基于時空演變的渭河流域陜西段生態(tài)服務價值及區(qū)間補償關系研究

王浩東汪 妮汪泉熹

(1.西安理工大學 水利水電學院,陜西 西安710048;2.西安理工大學 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室,陜西 西安710048)

生態(tài)系統(tǒng)服務是指對人們生活和發(fā)展趨勢有重大影響并可以從中獲益的一系列自然環(huán)境標準和產品[1]。土地利用既作為生態(tài)全過程的媒介,也是人類活動對生態(tài)自然環(huán)境的重要影響途徑;土地利用的轉變不但會影響生態(tài)系統(tǒng)種類、總面積尺寸以及空間布局特點的變化,并且對水循環(huán)和大氣循環(huán)等生態(tài)全過程有著不可分割的作用。因此量化分析生態(tài)系統(tǒng)服務價值不僅可以更好地探究土地利用演變對生態(tài)系統(tǒng)的作用,并且也是維護生態(tài)自然環(huán)境、劃分生態(tài)功能區(qū)和明確生態(tài)補償政策的重要依據(jù)。

生態(tài)補償?shù)膶嵸|是生態(tài)服務作用的受益者對有關服務提供者付款的行為。在生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估層面,國外Tilman[2],Trimble[3],Sliva[4]和Dobbs等[5]學者開展了很多研究和實證分析,包含田地、草地、森林和濕地等生態(tài)系統(tǒng)。國內高振斌等[6]開展了基于生態(tài)系統(tǒng)服務的生態(tài)補償理論與實證分析,探討區(qū)域生態(tài)補償?shù)膬?yōu)先范圍和補償程度大小,評估生態(tài)系統(tǒng)服務所產生的各方面價值,不但可為擬定生態(tài)補償價格給予參考,還能夠為當?shù)卣朴喯鄳难a償政策予以基礎理論支持和精確科學論證依據(jù)[7];劉煥才[8]、王可心[9]、王女杰等[10]學者也各自從國家、流域和省域尺度分別對生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行了探討,深入研究了用地變化對其影響。綜上所述,目前對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的探討較多體現(xiàn)在某一地區(qū)或某一生態(tài)系統(tǒng)的土地利用變化對其影響,而對建設用地飛速變化下的生態(tài)服務價值以及將生態(tài)服務價值應用于生態(tài)補償?shù)睦碚撗芯咳匀惠^少。因此本文在考慮生態(tài)服務價值時空演變的同時,既分析了建設用地變化情況,又將生態(tài)服務價值與生態(tài)補償理論相結合,對區(qū)間補償關系進行了探討研究。近年來渭河流域城市化進程加快,流域植被遭受破壞,水土流失加劇。為此,本文選擇對渭河流域陜西段生態(tài)服務價值進行探究,從而計算出各縣(市)的生態(tài)補償優(yōu)先級,將各行政區(qū)域間生態(tài)補償?shù)钠惹行赃M行量化,為提升生態(tài)經濟協(xié)同發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

渭河發(fā)源于甘肅省渭源縣,流經甘肅、寧夏和陜西三省(區(qū))[11]。渭河作為黃河最大的一級支流,不但為下游關中平原給予了巨大灌溉水量,還承擔著維持西北地區(qū)社會經濟良好發(fā)展的作用,在區(qū)域和國家層面上都發(fā)揮著關鍵力量。渭河流域陜西段由陜西境內渭河干流和各支流組成,為大陸性季風氣候,流域面積為6.24×104km2,占渭河流域總面積的46.29%,包括西安等7市1區(qū)的全部或部分[12]。本文以渭河流域陜西段為研究區(qū)域,選擇西安、咸陽、寶雞和渭南4市50縣作為研究對象進行生態(tài)服務價值計算和補償關系分析。

