基于土地利用變化的慈利縣生態系統服務價值研究

張雄一，王盈麗，董賢斌，莊大春

（吉首大學土木工程與建筑學院，湖南 張家界 427000）

土地是人類賴以生存的基礎，是人與自然銜接的最重要環節[1-3]。隨著城鎮化進程加快，難免會出現不合理的土地利用行為，這些土地利用行為，會導致產生很多生態環境問題，甚至危及人類的生存[4]。隨著極端氣候和自然災害頻繁發生，人類開始意識到生態環境惡化帶來的嚴重后果[5]，全球逐漸開始了大規模的生態保護行動。因此，將土地利用與生態系統服務緊密結合逐漸成為當前生態學研究熱點之一。

自Marsh[6]1864 年提出“人類活動在多大程度上影響了自然的進程”問題，引發了科學界關于人類活動對自然環境影響評估的探討。1980—1986 年，美國完成了本土1 ∶100 萬比例尺的土地利用狀況圖和全球土地覆被數據集[7]。1995 年，“國際地圈—生物圈計劃”（IGBP）和“全球環境變化人文計劃”（IHDP）共同提出LUCC 研究計劃[8]。20 世紀50 年代以來，我國學者積極開展了許多土地利用方面的研究。1980 年出版了《1 ∶100 萬中國土地利用圖集》，1992 年出版了《中國土地利用》[9]。隨著RS、GIS 等新技術和新方法的興起，進一步擴大了土地利用變化問題研究的范圍和研究的深度[10]。

生態系統服務是指生態系統對人類生產生活發揮的多種功能[11]，探討和研究生態系統的服務功能，通過構建模型量化生態系統服務的經濟價值，評估生態環境狀況[12-13]。SCEP 首次對生態系統能為人類生存提供的服務功能進行劃分[14]。隨后，Westman[15]把生態系統提供的社會價值稱為“自然服務”。Ehrlich 等[16]在1981 年正式使用“生態系統服務功能”這一術語；Daily 首次描述“生態系統服務價值”的內涵并進行了詳細的劃分；MA 將生態系統服務價值描述為“人類從生態系統獲得的生態服務效益”[17]。我國生態系統服務價值的研究起步較晚，評估大多偏向脆弱的生態系統區域，且評估多以現狀評價為主，對生態系統服務價值動態演變研究較少[18]。有研究報道描述了生態系統的服務功能[19-20]；糜徐紅等[21]應用市場價值化方法對研究區生態系統服務功能現狀進行分析；楊越等[22]采用謝高地[19]制定的測算方法，分析土地利用變化引起的生態系統服務價值變化；魏慧等[23]將土地覆被變化與生態系統服務研究相結合，利用土地利用動態度指數分析德州市土地利用變化狀況及生態系統服務價值的動態變化；彭越[24]利用敏感度系數比較不同價值系數對生態系統服務價值的影響程度，并利用灰色關聯度觀察各用地類型與服務價值之間的關聯程度；陳春陽等[25]將市場價值法、影子工程法、機會成本法等多種方法與現有的土地利用方式相結合，評估三江源區域生態系統服務價值。

慈利縣正統籌實現“撤縣設市”目標，實行一批鄉改鎮、村改社區計劃。在這一進程中，需要嚴格把控土地利用行為，科學合理利用有限的土地資源，充分發揮土地的最大效益。基于慈利縣土地利用變化，以2005—2016 年張家界市平均糧食產量為基準對謝高地等[19]編制的生態系統服務單位面積價值當量表進行修正，在對慈利縣境內各類型生態系統進行價值量核算基礎上，探討了各鄉鎮生態系統服務價值演變和時空分異特征，為今后促進慈利縣合理利用土地資源，優化土地利用結構和全域范圍內社會經濟與生態保護協同發展提供參考依據。

1 研究區概況

慈利縣地處武陵山區腹地、湖南省張家界市東 部，東 徑110°27′35′′～111°20′00′、北 緯29°04′00′′～ 29°41′56′′，縣域氣候類型為亞熱帶季風性濕潤氣候，年平均氣溫16.8℃，年降雨日143.2 d，年降雨量 1 390 mm，無霜期年均267.6 d。地形以丘陵山地為主，地貌構造較為復雜，是典型的丘陵山區縣。

