退耕還林前后甘肅正寧縣生態系統服務價值的時空變化特征

申建秀，王秀紅，劉 羽，張 偉，姚麗娜

（1.中國科學院 地理科學與資源研究所，北京100101；2.中國科學院研究生院，北京100049；3.杭州師范大學理學院／遙感與地球科學研究院，杭州311121；4.浙江省城市濕地與區域變化研究重點實驗室，杭州311121）

土地利用／土地覆被變化是人與自然關系最為密切的環節，可以引起許多自然現象和生態過程的變化，在全球環境變化中具有重要的作用，對生態系統服務功能起著決定性的作用[1]。分析和評價土地利用變化所誘發的生態與環境問題既是國際可持續發展研究的熱點之一，也是當前土地管理科學、環境科學及生態科學的交叉前沿領域[2]。生態系統服務是指通過生態系統的結構、過程和功能，直接或間接得到的生命支持產品和服務[3]，其價值化已被廣泛運用在理解和探討人類的可持續發展研究中[4]。我國的西北退耕還林區多為生態環境脆弱的區域，自1999年開始實施退耕還林工程以來，土地利用變化劇烈。深入研究該區域土地利用變化引起的生態系統服務功能價值的變化，有助于提高我們對退耕還林政策實施效果的認識，進而為宏觀政策的完善和微觀土地利用行為的選擇提供科學依據。現有對退耕還林區生態系統的研究多從農作物生產穩定性[5]、生態格局安全[6]、人口密度變化[7－8]等方面入手進行研究，而對退耕還林工程實施前后區域生態服務價值時空變化研究不足。本文以甘肅省正寧縣為例，對其退耕還林工程實施前后（1995—2010年）土地利用變化引起的生態服務價值的時間變化和空間變化進行分析，以期為我國西北地區退耕還林政策的完善和區域土地資源的可持續利用提供有益的參考。

1 研究區概況

甘肅省正寧縣位于甘肅省東南端，地處我國黃土高原溝壑區，總面積1 319.5km2，介于東經107°56′20″—108°38′08″、北緯35°14′40″—35°36′18″。地勢東北高，西南低，平均海拔1 460m，地形東寬西窄，略呈三角形，東西長63.5km，支黨河和四郎河流經縣域中西部。正寧縣屬溫帶大陸性半濕潤氣候，全縣年平均降水量598.9mm，年平均日照時數2 682.3 h。全縣有大小不等溝壑1 200多條，約占總面積的82%，主要集中在東北部及子午嶺一帶，這些溝壑侵蝕十分嚴重。為了進一步分析正寧縣ESV空間分異特點，本文結合正寧縣地形特點和土地利用狀況，以行政鄉界為依據，將東部子午嶺一帶溝壑嚴重的月明鄉、西坡鄉、五頃塬回族鄉和三嘉鄉劃分為東部地區；將農村居民點分布廣泛的永正鄉、山河鎮、永和鎮、湫頭鄉以及羅川鄉東部劃分為中部地區；將地處平坦區的周家鄉、宮河鎮、榆林子鎮以及羅川鄉西部劃分為西部地區。

2 數據來源

研究區1995年、2000年兩期土地利用圖來自中國科學院資源與環境數據庫中1∶10萬土地利用數據；2010年Landsat TM影像來自美國地質調查局（USGS）網站。在ENVI和ArcGIS軟件平臺的支持下，將2010年遙感影像與已有的1995年和2000年土地利用類型圖進行坐標匹配，實現縣界與圖像套合。并參考1995年、2000年土地利用分類方案，結合正寧縣的實際情況，將研究區土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水域、工礦及居民點用地（建設用地）、未利用地6種一級地類以及相應的16種二級地類。根據土地利用調查規程的遙感解譯最小圖上面積規定，通過專家目視人工解譯成圖、建庫，得到研究區2010年土地利用現狀；研究區1995年、2000年、2010年糧食單產量的統計資料來源于甘肅農村年鑒（1996—2009）；全國2000年凈初級凈生產力（Net Primary Productivity，NPP）數據來自于中國科學院資源環境科學數據中心。

