基于土地利用變化的慈利縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值研究

張雄一，王盈麗，董賢斌，莊大春

（吉首大學土木工程與建筑學院，湖南 張家界 427000）

土地是人類賴以生存的基礎(chǔ)，是人與自然銜接的最重要環(huán)節(jié)[1-3]。隨著城鎮(zhèn)化進程加快，難免會出現(xiàn)不合理的土地利用行為，這些土地利用行為，會導(dǎo)致產(chǎn)生很多生態(tài)環(huán)境問題，甚至危及人類的生存[4]。隨著極端氣候和自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，人類開始意識到生態(tài)環(huán)境惡化帶來的嚴重后果[5]，全球逐漸開始了大規(guī)模的生態(tài)保護行動。因此，將土地利用與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)緊密結(jié)合逐漸成為當前生態(tài)學研究熱點之一。

自Marsh[6]1864 年提出“人類活動在多大程度上影響了自然的進程”問題，引發(fā)了科學界關(guān)于人類活動對自然環(huán)境影響評估的探討。1980—1986 年，美國完成了本土1 ∶100 萬比例尺的土地利用狀況圖和全球土地覆被數(shù)據(jù)集[7]。1995 年，“國際地圈—生物圈計劃”（IGBP）和“全球環(huán)境變化人文計劃”（IHDP）共同提出LUCC 研究計劃[8]。20 世紀50 年代以來，我國學者積極開展了許多土地利用方面的研究。1980 年出版了《1 ∶100 萬中國土地利用圖集》，1992 年出版了《中國土地利用》[9]。隨著RS、GIS 等新技術(shù)和新方法的興起，進一步擴大了土地利用變化問題研究的范圍和研究的深度[10]。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指生態(tài)系統(tǒng)對人類生產(chǎn)生活發(fā)揮的多種功能[11]，探討和研究生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能，通過構(gòu)建模型量化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的經(jīng)濟價值，評估生態(tài)環(huán)境狀況[12-13]。SCEP 首次對生態(tài)系統(tǒng)能為人類生存提供的服務(wù)功能進行劃分[14]。隨后，Westman[15]把生態(tài)系統(tǒng)提供的社會價值稱為“自然服務(wù)”。Ehrlich 等[16]在1981 年正式使用“生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能”這一術(shù)語；Daily 首次描述“生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值”的內(nèi)涵并進行了詳細的劃分；MA 將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值描述為“人類從生態(tài)系統(tǒng)獲得的生態(tài)服務(wù)效益”[17]。我國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的研究起步較晚，評估大多偏向脆弱的生態(tài)系統(tǒng)區(qū)域，且評估多以現(xiàn)狀評價為主，對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值動態(tài)演變研究較少[18]。有研究報道描述了生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能[19-20]；糜徐紅等[21]應(yīng)用市場價值化方法對研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能現(xiàn)狀進行分析；楊越等[22]采用謝高地[19]制定的測算方法，分析土地利用變化引起的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化；魏慧等[23]將土地覆被變化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究相結(jié)合，利用土地利用動態(tài)度指數(shù)分析德州市土地利用變化狀況及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的動態(tài)變化；彭越[24]利用敏感度系數(shù)比較不同價值系數(shù)對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響程度，并利用灰色關(guān)聯(lián)度觀察各用地類型與服務(wù)價值之間的關(guān)聯(lián)程度；陳春陽等[25]將市場價值法、影子工程法、機會成本法等多種方法與現(xiàn)有的土地利用方式相結(jié)合，評估三江源區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值。

慈利縣正統(tǒng)籌實現(xiàn)“撤縣設(shè)市”目標，實行一批鄉(xiāng)改鎮(zhèn)、村改社區(qū)計劃。在這一進程中，需要嚴格把控土地利用行為，科學合理利用有限的土地資源，充分發(fā)揮土地的最大效益。基于慈利縣土地利用變化，以2005—2016 年張家界市平均糧食產(chǎn)量為基準對謝高地等[19]編制的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)單位面積價值當量表進行修正，在對慈利縣境內(nèi)各類型生態(tài)系統(tǒng)進行價值量核算基礎(chǔ)上，探討了各鄉(xiāng)鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值演變和時空分異特征，為今后促進慈利縣合理利用土地資源，優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)和全域范圍內(nèi)社會經(jīng)濟與生態(tài)保護協(xié)同發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

