漓江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值最大化的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化

何 毅,唐湘玲,*,代俊峰

1 桂林理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院, 桂林 510004 2 桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 桂林 510004

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)理論的研究首次出現(xiàn)是在Marshall于19世紀60年代出版的《Man and Nature》這一著作中,他對第一次工業(yè)革命期間人類認為資源無窮無盡的錯誤想法進行了深入的批判[1- 2]。早期人們對生態(tài)系統(tǒng)提供的各項服務(wù)功能的認知大多局限在其供給的物質(zhì)產(chǎn)品,而容易忽視生態(tài)系統(tǒng)所具備的調(diào)節(jié)、支持及文化功能,進而催生出許多因盲目發(fā)展、擴張而導(dǎo)致的環(huán)境問題[3]。在這一背景下,2001年聯(lián)合國首次提出要開展面向全球的生態(tài)系統(tǒng)評估方案,結(jié)果表明在人類活動的影響下,目前自然界生態(tài)系統(tǒng)的各項服務(wù)功能正處于持續(xù)衰退的狀態(tài),并可能在未來50年間長期處于這一趨勢[4- 6]。此后,隨著廣大學(xué)者研究的進一步深入,關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的各項理論不斷朝著更科學(xué)合理的方向發(fā)展[7-12]。

目前國內(nèi)外對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(Ecosystem Services Values, ESV)評估的方法已逐步成型[13-18]。由此引申出眾多通過優(yōu)化研究區(qū)整體土地利用結(jié)構(gòu)來改善提高地區(qū)土地生態(tài)價值的方法,如徐杰等[19]和魏中龍等[20]通過研究不同植物間光合作用對環(huán)境的生態(tài)補償量,對研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀進行優(yōu)化,但此類研究沒有充分考慮不同土地利用類型及其變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響。又如唐麗靜等[21]采用生態(tài)足跡法、史云揚等[22]采用模糊兩階段算法及鄭江坤等[23]采用CLUE-S模型,通過對國民經(jīng)濟產(chǎn)值的測算進行土地利用的優(yōu)化,此類研究雖然彌補了上述研究的不足,但較為關(guān)注的是土地利用的數(shù)量變化方面,卻忽略了自然、經(jīng)濟、政策等多重因素對土地利用結(jié)構(gòu)的影響。此外,還有部分學(xué)者通過改變土地利用的空間結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)其優(yōu)化,如Arowolo等[24]、姜憶湄等[25]、郭椿陽等[26]雖然考慮了土地利用的空間變化,但未將其與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值空間變化有機結(jié)合。目前,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的評估與研究大多基于一段時期的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行靜態(tài)評價[27-30],而對其未來變化的動態(tài)預(yù)測及優(yōu)化的研究較少。本文采用的灰色線性規(guī)劃是一種動態(tài)的線性規(guī)劃,可通過對不同參數(shù)之間的調(diào)整得出最優(yōu)的方案,從而使規(guī)劃在設(shè)計上靈活變通,給予決策者更大的選擇空間,進而提出土地利用優(yōu)化的可行性措施與建議。

漓江流域是世界巖溶地貌代表性區(qū)域[31]。2018年3月,廣西桂林獲批國家可持續(xù)發(fā)展議程創(chuàng)新示范區(qū)。其中漓江流域作為桂林巖溶地貌中的典型,應(yīng)超前并長期重視保護漓江流域的生態(tài)環(huán)境,使其持續(xù)保持優(yōu)良狀態(tài)[32-34]。而如今在經(jīng)濟和當?shù)芈糜畏?wù)行業(yè)快速發(fā)展的影響下,其城鎮(zhèn)化的加快,經(jīng)濟活動和大量游客的涌入使得漓江流域土地利用格局發(fā)生了顯著的變化,不少生態(tài)環(huán)境問題也陸續(xù)涌現(xiàn)。因此,本文選取典型喀斯特生態(tài)脆弱區(qū)——漓江流域為研究區(qū),分析了1998—2018年20年間流域土地利用結(jié)構(gòu)的調(diào)整對生態(tài)系統(tǒng)的影響,在此基礎(chǔ)上選用GM(1,1)灰色線性模型對2018—2028年漓江流域未來生態(tài)價值進行預(yù)測,探討出一種以生態(tài)效益最大化為目標的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案,旨在通過提高喀斯特關(guān)鍵地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值,為該區(qū)域生態(tài)建設(shè)、城市規(guī)劃管理提供參考與數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)概況

