豫西山區土地利用變化對生態服務價值的影響

陳萬旭, 李江風, 姜 衛, 朱麗君, 熊錦惠

(中國地質大學(武漢) 公共管理學院, 武漢 430074)

土地為人類提供了生產、生活和生態空間，人類對土地的開發利用必然導致土地利用覆被變化，引起生態系統結構和功能的退化。土地利用與生態系統服務實質上是互相影響又互相制約的一對矛盾統一體，土地是各種陸地生態系統的載體,生態系統類型在土地利用中表現為土地利用類型。當前人類土地利用活動已經造成了土地資源的嚴重污染和破壞，生態系統的嚴重退化，土地不合理利用產生的問題已經成為威脅人類自身的發展重大問題之一。2015年聯合國(UN)發布的題為《新的征程和行動-面向2030》(Transforming our world by 2030: A new agenda for global action)的報告中明確提出保護陸地生態系統，防治沙漠化和土地退化，保護生物多樣性的目標。在目前海量的生態環境課題開展過程中，土地各項指標的變動引起生態系統服務價值變動程度的研究是最有代表性的研究熱點之一。

國外較早關注到了生態服務價值問題，1997年Costanza等[1]從效用價值理論和均衡價值理論出發，制訂了全球生態系統服務價值當量因子表，同年Daily[2]在其標志性著作《Nature′s Service: Societal Dependence on Natural Ecosystem》中詳細描述了生態系統服務價值的評估綱要；國內對于生態服務價值的研究主要集中于當量因子的修正以及對生態服務價值的評價，如歐陽志云等[3]對中國陸地生態系統服務功能以及生態經濟價值進行評價，探討了生態服務功能與可持續發展研究的關系。謝高地等[4-5]于2007年及2015年在Costanza全球范圍的研究結論上，結合我國現實條件，通過多次修正，分別得出了2007版及2015版的中國生態系統服務價值當量因子表，同時也有部分學者采用植被覆蓋度指數(Normalized Difference Vegetation Index)、氣候因子、社會經濟發展因子等對生態服務價值進行修正[6]。另外有大量研究集中于生態服務價值的影響因素，其中關于土地利用變化對生態服務價值影響的研究最為常見[7-8]。就研究尺度而言，主要集中于全球、國家、省域、市域和縣域尺度，部分以自然地貌為研究單位，可以發現以往研究都是基于大尺度的研究單元，很少以鄉鎮行政區為研究單元，因此以往研究的生態服務價值當量因子表不一定適合對鄉鎮生態服務價值的研究，需要結合鄉鎮實際情況進行修正。

在梳理國內外研究的基礎上，選取糧食產量、生物量、社會經濟及降雨量四個因子對生態服務價值當量因子進行修正。通過對欒川縣土地變化進行多角度分析，探索土地變化對生態服務價值的調節情況。為生態服務價值評估的微觀研究提供案例，同時為欒川縣國土空間規劃、土地節約集約利用以及可持續發展提供理論支持。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

欒川縣位于豫西山區，地理坐標為東經111°12′—112°02′，北緯33°39′—34°11′。屬于典型的深山區貧困縣，北有熊耳山，南有伏牛山，中部有熊耳山分支遏遇嶺，三條山脈縱貫全境，將全縣分割為南北兩大溝川。地勢西南高而東北低，地貌起伏跌宕，形成中山、低山和河谷三種類型的地勢。海拔在1 000 m以上的區域占行政區面積49.40%，基本地貌為“四河三山兩道川，九山半水半分田”。欒川縣位于豫西多金屬成礦帶中心地區，礦產資源豐富，已探明鉬金屬儲量206.90萬噸，位居亞洲第一，世界第三，有“中國鉬都”之稱，礦產資源開發對于土地利用格局變化及生態服務功能影響顯著。欒川縣經濟發展受到礦業經濟影響較為明顯，2008年以后地區生產總值呈現連續下降趨勢，第二產業增加值同比減少17.30%，第三產業增加值同比增加12.10%。欒川縣經濟結構較為單一，對工礦業的依賴程度過高，第三產業有待發展。