慈利縣地處武陵山區(qū)腹地、湖南省張家界市東 部，東 徑110°27′35′′～111°20′00′、北 緯29°04′00′′～ 29°41′56′′，縣域氣候類型為亞熱帶季風性濕潤氣候，年平均氣溫16.8℃，年降雨日143.2 d，年降雨量 1 390 mm，無霜期年均267.6 d。地形以丘陵山地為主，地貌構(gòu)造較為復(fù)雜，是典型的丘陵山區(qū)縣。

2016 年慈利縣轄15 個鎮(zhèn)、10 個鄉(xiāng)，年末常住人口61.39 萬人，城鎮(zhèn)人口26.81 萬人，城鎮(zhèn)化率43.7%。耕地面積4.358 萬hm2，占全市總面積的44.76%。全縣生產(chǎn)總值167.1 億元，三次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)由2006 年的24.47 ∶28.82 ∶46.71 優(yōu)化到2016 年的16.3 ∶30.9 ∶52.8。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究中土地利用數(shù)據(jù)來源于慈利縣2006—2016年土地利用變更統(tǒng)計，經(jīng)濟和社會發(fā)展數(shù)據(jù)來源于歷年《張家界市統(tǒng)計年鑒》和慈利縣統(tǒng)計公報。

2.2 研究方法

2.1.1土地利用分析方法（1）單一土地動態(tài)度。單一土地利用類型動態(tài)度描述研究區(qū)域一定時間范圍內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化情況[26]，其計算式見公式①：

式中：k 表示研究時段內(nèi)單一土地利用類型的動態(tài)度；Ua、Ub分別為研究初期和末期某一類型的土地利用面積；T 是某種土地利用類型變化的時間段。

（2）土地利用綜合指數(shù)。單一土地動態(tài)度不足以體現(xiàn)一個區(qū)域內(nèi)土地利用變化程度，因此引入土地利用綜合指數(shù)，揭示慈利縣的土地利用的綜合水平和變化趨勢。采用前輩學者提出的土地利用程度分析方 法[27-28]，先將土地利用類型劃分為4 種土地利用級，再定類別的分級指數(shù)（表1）。

表1 土地利用類型分級

計算模型為公式②：

式中，L 為慈利縣土地利用程度綜合指數(shù)；Ai為第i 級土地利用程度分級指數(shù)；Ci為第i 級土地利用程度分級面積百分比；n 為土地利用程度分級數(shù)。

（3）土地利用綜合指數(shù)變化率。為進一步分析縣域土地利用變化過程，引用土地利用綜合指數(shù)變化 率[28]，計算式見公式③。

式中：Ai為第i 級的土地利用程度分級指數(shù)。 Cia和Cib分別為某區(qū)域a 時間和b 時間第i 級土地利用程度面積百分比。當RJ＞0，則該區(qū)域土地利用處于發(fā)展時期，否則處于調(diào)整期或衰退期。

2.1.2生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評價方法（1）指標修正。參考專家學者有關(guān)生態(tài)系統(tǒng)價值的研究[29-31]，結(jié)合慈利縣社會經(jīng)濟現(xiàn)狀，對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評價指標進行了修正。耕地參照農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)單位面積的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值；園地數(shù)據(jù)取森林和草地單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的平均量；林地參照森林生態(tài)系統(tǒng)單位面積的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值；河流/湖泊對應(yīng)參照水域生態(tài)系統(tǒng)單位面積的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值；濕地參考濕地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值；未利用地參考荒漠生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值。對牧草地以及城鎮(zhèn)及工礦用地交通用地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值不進行估算。

（2）模型計算?？紤]慈利縣社會經(jīng)濟發(fā)展狀況，對 單位面積農(nóng)田每年自然糧食產(chǎn)量的經(jīng)濟價值進行修正，計算出慈利縣不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的價值系數(shù) （表2）。

