長江上游生態(tài)服務(wù)價(jià)值對土地利用變化的響應(yīng)研究
——以宜賓市為例

韓紫薇，林葉彬，蔣玉爽，周 延

(1.西華師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，四川 南充 637001；2.四川省宜賓市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，四川 宜賓 644000)

1 引言

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過程所形成的、維持人類生存的自然環(huán)境條件及其效用[1,2]。社會、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展主要受到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)可持續(xù)供給的影響[3]。科學(xué)評估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(Ecosystem service value，ESV)并定量描述其時(shí)空演化特征，對區(qū)域制定合理的生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策具有重要意義[4]。20世紀(jì)90年代，美國學(xué)者Costanza等[5]最先提出了ESV的評估模型，為之后國內(nèi)外的研究提供了原理與方法支撐。隨后國內(nèi)學(xué)者謝高地等[6]在此基礎(chǔ)上，立足國情，建立了適合中國生態(tài)系統(tǒng)的“中國陸地ESV當(dāng)量表”，并進(jìn)行了修正和改進(jìn)，從理論層面為我國ESV評估分析提供了有效支撐，在國內(nèi)應(yīng)用日益普及。

土地利用/覆蓋變化(land use and cover change，LUCC)是自然環(huán)境變化及人類社會對于地表覆蓋改造的體現(xiàn)，會決定性影響到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能變化[7]，人類活動對環(huán)境系統(tǒng)的影響能夠直接反映在其中[8]。LUCC是全球變化與可持續(xù)發(fā)展研究的重要組成部分[9]，它對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響已得到廣泛的證明[10]，并與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系愈加密切。深入研究LUCC及其對ESV的影響，對優(yōu)化區(qū)域土地利用，維護(hù)生態(tài)安全，促進(jìn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。

宜賓市是我國長江上游山丘區(qū)的重要生態(tài)敏感區(qū)和水生生物保護(hù)區(qū)，具有戰(zhàn)略發(fā)展的區(qū)位優(yōu)勢。在城市發(fā)展過程中，迅速轉(zhuǎn)變區(qū)域土地使用模式，會增加生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能衰退的風(fēng)險(xiǎn)。因此，分析宜賓市的生態(tài)服務(wù)功能和土地利用變化關(guān)系，探討各地類生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值，有利于促進(jìn)長江上游生態(tài)屏障建設(shè)。本文以Costanza、謝高地等的研究成果為基礎(chǔ)，選取2000～2019年間3期遙感影像數(shù)據(jù)，對宜賓市近20年的土地利用變化和ESV的時(shí)空變化進(jìn)行解析，探究了20年來土地開發(fā)活動與ESV間的關(guān)系，為宜賓市未來土地利用規(guī)劃與生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

2.1 研究區(qū)概況

宜賓市地處長江經(jīng)濟(jì)帶的戰(zhàn)略交匯點(diǎn)、云貴高原與四川盆地過渡區(qū)域，地理坐標(biāo)為東經(jīng)103°36′～105°20′，北緯27°50′～29°16′，幅員面積13283 km2，是四川省轄地級市，成渝城市群沿江城市帶區(qū)域中心城市，生態(tài)地位十分重要。全市地貌以丘陵和中低山地為主，喀斯特地貌廣布，境內(nèi)海拔最高點(diǎn)屏山縣五指山主峰老君山(2008.7 m)為川南最高峰。氣候?yàn)閬啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候，雨熱條件好，年均溫約18 ℃，年均降水量約1050～1618 mm。境內(nèi)河流眾多、水資源豐富。金沙江、岷江在此匯和后始稱長江，橫貫于市境北部。

2.2 數(shù)據(jù)來源

從中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)獲取了2000、2010、2019年3期土地利用數(shù)據(jù)，將土地利用類型分為建設(shè)用地、草地、林地、耕地、水域、未利用土地，空間分辨率為30 m。在ArcMap軟件環(huán)境下進(jìn)行遙感解譯，判讀各時(shí)期Landsat TM/ETM遙感圖像數(shù)據(jù)，再通過野外實(shí)地核查驗(yàn)證解譯成果。研究區(qū)和全國的糧食價(jià)格、單位面積產(chǎn)量等數(shù)據(jù)來源于各年份《四川省統(tǒng)計(jì)年鑒》以及《中國農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格調(diào)查年鑒》。

3 研究方法

3.1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣用于反映研究時(shí)段初至末宜賓市各用地類型面積間相互轉(zhuǎn)化的動態(tài)過程[11]，其表達(dá)式為:

(1)

