基于土地利用的祊河流域生態系統服務價值動態變化

李子君, 劉金玉, 姜愛霞, 于元赫

(山東師范大學 地理與環境學院, 濟南 250300)

生態系統是人類賴以生存和發展的基礎，生態系統結構的變化可以改變生態系統服務功能，而土地利用變化是影響生態系統的主要驅動力[1]。在城市化快速發展時期，經濟發展和人類高強度活動使土地利用和土地覆被發生變化，影響生態系統的服務功能，從而導致生態系統服務價值的變化[2-3]。因此，土地利用變化對生態系統服務功能有重要的影響[4-5]。土地利用變化的生態效應及其對生態系統服務功能的影響成為土地利用變化研究的重要內容和熱點之一[6-7]。

自生態系統服務功能提出以來，在生態系統服務功能概念及其內涵、價值量化評估的方法和應用等方面取得了較大的進展。Costanza等[8]開展的“全球生態系統服務價值評估”研究使之成為生態學等相關學科的研究熱點，也是眾多學者進行生態系統服務價值評估的理論基礎；Daily[9]詳盡描述了生態系統服務功能的概念、研究簡史、價值評估等。我國學者也越來越重視對生態系統服務價值的評估，歐陽志云等[10]論述了生態系統服務價值的內涵和評估方法，探討了生態服務功能與可持續發展研究的關系；謝高地等[11]基于專家知識提出了中國陸地生態系統服務價值當量表，奠定了國內生態系統服務價值評估研究的基礎，基于此國內眾多學者在不同尺度上對森林、城市、流域、湖泊、綠洲、濕地等生態系統服務的經濟價值進行了評估[12-19]。國內外學者在生態系統服務價值的定量化計算、當量因子的修正、敏感性分析、時空分布格局及影響因素分析等方面已取得豐碩的成果，近年來利用GIS技術評估區域生態服務價值的研究日益增多，對區域ESV總體及內部空間分布格局的差異分析也不斷增多[20-25]。

祊河是沂河的一條重要支流，祊河流域是沂蒙山區的重要組成部分，也是全國生態建設重點區域。近幾十年由于全球氣候變化和人類活動的影響，流域土地利用發生了一定程度的變化，生態服務功能必然會隨之變化，影響著區域生態安全和社會經濟的可持續發展。因此，本文以土地利用數據為基礎，定量研究流域生態系統服務價值的時空變化規律，為流域土地利用和生態建設提供科學依據。

1 研究區概況

祊河屬沂河水系的一級支流，發源于山東省平邑縣，流經費縣、臨沂市蘭山區，在臨沂市城北匯入沂河。祊河全長153 km，流域面積3 355.97 km2，地理位置位于117°21′—118°21′E，35°01′—35°43′N。主要包括平邑縣、費縣的大部分和蘭山區的一部分。祊河流域屬于低山丘陵區，北部蒙山山脈峰巒疊嶂，西部和南部山嶺環繞，東部為平原，流域地勢西北高東南低。河流自西流向東南，大體與山脈的走向一致，具有樹枝狀發育格局。流域氣候類型屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年平均氣溫13.1～13.9℃，年內降雨分配不均勻，多集中于夏秋季節，降水年際變化大。植被主要是暖溫帶落葉闊葉林，土壤類型有棕壤、褐土、潮土、砂姜黑土等。2015年祊河流域總人口為169.5萬人，GDP為524.9億元，第一、二、三產業比重為13.28∶44.75∶41.97。根據2015年祊河流域的土地利用調查資料，流域內土地利用類型以耕地為主，占土地總面積的62.54%，其次是林地、建設用地、草地、水域和未利用地。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源及處理

