基于動態當量的彝漢交錯深度貧困區生態系統服務價值時空演變研究

潘洪義,張 琴,李加安,徐 婕,黃 佩

1 四川師范大學西南土地資源評價與監測教育部重點實驗室,成都 6100662 四川師范大學地理與資源科學學院,成都 610066

生態系統服務價值(ESV)是指通過生態系統的結構、過程和功能直接或間接得到的生命支持產品和服務[1],對生態系統服務和自然資本用經濟法則做出評估[2],是制定生態環境建設補償政策的必要前提[3]。近年來,國內外學者在不同尺度、不同類型生態系統服務價值及其評價技術框架等方面進行了研究[4]。1997年Costanza[1]等計算了全球生態系統的服務價值,使生態系統服務價值估算原理及方法在科學意義上得以明確[5],此后生態系統服務價值評估成為生態學的研究熱點之一。國外學者主要圍繞生態系統服務價值的理論分析框架[6- 7]、穩定性情況[8]、對地表動力學的響應[9]等多方面深入探討,且其演變多與土地利用變化相結合分析[10- 11]。國內方面,謝高地等在Costanza的估算原理方法基礎上,結合中國的實際情況,構建了一種基于專家知識的生態系統服務價值化方法,對生態系統服務價值當量因子表進行修訂和補充[5,12- 14],推動了我國生態系統服務價值評估研究的迅速發展。隨后國內學者管青青[15]、吳嬌[16]、湯峰[17]等分別引入生態干擾度、人為干擾度、敏感性指數等指標進行分析；商慧敏[18]、趙鴻雁[19]、肖驍[20]等評估了不同土地利用類型的生態系統服務價值；王顯金[21]、張麗琴[22]等基于不同方法和視角對生態系統服務價值進行研究；王云[23]和鄒月[24]等從生態安全格局和景觀格局演變等角度分析對生態服務價值的影響；研究尺度也從省域[4]、市域[25]、縣域[26]擴展到保護區[27]、旅游區[28]等敏感區；且多數學者主要研究土地利用變化與生態系統服務價值的相互關系[29- 31]。綜合來看,以往研究多基于單位面積價值當量因子的方法來估算生態系統服務價值,這種靜態的評估方法缺點在于未考慮生態系統的動態性和復雜性,無法全面的評估生態系統服務價值,而僅有少數研究基于單位面積價值動態當量法來研究年內動態生態系統服務價值[14],基于年際動態當量視角的生態系統服務價值方面的研究較為鮮見,且未考慮不同民族人群對作為社會存在根基的生態環境發揮的作用。

馬邊彝族自治縣是國家級貧困縣,峨邊彝族自治縣和金口河區是四川省省定深度貧困縣,其生態資源環境宏觀條件相似,但內部自然環境分異、社會經濟和民族構成比例差異明顯,在彝漢交錯貧困區具有較好的代表性。三縣均屬于小涼山彝區和烏蒙山區兩大集中連片特困重疊區域,是生態脆弱區與貧困區的重疊區域,也是少數民族與漢族交錯的主要分布區域,更是脫貧攻堅的重中之重,難中之難,研究該區域的生態系統服務價值對保護貧困區生態環境和建立充分均衡的生態穩定脫貧機制有重要意義。本文以上述三縣(區)為研究對象,基于2000—2015年土地利用矢量數據,采用土地利用強度指數測算方法,分析其土地利用覆被變化情況,并在此基礎上運用生態服務價值動態當量法,計算出各期動態生態系統服務價值,從不同角度揭示研究區生態系統服務價值的時空演變規律,以期為今后區域生態補償機制的建立和生態脫貧評估提供參考。

1 研究區域與數據來源

1.1 研究區概況

圖1 研究區位置及高程示意圖Fig.1 Research area location and elevation diagram

研究區位于四川省樂山市西南部,包括峨邊彝族自治縣、馬邊彝族自治縣和金口河區,介于28°25′—29°25′N 與 102°54′ —103°49′ E之間,地處西南小涼山區,并居橫斷山脈的東側,是四川盆地和云貴高原的過渡地帶,屬于高山地低洼河谷類型,區內地勢起伏顯著(圖1)。氣候屬于中亞熱帶濕潤季風氣候,由于地形的特點,研究區的地貌、氣候、植被、土壤及農業利用方式都呈明顯的垂直分布規律,因此,生態環境優美,自然資源豐富。截止2015年底,三縣幅員面積共5207.05 km2,總人口42.4萬人,其中彝族16.4萬人。