1.2 數據來源

本文土地數據來源于欒川縣2005年、2010年、2014年Landsat TM遙感影像，利用ENVI 5.0對遙感影像進行大氣校正，幾何校正，然后采用監督分類對遙感影像進行解譯。社會經濟數據來源于2006年、2011年、2015年的《欒川縣統計年鑒》、《洛陽市統計年鑒》和《中國統計年鑒》，降雨量數據來源于中國水資源公報。

2 研究方法

2.1 信息熵、均衡度、優勢度

本文通過對信息熵、均衡度、優勢度這三個指標來測度土地結構變化[9]。信息熵是用來度量土地結構中的無序性以及不確定性。熵值越大，土地越趨于多樣化使用，無序性越高，結構越穩定，發展越全面。信息熵公式如下：

式中：H為信息熵；Pi為i種土地類型面積占總的土地面積的百分比；Ai是i種土地類型的面積大小；A是土地總面積。

均衡度是衡量區域用地均質性的一個重要指標。均衡度愈小，則用地結構越不均衡，均衡度愈大，表明用地結構是最理想的均衡狀態。均衡度公式如下：

式中：J為均衡度，是實際熵值與極大熵值之比。

優勢度表示研究區內某種用地類型支配該區域用地結構的程度。優勢度公式如下：

I=1-J

式中：I為優勢度；J為均衡度。

2.2 土地利用動態度

土地利用動態度是定量研究一片區域土地利用變化速度的指標，可衡量區域土地利用變化的差異與預測未來土地利用變化發展的趨勢[10]。土地利用動態度公式如下：

式中：K為T時間段內某一土地利用類型的動態度；Ub和Ua分別表示研究期末與研究期初某一土地利用類型面積；T為研究時長，單位為年。

2.3 土地利用程度綜合分析法

土地利用程度指人類通過對土地的開發、整理、規劃等一系列土地經濟活動，為獲取經濟價值的活動，在廣度和深度上對土地加以利用的程度，土地利用綜合指數計算公式如下：

式中：L為土地利用程度綜合指數；Ai為第i級土地利用程度分級指數；Ci為第i級土地利用程度的面積占總面積比例；n為土地利用程度分級數，參考王思遠等人研究，將土地利用類型分為四級[10]。

2.4 當量因子修正

基于謝高地等在2015年提出的我國生態系統服務價值當量表[4]，結合研究區糧食產量、單位面積NPP、社會經濟因子以及降水量對生態服務價值當量因子進一步修訂，具體公式及算法在后文詳細敘述。

2.5 敏感性分析

在探討生態服務價值依賴于生態服務功能價值的程度時，通常采用彈性系數來度量，彈性系數能準確的檢驗當量因子設定的合理性與否。本文在計算每種土地類型的敏感性指數時，僅對其類型的當量因子調整50%，從而得到生態服務總價值的變化，然后根據計算公式得到某一地類的敏感性指數[11]。計算公式如下：

式中：CS為敏感指數；ESVi，ESVj分別為某一地類調整前后生態服務總價值，其中其余類型的生態服務總價值不變。VCik，VCjk分別表示K類土地類型調整前后的服務功能價值系數。如果CS>1，表明生態服務價值對價值系數敏感；反之，如果CS<1，表明生態服務價值對價值系數不敏感。CS絕對值越大，說明相應的VC對ESV的影響越大，取值的準確性越重要。

3 結果與分析

3.1 欒川縣土地利用變化

3.1.1 土地利用分類 本文將欒川縣用地劃分為六大類，分別為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地，各地類面積見表1。其中欒川縣林地面積比重大，達到80%以上，耕地和建設用地面積占比相對較少，水域面積占比最少，主要是因為欒川縣境內山地較多，土壤貧瘠，對林地保護力度較大。欒川縣耕地、林地、草地在2005—2014年并無過大變化；受降雨量影響，2005—2010年欒川縣水域面積有所增加，2010—2014年明顯減少。當地國土部門數據顯示城市建設所占用的土地主要來源于對未利用地的開發與整理。2005—2010年建設用地增加了18.5%，而2010—2014年建設用地僅增加了12.5%，建設用地面積增加得到有效控制，因為欒川縣山區較多，開發難度較大，作為旅游城市，政府對城市擴張有著嚴格的控制。

