滇桂黔石漠化片區土地生態系統服務價值時空演變研究

葉宗達, 許進龍, 黃天能, 溫雪, 歐勝彬

(1.廣西壯族自治區自然資源生態修復中心, 南寧 530000; 2.華中師范大學公共管理學院, 武漢 430079; 3.廣西財經學院海上絲綢之路與廣西區域發展研究院, 南寧 530003; 4.廣西財經學院經濟與貿易學院, 南寧 530003)

生態系統服務價值(ecosystem service values,ESV)是生態系統為人類提供產品或服務的價值總和,土地作為人類活動以及陸地生態的載體,其利用結構的調整會改變地表覆被狀態,影響生態系統的結構、過程與功能,進而引起區域生態系統服務價值變化[1-2]。同時,生態系統服務價值作為表征生態環境效應的關鍵指標[3],對于優化土地利用格局、改善地表覆被、實現區域可持續發展,具有重要指導意義。石漠化地區土層淺薄,植被稀少,生態系統脆弱,生態系統服務功能遭受巨大破壞,生態系統服務價值亟待提升。

生態系統服務價值的研究最早起源于國外。Costanza等[4]基于效用價值理論等,率先開展全球生態系統服務價值測算。進入21世紀后,聯合國《千年生態系統評估報告》對生態系統服務價值的概念、驅動因素與評估方法等進行了全面探討,引起學術界廣泛關注[5]。隨后,Pattanayak[6]對Costanza等[4]的價值評估方法進行了細化,并將其運用到印度尼西亞河流流域在降低干旱服務功能的價值測算中,基于實證的生態系統服務價值評價成為研究熱點。中國關于生態系統服務價值的研究起步較晚但發展迅速。歐陽志云等[7]對中國陸地生態系統服務功能價值進行初步探索,認為中國陸地生態系統具有巨大的生態經濟效益。謝高地等[8-9]基于Contanza等[4]的研究,根據中國實際并運用問卷調查計算得出中國陸地生態系統服務價值當量表,隨后又對其進行了補充與完善,該成果當前得到國內學者廣泛應用。目前,中國關于生態系統服務價值的研究主要集中在以下三方面:一是生態系統服務價值評估方法討論。可概括為直接評估法和間接評估法,其中直接評估法又分為客觀評估法和主觀評估法,間接評估法又分為物質轉換法和能值轉換法[10-12];二是生態系統服務價值時空演變分析。中國生態系統服務價值總量整體呈逐年上升態勢,生態環境持續改善,但發展水平不均衡,價值總量區域差異較大[13-14];三是生態系統服務價值驅動因子研究。可歸納為自然地理因子和社會經濟因子兩大類,自然地理因子包括降水量、氣溫等[15-16],社會經濟因子包括GDP、城鎮化率、產業發展等[17-18]。

當前,生態系統服務價值的研究已取得豐碩成果,但仍有以下兩方面值得深化和拓展:第一,驅動因子探索方面,研究方法主要以主成分分析、線性回歸等為主,較少考慮驅動因子的時空差異以及多因子交互影響,不利于準確剖析生態系統服務價值的影響因子;第二,研究區域實證方面,較少關注特殊生態脆弱區——滇桂黔石漠化片區。該片區集民族地區、革命老區和邊境地區于一體,生態環境脆弱,人地矛盾突出,是西南地區生態系統服務功能的薄弱區。該片區生態環境的改善對于鞏固拓展西南地區脫貧攻堅成果、促進中越邊境地區穩定繁榮、構筑珠江流域生態安全屏障等具有重大意義。

鑒于此,現從以下兩方面進行深化和拓展:①研究區域上,聚焦當前研究中較少關注的重要生態功能區和特殊環境脆弱區——滇桂黔石漠化片區,進一步豐富生態系統服務價值的研究材料,拓展生態系統服務價值研究成果的運用范圍;②驅動因子探索方法上,將自然環境因子和社會經濟因子同時納入探索框架,利用地理探測器分析單因子以及交互因子對生態系統服務價值的空間分異驅動作用。以期為科學評估滇桂黔石漠化片區生態治理效果、優化土地利用格局、改善生態系統服務功能提供理論參考。

