寧夏回族自治區生態系統服務價值時空演變及其驅動力

程 靜, 黃 越

(1.寧夏大學 資源環境學院, 銀川 750021; 2.寧夏大學 科技處, 銀川 750021)

生態系統服務是人類生存和發展的基礎，是任何科學技術無法復制和替代的自然生態系統服務功能[1-2]，是通過生態系統結構、過程和功能直接或間接獲取的包括實物型服務(水、食物、原材料等)和非實物型服務(氣候調節、水土保持、美學景觀等)在內的各種惠益[3]。生態系統不僅創造和維持了人類必要的生存環境條件，而且為人類提供了生產生活資料以及休閑、娛樂和審美享受[4]。對生態系統進行科學合理的量化評估，掌握生態系統服務功能時空演變特征，識別其驅動因素，探討其驅動機制有利于生態系統的科學管理及其可持續發展[5-6]。土地利用/覆被變化作為全球氣候和環境變化的重要議題之一[7-8]，直接影響和改變著生態系統的結構、功能及其演變過程，最終導致生態系統服務價值(Ecosystem Service Value，簡稱ESV)的改變[9-10]。ESV作為表征生態安全的重要指標，成為生態學、經濟學以及地理學等相關學科的重要研究內容[11]。Costanza等[12]首次對全球ESV進行了評估，提出了ESV評估模型，并實現了貨幣化表達，為相關研究奠定了基礎。但同時也有學者提出，生態系統受社會經濟系統、人類活動以及生態系統自生異質性特征的影響，不同區域采用同一套價值系數，其研究結果的準確性將會遭到質疑[13-14]。因此，謝高地等[15]基于Costanza等提出的評估模型，結合我國國情，提出了中國陸地生態系統單位面積ESV當量因子表，與現行的價值替代法、貨幣轉化法和能值分析法以及InVEST模型、ARIES模型和指標評價模型等ESV評價方法相比，該方法操作簡單，數據需求小，評價全面且準確性高，被廣泛地應用于區域ESV評估中。

寧夏回族自治區位于西北干旱半干旱過渡地帶，是黃河上游重要的生態屏障區，由于其獨特的地理位置以及長期不合理的人類活動，使得區域生態脆弱，退化顯著，改變了區域生態系統格局，嚴重影響了其社會經濟發展。寧夏生態問題不僅關乎自身及周邊省區的發展，而且關乎西北地區乃至整個國家的發展和生態安全。ESV取決于社會經濟發展狀況和自然地理要素分布特征，是量化和分析生態系統服務功能強弱、針對不同區域特征實施生態系統服務功能保護和利用的重要依據[16-17]。目前，針對寧夏ESV的研究主要集中在縣域[17,18-20]、自然保護區[21]、不同產業類型[22]以及單一土地利用類型等[22-26]方面，而仲俊濤[27]和王重玲[28]等則基于ESV對寧夏和隆德縣區域生態補償進行了研究。上述研究為開展寧夏ESV研究提供了良好的參考與借鑒。然而上述研究僅對寧夏特定區域ESV進行了分析，缺乏其時空演變特征以及驅動因素的探討，而針對寧夏全區ESV時空演變特征及其驅動因素的研究卻鮮有報道。此外，現有研究多采用遙感數據進行分析研究，受數據分辨率和解譯精度影響，研究結果可能存在一定誤差。

因此本文以寧夏回族自治區為例，基用土地利用變更調查數據，集成土地利用動態度、ESV評估模型、SPSS以及空間自相關等方法，對研究區ESV時空演化過程、特征及其驅動因素進行定量研究，為進一步開展干旱半干旱地區生態系統科學管理、土地資源合理有效配置以及生態保護政策制定與實施提供科學依據。

1 研究區概況

寧夏回族自治區位于我國西北部，地處黃河上游地區，東與陜西省相鄰，西部和北部與內蒙古自治區接壤，南部與甘肅省比鄰，區域輪廓南北長、東西窄，地勢南高北低，北部地形以平原為主，南部地形以丘陵、山地為主，區域總面積6.64萬km2。寧夏深居內陸，遠離海洋，屬于溫帶大陸性半濕潤半干旱氣候，年均氣溫為6～10℃，年均降水量220 mm左右，平均海拔1 000 m以上，日照時數3 200 h以上。截至2017年，全區共轄5個地級市22個縣(區)193個鄉(鎮)以及2 260個村委會，總人口約為681.79萬人，其中回族人口約占總人口的36.31%，全區實現地區生產總值3 443.56億元，其中第一、二、三產業結構比重依次為7.3%，45.9%，46.8%。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本研究所用土地利用數據來源于寧夏土地利用變更調查數據，按照全國土地資源分類系統以及《土地利用現狀調查技術規程》(1984年)進行地類劃分，并進行面積統計計算，包括林地、園地、耕地、草地、城鎮村及工礦用地、交通用地、水域以及未利用地8種類型[7]。本文采用的社會經濟數據來源于《寧夏統計年鑒》。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用動態度 土地利用動態度反映了研究區單位時間內土地利用動態變化特征，是衡量土地利用變化的重要指標[29-30]，計算公式為：

