岷江上游土地利用與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的動態(tài)變化

左玲麗,彭文甫,*,陶 帥,祝 聰,徐新良

1 四川師范大學(xué)地理與資源科學(xué)學(xué)院, 成都 610068 2 四川師范大學(xué)西南土地資源評價與監(jiān)測教育部重點實驗室, 成都 610068 3 新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 烏魯木齊 830046 4 中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心, 北京 100101

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指生物體從維持地球生命支持的生態(tài)系統(tǒng)中獲得的利益[1],其可持續(xù)供給是經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)[2]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(Ecosystem Services Values，ESV)作為評價區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)強(qiáng)弱的一種方法[3],開展ESV的科學(xué)評估并對其時空演化特征進(jìn)行定量描述,對區(qū)域制定合理的生態(tài)保護(hù)政策具有重要的意義[4]。土地利用/覆被變化是人類活動與自然環(huán)境相互作用最直接的表現(xiàn)形式[5],是引起全球環(huán)境變化的重要因素[6]。土地利用變化影響生態(tài)系統(tǒng)格局與過程,改變著生態(tài)系統(tǒng)提供產(chǎn)品與服務(wù)的能力[7],從而影響著ESV的變化。近年來,隨著3S技術(shù)的發(fā)展及運(yùn)用,土地利用變化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響研究成為熱點。

自Costanza等[8]實現(xiàn)了全球ESV的量化后,掀起了ESV估算熱潮[9]。國內(nèi),謝高地等[10- 11]基于Costanza等[8]研究建立了中國生態(tài)系統(tǒng)單位面積服務(wù)價值當(dāng)量表,并被國內(nèi)學(xué)者廣泛使用。由于生態(tài)系統(tǒng)存在異質(zhì)性和復(fù)雜性,直接引用當(dāng)量因子法或者只考慮ESV的靜態(tài)估算價值,將難以完全解釋區(qū)域ESV的動態(tài)變化[12]。因此,修正當(dāng)量表與研究區(qū)當(dāng)量表之間的差異成為了研究熱點。目前,有學(xué)者在對謝高地等制定的當(dāng)量因子進(jìn)行修正的基礎(chǔ)上開展了區(qū)域ESV的研究。如姜棟棟等[13]利用植被凈初級生產(chǎn)力(Net Primary Productivity,NPP)進(jìn)行區(qū)域修正；王永琪等[14]利用謝高地等制作的生物量因子表進(jìn)行修正；劉倩等[15]采用區(qū)域差異系數(shù)、社會發(fā)展系數(shù)進(jìn)行調(diào)整；雷軍成等[16]利用植被覆蓋度指數(shù)進(jìn)行修正；謝高地等[17]、潘洪義等[12]利用凈初級生產(chǎn)力、降水量、土壤保持量數(shù)據(jù)計算其調(diào)整系數(shù)。但在修正過程中,同時考慮自然和社會經(jīng)濟(jì)因素對ESV的影響仍然關(guān)注較少。隨著ESV研究的不斷深入,針對不同的空間尺度(行政區(qū)域、流域等)、生態(tài)系統(tǒng)(森林、河流、草地等)以及功能都有了大量研究[18],但鮮有專門針對山地等典型地區(qū)的研究,尤其是我國西南生態(tài)環(huán)境脆弱山區(qū)ESV的時空分布特征及演變趨勢仍難以完全被表征。

岷江上游地處我國地形階梯中第一級階梯與第二級階梯過渡地帶[19],是重要的生態(tài)屏障區(qū)、生物多樣性區(qū)和典型生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)。除此之外,岷江上游也是集資源供給、生態(tài)服務(wù)、環(huán)境調(diào)節(jié)等多種功能與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展于一體的復(fù)雜系統(tǒng),對整個岷江流域乃至長江上游地區(qū)的生態(tài)平衡具有重要意義[20]。鑒于上述情況,利用空間異質(zhì)系數(shù)、社會經(jīng)濟(jì)調(diào)整系數(shù)、資源稀缺系數(shù)對當(dāng)量進(jìn)行修正,構(gòu)建了更能反映研究區(qū)實際情況的ESV模型。且基于遙感解譯的2000—2015年土地利用數(shù)據(jù),利用CA-Markov模型預(yù)測了2035年岷江上游土地利用格局,進(jìn)一步分析岷江上游土地利用與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的時空演變趨勢,為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

