脆弱生態環境區生態系統服務功能與價值時空演變的研究

賀祥

摘要：運用GIS軟件和采用價值系數估值法，分析2005年、2010年及2015年黔東南州土地利用變化，研究其生態系統服務功能與價值的時空演變。結果表明，2005—2015年黔東南州水域、建設用地與未利用地等面積增加幅度較大，水田、有林地和草地面積減少較多。生態系統服務總價值呈負增長，建設用地與未利用地、水域的生態系統服務價值增加率較高，其余土地利用類型生態系統服務價值均呈倒“V”形變化;氣候調節、水文調節、土壤保持、氣體調節、生物多樣性和凈化環境等生態系統服務功能價值降低幅度較大;糧食生產服務價值降低，表明耕地面積流失量較大。各時期氣候調節、水文調節、土壤保持、氣體調節、凈化環境和生物多樣性等生態系統服務功能價值占總價值89%左右，結果與黔東南州森林面積較大，具有較強氣候調節、土壤保持能力等特征一致。劍河縣、雷山縣、黎平縣、天柱縣、鎮遠縣和榕江縣的生態系統服務價值變化幅度高于全州，且與其變化趨勢與方向相反;岑鞏縣、從江縣、丹寨縣、錦屏縣、麻江縣、三穗縣、施秉和臺江縣生態系統服務價值變化幅度低于全州，且與其變化趨勢與方向一致;黃平縣和凱里市生態系統服務價值變化幅度低于全州，且與其變化趨勢與方向相反。有林地、灌木林地與草地面積變化率較低，但其生態系統服務價值卻明顯下降，其提供的氣候調節和水文調節生態系統服務價值最高，其次是土壤保持和生物多樣性;水田和旱地的面積變化較小，但其生態系統服務價值降低幅度較大，水田與旱地提供的食物生產、原料生產等服務功能的生態系統服務價值下降。建設用地與未利用地面積增加幅度較大，其生態系統服務價值增加較少，其美學景觀功能服務價值降低。研究結果有助于深入認識土地利用變化對脆弱生態環境系統格局、生態系統服務價值功能的影響，還可為區域生態環境保護及管理等方面提供有效建議。

關鍵詞：黔東南州;貴州省;脆弱生態環境區;生態系統服務功能與價值;時空演變

中圖分類號： S181? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）04-0209-07

生態系統服務（ecological services）是指通過生態系統的結構、過程和功能，直接或間接得到生命支持產品和服務[1-3]。Costanza等首先提出生態系統服務概念、理論與評價方法[1-2];歐陽志云等研究了生態系統服務功能的內涵[4];Sutton等對生態系統服務的市場與非市場價值進行研究[5];千年生態系統評估（millennium ecosystem assessment，MA）把生態系統服務類型劃分供給服務、調節服務、文化服務和支持服務[6];Haines-Young等構建并逐步完善了生態系統結構、過程、功能、服務與價值的級聯式框架[7];Verburg等運用InVEST與CLUE模型分析流域的生態系統服務價值[8-10];徐麗芬等對土地利用變化及類型轉型等對生態系統服務價值的影響進行研究[11-12];李雙成等分析了基于生態系統服務理論的人類收益與福祉[13];戴爾阜等對生態系統服務權衡與集成的方法、模型和框架進行了研究[14-15];吳健生等基于生態系統服務價值研究生態安全格局的構建[16]。

土地利用活動影響著各類生態系統類型、面積以及空間分布格局的變化[17]，也對生態系統服務功能變化有顯著驅動作用。學者們從土地利用變化對生態系統服務價值影響等方面進行大量研究，石龍宇等[18]、李屹峰等[19]分別以瑪納斯河流域、密云水庫為例，對土地利用變化引起生態系統服務價值變化進行了分析;劉海等基于土地利用類型對生態系統服務價值結構變化進行研究[20];熊善高等對土地利用變化導致各類生態系統服務價值變化及其時空分異特征進行研究[21];郭玲霞等則從土地整治角度出發，對土地整治前后區域生態系統服務價值進行評估[22];張騫等研究了區域生態用地空間結構及其生態系統服務價值變化[23];王航等從土地利用面積變化引起的結構與格局演變，分析生態系統服務價值變化[24]。雖然學者們開展了大量研究，但對土地利用變化導致生態系統服務價值與功能時空演變的研究成果還較少，對脆弱生態區的研究成果則更加欠缺。因此，研究中選擇貴州省脆弱生態區黔東南州為研究對象，分析2005年、2010年和2015年土地利用變化情況，研究其土地利用變化導致生態系統服務價值、生態系統服務功能的時空演變。研究結果有助于深入掌握土地利用變化對生態系統格局、生態系統服務功能的影響，可為區域生態環境保護、生態經濟可持續發展等方面提供有益的措施和建議。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況與數據來源

