西南地區土地利用變化對生態系統服務價值的影響

張鈺瑩，孫美瑩,2，楊榮金*，張樂

1.中國環境科學研究院

2.北京師范大學全球變化與地球系統科學研究院

生態系統服務價值（ecosystem service value,ESV）是生態系統功能效用的價值表現，是衡量區域生態環境質量的重要指標[1-3]。而土地利用變化是人類活動影響區域生態系統最直接的表現形式，是生態系統服務變化的重要影響因素，對維持生態系統服務功能起著決定性的作用[4-5]。隨著人口增長和城市化、工業化進程的加快，土地利用的劇烈變化改變了生態系統的結構和功能，導致生態系統服務價值發生顯著變化。因此，深入研究土地利用變化及其對生態系統服務價值的影響，對于優化土地利用結構，促進區域可持續發展至關重要。

自Costanza 等[6]對生態系統服務進行貨幣化定量評估以來，生態系統服務價值在國內外引起廣泛關注。謝高地等[7]根據中國實際情況，以Costanza的評估模型為基礎修訂完善中國單位面積生態系統服務價值當量和當量因子表，此后被國內眾多學者用于不同尺度下的生態系統服務價值研究。人類活動影響下的土地利用變化與區域生態系統服務價值變化密切相關，眾多學者對此展開相關研究[8-13]。Sannigrahi 等[14]通過量化1995—2015 年全球ESV及其對土地利用變化的響應，發現森林、濕地、水體面積減少和城市覆蓋面積擴大，導致全球ESV 顯著降低。Arowolo 等[15]評估了尼日利亞土地利用動態對生態系統服務價值的變化，結果表明10 年間耕地逐漸侵占了森林和熱帶草原占據主導地位，致使總ESV 增加而氣候調節與水文調節等服務持續損失。國內也有許多學者從不同尺度展開生態系統服務價值對土地利用變化響應的調查研究。如Song 等[16-20]從全國、流域、省、市的角度探討我國不同地區土地利用變化對生態系統服務價值的影響。雖然現有關于土地利用變化引起的ESV 響應機制的研究方法已相對成熟，但研究對象方面多聚焦在城市群、都市區等城鎮化快速發展地區及沿海發達省份，關于山地丘陵等生態脆弱敏感區域的實證分析仍不多見。

西南地區是長江流域生態系統服務的高價值區，同時也是我國重要的生態安全屏障之一[21]，但西南地區多山地丘陵、土地資源匱乏的自然條件嚴重制約了區域社會經濟發展[22-23]。為解決貧困問題，政府從2000 年開始實施西部大開發政策，并伴隨著大量的建設活動，而長期密集的人類活動給生態系統帶來巨大壓力，加劇區域生態系統服務功能衰退[24]。鑒于此，筆者以西南地區為研究對象，基于2000 年、2010 年、2020 年土地利用遙感數據，基于土地利用變化分析ESV 的損益情況，探究近20 年來土地開發活動與ESV 間的關系，以期為西南地區未來的土地利用規劃與生態系統可持續發展提供科學依據和參考。

1 研究區與研究方法

1.1 研究區概況

西南地區（97°20′E～110°11′E，21°08′N～34°14′N）涵蓋四川省、云南省、貴州省和重慶市，面積約113.87萬km2。研究區橫跨中國一、二級階梯，地勢西高東低呈階梯狀下降，海拔為5～7 139 m（圖1），具有高原、平原、盆地、丘陵等多種地貌類型，巖溶地貌發育典型。氣候差異明顯，主要以亞熱帶季風氣候為主，年平均氣溫約15 ℃，年平均降水量在1 200 mm 以上。2019 年末，西南地區總人口1.99 億人，人口密度175 人/km2，GDP 總值達110 214.68億元。

