西北旱區生態服務價值時空動態研究

田 龍,張青峰,2,3,塔 娜,章 慧,董 艷

(1.西北農林科技大學資源環境學院, 陜西 楊凌 712100; 2.農業部黃土高原農業資源與環境修復重點開放實驗室, 陜西 楊凌 712100;3.西北農林科技大學中國旱區節水農業研究院, 陜西 楊凌 712100)

生態系統服務是指通過生態系統的結構、過程和功能直接或間接得到的生命支持產品和服務[1],是人類生存和發展的基本條件，并能以經濟價值即生態服務價值(ecological service value, ESV)的形式進行核算[1]。自1997年Costanza[2]提出生態系統可提供氣體調節、氣候調節、干擾調節、水調節等17項服務功能后，國內外諸多學者對不同地域生態系統的ESV進行了大量針對性的科學研究[3-7]，在理論和實踐方面均取得了重要進展，對于提高公眾生態保護意識、制定生態系統保育政策和決策提供了理論依據。但從區域經濟發展規劃角度出發，以氣候特征劃分的大型區域如西北旱區為尺度而進行的研究仍較為稀少。在我國的ESV研究實踐中，由于Costanza方法中相關評價標準的適用性遭到普遍質疑[8]，而多采用謝高地等[9-10]提出的改進評價方法。故本文利用該方法定量分析了西北旱區不同土地利用類型的ESV時空分異特征，以期對西北旱區的土地利用規劃及生態經濟協同發展提供一定理論參考。

1 研究區概況

我國西北旱區主要是以地理氣象特征命名的區域(73°28′E～119°54′E，31°33′N～49°11′N)，西部、北部與鄰國接壤，東至大興安嶺，南沿秦嶺—淮河的北麓，轄寧夏、甘肅、青海、新疆四省(區)的全部及內蒙古中西部和陜西中北部(如圖1)，東西距離約3 800 km，南北距離約2 100 km，總面積3.73×106km2，約占全國國土面積的38%。該區氣候干燥，蒸發量大，地形復雜，地貌類型多樣，山脈、河流眾多，草原、荒漠草原和荒漠并存，農、林、牧等多產業并存發展，土地利用類型多樣。

注：地理坐標系為GCS-WGS-1984，采用Asia-North-Albers-Equal-Area-Conic投影。

Note: Geographic coordinate system is GCS-WGS-1984, using Asia-North-Albers-Equal-Area-Conic projection.

圖1西北旱區地理范圍示意圖

Fig.1 The geographical scope of the Northwest Arid Areas

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

數據來源于2004—2012年西北旱區各省(區)國土資源廳提供的土地利用詳查及變更調查資料、各省(區)統計年鑒以及中國統計年鑒、國土資源公報等公開出版物。

2.2 土地利用變化分析

按照國家土地利用現狀分類標準將土地利用二級地類進行歸并分為耕地、園地、林地、草地、居民點及工礦用地、交通用地、水域和未利用地等8種類型。

2.2.1 土地利用動態度 土地利用動態度是指在一定時間段內，某類土地利用類型的面積變化情況[11]，該指標可有效地反映土地利用的空間差異及土地利用變化的劇烈程度。公式如下：

(1)

式中，L表示T時間段內某種土地利用類型的動態度(%)；Ua、Ub分別為研究起止時段內某一土地利用類型的面積(hm2)；T為研究時間長度(a)。

2.2.2 土地利用綜合指數 人類對土地進行利用會產生不同的利用深度與廣度。根據樊玉山等[12]的研究，將土地利用程度分為4級，并賦予分級指數：未利用地賦值1，林地、草地和水域賦值2，耕地和園地賦值3，居民點及工礦用地、交通用地賦值4。土地利用程度公式如下：

(2)

式中，D為土地利用綜合指數；Ak為第k類土地利用類型的分級指數；Uk為第k類土地利用類型的面積(hm2)；U總為研究區域總面積(hm2)。

2.3 ESV評估方法

謝高地等[9-10]以Costanza方法為依據，針對中國實際情況，制定了“中國生態系統服務價值當量因子表”，并規定每公頃農田的年糧食產量的ESV當量為1，其它生態系統類型的ESV當量相對于農田生態系統的貢獻而定，且以全國平均糧食市場產值的1/7為單位ESV當量因子的經濟價值量。生態服務功能單價計算公式如下：

