1998—2018 年漓江流域土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響

何 毅，唐湘玲

（桂林理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541004）

土地利用/覆被變化是全球環(huán)境變化的重要組成部分與驅(qū)動(dòng)因素之一［1，2］，更是當(dāng)前全球環(huán)境變化研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)與前沿課題［3］。土地利用伴隨著人類(lèi)的出現(xiàn)而產(chǎn)生，其利用結(jié)構(gòu)與自然的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能息息相關(guān)，不同土地利用結(jié)構(gòu)的變化通過(guò)影響生態(tài)系統(tǒng)的空間布局和功能，勢(shì)必會(huì)引起相應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化［4］。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)包括生態(tài)系統(tǒng)提供的食物、人類(lèi)生產(chǎn)生活資料、形成適宜人類(lèi)居住的環(huán)境和提供美學(xué)價(jià)值等方面，是人類(lèi)從自然界生態(tài)系統(tǒng)中獲得的惠益總和［5］。而對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行評(píng)估是使區(qū)域資源、環(huán)境得到合理高效配置的重中之重［6，7］。因此，關(guān)注土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響，對(duì)于合理配置和利用土地資源、加強(qiáng)區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)以及促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)自提出以來(lái)，一直都是國(guó)內(nèi)外生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)研究的熱點(diǎn)［8］。Costanza 等［9］將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能劃分為17 種，并進(jìn)行價(jià)值評(píng)估，對(duì)全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的定量研究具有里程碑意義。謝高地等［10，11］根據(jù)中國(guó)實(shí)際國(guó)情并結(jié)合專(zhuān)家意見(jiàn)，對(duì)青藏高原生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行了估算。歐陽(yáng)志云等［12］豐富和發(fā)展了陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的內(nèi)涵。隨著研究的深入，眾多國(guó)內(nèi)學(xué)者越來(lái)越重視不同區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的研究。戴文遠(yuǎn)等［13］基于省域尺度從福州市“三生”用地格局入手，研究了其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的時(shí)空演變和驅(qū)動(dòng)因素。 李怡等［14］通過(guò)RS、GIS 等方法對(duì)陜西省隴縣土地利用結(jié)構(gòu)及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的演變進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，在這些方面還有不少學(xué)者也取得了一定的成果［15-20］。但這些研究對(duì)象主要為城市地區(qū)，研究的地域尺度也相對(duì)較廣。因此，研究小流域不同時(shí)期土地利用結(jié)構(gòu)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空變化的影響具有重要意義。

漓江流域是世界巖溶地貌代表性區(qū)域［21］。2018 年3 月，桂林獲批以“景觀資源可持續(xù)利用”為主題的國(guó)家可持續(xù)發(fā)展議程創(chuàng)新示范區(qū)。其中，桂林巖溶地貌以漓江流域?yàn)榇恚瑧?yīng)超前并長(zhǎng)期保護(hù)漓江生態(tài)環(huán)境，使漓江水環(huán)境持續(xù)保持優(yōu)良狀態(tài)［22，23］。而近年來(lái)，在經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和旅游活動(dòng)快速增長(zhǎng)的影響下，其城鎮(zhèn)化的加快、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和大量游客的涌入使得漓江流域土地利用格局發(fā)生了顯著變化，不少生態(tài)環(huán)境問(wèn)題也陸續(xù)出現(xiàn)。因此，本研究通過(guò)遙感影像提取研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)，采用單位面積當(dāng)量因子法，結(jié)合漓江流域近20 年來(lái)經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況，估算流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值并分析土地利用變化對(duì)其時(shí)空變化的影響，為合理配置和利用漓江流域土地資源及生態(tài)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