1 研究區域與數據來源

1.1 研究區域

滇桂黔石漠化片區(圖1)位于中國西南部,包括云南、廣西、貴州三省區的15個地市(市)、91個縣(區),其中,民族自治地方縣(區)83個、老區縣(區)34個、邊境縣8個。片區國土總面積為22.8萬km2,南與越南接壤,喀斯特地貌廣布。氣候類型主要為亞熱帶濕潤季風氣候,水熱資源豐富,礦產資源富集,民族風情濃郁。但同時經濟發展落后,水土流失嚴重,人地矛盾突出。脫貧攻堅時期有67個國家扶貧開發工作重點縣,有80個縣屬于國家石漠化綜合治理重點縣。2012年國務院扶貧辦、國家發展改革委聯合發布《滇桂黔石漠化片區區域發展與扶貧攻堅規劃(2011—2020年)》,提出“將滇桂黔石漠化片區建設成為扶貧攻堅與石漠化綜合治理相結合重點區、邊境繁榮穩定模范區、珠江流域重要生態安全屏障”,生態環境維護與社會經濟發展任重道遠。

審圖號:GS(2020)4619號

1.2 數據來源

行政區劃界線來源于《滇桂黔石漠化片區區域發展與扶貧攻堅規劃(2011—2020年)》,1990年、2000年、2010年和2018年土地利用數據來源于中國科學院資源環境科學與數據中心,空間分辨率為30 m×30 m,并根據中國科學院土地利用分類體系及研究區特點,將土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地6大一級地類。數字高程(digital elevation model,DEM)等其他地理空間數據來源于地理空間數據云平臺(http://www. gscloud. cn)。為保證研究數據的權威性和準確性,社會經濟數據來源于《中國縣域統計年鑒》以及各省市統計年鑒,個別缺失值采用線性插值法補齊。

2 研究方法

2.1 土地利用動態測度

運用土地利用轉移矩陣探究滇桂黔石漠化片區各地類之間的面積轉移情況,其計算公式[19]為

(1)

式(1)中:Fij為研究期內土地利用類型i與土地利用類型j之間的轉換面積;n為土地利用類型的種類數。

2.2 生態系統服務價值評估

基于謝高地等[9]提出的生態系統服務價值當量因子體系,結合滇桂黔石漠化片區實際進行修正。謝高地等[9]計算的生態系統服務價值當量因子的年份為2010年,本文研究計算得出2010年滇桂黔石漠化片區平均糧食單產為3 821.26 kg/hm2,全國平均糧食單產為4 973 kg/hm2,生態系統服務價值修正系數為滇桂黔石漠化片區平均糧食單產與全國平均糧食單產的比值,即修正系數為0.77。另外,1990—2018年,滇桂黔石漠化片區水田與旱地的面積之比基本維持在4.4∶5.6的水平,以面積比例為權重,計算水田與旱地生態系統服務價值當量因子加權和,作為耕地生態系統服務價值當量因子,最終得出滇桂黔石漠化片區不同地類單位面積生態系統服務價值當量因子(表1)。

表1 滇桂黔石漠化片區單位面積生態系統服務價值當量因子表

同時,基于年鑒數據計算得出滇桂黔石漠化片區1990—2018年的糧食平均市場價格為2.254元/kg,根據“一個當量因子的價值量等于當年單位面積糧食產量市場價值的1/7”的規則[20-21],計算得出滇桂黔石漠化片區耕地糧食產量經濟價值為1 230.39元/hm2,并以單位面積生態服務價值當量因子表(表1)為基礎,得出滇桂黔石漠化片區不同地類生態系統服務價值系數;1990—2018年全國年均通貨膨脹率為4.21%[22-23],最后根據通貨膨脹率對各地類生態系統服務價值量進行修正。