1.2 數據來源及處理

本文所采用的2000年、2005年、2010年和2015年4期土地利用矢量數據來自中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn/),地類分為6個一級地類和8個二級地類,以土地利用數據為基礎,測算其土地利用強度指數；DEM數據來源于地理空間數據云(http://www.gscloud),用以提取研究區的高程和地形坡度；用于修正當量因子的Net Primary Productivity(NPP)數據來源于美國國家航空航天局(https://www.nasa.gov/),土壤侵蝕模數和降水數據來源于國家地球系統科學數據共享服務平臺(http://www.geodata.cn/)；稻谷、小麥和玉米播種面積以及單位面積平均凈利潤數據來自《全國農產品成本收益資料匯編》,CPI指數來自于《樂山統計年鑒》,用于1個標準當量因子的生態系統服務價值核算與修正；最后用各地區面積、修正后的當量因子及其標準當量因子的生態系統服務價值計算出4期不同生態系統類型及其各類生態服務功能的生態系統服務價值總量,分析生態系統服務價值的時空變化。

2 研究方法

2.1 土地利用程度指數

土地利用強度是反映人類干擾的重要指示因子[32],人類通過改變土地利用方式和結構,并增強利用力度來滿足自身對土地供給能力的需求,從而影響生態系統結構和功能[33]。本文參考莊大方[34]和劉紅玉[35- 36]等土地利用程度指數,結合研究區實際情況進行微調(表1),公式如下：

(1)

式中,L為土地利用程度綜合指數,Ai和AT分別為第i類土地利用類型的面積和研究區總面積,Pi為不同類型的土地利用程度參數。

表1 不同地類的土地利用程度參數設置(Pi)

2.2 生態系統服務價值當量因子修正與確定

1個標準單位生態系統生態服務價值當量因子(以下簡稱標準當量)是指1 hm2全國平均產量的農田每年自然糧食產量的經濟價值[12]。本研究參考謝高地等[5]的處理方法,將單位面積農田生態系統糧食生產的凈利潤作為1個標準當量因子的生態系統服務價值量[13]。由于研究區不同年份的物價水平存在差異,故以2015年的物價水平為基準,運用CPI指數對不同年份的標準當量因子的生態系統服務價值進行修正,其計算公式如下：

Di=Sri×Fri+Swi×Fwi+Sci×Fci

(2)

(3)

式中,Di為第i年的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年的稻谷、小麥和玉米的播種面積占3種作物播種總面積百分比(%),Fri、Fwi和Fci為第i年的全國稻谷、小麥和玉米的單位面積平均凈利潤(元/hm2)；D為多年的1個標準當量因子的生態系統服務平均價值量(元/hm2),αi為第i年相較于基年的CPI修正系數。為了增強各年份之間生態系統服務價值的可比性,故四期標準當量采用研究期內的平均值計算[31],研究區2000—2015年平均標準當量經修正后的D值為2392元/hm2。

2.3 生態服務價值動態當量表的構建

單位面積生態系統服務價值動態當量表構建的目的是能夠體現生態系統服務價值在空間和時間維度上的差異[14]。本研究將生態系統服務分為4個一級類型和11種二級類型,分別是：①供給服務：食物生產、原材料生產、水資源供給功能；②調節服務：氣體調節、氣候調節、凈化環境、水文調節功能；③支持服務：土壤保持、維持養分循環、維持生物多樣性功能；④文化服務則主要為提供美學景觀服務功能。參考李士美等[37- 38]的研究,生態系統食物生產、原材料生產、氣體調節、氣候調節、凈化環境、維持養分循環、生物多樣性和美學景觀功能與生物量在總體上呈正相關,水資源供給和水文調節功能與降水變化相關,而土壤保持功能與降水、地形坡度、土壤性質和植被蓋度密切相關[13]。基于此,與生態系統服務價值基礎當量表相結合,按照下式構建生態服務時空動態變化價值當量表[14]：

(4)

式中,Fnij指某種生態系統在第i年第j地區第n類生態服務功能的單位面積價值當量因子；Pij指該類生態系統第i年第j地區的NPP時空調節因子；Rij指該類生態系統第i年第j地區的降水時空調節因子；Sij指該類生態系統第i年第j地區的土壤保持時空調節因子；Fn指該類生態系統的第n種生態服務價值當量因子；n1表示與NPP相關的服務功能；n2表示與降水相關的服務功能；n3指土壤保持服務功能。

