黃土山丘區土地利用變化對生態系統服務價值的影響
——以長河流域為例

熊侶英, 師學義

(中國地質大學(北京) 土地科學技術學院, 北京 100083)

土地是人類生存和發展的物質基礎，也是陸地生態系統的必不可少的組成部分[1]，而土地利用是人類最基本的經濟活動，在各種驅動因素的影響下土地利用類型不斷發生變化，隨著城市化進程的加快，人們對有限土地資源的利用和開發越來越不合理，導致土地生態系統的結構和功能發生變化，進而改變生態系統原有的生態服務價值[2]。深入研究土地利用類型變化及其對生態服務價值的影響可揭示人類活動對生態系統的影響，對協調人與自然之間的關系具有重要意義。

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，主要包括兩個方面：即提供人類生存的必需產品和保證生活質量的生態功能[3-4]。自從1997年Costanza等[3]提出了生態系統服務價值估算的原理和方法，通過對生態系統服務價值的估算來探索其生態效應，揭示人類活動影響的生態環境變化，合理規劃生態發展方向等研究逐漸成為生態學、經濟學及環境科學的研究熱點和前沿領域[5]。因此，近年來，國內許多學者對洋河流域[2]、江蘇省沿海地區[6]、黃土高塬溝壑區小流域[7]等進行了土地利用變化的生態系統服務價值變化研究。

長河流域西部分布著大量的煤炭資源，近年來由于煤炭資源的開采，土地不合理開發等活動引發了長河流域土地塌陷、植被退化等一系列問題，不利于生態環境建設，使得長河流域生態環境更加脆弱。因此，探討長河流域土地利用變化及其對生態系統服務價值影響十分重要，以期為長河流域土地的合理利用，生態可持續發展提供參考。

1　研究區概況與數據來源

1.1　研究區概況

長河流域位于山西省晉城市西北部，其地理位置為北緯35°30′10″—35°38′06″,東經112°37′40″—112°46′04″，該區東臨晉城市城區，西與沁水縣毗鄰，南與澤州縣周村鎮為界，北與澤州縣下村鎮接壤。長河兩側地勢高中間低，其地貌類型單元為山地和丘陵；地處溫帶大陸性季風氣候類型，四季分明，氣候溫和，雨熱同季，年均降雨量628.3 mm，年平均氣溫10.9℃，多年平均日照時數為2 392.8 h，屬于北方長日照地區；全區總面積113.224 km2，包含下村鎮、大東溝鎮和川底鄉(鎮)，共47個行政村。

1.2　數據來源

本研究數據來源于2005年、2010年、2015年3期TM影像，通過對遙感影像的預處理及解譯得到長河流域2005年、2010年、2015年的土地利用類型分布圖(附圖9)，遙感解譯數據來源于地理空間數據云，其解譯精度為0.78～0.80。本文根據研究區的實際情況并在保證遙感解譯數據的精度可以進行土地利用變化的生態系統服務價值分析的基礎上，將土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、建設用地5大地類。

2　研究方法

2.1　土地利用類型變化特征

本研究采用土地利用變化幅度(ΔU)、單一土地利用動態度(K)兩個指標，定量評估土地利用類型變化特征，揭示土地利用變化數量和速率。計算公式[8]如下：

ΔU=Ub-Ua

(1)

K=[(Ub-Ua)/Ua×T]×100%

(2)

式中：Ua，Ub為研究期初和期末某一土地利用類型的面積；T為研究時長。

2.2　生態系統服務價值的估算

以長河流域2005年、2010年、2015年遙感解譯數據為基礎，計算不同時期各土地利用類型的生態系統服務價值。本文根據長河流域的實際情況并結合謝高地等[9]制定的中國陸地生態系統單位面積生態系統服務價值及以往學者對生態系統服務價值的研究對其生態服務價值系數進行修訂，全國農田生態系統生物量因子為1.00，本研究取山西省的均值0.46作為農田生物量因子。草地則根據謝高地等對華北暖溫帶半濕潤半干旱區草地生態系統服務功能價值的估算得出[10]。建設用地參考Costanza等專家的思路，其生態服務功能價值不參與計算[11]。從而建立了長河流域土地利用類型生態服務價值系數表[12-13](表1)。生態系統服務價值估算公式：

(3)

(4)

(5)

式中：Vj為長河流域第j類土地利用類型生態系統服務功能總價值；Vi為長河流域生態系統中第i種生態服務功能的價值；V為長河流域生態系統服務功能總價值；Aj為第j類土地利用類型的面積；pij為校正后的單位面積的第j類生態系統第i種生態服務功能的價值系數。