2.3 驅動因子探索

利用地理探測器中的因子探測和交互探測,揭示滇桂黔石漠化片區生態系統服務價值時空演變背后驅動力,地理探測器公式[25-26]為

(2)

參考文獻[15-18]的研究成果,并綜合考慮研究區域特點以及指標數據的可獲取性等,將城鎮化率、人均生產總值等社會經濟因子以及坡度、氣溫等自然地理因子,列為滇桂黔石漠化片區生態系統服務價值空間分異的待檢驗驅動因子(表2)。

表2 滇桂黔石漠化片區生態系統服務價值驅動因子

3 結果與分析

3.1 滇桂黔石漠化片區土地利用變化分析

由表3可得,1990—2018年期間,從土地利用面積變化率看,滇桂黔石漠化片區土地利用變化總體趨勢為建設用地、水域面積增加,以石漠化裸巖石質地為主的未利用地面積減少,耕地、林地和草地面積相對穩定。建設用地增加116.38%,增加部分主要來自耕地。滇桂黔石漠化片區社會經濟基礎薄弱,城鎮化水平低,1990年片區城鎮化率僅10.87%,僅為全國平均水平的41%。近年來,國家高度重視片區的社會經濟發展,先后頒布《滇桂黔石漠化片區區域發展與扶貧攻堅規劃》《滇桂黔石漠化片區林業扶貧攻堅規劃》等專項規劃,并組建由水利部、國家林業局等30多個中央部委參加的片區部際聯席會議制度,在資金、用地、項目等多方面向片區傾斜。多方扶持下,片區社會經濟快速發展,2018年城鎮化率提升至42.09%,隨之而來的是建設用地需求急速增加。但片區地形地貌以山地丘陵為主,適合城市建設的區域主要為耕地連片集中的河谷平原,因此耕地被大量侵占轉為建設用地;水域面積增加了116.38%,以石漠化裸巖石質地為主的未利用地則減少47.45%并主要轉化為草地和林地。針對片區水土流失嚴重等問題,國家先后制定實施了《全國水利扶貧規劃滇桂黔石漠化片區水利扶貧實施方案》《巖溶地區石漠化綜合治理規劃大綱》等政策文件,通過植樹造林、退耕還林、封山育林、濕地保護恢復等一系列綜合舉措,加快水利設施建設,加大林草工程投入,水土保持工程成效顯著,水域面積持續擴大。隨著土壤的固定和水分的保持,石漠化地區林草植被逐漸恢復,石漠化面積不斷減少,以石漠化裸巖石質地為主的未利用地面積,由1990年的22 112.73 hm2減少至11 620.08 hm2,減少的未利用地中91.20%的部分轉為草地和林地。

表3 1990—2018年滇桂黔石漠化片區土地利用轉移矩陣

值得警惕的是,滇桂黔石漠化片區土地利用類型以林地和耕地為主,研究期內占比分別維持在63%和20%左右,因此,雖然耕地和林地的面積變化率僅分別為-1.90%和-0.59%,但由于資源底數面積大,導致凈減少面積也較為龐大。研究期內,耕地和林地面積分別減少了86 842.35 hm2和83 542.14 hm2,年平均減少量分別高達3 102 hm2和2 984 hm2。減少的耕地主要轉化為林地。為防治石漠化,改善生態系統,滇桂黔石漠化片區在坡度較高、地力貧瘠、不宜耕作的耕地大范圍實施退耕還林,大量耕地轉為林地。同時,片區水熱條件優越,適合種植速生桉等經濟林木,受經濟利益驅動,片區大量耕地被轉用為經濟林地。另外,由于片區耕地貧瘠,經濟發展落后,大量農村青壯勞動力流往城市務工,部分耕地被閑置拋荒并最終退化為草地;減少的林地主要轉為耕地和草地,同時,減少的草地主要轉為林地,原因可能是部分林地被開墾成耕地,或者經砍伐后退化成草地,但由于植樹造林等工程,部分草地又轉化為林地。片區減少的耕地和林地,均主要轉化為林地、草地等其他生態用地,而非退化為石漠化裸巖石質地未利用地,再次證明片區石漠化治理效果良好。但耕地保護是確保糧食安全和社會經濟穩定的頭等大事,片區耕地的減少態勢應引起警惕。

