基于土地利用變化的生態系統服務價值及其改善效果研究
——以內蒙古自治區為例

李佳鳴,馮長春,*

1 北京大學城市與環境學院，北京 100871 2 國土資源部國土規劃與開發重點實驗室，北京 100871

生態系統服務指生態系統與生態過程形成及維持的人類賴以生存的自然環境條件與效用,分為供給服務、調節服務、支持服務和文化服務等[1-3]。土地作為人類生產、生活的載體,一方面土地利用模式直接影響生態系統提供的服務種類與供給程度;另一方面,土地覆蓋變化也會驅動生態系統服務功能的改變[4- 6]。有關土地利用與生態系統服務關系的研究主要聚焦于兩方面：其一為利用土地覆蓋類型量化生態系統服務價值(ESV,ecosystem services value),歐陽志云[7]、謝高地[8- 10]以Costanza[3]等人研究成果為基礎,構建了生態系統服務評估單價體系,之后學者引入月度凈初級生產力、物價修正系數、生態干擾度等指標,以土地利用為基礎的生態系統服務價值量化框架不斷被完善[11- 15];其二為評估土地利用變化與生態系統服務的動態響應,如土地利用/土地覆蓋變化與氣候調節[16- 17]、固碳釋氧[18- 19]、水土保持[20- 23],以及娛樂和美學價值[24]等生態服務功能存在高度相關性,依據土地退化面積、土地利用空間格局的改變估算生態系統服務變化量,為土地管理與生態空間管控提供指導[6,25-30]。

探究土地利用變化對生態系統服務的影響可以作為連接生態過程和城市化等人類活動進程的手段[27-28,30-32],生態恢復效果對區域生態系統服務空間格局的評價與預判起重要反饋作用。當前有關生態系統服務功能評價的研究往往只利用截面數據,生態系統服務價值的改善僅作為土地管理政策的提出依據獨立于評價方法,形成一些生態管控措施與評價結果不匹配的現象。基于此,本研究以內蒙古自治區為研究區,提出一種將生態系統服務價值改善效果納入生態服務功能評價框架的分級方法,使評價結果可以更為有效地引導和協調土地資源合理配置與生態空間管控。具體而言,本研究的主要目標包括：(1)估算研究區土地利用變化對靜態生態系統服務價值的影響,對2005—2015年內蒙古各類型生態系統服務的動態改善效果以及各盟市生態系統服務價值的空間差異進行定量分析;(2)引入生態系統服務價值相對變化率重構生態系統服務價值空間格局,依據分級結果識別生態改善效果與生態系統服務高、低值區對應關系,提出區域生態改善建議。

1 研究區概況

圖1 內蒙古自治區高程圖Fig.1 Evaluation of Inner Mongolia Autonomous Region

本文以內蒙古自治區為研究對象,從省域與市域尺度評價生態脆弱區的生態系統服務價值。內蒙古自治區地域遼闊,位于37°24′—53°23′N,97°12′—126°04′E之間,呈狹長狀橫貫我國東北、華北和西北地區,土地面積約118.3萬km2;地勢由南向北、西向東傾斜,大部分地區的海拔位于1000—1500 m(圖1);氣候以溫帶大陸性季風氣候為主,從東至西依次涵蓋溫帶濕潤區、半濕潤區、半干旱區、干旱區和極端干旱區;年降水量約30—500 mm,由東北向西南遞減[24];地貌類型呈現出高原、山地、平原、高原帶狀分布的格局;土地利用類型存在地域分異,東部地區以林地與耕地為主,中部與南部地區分布著草地,西部則以裸地為主。

作為我國北方典型的農牧交錯帶區域,內蒙古土地利用政策從大面積開墾草地和林地以滿足經濟發展需求逐步過渡為現階段 “生態優先”的發展路徑[33],土地利用與生態系統格局均發生了較大改變,通過退耕休牧、還林還草、風沙源治理、生態移民、封育輪牧等生態管控措施,內蒙古草地退化與土壤侵蝕有了一定程度的改善[24,33- 35]。

2 數據與研究方法

2.1 數據來源

本研究使用的2005年、2010年與2015年內蒙古土地利用數據來自中國科學院地理科學與資源研究所,地類分為耕地、林地、草地、水域、城鄉工礦居民用地、未利用土地6個一級類型以及25個二級類型,空間分辨率為30 m×30 m,精度達到90%以上;高程信息來自美國航天飛機雷達地形測繪數據(SRTM,http://srtm.csi.cgiar.org);用于生態系統服務價值核算的農作物播種面積、產量數據和CPI指數來自《內蒙古統計年鑒(2016)》;內蒙古農作物凈利潤指標來自《全國農產品成本收益資料匯編》。

