基于土地利用變化的寧夏生態系統服務價值時空演變研究

［關鍵詞］ 生態系統服務價值；時空演變；土地利用；寧夏回族自治區

［摘 要］ 探究基于土地利用變化引起的生態系統服務價值（ESV）時空演變機制，對維護區域生態系統安全和經濟社會高效發展具有重要參考意義。以寧夏2000—2020年土地利用數據為基礎，運用土地利用轉移矩陣和土地利用動態度，結合ESV系數，分析了寧夏土地利用變化和ESV的時空演變格局，并據此提出對策與建議。結果表明：①2000—2020年寧夏未利用地、耕地、低覆蓋度草地、中覆蓋度草地面積均小幅減少，減幅分別為7.23%、^5.71%、4.76%、1.08%，水域、林地、高覆蓋度草地和建設用地面積均明顯增加，分別增加了8.02%、17.69%、26.57%、^140.29%。②不同土地利用類型對ESV的貢獻存在差異，其中水域和草地對研究區ESV貢獻最大，兩者總貢獻占比高達^64.96%，耕地和林地次之，未利用地最??；2000—2020年ESV呈先增加后小幅減少再增加的趨勢，2000—2005年增加約9.55億元，2005—2010年減少約0.26億元，2010—2020年增加約19.04億元，其中林地和水域面積的增加對ESV的增加起決定作用。③從空間上來看，ESV高值區和較高值區主要集中在寧夏北部且圍繞水域分布；中值區主要集中在北部和南部且圍繞耕地和林地分布；較低值區和低值區圍繞高、中、低覆蓋度草地分布，覆蓋面較廣。④從單項ESV來看，2000—2020年調節功能占比最大，且以水文調節和氣候調節為主；調節功能、文化功能、供給功能中的水資源供給以及支持功能中的土壤保持和生物多樣性的ESV均增加，而供給功能中食物生產和原料生產及支持功能中的養分循環ESV均減少。

［中圖分類號］ S157" [文獻標識碼] A" DOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.12.017

［引用格式］ 田慧慧，孫占鋒，李楊楊，等.基于土地利用變化的寧夏生態系統服務價值時空演變研究[J].中國水土保持，2024（12）：59-66，83.

生態系統服務價值（ESV）是指人類直接或間接通過生態系統獲得的所有惠益^[1]，主要包括供給、調節、文化和支持4種服務價值^[2-3]。生態系統服務對人類社會生存發展至關重要，它們直接或間接地為人類提供福祉^[4]。聯合國千年生態系統評估中指出，100多a來全球60％的生態系統正在或已經退化^[5]，主要原因是對ESV認識不足且盲目開發利用。隨著人們對自然生態系統的認識程度越來越深，關于ESV評估的課題也逐漸受到重視和關注。對生態系統服務的量化評估可以促使人們意識到生態系統所提供的巨大利益及其對人類社會生存發展的重要性。

ESV作為衡量生態系統服務的核心指標，很早之前便受到學者們的高度重視，其中以COSTANZA ^{et al}.^[4]的研究最具影響力，很多學者應用其方法對我國不同地區不同生態系統的服務價值進行了研究。謝高地等^[2，6-7]對ESV評價模型進行了修正，制定了全國單位面積ESV當量表；鄧楚雄等^[8]運用當量因子法、空間自相關分析等方法探討了洞庭湖區土地生態系統的服務價值時空變化；胡馨月等^[9]在寧夏紅寺堡灌區進行了土地利用變化對ESV影響的研究；曾雪艷等^[10]對大沽河流域ESV進行了評估。越來越多的學者意識到生態系統服務對人類的生存以及社會經濟可持續發展的重要性，相關學者從不同土地利用類型、時空尺度、地域范圍等層面對生態系統服務功能類型、價值評估、權衡協同效應等進行了研究^[11-13]。