(1)

式中:K為研究期間某一類土地利用動態變化度;Ua,Ub分別為研究初期和研究末期的某一類土地利用面積;T為研究時間。

2.2.2 生態系統服務價值系數修正 Costanza等[12]于1997年提出了ESV的計算原理和方法，但其運用于中國還存在一定的局限性，因此謝高地等[15]對該模型加以修正。本文對研究ESV當量因子進行系數修正，采用修正后的生態系統服務模型，結合研究區社會經濟發展對研究區進行研究。2009—2017年，寧夏地均糧食產量為5 118.26 kg/hm2，糧食平均價格為2.35元/kg，考慮無人力投入時，ESV是單位面積農田提供的食物生產經濟價值的1/7[7,31]，故得到寧夏農田糧食產量的經濟價值為1 718.27元/hm2，依據謝高地等[15]提出的中國陸地生態系統單位面積生態服務價值當量表得到研究區生態系統服務價值系數見表1。

表1 寧夏不同土地利用類型ESV系數

2.2.3 生態系統服務價值評價模型 本文采用Costanza等提出的ESV評價模型，其計算公式如下，其中城鎮村及工礦用地、交通用地不進行價值估算[32-33]。

(2)

(3)

式中:ESV為研究區生態系統服務價值(元);Ai為第i種土地利用類型面積(hm2);Vci為第i種土地利用類型生態系統服務價值當量(元/hm2);ESVf為第f項生態系統服務價值(元);Vcfi為第i種土地利用類型第f項生態系統服務價值當量(元/hm2)。

2.2.4 驅動力分析 自然因素和人類活動的影響是生態系統結構和功能改變的主要驅動因素，進而導致ESV發生變化[34-35]。參考相關研究[6,16,36]，ESV在短時間內主要受人類活動的影響。因此，本研究選取總人口、城鎮人口、農村人口、人口密度和城鎮化率5項人口指標，GDP、人均GDP、第一、第二和第三產業總產值、農業、工業、林業、牧業和漁業總產值10項經濟指標和旅游接待總人數和境內外旅游收入總額2項旅游指標對寧夏ESV時空變化的驅動力進行分析，而后使用SPSS進行主成分分析和相關性分析，選取對ESV變化影響較大的驅動因素進行多元線性回歸分析，以此得到研究區ESV變化的主要驅動因素。

2.2.5 空間自相關分析 根據驅動因素分析結果選取人口密度、城市化率以及人均GDP這3個指標進行空間自相關分析，其計算公式為：

(4)

(5)

(6)

3 結果與分析

3.1 寧夏土地利用變化分析

研究期間，寧夏不同土地利用類型中草地和耕地面積最大(圖1)，分別占總面積的40%，24%以上，不同土地利用面積大小依次為草地>耕地>林地>未利用地>城鎮村及工礦用地>水域>交通運輸用地>園地。從各類土地利用變化來看，研究期間寧夏各類土地利用面積發生較大變化。城鎮村及工礦用地、交通運輸用地和耕地面積呈增加趨勢，其中城鎮村及工礦用地面積增加最快，其次是交通用地，而耕地面積增長最慢，研究期間3類土地利用類型面積分別增加45 817.02，13 106.5，1 867.91 hm2。而草地、林地、園地、水域以及未利用地面積逐年減少，其中草地面積減少量最大，為36 339.29 hm2，水域面積減少量最小，僅為1 827.95 hm2。從變化率與動態度來看(圖2)，變化幅度最大的是城鎮村及工礦用地和交通用地，其次是園地、未利用地、草地、水域和林地，而耕地變化幅度最小。