3.2 滇桂黔石漠化片區生態系統服務價值時空演變分析

從時間尺度變化看,由表4可得,研究期內,滇桂黔石漠化片區生態系統服務價值呈逐年增加態勢,生態系統服務價值由1990年的10 423.82億元逐年提高至2018年的10 631.62億元,但增長幅度較小,平均每年提高7.17億元,表明雖然片區石漠化治理成效良好,但生態系統維護和改善仍任重道遠。1990—2000年,滇桂黔石漠化片區生態系統各項功能服務價值從大到小依次為:氣候調節>水文調節>土壤保持>氣體調節>生物多樣性>凈化環境>美學景觀>水資源供給>食物生產>原料生產>維持養分循環,2000—2018年,水文調節功能價值超過氣候調節,成為片區最重要的生態功能類型,其余各項功能服務價值大小排序則保持不變。表明隨著石漠化治理效果的顯現,片區水文調節功能逐漸增強并發揮日益重要的作用。石漠化片區集中于長江流域、珠江流域以及紅河流域三大水系的源頭和上游,近年來隨著石漠化治理效果日益凸顯,各項水利設施功能趨于完善,滇桂黔石漠化片區生態系統截留、吸收和貯存降水、調節徑流、調蓄洪水、降低旱澇災害的功能逐漸增強。另外,1990—2018年,水文調節、氣候調節、氣體調節、土壤保持與生物多樣性的歷年貢獻率累加均達到77%左右,片區土地利用類型中林地占比始終維持在63%左右,林地對維護生物多樣性、保持水土穩定性、維持氣候濕潤性等,均具有重要推動作用。

表4 1990—2018年滇桂黔石漠化片區生態系統服務價值變化情況

從空間尺度變化看,由圖2可得,研究期內,滇桂黔石漠化片區生態系統服務價值空間分異相對穩定,總體維持西南較高、南部次之、北部較低的空間分異特征,整體依次對應云南片區、廣西片區以及貴州片區。雖然片區整體生態系統服務價值保持逐年增加態勢,但內部差異較為明顯。云南和廣西高度重視石漠化治理,先后制定出臺《云南省巖溶地區石漠化綜合治理工程“十三五”建設規劃》《云南省巖溶地區石漠化治理工程項目管理辦法》《滇桂黔石漠化片區區域發展與脫貧攻堅廣西實施規劃》等規劃文件,通過采取封山育林、荒山造林、坡改梯等措施進行生態綜合治理,云南創造了著名的“六子登科”世界石漠化治理經驗,廣西則因地制宜探索出了“封、造、退、管、沼、補”的“六字”石漠化治理模式,據全國第二次、三次石漠化監測結果,監測期內云南石漠化面積減少48.8萬hm2,年均減少近10萬hm2,廣西石漠化面積減少38.72萬hm2,減少率為20.2%;貴州石漠化治理力度雖然也逐年加大,石漠化治理效果也日益顯現,但生態系統服務價值在三大片區中始終處于末位水平,原因主要有以下兩方面:一是石漠化治理效果穩定性較差。貴州省石漠化程度深,在治理過程中恢復的植被以灌木草為主,生態穩定性較差,研究期內以石漠化裸巖石質地為主的未利用地減少33.10%,遠低于47.45%的平均水平;二是耕地和林地被侵占用作城市建設。貴州省作為欠發達地區,近年來社會經濟快速發展,“十三五”期間,地區生產總值年均增長8.5%,高于全國同期水平2.8個百分點,建設用地需求強盛,旅游、交通、市政等建設用地快速增加。研究期內貴州石漠化片區建設用地增加了67 295.7 hm2,增加率為311.05%,遠高于116.38%的平均水平,而這部分增加的建設用地主要來自耕地和林地。