式(1)中：S為土地面積；n為土地利用的類型數(shù)；i，j分別為研究期間開始與結(jié)束時(shí)的土地利用類型。

3.2 ESV評估

本文采用當(dāng)量因子法進(jìn)行評估，以謝高地等[12]修訂的“中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積ESV當(dāng)量”為基礎(chǔ)。為增加分析可靠性、真實(shí)性，本文結(jié)合宜賓市經(jīng)濟(jì)、社會的整體發(fā)展?fàn)顩r，本地化修正了單位面積糧食產(chǎn)量創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。具體為以下幾個(gè)方面：

①謝高地等的研究中，對我國不同地區(qū)的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生物量因子進(jìn)行修正計(jì)算，得到四川省的生物量因子為1.35[13]；②將土地利用類型與最接近的生態(tài)系統(tǒng)對應(yīng)；③根據(jù)四川省統(tǒng)計(jì)年鑒等資料，得到宜賓市2000～2019年間平均糧食產(chǎn)量為5006.51 kg/hm2及2019年糧食市場價(jià)格為2.7元/kg，當(dāng)量因子法認(rèn)為，1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單位ESV當(dāng)量因子的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，約為本地平均糧食單產(chǎn)市場價(jià)1/7[6]，計(jì)算得出宜賓市單位農(nóng)田食物生產(chǎn)的ESV為1931.08元/hm2，其次得到宜賓市ESV系數(shù)，以修正過的ESV表為計(jì)算基礎(chǔ)，ESV的計(jì)算公式為:

(2)

(3)

式(2)、(3)中：ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值；Vi為某單一土地類型i的ESV系數(shù)；Ai為某單一土地類型i的面積；ESVk為第k項(xiàng)ESV；Vki為第i種土地類型的第k項(xiàng)ESV。

3.3 ESV敏感性分析

為了充分反應(yīng)ESV對各地類的生態(tài)價(jià)值系數(shù)的依賴程度[14]，引入ESV敏感性指數(shù)(coefficient of sensitivity，CS)。本文將不同生態(tài)價(jià)值系數(shù)在原來的基礎(chǔ)正、負(fù)調(diào)整50%[15]，計(jì)算調(diào)整的ESV的變動數(shù)值大小。公式如下：

(4)

式(4)中：CS為敏感性指數(shù)；ESVm、ESVn為調(diào)整前后的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值；Vn、Vm為調(diào)整前后的價(jià)值系數(shù)；l為某土地利用類型。若CS>1，說明ESV對于生態(tài)價(jià)值系數(shù)是富有敏感性的，敏感性指數(shù)越大，表明生態(tài)價(jià)值系數(shù)的準(zhǔn)確性越重要[16]。

4 結(jié)果與分析

4.1 土地利用變化

耕地、林地為宜賓市2000～2019階段土地利用的主體類型，林地約為總面積的32%，耕地占比約61%。宜賓市土地利用變化總趨勢表現(xiàn)為建設(shè)用地、水域、林地?cái)?shù)量增加，耕地、草地?cái)?shù)量減少，未利用地面積維持相對穩(wěn)定。建設(shè)用地共增加了12538 hm2，耕地共減少了17912 hm2，分別是增幅最多和減幅最多的土地利用類型，同時(shí)也是增長速度最快和減少速度最快的土地利用類型。這是由于區(qū)域發(fā)展、城市化提速，人口數(shù)量增多，建設(shè)用地陸續(xù)侵占草地和耕地等。境內(nèi)向家壩水電站的建設(shè)使庫區(qū)水位抬升，淹沒河岸耕地，致使水域面積有所增加。

由圖1可知，宜賓市建筑用地增量顯著，主要集中在市域中部，且較多分布在沿江流域地區(qū)。草地和林地集中在西部、南部中低山地區(qū)域，耕地集中分布在東北方向平原丘陵區(qū)域，耕地減少地區(qū)主要在岷江、金沙江和長江沿岸。

由表1可見，耕地、林地與其它土地類型轉(zhuǎn)換中較為強(qiáng)烈，耕地轉(zhuǎn)出數(shù)量較多，轉(zhuǎn)出到林地、建設(shè)用地面積較大，主要原因是這一階段城市化發(fā)展進(jìn)程加快，城鎮(zhèn)規(guī)模加速擴(kuò)張，耕地面積減少，建設(shè)用地面積增加；部分林地轉(zhuǎn)出到耕地，而林地的總體增加又主要依靠耕地、草地的轉(zhuǎn)化，這說明西川省大面積進(jìn)行退耕還林還草的工作，對區(qū)域的環(huán)境有所改善，但耕地占用林地、草地的現(xiàn)象也依然存在。

