銅川市土地利用變化對生態系統服務價值的影響分析

譚 君，李世平

（西北農林科技大學 經濟管理學院，陜西 楊凌712100）

1997年，Costanza［1］和 Daily［2］等提出“生態系統服務功能是指生態系統與生態過程中所形成的，維持人類生存的自然環境及其效用”。它是通過生態系統的功能直接或者間接得到的產品和服務，是由自然資本的能流、物流、信息流構成的生態系統服務和非自然資本結合在一起所產生的人類福利［3］。作為全球環境變化研究的核心領域之一［4］，土地利用的變化必然引起各類生態系統類型、面積以及空間分布格局的變化，進而影響生態系統所提供服務的種類和強度，引起生態系統服務價值的變化［5］。而且單純地以經濟利益為目的調整土地利用結構，勢必會導致自然生態系統面積減少，系統生態服務減弱，影響自然生態系統服務和社會經濟系統可持續協調發展［6－7］。因此，研究土地利用變化情況下的區域生態系統服務價值變化具有重要意義［8］。目前，此類研究大多集中于時間序列上土地利用變化對生態系統服務總價值的影響，但對土地利用變化如何影響生態系統服務價值的空間變化及土地利用變化對生態系統服務總價值影響的定量研究較少。

1 研究區概況及研究方法

1.1 研究區概況

銅川市位于陜西省中部，黃土高原南緣，處于關中平原向陜北黃土高原的過渡地帶，是關中經濟帶的重要組成部分。介于東經108°34′—109°29′、北緯34°50′—35°34′。交通便利，是通往人文初祖黃帝陵及革命圣地延安的必經之地，距西安市區68km、距西安咸陽國際機場72km，西安至黃陵高速公路穿境而過，咸銅、梅七兩條支線鐵路與隴海大動脈相連。2011年銅川市總人口數為86萬，其中非農業人口45萬人，城鎮人口占全市總人口的53%，面積3 882 km2。全市下轄宜君縣、王益區、印臺區、耀州區和省級經濟技術開發區——銅川新區。

隨著銅川市經濟的快速發展和城市化水平的不斷提高，城市建設用地占用了大量的耕地，土地利用和城市景觀變化較大，引發了一系列的生態環境問題，導致土地生態系統的壓力越來越大。

1.2 數據來源

本文所采用的基本數據均來自銅川市國土資源局2006—2011年土地利用詳查及變更調查資料，其他統計數據來自銅川市統計局歷年社會經濟統計年鑒及公開出版物。根據研究需要以及實際情況，將銅川市的土地分為耕地、園地、林地、草地、水域、建設用地（包括居民點及工礦用地、交通運輸用地）和未利用地7種類型。

1.3 研究方法

本文以銅川市及其所轄3區1縣為研究對象，利用2006—2011年土地利用詳查及變更資料，采用土地利用類型動態度、生態系統服務價值動態度以及灰色關聯度指標計算分析其土地利用的時間變化和空間差異，生態系統服務價值的時間變化和空間差異，在此基礎上協調區域土地利用、改善和提高生態系統服務功能。

1.3.1 土地利用變化分析 土地利用變化幅度反映了不同土地利用類型在總量上的變化，可以了解土地利用變化總的態勢及土地利用結構的變化，其表達式為：

土地利用動態度可以定量描述區域土地利用變化的速度［9］，其表達式為：

式中：Ua，Ub——研究期初和研究期末某一種土地利用類型的面積；T——研究時段長，當T的時段設定為年時，K值就代表該研究區某種土地利用類型的年變化率。

土地利用相對變化率［10］是反映土地利用變化不同區域間差異的一種指標。其表達式為：

式中：Ka，Kb——某區域某一特定土地類型研究期初和期末的面積；Ca，Cb——整個研究區域某一特定土地利用類型研究期初和期末的面積。如果計算得出某區域某種土地利用類型的相對變化率R＞1，則說明該區域該種土地利用類型變化較全區域大，為整個研究區土地利用變化的熱點地區。

