烏蒙山區土地利用變化及其對生態系統服務價值的影響

唐孝甲，唐學君,2*，張偉東

(1.國家林業和草原局華東調查規劃設計院，浙江 杭州 310019；2.中國林業科學研究院 林業研究所/國家林業和草原局林木培育重點實驗室，北京100091)

土地是人類社會建設發展、物資提供的基礎，也是陸地生態系統的重要載體[1]。根據人類活動需求，土地利用功能和結構不斷發生變化，進而在不同程度上改變了原有土地生態系統的結構和功能，最終導致土地資源承載能力和生態系統服務價值的變化。生態系統服務價值包括直接提供的物質產品，如糧食、木材等原材料，還涵蓋了不同土地利用類型提供的氣體、氣候調節，水源涵養和廢物處理等間接服務[2-3]。生態系統服務價值涉及生態經濟學、環境科學、生態學等多門學科，其科學、客觀估算是全球研究的熱點。1997年，Costanza等[4]提出生態系統服務價值的估算原理和方法；謝高地等[5]結合實際情況針對中國陸地生態系統提出單位面積不同土地利用類型的服務價值。在上述研究基礎上，我國眾多學者基于不同區域類型和不同土地空間尺度進行了生態系統服務價值研究，研究范圍包含全球、省域、市域、縣域等；研究對象包含流域、森林、濕地、河谷等不同生態系統[6-10]。本研究以樂山市為研究區，以2010～2016年間土地利用數據為基礎，根據具體情況，對其生態服務價值當量進行修正，估算其生態系統服務價值，在社會經濟快速發展的背景下，分析土地利用變化對生態系統服務價值的主要影響。

1 研究區概況

樂山市地處四川省中南部、四川盆地西南部、成都平原至川西南山地的過渡帶，屬于烏蒙山片區，是國家新一輪扶貧攻堅戰略的主戰場之一，國務院批準實施的《烏蒙山片區區域發展與扶貧攻堅規劃(2011～2020年)》明確了烏蒙山片區的戰略定位是“扶貧、生態與人口統籌發展創新區”和“長江上游重要生態安全屏障”。研究區地理坐標為102°55′～104°07′ E、28°25′～29°55′ N，南北長165 km，東西寬90～120 km，幅員面積12827 km2，占全省幅員面積的2.64%，在全省21個地市州中列第10位。市境地勢呈傾斜狀，西南高、東北低，地貌以山地為主，丘陵次之，平原較少；海拔高程320～4288 m。復雜多樣的地理環境和氣候條件，形成了豐富的土地利用類型。

2 數據與方法

2.1 數據來源

研究數據來源于樂山市國土資源局歷年統計數據、第二次土地利用調查數據庫，2011～2017年《樂山市統計年鑒》，2011～2017年《樂山市各區縣土地利用現狀數據集》，國家統計局以及中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn/first.asp)。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用變化分析 土地利用動態度是指在一定時間段內，某個區域的土地資源數量、種類及質量的變化情況，計算公式如下:

(1)

2.2.2 生態服務價值系數確定及修正

2.2.2.1 生態系統服務價值系數確定 本研究將結合研究區的實際情況，對單位生態系統服務價值當量表進行地理類型修正和經濟修正，得出生態系統單位面積服務價值當量表和服務價值系數表。

2.2.2.2 地理類型分區修正 地理類型分區主要是采用積溫和干濕度2項指標進行分區的，地理類型分區價值修正主要采用積溫、干濕度2個關鍵因子對生態系統服務功能進行校正。

(1)積溫修正

積溫越大，則生態服務功能所具有的價值越大。生態服務功能強度與積溫量呈線性關系，用積溫進行單位面積生態系統服務功能價值的校正，公式為：

(2)

(2)干濕度修正

干濕度越大，生態服務功能所具有的價值越低。生態服務功能強度與干濕度量呈線性關系，用干濕度進行單位面積生態系統服務功能價值的校正，公式為：

(3)

2.2.2.3 經濟發展度修正 考慮我國社會經濟和生產力發展水平具有國內區域差異和城鄉差異[10]，依據聯合國標準經濟分區參數——恩格爾系統進行修正，合理估算社會發展不同區域的生態服務功能價值。

2.2.2.4 恩格爾系數修正 恩格爾系數越大，生態服務功能價值越低。生態服務功能強度與恩格爾系數呈線性關系，用恩格爾系數進行單位面積生態系統服務功能價值的校正，公式為：

(4)