圖1 2000～2019年宜賓市土地利用類型分布

表1 2000～2019年宜賓市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 hm2

4.2 ESV的變化

4.2.1 ESV總體變化

根據(jù)宜賓市土地利用數(shù)據(jù)，得到2000～2019年宜賓市各類土地利用類型ESV變化情況。宜賓市的ESV總體在緩慢增加，變化率0.58%，累計(jì)提高2.99億元。分析不同的土地利用類型，其ESV的關(guān)鍵在于林地，林地ESV占比在60%以上，其次為耕地、水域和草地。耕地ESV持續(xù)減少，累計(jì)減少總額為3.68億元，變化率為-2.18%；林地ESV主要表現(xiàn)出先升后降趨勢，總體出現(xiàn)小幅度的上升，變化率為0.17%；草地ESV表現(xiàn)為波動下降的趨勢，變化率為-1.45%；水域ESV整體增加，變化率35.48%，累計(jì)提高約6.35億元，水域雖然面積占比小，但其產(chǎn)生的ESV較大，因而所占比例也較大；未利用地占比較少，主要表現(xiàn)為先升后降趨勢，對ESV總量影響小。

4.2.2 單項(xiàng)ESV變化

宜賓市單項(xiàng)ESV及其變化如表2所示，由表2可知，宜賓市單項(xiàng)ESV以保持土壤和維持生物多樣性為主，其次為水文和氣候調(diào)節(jié)等。表明宜賓市總體的植被覆蓋和植被生產(chǎn)力良好，且動植物資源豐富。研究期間，除水文調(diào)節(jié)、廢物處理、娛樂文化和維持生物多樣性服務(wù)價(jià)值上升，其余服務(wù)價(jià)值呈下降趨勢，單項(xiàng)ESV中增加量最多的是水文調(diào)節(jié)的功能，價(jià)值共增加了2.32億元，變化率為3.23%，其次是廢物處理功能，價(jià)值共增加了1.44億元，變化率為2.54%，這2個(gè)功能價(jià)值主要由水域面積提供，水域面積增加，直接影響了宜賓市總體ESV的增加。各單項(xiàng)ESV中減少量較多的是保持土壤和食物生產(chǎn)，主要是因?yàn)檠芯科陂g耕地、草地面積的減少所造成的。

表2 2000～2019年宜賓市土地單項(xiàng)ESV

4.2.3 ESV空間變化

基于1 km×1 km網(wǎng)格單元統(tǒng)計(jì)的ESV進(jìn)一步探究宜賓市 ESV的空間分布特征，根據(jù)自然斷點(diǎn)法從低到高對研究區(qū)ESV劃分5個(gè)等級(單位為106元/hm2)：分別為低ESV區(qū)域，較低ESV區(qū)域，中等ESV區(qū)域，較高ESV區(qū)域，高ESV區(qū)域(≥6.19)。

從空間分布來看，宜賓市ESV東北低、西南高，結(jié)合圖1分析，研究區(qū)ESV的空間分布趨勢與地形和土地利用分布基本吻合。從縣域尺度來看，ESV的高值區(qū)主要集中在屏山縣、興文縣、珙縣、筠連縣的南部，由于長江流經(jīng)敘州區(qū)、翠屏區(qū)、南溪區(qū)、江安縣，水域因子對區(qū)域內(nèi)ESV變化影響較大，所以在長江干流流經(jīng)區(qū)域也形成ESV高值區(qū)。兩縣(長寧縣、江安縣)三區(qū)(翠屏區(qū)、南溪區(qū)、敘州區(qū))為低值區(qū)。

從空間變化來看，宜賓市ESV值在2000～2010年階段變化較為穩(wěn)定，少量增加了較高和高 ESV區(qū)域，2010～2019年屏山縣和高縣ESV值增長態(tài)勢較明顯，原因在于1999年實(shí)施退耕還林政策后，森林覆蓋率提高，全面改善了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，以及向家壩水電站庫區(qū)淹沒范圍涉及屏山縣，在屏山縣境內(nèi)淹沒長約93 km，面積約120 km2，水域面積大幅度增加。但翠屏區(qū)的ESV逐漸下降，由于城市化進(jìn)程加快，城市綠地和耕地被城市建設(shè)用地所占用，使得該區(qū)域的ESV降低。

4.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)敏感性分析

由表3可知，不同生態(tài)系統(tǒng)類型ESV的敏感性指數(shù)差異明顯，從年份差異上來看，同一生態(tài)系統(tǒng)類型敏感性指數(shù)無明顯區(qū)別[17]。宜賓市ESV敏感性排序?yàn)榱值?耕地>水域>草地>未利用地。林地的CS值最高，為0.4358。這是由于林地?fù)碛休^高的ESV當(dāng)量優(yōu)勢，而面積優(yōu)勢則屬于耕地。3期ESV敏感性指數(shù)均小于1，表明ESV及其系數(shù)是缺乏彈性的，即本文估算的ESV可靠。