表1 欒川縣各土地利用類型面積 hm2

3.1.2 土地利用結構變化 根據信息熵、均衡度、優勢度的公式分別計算2005年、2010年、2014年欒川縣土地利用的結構指數，計算結果如表2所示。欒川縣2005年信息熵較小，均衡度較小，優勢度較大，土地利用結構有序化較為嚴重，林地占比過大，有著明顯的支配優勢。自2005年開始，均衡度有明顯的增長，土地利用趨于多樣化，土地利用結構更加均衡。2010—2014年整體變化較小，表明在此期間不存在明顯的土地偏向利用，政府比較重視土地的均衡發展。

表2 欒川縣土地利用結構指數

3.1.3 土地利用數量變化 2005—2010年耕地略微增加，來源于土地的整理以及荒地的開發，建設用地面積變化較大，林地、草地略有下降，水域面積有明顯增加，未利用地變化幅度達到4.20%。2010—2014年，耕地面積略有下降，主要由于城市建設擴張、礦業開發占用耕地；林地面積增多是由于當地政府大力扶持林業，呼吁群眾植樹造林，2010年全年造林0.12萬hm2，2013年全年造林0.21萬hm2，所以林地面積始終居高不下；草地、水域以及未利用地都有不同程度的減少。

3.1.4 土地利用程度變化 研究期間土地利用程度整體呈增加趨勢，2005—2010年欒川縣土地利用程度波動率為0.009 3，土地利用程度逐漸提高，主要是由于人口的增加，經濟的發展以及政府對土地整理和集約利用的重視。同時由于欒川縣地處山區，林地較多，旅游資源豐富，土地利用結構良好，城鎮建設控制良好，并且嚴格實行了耕地占補平衡，2010—2014年間土地利用變化率為0.004 7，小于2005—2010年間變化程度。

表4 欒川縣土地利用程度指數及變化率

3.2 欒川縣生態服務價值

3.2.1 生態系統服務價值模型當量因子修正

(1) 糧食產量的修正參照徐麗芬等[12]對當量表進行修正。具體計算公式如下：

式中：Q為欒川縣2005-2014年各年單位面積糧食產量；S為欒川縣糧食產量年平均值；M為年平均耕地面積， λ為當量因子修正系數；Q0為全國年平均單位面積糧食產量；Ei為i類土地利用類型修正后的當量因子；E0為謝高地等確定的同類土地利用類型當量因子。

(2) 生物量因子的修正。生物量通常用NPP來衡量，對比欒川縣與全國單位面積的森林、草地生態系統的NPP的基礎上，得出因子修正系數。依據欒川縣農田的生物量因子對修正系數做出調整，獲取欒川縣森林與草地生態系統的生物量因子調整系數。計算公式為：

式中：Bi為欒川縣i類生態系統的生物量因子調整系數；bi0為欒川縣單位面積i類生態系統的一年的NPP(g/m2)；bi為全國單位面積i類生態系統年平均NPP。Bf為欒川縣農田生物量因子調整系數。其中欒川縣農田生物量因子及調整系數參照謝高地等[13]，森林生態系統的生物量因子及調整系數參照趙同謙等[14]，草地生態系統的生物量因子及調整系數參照張美玲等[15]，其他生態系統的生物量隨著地域的變遷，生物量并不會出現明顯的差異，所以本文不對其他生態系統做出修正。

(3) 社會經濟因子的修正。支付意愿計算公式如下：

式中：P為支付意愿參數，當P越大時，表示支付意愿越大，反之越小。m為社會發展系數，m愈大，表明社會發展越完善，水平愈高。為簡化計算，這里將a，b設為1。社會發展系數通常用恩格爾系數來進行度量。m值的計算公式如下：