岷江上游介于 102°32′—104°15′E,30°45′—33°09′N 之間,位于四川西北部,地處我國青藏高原東麓、橫斷山脈北端與川西北高山峽谷東側(cè)的結(jié)合部(圖1)[20]。地形結(jié)構(gòu)復(fù)雜,以高山峽谷地貌為主,河谷深切,山高坡陡。區(qū)域內(nèi)多地震、滑坡、泥石流等自然災(zāi)害,生態(tài)環(huán)境極其脆弱。該區(qū)域是長江上游生態(tài)保護(hù)屏障的重要組成部分,也是成都平原生態(tài)保護(hù)的生命線[20]。岷江上游流經(jīng)的行政區(qū)域大部分在阿壩藏族羌族自治州,主要包括茂縣、松潘、汶川、理縣和黑水五縣,面積 24741.05 km2。根據(jù)阿壩州2016年年鑒,2015年岷江上游總?cè)丝诩s為39.01×104人,其中農(nóng)業(yè)人口約28.77×104人,非農(nóng)業(yè)人口約10.24×104人。區(qū)域內(nèi)地廣人稀,羌、藏、回等少數(shù)民族聚居,是民族遷移的“走廊”和交匯地帶[21]。地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展整體落后,是中國傳統(tǒng)農(nóng)耕文化區(qū)向游牧文化區(qū)的交匯面[21]。

圖1 岷江上游地理位置Fig.1 The geographical position of the upper reaches of the Minjiang River

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

岷江上游2000、2005、2010和2015年的四期遙感影像來源于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn/)。選取了云量最少的5—9月份的Landsat5/7和Landsat 8遙感影像數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源,軌道號為130/37、130/38和130/39。參考中國科學(xué)院的土地利用和覆被變化分類方法,結(jié)合岷江上游實際情況,分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地。利用ENVI軟件進(jìn)行預(yù)處理,具體步驟包括：幾何糾正、圖像拼接和裁剪等。再通過目視解譯,得到四期岷江上游土地利用分類圖,經(jīng)過隨機(jī)抽樣檢查Kappa檢驗精度達(dá)到96%以上。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值估算所用到的耕地面積、糧食作物產(chǎn)量、CPI和修正系數(shù)計算所需要的社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于全國和地方統(tǒng)計年鑒以及國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展公報(http://www.stats.gov.cn/tjsj/)。2015年糧食平均收購價來源于《中國糧食年鑒》,NPP計算所需要的全國和地方的降水和氣溫資料來源于中國國家氣象信息中心和中國環(huán)境狀況公報以及水資源公報。驅(qū)動因子數(shù)據(jù)來源于資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)、地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)和OSM(https://www.openstreetmap.org)。

2 研究方法

2.1 土地利用變化特征分析

土地利用變化幅度指各土地利用類型的面積在數(shù)量上的變化,有助于了解研究區(qū)土地利用面積的變化趨勢[22]。計算公式如下：

(1)

式中,J為研究期某種土地利用類型的年變化量(hm2)；Ua和Ub分別為研究期初和研究期末某種土地利用類型的面積(hm2)；T為年數(shù)。

土地利用轉(zhuǎn)移圖譜,利用ArcGIS空間分析模塊中地圖代數(shù)疊加運(yùn)算,可以反映不同時期土地利用類型轉(zhuǎn)換情況。計算公式如下：

Y=10×P+Q

(2)

式中,Y為土地利用圖譜單元類型；P為前期的土地利用類型；Q為后期的土地利用類型。從而生成兩個年份間的土地利用轉(zhuǎn)移圖譜。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估

依據(jù)Costanza等[8]的研究結(jié)果,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)可分為9種[10]。本文參考謝高地等2007年修訂的“中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量表”[10]。由于謝高地等人的研究是基于全國生態(tài)系統(tǒng)的平均水平,未能有效反映生態(tài)系統(tǒng)的空間異質(zhì)性、生態(tài)系統(tǒng)資源和服務(wù)功能的區(qū)域稀缺性與需求性[23]、區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的不均衡性。因此,本文參考已有研究[24- 25],并結(jié)合研究區(qū)域的實際情況,通過空間異質(zhì)系數(shù)、資源稀缺系數(shù)和社會經(jīng)濟(jì)調(diào)整系數(shù)進(jìn)行修正。