圖1 西南地區高程Fig.1 Elevation map of Southwest China

1.2 研究方法

1.2.1土地利用動態度

單一土地利用動態度表示在一定時間段內不同土地利用類型的變化速度與幅度，計算公式如下：

式中：K為研究期間內某一土地利用類型的動態度；Ua、Ub分別為研究初期和末期某一土地利用類型的面積；T為研究時段。

綜合土地利用動態度表示研究區整體的土地利用類型變化速度與幅度，公式如下：

式中：LC為綜合土地利用動態度；LUi為研究初期第i類土地利用類型面積；ΔLUi-j表示研究期間第i類土地利用類型變為非i類土地利用類型的面積絕對值。

1.2.2土地利用轉移矩陣

土地利用類型及面積轉移分析方法主要以土地利用轉移矩陣測度法為主，用以表示研究區在研究初期至研究末期各土地利用類型間的轉移面積與比例，揭示研究區土地利用演變規律，計算公式如下：

式中：n為常量，當土地利用類型數量(m)＜10 時，n=1；當10＜m＜100 時，n=2。分別為k期和k+1 期土地利用柵格數據。Ci×j為k～k+1 期的土地利用類型變化數據。

1.2.3生態系統服務價值計算

基于Costanza 的貨幣化評估方法，采用謝高地等[25]提出的中國生態系統服務系數修正方法，即1 個生態系統服務價值當量為單位面積糧食產值的1/7。基于西南4 省（市）2010 年主要糧食作物產量、種植面積和單價，運用式(4)計算出研究區生態系統服務價值當量為1 314.42 元/hm2。

式中：VC0為單位面積生態系統服務價值當量，元/hm2；i為主要糧食作物種類；mi為i種農作物的播種面積，hm2；pi為i種農作物的全國平均價格，元/kg；qi為i種農作物的單位產量，kg/hm2；M為研究區的主要糧食作物總面積，hm2。

根據單位面積生態系統服務價值當量因子表（表1）和修正后的價值當量得到西南地區各年度縣（市）域生態系統服務價值，計算公式如下：

表1 單位面積生態系統服務價值當量因子[25]Table 1 Ecosystem service value equivalent factor per unit area

式中：ESV為區域生態系統服務價值，元；eij為第j種生態系統的第i種生態系統服務價值當量因子；Aj為第j種生態系統的面積，hm2。

1.3 數據來源

本研究使用的數據主要包括2000 年、2010 年和2020 年3 期土地覆被數據和各縣域、市域單元社會經濟統計數據等。其中，研究區的土地利用數據來源于GlobeLand30 平臺(http://www.globallandcover.com/)，空間分辨率為30 m。參照GB/T 21010—2017《土地利用現狀分類》，結合研究區特點，對研究區生態系統類型進行判定和分析，劃分出林地、草地、耕地、濕地、水體（河流/湖泊）、荒地6 類生態系統。所需的糧食產量、價格及人均GDP、人口密度、農業總產值等社會經濟發展數據來源于《中國農產品價格調查年鑒》《中國糧食年鑒》《四川統計年鑒》《云南統計年鑒》《貴州統計年鑒》《重慶統計年鑒》及各市域和縣域的政府門戶網站。

2 結果與分析

2.1 西南地區土地利用類型演變特征

2.1.1土地利用類型面積變化

根據西南地區2000—2020 年土地利用類型數據，得到土地利用類型變化情況（表2）。西南地區土地利用類型以林地、耕地和草地為主，約占總面積的96%，其中林地占地最多，約占總面積的48%，耕地、草地分別約為總面積的28%、20%。這是由于研究區山地丘陵面積占比高，以林地、草地為主，低山河谷地帶以耕地為主。在整個研究時段內，人工表面、水體、荒地面積增加，草地、林地、耕地面積有所減少。人工表面面積凈變化量最為顯著，凈增長11 971.18 km2，約增加2.18 倍；水體、荒地呈明顯增加趨勢，分別新增面積2 778.49、1 708.66 km2；草地面積呈持續下降趨勢，20 年間減少8 738.63 km2；林地、耕地面積呈現先增加后減少的趨勢，凈變化量分別為-5 344.95、-2 244.40 km2；濕地面積變化不明顯。其中，人工表面面積占比在2010—2020 年增速較快，面積增加1.97 倍，人工表面的增加量與耕地、林地、草地的減少量基本持平。究其原因，則是在2010 年后社會經濟的快速發展致使城鎮用地快速擴張，大量耕地、草地、林地等不斷被建設用地侵占，荒地尚未得到持續開發利用，仍存在土地資源粗放、低效、閑置利用現象，水資源面積的顯著增加主要與境內水庫的攔蓄洪水以及水資源調度等情況有關。