Eik=eik·Ea

(3)

式中，Eik為第k種土地利用生態系統類型(如耕地、林地等生態系統)的第i種生態服務功能(如氣體調節、水源涵養、娛樂文化等)的單價(元·hm-2)；eik為當量因子；Ea為農田生態系統糧食的單位面積ESV(元·hm-2)。

根據各類生態系統面積和各類生態系統服務功能的單價，由式(4)～(6)計算出研究區域生態系統服務功能的經濟價值[13]。

ESVk=∑iUk×Eik

(4)

ESVi=∑kUk×Eik

(5)

ESV總=∑k∑iUk×Eik

(6)

式中，ESVk表示第k種土地利用類型的ESV(元)；ESVi表示第i項生態服務功能的價值(元)；ESV總表示研究區域總的ESV(元)；Eik代表第k類土地利用類型第i項服務功能的單位面積的生態價值(元·hm-2·a-1)。

變差貢獻率是指某一土地利用類型的ESV變化量占該區域總的ESV變化量的比例，用于判斷不同土地利用類型變化對ESV變化的影響程度，計算公式如下：

(7)

式中，ESVcc為變差貢獻率；ESVia和ESVib分別為研究時間起止點的第i項生態服務功能的價值(元)。

2.4 人均ESV

從人口對ESV影響的角度進行分析，人均ESV在一定程度上反映出區域ESV大小隨人口數量的變化規律，公式如下：

ESVave=ESV/P

(8)

式中，ESVave為人均ESV(元)；P為研究區域總人口(人)。

2.5 生態經濟協調度模型與敏感性分析

2.5.1 生態經濟協調度模型 生態經濟協調度(eco-economic harmony, EEH)指研究區域在一定時期內的ESV變化率和經濟總量變化率的比值。公式如下[14]：

(9)

式中，EEH為生態經濟協調度；ESVf為單位面積ESV變化率(%)；GDPf為單位面積經濟總量變化率(%)。EEH在一定程度上反映生態環境和經濟發展的耦合關系，參考相關文獻[14]得到其分級標準(表1)。

表1 生態經濟協調度分級標準

2.5.2 敏感性指數 為驗證生態價值系數的準確性，本文引入敏感性指數(coefficient of sensitivity，CS)來分析ESV對生態價值系數的敏感程度，計算方法[15]如下：

(10)

式中，CS為敏感性系數，表示單位面積生態價值(VC)變化1%所引起的ESV變化；ESVn、ESVm分別為生態價值系數調整前后的ESV(元)；VCnk、VCmk分別為調整前后第k種土地利用類型的生態價值系數。

若CS<1，則說明ESV對于VC是缺乏彈性的，表明結果可信；若CS>1，則表明ESV對于VC是富有彈性的。

3 結果分析

3.1 西北旱區土地利用變化

2004—2012年西北旱區土地利用變化狀況如表2所示。由表2可知，研究期間，未利用地、草地面積占比均較大，平均占西北旱區總面積的39.36%和38.63%。西北旱區的土地利用類型面積發生了明顯變化，面積變化情況為林地(3.90×106hm2)>交通用地(2.49×105hm2)>水域(2.41×105hm2)>園地(1.65×105hm2)>居民點及工礦用地(1.48×105hm2)>耕地(-9.93×105hm2)>未利用地(-7.31×106hm2)>草地(-1.19×107hm2)，面積占比變化情況分別為交通用地(8.72%)>水域用地(8.01%)>園地(1.61%)>林地(0.71%)>居民、工礦用地(0.46%)>未利用地(-0.53%)>耕地(-0.60%)。隨著“村村通”工程的實施以及地方經濟和旅游業的發展，交通網絡逐步發達，在一定程度上也促進了交通用地面積占比的增加。

2004—2008年，林地、草地、水域和耕地比例呈下降趨勢，其它土地利用類型比例呈上升趨勢，其土地利用強度綜合指數亦有增長態勢；2008—2012年，林地、草地、水域和建設用地(包括居民點及工礦用地和交通用地)比例呈增長態勢，耕地和未利用地比例呈下降趨勢，其土地利用強度綜合指數呈增長態勢。