漓江位于廣西壯族自治區(qū)東北部，屬于珠江流域西江水系桂江上游，發(fā)源于興安縣越城嶺貓兒山，由北向南流經(jīng)桂林市區(qū)，至平樂(lè)縣三江口為止，全長(zhǎng)約214 km（圖1）。總流域面積約5 857.11 km2，漓江流域位于110°07′—110°47′E，24°38′—25°53′N(xiāo)，地處低緯，四季分明且雨熱同季，屬于典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，日照充足，年平均溫度18.8 ℃，年平均蒸發(fā)量為1 482.5 mm。漓江上游是中國(guó)高值暴雨區(qū)之一，流域內(nèi)降水量自西北向東南遞減，多年平均降水量為1 725.5 mm。

圖1 漓江流域地理位置

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理

本研究選擇漓江流域2 期Landsat-5 TM 影像（1998、2008 年）和1 期Landsat-8 OLI 影像（2018年）作為遙感數(shù)據(jù)源，其由美國(guó)地質(zhì)勘察局（USGS）官方網(wǎng)站（https：//earthexplorer.usgs.gov/）提供，空間分辨率為30 m，對(duì)于部分缺乏高質(zhì)量遙感影像（云覆蓋率高于5%）的區(qū)域，則主要采用對(duì)比分析法，即利用相近時(shí)段的影像數(shù)據(jù)分類(lèi)處理來(lái)替換云覆蓋區(qū)。DEM 數(shù)據(jù)由地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn/）提供，空間分辨率為30 m?；贓nvi5.3軟件，對(duì)遙感影像進(jìn)行大氣校正、拼接以及裁剪等預(yù)處理后，根據(jù)《中國(guó)土地分類(lèi)系統(tǒng)》、流域內(nèi)景觀類(lèi)型及遙感影像等特點(diǎn)，采用最大似然法和人工目視判讀相結(jié)合的方式進(jìn)行土地利用分類(lèi)解譯，將土地利用類(lèi)型劃分為耕地、林地、水域、建設(shè)用地、未利用地5 種類(lèi)型，最后獲得漓江流域土地利用類(lèi)型。糧食數(shù)據(jù)來(lái)源于1998—2018 年《桂林市經(jīng)濟(jì)社會(huì)統(tǒng)計(jì)年鑒》及文獻(xiàn)資料等。

2.2 單一土地利用動(dòng)態(tài)度

單一土地利用動(dòng)態(tài)度可以反映出某一種土地利用類(lèi)型在一定時(shí)期內(nèi)的變化速率，通過(guò)不同時(shí)期不同土地利用變化速率的比較分析，預(yù)測(cè)未來(lái)土地利用的變化趨勢(shì)［24］。其表達(dá)式為：

式中，K 表示土地利用動(dòng)態(tài)度；Ua和Ub分別表示研究期初期及末期某種土地利用類(lèi)型的面積。

2.3 生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)修正與價(jià)值計(jì)算

根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估的原理和方法，引入生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量法定量評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值（ESV）計(jì)算公式為：

式中，Ak為k 類(lèi)土地利用/覆被類(lèi)型的面積（hm2），VCk為k 地類(lèi)單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)。

結(jié)合漓江流域?qū)嶋H情況，對(duì)謝高地等［25，26］提出的農(nóng)田單位面積糧食產(chǎn)量相對(duì)應(yīng)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值進(jìn)行修改，選取了漓江流域主要糧食作物種類(lèi)，包括早稻、中稻、晚稻及玉米等，根據(jù)桂林市相應(yīng)年份糧食種植面積以及經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值，算出各年單位面積糧食產(chǎn)量經(jīng)濟(jì)價(jià)值，對(duì)單位面積耕地食物生產(chǎn)生態(tài)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行修訂，計(jì)算公式為：

式中，Ea表示農(nóng)田系統(tǒng)單位面積所提供糧食的經(jīng)濟(jì)價(jià)值；i 表示研究區(qū)的主要糧食作物種類(lèi)；n 表示研究區(qū)主要糧食作物的總類(lèi)別數(shù)；mi表示研究區(qū)第i 種糧食作物的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值；Mi表示研究區(qū)第i 種糧食作物的總播種面積。

最后，確定研究期內(nèi)漓江流域單位面積耕地食物生產(chǎn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值（VC）為852.42 元/hm2。進(jìn)而可以推算出研究區(qū)各土地利用類(lèi)型的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，結(jié)果如表1 所示。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化幅度分析