表2 2000—2020 年西南地區土地利用類型面積變化Table 2 Change of land-use type and area in Southwest China from 2000 to 2020

從空間變化來看（圖2），建設用地向外擴張明顯，主要集中在各省市的都市核心區（成渝都市核心區、滇中城市群、黔中經濟區）等區域；林地面積呈先增加后減少趨勢，集中在四川中南區域、云南中西部地區以及貴州東南部地區。草地面積持續減少，濕地面積呈先減少后增加趨勢，這2 種土地利用類型大部分集中在川西北高原。耕地面積呈先減少后增加趨勢，主要集中在川東盆地。其中，2010—2020 年研究區人工表面面積迅速擴張，侵占了城市周邊及農村區域的耕地、草地及林地，這與該階段城市人口增長以及城市化進程加快相關。

圖2 2000 年、2010 年與2020 年西南地區土地利用類型空間分布Fig.2 Spatial change of land-use types in Southwest China in 2000,2010 and 2020

2.1.2土地利用動態度變化

由表3 可知，雖然在整個研究時段西南地區綜合土地利用動態度較小，但后期土地利用變化程度逐漸加大，說明近10 年來人類經濟活動對西南地區土地資源和環境的影響在逐漸增加。單一土地利用動態度的變化趨勢與綜合土地利用動態度相似，其中人工表面變化最為劇烈，特別是在后期（2010—2020 年）土地利用動態度達到16.22%；水體、荒地面積呈現正向變化，20 年間動態度分別為1.94%、1.49%；林地、草地、耕地、濕地動態度均為負值，20年間土地面積均有小幅度減少。以上結果表明西南地區建設規模增大，特別是在近10 年內城鎮化、工業化速度明顯提升，致使各類土地利用類型向人工表面轉變。

表3 2000—2020 年西南地區土地利用動態度Table 3 Dynamic degree of land-use in Southwest China from 2000 to 2020 %

2.1.3土地利用面積轉移

采用土地利用轉移矩陣測度法，得到2000—2020 年各土地利用類型的變化情況，結果如表4 所示。由表4 可見，2000—2020 年研究區土地利用類型轉移面積超過10 000 km2的主要有：林地向草地轉移、林地向耕地轉移、草地向林地轉移、草地向耕地轉移、耕地向林地轉移以及耕地向人工表面轉移。林地、草地、耕地三者的轉出面積及轉入面積遠高于同期其他類型用地，三者總轉出比例及轉入比例分別達到95.47%、83.85%，且三者的轉出面積大于轉入面積。由此可見，雖然2000—2020 年地方政府實施的退耕還林還草工程成果顯著，但同時耕地占用大量林地、草地的情況也依然存在，加上近年來城鎮用地的加速擴張侵占部分生態用地，因此造成人工表面面積大幅增加而草地、林地、耕地面積明顯減少。

表4 2000—2020 年西南地區土地利用轉移矩陣Table 4 Land-use transfer matrix of Southwest China in 2000-2020

2.2 生態系統服務價值變化

根據西南4 省（市）主要糧食作物生產情況，確定西南地區單位面積生態服務價值當量為1 314.42元/hm2，為便于橫向比較，消除時間序列農作物價格波動的影響，選取2010 年當量因子進行計算，結果如表5 所示。

