黃土高原生態脆弱區土地利用變化對生態系統服務價值的影響
——以汾河流域為例

伍博煒, 楊勝天, 邵南方, 彭瑞文, 管亞兵

(1.北京師范大學 地理科學學部, 北京 100875;2.北京師范大學 水科學研究院, 北京 100875; 3.貴州師范大學 地理與環境科學學院, 貴陽 550001)

土地利用時空變化過程的研究是未來可持續目標實現的重要內容，是代表人類活動對自然環境影響的直接表現形式，是影響生態系統服務價值的重要因素[1-3]。生態系統服務是通過生態系統的結構、過程和功能直接或間接獲得的產品和服務[4]。因此，土地利用變化主導下的經濟發展與生態環境相互協調是區域可持續發展的重要途徑[5]。

生態系統服務價值(Ecosystem Services Values，ESV)評價是表示土地利用的生態系統服務價值與區域經濟發展相互影響關系的主要方法[6-8]。1997年Costanza 最先通過17種生態系統服務功能計算了全球生態系統服務價值[4]。國外學者主要集中在理論方法的創新[9]、生態系統服務價值的定量化估算[10-11]、土地利用變化對生態系統服務價值的影響等[12-13]。國內學者研究主要集中在評估體系的研究[14]和生態系統服務與土地利用相結合的相關研究等[15-18]。

本文通過汾河流域土地利用變化研究其對生態系統服務價值的影響，結合汾河流域實際情況，對生態系統服務價值表進行了修正，采用生態系統服務價值模型(ESV)定量解釋了1980—2016年汾河流域土地利用變化影響下的生態系統服務價值變化，為汾河流域未來可持續發展、生態環境保護和區域管理提供科學依據。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

汾河流域介于35°20′—39°00′N和110°30′—113°32′E，汾河干流全長694 km，流域面積約39 471 km2，流經太原、晉中、臨汾3個地級市，主要涉及30個縣。汾河是黃河的一級支流、黃土高原生態脆弱區獨立的流域、山西省重要的水源地和供水區。流域內人口總數為1 390多萬人，占山西省總人口的39%；流域內主要市縣GDP占全省GDP總量的44%。汾河流域是山西省農業生產的主要地區，農作物以小麥、玉米等為主；且流域內煤炭、鐵等礦產資源豐富，是山西省能源化工基地的重要組成部分。

1.2 數據來源

土地利用數據主要來源于1980年、2000年、2010年和2016年四期Landsat TM，Landsat8OLI等遙感衛星數據，空間分辨率為30 m(下載地址：http:∥www.gscloud.cn/)。通過構建衛星影像—高分辨率遙感影像(無人機)—地面調查為一體的技術體系，結合目視解譯，獲得4期汾河流域土地利用矢量圖(圖1)，進而建立1980年、2000年、2010年和2016年汾河流域土地利用數據庫；社會與經濟數據來源于《山西省統計年鑒》。

圖1 汾河流域土地利用

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用動態度 土地利用動態度是表示土地利用類型數量變化、土地利用程度變化及土地利用變化的區域差異指標，按照研究對象又可以分為綜合土地利用動態度與單一土地利用動態度[19]。

(1) 綜合土地利用態度。綜合土地利用動態度[20]表達式為：

(1)

式中：LUi為研究起始時第i類土地利用類型的面積；ΔLUi-j為研究時段內第i類土地利用類型轉為非i類土地利用類型面積的絕對值；T為研究時段長度。土地利用動態度LC解釋了與T時段對應的研究區某類土地利用類型年變化率。

(2) 單一土地利用動態度。單一土地利用動態度是指在研究區一定時間范圍內某一土地利用類型的數量變化情況，用來表示該土地利用類型在一定時間內的變化速度[20]，其表達式為：

(2)

式中：K為研究時段內某一土地利用類型動態度；Ua，Ub分別為研究期初及研究期末某一土地利用類型的數量。

1.3.2 生態系統服務價值估算 為了估算汾河流域生態系統服務價值，本文參考謝高地等人獲取的生態系統服務價值當量系數，生態系統服務價值當量因子等于每年每公頃糧食價值的1/7[21]。1980—2016年，汾河流域的平均糧食產量為2 408.10 kg/hm2，且2016年的平均糧食價格為2.85元/kg，因此汾河流域一個生態系統服務當量因子為980.44元/hm2，進而得到生態系統服務價值系數(表1)。生態系統服務功能價值的評估公式為[21]：

(3)

(4)

式中：ESV表示生態系統服務價值；Ai表示第i中土地利用類型的面積(hm2)；VCi表示第i種土地利用類型的生態系統服務價值系數；ESVf表示生態系統第f項服務功能的價值；VCfi表示第i種土地利用類型的第f項生態系統服務價值。

表1 汾河流域土地利用類型的生態系統服務價值系數

2 結果與分析

2.1 汾河流域土地利用變化分析

2.1.1 土地利用類型變化 1980—2016年汾河流域土地利用類型變化方式主要以耕地轉化為草地和林地，共有2 668.79 km2，且耕地是所有土地利用類型轉移面積最大的。其次，汾河流域土地利用變化方式以建設用地擴張為主，共有300.64 km2耕地、26.05 km2林地和22.01 km2草地轉為建設用地；水域和未利用土地總面積變化趨勢不明顯(表2)。空間上，1980—2016年耕地的減少在太原盆地內表現尤為明顯，主要在于盆地內大面積的退耕還林(草)和城鎮建設用地的擴張；其次呂梁山、太行山脈和盆地邊緣的一部分耕地轉化為草地、林地。建設用地的變化主要表現在太原、晉中、臨汾、呂梁、忻州、運城6個地級市發展導致耕地、林地、草地轉為建設用地。