遙感影像分別是1978年美國馬里蘭大學地球數據中心的MSS影像(空間分辨率為60 m×60 m)，以及1985年、1995年、2005年和2015年地理空間數據云的Landsat TM/ETM遙感影像(空間分辨率為30 m×30 m)。用ENVI軟件對影像進行波段融合、幾何糾正、拼接剪裁等預處理后，采用目視解譯進行土地利用分類。將流域土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地6大類。分類結果經檢驗Kappa指數均在0.8以上，解譯分類精度較好，滿足應用精度要求。糧食作物播種面積及產量數據來源于《臨沂統計年鑒》、《山東省統計年鑒》、《新中國農業60 a統計資料》；糧食價格數據來源于《全國農產品成本收益資料匯編》。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用變化研究方法 土地利用變化的速度可以用土地利用動態度表示。單一土地利用動態度能夠直觀地反映各種地類變化的劇烈程度。計算公式為：

(1)

式中：K是單一土地利用動態度；Ua，Ub分別為研究早期和晚期某一種土地利用類型的面積；T是某種土地利用類型變化年份。

土地利用轉移矩陣模型是分析區域土地利用變化方向的基礎，可以反映研究區各土地利用變化的結構特征和轉化方向[26]。同時基于土地利用轉移矩陣分析生態系統服務價值的空間轉移及數值變化，可以進一步明確生態系統服務價值的空間變化特征。

2.2.2 生態系統服務價值計算方法 謝高地等[27]提出的當量因子表反映的是全國生態系統服務功能的平均水平，并不適合祊河流域的生態系統現狀，因此本文根據該流域的情況對當量表進行適當修訂。根據區域修正系數表[28]獲得山東省農田生態系統的生物量因子為1.38，又由于祊河流域平均糧食產量是山東省平均糧食產量的1.01倍，因此祊河流域農田生態系統服務價值系數是全國水平的1.39倍。1978—2015年祊河流域平均糧食產量為4 815 kg/hm2，2015年山東省平均糧食價格為2.28元/kg，計算出祊河流域生態系統服務價值當量因子為1 568.31 元/hm2。將此與各生態服務價值當量值相乘，最終得出祊河流域生態系統單位面積服務價值系數表(表1)。祊河流域生態系統服務價值的計算公式如下：

(2)

(3)

式中：ESV和ESVf分別是生態系統服務總價值和第f項服務功能價值；Ak代表土地利用類型k的面積(hm2)；VCk和VCfk分別是土地利用類型k的生態系統服務價值系數和第f項服務功能價值系數。

表1 祊河流域生態系統單位面積服務價值系數 元/hm2

2.2.3 空間統計分析方法 空間自相關分析是指某一空間變量的取值與相鄰空間單元上該變量取值的相似性程度分析。運用全局Moran′sI指數和G*指數測度祊河流域生態系統服務價值的空間格局。

全局Moran′sI指數可反映研究區生態系統服務價值空間相關性的總體趨勢。計算公式為：

(4)

(5)

式中：E(I)和var(I)分別為指數I的理論期望與理論方差值。

(6)

2.2.4 敏感性分析 敏感性指數是生態系統服務總價值對價值系數變化的響應[30]。本研究將各土地利用類型的生態服務價值系數VC分別增加或減少50%來計算CS。

(7)

式中：ESVi，ESVj為價值系數調整前后的生態系統服務總價值；VCi，VCj為調整前后的價值系數。如果CS>1，說明ESV對VC是富有彈性的，則價值系數準確度差和可信度較低；如果CS<1，則說明ESV對VC是缺乏彈性的，結果可信。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化

3.1.1 土地利用結構變化 1978—2015年祊河流域土地利用結構以耕地為主，平均面積比例為66.54%，其次是林地、建設用地和草地，分別占11.67%，9.65%，8.86%，而水域和未利用地僅占3.21%，0.08%。由圖1和表2可見，流域各土地類型的數量和結構發生了不同程度的變化，耕地和草地面積減少，建設用地、水域、林地、未利用地面積增加。在動態度和變化率上，建設用地變化幅度最大，變化率達82.58%，動態度達2.23%；其次是未利用地和水域，變化率分別為34.03%，22.54%，動態度分別為0.92%，0.61%；草地、耕地、林地的變化率分別為-11.26%，-8.93%，1.22%，動態度分別為-0.30%，-0.24%，0.03%。

