嘉陵江流域土地利用變化的生態系統服務價值評估

李佳林 廖家紅 王旭熙 劉守江 楊丹 鄢繼堯

摘要：根據嘉陵江流域2000、2005和2015年3期土地利用遙感影像數據，將地理數學方法與GIS相結合，研究了嘉陵江流域15年各種土地利用類型的面積變化、土地利用動態度等動態變化信息，并估算了各種土地利用類型的生態系統服務價值。結果表明，2000—2015年，嘉陵江流域耕地面積持續減少，而建設用地、草地、水域、林地和未利用地面積增加;嘉陵江流域生態系統服務價值由2000年的243 109.36百萬元減少到2015年的242 805.95百萬元;嘉陵江流域生態系統服務價值對價值系數缺乏彈性，反映耕地面積的變化對研究區生態系統服務價值的變化具有較大影響。

關鍵詞：土地利用;生態系統服務價值;嘉陵江流域;評估

中圖分類號：F301? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）02-0033-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.02.008? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

生態系統服務功能是指生態系統服務與生態系統功能的綜合，指生態系統與生態過程所形成及維持的人類賴以生存的自然環境條件與效用[1]。當前有關生態系統服務價值（Ecosystem service value，ESV）的研究已成為生態經濟學和環境經濟學的研究熱點[2]。Costanza等[3]于1997年在《Nature》上發表了論文“全球生態系統服務價值和自然資本”，掀起了生態系統服務研究的熱潮，在全球、國家、市、縣、區域、流域等不同空間尺度上，針對森林、草地、農田、濕地、海洋等不同生態系統類型的研究廣泛開展，把生態系統提供的商品和服務統稱為生態系統服務，同時對生態系統服務進行了分類，并對全球生態系統與自然資本的價值進行了估算。在中國實際情況下，謝高地等[4]綜合國內數百位具有生態學背景的專業人員的調查問卷結果，制定了中國生態系統單位面積生態服務價值當量。

土地利用/覆蓋變化是人類活動對環境影響最直接的表現，土地利用現狀圖也是人地關系的一面鏡子[5]。土地利用/覆蓋變化通過改變地表覆蓋類型，從而影響生態系統的結構、過程、功能，進而影響區域生態系統服務價值[6]。諸多學者也在不同空間尺度上就土地利用變化對生態系統服務價值的影響進行了相關研究[7，8]。對于快速城市化區域，由于人口迅速增長、城市迅速擴張、社會經濟高速發展，生態系統服務價值對土地利用劇烈變化呈現出明顯和復雜的時空變化特征[9]。

目前對于嘉陵江流域土地利用和生態系統服務價值的研究并不豐富，主要集中于應用GIS空間分析方法分析嘉陵江流域土地利用/覆被變化、影響因素及驅動力[10]，而對嘉陵江流域整體生態系統服務價值變化并沒有詳細分析。本研究以嘉陵江流域2000、2005和2015年土地利用變化為基礎，借鑒Costanza等[3]、謝高地等[4]的研究方法，評價了嘉陵江流域2000—2015年生態系統服務價值對土地利用變化的響應，并分析了該地區生態系統服務價值的變化及其產生原因，旨在為嘉陵江流域土地資源可持續利用和生態環境保護提供科學依據。