由1998—2018 年土地利用類(lèi)型（圖2）可知，流域內(nèi)土地利用類(lèi)型以林地、耕地為主。林地主要分布在北部及東部地區(qū)，在流域中部和西部較為平坦地區(qū)有面積較大的耕地，人口主要聚居在桂林市區(qū)、興安縣、靈川縣、陽(yáng)朔縣等城市駐地。

圖2 1998—2018 年漓江流域土地利用類(lèi)型

從漓江流域土地利用類(lèi)型構(gòu)成的總體特征（表2）來(lái)看，1998—2018 年林地一直是漓江流域土地利用的主要類(lèi)型，且處于絕對(duì)主導(dǎo)地位，分別為69.53%、74.34%、71.43%，主要分布在研究區(qū)的東部與北部地區(qū)，面積總體呈增加趨勢(shì)。由1998 年的4 072.52km2增加到2008 年的4 354.04 km2，其原因主要是由于退耕還林、林果種植、石漠化治理等措施的實(shí)施顯現(xiàn)成效，但在2018 年減少到4 184.22 km2，研究期內(nèi)凈增加111.70 km2。主要由于旅游景區(qū)的過(guò)度開(kāi)發(fā)、城市化進(jìn)程過(guò)快等原因?qū)е隆Ｋ蛎娣e在研究期內(nèi)呈持續(xù)下降趨勢(shì)，由1998 年的63.39 km2持續(xù)減少到2018 年的53.62 km2，實(shí)際凈減少9.77 km2，通過(guò)對(duì)比三期土地利用類(lèi)型分布可以看出，造成水域面積減少的主要原因是城市擴(kuò)張、圍湖造陸導(dǎo)致部分水域被其他地類(lèi)代替。耕地作為流域內(nèi)第二大土地利用類(lèi)型，主要分布在漓江流域的河谷、居民點(diǎn)周邊等地勢(shì)平緩地帶，與林地變化趨勢(shì)恰好相反，面積持續(xù)減少。 由1998 年的1 650.10 km2減少到2008 年的1 346.20 km2，再到2018 年的1 234.77 km2，凈減少415.33 km2。主要是由于種植結(jié)構(gòu)調(diào)整以及建設(shè)用地的侵占，其中，2008—2018 年在保護(hù)耕地措施逐見(jiàn)成效后耕地減少速度開(kāi)始變緩。建設(shè)用地在3 個(gè)時(shí)期占比分別為1.16%、1.54%、4.75%，主要為流域內(nèi)桂林市區(qū)以及興安、靈川、陽(yáng)朔等縣城駐地，面積由1998 年的67.62 km2增加到2018 年的277.96 km2，凈增加210.34 km2，在2008—2018 年飛速增加，約為1998 年的4 倍，增加趨勢(shì)與中國(guó)城市化進(jìn)程基本一致。主要是由流域內(nèi)城鎮(zhèn)擴(kuò)張以及旅游景區(qū)開(kāi)發(fā)等因素驅(qū)動(dòng)。在研究期內(nèi)未利用地比例大幅上升，前十年增速較緩，由1998 年的3.47 km2增加到2008 年的5.17 km2，而后急速上升到2018年的106.53 km2，總凈增103.06 km2，較1998 年增加近30 倍，主要原因在于城市建設(shè)、采石場(chǎng)開(kāi)采以及大量農(nóng)民外出務(wù)工導(dǎo)致部分耕作條件差的農(nóng)田、果林被撂荒變?yōu)榛牡亍?/p>

表1 漓江流域生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值 （單位：元/hm2）

總體而言，1998—2018 年漓江流域土地利用結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，各土地利用類(lèi)型面積占總面積的大小均表現(xiàn)為林地、耕地、建設(shè)用地、水域、未利用地。漓江流域是以農(nóng)業(yè)為主的地區(qū)，其中，林地和耕地是漓江流域的主要土地利用類(lèi)型，兩者面積之和占總面積90% 以上，有利于該區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)；而水域所占面積較小，發(fā)展淡水養(yǎng)殖的空間受限；雖然目前未利用地的絕對(duì)面積較少，在整體變化中反映不明顯，但如此劇烈的變化幅度足以引起人們對(duì)生態(tài)環(huán)境的重視。