2.3　敏感性指數

本文引入敏感性指數(CS)的目的是驗證土地利用類型生態服務價值系數的準確性及確定隨著時間的推移生態系統服務總價值對生態服務價值系數的依賴程度[14-15]。敏感性指數是指價值系數變動1%將引起生態系統服務總價值變動1%，如果CS>1,說明生態系統服務總價值對生態價值系數富有彈性，引用價值系數不準確，結果不可信；如果CS<1，說明生態系統服務總價值對生態價值系數缺乏彈性，價值系數引入合適，結果可信。敏感性指數的計算公式：

(6)

式中：ESVj，ESVi為調整后和初始的生態系統服務價值；VCj，VCi為調整后和初始的生態服務價值系數；k為某種土地利用類型。

表1　長河流域各土地利用類型生態服務價值系數　元/(hm2·a)

2.4　生態服務價值流向分析

本文利用各土地利用類型轉化數據來計算不同地類之間相互轉化所引起的生態服務價值的損益，分析人類活動對生態服務價值的影響[16]。生態服務價值損益計算公式為：

PLij=(VCj-VCi)Aij

(7)

式中：PLij為第i類土地利用類型轉化為第j類土地利用類型后的生態服務價值損益；VCi，VCj分別為第i類土地利用類型和第j類土地利用類型的生態系統服務價值系數；Aij為第i類土地利用類型轉化為第j類土地利用類型的面積．

3　結果與分析

3.1　土地利用類型變化特征分析

3.1.1土地利用類型數量變化從表2可以看出，耕地是長河流域最主要的土地利用類型，占全區總面積的57%以上。2005—2015年長河流域土地利用類型發生了不同程度的變化，主要表現在耕地減少，建設用地、草地、林地、水域增加。其中，耕地由2005年的6 863.99 hm2減少到2015年的6 464.85 hm2，減少了5.81%，年均減少0.58%；林地由2005年的893.25 hm2增加到2010年934.75 hm2，增加了4.65%，年均增加0.93%，2010—2015年林地基本不變，10 a期間年均增加了0.45%；草地由2005年的2 133.7 hm2增加到2010年的2 250.8 hm2，增加了5.49%，年均增加了1.1%，2010—2015年草地減少了2.41%，年均減少0.48%，10 a期間草地年均增加了0.3%；建設用地由2005年的1 320.89 hm2增加到2015年的1 597.46 hm2，增加了20.94%，年均增加2.09%；水域面積先增后減，2005—2010年增加了17.64%，2010—2015年減少了0.17%，10 a期間年均增加了1.74%。

表2　2005-2015年長河流域不同土地利用類型面積變化

3.1.2土地利用類型動態轉化分析通過ArcGIS疊加得出2005—2010年、2010—2015年長河流域土地利用類型轉移矩陣表(表3—4)。首先從表3可以看出，2005—2010年，長河流域土地利用類型發生了不同程度的轉變，其中耕地主要轉向草地、建設用地、林地，轉化率分別為4.75%，3.17%，0.9%，耕地轉向草地主要是因為退耕還草的政策及采礦導致地面塌陷與損壞致使耕地質量下降，滿足不了作物的種植要求，從而使得大量耕地撂荒，耕地轉向建設用地主要是因為城鎮擴建及城鎮化快速發展使得加大了對煤炭資源的開采，從而使得建設用地占用耕地，耕地轉向林地主要原因是退耕還林的政策；林地、草地主要轉向耕地，轉化率分別為3.58%，7.52%，主要原因是農業活動的需要及對耕地的補償；建設用地主要轉向耕地，轉化率為3.47%，而水域向其他地類轉移的很少，幾乎可以忽略不計。其次從表4可以看出，土地利用類型發生的轉移變化非常小，其中，耕地主要轉向建設用地，轉化率不到1%，說明耕地轉向建設用地有所控制，這是因為2010—2015年長河流域煤礦企業處于整合期；草地主要轉向耕地、建設用地，轉化率分別為1.96%，0.64%，其主要原因是建設用地對耕地的占用補償；其他地類之間的轉化非常小，可忽略不計，土地利用類型變化越來越趨于穩定化。

表3　2005-2010年長河流域土地利用類型轉移矩

3.2　生態系統服務價值變化分析

2005—2015年長河流域土地利用生態系統總服務價值分別為3.509×107，3.506×107，3.485×107元，呈現持續減少的趨勢，共減少了2.4×105元(表5)。除了耕地，長河流域其他幾類土地利用類型的生態服務價值增加。

從不同時期各土地利用類型的生態系統服務價值變化來看，2005—2010年耕地面積是減少最多，其生態服務價值損失了1.08×106元，林地、草地和水域面積都增加了,其生態服務價值分別增加了3.7×105，3.1×105，3.7×105元，此階段林地、草地、水域所增加的生態服務價值還不足以抵消耕地所減少的生態服務價值；2010—2015年各土地利用類型生態服務變化較小，其中草地生態服務價值減少最多，減少了1.4×105元。