1? 研究區概況

嘉陵江（29°20′N-34°30′N，102°30′E-109°51′E）發源于陜西省秦嶺南麓，由北向南流經陜西、甘肅、四川和重慶三省一市，其干流分東西兩源，東源起自陜西省鳳縣以北的秦嶺鎮，西源起自甘肅省天水平南川，習慣上東源為正源，西源稱為西漢水。東源向南流經甘肅省徽縣，于陜西略陽與西源西漢水匯合，經陽平關入川，然后向南流經廣元、昭化、蒼溪、閬中、南部、蓬安、南充、武勝等兩市六縣，在合川入渝，在重慶匯入長江，全長1 119 km。嘉陵江流域屬亞熱帶季風氣候，流域多年平均降水量為935.2 mm，由于地形復雜，降水時間分布很不均勻，降水量有明顯的旱季和雨季，6—9月降水量占年降水量的66%，12月至次年2月為全年降水量最少的季節，占年降水量的3.2%。整個流域多為紫紅色沙泥巖，質地松脆，水土流失嚴重，成為流域內泥沙產生的主要來源。嘉陵江流域自然條件復雜，自然資源豐富，人口眾多，是西部地區重要的糧、油、果、豬、蠶生產基地[11]。嘉陵江是長江上游重要的支流，聯系了中國西部的甘、陜、川、渝4個省市，該流域是聯系“陸上絲綢之路經濟帶”和“長江經濟帶”的重要紐帶[12]。

鑒于嘉陵江流經范圍廣，且歷史流數據不易獲取，以縣（市）為基本地域單元，研究2000—2015年嘉陵江流域生態系統服務價值。基于數據收集的可得性，以嘉陵江流域2008年平均糧食單產及其相對應的2008年各作物全國的平均收購價格為基準，由當量因子價格和當量因子得出流域不同生態系統類型的生態價值系數。

2? 數據來源與研究方法

2.1? 土地利用動態數據獲取

根據研究區2000、2005和2015年3期的土地利用數據。該數據由陸地衛星Land Sat同一時相遙感影像作為基礎數據，在ENVI 5.2遙感軟件支持下配準，進行遙感影像預處理、輻射糾正和集合糾正、圖像配準[13];在GIS的支持下，以柵格影像為背景，利用人機交互提取專題數據，并參考全國土地利用分類方法，將嘉陵江流域用地類型分為6類，分別是耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地。應用ArcGIS 10.2軟件屬性表的空間計算功能，統計嘉陵江流域6類土地利用類型的面積，得到嘉陵江流域2000、2005、2015年土地利用分類。

2.2? 土地利用研究方法

土地利用類型動態度（K）指某研究區在一定時間范圍內某種土地利用類型的數量變化情況[14，15]。為了反映嘉陵江流域各類土地的動態變化情況，采用土地利用類型動態度模型具體分析該流域土地利用變化情況。計算公式[16，17]如下。

式中，Ua、Ub分別為研究初期及研究末期某一種土地利用類型的數量;T為時段，當T被設定為年時，K就是該研究區某種土地利用類型的年變化率。

2.3? 生態系統服務價值研究方法

根據研究區土地資源特征與景觀變化差異，參照中國《土地利用現狀調查技術規程》和前人采用的土地分類系統[3，17，18]，將研究區土地利用類型劃分為6個類別，即耕地（水田、水澆地和旱地等）、林地（有林地、灌木林、疏林地和其他林地）、草地、建設用地（城鄉居民用地與工礦交通用地等）、水域（河湖溝渠、水庫坑塘、灘涂灘地等）、未利用地（鹽堿地、沙地、戈壁、裸巖石質地和沼澤地等）。對建設用地按照Costanza等[3]的方法，不估算其生態系統服務功能經濟價值。

2.3.1? 生態系統服務價值計算方法? 結合 Costanza等[3]提出的生態系統服務價值（ESV）計算公式和謝高地等[4]2007年基于500份調查問卷修訂后的中國生態系統服務價值當量因子，估算流域的生態系統服務價值。根據嘉陵江流域統計年鑒，為消除農作物價格波動對總價值量的影響，以嘉陵江流域2008年平均糧食單產5 431.14 kg/hm2，及其相對應的2008年各作物全國的平均收購價格1.69元/kg為基準，考慮到沒有人力投入的自然生態系統提供的經濟價值是現有單位面積農田提供的食物生產服務經濟價值的1/7[19，4]，計算出嘉陵江流域一個當量因子的價格約為1 311.23元/hm2。由當量因子價格和當量因子，得出流域不同生態系統類型的生態價值系數（表1）。主要計算公式[17]如下。