表2 慈利縣生態(tài)系統(tǒng)單位生態(tài)服務(wù)價值當量

為消除農(nóng)作物價格波動對總價值量的影響，以2006—2016 年張家界市平均糧食單產(chǎn)4 871.13 kg/hm2為該研究區(qū)基準單產(chǎn)，糧食單價按2006—2016 年湖南省糧食平均價格4.34 元/kg 計算，考慮到無人力投入， 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)所提供的食物生產(chǎn)經(jīng)濟價值是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)實際所提供食物生產(chǎn)經(jīng)濟價值的1/7，計算出單位面積農(nóng)田提供的食物生產(chǎn)服務(wù)價值為3 020.1 元。

設(shè)計計算模型見公式④：

式中：Ea為單位面積農(nóng)田提供糧食生產(chǎn)服務(wù)功能的經(jīng)濟價值（元/hm2）；i為作物種類；pi為i種糧食作物在張家界市平均價（元/kg）；qi為i種糧食作物單產(chǎn)（kg/hm2）；mi為i種糧食作物面積（hm2）；M為糧食作物總面積；n 為糧食作物種類。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值計算式見公式⑤：

式中：ESV 為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值（元/a）；Ak為第k類土地利用類型分布面積（hm2）；Ck為單位面積的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)（元/hm2·a）。

基于慈利縣修正后的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)，結(jié)合慈利縣近年的土地利用變更數(shù)據(jù)，計算得到2006—2016 年慈利縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值。

3 結(jié)果與分析

3.1 慈利縣土地利用分析

3.1.1土地利用變化對慈利縣2006—2016 年土地利用變更數(shù)據(jù)進行處理和分析，得到各類土地面積（表3）和各土地類型差值（表4）。

由表3 和表4 可知，受國家退耕還林政策和慈利縣“撤縣設(shè)市”計劃實施的影響，耕地、林地以及園地的面積變化在2006—2011 年和2011—2016 兩個階段具有明顯的差異。2006—2016 年，園地面積的減少最多，城鄉(xiāng)建設(shè)用地增長最多。其中2006—2011 年，園地總面積減少了170.36 hm2，林地面積減少455.12 hm2，而耕地面積增加了454.66 hm2。耕地開墾是造成園地和林地面積減少的主要原因，由于慈利縣的地形地貌，園地和林地主要占據(jù)坡度高于25°的區(qū)域。雖然開墾后耕地面積增加，但實際上耕地的單位面積有效利用率卻呈下降趨勢；2011—2016 年園地面積的減少趨勢更為明顯，與此同時由于退耕還林政策的實施，耕地面積逐漸減少，林地面積稍有提升；2006—2016年，水域面積逐年減少但減少量較小，交通和未利用地面積皆有所增加，城鄉(xiāng)建設(shè)用地增加顯著，主要是城鎮(zhèn)化的發(fā)展促使建設(shè)用地規(guī)模的擴張，未利用地在2006—2016 年期間明顯減少，2011—2016 年減少趨勢更加明顯。

表3 2006—2016 年慈利縣各土地利用類型面積統(tǒng)計結(jié)果 （hm2）

表4 2006—2016 年慈利縣各土地利用類型差值結(jié)果 （hm2）

3.1.2土地利用變化特征利用慈利縣2006—2016 年各類土地利用面積分別計算出2006—2011 年、2011—2016 年以及2006—2016 年各土地利用類型的動態(tài)度（圖1）。

由圖1 可知，城鄉(xiāng)建設(shè)用地增加明顯；交通和水利用地保持增加趨勢，但在后一時段增加的趨勢大幅度降低；園地減少趨勢明顯；未利用地的在2011—2016 時間段的面積減少更為顯著；耕地動態(tài)度由增加變?yōu)闇p少，林地則相反；水域一直呈現(xiàn)小幅度減少。2006—2016 年整體變化中，城鎮(zhèn)建設(shè)相關(guān)區(qū)域的用地都大幅度上升，耕地總體有所增加，而園地、未利用地則是顯著下降，林地和水域雖然呈下降趨勢，但總體面積減少幅度較小。