表5 2000—2020 年西南地區各土地利用類型生態系統服務價值變化Table 5 Change of ecosystem service value of different land-use types in Southwest China from 2000 to 2020 億元

2000—2020 年西南地區生態系統服務價值呈下降趨勢，總ESV 減少195.55 億元。其中，2000—2010 年和2010—2020 年分別下降43.53 億和152.02億元，后期ESV 下降幅度較大，占20 年間變化總量的77.74%。從各類土地利用類型的生態系統服務價值來看，研究期間西南地區林地、草地與耕地對生態系統服務的貢獻率較大，約占總ESV 的97%，其中林地的貢獻最大，占總ESV 的72%以上，由此可見林地、草地和耕地是維持研究區生態系統服務價值的主要類型。西南地區從2000 年開始退耕還林還草工作，退耕還林工程的開展以及人工生態恢復工程的實施帶來的生態系統服務價值增加抵消了部分草地、水體生態系統服務價值的降低，加之城市化擴張還較為緩慢，使得西南地區ESV 變化較小。隨著“一帶一路”倡議和國家“長江經濟帶”重大戰略的實施，西南地區在2010—2020 年城市化水平加速提升，促使大量耕地、林地、草地轉變為建設用地，林地、草地和耕地生態系統服務價值下降，從而導致整體生態系統服務價值下降。

西南地區各項ESV 變化見表6。由表6 可以看出，研究區單項生態系統服務功能貢獻率超過10%的有維持生物多樣性、保持土壤、水文調節、氣候調節和氣體調節，這5 項生態系統服務功能總貢獻率超過72%。從各項服務功能變化來看，食物生產與原料生產呈現先增加后減少的趨勢，水文調節與廢物處理則表現為先減少后增加，其余各項服務功能價值均呈持續下降的態勢。由于前期耕地占用大量草地，致使耕地面積擴大，食物生產和原料生產功能價值提升；后期，水體面積顯著增加使得水文調節和廢物處理功能提升，但耕地、草地、林地的面積大量減少且逐漸被人工表面代替，致使除水文調節和廢物處理外的其余各項服務功能均出現明顯退化，造成總生態系統服務價值下降。林地、草地、耕地是西南地區生態系統服務價值的主要構成部分，在未來城市化與工業化發展進程中，應當改變粗放型經濟發展模式，優化土地利用結構和布局，加強林地、草地、耕地等生態用地的保護，緩解經濟增長對生態環境的壓力。

表6 2000—2020 年西南地區生態系統服務價值構成及其變化Table 6 Ecosystem service value composition and its change in Southwest China during 2000-2020 億元

西南地區4 省（市）的ESV 變化如表7 所示。由表7 可見，2000—2020 年，除重慶市外，四川省、云南省、貴州省的ESV 均有所下降。前期，四川省、云南省的ESV 分別下降0.51%、0.26%，貴州省、重慶市的ESV 分別增加0.53%、1.05%，其中重慶市林地面積的大幅增加致使其ESV 變化最為顯著；后期，4 省（市）ESV 均有所下降，其中貴州省的林地與草地面積縮小造成該區域ESV 下降幅度最大，為1.39%。整體來看，四川省、云南省生態系統服務退化明顯，重慶市生態系統服務價值略有提升。

表7 2000—2020 年西南地區4 省（市）生態系統服務價值變化Table 7 Changes of ecosystem service value in four provinces (cities) in Southwest China during 2000-2020 億元