在土地利用動(dòng)態(tài)度方面，絕對(duì)值越高，代表土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)化的越多，土地利用結(jié)構(gòu)相對(duì)不穩(wěn)定。從表2 可以看出，漓江流域動(dòng)態(tài)度的絕對(duì)值在1998—2018 年普遍較高，表明這一時(shí)期漓江流域土地類(lèi)型相對(duì)不穩(wěn)定，其中，未利用動(dòng)態(tài)度的絕對(duì)值最高，為2 970.03%，表明這一時(shí)期其他地類(lèi)轉(zhuǎn)化為未利用地較多，主要為耕地和林地遭到撂荒與破壞，其次是建設(shè)用地，土地利用動(dòng)態(tài)度高達(dá)311.06%，表明漓江流域在經(jīng)濟(jì)發(fā)展驅(qū)動(dòng)下城市化進(jìn)程十分迅速，使得建設(shè)用地高速增長(zhǎng)。

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

3.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)間變化 由圖3 可知，研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值從高到低排序依次是林地、水域、耕地、建設(shè)用地和未利用地。其中，林地由于為研究區(qū)主要土地利用類(lèi)型，也是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的主體，占整個(gè)流域的85%。1998—2008 年雖然水域、耕地價(jià)值呈下降趨勢(shì)，但是由于同期林地增加了47 268.00 萬(wàn)元，因此，流域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值在該時(shí)段實(shí)際增加了35 361.69 萬(wàn)元。與1998—2008 年相似，2008—2018 年水域與耕地價(jià)值繼續(xù)降低，但建設(shè)用地與未利用地價(jià)值分別增加了約2倍和19 倍，分別為320.60 萬(wàn)元和950.39 萬(wàn)元，雖然增加幅度較大，由于占比較低，因此對(duì)總價(jià)值的變化影響不明顯。而林地作為漓江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的主體，其生態(tài)服務(wù)價(jià)值的增加與減少直接影響漓江流域總體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化，因此，漓江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值與林地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化呈同樣的增減趨勢(shì)。綜上所述，漓江流域中各種土地利用類(lèi)型的變化導(dǎo)致了生態(tài)服務(wù)價(jià)值的轉(zhuǎn)變，從而使生態(tài)效益略微下降。

表2 1998—2018 年漓江流域土地利用結(jié)構(gòu)特征

圖3 漓江流域1998—2018 年不同土地利用類(lèi)型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化

對(duì)漓江流域各年份不同土地利用類(lèi)型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，從表3 可以看出，1998—2018 年漓江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值呈先增后減的態(tài)勢(shì)，由1998 年的807 387.78 萬(wàn)元增加至2008 年的842 749.47 萬(wàn)元，而后減少到2018 年的803 017.76萬(wàn)元，實(shí)際凈減少4 370.02 萬(wàn)元。在生態(tài)服務(wù)總價(jià)值結(jié)構(gòu)中氣候調(diào)節(jié)、水文調(diào)節(jié)、土壤保持和氣體調(diào)節(jié)所占比例最高，這四者的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值占總價(jià)值的70% 左右，特別是調(diào)節(jié)服務(wù)功能對(duì)于流域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值起決定性作用，其次是支持服務(wù)；影響最小的是水資源供給服務(wù)功能，僅為-720.92 萬(wàn)元，但水資源供給也是惟一一個(gè)逐期增加，且速率明顯的功能，為211.63 萬(wàn)元/年，主要原因在于耕地這一水資源供給價(jià)值最低系數(shù)項(xiàng)的減少；而食物生產(chǎn)呈逐期減少趨勢(shì)，因?yàn)楦厝匀皇鞘澄锷a(chǎn)價(jià)值最高系數(shù)項(xiàng)。其他的二級(jí)服務(wù)類(lèi)型價(jià)值均先增加后減少，總體變化幅度不大。從4 個(gè)一級(jí)服務(wù)功能來(lái)看，占總體比例從大到小依次是調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)、供給服務(wù)和文化服務(wù)；從11 個(gè)二級(jí)服務(wù)功能來(lái)看，從大到小依次是氣候調(diào)節(jié)、水文調(diào)節(jié)、土壤保持、氣體調(diào)節(jié)、生物多樣性、凈化環(huán)境、美學(xué)景觀、原料生產(chǎn)、食物生產(chǎn)、維持養(yǎng)分循環(huán)和水資源供給。