2.2 研究方法

2.2.1靜態生態系統服務價值

采用當量因子法評估內蒙古及各盟市的ESV,步驟為標準當量價值量的確定、不同土地類型下單位面積價值表的構建和靜態價值計算。

(1)標準當量的確定與修正：1單位標準當量的價值量指1 hm2平均產量的耕地每年糧食產量的貨幣價值[8- 10],一般將單位面積耕地稻谷、小麥和玉米的凈利潤作為1個標準當量因子的生態系統服務價值量[10]。以往研究對ESV的量化僅使用靜態指標,考慮到年際影響與融入ESV改善時存在的價格變動,本研究使用CPI指數對多年凈利潤平均值確定的標準當量進行修正,方法如下：

(1)

式中,D為1個標準當量因子的生態系統服務價值量(元/hm2);Sri、Swi和Sci為第i年稻谷、小麥和玉米的播種面積占三種作物總面積百分比;Fri、Fwi和Fci為第i年全國稻谷、小麥和玉米的單位面積平均凈利潤(元/hm2);αi為第i年相較于基年的CPI修正系數。經計算,內蒙古自治區2005—2015年平均價值量為2725.19元/hm2,物價修正后D值為1587.01元/hm2。

(2)不同土地利用類型的靜態ESV：以研究區2005年、2010年和2015年3期土地利用數據為基礎計算ESV變化量。將內蒙古生態系統服務分為供給服務、調節服務、支持服務和文化服務共4類11子類。根據研究區自然環境,結合謝高地[10]制定的中國陸地生態系統當量表對生態系統服務價值系數進行修正。其中,耕地使用農田生態系統當量因子;研究區有林地、疏林地和其他林地處于歐亞針葉林植物區,同時受歐亞草原植物區和東亞闊葉林植物區的影響[36],取針葉、針闊混交與闊葉生態系統當量因子的平均值;草地方面,高覆蓋度草地分布于大興安嶺東西兩麓,以林緣草甸與草甸草原為主,選擇草甸草地當量因子,中、低覆蓋度草地選擇草原草地當量因子[37-38];土地利用為河渠、湖泊和水庫坑塘的選擇水域當量因子,灘地與沼澤地選擇濕地當量因子;沙地、戈壁、鹽堿地和其他用地的選擇荒漠當量因子,裸土地和裸巖石質地選擇裸地當量因子;城鎮用地、農村居民點與其他建設用地的當量因子設為0。上述土地利用類型下的生態系統服務當量因子與D值相乘得到內蒙古自治區單位面積生態系統服務價值系數表(表1)。計算研究區的生態系統服務價值如下式：

(2)

式中,Ak為土地利用類型為k的面積;VCk為單位面積生態系統服務價值系數;ESV(f)為第f項生態系統服務功能價值;VCfk為第f項生態系統服務功能單位面積生態系統服務價值系數。

2.2.2生態系統服務價值相對變化率

本研究提出雙維度下的ESV相對變化率計算方法：其一為區域維度上的相對變化率Ri;其二為單項生態服務功能維度上的相對變化率R(f),兩指標用于分析空間和功能尺度上ESV的增減趨勢,以反映生態改善效果,公式如下：

表1 研究區各土地利用類型單位面積生態系統服務價值系數/(元 hm-2 a-1)

(3)

式中,Ri為區域i的ESV相對變化率,Lt+j、Lt分別為區域i在t+j與t期的局部ESV,Ct+j、Ct分別為t+j與t期的總體ESV。R(f)為第f項ESV相對變化率,其他指標解釋同式(2)。|R|>1表示區域i或第f項生態服務功能的ESV變動幅度大于研究區整體變化幅度;|R|≤1表示區域i或第f項生態服務功能的ESV變動幅度小于等于研究區。R值的正負表示區域i或第f項ESV變化方向與研究區變化方向的一致性。

2.2.3生態服務功能分級評價

研究區生態系統服務價值格局的研究單元應反映該單元多類生態系統的ESV,采用ArcGIS塊統計對90 m×90 m內的各單項ESV進行求和,基于R(f)對研究區各單項ESV的修正,得到各研究單元ESV改善情況,公式如下：

(4)

經R(f)修正后,高ESV*值表明該地區ESV改善效率較高,當前生態管控措施下生態恢復效果顯著;低ESV*值表明該地區生態系統服務的提升能力較差,ESV改善效果甚微,需調整地區的生態管控措施。因此,將ESV*指標納入生態服務功能評價框架可實現對部分高ESV且生態改善趨勢明顯,以及低ESV且生態不斷惡化地區的關注,有利于決策者協調各地區的生態管控強度,實現對同一ESV地區內等級的細分。具體方法為利用分位數斷點對供給、調節、支持、文化與ESV改善5項數據分級賦值,形成低、較低、一般、較高、高五個等級。