本文采用的數(shù)據(jù)資料來源于Golobeland(全球30 m地表覆蓋數(shù)據(jù)集),共包括2000,2010和2020年3期土地利用數(shù)據(jù),其中土地資源數(shù)據(jù)在參考中國科學院土地分類系統(tǒng)的同時,進一步結合陜西省生態(tài)系統(tǒng)特點,對其進行了重新合并分類(圖1)。

圖1 渭河流域陜西段各年份土地利用類型

2 研究方法

2.1 土地利用變化指標

(1)單一土地利用動態(tài)度表示研究期內土地利用類型數(shù)量的轉變情況,其計算公式[13]為:

式中:Ki為第i類土地類型的單一土地利用動態(tài)度;A(i,t1)為第i類土地類型初始面積;A(i,t2)為第i類土地類型最終面積;t為研究期。

(2)空間動態(tài)度表示在空間發(fā)展過程中土地利用動態(tài)變化的強度,其計算表達式[14]為:

式中:Ki'為第i類土地類型的空間動態(tài)度;A1i為第i類土地類型未轉變的面積;A(i,t1)-A1i為轉移的面積;A(i,2)-A1i為新增的面積。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值測算

2.2.1 確定生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量因子 本文以Costanza等[15]對生態(tài)服務價值的研究為基礎,將服務價值分為市場價值和非市場價值;參照謝高地[16]的研究,創(chuàng)建了生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量因子表,其中當量因子指的是不同類型系統(tǒng)對生態(tài)服務價值的潛在貢獻能力[17]。選取陜西省2000—2020年水稻、小麥和玉米作為主要農作物進行統(tǒng)計,由公式(3)可知渭河流域陜西段ESV當量因子的經濟價值為1 797元/hm2。

式中:Ea為生產服務功能的經濟價值;mi為第i種農作物的播種面積;pi為第i種農作物的平均價格;qi為第i種農作物平均產量;M為所有農作物的總播種面積。

2.2.2 計算生態(tài)系統(tǒng)服務價值 根據(jù)生產服務功能的經濟價值,計算獲得各生態(tài)系統(tǒng)的基準價值(表1),計算公式[18]為:

表1 渭河流域陜西段生態(tài)服務價值 元/hm2

式中:VCij為第i種生態(tài)系統(tǒng)中第j種生態(tài)服務功能的系數(shù)(元/hm2);eij為第i種生態(tài)系統(tǒng)中第j種生態(tài)服務功能相對于農田給予生產的生態(tài)服務功能。本文的生態(tài)系統(tǒng)為耕地、林地、草地、水體、建設用地和其他用地6種。

根據(jù)各類生態(tài)系統(tǒng)面積和各生態(tài)服務價值表可得渭河流域陜西段ESV,計算公式為:

式中:ESV表示生態(tài)系統(tǒng)服務功能總價值(元);Aj為土地利用類型的面積(hm2)。

2.3 重心模型

區(qū)域內各研究要素在空間上呈現(xiàn)不同的分布特點,重心模型根據(jù)測算各要素的重心點與標準間距,通過標準差橢圓展現(xiàn)其聚集特征和運動規(guī)律。計算公式[19]分別為:

式中:ˉX,ˉY為初始階段的重心坐標;Mi為第i個空間單元的要素面積;Xi,Yi表示第i個空間單元的重心坐標。

式中:XT+1,YT+1表示結束階段的重心坐標;Ni為第i個空間單元新增的面積占初始面積的比例;Xi,T,Yi,T為第i個空間單元初始年份的重心坐標;n為空間單元數(shù)量。

2.4 區(qū)域生態(tài)補償優(yōu)先級

提供補償主體和接受補償客體的確定是區(qū)域生態(tài)補償?shù)年P鍵,目前研究分析主要聚集在“補多少”,對“誰補誰”的問題討論較少。考慮到不同地區(qū)經濟發(fā)展存有較大差別,經濟發(fā)展緩慢區(qū)域的生態(tài)補償緊迫性要高于發(fā)展趨勢良好的地區(qū),因此本文通過測算不同區(qū)域的生態(tài)補償優(yōu)先級(ECPS)進行研究分析。由于生態(tài)系統(tǒng)服務的市場價值在市場機制中已經通過貨幣的形式為區(qū)域發(fā)展作出了貢獻,所以在計算ECPS時應只取其非市場價值部分[20],計算公式為:

式中:ECPS是生態(tài)補償優(yōu)先級;GDPN表示單位面積地區(qū)生產總值;VALN表示單位面積生態(tài)系統(tǒng)非市場價值。

3 結果與分析

3.1 土地利用類型變化

由于城市化進程的快速推進,建設用地的需求急速增加,使得建設用地面積變化較為明顯。通過圖1可知,從規(guī)模變化的角度看,建設用地的增加主要集中在西安和寶雞兩地,尤其是西安,建設用地的面積呈現(xiàn)爆發(fā)式集中增長。將3個時期土地利用數(shù)據(jù)進行整理(表2),發(fā)現(xiàn)隨著城市規(guī)模的逐漸擴大,越來越多的耕地向建設用地上轉移,與此同時,耕地、林地和草地3者之間的轉化也相對更加頻繁,可以看出退耕還林還草工程使土地利用類型發(fā)生了較大改變。

表2 土地利用面積轉移矩陣 hm2

由表3可知,2000—2020年林地的單一動態(tài)度值最小,說明非林地類型的土地向林地的轉移比例很小,是相對穩(wěn)定的土地類型;最活躍的土地類型為建設用地,單一動態(tài)度達到了5.94%,表明越來越多的非建設用地向建設用地轉移;耕地、草地和水體的單一動態(tài)度為負值,說明這3種土地類型在逐漸轉向非自身土地類型。通過空間動態(tài)度可以發(fā)現(xiàn),除其他用地之外,草地、水體和建設用地的空間動態(tài)度值較大,表明這4種土地利用類型表現(xiàn)特別活躍,演變程度較劇烈,順序依次為:其他用地＞草地＞水體＞建設用地＞耕地＞林地。

表3 渭河流域陜西段2000—2020年土地利用動態(tài)度 %

3.2 渭河流域陜西段ESV變化

從總體價值方面來說(表4),渭河流域陜西段2000,2010和2020年ESV分別為562.07,541.53和516.21億元,ESV總體呈下降趨勢,尤其是2010—2020年,ESV下了25.32億元,降幅達到了4.68%。從土地類型方面來看,耕地、草地和建設用地的ESV呈明顯下降趨勢,除此之外,林地和水體的ESV則是先增后減,其他用地的ESV變化幅度不明顯。從單項服務價值來看,結合表1和表4可以得知,由于水體的減少和建設用地的大量增加,水資源供給、水文調節(jié)和凈化環(huán)境的生態(tài)服務價值都在下降,伴隨著林地的增加,原料生產、氣候調節(jié)和土壤保持的生態(tài)服務價值在穩(wěn)步上升,表明退耕還林還草工程對生態(tài)環(huán)境起到了一定的調節(jié)效果。根據(jù)2000—2020年3個時期的ESV,通過ArcGIS 10.3中自然間斷點分級法將其劃分,按照-0.49～-0.12,-0.12～0.1,0.1～0.26,0.26～0.4,0.4～0.95(單位為億元)分為5個等級:低、較低、中等、較高和高;由圖2可知,ESV等級空間分布呈現(xiàn)“四周高,中間低”格局,總體以較低和高等級為主,其中低等級主要集中在西安市中部發(fā)達地區(qū),高等級主要集中在寶雞市和西安市南部;低和較低等級面積在2000—2020年期間持續(xù)擴大,高等級區(qū)域則明顯減少。