黔東南州位于貴州省東南部，地處貴州高原向東南傾斜下降的過渡地帶，森林資源豐富，森林覆蓋率高。境內溝壑縱橫、地形起伏較大。山地面積比重高達72.8%，>25°坡地面積達31.2%，生態環境較為脆弱。境內有清水江、舞陽河、都柳江三大干流，是長江、珠江上游地區的重要生態屏障區。該地區屬亞熱帶季風氣候，糧食種植面積較大，共轄16個縣市，2015年末戶籍人口473.54萬人，少數民族人口占總人口的 80.2%。常住人口密度低，但區內鄉村從業人口比例高，農村貧困率屬貴州全省中最高。地理位置如圖1。

1.2 數據來源

黔東南州2005年、2010年及2015年的土地利用數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心（http：//www.resdc.cn），黔東南州各縣（市）主要糧食作物產量、糧食價格等數據來源于黔東南州社會經濟統計年鑒和農業統計年鑒，以及各縣（市）社會經濟統計年鑒和農業統計年鑒等資料。

1.3 研究方法

1.3.1 單位面積生態系統服務功能的經濟價值 為消除價格波動對生態系統服務價值量的影響，以2010年全國農作物平均價格為基準，結合黔東南州各縣（市）不同年份主要糧食作物水稻、小麥、玉米和大豆的播種面積和產量情況，計算2005年、2010年和2015年各縣（市）單位生態系統服務功能的經濟價值，其計算公式為[25]

式中：Ea為農田生態系統的經濟價值（純收益），元/hm2;i為作物種類;Pi是i種糧食作物全國平均價格，元/t;Qi為i種糧食作物總產量，t;A為糧食作物總種植面積，hm2。

1.3.2 生態系統服務價值系數計算 參考謝高地等提出中國生態系統服務價值當量因子值[26]，結合黔東南州土地分類情況，計算城市建設用地、農田、有林地、草地和水域等土地利用類型生態系統服務價值的系數，計算公式為

式中：γij為i種生態系統j種生態系統服務功能價值系數，元/（hm2·年）;Vij為i種生態系統j種生態服務功能相對于單位農田生態系統提供食物生產的生態服務功能，即生態系統價值當量因子，元/hm2;i為生態系統類型;j為生態系統服務功能;Ea為單位農田生態系統提供生產服務功能的經濟價值，元/hm2。

1.3.3 生態系統服務價值計算 根據各類土地生態系統面積和單位面積生態系統服務價值，計算區域生態系統服務總價值，其公式[1]為

式中：ESV為生態系統服務價值，元/年;Ai為土地利用類型i的面積，hm2;γi為i土地利用類型的生態系統服務價值系數，元/（hm2·年）;ESVj是生態系統第j項服務功能價值，元/年;γij是土地利用類型i的第j項服務功能價值系數，元/（hm2·年）。