2.2.1單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的經(jīng)濟(jì)價值確定

參考謝高地等[26]的研究,單位面積農(nóng)田食物生產(chǎn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(1個標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量因子)相當(dāng)于全國平均糧食單產(chǎn)市場價值的1/7。計算公式如下:

(3)

式中,E為單位面積農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)提供食物生產(chǎn)服務(wù)功能的經(jīng)濟(jì)價值(元/hm2)；M為研究區(qū)每年的糧食總價值(元)；H為研究區(qū)耕地面積(hm2)。

為了減少不同年份物價差異帶來的影響,以2015年糧食平均收購價為基準(zhǔn),運(yùn)用CPI指數(shù)對不同年份價值進(jìn)行修正。

VC=Xij×E

(4)

式中,VC為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)(元/hm2)；Xij為i類生態(tài)系統(tǒng)第j類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的當(dāng)量因子。耕地、林地、草地、水域、未利用地的價值系數(shù)參考謝高地的當(dāng)量因子表計算,耕地對應(yīng)農(nóng)田、林地對應(yīng)森林、草地對應(yīng)草地、水域?qū)?yīng)河流/湖泊、未利用地對應(yīng)荒漠。建設(shè)用地參考文獻(xiàn)取值[27]。

2.2.2生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)修正

(1)空間異質(zhì)性修正

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的強(qiáng)弱直接影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值,而生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與生物量有著密切聯(lián)系[26]。一般情況,生物量越大,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)也就越強(qiáng)[28]。因此,本文用NPP反映生物量并作為空間異質(zhì)系數(shù)進(jìn)行修正[15]。生產(chǎn)力的計算要考慮到數(shù)據(jù)獲取難易程度且又能說明變化,本文選用Thornthwaite Memorial模型[29]。計算公式如下：

(5)

NPP=3000×[1-e-0.0009695×(V-20)]

(6)

(7)

L=300+25×T+0.05×T3

(8)

式中,N表示空間異質(zhì)系數(shù)；NPP表示植被凈初級生產(chǎn)力(kg hm-2a-1)；NPP′表示研究區(qū)植被凈初級生產(chǎn)力；NPP″表示全國植被凈初級生產(chǎn)力；V表示實際蒸散量(mm)；r為年降水量(mm);L為平均蒸發(fā)量(mm)；T為年平均氣溫(℃)。

(2)社會經(jīng)濟(jì)因素修正

各地區(qū)的自然和社會經(jīng)濟(jì)條件存在差異,導(dǎo)致社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)以及人們對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的認(rèn)知具有差異性[30]。因此,本文從支付意愿和支付能力兩個方面對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)進(jìn)行修正。計算公式如下：

D=R×W

(9)

式中,D為社會經(jīng)濟(jì)調(diào)整系數(shù)；R為ESV的支付意愿；W為居民對ESV的支付能力。

居民的支付意愿會隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平發(fā)生變化。利用皮爾生長曲線模型可以表示社會發(fā)展水平[31]。計算公式如下：

(10)

(11)

E′n=Ea×Pa+Eb×Pb

(12)

支付能力是個人或者國家經(jīng)濟(jì)能力的表現(xiàn)[32]。利用研究區(qū)和全國人均國內(nèi)生產(chǎn)總值的比值進(jìn)行ESV支付能力修正。計算公式如下：

(13)

式中,GDP′表示研究區(qū)人均國內(nèi)生產(chǎn)總值； GDP″表示全國人均國內(nèi)生產(chǎn)總值。

(3)資源稀缺性修正

區(qū)域的人口越多,人口密度越大,人們對于資源的需求也就會越大。因此,利用人口密度反映系數(shù)修正[33]。計算公式如下：

(14)

式中,F表示岷江上游資源稀缺系數(shù)；g為岷江上游的人口密度；G為全國人口密度。

綜上,2000—2015年的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值調(diào)整系數(shù)見表1。

表1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值調(diào)整系數(shù)

修正后的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值計算公式如下：

ESV=∑(A×VC×N×D×F)

(15)

式中,ESV生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(元)；A為各類土地利用類型的面積(hm2)；VC年份生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)(元/hm2)；N空間異質(zhì)系數(shù)；D社會經(jīng)濟(jì)調(diào)整系數(shù)；F資源稀缺系數(shù)。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的敏感性分析