3 研究方法

3.1 研究區生態系統服務功能價值的核算

區域生態服務價值是定量表征區域生態系統服務功能的重要指標[9]。本文以Costanza等的研究成果為基礎[3]，根據相關專家對我國陸地生態系統服務價值的實際計算結果[10]，計算研究區各土地覆被類型單位面積的生態價值。由于中國不同陸地生態系統單位面積生態服務價值表是以全國平均水平狀況下的農田每年自然糧食產量的經濟價值為基準的，直接用于研究區3期生態服務價值的計算并不合理，因此本研究在謝高地等[11]的研究成果基礎上進行了進一步的空間、時間和地類的校正，使之更適合研究區域不同年份相應地類的實際情況。

（1）生態系統服務價值核算方法。計算區域生態系統服務價值的公式如下[12－13]：

式中：ESV——生態系統服務價值；Ak——研究區第k種土地利用類型的分布面積；VCk——生態服務功能價值指數，即經過時空和地類校正后的單位面積的生態系統服務價值。

（2）生態系統服務價值參數。第一是空間校正。根據師慶三等的研究成果，NPP與生態系統服務價值之間具有良好的線性關系[14]，因此，本文以空間校正是以全國2000年NPP為基礎，在ArcGIS支持下，在配準后的全國數據基礎上進行裁切獲得研究區數據，進而進行全國和研究區生態系統平均生物量的計算；第二是時間校正。因糧食產出量與生態系統各要素關系密切，具有生態服務價值代表性，所以本文通過1995—2000年、1995—2005年、2000—2010年3個時間段糧食單產均值的比值來確定各期生態系統單位面積生態服務價值的校正系數；第三是地類校正。由于研究區是我國西北黃土溝壑區退耕還林的代表區域，林地、草地的二級地類對生態系統生態服務價值的影響較大，本文適當調整了相關文獻中的計算參數。其中，有林地、灌木林地、其他林地的調整系數依據唐秀美等[15]經過專家問卷調查法得到的林地生態系統服務價值系數調整表進行校正；高覆蓋率草地、中覆蓋率草地、低覆蓋率草地的調整是在把高覆蓋率草地系數設為1的基礎上，根據相應草地的地類覆蓋率系數[16]比值得到。

3.2 生態服務價值質心計算

由于地理事物分布的分散性，無法以它們的實際位置計算其重心，通常將研究區劃分為若干小區，以各小區代表點坐標作為該小區的位置。本文中根據研究區土地利用劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地5個區，利用ArcGIS中Spatial Analyst Tool模塊的Zonal Geometry as Table命令分別計算出3期各地類的景觀幾何中心坐標和研究區的幾何中心，根據地理事物重心的計算公式[17－18]計算研究區ESV重心：

3.3 敏感性分析

參照相關研究成果[2]，應用經濟學中常用的彈性系數概念來計算價值系數的敏感性指數（coefficient of sensitivity，CS），以確定生態系統服務價值隨時間的變化情況對價值系數變化的依賴程度。如果CS＞1，表明ESV相對于VC是富有彈性的；如果CS＜1，ESV則被認為是缺乏彈性的，比值越大，表明生態服務功能價值指數的準確性越關鍵。計算公式為：

式中：ESV——估算的總生態系統服務價值；VC——生態價值系數；i，j——初始總價值和生態價值系數調整以后的總價值；k——各土地利用類型。

4 結果與分析

4.1 土地利用變化分析

由正寧縣退耕還林前后15a的土地利用結構變化情況來看（表1），耕地、林地、草地為研究區的主要地類，其中耕地占總面積比重最大，說明正寧縣是以種植業為主導發展的。耕地和水域面積一直在減小，且2000—2010年減小的幅度明顯大于1995—2000年的減小幅度。其中，耕地在退耕前表現為輕微減少趨勢，由46.5%減少到45.5%，在退耕后耕地面積又大幅度降低到2010年的41.3%，前后共減少了7 072.9hm2。在退耕還林工程實施前的1995年到2000年，面積減小的地類為有林地、灌木林地、水域和耕地，灌木林地減小速度最大，為－3.46%。同時，面積增加的地類為其他林地、草地、建設用地。因黃土溝壑區草地主要來源于未成林的林地和退化后的耕地、水域，建設用地的增加占用的是平原耕地，說明這期間研究區的生態環境受到了一定程度的干擾。退耕還林工程實施后的2000年到2010年，有林地以9.16%的年均速度大幅度增加，表明退耕還林效果明顯。建設用地比例較小，但一直保持一定的增長速度。