式中，ESV為研究區生態系統服務總價值（元）;VCK為第k類土地利用類型單位面積的生態功能服務價值系數（元/hm2）;Ak為研究區內第k類土地利用類型的面積（hm2）;n為土地利用類型數。

2.4? 敏感性分析方法

借用敏感性指數CS（Sensitivity coefficient）驗證生態系統類型對各種土地類型的代表性和價值的準確性，同時檢驗謝高地等[4]的生態系統服務價值系數對本研究區的適合程度[20，21]，進而確定生態系統服務價值隨時間的變化對于生態服務功能價值系數（VC）的依賴程度。敏感性指數CS的含義是指VC變動引起的ESV的變化情況。如果CS>1，表明ESV相對于VC是富有彈性的;如果CS<1，ESV則被認為是缺乏彈性的。敏感性系數越大，表明生態系統服務價值系數的準確性越關鍵，過高或過低賦值的生態系統服務價值系數也很可能在很大程度上影響生態系統服務價值隨時間變化的真實性。敏感性指數的計算公式如下。

式中，ESV為總生態系統服務價值;VC為生態系統價值系數;i和j分別代表初始價值和生態系統價值系數調整后價值;k為各土地利用類型。

3? 結果與分析

3.1? 土地利用變化分析

2000—2015年嘉陵江流域土地利用情況發生了較明顯變化，2000—2015年嘉陵江流域耕地集中分布在南部，區域集約化程度高，北部東部有少許耕地，主要原因是山區地形條件限制;水域和草地在這15年間呈增加趨勢;林地和未利用地和水域變化不大;建設用地集中在中部、南部，2015年中部、東部建設用地增加，區域集約化程度提高。

由表2可知，2000—2015年嘉陵江流域土地利用類型發生了較大變化，其總體趨勢為耕地減少，林地、草地、建設用地、水域和未利用地面積增加。2000—2015年耕地面積大幅度持續減少，減少量達1 620 km2，變化率為-2.06%，且2005—2015年的變化率大于2000-2005年的變化率;林地面積在2000—2015年先增加后持平，整體增加了88 km2;2000—2015年草地面積增加了190 km2，變化率為0.36%;2000—2005年建設用地面積增加，變化量達227 km2，變化率為15.77%，2005—2015年持續增加，增加了956 km2，變化率為 57.38%，因此，2000—2015年建設用地面積整體呈上升趨勢，增加了1 183 km2，變化率為82.21%;2000年水域面積僅占總用地面積的0.91%，2000—2005年水域面積增加了19 km2，2005—2015年增加了77 km2，2000—2015年水域面積整體呈增加趨勢;2000—2015年未利用地變化也較為明顯，總體上呈增加趨勢，增加了63 km2，變化率為2.48%。

嘉陵江流域在2000—2015年建設用地變化量最大，變化速度最快，動態度為5.48%;其次是水域、未利用地、耕地，它們的動態度分別為0.36%、0.17%、-0.14%;林地和草地的總體變化較平緩，動態度分別為0.01%、0.02%（表3）。

建設用地面積的大幅度增加主要與流域內城市規劃逐漸成熟以及后期旅游業發展迅速有關[22]，城市建設速度加快，交通用地和商業用地不斷擴大，在此進程中，同時增加了對耕地的需求與開發，導致其面積明顯減少。