對敏感性進(jìn)行分析的目的是確定時間變化后價值系數(shù)對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響程度。計算公式如下：

(16)

式中,CS是敏感性指數(shù)；VCnk和VCmk分別為調(diào)整前后k地類的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)(元/hm2)；ESVnk和ESVmk分別為調(diào)整前后k地類的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(元)。

若CS<1,說明ESV對VC不敏感,缺乏彈性,即結(jié)合區(qū)域特征修正后的ESV是合理[34]。

2.4 土地利用變化模擬

元胞自動機(jī)(Cellular Automata,CA)是一種基于不連續(xù)的時空動力學(xué)模型,其特點是時間、空間和狀態(tài)都是離散的,具有強(qiáng)大的空間運(yùn)算能力,可以有效地模擬系統(tǒng)的空間變化[35-36]。其模型可表示為：

S(t+1)=f[S(t),U]

(17)

式中,S為元胞有限、離散的狀態(tài)集合；U為元胞的鄰域；t和t+1表示不同的時刻；f為局部空間元胞狀態(tài)的轉(zhuǎn)化規(guī)則。

馬爾科夫(Markov)模型,是根據(jù)馬爾科夫隨機(jī)過程理論形成的方法,研究和分析隨機(jī)事件的變化規(guī)律,并預(yù)測未來變化[37]。其模型可表示為：

S(t+1)=St×Zij

(18)

式中,St和St+1為該時刻土地利用系統(tǒng)的狀態(tài)；Zij為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣。

CA-Markov模型綜合了CA模型所具有的空間動態(tài)演化優(yōu)勢及Markov模型的長期預(yù)測優(yōu)勢,可以有效地表現(xiàn)土地利用時間和空間的變化情況[38]。

3 結(jié)果分析

3.1 土地利用變化

3.1.1模擬驗證

本文利用CA-Markov模型,對耕地、建設(shè)用地進(jìn)行限制,選用地貌、氣象、距離因素作為影響土地利用變化的驅(qū)動因素,包括海拔、坡度、降水、氣溫、GDP、人口、河流距離、道路距離和中心城鎮(zhèn)距離,制作適宜性圖集并對土地利用格局進(jìn)行預(yù)測。為了驗證CA-Markov的準(zhǔn)確性,以2010年為基年,預(yù)測了岷江上游2015年土地利用格局,并與實際解譯的2015年土地利用狀態(tài)進(jìn)行比較,結(jié)果見圖2。檢驗得出,總體Kappa指數(shù)為0.9462,隨機(jī)指數(shù)為0.9578、位置指數(shù)為0.9543、分層區(qū)位指數(shù)為0.9543,說明預(yù)測結(jié)果可信度較高。通過檢驗后,以2015年為基年,迭代次數(shù)為20,選擇5×5連續(xù)性濾波器,模擬2035年岷江上游土地利用格局(圖3)。

圖2 2015年模擬和解譯土地利用圖Fig.2 Simulated and interpreted land use in 2015

3.1.2土地利用類型面積變化

由表2和圖3可知,岷江上游土地利用類型以林地和草地為主,建設(shè)用地和未利用地面積最少。2000—2015年林地面積持續(xù)減少,年均下降438.738 hm2,2015—2035年林地面積年均增加8 593.691 hm2。建設(shè)用地和耕地面積持續(xù)增加,尤其是耕地在2015—2035年年均增加了2456.901 hm2。草地、水域和未利用地面積呈現(xiàn)波動變化,2000—2015年草地面積年均增加33.906 hm2,但在2015—2035年大幅度下降,年均下降11066.008 hm2。水域和未利用地在2010—2015年均分別下降59.706 hm2和40.554 hm2,在2015—2035年下降81.729 hm2和0.810hm2。

圖3 岷江上游2000—2035土地利用變化Fig.3 Land use change in the upper reaches of the Minjiang River from 2000 to 2035