寧夏回族自治區位于我國西北部，屬欠發達地區，但在全國生態安全戰略格局中具有重要地位。隨著國家糧食安全戰略的推進，我國各地區均頒布了相應的耕地保護政策。根據《寧夏回族自治區國土空間規劃（2021—2035年）》，到2035年寧夏回族自治區耕地保有量不低于116.9萬hm²，其中永久基本農田面積不低于94.9萬hm²；生態保護紅線內面積不低于1.2萬km²。因此，如何科學合理利用好土地、保護好耕地，直接關系到區域可持續發展和生態文明建設質量。本研究以寧夏2000—2020年土地利用數據為基礎，運用土地利用轉移矩陣分析寧夏近20 a土地利用變化時空格局，通過分析寧夏不同土地利用類型ESV系數，揭示寧夏ESV的時空演變格局，為區域生態系統服務保護修復提供理論支撐和數據參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

寧夏回族自治區地理位置為35°14′～39°23′N，104°17′～107°39′E，東鄰陜西省，西部、北部接內蒙古自治區，南部與甘肅省相連，下轄5個地級市22個縣（市、區）。海拔950～3 546 m，地勢西南高、東北低。自北向南，氣候由半干旱向半濕潤過渡，區內不同地點年均氣溫^6.3～11.4 ℃，年均降水量164.1～739.4 mm，年均無霜期170 d。氣候總體干旱少雨，蒸發強烈，是全國水資源量最少的省區之一。土地利用類型以草地和耕地為主，主要分布在寧夏中北部，林地主要分布在南部山區，未利用地主要分布在西北部。

1.2 數據來源

1.2.1 土地利用數據

土地利用數據來自中國科學院資源環境科學與數據中心（https：//www.resdc.cn/）發布的中國多時期土地利用遙感監測數據集，該數據集是以美國陸地衛星Landsat遙感影像作為主要信息源，通過人工目視解譯構建的中國國家尺度多時期土地利用/土地覆蓋專題數據庫。該數據采用兩級分類系統，一級分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地6類，二級在一級類型基礎上進一步分為25個類型。本研究選取2000年、2005年、2010年、2015年、2020年共5期數據進行土地利用轉移分析，鑒于草地對寧夏生態系統較為重要，本研究草地使用二級分類，其他土地利用類型使用一級分類，共計8種土地利用類型，分別為耕地、林地、高覆蓋度草地（覆蓋度＞50%）、中覆蓋度草地（20%＜覆蓋度≤50%）、低覆蓋度草地（5%＜覆蓋度≤20%）、水域、建設用地和未利用地，空間分辨率為1 km。

1.2.2 社會經濟數據

社會經濟數據包括寧夏統計年鑒（https：//www.nx.gov.cn/）提供的主要糧食作物產量和面積數據，以及寧夏糧食網（http：//www.nxgrain.net/）提供的主要糧食作物價格。寧夏回族自治區主要糧食作物包括玉米、水稻和小麥，糧食作物產量和面積數據的時間范圍為2000—2020年，糧食作物價格為2020年平均糧食單價，其中玉米的平均單價為2.20元/kg，水稻的平均單價為2.62元/kg，小麥的平均單價為2.56元/kg。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用動態變化分析與轉移矩陣

土地利用動態變化包括土地資源的數量、質量、類型等隨時間的變化，可以借助建立動態變化模型進行研究。本研究采用單一土地利用類型動態度來闡釋某種土地利用類型的數量隨時間的變化情況^[14]，公式為

K=U b-U aU a×1T×100%（1）

式中：K為研究時段內某一土地利用類型的動態度；U ^a和U ^b分別為研究期初及研究期末某一種土地利用類型的面積，單位km²；T為研究時段長度，單位a。

當T為完整年度，K值即為研究區某種土地利用類型的年變化率。土地利用類型的動態變化還可以借助土地利用轉移矩陣來進行分析^[15-16]。土地利用轉移矩陣是利用ArcGIS軟件的空間疊加功能生成動態變化圖，得到某時段的土地利用類型轉移矩陣，進而分析土地利用類型的相互轉化情況。