生態系統服務價值當量因子表定義1 hm2全國平均產量的農田每年自然糧食產量的經濟價值為1[11-12]，其他生態系統生態服務價值當量因子是指生態系統產生該生態服務相對于農田食物生產服務貢獻的大小，經過相關修正，得到單位面積生態系統服務價值當量表(表1)。

2.2.2.5 生態系統服務價值系數計算 確定1個生態服務價值當量因子的經濟價值量等于全國平均糧食單產市場價值的1/7，以此可將當量因子表轉換成生態系統服務價值系數表，公式為：

(5)

式中，VC為單位農田生態系統提供食物生產服務功能的經濟價值(元/hm2)；i為作物種類，p為i種糧食作物全國平均價(元/kg)；qi為i種糧食作物單產(kg/hm2)；mi為i種糧食作物面積(hm2)；M為糧食作物總面積(hm2)。

表1 修正后生態系統單位面積生態服務價值當量表

以樂山市2010～2016年主要糧食種類的平均產量為該區基準單產，糧食單價按每年糧食的平均市場價格為基準，并考慮沒有人力投入的自然生態系統提供的經濟價值是現有單位面積農田提供的食物生產服務經濟價值的1/7，根據公式(5)得出農田自然糧食產量的經濟價值約為1968.96元/hm2，即為本研究所采用的不同生態系統服務價值基準單價，再將基準單價與價值當量表相乘得到表2。

表2 各土地利用類型單位面積生態服務價值系數 元/(hm2·年)

2.2.3 生態服務價值計算 根據修正后的各土地利用類型單位面積生態服務價值系數，采用Costanza等[4]提出的方法確定樂山市生態系統服務價值：

(6)

式中，ESV為生態系統服務價值總量(元)；Ai為第i種土地利用類型的面積(hm2)；VCij為修正后第i種土地利用類型的第j種生態系統服務價值對應的價值系數[元/(hm2·年)]；i為土地利用類型，j為生態系統服務功能的類型。

2.2.4 生態服務價值敏感性指數 采用敏感性指數CS來驗證樂山市土地利用類型生態服務價值系數的準確性和生態系統服務價值總量對生態服務價值系數的依賴程度。若CS>1，ESV對CS敏感而富有彈性；若CS<1，ESV對CS不敏感且缺乏彈性。CS越小則取值越接近研究區的實際情況，計算公式為[13]：

(7)

式中，ESVj、ESVi分別為調整后和調整前的生態系統服務價值；VCj、VCi分別為調整后和調整前的生態服務價值系數；k為土地利用類型。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化特征分析

樂山市2010～2016年土地利用結構以耕地和林地為主，分別達到19%和56%。2010～2016年之間土地利用數量變化如表3所示，將研究期分為2010～2012年、2012～2014年、2014～2016年3個時間段，各時段土地利用類型面積均發生了變化，其中土地利用面積變化率最大的是園地，其用地面積總增加量為6394 hm2，動態度為13.08%，2012～2014年，其動態度變化較大；其次是其他農用地面積，總減少量4908 hm2，動態度為-0.44%；耕地、牧草地以及濕地以均衡且平穩的速度減少，動態度低，基本保持穩定；而林地增長面積最大，為9528 hm2，但由于林地基量大，因而其動態度并不明顯。園地、林地面積持續增加，變化率小幅度的先增后減；耕地、牧草地、其他農用地以及濕地面積持續下降，其中牧草地的變化率先增后減。

表3 2010-2016年土地利用類型面積及變化

3.2 生態系統服務價值評估結果

2010～2016年間各土地利用類型的生態服務價值(ESV)核算結果及變化情況如表4所示。樂山市的生態系統服務價值總量平穩增加，由2010年的377.88億元增加到2016年的383.35億元，增長幅度較小，變化率為1.45%。由變化率可知，樂山市生態系統服務經濟價值逐年增長幅度平穩。2010～2013年逐年增長率呈現穩定增長的趨勢，但2013～2016年的增長率下降了0.06%。林地、濕地和耕地是生態系統服務價值的主要貢獻者，三者貢獻量超過90%。林地面積基數大，ESV的增加量也較大，為4.1億元，變化率為1.44%，與生態系統服務價值總量變化率持平；濕地面積占地面積比例最小，但生態系統服務價值貢獻率較高，接近10%，由于氣候變化的原因導致濕地面積不斷減少，但變化率較低，因而ESV下降幅度小，變化率為-0.73%；耕地ESV隨面積的減少而下降了0.09億元，變化率為0.29%，達到最低；園地貢獻量較小，但隨著園地的開發和擴展，ESV增長量僅次于林地，為1.83億元，但變化率為各土地利用類型之最，為12.42%；牧草地和其他農用地ESV持續減少，變化率分別為0.50%和4.47%。耕地、林地、牧草地、濕地逐年變化率趨于穩定，變化率幅度均不超過0.1%；園地逐年變化率較高，最高達到3.64%，且變化率幅度較高；其中牧草地2012～2013年ESV無變化，其他農用地2010～2011、2014～2015年間ESV也無變化。

