陜西省土地利用與生態系統服務價值動態研究

岳杙筱 薛 亮

(陜西師范大學 地理科學與旅游學院，西安 710119)

人類的一切活動都立足于土地資源。隨著人口持續增長和經濟快速發展，土地侵蝕、土地退化、土地荒漠化、土地鹽漬化和土地污染等現象日益加重，生態環境問題日益突出。正確處理好土地利用、經濟發展及生態環境三者之間的關系顯得尤為重要。

土地利用變化是表征人類活動對地球表層系統影響的最直接形式，在全球環境變化過程中扮演著非常重要的角色[1]。人類對土地利用最早的探索可追溯到19世紀前期，杜能[2]對德國南部地區進行研究，提出土地利用模式。隨后，國內外在土地利用的分布特征[3]、驅動力機制[4-5]、預測和模型構建[6-8]等方面展開了大量研究。生態系統服務是指對人類生存及發展有貢獻的生態系統產品和功能，是人類直接或間接從生態系統得到的利益[9]。自1997年Costanza等[10]開啟生態系統服務價值評估研究之后，眾多研究者在此基礎上開展了對生態系統服務價值的相關探索。其中，謝高地等[11-13]多次對中國大陸生態系統服務價值評估方法進行修正，確定了中國生態系統單位面積生態服務價值當量。此外，生態系統服務價值的評估方法與模型[14-15]、生態與經濟耦合[16]、生態系統服務權衡與協同[17]等一直是研究熱點。一方面人類通過改變土地利用類型來影響生態系統的結構和功能；另一方面生態系統服務功能的變化同樣也會影響土地利用的格局和效率[18]。生態系統服務和土地利用是一個矛盾體，彼此相互聯系、相互制約。基于土地利用的變化特征。研究特定區域的生態系統服務價值，對揭示人類活動對生態系統的影響以及協調人與自然之間的關系具有重要意義[19-20]。近年來，基于土地利用變化，綜合運用多種技術和模型對生態系統服務的評估研究日益增多，逐漸成為生態學和地理學研究熱點[21-24]。

生態系統服務主要包括供給服務、調節服務、支持服務和文化服務4 個方面，關乎區域糧食安全、水源涵養和人類健康。區域土地利用的變化直接影響生態系統服務價值。隨著陜西省的經濟發展和城市化水平不斷提高，土地利用特征的進一步變化，生態系統服務價值隨之發生的變化有待深入探討。因此，本研究擬以陜西省為研究對象，借助生態系統服務價值動態評估模型，利用土地利用變化動態度、敏感性指數、生態經濟協調度等方法，分析近40年陜西省土地利用時空變化特征，計算陜西省生態系統服務價值，并分析其動態演化特征，最后分析陜西省生態系統服務價值與社會經濟發展之間的相關性和協調度，以期為政府部門協調生態文明建設、土地利用和經濟向可持續性方向發展等提供決策依據。

1 研究區與數據源

1.1 研究區域概況

陜西省位于中國內陸腹地，介于東經105°29′～111°15′，北緯31°42′～39°35′，總面積20.56 萬km2。有著獨特的地理位置和資源稟賦，地跨黃河、長江2 大水系。橫跨3 個氣候帶，涉及秦巴山地、關中平原和黃土高原3 大自然地理單元，土地利用類型多樣。陜西省南北氣候差異較大，全省年平均氣溫9～16 ℃，年平均降水量340～1 240 mm，降水南多北少。陜西省下轄10 個地級市、30 個市轄區、5 個縣級市、72 個縣。截至2018年末，常住人口3 864萬人，地區生產總值24 438.32億元，第一、二、三產業增加值分別為1 830.19、12 157.48、10 450.65億元。

1.2 數據來源

陜西省1980、1990、2000、2010和2018年的5 期1 km空間分辨率的衛星遙感土地利用解譯數據來源于中國科學院資源環境數據云平臺(http:∥www.resdc.cn)，包括耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地的6 個土地利用類型，是以各期遙感影像為主要數據源，通過人工目視解譯生成的土地利用數據。相應年份的社會統計數據來源于1980—2018年陜西省統計年鑒。