(5)

由上述5項分級結果,利用式(5)進行綜合評價。Scorei為i單元ESV等級值;ki(p)、ki(r)、ki(s)、ki(c)、ki(im)分別為供給、調節、支持、文化與生態恢復效果等級值。利用ArcGIS空間分析,將Scorei重分類為低與較低區間內的土地單元歸類為低生態價值區,高與較高區間內的歸類為高生態價值區,形成基于不同生態服務功能與生態恢復效果的綜合分區。

3 實證結果

3.1 生態系統服務價值時空變化

內蒙古ESV的絕對量方面,氣候調節與生物多樣性提供的生態價值較高,水資源供給與維持養分循環相對較小。2005—2015年間,內蒙古生態系統服務價值實現增長,從2005年的17069億元增長至2015年的18667億元,ESV變化率達9.36%(表2)。其中,2005—2010年生態系統服務供給能力輕微減少,體現在凈化環境功能、水文調節功能提供程度的下降;2010年以來,除氣候調節功能外,其余生態系統服務價值呈增加趨勢,水資源供給、水文調節、生物多樣性維護和美學景觀功能改善明顯,ESV的增加率達到15%以上。

表2 2005—2015年研究區生態系統服務價值變化

通過土地利用轉移矩陣揭示ESV變動的影響機制(表3),結果表明：研究區的土地退化主要體現為草地面積的減少與其他用地面積的增加。草地與未利用地的相互轉化、草地向林地與水田的轉化面積均占總轉移面積的10%以上,4項累計占比達60.8%。其中,草地退化為荒漠與裸地的凈面積達到25239.93 km2,土地沙漠化成為制約研究區氣候調節與土壤保持的主要因素。另一方面,研究區的生態恢復體現為水域、灘地、沼澤地面積的增加,與旱地比重的下降,這些土地利用變化使水資源的供給和養護能力大幅提升。城鎮空間與生態空間的協調方面,除耕地與草地外,各類其他用地轉換為城鎮用地的占比均小于1%,城鎮用地的凈轉入面積也在所有用地類型中為次小項。結合區內生態政策可知,隨著退耕還林、退草還林等生態過程對森林保有量與生物多樣性的增加,林地與水域的生態恢復有序推進,研究區生態系統服務價值的提升源于生態空間的增加和用地結構的優化,城鎮空間對生態空間的侵占得到較好控制,但草地退化仍是自治區當前的主要生態問題。

3.2 生態系統服務價值改善效果分析

圖2與圖3分別顯示內蒙古自治區12個盟市的Ri值,與各單項生態服務功能的R(f)值。就空間差異性而言,2005—2015年內蒙古自治區的ESV變化呈現空間分布不均衡的格局。呼倫貝爾市、興安盟與赤峰市的ESV變化與研究區整體水平一致。其中,呼倫貝爾市ESV增長率遠高于平均值。上述盟市位于大興安嶺一帶,生態空間以森林生態系統為主,森林景觀的生態恢復效果顯著,該地區的高生態服務價值帶動了研究區整體生態服務功能的增強。另一方面,內蒙古其他盟市的ESV均呈現不同程度的下降,其中烏海市、阿拉善盟與錫林郭勒盟的Ri小于-1,生態惡化程度大于平均值。阿拉善盟位于研究區最西部,干旱少雨,植被覆蓋度低,土地沙漠化現象嚴重,導致草地與林地退化為裸地,區內生態系統服務的提供能力處于下降階段;烏海市為高工業化水平的城鎮聚集區,且沙丘、裸巖面積較大,土地利用體現為城鎮用地對耕地、林地與草地的侵占;錫林郭勒盟位于內蒙古自治區中部,草場面積廣大,受草地退化影響,ESV隨草場面積,尤其是高覆蓋度草地面積的減少而下降。

表3 研究區2005—2015年土地利用轉移面積矩陣/km2

括號內為土地利用轉移面積占總轉移面積百分比(%)

圖2 2005—2015年研究區各盟市ESV相對變化率RiFig.2 The relative change rate of ESV in region i from 2005 to 2015 in study area

圖3 2005—2015年研究區單項ESV相對變化率R(f)Fig.3 The relative change rate of the f-th ESV from 2005 to 2015 in study area

就功能差異性而言,除氣候調節功能外,其他各生態服務功能的變化與總體生態服務功能變化趨勢一致。究其原因,氣候調節功能受草地退化影響小幅下降,同時土壤保持、原料生產與氣體調節功能的R(f)小于0.2,滯后于研究區平均水平,進一步印證生態脆弱區土地退化與水土流失的嚴重性。研究區水源涵養類生態服務功能如水資源供給、水文調節的ESV變化幅度較大,表明水域的恢復和水質的養護能力提升,是內蒙古整體生態系統服務價值改善的重要驅動力。