表1 正寧縣土地利用面積變化和年變化率 %

綜上，從整個研究期來看，退耕還林工程的實施和人口增長、人們生活生產條件的不斷改善促使當地耕地和水域面積不斷減少，建設用地不斷增加，同時林地面積的變化表現為先減后增。

4.2 生態系統服務價值的時序變化分析

（1）各地類生態系統服務價值的變化。在退耕還林工程實施前的1995—2000年間，林地、耕地、水域、的生態服務價值明顯減少，其中灌木林地變化最為顯著，5a間減少了19.97%，且在研究區內的ESV價值比例下降了4.07%。耕地面積的減少導致了耕地生態服務價值的減小，減小幅度為5.39%，但其在比重上有所增加，歸因于毀林造田過程中林地生態服務價值比重的減小。正寧縣ESV總價值由1995年的15.523億元／a減小到2000年的14.512億元／a，共減少了6.512%，說明在退耕還林工程實施前，正寧縣的土地利用變化不利于整體生態服務價值的提高。退耕還林工程實施后的2000—2010年間，有林地ESV增加明顯，價值幅度上增加了117.98%，比重上增加了17.23%。生態條件的改善保證了耕地和水域ESV的增加。由于耕地和水域面積的不斷減少，以及林地ESV的顯著增加，二者在正寧縣總ESV中的比重也有所下降。從整個研究期來看，正寧縣總生態服務價值先減少（－6.512%）后增加（29.369%），15a間的增加幅度為20.94%，說明正寧縣在實施退耕還林工程以后，土地利用變化向著可持續性增強的方向發展。

我國競爭中立制度的實施策略應采取一種逐步推進的模式:首先在自由貿易試驗區進行試點實踐，然后在全國范圍內逐步推廣，最后在國際經貿協定中廣泛適用。

表2 1995年、2000年、2010年正寧縣各地類生態服務價值變化

圖1 1995年、2000年、2010年正寧縣各單項生態服務價值構成情況

（2）單項生態系統服務價值（ESVj）的變化。在退耕還林工程實施前的1995—2000年間，所有單項生態服務價值均不同程度的減少，主要由林地面積的減少和耕地退化所致。退耕還林工程實施后的2000—2010年間，除食物生產功能外，所有單項功能價值均明顯增加，比重最大的是土壤形成與保護功能價值，為18.67%；幅度最大的是娛樂文化功能價值，為48.35%（圖1）。在正寧縣3期單項生態服務價值中，土壤形成與保護功能和生物多樣性功能比重最大，變化幅度劇烈；娛樂文化功能比重最小但變化幅度很大；食物生產功能價值比重小且隨土地利用變化而變化的幅度也小。說明地處黃土溝壑區的正寧縣在進行土地利用時已經把生態價值放在重要位置。

4.3 生態系統服務價值的空間分異

由2010年正寧縣單位面積生態系統服務價值空間分異圖（圖2）可以看出：正寧縣東部溝壑嚴重地區生態服務主要由林地和耕地提供。相對于中部地區和西部地區，其有林地和灌木林地的比較優勢最為突出，這說明該區今后應以生態保護為主，發展成為正寧縣的生態涵養區。中部地區與西南部地區的情況比較相似，主要表現為耕地的生態服務優勢較大。因中部地區人口密度相對大，又有支黨河、四郎河過境，應加強中部地區的農田水利基礎設施建設，保證農業縣的糧食安全。西部地區地勢相對平坦，水源充足，但因正寧縣西南地區耕地被開墾因而無法充分利用，林地又無法被有效保護的現象很多，致使各項生態服務價值均偏低，所以，應注重對該區域內土地利用結構的優化配置，加大退耕還林工程的實施力度，從而發揮西南部最大綜合效益。