2 研究方法

2.1 GIS空間疊合分析

空間疊合分析是指在相同的空間坐標系統下，將同一地區2 個不同地理特征的空間屬性數據疊加，以產生空間區域的多重性特征，或建立地理對象之間的空間對應關系[25]。本研究基于此，使用不同年份的土地利用數據，制作土地利用轉移矩陣，分析不同時期不同土地利用類型之間的轉化情況和轉化速率。

2.2 土地利用變化動態度

單一土地利用動態度(K)反應的是研究區在一定時間范圍內某種地類的數量變化情況，用來表示不同地類在一定時期內的變化速度和變化幅度[26]。其計算公式如下：

(1)

式中：Si、Sj分別為研究期始、末某土地利用類型的面積，km2；T為研究時段，a。

2.3 生態系統服務價值評估

2.3.1單位糧食產量的經濟價值測算

謝高地等[12]的評估方法將全國范圍內1 hm2平均產量的農田每年自然糧食的產值定義為單位面積農田生態系統一年的食物生產服務價值，即1個當量因子的經濟價值，經測算，其值大致等于糧食單產價值的1/7，因為建設用地是一種特殊的自然-人工-社會作用形成的復合生態系統，對其生態系統服務價值進行估算涉及的問題復雜、評估數據獲取困難，導致無法完全量化其生態系統服務價值，再加上國內外研究對建設用地生態系統服務價值的評估方法不一致，因此本研究在評估時將其忽略，單位糧食產量的經濟價值測算公式如下：

(2)

式中：Ea為單位面積糧食產量的經濟價值，元/hm2；P為陜西省2018年糧食的平均價格，為消除市場波動等其他因素對農產品價格的干擾，計算中P取值為2.21 元/kg；Q為陜西省1980—2018年糧食平均單產，取值是3 022.64 kg/hm2。

2.3.2生態系統服務價值系數動態調整

由于生態系統服務價值是不斷發展、動態變化的，人們對生態資源的需求隨著社會發展階段而呈現“S”型的變化趨勢，具體體現在經濟、社會生活的不斷發展和提高，人們對生態系統效用作用的支付意愿也會逐漸上升，該過程可以借助 Logistic生長曲線模型來闡明[27]：

(3)

Ent=Etc×Ptc+Etr×Ptr

(4)

(5)

式中：l為與現實支付意愿有關的社會發展階段系數；Ent表示陜西省第t年恩格爾系數；Etc、Etr表示城鎮和農村第t年恩格爾系數；Ptc、Ptr表示城鎮和農村第t年人口比例；k為社會發展階段系數；l陜西、l全國表示陜西省和全國的社會發展階段系數。

由于計算中采用2018年陜西省糧食作物不變價來測算單位糧食產量的經濟價值，因此本研究將2018年設為基準年，以其他年份與基準年系數的比值作為修正后的社會發展階段系數(表1)，計算公式為：

表1 1980—2018年陜西省生態系統服務功能價值社會發展階段系數Table 1 Ecosystem service function value social development stage coefficient in Shaanxi Province from 1980 to 2018

(6)

式中：kt為第t年社會發展階段系數；Dt為修正的社會發展階段系數。

2.3.3動態生態系統服務價值評估

基于Costanza等[10]的生態系統類型及其服務單價來核算生態系統服務價值的評估方法，結合陜西省社會發展階段系數(Dt)逐年修正生態系統服務價值系數，修正后的生態系統服務價值評估模型如下：

(7)

式中：ESV為研究區生態系統服務總價值，億元；Ai為第i類生態系統的面積，km2；Mij是第i類土地第j種生態系統服務功能所對應當量因子表數值；m為生態系統類型數；n為生態系統服務類功能項數；Ea表示單位面積糧食產量的經濟價值，元/hm2；Dt為修正的社會發展階段系數。

2.4 敏感性指數

利用敏感性指數(Coefficient of Sensitive，CS)[18]來反映生態系統服務價值對生態系統服務價值系數的依賴程度，是指生態系統服務價值系數變動1%引起生態系統服務價值的變化情況，計算公式如下：

(8)

式中：VCik和VCjk為調整前后的第k類生態系統單位面積生態系統服務價值系數，元/hm2；ESVi和ESVj分別為調整前后的生態系統服務總價值，億元。如果CS<1，表明ESV相對于VC是缺乏彈性的，即生態系統服務價值對價值系數不敏感，其準確度較高，研究結果可信；反之，如果CS>1，表明結果可信度低。