在不同的研究時期，各地類的變化趨勢有所不同。其中耕地處于持續減少狀態，其所占比例從1978年的68.67%減少至2015年的62.54%，凈減少20 586.80 hm2，尤其在2005—2015年耕地面積減少迅速，主要是建設用地面積不斷增加占用大量耕地。建設用地處于持續擴張狀態，面積增加量最大，增加了21 076.31 hm2。林地在1978—1985年面積減少了203.56 hm2，這是因為建設用地占用林地所致；1985—2015年面積增加了680.28 hm2，這主要受國家退耕還林等生態政策和政府近年來大力加強林業產業基地建設的影響，導致流域的林地面積恢復增長。1985—1995年由于退耕還林還草政策使草地面積增加，其余時間段草地面積均減少，共減少3 386.36 hm2。未利用地和水域的面積均呈波動增加趨勢，分別增加88.20，2 311.15 hm2。

圖1 1978-2015年祊河流域土地利用類型面積變化

表2 1978-2015年祊河流域土地利用面積百分比和動態度

3.1.2 土地利用空間轉移特征 由表3可以看出，1978—2015年，祊河流域各地類之間的轉移以耕地向建設用地的轉移為主，其次是耕地向林地以及耕地和草地之間的轉移。其中建設用地變化最為劇烈，轉入25 081.36 hm2，轉出3 996.93 hm2，共計增加21 084.43 hm2，主要是由耕地向建設用地的轉移，轉移面積為22 977.65 hm2。臨沂市作為全國重要的物流周轉中心和商貿批發中心，也是山東省人口最多的城市，逐漸增大的住房需求、高速發展的經濟和交通運輸設施不斷占用大量耕地，由此表明研究區建設用地的擴張主要源于對耕地的占用。而人口的快速增長也擴大了糧食需求，為達到耕地占補平衡從而加快了對草地的墾殖，有12 297.88 hm2的草地被開墾為耕地，同時也有8 576.37 hm2的耕地恢復為草地，這說明退耕還林還草等生態環境政策使得生態用地得到較好恢復。林地的增加主要由耕地和草地轉移而來，轉入面積分別是6 505.96，4 039.38 hm2。這主要是由于20世紀90年代全國實行退耕還林還草政策，坡耕地以及棄耕地等轉變為林地，另外農村大量青壯年勞動力外流也在一定程度上促進了耕地向林地的轉變。近年來山東省高度重視沂蒙魯中南山地丘陵區水土流失及森林資源修復問題，加強荒山造林綠化、退耕還林、水土流失防護等工程建設。水域主要轉移為耕地，轉出面積為1 954.86 hm2，有4 142.43 hm2的耕地轉移為水域。未利用地近40年來面積變化不大，主要表現為耕地轉入為未利用地和未利用地轉出為草地。

表3 1978-2015年祊河流域土地利用轉移矩陣 hm2

3.2 生態系統服務價值時空動態變化

3.2.1 生態系統服務價值時間變化 (1) 不同生態系統類型價值變化。由表4可知，祊河流域1978年、1985年、1995年、2005年、2015年的生態系統服務總價值分別為82.47億元、80.93億元、82.80億元、81.85億元、80.88億元，呈“先減少后增加再減少”的波動減少趨勢，減少了1.93%。1995年流域生態系統服務價值較前一個時間節點要高，歸因于水域、林地、草地面積增加導致其生態系統服務價值增加。

從各地類生態系統服務價值變化來看，耕地的生態系統服務價值減少了8.93%，草地減少了11.26%，兩者共計減少4.41億元；水域和林地的生態系統服務價值分別增加了22.54%，1.22%，共計增加2.81億元。水域、林地和未利用地增加的生態系統服務價值遠小于耕地和草地減少的服務價值，因此，1978—2015年祊河流域生態系統服務價值下降的主要原因就是耕地和草地生態系統服務價值的減少。從各地類的生態系統服務價值所占比例來看，耕地生態系統服務價值最大，其次是林地、水域和草地，未利用地所占比例較小。其中耕地生態系統服務價值占47.02%，其對流域生態系統服務總價值影響較為顯著。水域的生態系統服務價值占總價值的14.37%，其面積僅占3.21%，說明水域面積的變化對流域生態系統服務價值具有較大的影響，也從側面反映了生態系統服務價值系數較高的土地利用類型面積變化會使區域生態系統服務價值發生顯著改變[6]。