正寧縣西、東、中部地區不同的土地利用空間組合造成了3個地區不同的功能分異，也使得不同地區單位面積的生態服務價值差異明顯。退耕還林前后的3個年期，正寧縣單位面積的ESV按區排序均為東部地區＞中部地區＞西部地區（表3），因為研究區東北山地溝壑區的地類受人為干擾程度要小于西南相對平坦地區，東部地區有林地、灌木林地若能得到有效保護，就能夠充分發揮其生態服務功能。中部地區人口相對集中，對地類的干擾程度較大，單位面積ESV低于受人類干擾程度小的東部地區，通過確保該地區耕地的充分利用和合理開發，才能充分發揮該地區的生態服務功能。西部地區土地利用結構沒有得到科學配置，削減了其單位面積的生態服務價值。

圖2 2010年正寧縣生態系統服務價值的空間分異

表3 正寧縣西、中、東部地區單位面積ESV變化

4.4 生態系統服務價值的質心變化

由正寧縣退耕還林前后生態服務價值質心轉移跟蹤方位示意圖（圖3）可知，正寧縣生態服務價值質心在整個研究期內先向西南方向遷移，后又向東南方向遷移。1995—2000年向西南方向遷移了323.78 m，2000年至2010年向東南方向偏移了486.50m，1995—2000年向東南偏移了272.45m，整體表現出“東進南下”的趨勢。

圖3 退耕還林前后正寧縣生態服務價值質心轉移跟蹤方位示意圖

研究區的生態服務價值質心與其幾何中心并不匹配，這表明研究區的生態服務價值在空間分布上不均衡，可以通過正寧縣西南部、中、東部地區的3a期單位面積ESV變化來體現（表3）。

追蹤正寧縣ESV質心的遷移，在退耕還林工程實施前，因不合理的土地利用，使得正寧縣各區單位面積生態服務價值均下降，東部地區減小8.24%，明顯大于西部地區和中部地區的凈減小幅度，使得正寧縣的ESV質心向西南方向移動，是一種不可持續的遷移。退耕還林工程實施后，各區單位面積生態服務價值增加明顯，東部響應最大，凈增加32.74%，西部凈增加16.04%，因各區單位面積ESV增加幅度上的不平衡，使得質心在退耕還林工程實施后向增加幅度大的東南方向遷移，土地利用配置并沒有達到最優。

4.5 敏感性指數分析

根據CS計算公式，本文將各地類土地利用類型的價值指數分別調整50%，計算出研究區1995，2000，2010年3期各地類的敏感性指數，來衡量總生態系統服務價值的變化。結果表明，ESV對VC的敏感性指數均小于1，最高值是2010年期的水域0.088。這表明在2010年，當水域的VC增加1%時，相應的ESV增加0.008%。敏感性分析的結果表明，研究區內ESV對VC缺乏彈性，基于謝高地[11]價值系數校正的生態系統服務功能價值核算結果在本區域內是可信的。

5 結論

（1）在退耕還林工程實施前的1995—2000年，面積減少的地類為有林地、灌木林地、水域和耕地，面積增加的地類為其他林地、草地、建設用地。退耕還林工程實施后，有林地面積大幅度增加，是退耕還林的明顯成效。

（2）正寧縣在實施退耕還林工程前后，總生態服務價值表現為先減少（－6.512%）后增加（29.369%）。表現在地類上為：退耕前各地類ESV比重大小排序為耕地＞灌木林地＞有林地＞中覆蓋率草地＞其他林地＞高覆蓋率草地＞水域＞低覆蓋率草地＞建設用地，退耕后各地類ESV比重大小排序為有林地＞耕地＞灌木林地＞其他林地＞中覆蓋率草地＞水域＞低覆蓋率草地＞建設用地，有林地在比重和幅度上的顯著提高是退耕還林工程的體現。由于地處黃土溝壑區，正寧縣所提供的生態服務功能以生物多樣性保護、土壤形成與保護、氣體調節、水源涵養為主，食物生產和娛樂文化功能比重最小。