圖4 2015年研究區生態系統服務功能評價結果Fig.4 The ecosystem service function evaluation of study area in 2015

圖5 2015年內蒙古自治區生態系統服務價值綜合分區 Fig.5 The comprehensive evaluation on ESV of Inner Mongolia Autonomous Region in 2015

3.3 生態系統服務價值分級結果

2015年內蒙古單位面積生態系統服務價值的變異系數為0.69,具有極差大、離散程度強的特征。各單項生態服務功能與生態恢復效果大致遵從由北至南,評價等級由高至低的空間分布規律(圖4)。供給功能在研究區南部邊緣形成主要的低價值區,該區域城鎮空間密集,且位于鄂爾多斯高原與黃土高原過渡地帶,旱地、沙地交錯分布,水資源供給不足,土地生態系統向人類提供的物質基礎與服務能力較低,為主要的低價值區;調節功能由東北至西南遞減,主要源于東北部季風氣候區植被覆蓋度較高,降雨充沛,其凈化環境、水文調節服務功能優于大陸性氣候區;西部阿拉善盟地區以沙地、裸地為主,土壤保持能力較差,沿黃河地帶受風水混合侵蝕水土流失嚴重,導致該區為支持功能的低價值區;文化功能的高價值區集中在植被覆蓋度高、自然景觀分布廣泛的森林區與錫林郭勒盟東部的高覆蓋草場。

ESV改善效果方面,研究區北部ESV絕對量大且改善幅度明顯,蒙西及內蒙古南部邊緣等生態服務功能提供能力較差的地區改善幅度不顯著。不同生態服務功能與生態恢復的空間格局具有相似性,供給、調節、支持和文化服務功能分級與ESV改善分級的關聯度較高,即高服務功能區的生態價值對應較強的ESV改善能力,生態價值不斷鞏固強化;而生態短板地區對應低ESV改善能力,區域生態恢復不足且不斷惡化,呈現不同區域ESV差距加大的極化結果。

基于單項生態服務功能與ESV改善分級,形成內蒙古自治區生態系統服務價值綜合評價結果(圖5)。根據空間分布特征,劃分出北部大興安嶺核心區、中部高覆蓋草原區2個高價值區;以及西部沙地區、南部沿黃河地區和東部科爾沁地區3個低價值區。高值區約占研究區面積26.3%,低值區約占36.2%,各地區的具體特征見表4。

表4 內蒙古自治區生態系統服務高價值區與低價值區的空間分布

4 結論與討論

本研究結合內蒙古自治區實際生態環境,利用當量因子法評估了不同土地利用類型的靜態生態系統服務價值;同時,提出將ESV改善效果納入生態服務功能綜合評價框架的分級方法。由ESV相對變化率可知,研究區ESV變化趨勢具有極差大,高、低值區顯著分化的特征,生態服務功能空間分布不均衡。其中,水資源養護類服務功能的增強速率遠高于其他指標,是區域整體生態環境優化的驅動力。結果顯示,雖然2005—2015年間內蒙古ESV有所增加,水域、林地的恢復速率提高,城鎮用地擴張得到有效控制,但北部與中部的森林與草地保育區,以及蒙西低生態價值區的生態改善效果具有明顯差異,生態恢復在空間分布上呈現極化效應,地區間生態環境質量的差距不斷擴大,生態保護的協調性面臨較大挑戰。因此,區域生態管控措施宜進一步加大沙地區、黃河流域與東部科爾沁的生態恢復力度,尤其調整、加強區域的草地恢復力度,改善低植被覆蓋帶來的土地沙漠化問題,縮小區域南北向生態價值的差距,保證區域生態功能與生態安全格局的平衡。

此外,本研究使用的生態系統服務價值評價方法仍存在缺點與改進空間,包括：(1)ESV估計結果的準確性取決于當量因子的可靠性,而11類土地利用類型與生態系統的對應只是實際生態過程的簡化;(2)ESV分級評價中尚未考慮社會經濟活動與人類資本對ESV的相互作用,這需要對區域居民支付意愿、社會文化與景觀結構等進行更全面、深入的研究。然而,改進后的生態系統服務價值評價可以用一種簡化、通用的方法體現不同生態服務功能與生態恢復效果空間格局的一致性,在反映當前ESV高低分布特征的同時,揭示那些低ESV地區是處于生態改善進程或是持續惡化階段,對ESV相同的區域進行了細分,加強了生態服務功能評價與土地利用管理政策之間的銜接,可以為生態管控措施的調整提供決策信息。