表4 祊河流域不同生態系統類型的價值變化

(2) 不同服務功能類型價值變化。如圖2所示，從各單項生態系統服務功能價值變化來看，1978—2015年，土壤形成與保護、食物生產、生物多樣性保護、氣體調節、原材料、氣候調節的價值量均呈下降趨勢，其中土壤形成與保護、食物生產、生物多樣性、氣體調節減少較多，對總價值減少的貢獻率分別為33.8%，21.13%，17.37%，15.02%，對總價值減少的貢獻率之和為87.32%；水源涵養、娛樂文化、廢物處理的價值量均呈增加趨勢，其中水源涵養增加最多，達0.40億元。

從各單項生態系統服務功能價值構成來看，廢物處理、土壤形成與保護、水源涵養、氣候調節、生物多樣性保護、氣體調節6項服務占生態系統服務總價值的82.24%，其中廢物處理的價值最大，占總價值的15.31%，且這6項分別占總價值的10%以上；食物生產、原材料、娛樂文化3項占總價值的比例均在5%左右。

圖2 1978-2015年祊河流域生態系統不同服務功能價值變化

3.2.2 生態系統服務價值空間變化

(1) 總體空間分布格局。本文以1 km×1 km的正方形網格為單元，計算5個時期生態系統服務價值的均值，從而得到祊河流域生態系統服務價值空間分布格局圖(圖3)。根據流域生態系統服務價值的數值大小和變化趨勢，分成低(小于125萬元)、較低(125萬～250萬元)、中(250萬～375萬元)、較高(375萬～500萬元)、高(大于500萬)5個等級。從圖3可以看出，祊河流域生態系統服務價值空間分布等級差異比較明顯，ESV高值區和較高值區主要聚集在北部蒙山地區、祊河主干河道、水庫以及西部和南部的低山丘陵地帶，這些地區明顯特點是林地、水域資源豐富，面積覆蓋較大；ESV中值區多分布在山地、丘陵邊緣地區；ESV較低值區則鑲嵌在高低值之中，散亂分布；ESV低值區主要是分布在蘭山區、費縣和平邑縣的城區等人類活動密集區域。

由表5可以看出，研究區5個年份生態系統服務價值的全局空間自相關指數I值均大于0，且Z(I)值遠大于顯著性水平標準值1.65，表明流域生態系統服務價值的空間自相關性較強且空間呈集聚分布格局；另外，5個時期的I值與Z(I)值總體上呈波動下降趨勢，說明流域的生態系統服務價值的空間自相關性和集聚趨勢略有減弱。

圖3 祊河流域生態系統服務價值空間分布格局

表5 祊河流域生態系統服務價值空間自相關

由圖4可知，1978—2015年，流域生態系統服務價值冷點區范圍成明顯的擴張趨勢，且集中分布于平邑縣、費縣和蘭山區的城區范圍，表明隨著城鎮化發展，土地開發利用程度加大，導致城市建設用地規模不斷增加；熱點區范圍基本保持不變，在北部沂蒙山區腹地蒙山山脈集聚現象顯著，在南部水庫、河流和山地附近呈零星分布。