表4 2010～2016年生態系統服務價值評估

3.3 生態系統單項服務功能分析

2010～2016年生態系統單項服務功能價值的貢獻率排序為：水源涵養>土壤形成與保護>生物多樣性>氣體調節>氣候調節>廢物處理>原材料>娛樂文化>食物生產。由于單位面積內，林地與園地的土壤形成與保護、生物多樣性以及水源涵養的價值系數較高，林地面積占比較大，因而水源涵養、土壤形成與保護及生物多樣性生態服務功能占比較高，超過生態系統服務總價值的40%；氣體調節和氣候調節價值系數次于生物多樣性，且其他農業用地的氣體、氣候調節生態服務功能為零，因而兩者生態服務功能占比適中，接近25%；耕地面積較少，因而食物生產生態服務功能較低，僅為1.7%。另外，生態服務價值系數較高的林地、園地增長面積遠大于耕地、牧草地、其他農用地及濕地減少面積，因而各單項生態服務價值仍保持增長態勢，其中，食物生產、廢物處理生態服務功能增長率較低，其他生態服務功能增長率較均衡。

3.4 生態系統服務價值敏感度評價

敏感性指數是通過調整生態價值系數來顯示生態系統服務價值總量的變化程度，進而分析各土地利用類型變化對生態系統服務價值影響的重要程度。分別將樂山市各土地利用類型的生態系統服務價值系數(VC)上下調整50%，根據公式(7)計算得到敏感性指數(CS)。2010～2016年，樂山市各土地利用類型的生態服務價值敏感度均小于1，敏感度最高的為林地，達到0.75，因而林地對生態系統服務價值具有較高的敏感性,應切實加強林地資源保護和管理；敏感度最低的為其他農用地，為0.002；總之，不同年份各土地利用類型ESV對VC缺乏彈性，因此VC取值及修正是科學合理的。

4 討論與結論

(1)從整體來看，樂山市土地利用的特點為林地比重大，反映了該區典型的山區土地利用類型。2010～2016年土地利用變化特點集中表現為林地、園地面積增加，耕地、牧草地、其他農用地及濕地面積減少。該地區土地利用面積的變化主要來源于城鎮化和工業化的快速推進、建設旅游生態文化城市的戰略定位、災后恢復重建用地需求等，其土地需求量主要指向其他農用地。牧草地和濕地的減少是由于氣候變化和牧草地退化導致的。

(2)2010～2016年生態系統服務經濟價值總量整體呈增長趨勢，由2010年的377.88億元增加到2016年的383.35億元。樂山市的生態系統服務價值主要是由林地、濕地和耕地支撐，平均每年的生態系統服務價值超過總價值的90%，其中林地對生態系統服務價值的貢獻最大。生態服務價值系數較高的林地、園地的增長面積遠大于其他土地利用類型的減少面積，因而各單項生態服務價值仍保持增長態勢；各年份不同土地利用類型的生態敏感性系數均小于1，說明研究區生態系統服務價值系數取值及修正符合實際情況。

(3)研究區的生態系統服務價值在2010～2016年處于持續增長狀態，土地利用變化生態效益明顯，形成了與土地利用結構變化相對應的格局，體現了土地利用變化在生態環境方面的響應，符合當地生態發展和脫貧攻堅戰略目標。今后，在繼續加強林地資源保護的同時，也要注重濕地資源的保護；加強集中成塊耕地的保護，盡可能開發零散耕地，提高耕地利用率；優化園地、牧草地等土地利用類型，使各種土地利用更趨于多樣化。

(4)本研究采用的生態服務價值核算方法具有普適性，但在生態服務價值修正方法方面仍需不斷改進。由于研究數據來源于統計數據，因而各土地利用類型面積的變化欠缺直觀性，在今后研究中應借鑒類似研究引入遙感數據，進一步提升可視化分析，同時盡可能增加研究時間的跨度，提高生態系統服務價值損益變化的科學性，以此來體現人類活動對區域土地利用類型變化及生態系統服務價值的影響。