計算得出慈利縣2006、2011 和2016 年的土地利用程度綜合指數(shù)，分別為228.08、228.28 和227.26，整體平穩(wěn)，起伏不大。

為更直觀地反映慈利縣2006—2016 年間土地利用變化波動情況，增加2008 年和2014 年兩個時間點，計算2006—2008 年和2011—2014 年兩個時間段內(nèi)慈利縣土地利用綜合指數(shù)變化率，結(jié)果表明：在2008—2011 年和2014—2016 年兩個時間段中，慈利縣的土地利用變化在小幅范圍波動。四個階段的土地利用綜合指數(shù)變化率皆小于0.15%，慈利縣的土地利用整體處于穩(wěn)定發(fā)展狀態(tài)。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評價

3.2.1生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總變化由圖2 可知，2006—2016 年慈利縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值呈現(xiàn)小幅度下降趨勢，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值減少了0.25 億元，價值變化率為-0.1%。除農(nóng)田和濕地提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值增加外，其他各類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值均減少。未利用地和園地分別減少了6.43%和3.08%，河流/湖泊和森林分別減少了0.3 億與0.2 億元，減少了0.18%與0.1%。由于慈利縣為實現(xiàn)“撤縣設(shè)市”目標，通過加大對管轄范圍內(nèi)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)城市用地整治，加快城鎮(zhèn)化建設(shè)，開發(fā)未利用地，實施保證糧食產(chǎn)量和保護森林的措施，林地與未利用地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值在2011—2016 年呈加速減少的趨勢。雖然濕地和農(nóng)田的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值有所增加，但其單位面積的生態(tài)價值遠遠低于林地和未利用地的價值，且濕地和農(nóng)田面積的增加量少于園地和未利用地的減少量，因此，慈利縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總體呈下降態(tài)勢。

3.2.2單項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化根據(jù)慈利縣不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)表和慈利縣2006—2016 年土地利用變化數(shù)據(jù)，計算得到2006—2016 年慈利縣生態(tài)系統(tǒng)單項服務(wù)價值（表5）。

表5 2006—2016 年慈利縣生態(tài)系統(tǒng)單項服務(wù)價值及差值（億元）

2006—2016 年慈利縣總體的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值呈現(xiàn)減少趨勢，其中，提供美學景觀減少最多，達0.13億元；原材料生產(chǎn)、氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、水文調(diào)節(jié)、保持土壤和維持生態(tài)多樣性等生態(tài)服務(wù)價值均減少0.03 億～0.07 億元左右；食物生產(chǎn)是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型中唯一增長的值，但其和廢物處理類型的波動范圍較??；水文調(diào)節(jié)和維持生態(tài)多樣性作為2016 年價值量最高的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型，其中林地和河流/湖泊為其提供主要價值量。

3.2.3鎮(zhèn)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值空間變化根據(jù)慈利縣不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)和慈利縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)2006—2016 年土地利用變化數(shù)據(jù)，計算得出縣域各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化情況（圖3）。

在慈利縣的25 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)中，江埡鎮(zhèn)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值量最高，2006 年和2016 年的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值分別為23.75 億元和20.62 億元，占生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值的9.55%和8.30%；三合鎮(zhèn)和零陽鎮(zhèn)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值相對較高，且兩者差距不大，占生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值的比例均在7%～8%；其他的鄉(xiāng)鎮(zhèn)對慈利縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值估量的貢獻度都在1%～6%。

除零溪鎮(zhèn)、江埡鎮(zhèn)、三合鎮(zhèn)、高峰土家族自治鄉(xiāng)和南山坪鄉(xiāng)之外，其余各區(qū)縣的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值均呈現(xiàn)增加的變化趨勢（表6），但是各區(qū)域的變化幅度有差異。