土地利用程度指數是衡量土地利用深度和廣度的指標，可以定量地表達區域土地利用的綜合水平以及變化趨勢［11］。土地利用程度指數的計算公式可以表示為［12］：

式中：L——土地利用程度綜合指數；Ai——第i級土地利用程度分級指數；Ci——第i級土地利用程度分級面積百分比；n——土地利用程度分級數。按照莊大方和劉紀元［12］的分級方法，可以將銅川市的土地分級情況表示為：未利用土地為1級；林地、草地和水域為2級；耕地、園地為3級；建設用地為4級。

1.3.2 生態系統服務價值評估方法 2003年，謝高地等［13］根據中國實際情況，參考 Costanza等［1］的研究成果，制定了中國不同陸地生態系統單位面積生態服務價值表，根據此表以及段瑞娟等［14］和冉圣宏等［15］的研究成果得出銅川市各土地利用類型單位面積生態系統服務價值（表1）。針對銅川市的具體情況，計算其生態系統服務價值的變化，估算公式為：

式中：ESV——生態系統服務價值；Ak——研究區中第k類土地利用類型的面積（hm2）；VCk——第k類土地利用類型單位面積的生態功能總服務價值系數［元／（hm2·a）］；ESVf——單項生態系統服務價值。

生態系統服務變差貢獻率是指某一區域生態系統服務價值變化總量中各種土地利用類型生態服務價值變化所占的比例。以此可以測算出各種土地利用類型對生態系統服務價值變化的影響程度。其表達式為：

式中：ESVcc——生態系統服務變差貢獻率；ESVkb，ESVka——第k類土地利用類型在研究期初和期末的生態系統服務價值。生態系統服務總價值相對變化率［16］是反映生態系統服務價值變化不同區域間差異的一種指標。其表達式為：

式中：Kva，Kvb——某區域生態系統服務研究期初和期末的總價值；Cva，Cvb——整個研究區域生態系統服務研究期初和期末的總價值。如果某區域生態系統服務總價值相對變化率Rv＞1，則表示該區域生態系統服務總價值變化較全區域大。

表1 銅川市各土地利用類型單位面積生態服務價值 元／（hm2·a）

1.4 各土地利用類型的生態系統服務價值與生態系統服務價值總量的灰色關聯分析

目前關于各土地利用類型與生態系統服務價值之間關系的研究多是定性的，而定量研究兩者之間的關系更有助于確定土地利用變化和ESV變化的關系，更準確地指出土地利用類型如何影響ESV。灰色系統理論是鄧聚龍于20世紀80年代首創的一種系統科學理論，它彌補了采用數理統計方法作系統分析時導致的缺憾。其計算方法和步驟如下：

首先將原始數據無量綱化，將其變換為可比較的數列。可用均值變換或初值化變換，本文采用均值變換。然后根據計算關聯系數ζ0k（t）的公式計算各因子間的關聯系數。

式中：ζ0k（t）——因素Xk對X0在t時刻的關聯系數；其中：

ρ為介于［0，1］區間上的灰數，本文取ρ＝0.5。最后根據ζ可以求出各個時刻關聯系數的平均值即關聯度γ0k：

式中：γ0k——比較數列Xk對參考數列X0的關聯度。若Xk與X0的關聯度最大，表示Xk是對X0影響最大的因素。

2 土地利用時空變化分析

2.1 土地利用現狀結構

2011年末銅川市土地總面積為388 481.2hm2，其中：農用地359 333.19hm2，占土地總面積的92.49%；建設用地23 719.25hm2，占土地總面積的6.11%；未利用地5 428.76hm2，占土地總面積的1.4%。農用地中耕地98 495.73hm2，占土地總面積的25.35%；園地20 001.4hm2，占土地總面積的5.15%；林地 202 772.46hm2，占土 地總面積 的52.19%；草地 35 280.28hm2，占土 地總面積 的9.07%；水域2 847hm2，占土地總面積的0.73%；未利用地5 428.76hm2，占土地總面積的1.40%。