1.3.4 區域差異性分析 生態系統服務價值的相對變化率是指生態系統服務價值變化與土地利用面積變化之間的比率[27]，用于反映區域差異，公式如下：

式中：R為相對變化率;RL、RC分別為區域、總體變化率;La、Lb分別為區域的初始與末期ESV;Ca、Cb分別為總體的初始與末期ESV。

2 結果與分析

2.1 土地利用時空動態變化分析

通過對黔東南州2005年、2010年和2015年1 km分辨率的土地利用類型遙感影像解譯，將土地利用類型分為耕地、旱地、有林地、灌木林地、草地、水域、建設用地與未利用地等7類，其中由于未利用地與建設用地的生態系統服務價值相近，故在計算生態系統服務價值時合并為一類地，獲得各土地類型的面積（表1），并得到黔東南州各縣（市）土地利用的時空動態（圖2） 。分析可知，2005—2015年，建設用地與未利用地變化幅度最大，增加面積較多，變化率為 108.68%;其次是水域面積增加也較多，變化率為70.81%。雖然水田、有林地和草地等面積的變化率分別僅為-1.04%、-0.38%、-2.53%，但由于其土地面積基數較大，其各類土地面積減少較多。其中，2005—2015年，水田面積逐漸減少;旱地面積先減少，然后再增加，總體呈減少趨勢;有林地面積逐漸減少;灌木林地面積先增加再減少，整體呈增加趨勢;草地面積先減少后增加;建設用地與未利用地面積逐漸增加;水域面積逐漸增加。

2.2 黔東南州生態系統服務價值的時空變化

2.2.1 生態系統服務價值系數 謝高地等修正了Costanza提出的方法[3]，并根據200多位我國生態學家的調查問卷，獲取了生態系統服務價值的當量系數，2015年謝高地等提出并修正了生態系統價值當量系數值[26]。通過黔東南州各縣市2005年、 2010年、2015年的社會經濟統計年鑒與農業統計年鑒等資料，獲得各縣市不同年份的平均糧食產量及糧食價格。考慮到物價等影響因素，為了消除價格變化對生態系統服務價值計算的影響，從而能夠對生態系統服務價值的邊際差別進行分析，對3個年份糧食價格求平均值，為2.43元/kg。生態系統服務價值當量因子是生態系統潛在服務價值的相對貢獻率，1個生態服務價值當量因子的經濟價值量等于當年全國平均糧食單產市場價值的1/7[28]。運用公式（1）計算得到各縣（市）的生態系統服務價值當量因子（表2），運用公式（2）獲得黔東南州各縣（市）2005年、2010年、2015年不同土地利用類型的生態系統服務價值系數和不同生態系統服務功能價值系數（表3、表4）。

生態系統服務價值系數是單位面積土地利用類型對生態系統提供服務功能的強弱，黔東南州生態系統服務價值系數的演變特征：（1）所有土地利用類型的生態系統服務價值系數均在2005—2010年呈增加趨勢，2010—2015年呈降低趨勢。其中，2005—2010年各土地利用類型生態系統服務價值系數增加約4%， 2010—2015年各土地利用類型生態系統服務價值系數降低約17%，表明各土地利用類型生態系統服務價值系數在前5年逐漸增加，但在近5近年卻迅速降低。（2）所有生態系統服務功能價值系數均在2005—2010年呈增加趨勢，2010—2015年呈降低趨勢。其中，供給服務的糧食生產、原料生產和水資源供給等生態服務功能價值系數，在前5年呈增加約5%，后5年降低約17%;支持服務的生態服務功能價值系數中，土壤保持在2005—2010年增加 113.42%，生物多樣性增加4.68%，但維持養分循環降低 1.92%;調節服務中，氣體調節在2005—2010年增加5.12%，從2010—2015年降低17.20%，氣候調節在前5年降低 1.92%，在后5年降低11.25%;凈化環境服務在前5年增加9.33%，在后5年降低20.38%;水文調節在前5年降低 1.33%，在后5年降低11.78%;文化服務功能美學景觀功能，在2005—2010年降低0.60%，在2010—2015年降低 12.43%。結果表明，黔東南州單位面積土地生態系統服務功能價值系數，具有在2005—2010年呈增加趨勢，在2010—2015年呈降低趨勢的演變特征。

2.2.2 黔東南州生態系統服務總價值變化 將土地利用類型面積及生態系統服務價值系數代入公式（3）和公式（4），計算得到各年份、各縣（市）不同土地利用類型的生態系統服務價值（圖3、表5）。計算得到，近10年黔東南州生態系統服務總價值呈負增長，從2005年的626.59億元，減少到2015年的 548.35，減少12.49%。其中，2005—2010年，黔東南州生態系統服務總價值增加4.78%;從2010—2015年，降低 16.48%。2005—2015年，建設用地與未利用地、水域這2類土地利用類型的生態系統服務價值均是呈逐漸增加趨勢，增加率均較高;其余土地利用類型的生態系統服務價值均是呈倒“V”形變化，即2005—2010年呈增加趨勢，2010—2015年，生態系統服務價值呈減少趨勢。其中，水田、旱地、有林地和灌木林地具有相近似的變化趨勢，從2005—2010年，生態系統服務價值增長均約4%;2010—2015年，它們的生態系統服務價值降低約17%。