2.5 生態經濟協調度

生態經濟協調度(Eco-economic harmony index，EEH)[28]模型是通過比較一個地區生態環境和經濟發展速度的定量分析來衡量該地區的生態與經濟發展是否協調，指研究期內單位面積生態系統服務價值的變化率與單位面積GDP變化率之比，具體計算如下：

(9)

式中：ESVpm、ESVpn分別為研究區某時期始、末年份的單位面積生態系統服務價值，萬元/km2；GDPpm、GDPpn為研究區某時期始、末年份的單位面積GDP，萬元/km2。當EEH≥1時，表示生態經濟高度協調；當0.5≤EEH<1時，表示生態經濟中度協調；當0≤EEH<0.5時，表示生態經濟低度協調；當-0.5≤EEH<0時，表示生態經濟低度沖突；當-1≤EEH<-0.5時，表示生態經濟中度沖突；當EEH<-1時，表示生態經濟高度沖突。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化分析

3.1.1土地利用時空演變

1980—2018年陜西省土地利用變化情況見表2。由表2可知：1)在數量上，土地利用類型主要以草地、耕地和林地為主，共占總面積的94%～96%，水域面積最小，僅占0.84%；2)在空間格局上，關中平原作為西北地區重要的糧食生產基地，是陜西省耕地的主要集中分布區域，林地主要分布在秦嶺南麓和陜北的子午嶺、黃龍山地區，草地分布范圍較廣，但集中于陜南和陜北地區，建設用地以西安為代表，水域和未利用地分別集中于漢江流域和毛烏素沙地南部。各地類變化情況如下：面積變化最大的地類為耕地和建設用地，1980—2018年耕地面積減少了近6.4%，而建設用地面積較1980年增加了1.1 倍，建設用地增加尤其以關中地區最為明顯；林地面積增加。在2000年后增幅較大，得益于1999年陜西省全面實施退耕還林政策以及造林綠化進程持續推進；草地面積的增加在2018年達到79 074 km2；水域面積略有減少，與1980年相比，減少了299 km2，這可能與區域城市化和人類活動有關；未利用地減少約28%，表明毛烏素沙地生態環境好轉趨勢顯著。

表2 1980—2018年陜西省土地利用變化情況Table 2 Land use change in Shaanxi Province from 1980 to 2018 km2

3.1.2土地利用轉移分析

從土地利用轉移矩陣可以看出(表3)：在轉出數量上，1980—2018年草地轉出面積最大，為33 129.49 km2，其次為耕地和林地，轉出量分別為32 256.43、16 330.20 km2。其中：耕地主要轉移為草地、林地和建設用地，因為城鎮化建設占用了大量的耕地，以及退耕還林(草)政策實施從一定程度上導致耕地面積減少；草地主要轉移為耕地和林地，轉移面積分別為19 691.99和11 504.65 km2；林地主要轉為草地和耕地，此變化原因可能為早期城市擴張林地開墾為耕地或退化演替為草地。耕地和草地是建設用地的主要轉入來源，耕地轉為建設用地的面積為3 025.91 km2。從轉出率來看：水域有47.8%轉向耕地，進一步驗證受人類活動的影響造成陜西省水域面積的顯著減少。未利用地中有近63.6%轉向草地，這主要是由于施行陜北生態恢復工程，明顯提高了毛烏素沙地的植被覆蓋度，進一步加速了土地利用轉變。

表3 1980—2018年陜西省土地利用轉移矩陣Table 3 Transfer matrix of land use in Shaanxi Province of 1980 to 2018 km2

3.2 土地利用變化動態度分析

利用式(1)計算得出1980—2018年陜西省土地利用變化動態度(表4)。各地類變化速率由大到小為：建設用地>未利用地>水域>耕地>林地>草地，其中，建設用地增加幅度最大。耕地和未利用地的單一土地利用動態度為負值，說明兩者面積呈減少趨勢。4 個研究時段內，未利用地的單一土地利用動態度一直為負值，耕地和林地的單一土地利用動態度均低于1%，建設用地的單一土地利用動態度逐年攀升，2010—2018年值最大，為6.116，表明在此時間段，建設用地變化劇烈。

表4 1980—2018年陜西省單一土地利用變化年動態度Table 4 Dynamic degree of annual single land use change in Shaanxi Province from 1980 to 2018 %