圖2 渭河流域陜西段2000—2020年生態(tài)系統(tǒng)服務價值等級空間分布

3.3 建設用地重心轉移分析

通過表4可以發(fā)現(xiàn)建設用地對渭河流域陜西段生態(tài)系統(tǒng)服務價值有著極高的影響,為了更加深入地了解不同時期城市建設用地在空間上的演變規(guī)律,本文采用重心模型對建設用地進行分析,分別計算各時期的建設用地面積標準差橢圓和重心遷移方向,并繪制重心轉移軌跡(圖3),通過對比不同時期建設用地重心的位置,可知建設用地重心變化主要分為兩個階段:2000—2010年和2010—2020年,重心的移動軌跡分別向東北方向和西北方向偏移,主要是在西安和咸陽交界處發(fā)生改變,這正與陜西省對西咸新區(qū)的建設方向相統(tǒng)一。

圖3 渭河流域陜西段2000,2010和2020年建設用地標準差橢圓和重心分布

表4 研究區(qū)2000—2020年各土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務價值 億元

根據(jù)繪制的標準差橢圓,得到參數(shù)變化過程(表5)。其中長軸展示出建設用地標準差橢圓的分布方向,短軸表示建設用地的主要分布范圍。長軸越長說明建設用地的分布具有明顯的方向性,2000—2020年長軸由94.58 km縮小到94.16 km再增長到105.18 km,表明擴張強度在明顯加強;短軸越短說明建設用地的分布具有聚合力,2000—2020年短軸持續(xù)變大,說明建設用地擴張的分布范圍逐漸擴大。沿x和y軸標準差為先增后減,但橢圓面積一直持續(xù)增大,表明建設用地分布呈現(xiàn)較強的移動趨勢且范圍在進一步擴大。

表5 渭河流域陜西段2000—2020年建設用地標準差橢圓參數(shù)變化

3.4 區(qū)間補償關系研究

本文通過ArcGIS分別對各縣區(qū)2020年的生態(tài)系統(tǒng)非市場價值(VAL)、人均GDP和生態(tài)補償優(yōu)先等級(ECPS)3個指標分別從高到低分為5級,以市行政單元進行匯總(圖4)。為了更加準確地分析生態(tài)補償中“誰補誰”的關鍵問題,本文在考慮生態(tài)補償優(yōu)先級的同時結合了VAL和人均GDP等級進行研究,并劃分了以下5類(1,2屬于補償客體,3,4屬于補償主體,5為既不提供補償也不接受補償)進行探討。①優(yōu)先受償區(qū)。太白縣ECPS和VAL等級最高(1級),應優(yōu)先考慮被補償;周至縣的ECPS等級為中等(3級),但VAL等級最高,表明生態(tài)環(huán)境價值大,應繼續(xù)提升其自然環(huán)境質量和建設保護,同時該地人均GDP等級為最低(5級),為優(yōu)先受償區(qū)域,應及時獲取資金來保證區(qū)域生態(tài)經濟可持續(xù)發(fā)展。②次級受償區(qū)。藍田縣和隴縣ECPS或VAL等級較高(2或3級)且人均GDP等級低,鳳縣ECPS等級較高且VAL等級高,應為次級受償區(qū)域,要加大補償區(qū)給予的資金進行補償,以提升當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境建設。③重點補償區(qū)。雁塔區(qū)、碑林區(qū)、新城區(qū)、蓮湖區(qū)、未央區(qū)、閻良區(qū)、高陵區(qū)和渭城區(qū)ECPS和VAL等級最低,但人均GDP等級較高,表明該區(qū)域雖然經濟發(fā)展水平高,可生態(tài)服務價值小,應重點為受償區(qū)提供補償資金,在維持本地自然環(huán)境質量的同時,創(chuàng)造出整體良好生態(tài)環(huán)境。④一般補償區(qū)。楊凌區(qū)、秦都區(qū)和三原縣ECPS等級較低,VAL等級為中等且人均GDP相對較高,說明該地生態(tài)服務價值較低但經濟環(huán)境較好,因此在提高當?shù)丨h(huán)境建設的同時,要向受償區(qū)給予補償資金,以維持整體的生態(tài)建設。⑤過渡區(qū)。鳳翔縣、千陽縣、眉縣、永壽縣、長武縣、淳化縣和彬州市ECPS、人均GDP和VAL等級均處于中等,應充分利用當?shù)刭Y源,在促進經濟發(fā)展的同時加強生態(tài)環(huán)境建設。麟游縣ECPS、人均GDP和VAL均處于較高等級,表明區(qū)域生態(tài)建設和經濟發(fā)展均取得較好成績,應在維持生態(tài)保護建設的基礎上繼續(xù)保持高質量發(fā)展。其余地區(qū)各指標相對平均,應繼續(xù)提高環(huán)境建設以充分發(fā)揮其生態(tài)功能價值,推動生態(tài)經濟可持續(xù)發(fā)展。