式中：Ent代表研究區第t年的總恩格爾系數；Entc，Entr分別表示城鎮和農村第t年恩格爾系數；Ptc，Ptr分別表示城鎮和農村第t年人口比例比重；Pp表示支付意愿系數PL，PQ分別表示欒川縣和全國的支付能力參數。

根據聯合國糧農組織對恩格爾系數的劃分標準，0.59以上為絕對貧困；0.50～0.59為勉強度日；0.40～0.49為小康；0.20～0.39為富裕生活；0.20以下為絕對富裕。以小康與富裕階段的過渡點作為支付意愿集聚上升的拐點，因此恩格爾系數為0.4作為支付意愿曲線拐點。

支付能力價值系數修正。計算公式如下：

式中：Rt是支付能力系數；GDP1 t，GDPqt分別表示欒川縣和全國第t年的國內生產總值；S1t，Sqt分別表示的是欒川縣和全國的人口總數。

(4) 降雨量的修正。通過欒川縣單位面積降雨量與全國單位面積降雨量的對比，得到降雨量修正系數[14,16]。計算公式如下：

式中：Ri是i年降雨量修正系數；WiL是欒川縣i年單位面積降雨量；WiQ是全國i年單位面積降雨量。

3.2.2 生態系統服務價值計算 結合欒川縣修正后的生態服務價值當量表，將生態系統產值去掉成本后的凈利潤作為該生態系統所供給的生產價值，并且將單位面積農田生態系統產出糧食的凈利潤設為1個標準當量因子的生態系統服務價值量，其他生態系統的服務價值以此為參照標準。在沒有人力投入的條件下，自然生態系統提供的經濟價值是目前單位面積農田所產生的食物生產服務價值的1/7。

式中：E為農田生態系統單位面積所提供食物生產服務的經濟價值；P為欒川縣糧食作物的平均價格，本文主要研究用地變更對生態服務價值的影響，為消除市場波動等其他因素干擾，計算中令2010年糧食價格不變。Q為欒川縣糧食總產量，M為欒川縣糧食種植總面積。

通過上式，計算得到一個標準當量因子的經濟價值為1 384.94元，結合欒川縣單位面積生態系統服務價值表和欒川縣土地利用類型面積，對欒川縣生態服務價值進行測度，由于未利用地與建設用地生態服務價值為0甚至為負數，本文不予討論。根據下列公式可得到欒川縣生態系統服務總價值。

式中：ESV表示生態系統服務總價值；VCik為k類土地利用類型i種生態功能的生態價值；Ak為k類土地利用類型面積。

4 土地利用變化對生態系統服務價值的影響分析

4.1 土地利用變化前后對生態服務價值的影響

表5中計算結果顯示林地、草地、水域的生態服務功能較強，而耕地較弱，荒漠與建設用地次之。欒川縣生態服務價值呈現先增加后減小的變化趨勢，2005—2010年耕地、林地、草地、水域的生態服務價值整體呈上升趨勢，且林地生態服務功能增長幅度較大，而未利用地生態服務功能呈現減少趨勢。2010—2014年間，欒川縣生態服務價值大幅度減少，主要原因是2010年欒川縣降雨量遠超全國年均降雨量，極大地提高了各生態系統的生態服務功能，2014年降雨量大幅度減少，遠低于全國降雨量平均水平，同時水域面積大幅減少，而水域的單位面積生態服務功能較強，其生態服務價值的變化對整個生態系統的生態服務價值有較大的影響。草地、耕地被建設用地占用而減少，導致生態服務價值總體降低幅度較大。欒川縣應結合當地實際情況，在資源環境開發利用的同時，保持生態系統服務功能的穩定和區域的可持續發展。