圖4 祊河流域ESV冷熱點區空間演化

1978—1985年，流域熱點區和冷點區范圍總體變化不大，流域北部蒙山地區熱點區范圍基本保持不變，由于這一時期水域面積減少導致南部熱點區范圍有所收縮，冷點區范圍呈微弱增大趨勢。1985—1995年，流域東部熱點區有所收縮，流域南部熱點區范圍有微弱擴張，主要是因為東部地區耕地面積減小，南部地區水域面積增大；由于平邑縣、費縣、蘭山區等地擴張及基礎設施的建設導致建設用地大量占用耕地，流域冷點區范圍明顯增大。1995—2005年，流域北部熱點區范圍增大，主要得益于2000年前后全國大規模實施退耕還林還草等生態保護政策，使林地、草地比例增大，導致生態系統服務價值增加擴大熱點區范圍，冷點區范圍繼續擴張。2005—2015年，南部熱點區范圍變化不大，冷點區范圍明顯擴張，這一時期城市化發展迅速，經濟發展較快，建設用地擴張占用大量耕地，導致生態系統服務價值損失。

3.3 敏感性分析

從表6可以看出，不同土地利用類型的敏感性指數區別較大，但是同一類型不同年份之間差別不大，且敏感性指數均小于1，數值由大到小依次是耕地、林地、水域、草地、未利用地。其中，耕地的敏感性指數最大，為0.45～0.49；未利用地的敏感性指數最低，其敏感性指數不足0.000 2；其他土地利用類型的敏感性指數為0.08～0.30。研究區生態系統服務總價值對價值系數缺乏彈性，因此本文計算所采用的價值系數適合祊河流域，準確度較高，研究結果可信。

表6 1978-2015年祊河流域生態系統敏感性指數

4 討論與結論

4.1 討 論

本文從土地利用變化的視角分析了研究區生態系統服務價值的時空變化特征，著重從土地利用類型面積變化、土地利用類型轉移變化等方面進行了分析，在今后的研究中，需要加強土地利用變化對區域生態系統服務的生態學過程和機理等方面的影響機制研究。由于建設用地對生態環境的影響極其復雜且范圍極廣，難以定量化評估建設用地的生態服務價值，因此本文沒有考慮建設用地的生態服務價值。另外，本文選用價值量評估法計算生態系統服務價值有較多不確定性，土地利用數據的解譯精度、土地利用類型的分類、不同生態系統類型的價值系數的修正方法等都可能影響價值評估的精度。通過前文分析，發現祊河流域生態系統服務功能價值總體呈下降趨勢，其中土壤形成與保護、食物生產、生物多樣性保護、氣體調節、原材料和氣候調節的價值量均下降。土地利用結構變化是生態系統服務價值變化的直接原因，因此，為促進祊河流域生態環境建設，一方面需要制定合理的土地利用規劃，嚴格保護和監測水域、林地、草地和耕地的面積，并嚴格控制建設用地的規模，防止建設用地盲目侵占耕地；另一方面，通過土地復墾和整理，增加耕地面積，提高糧食產量。同時，堅決打好污染防治攻堅戰，改善土壤質量、空氣質量和水質量，減少污染物排放，加強環境綜合治理。重視生物多樣性的保護工作，完善相關法律法規和健全管理體制，開展生物多樣性觀測工作，加強公眾的生態文明意識。

4.2 結 論

(1) 流域土地利用結構以耕地為主，其次是林地、建設用地、草地、水域和未利用地。主要變化趨勢為耕地和草地減少，建設用地、水域、林地、未利用地增加。各地類間的轉移以耕地向建設用地的轉移為主，其次是耕地向林地以及耕地和草地之間的轉移。

(2) 流域1978—2015年生態系統服務總價值呈波動減少趨勢。耕地和草地的生態系統服務價值減小，林地、水域和未利用地的生態系統服務價值增加。對于各單項生態系統服務功能價值來說，土壤形成與保護、食物生產、生物多樣性保護、氣體調節、原材料和氣候調節的價值量均呈下降趨勢；水源涵養、娛樂文化和廢物處理的價值量均呈增加趨勢。

(3) 流域生態系統服務價值呈空間集聚分布格局且集聚程度略有減弱。1978—2015年，流域生態系統服務價值冷點區范圍呈明顯的擴張趨勢，且集中分布于平邑縣、費縣和蘭山區的城區；熱點區范圍基本保持不變，在北部沂蒙山區腹地蒙山山脈集聚現象顯著，在南部水庫、河流和山地附近呈零星分布。