別是中西部地區(qū)的生態(tài)安全。

基于各生態(tài)區(qū)的環(huán)境條件差異，在生態(tài)建設中應因地制宜，根據(jù)各自的重點生態(tài)問題采取相應保護管理對策。其中，秦巴山地生態(tài)區(qū)應繼續(xù)推進天然林保護工程建設和退耕還林工程，在森林集中分布區(qū)科學合理撫育，形成合理的空間格局，有效保護生物多樣性和森林資源，發(fā)展水土保持林和水源涵養(yǎng)林，提高區(qū)域土壤保持和水源涵養(yǎng)能力，保障生態(tài)系統(tǒng)的多種服務功能。黃土高原生態(tài)功能區(qū)應合理配置區(qū)域水土資源，重點控制丘陵溝壑水土流失，建立和發(fā)展基本農(nóng)田，提高資源利用率；保護和恢復植被，加快和完善退耕還林還草的建設，提高植被覆蓋率；開展土地綜合整治，發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)，提高土地產(chǎn)出率。關中平原農(nóng)業(yè)生態(tài)功能區(qū)生態(tài)保護與建設的對策主要是搞好區(qū)域環(huán)境綜合整治，強化土地管理，科學合理規(guī)劃用地，保護耕地資源，加強土壤污染治理，提高土地質(zhì)量。

由于生態(tài)系統(tǒng)的功能和過程的復雜性和人類認識問題的局限性，加之對問題研究的滯后性，以土地覆蓋來估算生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值的精度有待于進一步的觀察和完善。隨著數(shù)據(jù)精度的提高同測量方法的完善，評價結果的精確性將會提升；同時以土地覆蓋的動態(tài)變化來實時追蹤生態(tài)系統(tǒng)的結構及服務功能，可為定量分析生態(tài)系統(tǒng)的價值變化提供了一種有效的思路。