2016 年慈利縣轄15 個鎮、10 個鄉，年末常住人口61.39 萬人，城鎮人口26.81 萬人，城鎮化率43.7%。耕地面積4.358 萬hm2，占全市總面積的44.76%。全縣生產總值167.1 億元，三次產業結構由2006 年的24.47 ∶28.82 ∶46.71 優化到2016 年的16.3 ∶30.9 ∶52.8。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

研究中土地利用數據來源于慈利縣2006—2016年土地利用變更統計，經濟和社會發展數據來源于歷年《張家界市統計年鑒》和慈利縣統計公報。

2.2 研究方法

2.1.1土地利用分析方法（1）單一土地動態度。單一土地利用類型動態度描述研究區域一定時間范圍內某種土地利用類型的數量變化情況[26]，其計算式見公式①：

式中：k 表示研究時段內單一土地利用類型的動態度；Ua、Ub分別為研究初期和末期某一類型的土地利用面積；T 是某種土地利用類型變化的時間段。

（2）土地利用綜合指數。單一土地動態度不足以體現一個區域內土地利用變化程度，因此引入土地利用綜合指數，揭示慈利縣的土地利用的綜合水平和變化趨勢。采用前輩學者提出的土地利用程度分析方 法[27-28]，先將土地利用類型劃分為4 種土地利用級，再定類別的分級指數（表1）。

表1 土地利用類型分級

計算模型為公式②：

式中，L 為慈利縣土地利用程度綜合指數；Ai為第i 級土地利用程度分級指數；Ci為第i 級土地利用程度分級面積百分比；n 為土地利用程度分級數。

（3）土地利用綜合指數變化率。為進一步分析縣域土地利用變化過程，引用土地利用綜合指數變化 率[28]，計算式見公式③。

式中：Ai為第i 級的土地利用程度分級指數。 Cia和Cib分別為某區域a 時間和b 時間第i 級土地利用程度面積百分比。當RJ＞0，則該區域土地利用處于發展時期，否則處于調整期或衰退期。

2.1.2生態系統服務價值評價方法（1）指標修正。參考專家學者有關生態系統價值的研究[29-31]，結合慈利縣社會經濟現狀，對生態系統服務價值評價指標進行了修正。耕地參照農田生態系統單位面積的生態系統服務價值；園地數據取森林和草地單位面積生態系統服務價值的平均量；林地參照森林生態系統單位面積的生態系統服務價值；河流/湖泊對應參照水域生態系統單位面積的生態系統服務價值；濕地參考濕地生態系統單位面積生態系統服務價值；未利用地參考荒漠生態系統單位面積生態系統服務價值。對牧草地以及城鎮及工礦用地交通用地的生態系統服務價值不進行估算。

（2）模型計算。考慮慈利縣社會經濟發展狀況，對 單位面積農田每年自然糧食產量的經濟價值進行修正，計算出慈利縣不同生態系統服務的價值系數 （表2）。

表2 慈利縣生態系統單位生態服務價值當量

為消除農作物價格波動對總價值量的影響，以2006—2016 年張家界市平均糧食單產4 871.13 kg/hm2為該研究區基準單產，糧食單價按2006—2016 年湖南省糧食平均價格4.34 元/kg 計算，考慮到無人力投入， 農田生態系統所提供的食物生產經濟價值是農田生態系統實際所提供食物生產經濟價值的1/7，計算出單位面積農田提供的食物生產服務價值為3 020.1 元。

設計計算模型見公式④：

式中：Ea為單位面積農田提供糧食生產服務功能的經濟價值（元/hm2）；i為作物種類；pi為i種糧食作物在張家界市平均價（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；n 為糧食作物種類。