（3）追蹤正寧縣生態服務價值質心的遷移，在退耕還林工程實施前的1995—2000年向西南方向偏移，退耕工程實施后的2000—2010年向東南方向偏移，縣域單位面積的ESV明顯增加。正寧縣應在保持已有的退耕還林成果基礎上，進一步加強中部地區農業基礎設施的建設，控制建設用地擴張，優化種植結構，擴大中部地區耕地的生態服務價值。此外，應重視西南部邊際耕地的退耕和防護林工程的建設，優化土地利用結構，發揮西南部最大的綜合效益。

（4）敏感性分析的結果表明，研究區內的生態系統服務價值（ESV）對于生態價值系數（VC）的敏感性指數均小于1，說明基于謝高地價值系數校正后的生態系統服務功能價值核算結果在本區域內具有較高的可信度。

[1]Semwal R L，Nautiyal S，Sen K K，et al.Patterns and ecological implications of agricultural land－use changes：a case study from central Himalaya，India[J].Agriculture，Ecosystems＆Environment，2004，102（1）：81－92.

[2]Kreuter U P，Harris H G，Matlock M D，et al.Change in ecosystem service values in the San Antonio area，Texas[J].Ecological economics，2001，39（3）：333－346.

[3]Costanza R，d′Arge R，De Groot R，et al.The value of the world＇s ecosystem services and natural capital[J].Nature，1997，387（6630）：253－260.

[4]Bingham G，Bishop R，Brody M，et al.Issues in ecosystem valuation：improving information for decision making[J].Ecological Economics，1995，14（2）：73－90.

[5]張應龍，謝永生，李曉，等.黃土溝壑區主要糧食作物生產穩定性及成本效益分析[J].水土保持通報，2010，30（4）：201－204.

[6]付艷玲，張曉萍，陳鳳娟，等.黃土區退耕背景下土地利用／覆被格局現狀調查研究[J].水土保持研究，2010，17（6）：81－86.

[7]王海鴻，馬瓊，付士波，等.西北干旱半干旱區耕地面積變化與人口—經濟發展的相關關系研究：以甘肅省為例[J].干旱區資源與環境，2011，25（1）：74－79.

[8]Shoshany M，Goldshleger N.Land－use and population density changes in Israel—1950to 1990：analysis of regional and local trends[J].Land Use Policy，2002，19（2）：123－133.

[9]冉圣宏，李秀彬，呂昌河.土地覆被及生態服務價值變化的多時間尺度模擬：以四川省漁子溪流域為例[J].地理學報，2006，61（10）：1113－1120.

[10]陳仲新，張新時.中國生態系統效益的價值[J].科學通報，2000，45（1）：17－22.

[11]謝高地，魯春霞，冷允法，等.青藏高原生態資產的價值評估[J].自然資源學報，2003，18（2）：189－196.

[12]張偉，張宏業，王秀紅，等.伊犁新墾區土地利用變化及其對生態系統服務價值的影響[J].資源科學，2009，31（12）：2042－2046.

[13]宋宏利，張曉楠，倫更永.冀南土地利用變化對區域生態服務價值的影響分析[J].水土保持研究，2011，18（1）：236－238.

[14]師慶三，王智，吳友均，等.新疆生態系統服務價值測算與 NPP的相關性分析[J].干旱區地理，2010，33（3）：427－432.

[15]唐秀美.北京市土地利用生態分類與格局變化研究[D].北京：中國科學院研究生院，2011.

[16]中華人民共和國土資源部.第二次全國土地調查技術規程（中華人民共和國土地管理行業標準[S].TD／T1014—2007）.北京：2007.

[17]徐映雪，任志遠，張文梅.基于GIS的陜西省耕地與人口空間變化分析[J].干旱地區農業研究，2008，26（3）：216－221.

[18]許月卿，李雙成.我國人口與社會經濟重心的動態演變[J].人文地理，2005（1）：117－120.

[19]李秀彬.地區發展均衡性的可視化測度[J].地理科學，1999，19（3）：254－257.

[20]He Y，Chen Y，Tang H，et al.Exploring spatial change and gravity center movement for ecosystem services value using a spatially explicit ecosystem services value index and gravity model[J].Environmental Monitoring and Assessment，2011，175（1）：563－571.