3.2 ESV時空變化

3.2.1 ESV時間維度分析 本文對西北旱區2004—2012年之間的年平均單位面積農田自然糧食產量、糧食作物播種面積、糧食價格等相關指標進行計算，根據式(3)得到不同土地利用類型年均單位面積的生態價值，結果見表3。

由表3和公式(4)～(7)，計算西北旱區不同土地利用生態系統服務價值變化結果見表4。

表2 2004—2012年西北旱區土地利用變化狀況

表3 西北旱區不同生態系統單位面積ESV/(元·hm-2·a-1)

由表4可知，西北旱區2004—2012年的ESV總體呈現出增長態勢，研究期間共增長了166.10×109元，價值變化率為4.84%。其中，林地ESV增長量最大(199.52×109元)，其次為水域(20.12×109元)和園地(4.28×109元)，而草地ESV減少量最大(-48.74×109元)，其次為耕地(-8.93×109元)和未利用地(-0.15×109元)；從價值變化率來看，水域ESV增長幅度最大(101.49%)，園地(20.02%)和林地(11.49%)次之，而耕地ESV減少率最大(-5.40%)，說明耕地面積的減少對其ESV變化較為顯著，今后應注意保護耕地面積；從變差貢獻率來看，林地的生態服務功能貢獻率最大，草地面積的減少使其貢獻率明顯降低。由此可知，西北旱區的ESV與其土地利用類型面積變化有著緊密的聯系。

由西北旱區生態系統單項服務價值變化(見圖2)可知，土壤形成與保護、生物多樣性保護的ESV占比較大，而食物生產占比最小。單項ESV在2004—2008年呈減少狀態，在2008—2012年呈增加狀態。2004—2006年土壤形成與保護的減少量占總減少量的比例最大(20.09%)，而在2006—2008年間，氣體調節功能的單項ESV減少率最多(17.07%)，2008—2010年除食物生產功能減少外其它服務功能均有所增加， 2010—2012年各生態系統ESV均增加， 且土壤形成與保護的比例最大(16.5%)。2004—2012年， 水源涵養的ESV增長最多(19.6%)。

表4 西北旱區不同土地利用生態系統服務價值變化

3.2.2 ESV空間維度分析 西北旱區各省(區)2004—2012年的生態系統服務價值及其變化率見表5。從表5可知，在研究期間，西北旱區各省(區)的ESV變化不一：青海和寧夏凈減，這與林地面積的大幅減少緊密相關；內蒙古中西部、陜西中北部、甘肅和新疆為凈增，原因是林地、水域面積的增加和未利用面積的減少；從變化幅度來看：寧夏的ESV下降的最快(20.79%)，其次為青海(3.44%)，寧夏的林地減少量占比較大，是其ESV減少率最大的主要原因；價值變化率最快的為甘肅(27.87%)，其次為陜西中北部(16.81%)，其余省(區)的變化率都不超過10%，表明甘肅和陜西中北部近年來生態環境改善較快，生態效益明顯。水域、林地的單位面積生態價值較大，其面積大小成為影響各省區ESV的主要因素。

3.3 人均ESV分析

2004—2012年西北旱區人口數量變化見圖3。由圖3可知，研究期間西北旱區人口數量逐年增長。

由西北旱區各省區人均ESV(見表6)可知，除2004年外，其它年份各地區的ESVave大小依次為：青海>內蒙古中西部>新疆>甘肅>陜西中北部>寧夏。總體上看，西北旱區人均ESV呈減少態勢，這說明在一定程度上，人口的增長對ESV有抑制作用。內蒙古中西部、青海、寧夏和新疆的人均ESV都出現了不同程度的下降，說明人口的增長給其ESV的增長帶來負面影響，人口負荷較重；陜西中北部和甘肅的情況比較樂觀，人均ESV增加。

3.3 生態經濟協調度與敏感性指數分析

3.3.1 生態經濟協調度 西北旱區ESV、GDP變化率分別為89.47%、272.97%，其生態經濟協調度EEH為0.33。西北旱區的經濟和生態狀況都呈現出良好態勢，都有較高水平的增長；此外西北旱區的生態環境和經濟發展處于輕度協調水平，雖然二者協調發展，但仍有惡化的可能。