3.1.3土地利用轉(zhuǎn)移圖譜分析

由圖4可知,林地和草地在與其它土地類型轉(zhuǎn)換中較為劇烈。2000—2015年林地轉(zhuǎn)出到草地、耕地面積較大。建設(shè)用地的增加主要來源于林地和耕地的轉(zhuǎn)入,耕地的增加主要來源于林地和草地的轉(zhuǎn)入。因此,這一階段主要是林地面積在減少。未利用地的增加主要來源于林地和草地的轉(zhuǎn)入,說明區(qū)域的林地和草地在一定程度上出現(xiàn)退化的現(xiàn)象。從空間上看,林地轉(zhuǎn)耕地和耕地轉(zhuǎn)建設(shè)用地主要分布在松潘縣和汶川縣東部,林地轉(zhuǎn)草地主要分布在松潘和黑水縣,林地轉(zhuǎn)建設(shè)用地和草地轉(zhuǎn)耕地主要分布在松潘和茂縣。草地和林地轉(zhuǎn)未利用地主要分布在松潘縣。

表2 岷江上游2000—2035年土地利用變化/hm2

2015—2035年,建設(shè)用地的增加主要來源于草地和耕地的轉(zhuǎn)入,草地轉(zhuǎn)建設(shè)用地主要分布在松潘縣和汶川縣,耕地轉(zhuǎn)建設(shè)用地主要分布在松潘和理縣。耕地的增加主要來源于草地和水域的轉(zhuǎn)入,大致沿著岷江上游河谷低地分布,主要分布在黑水、茂縣、松潘縣以及理縣和汶川縣東部。林地增加,從轉(zhuǎn)移來看得益于草地和水域的轉(zhuǎn)入,主要分布在松潘縣境內(nèi)。水域主要轉(zhuǎn)入林地、耕地和建設(shè)用地。

總體來說,無論是2000—2015年還是預(yù)測的2035年,建設(shè)用地和耕地的持續(xù)增加與林地、草地、水域的轉(zhuǎn)出關(guān)系最為密切,呈現(xiàn)出正相關(guān)。岷江上游地形復(fù)雜,低地和人口多集中在河谷地區(qū),這些區(qū)域成為了耕地、建設(shè)用地主要的侵占地,也說明隨著岷江上游經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的快速推進(jìn),人類活動占用生態(tài)空間,導(dǎo)致植被破壞,生態(tài)退化。因此,隨著人口的增加,協(xié)調(diào)人類需求與生態(tài)保護(hù)會變得愈加重要。

圖4 岷江上游2000—2035年土地利用轉(zhuǎn)移Fig.4 Land use transfer in the upper reaches of the Minjiang River from 2000 to 2035

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化

3.2.1生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時間變化

由表3可知,所有土地利用類型產(chǎn)生的ESV中,林地和草地貢獻(xiàn)最大,對岷江上游ESV有著重要影響。2000—2015年岷江上游的ESV總體增加了254756.926×104元,一方面雖然這一階段林地面積減少,但轉(zhuǎn)出主要是向價值較高的生態(tài)系統(tǒng),如草地。另一個方面社會經(jīng)濟(jì)調(diào)整系數(shù)和空間異質(zhì)系數(shù)的變化對其造成影響。2010—2015年ESV下降了166743.189×104元,這與林地、水域減少,建設(shè)用地、耕地增加帶來的生態(tài)負(fù)效應(yīng)以及單位面積農(nóng)田食物生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)價值差異有關(guān)。2015—2035年,ESV增加了56494.557×104元,這與林地面積增加帶來的生態(tài)正效應(yīng)密切相關(guān)。

由表4可知,各單項ESV由高到低依次為：維持生物多樣性>保持土壤>氣體調(diào)節(jié)>水文調(diào)節(jié)>氣候調(diào)節(jié)>原材料生產(chǎn)> 廢物處理>提供美學(xué)景觀 >食物生產(chǎn)。說明岷江上游生態(tài)系統(tǒng)在維持生物多樣性、保持土壤、氣體調(diào)節(jié)、水文調(diào)節(jié)和氣候調(diào)節(jié)這五個方面發(fā)揮著重要作用,在未來仍然是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)提供的重要功能以及保護(hù)的對象。總體上,2000—2015年和2015—2035年各單項ESV都呈現(xiàn)增長的趨勢。但是,2015—2035年各單項ESV增長的幅度明顯低于2000—2015年,說明未來研究區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)提供各種服務(wù)的能力在降低。