漓江流域地處廣西壯族自治區(qū)東北部,發(fā)源于桂林市興安縣越城嶺貓兒山,由北向南途經(jīng)桂林市區(qū),至平樂三江口為止,全段約214 km。地跨興安縣、靈川縣、桂林市、陽朔縣及平樂縣等5個縣市,總流域面積約5857.11 km2,漓江流域介于110°07′—110°47′ E,24°38′—25°53′ N之間(圖1),地處低緯,氣候溫和,降水主要集中在夏季,屬于典型的亞熱帶季風氣候,日照充足,年均溫度為18.8℃,年均蒸發(fā)量為1482.5 mm,流域內(nèi)降水主要分布于西北部地區(qū),東南部地區(qū)降水較少,平均降水量為1725.5 mm。

圖1 研究區(qū)域示意圖Fig.1 Schematic diagram of the study area

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

本研究選擇漓江流域5期Landsat影像作為遙感數(shù)據(jù)源,其由美國地勘局(USGS)官方網(wǎng)站(https://earthexplorer.usgs.gov)提供,空間分辨率為30 m,對于部分缺乏高質(zhì)量遙感影像(云覆蓋率低于5%)的區(qū)域,則主要采用對比分析法,即利用相近時段的影像數(shù)據(jù)分類處理來替換云覆蓋區(qū)?；贓nvi 5.3軟件,對5期遙感影像預(yù)處理后,根據(jù)《中國土地分類系統(tǒng)》與遙感影像等特點,采用最大似然法和人工目視判讀的方式對流域土地利用類型分類,將土地利用類型劃分為耕地、林地、水域、建設(shè)用地、未利用地等5種類型,最后獲得整個流域的土地利用類型圖。其中糧食產(chǎn)量、種植面積等數(shù)據(jù)主要來源于2018年《桂林市經(jīng)濟社會統(tǒng)計年鑒》及部分文獻資料等。

2.2 生態(tài)服務(wù)價值系數(shù)修正與價值計算

結(jié)合漓江流域?qū)嶋H情況,先對目前農(nóng)田單位面積產(chǎn)糧的實際價值進行修正,選取了漓江流域主要糧食作物種類,包括早稻、中稻、晚稻及玉米等,根據(jù)桂林市2018年各類糧食種植面積以及其經(jīng)濟產(chǎn)值,算出各類糧食單位面積的實際價值。此外,根據(jù)謝高地等的研究,單個當量因子價值約為平均糧食單產(chǎn)實際價值的1/7[35-36],其計算公式為：

(1)

式中,VC表示單個當量因子的價值；i表示研究區(qū)主要的各種糧食作物；n表示研究區(qū)主要糧食作物的類別總量；mi表示研究區(qū)第i種糧食作物的經(jīng)濟產(chǎn)值；Mi表示研究區(qū)第i種糧食作物的總播種面積。

進而確定研究期內(nèi)漓江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中單個當量因子為852.42元/hm2。參考謝高地等[37]提出的價值當量表,可以推算出研究區(qū)各土地利用類型的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(表1),計算公式為:

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

ESV=∑Ak×VCk

(2)

式中,Ak表示k類土地利用類型的面積,VCk表示k類土地類型的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值。

2.3 敏感性分析

本研究引入經(jīng)濟學(xué)中的彈性系數(shù)進行敏感性指數(shù)(Coefficient of Sensitivity,CS)分析,由此驗證VC對ESV結(jié)果的準確性,當CS>1時,表示ESV對于VC是富有彈性的,其中1%的VC變動會引起ESV高于1%的變動,當CS<1時,表示ESV對于VC是缺乏彈性的,其中1%的VC變動會引起ESV低于1%的變動,則研究結(jié)果可信。

(3)