2.2.3 單項生態系統服務功能價值變化 通過計算黔東南州各單項生態系統服務功能的價值（表6）可知，水資源供給處于負值，說明農田生產需水量較大，導致水系、林地等生態系統供給水資源低于農田對水資源的需求量。2005—2010年，僅水資源供給、氣候調節和維持養分循環生態系統服務功能價值降低，其他生態系統服務功能價值均呈增加趨勢;2010—2015年，水資源供給增加1.65%，維持養分循環降低0.78%，其余生態系統服務功能價值降低3.50%～19.46%。2005—2015年，黔東南州水資源供給生態系統服務價值增加1.44%，表明生態系統的水資源供給功能逐漸增強;維持養分循環生態系統服務功能價值僅降低0.90%，而其余生態系統服務功能價值均有較大幅度降低。其中，氣候調節、水文調節、土壤保持等生態服務功能價值的變化幅度較大，分別降低21.55%、16.31%、9.27%，氣體調節、生物多樣性、凈化環境等生態服務功能價值也降低較多，分別降低8.47%、8.01%、6.38%。糧食生產的生態系統服務功能價值先增加再降低，說明近期的土地利用開發造成大量耕地面積流失和耕地質量下降。

由表6可知，氣候調節和水文調節的生態系統服務功能價值均占據各時期總服務價值的20%以上。土壤保持、氣體調節、凈化環境和生物多樣性等生態系統服務功能價值占各時期10%左右，以上6大生態系統服務功能價值總和占生態系統服務功能價值總和的89%左右。黔東南州生態環境整體狀況較好，森林面積較大，森林覆蓋率較高，生態系統的氣候調節和水文調節功能較強，同時還具有較強的土壤保持、氣體調節及凈化環境功能，以及具有顯著的生物多樣性生態系統服務功能。因此，研究結果與黔東南州生態環境系統服務功能的特征相一致，說明研究方法較好，研究結果具有較高可信度。

2.2.4 黔東南州生態系統服務價值的時空分異 運用公式（5）對黔東南州各縣（市）生態系統服務價值的相對變化率進行計算（表7）。相對變化率有如下幾個特征[28]：（1）相對變化率的絕對值|R|≥1，表明各縣（市）生態系統服務價值的變化幅度要高于黔東南州。若R≥1，則表明各縣（市）與其生態系統服務價值變化趨勢與方向是相反;而R≤-1，則其變化趨勢與方向與黔東南州是一致的。（2）相對變化率的絕對值|R|<1，說明各縣（市）生態系統服務價值的變化幅度要小于黔東南州。若-1

