1998—2018 年漓江流域土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響

何 毅，唐湘玲

（桂林理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541004）

土地利用/覆被變化是全球環(huán)境變化的重要組成部分與驅(qū)動因素之一［1，2］，更是當(dāng)前全球環(huán)境變化研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)與前沿課題［3］。土地利用伴隨著人類的出現(xiàn)而產(chǎn)生，其利用結(jié)構(gòu)與自然的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能息息相關(guān)，不同土地利用結(jié)構(gòu)的變化通過影響生態(tài)系統(tǒng)的空間布局和功能，勢必會引起相應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化［4］。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)包括生態(tài)系統(tǒng)提供的食物、人類生產(chǎn)生活資料、形成適宜人類居住的環(huán)境和提供美學(xué)價值等方面，是人類從自然界生態(tài)系統(tǒng)中獲得的惠益總和［5］。而對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進(jìn)行評估是使區(qū)域資源、環(huán)境得到合理高效配置的重中之重［6，7］。因此，關(guān)注土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響，對于合理配置和利用土地資源、加強(qiáng)區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)以及促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)自提出以來，一直都是國內(nèi)外生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)研究的熱點(diǎn)［8］。Costanza 等［9］將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能劃分為17 種，并進(jìn)行價值評估，對全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的定量研究具有里程碑意義。謝高地等［10，11］根據(jù)中國實(shí)際國情并結(jié)合專家意見，對青藏高原生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進(jìn)行了估算。歐陽志云等［12］豐富和發(fā)展了陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的內(nèi)涵。隨著研究的深入，眾多國內(nèi)學(xué)者越來越重視不同區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的研究。戴文遠(yuǎn)等［13］基于省域尺度從福州市“三生”用地格局入手，研究了其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的時空演變和驅(qū)動因素。 李怡等［14］通過RS、GIS 等方法對陜西省隴縣土地利用結(jié)構(gòu)及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的演變進(jìn)行定量評價，在這些方面還有不少學(xué)者也取得了一定的成果［15-20］。但這些研究對象主要為城市地區(qū)，研究的地域尺度也相對較廣。因此，研究小流域不同時期土地利用結(jié)構(gòu)對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時空變化的影響具有重要意義。

漓江流域是世界巖溶地貌代表性區(qū)域［21］。2018 年3 月，桂林獲批以“景觀資源可持續(xù)利用”為主題的國家可持續(xù)發(fā)展議程創(chuàng)新示范區(qū)。其中，桂林巖溶地貌以漓江流域?yàn)榇恚瑧?yīng)超前并長期保護(hù)漓江生態(tài)環(huán)境，使漓江水環(huán)境持續(xù)保持優(yōu)良狀態(tài)［22，23］。而近年來，在經(jīng)濟(jì)增長和旅游活動快速增長的影響下，其城鎮(zhèn)化的加快、經(jīng)濟(jì)活動和大量游客的涌入使得漓江流域土地利用格局發(fā)生了顯著變化，不少生態(tài)環(huán)境問題也陸續(xù)出現(xiàn)。因此，本研究通過遙感影像提取研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)，采用單位面積當(dāng)量因子法，結(jié)合漓江流域近20 年來經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況，估算流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值并分析土地利用變化對其時空變化的影響，為合理配置和利用漓江流域土地資源及生態(tài)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

漓江位于廣西壯族自治區(qū)東北部，屬于珠江流域西江水系桂江上游，發(fā)源于興安縣越城嶺貓兒山，由北向南流經(jīng)桂林市區(qū)，至平樂縣三江口為止，全長約214 km（圖1）。總流域面積約5 857.11 km2，漓江流域位于110°07′—110°47′E，24°38′—25°53′N，地處低緯，四季分明且雨熱同季，屬于典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，日照充足，年平均溫度18.8 ℃，年平均蒸發(fā)量為1 482.5 mm。漓江上游是中國高值暴雨區(qū)之一，流域內(nèi)降水量自西北向東南遞減，多年平均降水量為1 725.5 mm。