式中,p和q分別表示價值系數(shù)調(diào)整前后。

2.4 灰色線性規(guī)劃

GM(1,1)是一種無需大量時間序列數(shù)據(jù),僅需通過四組以上連續(xù)的數(shù)據(jù)就能夠達到較高精度預(yù)測的一階線性動態(tài)模型。其形式為：

(4)

(5)

式中,a,u為常數(shù)；t為時間,取值范圍為(1,2,3,…,n)。

本研究根據(jù)目前漓江流域土地利用結(jié)構(gòu)變化,結(jié)合社會經(jīng)濟及生態(tài)環(huán)境需求,以2018年為規(guī)劃基礎(chǔ)年,2028年為規(guī)劃目標年,通過優(yōu)化喀斯特關(guān)鍵地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu),尋求生態(tài)效益與社會經(jīng)濟效益的帕累托最優(yōu)集合,為該區(qū)域生態(tài)管理提供科學(xué)支撐。

2.4.1模擬變量及目標函數(shù)設(shè)置

根據(jù)漓江流域土地利用結(jié)構(gòu)及模擬變量設(shè)置的特點,研究模型共設(shè)置5個變量進行決策,因此分類如下：X1表示林地面積；X2表示水域面積；X3表示耕地面積；X4表示建設(shè)用地面積；X5表示未利用地面積。

本文結(jié)合流域土地利用結(jié)構(gòu)特點,對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值最大化目標進行漓江流域土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究,旨在探尋使漓江流域各類土地產(chǎn)生最大化生態(tài)效益的優(yōu)化配置方案。根據(jù)流域社會、經(jīng)濟條件,設(shè)定目標函數(shù)表示為：

F(X)max=16790.54X1+107072.48X2+3367.06X3+170.48X4+937.66X5

式中,F(X)為流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值, 各項系數(shù)為表1中不同土地利用類型的單位面積價值。

2.4.2約束條件設(shè)置

一直以來土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化都受到社會、經(jīng)濟、政策等諸多方面限制,因此充分考慮社會、經(jīng)濟發(fā)展需求與桂林市土地政策后,對于其中不同土地利用類型設(shè)置了相應(yīng)約束條件：

(1)總面積約束：根據(jù)土地面積總量平衡原理,優(yōu)化后流域內(nèi)各土地利用類型總面積應(yīng)前后保持不變,即S=X1+X2+X3+X4+X5=58.57×104hm2。

(2)林地需求約束：由于喀斯特地貌本身生態(tài)環(huán)境的脆弱性,地表植被受人類活動破壞后極易出現(xiàn)水土流失、石漠化等現(xiàn)象,因此,從漓江流域林地面積變化趨勢上來看,應(yīng)以目前保有量為底線,即X1≥ 42.02 hm2。

(3)水域需求約束：近20年間,漓江流域水域萎縮較為嚴重,為持續(xù)保障城市居民的正常生活及生產(chǎn)用水,因此現(xiàn)有水域面積將適當增加。但由于1998年桂林出現(xiàn)特大洪災(zāi),水域面積異常增加,在正常情況下不應(yīng)超過1998年水域面積,即0.54×104hm2≤X2≤ 0.63×104hm2。

(4)耕地需求約束：將1998—2018年5期漓江流域耕地面積數(shù)據(jù)通過GM(1,1)模型進行演算,其中發(fā)展系數(shù)a為0.0874,絕對值小于0.3,可開展中長期的預(yù)測,進而預(yù)測出2028年時研究區(qū)耕地面積將減少到102426.25 hm2。由于2020年后的城市規(guī)劃資料暫時難以獲取,因此根據(jù)《桂林市土地利用總體規(guī)劃2006—2020年》的限定條件進行推定,為充足保障流域內(nèi)社會經(jīng)濟的穩(wěn)定運行,因此優(yōu)化后流域耕地面積不得低于現(xiàn)有面積,即X3≥ 12.18×104hm2。

(5)建設(shè)用地需求約束：在滿足生態(tài)效益最大化的前提下,為保障漓江流域經(jīng)濟社會發(fā)展,到2028年流域建設(shè)用地面積不得低于2018年水平,以滿足城市化需要,即X4≥ 2.78×104hm2。