圖1 寧夏2009-2017年土地利用變化

圖2 寧夏不同土地利用類型變化率及動態度

3.2 寧夏ESV變化分析

本文基于寧夏修正后的單位面積生態系統服務價值系數與土地利用變更數據，估算得到2009—2017年寧夏ESV(圖3)。由圖3可知，研究期間寧夏ESV呈顯著逐年下降的變化趨勢，由2009年的902.58億元下降至2017年的890.6億元，累計下降11.98億元，變化率為-1.33%。不同土地利用類型ESV變化中，耕地ESV呈現上升趨勢，累計增加0.21億元，而其余各類土地利用ESV均出現下降變化，其中下降最為顯著的是草地，共下降4.52億元，其次是園地和林地，分別為3.24，2.92億元，而水域和未利用地下降最少，分別僅占總減少量的12.02%，0.75%。究其原因主要是研究期間寧夏社會經濟的高速發展、城市化進程的加快，致使城鎮村及工礦用地和交通用地等建設用地面積不斷擴張，導致草地、園地以及林地等面積逐年下降。研究期間耕地所提供的生態系統服務價值雖有所增加，但其單位面積生態價值系數遠低于園地、林地、水域以及草地的生態價值系數，且園地和林地等面積減少量遠大于耕地面積的增加量，使得寧夏ESV整體上呈現下降趨勢。

圖3 2009-2017年寧夏、各縣區ESV變化

由圖4可知，不同地區ESV存在顯著差異性。研究始末鹽池ESV最高，分別為99.43億元，96.47億元，其貢獻率為10.83%～11.02%，其次是海原、沙坡頭、同心、彭陽、中寧、靈武、西吉、原州和平羅，上述地區的ESV占全區ESV的5%～10%；而其余各縣區ESV值均不足全區ESV的5%，對寧夏ESV的貢獻率較低。

圖4 寧夏ESV空間分異

從各縣區ESV變化來看，2009—2017年紅寺堡、西吉、隆德、涇源、彭陽、海原和沙坡頭ESV呈現上升趨勢，且各縣區增長幅度存在顯著差異，其中隆德和涇源變化率最大，分別為15.49%，12.07%。主要是隆德和涇源縣位于六盤山國家森林保護區東西兩側，為開發建設森林公園，當地政府積極進行土地整治和植被恢復建設，提高生態環境質量，截至2017年當地森林覆蓋度高達80%以上，此外兩縣境內河流水系分布較廣，而林地和水域面積的增加是區域ESV變化顯著的主要原因之一。除上述地區ESV上升外，其余各地區ESV均呈下降變化趨勢，其中靈武和平羅生態系統服務價值變化率較大，分別為-14.95%，-10.58%，其他各縣區ESV下降速度均介于-10%～0%，主要是研究期間靈武和平羅社會經濟快速發展，特別是第二產業的快速發展，使得工業化、城市化水平不斷提高，城鎮村與工礦用地面積增加顯著，而生態用地面積與水域面積呈現下降趨勢，因此區域ESV下降較為明顯。

3.3 寧夏生態系統單項服務價值變化分析

通過寧夏生態系統服務價值系數與2009—2017年土地利用變化數據計算得到寧夏生態系統單項服務價值(圖5)。由圖5可知，研究期間寧夏生態系統各單項服務價值均呈現出下降的變化趨勢，其中廢物處理減少量最大，累計下降2.46億元；其次是水源涵養服務，其單項服務價值由2009年的161.61億元下降至2017年的159.25億元，累計下降2.36億元；而減少量最小的是食物生產服務，約減少0.19億元。而研究區林地和水域面積的不斷減少，是導致調節服務和支持服務減少的主要原因，其中氣體調節下降1.05億元，氣候調節下降1.79億元，生物多樣性保護下降1.38億元，土壤形成與保護服務價值下降1.8億元。從單項服務貢獻率來看，廢物處理、水源涵養和土壤形成與保護的貢獻率較高，均在15%以上；其次是生物多樣性保護與氣候調節，貢獻率介于10%～15%，而其余各單項服務價值貢獻率均不高于10%。

圖5 寧夏生態系統單項服務價值變化

3.4 寧夏ESV時空變化驅動力分析

采用SPSS對驅動力指標進行主成分分析和相關性分析后選取人口、經濟和旅游3個維度的9項驅動因素進行多元線性回歸分析，得到生態系統服務價值與驅動因素之間的線性回歸方程，擬合度大于0.99，具有極好的擬合效果。

Y=-0.756X1+3.458X2-1.067X3-1.359X4+3659.06

(7)

式中:Y為生態系統服務價值(億元);X1為人口密度(人/km2);X2為境內外旅游收入總額(億元);X3為城市化率(%);X4為人均GDP(元)。

通過多元線性回歸分析可以發現，研究期間寧夏ESV時空變化主要受以上4個因素的影響。依據回歸方程的相關系數可知，人口密度、城市化率以及人均GDP越低，境內外旅游收入總額越高，區域ESV就越高，反之，ESV則越低。主要是因為人口密度、城鎮化人口的增加以及社會經濟的快速發展導致區域經濟結構以及生態結構發生改變，從而改變區域生態系統結構和功能，進而影響區域ESV。