圖1 漓江流域地理位置

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

本研究選擇漓江流域2 期Landsat-5 TM 影像（1998、2008 年）和1 期Landsat-8 OLI 影像（2018年）作為遙感數(shù)據(jù)源，其由美國地質(zhì)勘察局（USGS）官方網(wǎng)站（https：//earthexplorer.usgs.gov/）提供，空間分辨率為30 m，對于部分缺乏高質(zhì)量遙感影像（云覆蓋率高于5%）的區(qū)域，則主要采用對比分析法，即利用相近時段的影像數(shù)據(jù)分類處理來替換云覆蓋區(qū)。DEM 數(shù)據(jù)由地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn/）提供，空間分辨率為30 m。基于Envi5.3軟件，對遙感影像進(jìn)行大氣校正、拼接以及裁剪等預(yù)處理后，根據(jù)《中國土地分類系統(tǒng)》、流域內(nèi)景觀類型及遙感影像等特點(diǎn)，采用最大似然法和人工目視判讀相結(jié)合的方式進(jìn)行土地利用分類解譯，將土地利用類型劃分為耕地、林地、水域、建設(shè)用地、未利用地5 種類型，最后獲得漓江流域土地利用類型。糧食數(shù)據(jù)來源于1998—2018 年《桂林市經(jīng)濟(jì)社會統(tǒng)計年鑒》及文獻(xiàn)資料等。

2.2 單一土地利用動態(tài)度

單一土地利用動態(tài)度可以反映出某一種土地利用類型在一定時期內(nèi)的變化速率，通過不同時期不同土地利用變化速率的比較分析，預(yù)測未來土地利用的變化趨勢［24］。其表達(dá)式為：

式中，K 表示土地利用動態(tài)度；Ua和Ub分別表示研究期初期及末期某種土地利用類型的面積。

2.3 生態(tài)服務(wù)價值系數(shù)修正與價值計算

根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估的原理和方法，引入生態(tài)服務(wù)價值當(dāng)量法定量評估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值（ESV）計算公式為：

式中，Ak為k 類土地利用/覆被類型的面積（hm2），VCk為k 地類單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)。

結(jié)合漓江流域?qū)嶋H情況，對謝高地等［25，26］提出的農(nóng)田單位面積糧食產(chǎn)量相對應(yīng)的經(jīng)濟(jì)價值進(jìn)行修改，選取了漓江流域主要糧食作物種類，包括早稻、中稻、晚稻及玉米等，根據(jù)桂林市相應(yīng)年份糧食種植面積以及經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值，算出各年單位面積糧食產(chǎn)量經(jīng)濟(jì)價值，對單位面積耕地食物生產(chǎn)生態(tài)服務(wù)價值進(jìn)行修訂，計算公式為：

式中，Ea表示農(nóng)田系統(tǒng)單位面積所提供糧食的經(jīng)濟(jì)價值；i 表示研究區(qū)的主要糧食作物種類；n 表示研究區(qū)主要糧食作物的總類別數(shù)；mi表示研究區(qū)第i 種糧食作物的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值；Mi表示研究區(qū)第i 種糧食作物的總播種面積。

最后，確定研究期內(nèi)漓江流域單位面積耕地食物生產(chǎn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值（VC）為852.42 元/hm2。進(jìn)而可以推算出研究區(qū)各土地利用類型的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，結(jié)果如表1 所示。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化幅度分析

由1998—2018 年土地利用類型（圖2）可知，流域內(nèi)土地利用類型以林地、耕地為主。林地主要分布在北部及東部地區(qū)，在流域中部和西部較為平坦地區(qū)有面積較大的耕地，人口主要聚居在桂林市區(qū)、興安縣、靈川縣、陽朔縣等城市駐地。