(6)未利用地需求約束：研究期后10年間,由于城市建設(shè)、采石場開采以及大量農(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,導(dǎo)致以裸地為主的未利用地面積突增,極易形成地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū),嚴重破壞了漓江流域原有生態(tài)環(huán)境基礎(chǔ),為保護流域生物多樣性,優(yōu)化生態(tài)功能區(qū)布局,將對未利用地開展人工造林、封山育林等治理工程,旨在恢復(fù)至2008年以前水平,因此未利用地面積將減小,即0.07×104hm2≤X5≤1.07×104hm2。

3 結(jié)果分析

3.1 土地利用結(jié)構(gòu)變化分析

通過轉(zhuǎn)移矩陣分析后,對1998—2018年間土地利用結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)(圖2)研究可以得到,近20年漓江流域主要土地利用類型一直以林地與耕地為主,比重約占整個流域的95%。在變化方面,水域與耕地面積逐年減少,未利用地面積發(fā)生的變化最為顯著,增加了近30倍,林地與建設(shè)用地面積也持續(xù)增加,增長速率分別為0.35×104hm2/a及0.51×104hm2/a。研究期間,新增的未利用地主要來自于0.55×104hm2的林地與0.48×104hm2的耕地,建設(shè)用地變化幅度次之,其中有35%由周邊耕地轉(zhuǎn)換而來,耕地面積減少的絕大部分轉(zhuǎn)變?yōu)榱肆值?水域面積雖然逐年萎縮,但是變化幅度不大,相比1998年間有2.43%的水域轉(zhuǎn)變成了未利用地。

圖2 1998—2018年漓江流域土地利用圖Fig.2 Land use map of Lijiang River from 1998 to 2018

3.2 生態(tài)服務(wù)價值時空變化

根據(jù)ESV計算公式(1),分別估算出漓江流域各年份的ESV(表2),從表中可知1998—2018年期間,ESV總體上呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢,最高值為2008年的8120.63×106元,最低值為2018年的8054.33×106元,20年間ESV約減少了19.55×106元。在流域整體生態(tài)系統(tǒng)中,林地價值最高,在歷年約占流域總價值的86%,其次是水域及耕地,分別占比8%、6%。在1998—2008年間,流域總ESV呈上升趨勢,其中絕大部分增長的價值均由林地貢獻,極大的彌補了水域與耕地價值下降帶來的頹勢,建設(shè)用地與未利用地雖然一直保持增加趨勢,然而其價值較低,作用有限。而在2008—2018年間,雖然主體地位的林地價值仍保持上升勢頭,但由于幅度不大,且水域與耕地價值的持續(xù)下降,而建設(shè)用地與未利用地僅僅增長11.14×106元,進而導(dǎo)致總ESV出現(xiàn)負增長,流域后10年間接損失了約66.3×106元。綜上所述,漓江流域總ESV與其中不同土地利用類型的變化緊密相關(guān),不同土地利用類型間的相互轉(zhuǎn)移導(dǎo)致了流域生態(tài)效益的上下波動。

表2 漓江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值表/106元

3.3 敏感性分析

本研究通過上下浮動調(diào)整50%后的各土地利用類型的價值系數(shù)對漓江流域1998—2018年的ESV進行敏感性指數(shù)的計算,由表3分析可知,5種土地利用類型的敏感性指數(shù)均小于1,因此研究結(jié)果是可信的。其中,水域、耕地、建設(shè)用地及未利用地的敏感性指數(shù)均小于0.1,說明其VC的準確性對流域總ESV影響較小。而林地的敏感性指數(shù)高達0.8469—0.8760,說明林地的VC每提高1%,流域ESV將增加0.8469%—0.8760%,遠超其他四種地類。結(jié)果表明,流域ESV對林地的價值系數(shù)十分敏感,為更好實現(xiàn)生態(tài)價值最大化的優(yōu)化目標,需要著重關(guān)注林地面積的變化對漓江流域ESV的影響。