圖2 1990—2018年滇桂黔石漠化片區生態系統服務價值時空分布

3.3 滇桂黔石漠化片區生態系統服務價值驅動因子分析

由表5可得,滇桂黔石漠化片區生態系統服務價值的空間分布差異受自然地理要素和社會經濟要素共同作用,其中人類活動影響最為顯著。從單因子看,研究期內,“距離縣中心”“人口密度”和“年均氣溫”始終是解釋力排前三的因子。縣城是人口集中區域,經濟結構以二產和三產為主,人類活動極度頻繁,土地類型以道路、房屋等建設用地為主,對自然地貌環境干擾強烈,植被稀少,生態系統服務價值微乎其微。此外,人口密度越高,對建設用地和耕地的需求越大,人類活動越頻繁,對生態系統的干預和破壞也就越強烈。“氣溫”是影響滇桂黔片區植被恢復和生長的主要自然地理因子,這與已有的研究文獻相吻合[27-29]。從交互探測的結果來看,驅動因子呈雙因子增強型,即自然地理要素和社會經濟要素內部交互或兩者之間交互,交互因子的解釋力均明顯大于單因子,表明研究區域生態系統服務價值空間分異是受到不同驅動因子交互作用的效果,而非單一因子決定。其中,所有具備較強影響力的交互因子中均存在“距離縣中心”驅動因子,“城鎮化率”“人均財政支出”和“距離公路”也頻繁出現,再次證明人類活動程度對片區生態系統服務價值的空間分異具有巨大影響力。滇桂黔地區水熱條件優越,適宜植被生長,但地表土層淺薄。自然生態系統具備自我修復能力,自然狀態下滇桂黔地區是不會出現大范圍石漠化現象,亂砍濫發、過度開墾樵采等人類活動干預,是滇桂黔石漠化片區石漠化問題的直接原因[29],也是造成片區生態系統服務價值空間分布差異的主要因素。

表5 1990—2018年滇桂黔石漠化片區生態系統服務價值主要驅動因子

4 結論

以特殊生態脆弱區——滇桂黔石漠化片區為研究區域,綜合運用土地利用轉移矩陣、價值當量法和地理探測器等方法,探究土地生態系統服務價值的時空演變特征及其空間分異的驅動因子,得出如下結論。

(1)研究期內,滇桂黔石漠化片區城市建設成效顯著,石漠化治理效果良好。建設用地和水域面積分別增加116.38%和76.40 %,以石漠化裸巖石質地為主的未利用地則減少47.45%并主要轉化為草地和林地。但耕地和林地面積的減少形勢應引起警惕。

(2)滇桂黔石漠化片區生態系統服務價值呈逐年增加態勢,生態系統服務價值由1990年的10 423.82億元逐年提高至2018年的10 631.62億元,但增長幅度較小、內部差異明顯,生態系統維護和改善仍任重道遠。研究期內,總體維持西南較高、南部次之、北部較低的空間分異特征,整體依次對應云南片區、廣西片區以及貴州片區。

(3)滇桂黔石漠化片區生態系統服務價值的空間分布差異受自然地理要素和社會經濟要素共同作用,但社會經濟要素內部交互作用大于自然要素與社會經濟要素之間交互及自然要素內部交互作用。“距離縣中心”“人口密度”和“年均氣溫”始終是解釋力排前三的因子,所有具備較強影響力的交互因子中均存在“距離縣中心”驅動因子,“城鎮化率”“人均財政支出”和“距離公路”也頻繁出現,人類活動程度對片區生態系統服務價值的空間分異具有巨大影響力。