生態系統服務價值計算式見公式⑤：

式中：ESV 為生態系統服務價值（元/a）；Ak為第k類土地利用類型分布面積（hm2）；Ck為單位面積的生態系統服務（元/hm2·a）。

基于慈利縣修正后的單位面積生態系統服務價值系數，結合慈利縣近年的土地利用變更數據，計算得到2006—2016 年慈利縣生態系統服務價值。

3 結果與分析

3.1 慈利縣土地利用分析

3.1.1土地利用變化對慈利縣2006—2016 年土地利用變更數據進行處理和分析，得到各類土地面積（表3）和各土地類型差值（表4）。

由表3 和表4 可知，受國家退耕還林政策和慈利縣“撤縣設市”計劃實施的影響，耕地、林地以及園地的面積變化在2006—2011 年和2011—2016 兩個階段具有明顯的差異。2006—2016 年，園地面積的減少最多，城鄉建設用地增長最多。其中2006—2011 年，園地總面積減少了170.36 hm2，林地面積減少455.12 hm2，而耕地面積增加了454.66 hm2。耕地開墾是造成園地和林地面積減少的主要原因，由于慈利縣的地形地貌，園地和林地主要占據坡度高于25°的區域。雖然開墾后耕地面積增加，但實際上耕地的單位面積有效利用率卻呈下降趨勢；2011—2016 年園地面積的減少趨勢更為明顯，與此同時由于退耕還林政策的實施，耕地面積逐漸減少，林地面積稍有提升；2006—2016年，水域面積逐年減少但減少量較小，交通和未利用地面積皆有所增加，城鄉建設用地增加顯著，主要是城鎮化的發展促使建設用地規模的擴張，未利用地在2006—2016 年期間明顯減少，2011—2016 年減少趨勢更加明顯。

表3 2006—2016 年慈利縣各土地利用類型面積統計結果 （hm2）

表4 2006—2016 年慈利縣各土地利用類型差值結果 （hm2）

3.1.2土地利用變化特征利用慈利縣2006—2016 年各類土地利用面積分別計算出2006—2011 年、2011—2016 年以及2006—2016 年各土地利用類型的動態度（圖1）。

由圖1 可知，城鄉建設用地增加明顯；交通和水利用地保持增加趨勢，但在后一時段增加的趨勢大幅度降低；園地減少趨勢明顯；未利用地的在2011—2016 時間段的面積減少更為顯著；耕地動態度由增加變為減少，林地則相反；水域一直呈現小幅度減少。2006—2016 年整體變化中，城鎮建設相關區域的用地都大幅度上升，耕地總體有所增加，而園地、未利用地則是顯著下降，林地和水域雖然呈下降趨勢，但總體面積減少幅度較小。

計算得出慈利縣2006、2011 和2016 年的土地利用程度綜合指數，分別為228.08、228.28 和227.26，整體平穩，起伏不大。

為更直觀地反映慈利縣2006—2016 年間土地利用變化波動情況，增加2008 年和2014 年兩個時間點，計算2006—2008 年和2011—2014 年兩個時間段內慈利縣土地利用綜合指數變化率，結果表明：在2008—2011 年和2014—2016 年兩個時間段中，慈利縣的土地利用變化在小幅范圍波動。四個階段的土地利用綜合指數變化率皆小于0.15%，慈利縣的土地利用整體處于穩定發展狀態。

3.2 生態系統服務價值評價

3.2.1生態系統服務價值總變化由圖2 可知，2006—2016 年慈利縣生態系統服務價值呈現小幅度下降趨勢，生態系統服務價值減少了0.25 億元，價值變化率為-0.1%。除農田和濕地提供的生態系統服務價值增加外，其他各類型的生態系統服務價值均減少。未利用地和園地分別減少了6.43%和3.08%，河流/湖泊和森林分別減少了0.3 億與0.2 億元，減少了0.18%與0.1%。由于慈利縣為實現“撤縣設市”目標，通過加大對管轄范圍內各鄉鎮城市用地整治，加快城鎮化建設，開發未利用地，實施保證糧食產量和保護森林的措施，林地與未利用地的生態系統服務價值在2011—2016 年呈加速減少的趨勢。雖然濕地和農田的生態系統服務價值有所增加，但其單位面積的生態價值遠遠低于林地和未利用地的價值，且濕地和農田面積的增加量少于園地和未利用地的減少量，因此，慈利縣生態系統服務價值總體呈下降態勢。

3.2.2單項生態系統服務價值變化根據慈利縣不同生態系統服務價值系數表和慈利縣2006—2016 年土地利用變化數據，計算得到2006—2016 年慈利縣生態系統單項服務價值（表5）。

表5 2006—2016 年慈利縣生態系統單項服務價值及差值（億元）

2006—2016 年慈利縣總體的生態系統服務價值呈現減少趨勢，其中，提供美學景觀減少最多，達0.13億元；原材料生產、氣體調節、氣候調節、水文調節、保持土壤和維持生態多樣性等生態服務價值均減少0.03 億～0.07 億元左右；食物生產是生態系統服務類型中唯一增長的值，但其和廢物處理類型的波動范圍較小；水文調節和維持生態多樣性作為2016 年價值量最高的生態系統服務類型，其中林地和河流/湖泊為其提供主要價值量。