1.3.2 ESV計算

基于謝高地等^[2，6-7]對ESV的修正評價模型進行ESV計算。由于其中的全國單位面積ESV當量表是基于我國境內生態系統的平均水平，不能完全反映生態系統的差異性與特殊性，因此需要根據寧夏的實際狀況對該表進行修正。寧夏耕地以旱地為主，因此耕地選擇旱地價值當量；林地選擇各林地種類平均值；高覆蓋度草地選擇草原、灌草叢和草甸的平均值，中覆蓋度與低覆蓋度草地ESV根據覆蓋度比例分別定義為高覆蓋度草地ESV的1/2和1/5；水域選擇水系的價值當量；未利用地選擇荒漠和裸地的平均值^[17-18]。由此得到ESV當量因子，見表1。將ESV當量因子定義為1 hm²平均產量的農田每年自然糧食產量的價值，即1個標準當量因子的ESV相當于全國糧食單產市場價值的1/7^[2]。根據研究區2000—2020年主要糧食作物的年均產量和2020年糧食單價（為消除不同年份糧食作物價格波動對總價值的影響，本研究統一以2020年寧夏回族自治區3種主要農作物的糧食價格作為基礎數據），可得出寧夏回族自治區1個當量因子的經濟價值為1 953.81元/hm²。ESV計算公式為

ESV=∑kg=1A g×V C（2）

V C=∑j^h=1EC h×E a（3）

E a=17∑nⁱ⁼¹m i×q i×p iM（4）

式中：ESV為生態系統服務價值，單位元；A ^g為不同土地利用類型的面積，單位hm²；k為土地利用類型數量；V ^C為不同土地利用類型的ESV系數，單位元/hm²；EC ^h為不同土地利用類型的第h種ESV當量；j為生態系統服務類型數量；E ^a為研究區單位面積農田生態系統所提供食物生產服務的經濟價值，單位元/hm²；n為研究區主要糧食作物種類數量，取值為3；m ⁱ為第i種糧食作物在研究區內的平均價格，單位元/kg；q ⁱ為第i種糧食作物的種植面積，單位hm²；p ⁱ為第i種糧食作物的單位面積產量，單位kg/hm2；M為n種糧食作物總面積，單位hm²。

1.3.3 敏感性分析

計算所得ESV系數見表2。敏感性指數C ^S為ESV對ESV系數的敏感程度，用以檢測所計算的ESV系數是否符合研究區情況，若C ^S＜1則結果可靠性高^[19-21]。一般將各類土地利用類型的ESV系數上下調整50%^[22-23]來計算，公式為

C S=ESV 2－ESV 1/ESV 1V C 2－V C 1/V C 1（5）

式中：ESV 1、ESV 2分別為調整前和調整后的ESV值；V ^C1、V ^C2分別為調整前和調整后的ESV系數。

2 結果與分析

2.1 土地利用類型變化分析

表3為寧夏回族自治區2000—2020年土地利用類型及面積變化情況。由表3可知，2000—2020年間，寧夏回族自治區各土地利用類型中草地面積均最大，且變幅較小，其中2010年草地所占比例最大，為46.62%，2020年所占比例最小，為45.25%。研究時段草地面積總體減小，其中占比較大的低覆蓋度草地和中覆蓋度草地面積整體減小，占比較小的高覆蓋度草地面積整體增大。耕地所占比例次之，其中2000年所占比例最大，為35.79%，2020年所占比例最小，為33.74%。其余土地利用類型所占比例較小，其中建設用地面積變幅較大，所占比例逐年增大，在整個研究時段面積增大了1 372 km²，林地、水域、未利用地變幅較小。

表4為寧夏回族自治區2000—2020年土地利用面積動態變化情況。由表4可知，低覆蓋度草地在2015—2020年變幅最大，變化率為-3.29%；中覆蓋度草地在2010—2015年變幅最大，變化率為-1.87%；高覆蓋度草地在2000—2005年變幅最大，變化率為^19.9%。耕地在2000—2005年變幅最大，變化率為^-4.68%。建設用地變化率整體上逐漸增大，在2015—2020年達到最大，變化率為40.72%，且在所有土地利用類型中變幅最大。另外，同一類型土地在不同時期的動態度有差異。