江埡鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值減少量最大，2006—2016 年間共減少3.13 億元，變化率為-13.18%，主要 原因在于濕地與林地面積的大幅度減少；南鄉(xiāng)坪鎮(zhèn)次 之，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值共減少0.28 億元，變化率為-3.24%；三合鎮(zhèn)、高峰土家族自治鄉(xiāng)、零溪鎮(zhèn)的生 態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化率均處于-1%～0 的區(qū)間范圍內(nèi)。

表6 慈利縣部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值量

由圖4 可知，生態(tài)系統(tǒng)價值量增加的鄉(xiāng)鎮(zhèn)占全慈利縣81.48%，但變化率不大，處于1%～2%區(qū)間的鄉(xiāng)鎮(zhèn)只有巖泊渡鎮(zhèn)和零陽鎮(zhèn)，變化率分別為1.71%和1.50%；其次變化率稍高的三個鄉(xiāng)鎮(zhèn)為苗市鎮(zhèn)、洞溪鄉(xiāng)和楊柳鋪鄉(xiāng)，分別為0.71%、0.64%和0.63%。

4 結(jié)論與討論

以慈利縣為研究區(qū)，以2006—2016 年土地利用變更數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將土地利用變化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評價相結(jié)合，探討土地利用與生態(tài)系統(tǒng)之間的關(guān)系，得出以下結(jié)論：

（1）通過單一土地動態(tài)度、土地利用綜合指數(shù)和綜合指數(shù)變化度分析慈利縣2006—2016 年土地覆被變化情況，總體呈“三增四減”的態(tài)勢：城鄉(xiāng)建設(shè)用地呈明顯增加趨勢；交通和水利用地保持增加趨勢；園地和未利用地減少趨勢明顯；耕地動態(tài)度由增加變?yōu)闇p少，林地則相反；水域一直小幅度減少。慈利縣的土地利用綜合程度穩(wěn)定保持在227～228 左右，土地利用方式有待進一步優(yōu)化。慈利縣積極開展城鎮(zhèn)化工作，城鎮(zhèn)建設(shè)用地增長速度快。未利用地是補充耕地、林地的重要來源，因此總體呈下降趨勢。2006—2011年慈利縣土地利用變化主要是從園地和未利用地轉(zhuǎn)向耕地和城鄉(xiāng)建設(shè)用地，而2011—2016 年則是轉(zhuǎn)向林地和城鄉(xiāng)建設(shè)用地。

（2）慈利縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值從2006 年的248.61 億元減少至2016 年的248.36 億元，減少了0.25億元。其中，除農(nóng)田和濕地所提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值增加外，其余各地類的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值均呈減少趨勢；從單一類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值構(gòu)成上來看，林地占比穩(wěn)定保持在82%，一直是慈利縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值中最重要的組成部分；而城鄉(xiāng)建設(shè)用地的增加導(dǎo)致總價值稍有減少；在單項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值中，2006—2016 年總體呈現(xiàn)減少態(tài)勢，其中提供美學景觀價值量的減少最多。

（3）從空間分異來看，2006—2016 年慈利縣管轄范圍內(nèi)的各鄉(xiāng)鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值增減程度存在較明顯的差異。其中，江埡鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值減少量最大，共減少3.13 億元，主要是由于濕地與林地面積的大幅度減少；慈利縣城區(qū)所在的零陽鎮(zhèn)由于耕地數(shù)量增多，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值有所上升；總體來看，慈利縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值量增加的鄉(xiāng)鎮(zhèn)占全縣的81.48%，但其價值量增加均不明顯。

慈利縣作為丘陵山區(qū)的縣域，其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值對林地等生態(tài)用地的變化比較敏感，在今后土地利用 規(guī)劃中，政府相關(guān)部門必須正視生態(tài)用地的積極作用，適當增加生態(tài)用地面積，進一步完善退耕還林工作。在慈利縣“撤縣設(shè)市”過程中，科學合理把控城鎮(zhèn)化進度，優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)，在發(fā)展經(jīng)濟的同時，確保生態(tài)安全，促進土地利用與生態(tài)系統(tǒng)的健康協(xié)調(diào)發(fā)展。