圖2 1998—2018 年漓江流域土地利用類型

從漓江流域土地利用類型構(gòu)成的總體特征（表2）來看，1998—2018 年林地一直是漓江流域土地利用的主要類型，且處于絕對主導(dǎo)地位，分別為69.53%、74.34%、71.43%，主要分布在研究區(qū)的東部與北部地區(qū)，面積總體呈增加趨勢。由1998 年的4 072.52km2增加到2008 年的4 354.04 km2，其原因主要是由于退耕還林、林果種植、石漠化治理等措施的實(shí)施顯現(xiàn)成效，但在2018 年減少到4 184.22 km2，研究期內(nèi)凈增加111.70 km2。主要由于旅游景區(qū)的過度開發(fā)、城市化進(jìn)程過快等原因?qū)е隆Ｋ蛎娣e在研究期內(nèi)呈持續(xù)下降趨勢，由1998 年的63.39 km2持續(xù)減少到2018 年的53.62 km2，實(shí)際凈減少9.77 km2，通過對比三期土地利用類型分布可以看出，造成水域面積減少的主要原因是城市擴(kuò)張、圍湖造陸導(dǎo)致部分水域被其他地類代替。耕地作為流域內(nèi)第二大土地利用類型，主要分布在漓江流域的河谷、居民點(diǎn)周邊等地勢平緩地帶，與林地變化趨勢恰好相反，面積持續(xù)減少。 由1998 年的1 650.10 km2減少到2008 年的1 346.20 km2，再到2018 年的1 234.77 km2，凈減少415.33 km2。主要是由于種植結(jié)構(gòu)調(diào)整以及建設(shè)用地的侵占，其中，2008—2018 年在保護(hù)耕地措施逐見成效后耕地減少速度開始變緩。建設(shè)用地在3 個時期占比分別為1.16%、1.54%、4.75%，主要為流域內(nèi)桂林市區(qū)以及興安、靈川、陽朔等縣城駐地，面積由1998 年的67.62 km2增加到2018 年的277.96 km2，凈增加210.34 km2，在2008—2018 年飛速增加，約為1998 年的4 倍，增加趨勢與中國城市化進(jìn)程基本一致。主要是由流域內(nèi)城鎮(zhèn)擴(kuò)張以及旅游景區(qū)開發(fā)等因素驅(qū)動。在研究期內(nèi)未利用地比例大幅上升，前十年增速較緩，由1998 年的3.47 km2增加到2008 年的5.17 km2，而后急速上升到2018年的106.53 km2，總凈增103.06 km2，較1998 年增加近30 倍，主要原因在于城市建設(shè)、采石場開采以及大量農(nóng)民外出務(wù)工導(dǎo)致部分耕作條件差的農(nóng)田、果林被撂荒變?yōu)榛牡亍?/p>

表1 漓江流域生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值 （單位：元/hm2）

總體而言，1998—2018 年漓江流域土地利用結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，各土地利用類型面積占總面積的大小均表現(xiàn)為林地、耕地、建設(shè)用地、水域、未利用地。漓江流域是以農(nóng)業(yè)為主的地區(qū)，其中，林地和耕地是漓江流域的主要土地利用類型，兩者面積之和占總面積90% 以上，有利于該區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)；而水域所占面積較小，發(fā)展淡水養(yǎng)殖的空間受限；雖然目前未利用地的絕對面積較少，在整體變化中反映不明顯，但如此劇烈的變化幅度足以引起人們對生態(tài)環(huán)境的重視。

在土地利用動態(tài)度方面，絕對值越高，代表土地利用類型轉(zhuǎn)化的越多，土地利用結(jié)構(gòu)相對不穩(wěn)定。從表2 可以看出，漓江流域動態(tài)度的絕對值在1998—2018 年普遍較高，表明這一時期漓江流域土地類型相對不穩(wěn)定，其中，未利用動態(tài)度的絕對值最高，為2 970.03%，表明這一時期其他地類轉(zhuǎn)化為未利用地較多，主要為耕地和林地遭到撂荒與破壞，其次是建設(shè)用地，土地利用動態(tài)度高達(dá)311.06%，表明漓江流域在經(jīng)濟(jì)發(fā)展驅(qū)動下城市化進(jìn)程十分迅速，使得建設(shè)用地高速增長。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估

3.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時間變化 由圖3 可知，研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值從高到低排序依次是林地、水域、耕地、建設(shè)用地和未利用地。其中，林地由于為研究區(qū)主要土地利用類型，也是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的主體，占整個流域的85%。1998—2008 年雖然水域、耕地價值呈下降趨勢，但是由于同期林地增加了47 268.00 萬元，因此，流域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值在該時段實(shí)際增加了35 361.69 萬元。與1998—2008 年相似，2008—2018 年水域與耕地價值繼續(xù)降低，但建設(shè)用地與未利用地價值分別增加了約2倍和19 倍，分別為320.60 萬元和950.39 萬元，雖然增加幅度較大，由于占比較低，因此對總價值的變化影響不明顯。而林地作為漓江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的主體，其生態(tài)服務(wù)價值的增加與減少直接影響漓江流域總體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化，因此，漓江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值與林地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化呈同樣的增減趨勢。綜上所述，漓江流域中各種土地利用類型的變化導(dǎo)致了生態(tài)服務(wù)價值的轉(zhuǎn)變，從而使生態(tài)效益略微下降。