分析表明：（1）2005—2010年，劍河縣、岑鞏縣、丹寨縣、黃平縣、錦屏縣、凱里市、麻江縣、三穗縣、施秉縣和臺江縣的相對變化率（R）>1，其生態系統服務價值變化幅度要高于黔東南州，且與黔東南州變化趨勢相反;鎮遠縣R值<-1，其生態系統服務價值變化幅度要高于黔東南州，且與黔東南州變化趨勢一致。從江縣、黎平縣和榕江縣R值在0～1之間，生態系統服務價值變化幅度要小于黔東南州，且與黔東南州生態系統服務價值變化趨勢一致;雷山縣與天柱縣R值在 -1～0之間，生態系統服務價值變化幅度要小于黔東南州，且與黔東南州生態系統服務價值變化趨勢相反。（2）2010—2015年，劍河縣、雷山縣、黎平縣、三穗縣和榕江縣的R值>1，其生態系統服務價值變化幅度高于黔東南州，且與黔東南州生態系統服務價值變化趨勢與方向相反;岑鞏縣、從江縣、丹寨縣、黃平縣、錦屏縣、凱里市、麻江縣、施秉縣、臺江縣、天柱縣和鎮遠縣的R值在0～1之間，其生態系統服務價值變化幅度低于黔東南州，且與黔東南州生態系統服務價值變化趨勢與方向一致。相對2005—2010年，在2010—2015年，劍河縣、從江縣與三穗縣的生態系統服務價值幅度、趨勢與方向沒有明顯變化。雷山縣生態系統服務價值變化幅度由低于黔東南州，演變為高于黔東南州。黎平縣和榕江縣生態系統服務價值變化幅度由低于黔東南州，演變為高于黔東南州，且與黔東南州生態系統服務價值變化趨勢由一致演變為相反。岑鞏縣、丹寨縣、黃平縣、錦屏縣、凱里市、麻江縣、施秉縣和臺江縣的生態系統服務價值變化幅度由高于黔東南州，演變為低于黔東南州，且與黔東南州生態系統服務價值變化趨勢與方向由相反演變為一致。天柱縣生態系統服務價值變化幅度低于黔東南州，與黔東南州生態系統服務價值變化趨勢與方向由相反演變為一致。鎮遠縣生態系統服務價值變化幅度高于黔東南州，且與黔東南州變化趨勢一致，演變為生態系統服務價值變化幅度低于黔東南州。（3）2005—2015年，劍河縣、雷山縣、黎平縣、天柱縣、鎮遠縣和榕江縣的R值>1，其生態系統服務價值變化幅度高于黔東南州，且與黔東南州生態系統服務價值變化趨勢與方向相反;岑鞏縣、從江縣、丹寨縣、錦屏縣、麻江縣、三穗縣、施秉縣和臺江縣的R值在0～1之間，其生態系統服務價值變化幅度低于黔東南州，且與黔東南州生態系統服務價值變化趨勢與方向一致;黃平縣和凱里市的R值在-1～0之間，生態系統服務價值的變化幅度低于黔東南州，且與黔東南州生態系統服務價值變化趨勢與方向相反。

3 黔東南州生態系統服務價值演變

對表1、表5和表6分析可知，2005年，黔東南州灌木林地、有林地和草地面積，占國土面積36.63%、25.40%、12.61%，比例最大，其生態系統服務價值分別為265.79億、277.95億、30.48億元/hm2，分別占總價值的42.42%、4436%、4.86%。2005—2015年，灌木林地面積增加064%，其生態系統服務價值減少12.39%;有林地面積減少0.38%，其生態系統服務價值卻減少13.28%;草地面積降低2.53%，其生態系統服務價值降低15.16%。結果表明，雖然有林地、灌木林地與草地的總面積增加或降低幅度非常低，但其生態系統服務價值卻顯著下降。同時，在2005年，以上3類土地利用類型所提供的調節服務中，氣體調節占總價值10.35%、氣候調節占總價值26.56%、凈化環境占總價值802%、水文調節占總價值23.20%;支持服務中，土壤保持占總價值11.41%、維持養分循環占總價值1.10%、生物多樣性9.92%。2005—2015年，各生態系統服務功能的生態系統服務價值均呈下降趨勢，其中氣候調節下降21.55%，水文調節下降 16.31%，土壤保持下降9.27%，氣體調節下降847%，土壤保持下降9.27%、維持養分循環下降0.90%、生物多樣性下降8.01%。

在2005年，水田、旱地和水域等面積占黔東南州土地面積的13.71%、11.30%、0.089%，其生態系統服務價值比例分別為4.06%、3.45%、0.847%，表明水田和旱地面積較大，但其生態系統服務價值卻較低，水域面積雖然較小，但其生態系統服務價值卻較大。2005—2015年，水田和旱地的面積變化較小，分別降低1.04%、0.26%，但其生態系統服務價值降低幅度卻較大，分別降低13.84%、13.19%;水域面積增加幅度高達70.81%，其生態系統服務價值增加48.59%。在2005年，水田和旱地的提供食物生產、原料生產等生態服務功能價值占總價值的3.34%、3.05%;水田與旱地大量消耗水資源，水域提供水資源給以上土地利用類型，造成其水資源供給功能價值為-8.29億元，占總價值的-1.32%。結果表明，黔東南州的旱地與水田灌溉消耗了大量的水資源，從而出現生態系統服務價值為負值。2005—2015年，水田與旱地土地利用類型所提供的食物生產、原料生產等服務功能價值分別降低2.79%、2.48%。水資源供給功能增加1.44%，表明水域面積所有增加，增強了生態系統水資源供給服務能力。