表5 欒川縣生態系統服務總價值 萬元

4.2 以鄉鎮為單位各區域生態系統服務價值的分布

欒川縣生態服務價值總量呈現先增加后減小的變化趨勢，從2000年的168 707.3元增加到2010年765 602.40元，到2014年降低至233271.80元。欒川縣各鄉鎮生態服務價值時空分布見圖1，可以看出欒川縣生態服務價值較高的地區主要集中于東部三個鄉鎮，分別是潭頭鎮、合峪鎮和廟子鄉，而城關鎮以及周邊欒川鄉等人口分布較為集中的鄉鎮，生態服務價值明顯較低。2005—2010年，欒川縣生態服務價值總體呈現增加趨勢，秋扒鄉和潭頭鎮卻表現出顯著的降低態勢。生態服務價值增加值在各鄉鎮分布較為均勻，其他鄉鎮未出現大面積等級上升的情況，說明在欒川縣全面提高生態服務功能時，區域內土地利用向生態服務價值低的方向改變，例如林地變為耕地甚至未利用地以及礦產開發對生態環境造成破壞等情況。2010—2014年欒川生態服務價值變化普遍下降，下降值分布較為均勻，未有明顯等級改變。

4.3 生態敏感性分析

從整體上看，所有地類生態服務總價值敏感系數均小于1，證明研究區生態系統服務價值系數的變化是缺乏彈性的，評估的生態服務價值是可信的。從敏感性系數排序來看(表6)，林地>水域>草地>耕地，林地對生態系統服務價值的貢獻率最高，耕地最低。耕地、林地、草地在2005—2010年生態敏感性指數有所降低，到2014年又有所增加，說明這三種地類對生態服務總價值的貢獻是先減小后增加的。只有水域敏感系數在2005—2010年上升到0.108，而在2010—2014年下降到0.076，可見水域對生態服務總價值的貢獻在2005—2014年總體趨勢是先增加后下降的。

圖1 欒川縣各鄉鎮生態服務價值時空分布

年份耕地林地草地水域20050.0270.8460.0440.08420100.0260.8230.0430.10820140.0270.8530.0440.076敏感性系數排序4132

5 結 論

(1) 研究期間欒川縣城市建設用地面積總體上升，耕地面積和水域面積下降，林地占比居高不下。未利用地的開發整治有利于土地的經濟價值和生態服務價值的提高。建設用地的擴張和礦產資源的開發利用在一定程度上對土地質量造成破壞，降低了土地生態系統的服務功能，大量的植樹造林對生態服務價值的保持有重要作用；

(2) 欒川縣林地面積占比80%以上，林地對欒川縣生態服務價值貢獻度較高，2005年、2010年、2014年全年總的生態服務價值中林地占比依次為84.6%，82.3%，85.3%。研究期間欒川縣的水域面積先增加后降低，欒川縣水文調節的功能服務價值也呈現先增加后減小趨勢，草地和耕地對生態服務價值貢獻度相對較低。

(3) 各地類生態服務總價值敏感系數均小于1，表明生態服務價值系數是缺乏彈性的，評估的生態服務價值是可信的；各地類從敏感性系數排序由大到小分別是林地、水域、草地、耕地；

根據研究結果提出如下建議：擴大植樹造林面積，提高森林覆蓋率；加大綠色礦山建設，治理巖石裸露地區，對礦山企業的開礦面積、開采過后的復墾工作、尾礦處理和水土污染應該制定嚴格的規定和措施，制定礦產資源開發利用正面負面清單，確定開發治理準入機制；加大水土流失治理資金投入力度，防止由于地形破碎、土質疏松、暴雨集中以及礦產開采、土地資源的不合理開發等人為因素導致水土流失問題；大力實施“工礦興縣，旅游強縣，生態立縣”三大戰略，形成節約資源和保護環境的空間格局、產業結構、生產方式和生活方式，努力實現經濟社會與生態環境的全面協調與可持續發展。

欒川縣地處豫西山區，自然條件較為復雜，社會經濟條件相對落后，若采用謝高地所定生態服務價值當量表來計算欒川縣生態服務價值，會與實際產生較大偏差，根據實際情況進行校正后，更能體現欒川縣生態服務功能實際變動情況。但是由于生態服務功能的復雜性、空間異質性等問題，對當量因子的修正只能在一定程度上反應區域實際情況，還有很多影響因素需要考慮，比如市場價格對生態服務價值當量表的影響等問題仍然是今后研究的重點方向。

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