表4　2005-2010年長河流域土地利用類型轉移矩

表5　2005-2015年長河流域生態系統服務價值及其變化

從各單項功能服務價值(表6)貢獻率高低排序來看，廢物處理>土壤形成與保護>生物多樣性保護>食物生產>水源涵養>氣候調節>氣體調節>原材料>水域，其中，廢物處理功能價值貢獻率最大，而原材料和娛樂文化的貢獻率最小，這說明長河流域生態系統的供給，文化功能價值遠小于調節和支持功能價值。

從各項功能生態服務價值變化來看，2005—2015年，氣體調節、氣候調節、土壤形成與保護、廢物處理、生物多樣性保護和食物生產功能價值呈減少趨勢，其中，土壤形成與保護和食物生產功能價值減少最多，分別減少了1.6×105，1.3×105元，這是因為采煤導致耕地質量下降及面積持續減少從而影響土壤形成與保護和食物生產功能價值，其次是氣候調節與廢物處理，分別減少了8.0×104，5.0×104元；而水源涵養、娛樂文化、原材料單項功能價值有所增加，分別增加了1.3×105，6.0×104，3.0×104元。

表6　2005-2015年長河流域各項生態系統功能變化

3.3　生態系統服務價值敏感性分析

本文將長河流域各土地利用類型的生態服務價值系數分別增加或減少50%[17]，根據敏感性指數變化(表7)可以看出，長河流域土地利用類型的敏感系指數變化較小，其中2005—2015年耕地的敏感性指數最高，其敏感性指數為0.52～0.55，當耕地生態服務價值系數增加或減少1%，其總生態服務價值增加或減少0.52%～0.55%；而水域的敏感性系數最低，其敏感性系數不超過0.1；其他土地利用類型的敏感性指數為0.15～0.25。

上述表明，不同時期不同土地利用類型的敏感性系數均小于1，說明長河流域所采用的價值系數缺乏彈性且適合長河流域的實際情況，其生態服務價值估算結果可信。

表7　2005-2015年長河流域生態系統服務價值敏感指數變化

3.4　生態服務價值流向分析

由表8和表9可知，2005—2015年長河流域土地利用類型變化帶來的生態系統服務價值的持續減少，2005—2010年凈減少了6.28×104元，2010—2015年凈減少了1.938×105元，2005—2015年除林地轉化為水域會帶來生態系統服務價值的增加外，轉化為其他地類都會帶來生態服務價值的減少，耕地的生態服務價值主要流向林地、水域，減少了耕地轉化建設用地帶來的生態價值損失，由于耕地面積大量減少，造成了生態服務價值的大量流失，因此，為了使生態服務價值達到最優化，因加強對耕地、林地的保護，盡量減少建設用地壓占耕地。

表8　2005-2010年長河流域生態服務價值流向損益　104元

表9　2010-2015年長河流域生態服務價值流向損益　104元

4　結 論

(1) 2005—2015年，長河流域土地利用類型發生了不同程度的變化，主要表現在耕地減少，建設用地、草地、林地、水域增加；耕地主要向草地、建設用地轉移，建設用地的增加主要來自耕地、草地的轉移，這主要歸于當地的政策及采礦導致地面塌陷與損壞致使耕地質量下降，滿足不了作物的種植要求，從而使得大量耕地撂荒，耕地大量減少。

(2) 2005—2015年，長河流域總生態系統服務價值呈現持續減少的趨勢，減少了2.4×105元。除耕地外，其他幾類土地利用類型的生態服務價值增加；由于大量的耕地流向草地、建設用地，使得土壤形成與保護、食物生產、氣候調節單項功能價值降低，造成了一定的損失；不同時期不同土地利用類型的敏感性系數均小于1，說明長河流域所采用的價值系數缺乏彈性且適合長河流域的實際情況，其生態服務價值估算結果可信。

(3) 2005—2015年，林地除轉化為水域會帶來生態服務價值正向流動外，轉化為其他地類都會帶來生態服務價值負向流動，建設用地轉化為其他地類都會帶來生態服務價值正向流動，而水域化為其他地類都會帶來生態服務價值負向流動。

本文在研究長河流域土地利用變化的生態系統服務價值影響時存在一定的不足，在分析土地利用類型與生態系統服務功能價值的關系中，建設用地對水源涵養、廢物處理單項功能會產生一定的負效益，但本文未將建設用地納入生態服務功能價值的核算中，主要原因是有關建設用地的生態服務價值計算沒有統一的評價方法，因此關于建設用地的生態服務價值核算將是下一步的研究重點。

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