表3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值敏感性指數(shù)表

3.4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化趨勢預(yù)測

根據(jù)1998—2018年漓江流域各類土地利用類型面積為GM(1,1)動態(tài)預(yù)測模型的原始樣本集,設(shè)置步長為5年,得到流域不同類型土地的預(yù)測模型,見表4。

表4 1998—2028年漓江流域不同類型土地的預(yù)測模型

由模型進一步推算出2023、2028年流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值預(yù)測值,模擬效果見表5,其中水域、耕地面積依舊呈減少趨勢,變化率分別為-6.34%、-15.82%。林地面積繼續(xù)保持微弱上升,建設(shè)用地與未利用地面積變化率表現(xiàn)較為異常,分別為68.72%、509.93%,主要在于這兩類土地利用類型在1998—2018年間由于城市化進程加快、水土流失加劇等外部因素及絕對面積較小,導(dǎo)致面積變化率較高,使模型出現(xiàn)一定誤差,但在1998—2018年間未利用地面積激增這一現(xiàn)象也足以引起人們對喀斯特地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護的重視。從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值方面上看,2018—2028年間生態(tài)價值出現(xiàn)下降的為水域與耕地,分別減少了36.39×106、64.82×106元。林地的生態(tài)價值增加了135.2×106元,建設(shè)用地與未利用地增加幅度雖然高達29.02%、199.49%,但對于流域總ESV的準確度影響不大。

表5 1998—2028年漓江流域不同類型土地面積及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值預(yù)測表

3.5 優(yōu)化前后生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化

通過Lingo軟件反復(fù)對將前文構(gòu)建的目標函數(shù)與約束條件進行迭代測試,得到最大化提高流域生態(tài)效益的土地利用結(jié)構(gòu)帕累托最優(yōu)方案,見表6。對研究區(qū)進行土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置后,漓江流域總ESV將提高至8245.91×106元,較優(yōu)化前增長了2%,其中主要來源于林地與水域面積的增加,提高了生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)服務(wù)的供給能力。在土地利用類型方面,變化幅度較大的未利用地通過人工造林及開墾旱地等舉措轉(zhuǎn)變?yōu)榱值嘏c耕地,價值減少了6.43×106元；林地與水域面積分別增加了1%、17%,其價值增加了97.02×106元、100.4×106元,耕地與建設(shè)用地面積均略有增加,但優(yōu)化幅度較小。

表6 土地利用優(yōu)化配置前后生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化

本研究通過對目前漓江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進行測算,以及對未來10年流域價值變化趨勢的預(yù)測,在此基礎(chǔ)上進行土地利用結(jié)構(gòu)的優(yōu)化配置,并將優(yōu)化前后土地利用結(jié)構(gòu)與ESV進行對比分析,得到最優(yōu)優(yōu)化方案,最終實現(xiàn)提高流域生態(tài)效益,使其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值達到最大化目標。該優(yōu)化方案有助于提高對漓江流域生態(tài)的保護以及效益的提高,促進桂林社會經(jīng)濟的健康發(fā)展。

4 結(jié)論

(1)近20年漓江流域主要土地利用類型一直以林地與耕地為主,比重約占整個流域的95%。在變化方面,水域與耕地面積逐年減少,林地與建設(shè)用地面積持續(xù)增加,未利用地面積發(fā)生的變化最為顯著,增加了近30倍,主要由林地與耕地轉(zhuǎn)變而來。

(2)研究期內(nèi),流域ESV總體上呈現(xiàn)先上升后下降趨勢,20年間約減少了19.55×106元。在流域整體生態(tài)系統(tǒng)中,林地價值最高,在歷年約占流域總價值的86%,其次是水域及耕地,分別占比8%、6%。根據(jù)預(yù)測,至2028年時流域ESV將減少至8067.43×106元。

(3)對研究區(qū)進行土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置后,漓江流域總ESV將提高至8245.91×106元,較優(yōu)化前增長了2%,其中主要來源于林地與水域面積的增加,提高了生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)服務(wù)的供給能力,耕地、建設(shè)用地面積略微增加,未利用地面積顯著減少,基本與2008年水平持平。