將整個研究時段分為2000—2005年、2005—2010年、2010—2015年、2015—2020年4個時段來分析土地利用類型轉移特征，見表5～表8。2000—2005年，8種類型土地的總轉移面積為2 026 km²，按轉出面積從大到小依次為耕地（1 116 km²）、中覆蓋度草地（387 km²）、低覆蓋度草地（218 km²）、未利用地（186 km²）、水域（64 km²）、林地（36 km²）、高覆蓋度草地（15 km²）、建設用地（4 km²），見表5；2005—2010年，8種類型土地的總轉移面積為849 km²，按轉出面積由大到小依次為未利用土地（323 km²）、耕地（179 km²）、低覆蓋度草地（135 km²）、中覆蓋度草地（89 km²）、水域（69 km²）、高覆蓋度草地（27 km²）、林地（26 km²）、建設用地（1 km²），見表6；2010—2015年，8種類型土地的總轉移面積為1 274 km²，按轉出面積由大到小依次為未利用地（305 km²）、中覆蓋度草地（297 km²）、低覆蓋度草地（286 km²）、耕地（236 km²）、林地（60 km²）、水域（45 km²）、高覆蓋度草地（31 km²）、建設用地（14 km²），見表7；2015—2020年，8種類型土地的總轉移面積為24 704 km²，按轉出面積由大到小依次為耕地（7 102 km²）、低覆蓋度草地（6 455 km²）、中覆蓋度草地（4 891 km²）、未利用地^{（2 233} km²）、林地^{（1 543} km²）、建設用地（1 078 km²）、水域（720 km²）、高覆蓋度草地（682 km²），見表8。

由表5～表8可知，2000—2005年，土地利用變化以耕地轉為草地為主，耕地轉入草地的面積共計629 km²。2005—2015年，研究區土地利用變化較為簡單，各類土地利用類型轉出面積均較小。2015—2020年，土地利用變化較為復雜，以耕地和草地向其他土地利用類型轉出為主，低覆蓋度草地與中覆蓋度草地之間存在較大面積的互相轉化。低覆蓋度草地轉為中覆蓋度草地的面積為1 731 km²，占該時段內轉為中覆蓋度草地面積的35.09%；中覆蓋度草地轉為低覆蓋度草地的面積為1 587 km²，占該時段內轉為低覆蓋度草地面積的26.19%。耕地轉為草地的面積共計4 988 km²，占該時段內耕地轉出總面積的70.23%；草地轉為耕地的總面積共計4 807 km²，占該時段內草地轉出總面積的39.97%。未利用地轉為草地的面積共計^{1 405} km²，占該時段內未利用地轉出總面積的^62.92%；未利用地轉為耕地的面積為434 km²，占該時段內未利用地轉出總面積的19.44%。

寧夏以草地和耕地與其他地類的相互轉換為主，耕地主要轉變為不同覆蓋度草地，3種覆蓋度草地之間存在較大面積的相互轉換，未利用地的主要轉出方向為草地和耕地。因此，寧夏近年來耕地和草地有較大面積的相互轉移，且原有生產力低下的未利用地有較大面積轉變為生產力高、生態穩定性較強的草地和耕地。