2.2 土地利用類型的時間變化

研究區5a年來土地利用／覆蓋發生了較大的變化（表2）。從土地利用的變化幅度來看，園地、草地、水域和未利用地均減少，其中草地面積減少最多，為32 256.63hm2；耕地、林地以及建設用地均增加，其中林地面積增加最多，達23 349.42hm2。從土地利用動態度來看，耕地的增加速度最快，其次是林地，再次為建設用地，動態度分別為 3.81%，2.60%，2.13%；未利用地減少速度最快，達10.43%，然后依次為草地、園地、水域。

根據表2和公式（4），計算出研究區2006—2011年的土地利用程度情況（表3）。土地利用程度綜合指數的取值區間為100～400，如果所有土地利用類型都是未利用土地，土地利用的開發價值是100。通過表3數據可以發現，2006—2011年各種土地利用類型的總體開發程度在240左右，說明研究區的土地利用程度相對較高。

表2 2006－2011年銅川市土地利用／覆蓋變化

表3 銅川市2006－2011年土地利用程度指數

2.3 土地利用變化的空間差異

銅川市各區域土地利用相對變化情況見表4。耕地變化的熱點區域集中在王益區、印臺區和宜君縣，相對來說，耀州區耕地變化幅度較全區域小，原因可能是在銅川市多個耕地保護政策性文件的實施下，比值上占有最大數量耕地的耀州區受政策的阻力影響較大，耕地轉化較慢［17］。園地變化熱點區域主要集中在王益區和耀州區，王益區和印臺區林地的變化較大，草地變化的熱點區域在耀州區和宜君縣，水域的變化主要集中在王益區、耀州區和宜君縣，建設用地變化的熱點區域在耀州區和宜君縣，王益區和耀州區的未利用地變化較大。

2006—2011年，銅川市各區域耕地、園地、林地、草地、建設用地、未利用地均變化較大，原因在于農業內部結構調整和城市化的發展。利用土地利用程度變化模型計算分析了銅川市3區1縣的土地利用程度情況（表5），發現銅川市土地利用程度存在著明顯的區域差異。2011年銅川市的土地利用程度L＝241.32，其中最大的是王益區L＝277.11，最小的是宜君縣L＝231.14。王益區土地利用程度變化較大，大于研究區總體水平，土地利用處于較快發展期；耀州區和印臺區與研究區總體水平相當，宜君縣的土地利用程度相對較小。

表4 2006－2011年銅川市土地利用相對變化率 %

表5 2011年銅川市各區域土地利用程度指數

3 生態系統服務價值變化

3.1 生態系統服務價值的時間變化

根據公式（5）和（6），對2006—2011年銅川市不同土地利用類型的生態服務功能價值總變化以及單項生態服務功能價值的變化進行了分析，結果分別見表6和表7。如表6所示，2006—2011年的5a間，銅川市總體生態服務功能價值增加了4.12%，其中，林地的生態服務功能的貢獻率最大，其生態服務價值占總價值的比例從2006年的68.78%增加到74.65%。而草地面積的急劇減少顯著降低了其生態服務功能，對總體生態系統服務功能的增加具有負貢獻。由此可知，區域的生態系統服務功能價值量與當地的土地利用變化的關系極為密切，會隨著不同土地利用類型的相互轉化而發生變化。

銅川市生態系統單項服務功能價值ESVf的變化（表7）表明氣體調節、氣候調節、生物多樣性保護和原材料等近10種生態系統服務類型均有不同程度的增加，其中原材料增幅最大，變化率達9.68%，這主要是由原材料價值系數最高的林地面積增加而引起的。

表6 銅川市2006－2011年生態系統服務價值變化

表7 2006－2011年銅川市生態系統單項服務功能價值變化

3.2 生態系統服務價值的空間變化

表8表明，銅川市各區域的ESV值均在增加，其中，印臺區增加最多，達到6.568×107元，變化率為14.68%，并且王益區和印臺區的總ESV的變化幅度大于銅川市。耀州區和宜君縣雖然為土地利用變化的熱點區域，但由于建設用地的價值系數為負值，而耀州區和宜君縣所占有建設用地的數量又較其他兩區大，此外，園地和耕地的價值系數也遠遠小于水域的生態價值系數，而耀州區和宜君縣的水域變動很小，所以，耀州區和宜君縣非ESV變化的熱點區域。