圖2西北旱區生態系統單項服務價值變化

Fig.2 Variances of individual ecosystem service value in Northwest Arid Areas

3.3.2 敏感性指數 本文將單位面積生態系統服務價值分別上下調整50%，得到西北旱區2004—2012年不同土地利用類型的CS變化(見表7)和2012年西北旱區內各省(區)的敏感性系數CS分布(見圖4)。

表5 2004—2012年各地區生態系統服務價值空間分異/109元

圖3 2004—2012年西北旱區人口數量變化圖

由表7可知，CS林地>CS草地>CS耕地>CS未利用地>CS園地>CS水域，2004—2012年林地的CS為0.48～0.53，即當林地的VC增加1%時，該區域的ESV將增加0.48%～0.53%。

由圖4可知，西北旱區內各地區的CS分布情況有所不同，內蒙古中西部、陜西中北部以及甘肅等地的CS林地最高，林地的變化會引起該區域ESV較大變化，故應注重加強林地資源的保護；青海、寧夏、新疆等地敏感性指數最高的為牧草地，說明牧草地為影響該區域ESV的主要土地利用類型。由圖4和表7可知，ESV對VC的敏感性指數都小于1，這充分表明ESV對VC是缺乏彈性的，本文研究結果真實可信。

圖4 2012年西北旱區各地區敏感性指數分布

4 討 論

研究區的ESV的增加與土地利用的數量與結構關系密切，在滿足土地利用多樣性的前提下，能否保護好該區有利于ESV的主導土地利用類型，對當地的ESV有著至關重要的作用。林地資源能明顯提升西北旱區的ESV，因此應加大對林地資源的保護力度。

西北旱區的生態經濟協調度處于輕度協調狀態，反映出該地區總體的經濟、環境矛盾關系。如能在更細微的尺度上進行GDP和ESV的時空劃分，則能更精確地指導研究區生態和經濟系統的耦合協調發展，也是今后研究的方向。

數據的準確性對生態系統服務價值的計算至關重要，然而它本身計算過程的復雜性以及其生態價值系數的精確計算的難度較大，導致研究結果一般都屬于估算，雖然能在總體上反映出研究區域的生態環境變化的趨勢，但要在更細的尺度上進行精確計算仍有一定難度，需綜合運用遙感解譯、經濟學和統計學等相關知識進行更為精確的研究。

本文僅從時間、空間兩個維度對ESV進行分析，今后可從探索ESV變化的驅動力、ESV預測回歸等方面對西北旱區進行全方位分析，并對進一步改善西北旱區生態環境提出建議及對策。

5 結 論

本文借鑒前人研究成果，對西北旱區土地利用生態系統的ESV進行計算，并從時間和空間角度分析了其分異特征，主要研究結論如下：

(1) 從時間維度來看，西北旱區的ESV由2004年的3 435.14×109元增加到2012年的3 601.24×109元；除食物生產外，單項ESV都有所增長，表明該區域生態環境壓力較小。從空間維度來看，各省區平均ESV分異明顯，依次為內蒙古中西部>新疆>青海>陜西中北部>甘肅>寧夏，ESV變化率依次為甘肅>陜西中北部>新疆>內蒙古中西部>青海>寧夏，說明甘肅、陜西中北部的ESV雖處于較低水平，但增長迅速，內蒙古中西部、新疆、青海的平均ESV較高，但增長態勢較緩慢，寧夏的平均ESV及其增速都處于劣勢。

(2) 研究期內西北旱區整體ESV有所提升，但人均ESV卻有所下降，說明人口的增加在一定程度上減弱了總體ESV的增加，生態系統的人口負荷有不斷增強的趨勢，今后發展過程中還要注意保持好合適的人口數量，避免超出生態負荷。

(3) 西北旱區的生態環境和經濟發展處于輕度協調狀態，ESV增長率低于經濟增長率，雖然二者協調發展，但仍有惡化的潛力，今后仍需加強對生態環境的保護力度。

(4) 林地的VC指數較高，耕地和草地的VC指數較低，林地的ESV不僅把減少的耕地及草地的ESV抵消掉，還使整體ESV有所升高，說明林地在西北旱區ESV中扮演著重要角色，它的減少將會使整體ESV急劇下降。這就要求政府及人民努力保護好林地資源，爭取實現土地質量與數量的“雙贏”。

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