3.3 生態系統服務價值變化

3.3.1各地類生態系統服務價值變化

陜西省1980、1990、2000、2010和2018年生態系統服務總價值分別為2 161.46、2 153.06、2 361.47、2 290.30、2 752.39 億元，總體呈現增加的趨勢。近40年增加了590.94 億元，具體為1980—1990年減少了8.40 億元，1990—2000年增加了208.41 億元，2000—2010年減少了71.17 億元，2010—2018年增加了462.09 億元(表5)。4 個研究時段內，耕地、草地和林地生態系統服務價值均為總價值構成的主要部分，草地、耕地和林地也是陜西省主要的3種土地利用類型，林地產生的生態系統服務價值最大，大約占總生態系統服務價值的46%，水域和未利用地由于占地面積較少，產生的生態系統服務價值也較小，除未利用地外，其他土地利用類型的生態系統服務價值均呈現波動上升的變化。

表5 1980—2018年陜西省土地利用類型生態系統服務價值變化Table 5 Land use type ecosystem service value changes in Shaanxi Province from 1980 to 2018 億元

3.3.2各單項生態系統服務價值變化

1980—2018年陜西省各單項生態系統服務價值從高到低依次為：保持土壤、維持生物多樣性、水文調節、氣候調節、氣體調節、廢物處理、原材料生產、提供美學景觀、食物生產(表6)。支持功能和調節功能的生態系統服務價值對陜西省生態系統服務總價值的貢獻率遠大于供給功能和文化功能，恰好反映了陜西省土地利用類型的分布格局和變化情況，以林地和草地生態系統為主，且面積不斷擴大，而耕地面積持續減少。其中，水文調節功能對陜西省生態系統服務總價值貢獻較高，這是因為水文調節功能主要由水域、林地等提供。一方面林地面積增加；另一方面雖然水域面積在陜西省總面積中所占比例最少，但是陜南地區水資源量較大，作為南水北調中線工程重要的水源區提供了極其重要的生態系統服務功能，特別是水文調節。近40 年各單項生態系統服務價值均有不同程度的增加，原材料和氣體調節生態系統服務價值增幅最大，分別為 28.9%、28.8%，食物生產增幅最小，為 23.1%。

表6 1980—2018年陜西省各單項生態系統服務價值變化Table 6 Single ecosystem service value changes in Shaanxi Province from 1980 to 2018 億元

3.4 敏感性分析

根據式(4)計算得出陜西省生態系統服務價值的敏感性指數(表7)。由表7可知，各地類的敏感性指數均小于1，說明生態系服務價值總量對其生態系統服務價值系數缺乏彈性，所采用的生態系統服務價值系數適合研究區的情況，研究結果可信。1980—2018年各地類敏感性指數值由大到小排序依次為林地>草地>耕地>水域>未利用地。以上結果表明，林地對生態服務總價值的貢獻力度最大，相反，未利用地的貢獻作用最小；耕地的敏感性指數呈現先增加后減少的趨勢，尤其在近幾年，下降趨勢明顯，表明耕地對生態系統服務價值的作用減弱；林地的敏感性指數相反，表現出顯著的上升趨勢，表明陜西省生態修復工程對提高區域生態系統服務價值具有積極影響；草地的敏感性指數呈現增大-減小-增大的變化；水域生態系統服務價值變化對陜西省生態系統服務總價值產生先縮小、后放大、再縮小的變化；未利用地的敏感性指數接近于0，表明未利用地生態系統服務價值變化對陜西省生態系統服務總價值的影響不大。

表7 陜西省生態系統服務價值的敏感性指數Table 7 Sensitivity index of ecosystem service value in Shaanxi Province