圖4 各行政單元VAL、人均GDP和ECPS等級圖

4 討論與結論

(1)在退耕還林還草工程和城市化快速推進等多重因素的影響下,從面積轉移矩陣、單一土地利用動態(tài)度和空間動態(tài)度3個方面綜合分析,發(fā)現(xiàn)耕地、林地和草地的轉換頻率明顯增加,同時耕地的面積在逐漸減少,建設用地是最活躍的土地類型且面積在不斷攀升,表明建設用地大量占用耕地的問題仍然嚴峻;各土地利用類型演變劇烈程度從高到低依次為其他用地、草地、水體、建設用地、耕地和林地。

(2)2000—2020年渭河流域陜西段ESV下降幅度超過了8%,其中耕地和草地的ESV在此期間明顯降低,從而造成了水資源供給和水文調節(jié)等功能服務價值減少,隨著林地的ESV較2000年有所增加,氣候調節(jié)和土壤保持等功能服務價值逐漸上升,在一定程度上緩解了生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的壓力;建設用地重心呈現(xiàn)向東北方向運動的趨勢并且覆蓋范圍在不斷擴大,符合當前城市建設發(fā)展規(guī)律,也與西咸新區(qū)的發(fā)展政策相統(tǒng)一。

(3)周至縣和太白縣為優(yōu)先受償區(qū),藍田縣、隴縣和鳳縣為次級受償區(qū),應及時接受補償以提高當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境建設;雁塔區(qū)等8個地區(qū)為重點補償區(qū),楊凌區(qū)、秦都區(qū)和三原縣為一般補償區(qū),應給予補償資金,以維持整體生態(tài)建設。其余地區(qū)為過渡區(qū),應繼續(xù)加強生態(tài)或經濟建設,提高生態(tài)服務功能價值。

林地和草地的增加,表明區(qū)域內土壤侵蝕和水土流失情況有所緩解,生態(tài)功能得到了提升。建設用地的增加和耕地的減少,意味著人們在基本生產生活得到滿足的情況下,對生活質量要求也逐漸增加,從而推動了城市居民用地的建設。考慮到區(qū)域生態(tài)經濟協(xié)調發(fā)展,結合陜西省“十四五”期間土地規(guī)劃要求,應在確保耕地持有量情況下,加強林草地和水體的保護,優(yōu)化生態(tài)空間格局;控制城市開發(fā)邊界,將建設用地規(guī)劃和生態(tài)文明發(fā)展相結合,推進新型城鎮(zhèn)化和城鄉(xiāng)融合發(fā)展。

考慮到渭河流域涉及省區(qū)廣,生態(tài)補償跨度較大,造成上下游主體之間的利益協(xié)調困難,再加上地方保護摻雜其中,使得利益相關方的責任難以界定,補償實施難度很大,因此本文嘗試將研究范圍縮小至渭河流域陜西段,以小觀大,因地制宜地構建出具有特色且適用的補償模式,為渭河流域陜西地區(qū)補償標準的制定提供重要依據(jù)。此外,本研究未深度考慮生態(tài)補償?shù)默F(xiàn)實有效性,今后還應結合生態(tài)環(huán)境具體需求,制定出與經濟相適應的補償方案,對具體的補償標準、補償措施和補償機制進行全面探討。