2.3.1NPP時空調節因子[14](Pij)

NPP時空調節因子主要是用于修正食物生產、原材料生產、氣體調節、氣候調節、凈化環境、維持養分循環、維持生物多樣性和提供美學景觀這8類服務功能的生態服務價值當量因子,其計算公式為：

(5)

2.3.2降水時空調節因子(Rij)

降水時空調節因子主要是用于修正水資源供給和水文調節這2類服務功能的生態服務價值當量因子,其計算公式為：

(6)

2.3.3土壤保持時空調節因子(Sij)

土壤保持時空調節因子主要是用于修正土壤保持服務功能的生態服務價值當量因子,其計算公式為：

(7)

3 結果分析

3.1 單位面積動態生態系統服務價值估算

生態系統是一個復雜多變的動態平衡系統,其組成要素之間相互作用,影響著生態系統服務價值的變化。研究區2000—2015年平均標準當量為2392元/hm2,再基于生態服務價值動態當量表[14],以此得到研究區2000—2015年單位面積動態生態系統服務價值(表2)。

圖2 2000—2015年研究區時空調節因子變化Fig.2 Change of temporal-spatial regulating factors in the study area from 2000 to 2015

由表2可知,單位面積生態系統服務價值因年份、土地利用類型及服務功能的不同而差異顯著,如農田的食物生產功能從2000年的2197.26元/hm2上升到2015年的2314.50元/hm2。總體而言,研究期內食物生產、原材料生產、氣體調節、氣候調節、凈化環境、維持養分循環、維持生物多樣性和提供美學景觀8類服務功能的單位面積生態服務價值均以2010年為分界點,即先降低后升高,其中2000—2005年下降幅度較大；水資源供給、水文調節和土壤保持3類服務功能的單位面積生態服務價值則在2000—2005年呈增加趨勢,而后降低,但土壤保持服務功能變化幅度相對較小。

由上圖可看出, NPP時空調節因子2000—2010年逐漸下降,2010—2015年上升,呈現U型趨勢；而降水和土壤保持時空調節因子2000—2005年上升,2005—2015年逐漸下降,其中降水時空調節因子變化幅度較大。時空調節因子變化特征與上述單位面積生態系統服務價值變化特征相一致,這是由于時空調節因子影響生態服務價值動態當量,從而影響單位面積生態系統服務價值(圖2)。

3.2 土地利用強度分析

資料收集和實地調查結果顯示,研究區為多民族居住區,因以漢族和彝族人口為主,故將研究區分為漢族聚集居住區、彝族聚集居住區和彝漢混合居住區,在此基礎上利用研究區2000—2015年土地利用矢量數據,對各居住區土地利用強度指數進行計算,得到2000—2015年不同類型居住區土地利用強度綜合指數(表3)。

由表3可知,2000—2015年研究區土地利用強度呈現增強趨勢,從20.25增加到20.58,整體利用強度不高,且其變化幅度較小。就各居住區而言,2000—2015年研究區的漢居區、彝居區和彝漢混居區之間的土地利用強度差異較大。漢居區土地利用強度最高,彝漢混居區次之,彝居區最弱,僅17.7左右。研究區主要土地利用類型依次是森林、草地和農田,三者所占面積較大,受人為因素影響,面積變化幅度較大,從而增加了土地利用強度；但由于研究區地形、人們知識水平以及生產生活方式等局限,土地利用強度和變化幅度均較小,也導致彝居區、彝漢混居區、漢居區存在差異。

3.3 動態生態系統服務價值分析

3.3.1動態生態系統服務價值時間變化分析

生態系統服務價值總量與各地區面積、修正后的當量因子及其標準當量因子的生態系統服務價值相關,從而得出各類生態系統和不同服務功能的生態系統服務價值量(表4、圖3)。2000—2015年研究區的生態系統服務價值量分別是210.35、202.46、203.18、198.84億元,總體呈現下降趨勢,僅在2005—2010年略有回升。

表2 2000—2015年研究區各土地利用類型單位面積動態生態系統服務價值/(元/hm2)