表2 1998—2018 年漓江流域土地利用結(jié)構(gòu)特征

圖3 漓江流域1998—2018 年不同土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化

對漓江流域各年份不同土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值進(jìn)行統(tǒng)計，從表3 可以看出，1998—2018 年漓江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值呈先增后減的態(tài)勢，由1998 年的807 387.78 萬元增加至2008 年的842 749.47 萬元，而后減少到2018 年的803 017.76萬元，實(shí)際凈減少4 370.02 萬元。在生態(tài)服務(wù)總價值結(jié)構(gòu)中氣候調(diào)節(jié)、水文調(diào)節(jié)、土壤保持和氣體調(diào)節(jié)所占比例最高，這四者的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值占總價值的70% 左右，特別是調(diào)節(jié)服務(wù)功能對于流域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值起決定性作用，其次是支持服務(wù)；影響最小的是水資源供給服務(wù)功能，僅為-720.92 萬元，但水資源供給也是惟一一個逐期增加，且速率明顯的功能，為211.63 萬元/年，主要原因在于耕地這一水資源供給價值最低系數(shù)項的減少；而食物生產(chǎn)呈逐期減少趨勢，因?yàn)楦厝匀皇鞘澄锷a(chǎn)價值最高系數(shù)項。其他的二級服務(wù)類型價值均先增加后減少，總體變化幅度不大。從4 個一級服務(wù)功能來看，占總體比例從大到小依次是調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)、供給服務(wù)和文化服務(wù)；從11 個二級服務(wù)功能來看，從大到小依次是氣候調(diào)節(jié)、水文調(diào)節(jié)、土壤保持、氣體調(diào)節(jié)、生物多樣性、凈化環(huán)境、美學(xué)景觀、原料生產(chǎn)、食物生產(chǎn)、維持養(yǎng)分循環(huán)和水資源供給。

3.2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值空間變化 從圖4 可以看出，漓江流域面積生態(tài)服務(wù)價值空間分布差異較大，主要呈東北高、西南低的趨勢，主要原因是漓江流域地形地勢差別顯著，東部與北部地區(qū)地形起伏較大，多為山地和丘陵區(qū)，土地利用以林地為主，人類活動主要在河谷地區(qū)，相對較少，多保持著生態(tài)系統(tǒng)自然狀態(tài)，因此其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值較高，而漓江流域的中西部多為緩坡和低丘陵區(qū)，土地利用多為耕地和建設(shè)用地，人類活動相對較強(qiáng)，在人為的干擾下使其生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受到影響，因此其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值較低。1998—2018 年漓江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值較高的區(qū)域主要位于北部和東部林區(qū)，隨著退耕還林等政策的施行出現(xiàn)擴(kuò)大趨勢；生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值較低的地區(qū)主要分布于漓江流域中部的桂林市區(qū)、興安縣、靈川縣及陽朔縣等城市駐地，隨著漓江流域城市化進(jìn)程呈擴(kuò)大趨勢。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的空間分布變化表明，漓江流域?qū)ι嫌卧搭^生態(tài)林區(qū)保護(hù)、退耕還林等政策的有效實(shí)施，使部分區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)逐步恢復(fù)，但自2008 年以來，“再造一個新桂林” 的戰(zhàn)略部署實(shí)施后，城市快速擴(kuò)張等頻繁的人類活動也導(dǎo)致流域內(nèi)的林地、水域等高價值地類遭到破壞，未利用地比例大幅上升，流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值有所下降，生態(tài)環(huán)境保護(hù)的形勢十分嚴(yán)峻。

表3 漓江流域1998—2018 年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值 （單位：萬元）

圖4 漓江流域單位生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的空間分異

4 結(jié)論

1）1998—2018 年林地在漓江流域土地利用中一直處于主導(dǎo)地位，土地利用整體變化主要表現(xiàn)為耕地向建設(shè)用地和林地轉(zhuǎn)移，其中，水域和耕地面積分別減少了9.77 km2和415.33 km2，林地呈先增加后減少趨勢，面積增加了111.70 km2，建設(shè)用地和未利用地明顯增加，分別增加了210.34 km2和103.06 km2。

2）流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值由807 387.78 萬元減至803 017.76 萬元，減少了0.54%，主要表現(xiàn)為先增加后減少的趨勢，與林地面積變化基本一致。空間分布總體上呈東北高、西南低的趨勢。價值從高到低排序依次是林地、水域、耕地、建設(shè)用地和未利用地。

3）生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的低值區(qū)域出現(xiàn)擴(kuò)大趨勢，并且持續(xù)增速，主要分布在桂林市區(qū)、興安縣、靈川縣、陽朔縣等城市駐地，中值區(qū)域主要為耕地，逐漸被城市的擴(kuò)張所侵占，部分高值區(qū)域呈微弱增加趨勢，主要集中在東部與北部林區(qū)。