3.2.3鎮域生態系統服務價值空間變化根據慈利縣不同生態系統服務價值系數和慈利縣各鄉鎮2006—2016 年土地利用變化數據，計算得出縣域各鄉鎮的生態系統服務價值變化情況（圖3）。

在慈利縣的25 個鄉鎮中，江埡鎮的生態系統服務價值量最高，2006 年和2016 年的生態系統服務價值分別為23.75 億元和20.62 億元，占生態系統服務總價值的9.55%和8.30%；三合鎮和零陽鎮的生態系統服務價值相對較高，且兩者差距不大，占生態系統服務總價值的比例均在7%～8%；其他的鄉鎮對慈利縣生態系統服務價值估量的貢獻度都在1%～6%。

除零溪鎮、江埡鎮、三合鎮、高峰土家族自治鄉和南山坪鄉之外，其余各區縣的生態系統服務價值均呈現增加的變化趨勢（表6），但是各區域的變化幅度有差異。

江埡鎮生態系統服務價值減少量最大，2006—2016 年間共減少3.13 億元，變化率為-13.18%，主要 原因在于濕地與林地面積的大幅度減少；南鄉坪鎮次 之，生態系統服務價值共減少0.28 億元，變化率為-3.24%；三合鎮、高峰土家族自治鄉、零溪鎮的生 態系統服務價值變化率均處于-1%～0 的區間范圍內。

表6 慈利縣部分鄉鎮生態系統服務價值量

由圖4 可知，生態系統價值量增加的鄉鎮占全慈利縣81.48%，但變化率不大，處于1%～2%區間的鄉鎮只有巖泊渡鎮和零陽鎮，變化率分別為1.71%和1.50%；其次變化率稍高的三個鄉鎮為苗市鎮、洞溪鄉和楊柳鋪鄉，分別為0.71%、0.64%和0.63%。

4 結論與討論

以慈利縣為研究區，以2006—2016 年土地利用變更數據為基礎，將土地利用變化與生態系統服務價值評價相結合，探討土地利用與生態系統之間的關系，得出以下結論：

（1）通過單一土地動態度、土地利用綜合指數和綜合指數變化度分析慈利縣2006—2016 年土地覆被變化情況，總體呈“三增四減”的態勢：城鄉建設用地呈明顯增加趨勢；交通和水利用地保持增加趨勢；園地和未利用地減少趨勢明顯；耕地動態度由增加變為減少，林地則相反；水域一直小幅度減少。慈利縣的土地利用綜合程度穩定保持在227～228 左右，土地利用方式有待進一步優化。慈利縣積極開展城鎮化工作，城鎮建設用地增長速度快。未利用地是補充耕地、林地的重要來源，因此總體呈下降趨勢。2006—2011年慈利縣土地利用變化主要是從園地和未利用地轉向耕地和城鄉建設用地，而2011—2016 年則是轉向林地和城鄉建設用地。

（2）慈利縣生態系統服務價值從2006 年的248.61 億元減少至2016 年的248.36 億元，減少了0.25億元。其中，除農田和濕地所提供的生態系統服務價值增加外，其余各地類的生態系統服務價值均呈減少趨勢；從單一類型生態系統服務價值構成上來看，林地占比穩定保持在82%，一直是慈利縣生態系統服務價值中最重要的組成部分；而城鄉建設用地的增加導致總價值稍有減少；在單項生態系統服務價值中，2006—2016 年總體呈現減少態勢，其中提供美學景觀價值量的減少最多。

（3）從空間分異來看，2006—2016 年慈利縣管轄范圍內的各鄉鎮生態系統服務價值增減程度存在較明顯的差異。其中，江埡鎮生態系統服務價值減少量最大，共減少3.13 億元，主要是由于濕地與林地面積的大幅度減少；慈利縣城區所在的零陽鎮由于耕地數量增多，生態系統服務價值有所上升；總體來看，慈利縣生態系統服務價值量增加的鄉鎮占全縣的81.48%，但其價值量增加均不明顯。

慈利縣作為丘陵山區的縣域，其生態系統服務價值對林地等生態用地的變化比較敏感，在今后土地利用 規劃中，政府相關部門必須正視生態用地的積極作用，適當增加生態用地面積，進一步完善退耕還林工作。在慈利縣“撤縣設市”過程中，科學合理把控城鎮化進度，優化土地利用結構，在發展經濟的同時，確保生態安全，促進土地利用與生態系統的健康協調發展。