表2 1980-2016年汾河流域各類土地利用類型轉移矩陣 km2

2.1.2 動態度分析 從綜合土地利用動態度看(表3)，1980—2000年、2000—2010年和2010—2016年這3個階段綜合土地利用動態度分別為0.27%，0.32%，0.46%，綜合土地利用動態度隨著年份增加而增大，表明汾河流域土地利用變化受人類活動的影響更顯著，社會經濟發展對土地利用格局的影響更強烈。

單一土地利用動態度一定程度上體現當前社會經濟發展對汾河流域不同土地利用類型變化的影響。總體上，1980—2016年內汾河流域耕地持續減少，減少速度分別為0.46%，0.56%和0.51%，是所有土地利用類型中減少速度最快的。草地與建設用地在這3個時期內的變化趨勢呈一種穩定增長的情況，其中草地的增長速度分別為0.74%，0.90%和0.57%；相對于其他土地利用類型草地增長最穩定且維持較高的增長速度。林地和水域變化趨勢較為穩定，而2010—2016年未利用土地是所有土地利用類型增加速度最快的為2.53%。

表3 1980-2016年汾河流域土地利用變化動態度 %

2.2 汾河流域生態系統服務價值時空變化

時間上(表4)，1980—2016年汾河流域的生態系統服務價值呈現先增長后減少的趨勢，從1980年的433.954億元增加到2010年的435.176億元，最后減少到2016年的434.557億元。1980—2016年汾河流域的生態系統服務價值增長率為0.14%。1980—2000年林地的生態系統服務價值增加了1.30%，而2000—2010年與2010—2016年卻分別減少了0.04%和0.04%。草地的生態系統服務價值呈逐漸增加的趨勢，1980—2000年、2000—2016年與2010—2016年分別增加14.83%，8.95%與3.41%。耕地生態系統服務價值一直處于衰減的趨勢，1980—2000年、2000—2016年與2010—2016年分別減少9.12%，5.61%與3.05%，黃土高原退耕還林(草)政策的持續實施是導致耕地生態系統服務價值持續減少的關鍵原因。水域和未利用土地生態系統服務價值表現一直較平穩，沒有較大變化。

表4 汾河流域1980-2016年各類用地生態系統服務價值及變化

空間上，本文對生態系統服務價值重新分級：極低(<5 000元/hm2)、低(5 000～10 000元/hm2)、中等(10 000～30 000元/hm2)、高(30 000～50 000元/hm2)。1980—2016年生態系統服務價值高的區域分布與水域分布相一致。生態系統服務價值中等的區域分布與林地的分布相一致，位于汾河流域的兩側區域，且主要分布在呂梁山與太行山等區域。生態系統服務價值低的區域與草地和耕地的空間分布相吻合，且主要分布在呂梁山東邊與太行山西邊。生態系統服務價值極低的區域主要分布于汾河流域內各城市的建設用地內，以太原市和晉中市最為顯著。極低區域隨著城市發展快速擴張呈現擴大的趨勢，并沿汾河兩岸擴張(圖2)。

2.3 流域生態系統服務價值的差異分析

本文基于行政區域的單位面積平均生態系統服務價值來分析汾河流域各行政區的生態系統服務價值的差異性(表5)。汾河流域主要包括33個行政區，從平均生態系統服務價值上看，1980—2016年文水縣的生態系統服務價值最高，但總變化量較小，平均生態系統服務價值為15 749.08元/hm2；1980—2016年侯馬市的生態系統服務價值最低，且處于持續減少的狀態。從生態系統服務價值變化量上，1980—2016年汾河流域共有13個行政區生態系統服務價值處于增長的趨勢，婁煩縣變化量增加最多；20個行政區生態系統服務價值處于減少的趨勢，太原市變化量減少最多，生態系統服務價值的變化量減少表明區域社會經濟發展對生態環境的系統的影響劇烈。

圖2 1980-2016年汾河流域生態系統服務價值空間分布

表5 1980-2016年汾河流域主要行政區平均生態系統服務價值 元/hm2

3 結 論

(1) 1980—2016年汾河流域土地利用類型以耕地、草地和建設用地為主，占總面積的90%以上，林地變化較小，未利用土地和水域變化不顯著，整體土地利用程度高。土地利用類型轉化上，汾河流域1980—2016年土地利用變化以耕地向其他土地利用類型轉移的方式為主。汾河流域綜合土地利用動態度呈逐漸增長趨勢，表明土地利用變化受人類活動的影響更顯著，社會經濟的發展對土地利用格局的影響更強烈；單一土地利用動態度上，耕地持續減少且減少速度最快；草地與建設用地在1980—2016年時間內的變化趨勢呈一種穩定增長的情況。

(2) 生態系統服務價值時空變化方面，1980—2016年汾河流域的生態系統服務價值呈現先增長后減少的趨勢，從1980年的433.954億元增加到2010年的435.176億元，最后減少到2016年的434.557億元。生態系統服務價值極低的區域主要分布于汾河流域內各城市的建設用地內，以太原市和晉中市最為顯著。極低區域隨著城市發展快速擴張呈現擴大的趨勢，并沿汾河兩岸擴張。

(3) 通過汾河流域主要行政區的生態系統服務價值差異分析，發現1980—2016年汾河流域內主要市縣平均生態系統服務價值文水縣最高，侯馬市最低。流域生態系統服務價值變化上，1980—2016年汾河流域共有13個行政區生態系統服務價值處于增長的趨勢；20個行政區生態系統服務價值處于減少的趨勢，生態系統服務價值的變化量減少表明區域社會經濟發展對生態環境的系統的影響劇烈。