3.5 生態系統服務價值與社會經濟發展關系

1980—2018年，陜西省人口、GDP、人均GDP、全社會固定資產投資、城市化率都呈明顯增長的趨勢，而人均生態系統服務價值總體呈現出下降的趨勢(表8)。利用SPSS軟件對近40 年陜西省人均生態系統服務價值與社會經濟發展數據進行Pearson相關系數分析(表9)可知，人均生態系統服務價值與人口和城市化率之間存在負相關關系，相關系數分別為-0.593和-0.416。2018年的人均生態系統服務價值較1980年的減少，說明近40 年隨著人口增加、城市化建設不斷推進，人們對生態環境的需求和支付意愿增大，社會經濟的快速發展確實影響著社會生態系統服務。進一步利用式(9)計算可得，陜西省1980—1990年、1990—2000年、2000—2010年、2010—2018年和1980—2018年的EEH值分別為 -0.001、0.028、-0.007、0.143 和0.001。1980—2018年陜西省的整體生態經濟表現為低度協調，說明陜西省生態環境與經濟發展整體上處于低度協調的狀態；1980—1990年和2000—2010年陜西省的整體生態經濟表現為處于0值附近的低度沖突狀態，說明經濟發展對生態環境產生了一定的負面影響；1990—2000年和2010—2018年陜西省的整體生態經濟表現為低度協調，表明人們在追求經濟發展的同時更加注意對生態環境的保護。為了使陜西省生態經濟更加協調，人均生態系統服務價值占有量提高，在未來的城市和社會經濟發展的過程中應該更加注重生態文明建設，加大對生態環境的建設和保護，堅持創新、綠色、協調發展。

表8 1980—2018年陜西省社會經濟發展情況Table 8 Social and economic development of Shaanxi Province from 1980 to 2018

表9 生態系統服務價值與社會經濟發展的相關分析Table 9 Correlation analysis of social and economic development of ecosystem service value

4 討 論

本研究采用社會發展階段系數對生態系統服務價值當量因子表進行修正，構建生態系統服務價值動態評估模型，評估了1980—2018年陜西省生態系統服務價值的動態變化情況，并對其敏感性以及與社會經濟發展關系進行分析。本研究結果可為定量了解陜西省生態系統服務價值及其變化特征提供科學參考。當然，有關建設用地的生態系統服務價值計算，目前研究評價方法仍存在爭議，本研究未計算建設用地的生態系統服務價值；生態系統服務價值受多種因素的影響，在修正時考慮因素不夠全面，從而影響評估結果。因此，在計算生態系統服務價值時，全面考慮多種因素和對建設用地的生態系統服務價值估算將是以后的研究重點，以期達到對區域生態系統價值更加合理的評估。

5 結 論

1)陜西省土地利用時空變化存在異質性，土地利用類型以草地、耕地和林地3 種類型為主，6 種土地利用類型呈現明顯的地域分布特征。1980—2018年，陜西省耕地和未利用地面積減少，林地、草地和建設用地面積增加，水域面積略有減少。各地類之間轉移頻繁，耕地轉出面積為32 256.43 km2，主要轉化為林地、草地和建設用地。各地類的土地利用變化動態度差異明顯，其中建設用地的土地利用變化動態度最大，草地的土地利用變化動態度最小。陜西省應加強對耕地的保護，改變農業種植模式，精簡用地，提高土地利用效率，控制建設用地持續擴張，確保土地利用實現可持續性發展。

2)1980—2018年陜西省生態系統服務價值總體上增加，1980、1990、2000、2010和2018年生態系統服務總價值分別為2 161.46、2 153.06、2 361.47、2 290.30、2 752.39 億元。在各種土地利用類型中林地產生的生態系統服務價值最大，其次是草地和耕地，未利用地產生的生態系統服務價值最小，土地利用和生態系統功能相互影響。陜西省支持功能和調節功能生態系統服務價值最大，各單項生態系統服務價值從高到低依次為：保持土壤、維持生物多樣性、水文調節、氣候調節、氣體調節、廢物處理、原材料生產、提供美學景觀、食物生產。為了不斷提高省域的生態系統服務價值，應合理利用各種類型的土地資源，創新發展思路，讓生態文明融入發展的全過程。

3)研究時段內陜西省不同土地利用類型的敏感指數均小于1，說明所采用的生態系統服務價值系數適合研究區的情況，其研究結果是可信的。1980—2018年敏感性指數值由大到小排序依次為林地>草地>耕地>水域>未利用地，研究期間林地和草地對陜西省生態系統服務價值的貢獻率較大。近40 年來，陜西省人均生態系統服務價值與人口和城市化率之間存在負相關關系，陜西省生態環境與經濟發展整體上處于低度協調的狀態，社會經濟的快速發展影響著社會生態系統服務。在生態文明社會建設的大背景下，要增強生態經濟協調度，實現土地-經濟-生態-人類和諧發展。