表3 2000—2015年研究區各居住區土地利用強度指數

表4 2000—2015年研究區各類生態系統的生態系統服務價值/萬元

從各類生態系統的視角分析,研究區2000—2015年農田生態系統服務價值持續增加,灌木和草地的價值持續減少,變化幅度較大。2000—2005年農田、荒漠和水域生態系統服務價值上升,其余地類的價值下降,且下降幅度較大,特別是闊葉林。2005—2010年灌木林、草地和濕地生態系統服務價值減少,而其他地類的價值大幅度增多,因此2010年生態系統服務價值整體有所回升；2010—2015年僅農田和濕地生態系統服務價值增加,增長幅度較小,其他地類的價值減少,整體生態系統服務價值量下降。

圖3 2000—2015年研究區不同服務功能的生態系統服務價值Fig.3 Ecosystem service value of different service functions in the study area from 2000 to 2015

從不同生態服務功能的視角分析,研究區2000—2015年不同服務功能的生態系統服務價值存在一定差異,生態系統服務價值量最高的是氣候調節,其次是水文調節和土壤保持功能,最低的是水資源供給和維持養分循環功能,且變化幅度較小。2000—2005年各類服務功能的價值普遍下降,其中氣候調節功能價值下降幅度較大；2005—2010年僅水文調節和土壤保持這兩類服務功能價值略有上升,其他服務功能的價值變化幅度不大；2010—2015年,除食物生產、水資源供給和土壤保持服務功能價值變化極小外,其余服務功能價值均有所下降。

綜合上述分析,研究區2000—2005年生態系統服務價值量下降幅度較大,主要是因為NPP時空調節因子下降了43.72%,而降水和土壤保持因子雖有所上升,但變化幅度不大,且各生態系統面積變化較小；2005—2010年生態系統服務價值整體有所回升,主要由于時空調節因子變化幅度較小,森林和草地面積減少,其他地類面積大幅度增加；2010—2015年生態系統服務價值量整體下降,雖然NPP時空調節因子略微上升,但其他影響因子呈下降狀態,且城鎮化進程較快,建設用地占用耕地,同時耕地侵占林地和草地。

3.3.2動態生態系統服務價值空間變化分析

生態系統服務價值總量在時間和空間上都呈現一定的變化特征。在得出4個時期不同服務功能的生態系統服務價值基礎上,結合研究區2000—2015年土地利用矢量數據,利用ArcGIS平臺呈現生態系統服務價值總量的空間分布及其變化特征(圖4)。

圖4 2000—2015年研究區生態系統服務價值空間分布Fig.4 Spatial distribution of ecosystem service value in the study area from 2000 to 2015

由圖4可知,研究區2000—2015年生態系統服務價值總量的分布存在明顯的空間差異,整體呈現出中西部高、東部低的空間分布特征,價值總量高的區域主要集中在中西部的彝居區和彝漢混居區。各居住區面積大小依次是彝漢混居區、彝居區和漢居區,而生態系統服務價值總量最高是彝居區,彝漢混居區次之,漢居區最低。結合研究區高程可知,中西部海拔高,森林覆蓋率高,地形起伏大,受人類活動影響相對較小,主要受自然因素影響；東部地形較平坦,人類活動較頻繁,城鎮發展相對迅速,主要受人文因素影響。加之彝居區、彝漢混居區和漢居區的生產生活方式和知識水平不同,土地利用強度不同,因此生態系統服務價值總量在空間分布上和各居住區分布上均存在差異。

生態系統服務價值總量隨時間的變化在空間上變化也較為顯著,而生態系統服務價值空間分布未能明確表示其演變規律,因此還需分析生態系統服務價值空間變化特征(圖5)。

圖5 2000—2015年研究區生態系統服務價值空間分布變化Fig.5 Spatial change of ecosystem service value in the study area from 2000 to 2015