3 討論

西南地區是“西部大開發戰略”的重要發展區域之一，也是長江和珠江上游重要的生態屏障，該地區的土地利用類型以林地、耕地和草地為主。2000 年之后社會經濟發展迅速，同時政府開始加強對區域生態環境的治理與保護。2000—2020 年，西南地區土地利用變化一方面受退耕還林還草工程和天然林保護工程等政策影響導致耕地面積縮減；另一方面受人口增長和快速城鎮化影響呈現人工表面面積顯著增加而林地、草地、耕地面積減少的趨勢，此結果與Hu 等[26]對喀斯特地區土地利用變化的研究結論相似。人類活動干擾加劇，致使土地利用類型結構快速轉變，生態系統結構和功能也發生明顯變化，ESV 呈持續下降趨勢。研究發現，近20 年來隨著西南地區土地資源開發力度的增強，對生態系統服務價值產生一定的負面影響，該結論與彭文甫等[27]研究結果一致。同時筆者研究發現在2010—2020 年，城鎮用地侵占大量林地、草地、耕地，導致總ESV 顯著下降，其中四川省、云南省ESV 下降幅度較大，保持土壤、氣體調節、氣候調節、維持生物多樣性的服務價值下降明顯。這表明，未來在實施退耕還林還草工程和生態用地建設與保護的同時，應當注重提高土地利用效率，優化土地利用結構，加強基本農田保護，高質量推進高標準農田建設，緩解經濟增長對土地資源和生態系統的壓力。四川省、云南省等高植被覆蓋地區應當加強天然林保護和公益林資源管護，逐步恢復并提高區域生態系統服務功能，降低社會經濟發展帶來的生態環境損失。

區域生態系統服務價值不僅受土地利用變化的影響，同時還受氣候條件、人口密度、經濟水平和產業布局等諸多自然及社會經濟因素的影響。筆者僅從土地利用類型的結構、動態度及面積轉移等方面探討ESV 對土地利用變化的響應機制，未來在開展相關研究時可重點關注基于自然因素與社會經濟因素驅動下的區域ESV 時空變化以及預測模擬研究，以提高評估結果的準確性。

4 結論

（1）2000—2020 年西南地區土地利用類型以林地、耕地和草地為主，人工表面的顯著擴張主要是通過侵占耕地、草地、林地實現，集中在各省（市）的都市核心區及其周邊區域等。期間人工表面面積凈變化量最大，凈增長11 971.18 km2；其次為草地、林地、耕地，面積分別減少了8 738.63、5 344.95 和2 244.40 km2。2010 年后人工表面的快速增加表明研究區的城市化進程進入高速發展階段。

（2）西南地區單一土地利用動態度與綜合土地利用動態度的變化趨勢相似，即在2010 年后土地利用變化程度加劇。其中人工表面面積正向變化幅度最大，其次為水體、荒地，其余土地利用類型動態度均為負值，說明西南地區建設規模增大，特別是近10 年內城鎮化、工業化水平的提升，致使各類土地利用類型向人工表面轉變。

（3）2000—2020 年西南地區生態系統服務價值呈下降趨勢，減少了195.55 億元。其中，四川省、云南省生態系統服務退化明顯，僅重慶市生態系統服務價值略有提升。林地、草地、耕地是維持研究區生態系統功能的主體，三者占比約為97%。生態系統服務功能以維持生物多樣性、保持土壤、水文調節、氣候調節和氣體調節為主，總貢獻率在72%以上。因水體面積增加，水文調節和廢物處理功能大幅提升，但其余各項服務功能均出現明顯退化，造成總生態系統服務價值下降。

（4）20 年間土地利用轉移中以林地、草地、耕地最為活躍，轉入面積與轉出面積遠高于其他類型用地，且三者轉出比例高于轉入比例，說明2000—2020 年耕地侵占林地、草地的強度大于退耕還林還草的力度，加之城鎮擴張侵占生態用地，造成人工表面面積增加而林地、草地、耕地面積減少，致使研究區ESV 降低。未來應加大對林地、草地的保護力度，加強土地生態建設和高標準農田建設，提高土地集約節約利用水平，合理規劃城鄉建設用地，注重土地利用和生態環境間的協調發展，增強土地對社會經濟可持續發展的保障能力。