3.2? 土地利用變化對生態系統服務價值的影響

根據嘉陵江流域不同陸地生態系統服務價值（表1）和嘉陵江流域各土地利用類型面積（表2），計算得到嘉陵江流域生態系統服務價值的變化情況（表4）。從表4可以看出，嘉陵江流域2000—2015年生態系統服務總價值呈現減少的變化趨勢，2000、2005和2015年的生態系統服務總價值分別為243 109.36百萬、243 236.49百萬和242 805.95百萬元，2000—2005年增加了127.13百萬元。在研究期間，耕地大面積減少，2000—2005年和2005—2015年其生態系統服務價值損失量分別達到了365.60百萬和693.92百萬元;草地生態系統服務價值先增加后減少，2005—2015年面積減少，其生態系統服務價值損失量達到了32.85百萬元，而2000—2015年整體增加了183.57百萬元;未利用地面積變化不明顯，其生態系統服務價值增加了7.25百萬元;2000—2015年水域面積擴大，水域生態系統服務價值增加了360.43百萬元;林地價值先增加后無變化，整體增加了204.86百萬元。嘉陵江流域在2000—2015年耕地向水域、草地、林地、未利用地和建設用地轉化，雖然水域、草地、林地所提供服務功能的經濟價值高于耕地，但因轉化為水域、草地、林地的面積遠小于耕地的減少面積，大部分耕地轉化為建設用地，因而整體生態系統服務價值減少。

從生態系統服務價值構成（表5）來看，研究時段內林地所產生的生態服務價值所占比重最大，2000、2005和2015年分別為54.98%、55.03%、55.12%，占整個生態系統的主導地位;耕地和草地的生態系統服務價值也較高，所占比例分別為21.20%、21.04%、20.79%和20.98%、21.05%、21.08%，二者生態系統服務價值變化小;水域的生態系統服務價值相對較小，在嘉陵江流域生態系統服務總價值中處于第四位;未利用地生態系統服務價值的貢獻率非常低，在研究時段貢獻率僅0.12%。

3.3? 生態服務價值敏感度分析

根據敏感性指數的計算公式，把VC分別上下調整50%，計算出研究區2000、2005和2015年的敏感性。結果（表6）表明，流域所有土地利用類型生態系統服務價值系數的敏感性指數（CS）均小于1，說明生態系統服務價值對生態價值系數缺乏彈性，研究結果可信。未利用地的CS最小，為0.001 2，即當未利用地的生態價值系數增加1%時，流域總的生態系統服務價值僅增加0.001 2%。林地因面積較大，其在流域總生態系統服務價值中的貢獻最大，敏感性指數CS也最大，為0.549 7～0.551 2;草地和耕地的價值系數較大，CS次之;未利用地面積小于林地，其價值系數較低，CS較小。研究期間各類型土地的CS變化趨勢與各自面積的變化趨勢基本一致，年際變化不明顯。

4? 小結與討論

本研究將地理數學方法與GIS相結合，對嘉陵江流域2000—2015年的土地利用變化情況和生態系統服務價值進行分析，為嘉陵江流域土地資源可持續利用和生態環境保護提供科學依據。通過研究主要得出以下結論。

1）2000—2015年嘉陵江流域土地利用類型發生了較大變化，耕地、林地和草地是嘉陵江流域的主要土地類型，研究期內各種土地利用類型變化較明顯。其總體趨勢為耕地減少，減少量達1 620 km2，變化率為-2.06%，而林地、草地、建設用地、水域和未利用地面積增加。

2）嘉陵江流域生態系統服務價值由2000年的243 109.36百萬元減少到2015年的242 805.95百萬元，說明嘉陵江流域生態系統服務價值呈下降趨勢，耕地向水域、草地、林地、未利用地和建設用地轉化，雖然水域、草地、林地所提供服務功能的經濟價值高于耕地，但因轉化為水域、草地、林地的面積遠小于耕地的減少面積，大部分耕地轉化為建設用地，因而整體生態系統服務價值減少，生態系統服務價值對土地利用變化表現出了較強的敏感性。

3）嘉陵江流域生態系統服務價值相對于價值系數的敏感性都小于1，說明前者對后者是缺乏彈性的，本研究所選的生態價值系數是較合理的，結果可信。

4）隨著嘉陵江流域經濟快速發展，城市化建設將不可避免，但流域生態系統服務價值下降。因此，協調社會經濟發展與生態環境保護之間的矛盾，制定合理的土地利用規劃和決策，是恢復和保育嘉陵江流域生態系統服務的有效途徑。

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