研究區2000—2015年4個時期之間的生態系統服務價值空間變化幅度較大,空間變化最為明顯的是彝居區的勒烏鄉和彝漢混居區的五渡鎮(圖5)。整體而言,2000—2015年中西部彝居區和彝漢混居區的生態系統服務價值下降,且下降幅度大,東部彝漢混居區和漢居區的生態系統服務價值上升。2000—2005年研究區東部和北部彝漢混居區和漢居區的生態系統服務價值增加,西部彝居區的價值減少,其中價值增加最多是彝漢混居區的五渡鎮,減少最多是彝居區的勒烏鄉；該時段對土地利用的強度較小,主要受自然因素影響,西部海拔高,地形起伏大,森林覆蓋率高,而東部和北部地形較平坦,農田居多,故NPP時空調節因子劇烈下降對其變化影響較深。2005—2010年研究區生態系統服務價值空間分布變化與上一時段存在較大差異,西部彝居區和彝漢混居區的生態系統服務價值上升,東部漢居區和彝漢混居區的價值下降,上升區域主要集中在彝居區的勒烏鄉；主要是因為時空調節因子變化較小,自然因素作用減弱,人類活動影響較大,土地利用強度增加,主要集中在東部,故西部生態系統服務價值相對上升,東部相對減少。對比前兩個時段,2010—2015年研究區生態系統服務價值增長區域在東部且分布較為集中,其他地區生態系統服務價值減少,主要是西部彝居區的勒烏鄉；隨著社會和經濟的發展,該時段人們的生產生活方式以及知識水平提高,機械操作增強,農業活動增多,城鎮化進程加快,西部變化較為強烈,東部穩步發展,相比之下,西部生態系統服務價值降低,東部則略微上升。

4 結論與討論

本文選取彝漢交錯深度貧困區的峨邊彝族自治縣、馬邊彝族自治縣和金口河區為研究區域,基于2000年、2005年、2010年和2015年4期土地利用數據,分析各居住區土地利用強度綜合指數變化,并運用生態服務價值動態當量法,得出研究區4個時期的生態系統服務價值,結果表明：

(1)2000—2015年研究區各居住區土地利用強度整體呈現增強的趨勢,但變化幅度較小。漢居區、彝居區和彝漢混居區之間的土地利用強度差異較為明顯,漢居區土地利用強度最高,彝漢混居區次之,彝居區最弱。

(2)2000—2015年研究區生態系統服務價值總體呈現下降趨勢,且不同生態系統和生態服務功能存在差異。研究區4個時期的生態系統服務價值量分別是210.35億元、202.46億元、203.18億元、198.84億元,僅在2010年略有回升。研究區2000—2015年各類生態系統的生態服務價值差距大,森林價值最高,荒漠價值最低,農田價值連續增加,灌木和草地價值連續較少；從不同生態服務功能來看也存在一定差異,最為顯著的是氣候調節,其次是水文調節和土壤保持,且氣候調節功能價值變化幅度較大。

(3)2000—2015年研究區生態系統服務價值總量整體呈現出西部和中部高、東部低的空間分異特征,且各區域變化方向存在差異。生態系統服務價值總量最高的是西部彝居區,中部彝漢混居區次之,東部漢居區最低。研究區2000—2015年生態系統服務價值變化值與生態系統服務價值總量空間分布一致,中西部彝居區和彝漢混居區的生態系統服務價值下降,東部彝漢混居區和漢居區的生態系統服務價值上升,但受自然和人為因素影響程度不同,且3個時段生態系統服務價值空間變化不同。

目前生態服務價值核算方法可以分為基于單位服務功能價格的方法(功能價值法) 和基于單位面積價值當量因子的方法(當量因子法) 兩類[14]。研究學者們多用當量因子法分析靜態生態系統服務價值,而謝高地[14]等人改進當量因子法,構建單位面積生態服務價值動態當量表,在此基礎上結合研究區實際情況,運用動態當量法分析動態生態系統服務價值,區別于傳統的靜態生態系統服務價值評估,能更為全面的評估生態系統服務價值,提高評價結果的準確性。該模型中生態系統服務價值量采用的為2000—2015年的平均值,雖然加強了各年份的可比性,但在一定程度上弱化了單個年份的數據特性；同時該模型對社會經濟因素考慮較少。本文的分析有利于了解區域生態環境狀況,進而開展生態功能保護,利于構建生態資源累積效應模型,為建立生態補償機制以及今后進一步研究提供參考,進而有利于研究區生態脫貧。需要指出的是,時空調節因子影響動態當量,進而影響單位面積生態系統服務價值,更好展現生態系統的動態性,加之土地利用強度影響不同土地利用類型面積,綜合影響生態系統服務價值總量的變化。其次,研究區各居住區的生態系統服務價值變化與土地利用強度變化呈負相關,即土地利用程度越大,生態系統服務價值越低,這與眾多的研究結果[35]一致。最后,本文探討了時空調節因子和土地利用強度等因素對研究區生態系統服務價值空間分布的影響,而生態系統服務價值受諸多因素影響,如縣域生態資源本底狀況、生活生產方式等自然和人為因素,此類因素如何影響生態系統服務價值的空間分布是今后需要進一步解決的科學問題。