表8 2006－2011年銅川市各區域生態系統服務價值變化

4 各土地利用類型生態服務價值與生態系統服務價值總量的灰色關聯分析

結合對土地利用變化情況的分析可以發現，由于生態系統服務價值系數的差異，土地利用變化對ESV的影響也存在相應的差異。各土地利用類型的變化與其對應的生態服務價值的變化趨勢是一致的。為了明確土地利用變化與ESV變化之間的關系，本文用灰色關聯模型對各土地利用類型生態服務價值與生態系統服務價值總量之間的關系進行了計算與分析。結果表明，各土地利用類型生態系統服務價值對于生態系統服務價值總量的關聯度的排序為：建設用地＞林地＞耕地＞園地＞水域＞草地＞未利用地。這表明建設用地和林地的生態系統服務價值對銅川市生態系統服務價值總量的影響最大，關聯度分別為0.941 1和0.894 5，由于這5a來銅川市的建設用地面積急劇上升，而建設用地對生態系統服務價值的影響是負面的，建設用地增加會對生態系統服務功能產生阻礙作用［18］，因此，伴隨著銅川市建設用地面積的急劇增加，對生態系統服務價值的影響也逐漸增加；而林地是所有土地利用類型中面積比重最大的。未利用地的生態系統服務價值對于生態系統服務價值總量的關聯度最低，為0.447 8，主要是由于未利用地的面積和其單位面積的生態系統服務價值系數都比較小，因此，在生態系統服務價值總量中所占比例較小。為了進一步提高整個銅川市生態系統服務價值，應該增加林地、園地、草地、水域面積，嚴格控制建設用地面積。

5 結論與討論

從時間變化上來看，銅川市在2006—2011年的5 a間，其土地利用結構發生了較大的變化：林地面積增加了23 349.42hm2，由于政府對“切實保護耕地、加強生態環境建設”政策的實施力度增強，耕地的面積也不斷增加；草地和未利用地面積則分別減少了32 256.63hm2和5 919.41hm2。土地利用結構變化引起了生態服務價值的變化，區域生態系統服務價值從335 750萬元增加到349 593萬元，其中，林地的貢獻率最大，建設用地面積的增加以及草地面積的急劇減少都對區域生態系統服務價值產生了負面的影響。在對區域生態系統單項服務功能價值變化的分析中可知，銅川市近10種生態服務類型的經濟價值量均有不同程度的增加，其中，原材料服務功能的價值比例上升最多。通過計算各土地利用類型生態系統服務價值對于生態系統服務價值總量的關聯度得知，建設用地和林地的影響最為顯著。為了進一步提高銅川市生態系統服務價值總量，需要限制建設用地面積的增長速度，切實保護林地、耕地、園地以及水域。

從空間差異上來看，王益區是耕地、園地、林地、水域和未利用地變化的熱點區域，而耀州區和宜君縣的建設用地變化較為明顯，其變化幅度均較全區域大。王益區也是研究區土地利用程度最大的地區，但單位ESV卻為各區域中最低，ESV增加率居中間水平，在今后的發展中應該嚴格控制未利用地轉為建設用地，保持耕地面積，增加林地、草地和水域的面積。印臺區在各區域中土地變化率最低，且其ESV值相對于總ESV值變化率最高，即ESV增加率最高，說明從生態效益的角度看，該區的土地利用結構較為合理。

生態系統服務價值是一個可以用來衡量區域生態環境質量的綜合指標，其大小取決于生態系統服務類型和其單位面積生態系統服務價值系數，而不同的研究區域鑒于其自身的自然條件等因素的影響，其單位面積的生態系統服務價值系數也不盡相同，本文采用的謝高地等人的研究成果，對于銅川市來講，是存在一定誤差的。此外，對生態系統服務價值的研究難于精確預算，若要較為準確計算生態系統服務價值，還需要運用經濟學、生態學等相關學科知識進行更為深入的研究。

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