2.2 ESV變化分析

寧夏不同土地利用類型的ESV及變化情況見表9、表10。由表9可知：研究區2000—2005年ESV總量呈增長趨勢，增加約9.55億元；2005—2010年呈小幅減少趨勢，減少約0.26億元；2010—2020年ESV總量呈增長趨勢，增加約19.04億元。2000—2005年ESV總量增加的主要原因是貢獻較大的林地和高覆蓋度草地面積增加，2010—2020年ESV總量增加的主要原因是貢獻較大的林地和水域面積增加。2000—2020年ESV的主要貢獻者是水域和草地，共占寧夏回族自治區ESV的64.48%～64.96%。由表10可知，各土地利用類型的ESV變化情況存在明顯差異，主要受相應類型土地面積變化的影響：若某段時間內某地類面積增加，則相應地類的ESV也增加。通過計算5個時期均值，制作ESV平均分布格局圖（見圖1），從空間分布格局上看，寧夏回族自治區ESV高值（11 962.77萬～^{26 658.72}萬元）和較高值區（7 376.80萬～＜11 962.77萬元）主要分布在北部，呈圍繞水域分布趨勢；ESV中值區（4 458.46萬～＜7 376.80萬元）主要分布在北部和南部，圍繞耕地和林地區域分布，高、中、低覆蓋度草地成為較低值區（2 478.15萬～＜4 458.46萬元）和低值區（80.94萬～＜2 478.15萬元）的主要分布區，占據面積較廣。西北部地區未利用地所占比例較高，成為ESV低值區。

2.3 生態系統單項服務價值變化分析

通過寧夏ESV系數與2000—2020年土地利用變化數據計算得到寧夏生態系統單項服務價值量，見圖2。由圖2可知：2000—2020年間食物生產的ESV從37.63億元減少至36.23億元，減少了1.40億元；原料生產和維持養分循環的ESV分別減少了0.28億元和0.08億元；水文調節的ESV由260.40億元增加到278.60億元，增加了18.20億元；氣候調節的ESV從2000年的99.26億元增加到2020年的104.06億元，增加了4.80億元；水資源供給、氣體調節、凈化環境、土壤保持、生物多樣性和美學景觀的ESV分別增加了^1.47億、0.45億、2.03億、0.10億、2.03億和1.01億元?？傮w而言，水文調節的ESV占比最大，這關鍵是受水域的影響，雖然寧夏水域面積不大，水資源極其匱乏，但水文調節的ESV當量最高是導致其ESV最高的主要因素。寧夏調節功能ESV所占比例最大，調節功能中的氣候調節和氣體調節的ESV分別位于第二位和第四位，二者主要受林地和草地生態系統影響，其土地利用面積占比達50%以上，充分表明了土地利用轉換對ESV的影響。20 a間，林地和水域面積增加而未利用地面積減小，這使得調節功能、文化功能以及供給功能中的水資源供給、支持功能中的土壤保持和生物多樣性的ESV上升，耕地、草地面積減小使得供給功能中食物生產和原料生產以及支持功能中的養分循環的ESV減小。

2.4 敏感性指數

根據式（3），將不同土地利用類型的ESV系數均上下調整50%，計算得到C ^S（見表11）。由表11可知，5個年份各土地利用類型ESV的C S均小于1，說明采用的ESV系數產生的誤差對生態系統服務總價值影響較小，最終結果是可信的。

3 討論

以寧夏2000年、2005年、2010年、2015年、2020年5期土地利用數據為基礎，運用土地利用轉移矩陣及土地利用動態度方法分析了研究區土地利用變化的時空分異特征，結果發現：研究區土地利用類型以草地和耕地為主，2000—2020年未利用地、耕地、低覆蓋度草地、中覆蓋度草地面積小幅減少，分別減少了^7.23%、5.71%、4.76%、1.08%，水域、林地、高覆蓋度草地和建設用地有明顯增加，分別增加了8.02%、^17.69%、26.57%、140.29%。草地和耕地之間有較大面積的相互轉換，但整體上耕地轉為草地的面積比草地轉為耕地的面積大，同時草地和耕地也是林地和建設用地面積增大的主要來源，這可能與近20 a來寧夏的生態環境保護及耕地保護政策相關。2000年退耕還林（草）工程的實施促進了寧夏耕地向草地和林地轉變，因此2000—2010年草地面積持續增加，2000—2020年林地面積整體增加。2006年，我國提出18.65億畝（1 hm²=15畝）耕地紅線和15.46億畝永久基本農田保護目標任務，這可能是推動寧夏耕地面積在2005—2015年逐漸增加的主要原因。建設用地的大幅增加主要發生在2015—2020年，該時期內草地和耕地轉為建設用地的面積分別為519、947 km²，這可能與近幾年來寧夏社會經濟的高速發展有關，人口增加、城鎮擴張和基礎設施完善是建設用地面積增加的主要原因^[24]。