3.2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間變化 從圖4 可以看出，漓江流域面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值空間分布差異較大，主要呈東北高、西南低的趨勢(shì)，主要原因是漓江流域地形地勢(shì)差別顯著，東部與北部地區(qū)地形起伏較大，多為山地和丘陵區(qū)，土地利用以林地為主，人類(lèi)活動(dòng)主要在河谷地區(qū)，相對(duì)較少，多保持著生態(tài)系統(tǒng)自然狀態(tài)，因此其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值較高，而漓江流域的中西部多為緩坡和低丘陵區(qū)，土地利用多為耕地和建設(shè)用地，人類(lèi)活動(dòng)相對(duì)較強(qiáng)，在人為的干擾下使其生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受到影響，因此其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值較低。1998—2018 年漓江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值較高的區(qū)域主要位于北部和東部林區(qū)，隨著退耕還林等政策的施行出現(xiàn)擴(kuò)大趨勢(shì)；生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值較低的地區(qū)主要分布于漓江流域中部的桂林市區(qū)、興安縣、靈川縣及陽(yáng)朔縣等城市駐地，隨著漓江流域城市化進(jìn)程呈擴(kuò)大趨勢(shì)。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的空間分布變化表明，漓江流域?qū)ι嫌卧搭^生態(tài)林區(qū)保護(hù)、退耕還林等政策的有效實(shí)施，使部分區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)逐步恢復(fù)，但自2008 年以來(lái)，“再造一個(gè)新桂林” 的戰(zhàn)略部署實(shí)施后，城市快速擴(kuò)張等頻繁的人類(lèi)活動(dòng)也導(dǎo)致流域內(nèi)的林地、水域等高價(jià)值地類(lèi)遭到破壞，未利用地比例大幅上升，流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值有所下降，生態(tài)環(huán)境保護(hù)的形勢(shì)十分嚴(yán)峻。

表3 漓江流域1998—2018 年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值 （單位：萬(wàn)元）

圖4 漓江流域單位生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的空間分異

4 結(jié)論

1）1998—2018 年林地在漓江流域土地利用中一直處于主導(dǎo)地位，土地利用整體變化主要表現(xiàn)為耕地向建設(shè)用地和林地轉(zhuǎn)移，其中，水域和耕地面積分別減少了9.77 km2和415.33 km2，林地呈先增加后減少趨勢(shì)，面積增加了111.70 km2，建設(shè)用地和未利用地明顯增加，分別增加了210.34 km2和103.06 km2。

2）流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值由807 387.78 萬(wàn)元減至803 017.76 萬(wàn)元，減少了0.54%，主要表現(xiàn)為先增加后減少的趨勢(shì)，與林地面積變化基本一致?？臻g分布總體上呈東北高、西南低的趨勢(shì)。價(jià)值從高到低排序依次是林地、水域、耕地、建設(shè)用地和未利用地。

3）生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的低值區(qū)域出現(xiàn)擴(kuò)大趨勢(shì)，并且持續(xù)增速，主要分布在桂林市區(qū)、興安縣、靈川縣、陽(yáng)朔縣等城市駐地，中值區(qū)域主要為耕地，逐漸被城市的擴(kuò)張所侵占，部分高值區(qū)域呈微弱增加趨勢(shì)，主要集中在東部與北部林區(qū)。