表3 2000—2035岷江上游各土地用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值/104元

3.2.2生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值空間變化

由圖5可知,以村界為基礎(chǔ),根據(jù)自然斷點法從低到高對研究區(qū)2000—2035年ESV劃分了5個等級。ESV較高的地區(qū)集中在岷江上游西部,尤其是松潘縣的西北部,黑水縣、理縣和汶川縣西部。這些區(qū)域海拔高,林地和草地覆蓋面積較大,人口及經(jīng)濟(jì)活動少。岷江上游的ESV低值區(qū)主要沿著河谷地帶延伸,集中在中東部地區(qū)。由于岷江上游地形地質(zhì)條件復(fù)雜,河谷地帶地勢低平,光熱條件較好,人口集中,人為擾動較大,土地利用變更也較西部更快。因此,這些區(qū)域ESV較低。

由圖6可知,對2000—2035年岷江上游ESV變化做冷熱點分析。2000—2015年岷江上游ESV增加熱點區(qū)域主要分布在西部地區(qū),損失冷點區(qū)域集中分布在中東部河谷地帶。熱點地區(qū)主要分布在人類活動較少的山區(qū),冷點地區(qū)主要分布在人類活動較為頻繁的河谷地帶,說明人類活動對ESV的變化影響較大。2015—2035年ESV增加熱點區(qū)域集中在西北部,損失冷點區(qū)域仍然分布在東部,相比2000—2015年冷點區(qū)域向理縣東部和汶川東部集中,黑水東部的冷點區(qū)域有一定規(guī)模的縮小。

綜上, 2035年ESV的高低值分布大致與2000—2015年范圍相同,說明2035年的預(yù)測數(shù)據(jù)能在一定程度上反映岷江上游ESV的情況。并且岷江上游中東部地區(qū)和河谷地帶是人口集中,人類活動最為頻繁的地區(qū),也是低值ESV和損失冷點的集中分布區(qū),尤其是黑水、汶川和茂縣的東部地區(qū)。因此,這些區(qū)域的生態(tài)修復(fù)是岷江上游地區(qū)生態(tài)建設(shè)的重點。

表4 2000—2035岷江上游單項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值表/104元

圖5 2000—2035年岷江上游生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值分布Fig.5 Distribution of the value of ecological services in the upper reaches of the Minjiang River from 2000 to 2035

3.3 敏感性分析

本文對各類土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)分別上下調(diào)整 50%,根據(jù)敏感性指數(shù)公式,分別求出 2000年、2005 年、2010 年、2015年和2035年的敏感性指數(shù)。由表5可知,其中林地和草地在各時期的敏感性指數(shù)均較高,說明兩者的變化對ESV影響很大。主要原因是林地和草地面積在所有地類中占比最大。不同土地利用類型的敏感性指數(shù),在同一時期具有較明顯的差異。但是每一種土地利用類型在不同時期,敏感性指數(shù)變化都比較小,且都小于1,說明價值系數(shù)的調(diào)整對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值影響不大,估算出的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值結(jié)果適用于岷江上游區(qū)域。

表5 2000—2035年岷江上游敏感性指數(shù)

4 結(jié)論與討論

4.1 討論

岷江上游作為高原和盆地的過渡地帶,地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,自然資源豐富,生態(tài)環(huán)境脆弱,其地理環(huán)境在川西高原極具代表性。在氣候變化和人類活動的雙重作用下,山地水土要素趨向失調(diào)、失衡,對區(qū)域生態(tài)服務(wù)產(chǎn)生影響[39]。因此,加強(qiáng)過渡帶研究不僅具有科學(xué)內(nèi)涵[40],對于長江上游生態(tài)屏障建設(shè)具有重要戰(zhàn)略意義。目前,國內(nèi)少數(shù)研究者對岷江上游的ESV進(jìn)行了研究[41- 45]且與本文部分結(jié)果呈現(xiàn)出一致性。比如林地和草地對ESV的貢獻(xiàn)率最大,林地ESV變化最大,ESV的空間分布呈現(xiàn)西高東低的趨勢等。本文在當(dāng)量因子法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了系數(shù)修正并且從時空尺度對土地利用格局和ESV動態(tài)趨勢進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)土地利用的變化會導(dǎo)致ESV的協(xié)同變化,但修正系數(shù)的差異也會對ESV產(chǎn)生影響。比如,2000—2005年和2000—2015年林地面積減少幅度較大,但ESV增加幅度也較大,造成這種現(xiàn)象的主要原因是修正系數(shù)的變化。因此,合理確定ESV的修正系數(shù),對真實反應(yīng)研究區(qū)ESV的變化具有重要的作用[46]。