本研究在謝高地等研究的基礎上計算了寧夏ESV系數，進而分析了寧夏ESV的時空變化，結果發現研究區在2000—2020年ESV呈先增加后小幅減少再增加的趨勢，這與張衛紅等^[24]的研究結果基本一致。2000—2005年增加量約9.55億元，2005—2010年減少約0.26億元，2010—2020年增加量約19.04億元。程靜等^[25]對寧夏2009—2017年ESV的時空演變研究發現，ESV由902.58億元減少至890.60億元，而本研究中2010年和2020年ESV分別為696.46億元和^715.50億元，導致這種差異的原因可能是土地利用數據的來源不同。本研究在宏觀尺度上對寧夏的ESV進行分析，研究結果在一定程度上可為城市發展提供決策依據。另外，本研究對草地采用二級分類體系，更直觀地分析了高、中、低覆蓋度草地的ESV變化，對寧夏的草地管理具有一定指導意義。但是，受土地利用數據空間分辨率、農作物市場價格波動等因素的影響，研究成果可能存在一定的不確定性。未來的研究應從提高土地利用數據分辨率和修正市場價格的角度，盡可能減輕二者對研究結果的影響。土地利用變化直接影響著ESV，水域和草地對研究區ESV貢獻最大，共占寧夏ESV的64.48%～64.96%，耕地和林地次之，未利用地最小。因此，為了保證寧夏地區ESV穩步增長，提出如下對策與建議：①注重加強對水域和草地的保護，維護現有耕地和林地面積的穩定，對未利用地進行科學合理開發；②制定嚴格的法律法規，禁止砍伐樹木、占用水源，因地制宜適時調整放牧對策，以確?，F有生態環境不惡化；③控制建設用地規模，合理控制人口密度，穩定生態系統結構和功能，提高生態系統服務能力；④以黃河、六盤山、賀蘭山、羅山，即“一河三山”為重點，繼續推進水土保持與生態修復；⑤定期進行ESV評估工作，以高效服務寧夏黃河流域生態保護與高質量發展、“雙碳”戰略等的實施。

4 結論

1）2000—2020年，寧夏未利用地、耕地、低覆蓋度草地、中覆蓋度草地面積均小幅減少，分別減少^7.23%、5.71%、4.76%、1.08%，水域、林地、高覆蓋度草地和建設用地的面積則顯著增加，增幅分別為^8.02%、17.69%、26.57%和140.29%。

2）不同土地利用類型對ESV的貢獻存在差異，其中水域和草地對研究區ESV貢獻最大，兩者總貢獻占比高達64.96%，耕地和林地次之，未利用地最?。?000—2020年，ESV經歷了先增加、后小幅減少、再增加的過程。具體來看，2000—2005年ESV增加了約^9.55億元，2005—2010年減少了約0.26億元，而2010—2020年增加了約19.04億元。在這一過程中，林地和水域面積的增加對ESV的增加起到了決定性作用。

3）從空間上來看，ESV高值區和較高值區主要集中在寧夏北部且圍繞水域分布；中值區主要集中在北部和南部且圍繞耕地和林地分布；較低值區和低值區圍繞高、中、低覆蓋度草地分布，覆蓋面較廣。

4）從單項ESV來看，2000—2020年調節功能占比最大，且以水文調節和氣候調節為主；調節功能、文化功能、供給功能中的水資源供給以及支持功能中的土壤保持和生物多樣性的ESV均增加，而供給功能中食物生產和原料生產及支持功能中的養分循環ESV均減少。

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