2005年，建設用地與未利用地面積占總面積的 0.265%，生態系統服務價值占總價值的0.005%，表明建設用地與未利用地提供的生態系統價值較低。2005—2015年，建設用地與未利用地面積增加108.68%，但其生態系統服務價值僅增加66.67%，其提供的美學景觀功能服務價值降低3.51%，表明城市建設用地及裸地和荒地的增加，導致生態系統美學景觀質量下降、美學景觀功能變差。

4 結論

通過對黔東南州遙感影像解譯獲得土地利用數據，分析其土地利用類型的時空變化;計算得到黔東南州2005年、2010年和2015年生態系統服務價值，分析其不同土地利用類型與生態系統服務功能的生態系統服務價值時空演變。具體結論如下：（1）2005—2015年，黔東南州建設用地與未利用地，以及水域面積增加幅度較大，水田、有林地和草地面積減少較多。生態系統服務總價值呈負增長趨勢。其中，2005—2010年，生態系統服務總價值增加4.78%;2010—2015年，降低16.48%。從2005—2015年，農田與旱地生產需水量較大，水域、林地等生態系統供給水資源量低于農田和旱地對水資源的需求量，水資源供給生態系統服務功能價值是負值。維持養分循環生態系統服務功能價值僅降低0.9%，其余生態系統服務功能價值均有較大幅度降低。其中，氣候調節、水文調節和土壤保持的生態服務功能價值幅度變化最大，分別降低21.55%、16.31%、9.27%。糧食生產的生態系統服務功能價值降低，說明土地利用開發造成大量耕地面積流失，耕地質量下降。（2）2005—2015年，氣候調節和水文調節的生態系統服務功能價值占據各時期20%以上;土壤保持、氣體調節、凈化環境和生物多樣性等生態系統服務功能價值占各時期10%左右，以上6大生態系統服務功能價值占生態系統服務功能總價值約89%。結果與黔東南州生態環境整體狀況較好，森林面積較大，具有較強氣候調節和水文調節功能，較強土壤保持、氣體調節及凈化環境等功能特征相一致。劍河縣、雷山縣、黎平縣、天柱縣、鎮遠縣和榕江縣生態系統服務價值變化幅度高于黔東南州，且與黔東南州生態系統服務價值變化趨勢與方向相反;岑鞏縣、從江縣、丹寨縣、錦屏縣、麻江縣、三穗縣、施秉縣和臺江縣生態系統服務價值變化幅度低于黔東南州，且與黔東南州生態系統服務價值變化趨勢與方向一致;黃平縣和凱里市生態系統服務價值的變化幅度低于黔東南州，且與黔東南州生態系統服務價值變化趨勢與方向是相反。（3）2005—2015年，有林地、灌木林地與草地面積變化率低，但其生態系統服務價值卻顯著下降，其提供生態系統調節服務中，氣候調節和水文調節的生態系統服務價值最高;支持服務中，土壤保持和生物多樣性的生態系統服務價值較高;各生態系統服務功能價值均呈下降趨勢，其中氣候調節下降、水文調節和土壤保持等生態系統服務功能下降幅度較大。水田和旱地的面積變化較小，但其生態系統服務價值降低幅度卻較大;水域面積增加幅度較高，其生態系統服務價值呈增加趨勢;水田與旱地土地利用類型所提供的食物生產、原料生產等服務功能的生態系統服務價值下降;水資源供給功能增加，增強了生態系統水資源供給服務能力。建設用地與未利用地面積幅度較大，但其生態系統服務價值增加較少，其美學景觀功能服務價值降低，美學景觀功能變差。

研究表明，2005—2015年，黔東南州生態系統服務價值與功能整體均呈下降趨勢，表明土地利用變化對其生態系統結構與格式造成一定負面影響，生態系統整體效益與功能處于下降態勢。因此，積極調整和改善土地利用類型結構，增加生態系統服務價值與功能，對脆弱生態環境區的生態建設與保護有重要意義。

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