林地、草地是岷江上游高ESV的代表[41- 43],且單項功能價值的變化與草地、林地面積變化的相關(guān)性大,為了確保岷江上游生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮生態(tài)平衡的作用,建議對這兩種地類進(jìn)行保護(hù)或修復(fù),引導(dǎo)形成合理且利于提高ESV的土地利用格局。以耕作和城市化等人類活動為主導(dǎo)的土地利用方式往往導(dǎo)致區(qū)域ESV呈現(xiàn)下降或者減少趨勢[47]。岷江上游河谷低地是耕地和建設(shè)用地增加的主要區(qū)域也是ESV低值分布的主要區(qū)域。因此,建議通過制定合理的國土空間規(guī)劃[46],加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)紅線的管控,開展生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)工作,對ESV損失較為嚴(yán)重區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行修復(fù)并加以保護(hù),從而提高整個區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)提供服務(wù)的能力。

就研究方法而言,本文在使用當(dāng)量法的過程中,為了減少當(dāng)量表與研究區(qū)現(xiàn)狀的脫節(jié),結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況進(jìn)行了系數(shù)修正。雖然綜合考慮了影響ESV的自然和社會經(jīng)濟(jì)因素,但岷江上游是青藏高原東緣高山峽谷區(qū),自然地理環(huán)境復(fù)雜,影響其ESV的因素有很多,如,地貌、自然災(zāi)害、政策因素等[48]。因此,還需要進(jìn)一步的探索,以便構(gòu)建更為精準(zhǔn)的ESV估算模型?；陬A(yù)測的土利用數(shù)據(jù)模擬ESV變化的過程中,2035年的修正系數(shù)沿用了2015年。雖然修正系數(shù)會對ESV產(chǎn)生影響,比如2000—2015年ESV的變化。但由于經(jīng)過敏感性分析,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值對系數(shù)缺乏彈性。因此,其影響在可接受的范圍內(nèi),仍然能對2035年ESV的變化做一定程度的反映。

4.2 結(jié)論

本文利用自然和社會經(jīng)濟(jì)修正因子,構(gòu)建了符合岷江上游實際情況的ESV估算模型。并且利用CA-Markov模型,模擬了2035年岷江上游土地利用空間格局。從時空尺度分析了西南生態(tài)脆弱山區(qū)—岷江上游土地利用及ESV的動態(tài)變化。具體結(jié)論如下：

(1) 2000—2035年,岷江上游土地利用類型以林地和草地為主。建設(shè)用地和耕地面積的持續(xù)增加與林地、草地和水域的轉(zhuǎn)出呈現(xiàn)正相關(guān),草地、水域和未利用地面積呈現(xiàn)波動變化。從空間上看,未來,岷江上游人類活動的主要區(qū)域仍然在河谷地區(qū)。

(2)岷江上游生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中,林地和草地產(chǎn)生的ESV最高。2000—2015年岷江上游的ESV增加了254756.926×104元,2015—2035年ESV增加了56494.557×104元,其變化與地類的變化密切相關(guān),尤其是林地、草地和耕地的變化。各單項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中,維持生物多樣性、保持土壤、氣體調(diào)節(jié)、水文調(diào)節(jié)和氣候調(diào)節(jié)這五項服務(wù)在岷江上游生態(tài)系統(tǒng)中起主要的作用,是岷江上游生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)應(yīng)該關(guān)注的服務(wù)類型。

(3)從空間上看,2000—2035年ESV較高區(qū)域和變化熱點區(qū)域集中在岷江上游西部,岷江上游的ESV低值區(qū)和變化冷點區(qū)域主要沿著河谷地帶延伸,集中在東部地區(qū)。未來,中東部及河谷地區(qū)的生態(tài)保護(hù)應(yīng)該加以重視。

(4)通過敏感性分析,各土地利用類型的敏感性指數(shù)均小于1,且每一類土地利用類型的敏感性指數(shù)變幅較小,說明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值對價值系數(shù)不敏感、缺乏彈性,研究結(jié)果可信,并且林地和草地是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化的敏感因子。