表3 ESV敏感性指數(shù)計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論

本文以長江上游段宜賓市2000～2019年土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合宜賓市具體情況修正ESV當(dāng)量系數(shù)，探究ESV的時(shí)空差異，對ESV與土地利用變化之間的關(guān)系展開分析。主要結(jié)論如下：

(1)宜賓市土地利用類型多樣，其中林地、耕地為其土地利用主體類型。2000～2019年，未利用地總量維持相對穩(wěn)定，耕地、草地?cái)?shù)量減少，與此同時(shí)，建設(shè)用地、水域、林地?cái)?shù)量增加。同時(shí)各地類相互轉(zhuǎn)換，耕地轉(zhuǎn)成林地、建設(shè)用地的比例較高。

(2)宜賓市ESV在2000～2019年表現(xiàn)出緩慢上升態(tài)勢。林地為ESV構(gòu)成的主體，占比達(dá)60%以上，其次分別為耕地、水域和草地。耕地、草地ESV呈下降趨勢，林地ESV先升后降，總體出現(xiàn)小幅度的上升，水域ESV大幅增加，由于水域 ESV系數(shù)較高，會決定性影響到ESV的增值。在各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能中，生物多樣性與土壤保持具有更高的價(jià)值，水文調(diào)節(jié)功能變化最大。

(3)2000～2019年宜賓市ESV空間分異呈現(xiàn)西南高、東北低的態(tài)勢。ESV的高值區(qū)主要分布在林地，水域面積較大的區(qū)域，低ESV區(qū)主要分布在建設(shè)用地集中的區(qū)域。從空間變化來看，ESV在2000～2010階段沒有明顯改變，2010～2019年屏山縣和高縣ESV值增長態(tài)勢較為明顯，翠屏區(qū)的ESV低值區(qū)范圍有所擴(kuò)大。

(4)宜賓市在2010～2019年各類土地利用類型敏感性系數(shù)均小于1，大小依次為林地>耕地>水域>草地>未利用地。表明宜賓市ESV對其生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)缺乏彈性，修正后的系數(shù)適用于宜賓市。林地對宜賓市ESV貢獻(xiàn)率最大，應(yīng)把林地作為未來生態(tài)環(huán)境發(fā)展與環(huán)保的重點(diǎn)。

6 討論

地處盆地與高原過渡區(qū)域、長江源頭的四川省宜賓市，生態(tài)環(huán)境十分脆弱，長江生態(tài)首城的環(huán)境保護(hù)是我國走生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展之路的重要示范，將會顯著影響整個(gè)長江經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)[18]。本文基于宜賓市土地利用變化，探究LUCC對ESV的影響。結(jié)果表明，宜賓市土地利用在2000～2019年階段變化比較大，耕地、林地為宜賓市土地利用類型的主體，面積減幅最多的土地類型為耕地，耕地大量轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地、林地，這與張蕎等[19]對宜賓市土地利用變化研究結(jié)果相似。區(qū)域ESV除了土地利用影響外，區(qū)域自身的地形、氣候等自然要素以及社會經(jīng)濟(jì)、政策制度等人文因素均會對區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)變化產(chǎn)生一定程度的影響[20]，林地面積增加，可見宜賓市生態(tài)建設(shè)與保護(hù)有一定成效，退耕還草還林、推行天然林保護(hù)工程依然是未來工作的重點(diǎn)，要積極促進(jìn)生態(tài)環(huán)境建設(shè)。

對ESV的評估是生態(tài)環(huán)境評價(jià)與生態(tài)補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)。本文以謝高地等的單位面積ESV為基礎(chǔ)，依據(jù)研究區(qū)現(xiàn)狀展開相關(guān)計(jì)算系數(shù)修正，得到“宜賓市生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量表”；由于森林生態(tài)系統(tǒng)相對復(fù)雜，因此森林ESV基于生物量參數(shù)進(jìn)行修訂。但本研究方法也存在一定的局限性，即在單位面積ESV因子計(jì)算方面具有較強(qiáng)的主觀性，不同的參數(shù)和方法可能使同一研究區(qū)產(chǎn)生不同的研究結(jié)果，評價(jià)結(jié)果也較難在實(shí)地得到檢驗(yàn)。當(dāng)量因子法指出，任何ESV均無法通過建設(shè)用地創(chuàng)造，但實(shí)際上，城市綠地成為了生態(tài)服務(wù)功能評價(jià)中不容忽視的因素，將建設(shè)用地簡單的等同于零或是等同于荒地的做法均不可取[21]，此外，本研究沒有進(jìn)行長時(shí)序演變機(jī)制分析和未來情景模擬及預(yù)測。因此，建立包括建設(shè)用地在內(nèi)的區(qū)域ESV科學(xué)評估體系，進(jìn)行研究區(qū)長時(shí)序演變機(jī)制分析及未來情景模擬預(yù)測是今后的研究方向。