3.5 寧夏ESV與社會經濟因素空間相關性分析

依據多元線性回歸分析結果，對人口、社會和經濟指標與ESV變化進行空間自相關分析發現，研究期間，寧夏ESV變化與城鎮化率、人均GDP以及人口密度的Moran′sI指數分別為-0.549，-0.428，-0.383，且均呈現出顯著負相關關系(p<0.05)。從圖6中可以看出，研究期間人口密度、城鎮化率以及人均GDP與研究區ESV的局部相關性具有高度一致性，此外從空間相關性分析來看，空間相關性分析均達到顯著性水平，表明所選的3個因素與研究區ESV變化率的局部空間相關顯著性良好。從局部空間自相關分布來看，人口密度與ESV變化率中高—低型主要分布在北部的銀川市3區和平羅以及中部的紅寺堡地區，而高—高型主要分布在南部的原州、西吉、隆德和涇源地區。而城鎮化率和人均GDP變化率與ESV變化率中不同空間集聚類型分布具有高度一致性，低—高型主要分布在南部的原州、西吉、隆德和涇源地區，高—低型主要分布在北部的銀川市3區和平羅地區，而低—低型則分布在中部的紅寺堡地區。

圖6 寧夏社會經濟因素與ESV空間相關性集聚

4 討論與結論

草地和耕地是寧夏主要的土地利用類型，研究期間城鎮村及工礦用地、交通運輸用地和耕地面積呈增加趨勢，分別增加45 817.02，13 106.5，1 867.91 hm2，而草地、林地、園地、水域以及未利用地面積逐年減少，共減少6.08萬hm2。寧夏ESV呈逐年下降趨勢，研究期間累計減少11.98億元，空間上呈現出中部高、南北低的分布格局，各單項服務價值均呈下降的變化趨勢，而林地和水域面積的減少，是導致調節服務和支持服務減少的主要原因。利用線性回歸方程分析其ESV驅動因素發現，人口密度、城市化率以及人均GDP和境內外旅游收入總額是影響寧夏ESV時空差異的主要驅動因素。空間自相關分析結果表明，寧夏ESV變化率與城鎮化率、人均GDP以及人口密度呈負相關關系。人口密度與ESV變化率高—低型主要分布在北部和中部地區，而高—高型主要分布在南部地區。城鎮化率和人均GDP變化率與ESV變化率的不同空間集聚類型分布具有高度一致性，低—高型主要分布在南部地區，高—低型主要分布在北部地區，而低—低型則分布在中部地區。

謝高地等根據我國實際提出了中國陸地生態系統服務價值當量表，為我國ESV評價奠定了基礎。依據中國陸地生態系統服務價值當量因子表，結合寧夏社會發展狀況進行價值系數修訂，采用Costanza等提出的ESV評估模型對寧夏ESV進行評估，該方法操作簡單，數據量要求少，且表達直觀，適用于區域ESV評價。近年來，有關于寧夏地區ESV的研究均采用此方法進行評估，說明采用該方法對于寧夏地區ESV進行評估較為合理，研究結果可靠、準確，較好地反映了寧夏ESV的時空動態變化特征。此外，對驅動因素進行相關性和主成分分析，選取相關性顯著的9項進行多元回歸分析，得到擬合度高的ESV多元回歸方程，并對主要驅動因素進行空間自相關分析，探討了主要驅動因素對研究區ESV變化的空間分布特征，對于研究區可持續發展和生態系統管理具有重要指導意義。

人類活動改變著區域生態系統結構和功能，進而導致生態系統脆弱性增加，生態系統服務功能下降。研究期間，寧夏城鎮村及工礦用地以及交通用地快速擴張，占用了大量的草地、林地、園地等，致使區域ESV呈下降趨勢，不僅不利于生態系統穩定性和生態效益的提高，而且無法發揮重點生態功能區的作用，嚴重威脅著寧夏社會—經濟—生態的可持續協調發展。因此在今后的發展中，寧夏應當優化調整土地利用結構，合理控制城鎮村及工礦用地以及交通用地的規模及其擴張態勢，并重視保護生態用地面積，減少人類活動在生態系統演變中的作用，保護并增強生態系統的自然演變過程，增強生態系統的穩定性，提高生態系統服務功能，促進社會經濟的持續健康發展。

隨著ESV評價研究的不斷深入，研究方法的不斷更新，特別是“3S”技術的應用為ESV評價提供了新的視角和技術手段，但目前尚未構建一套完善的評估體系，不同的ESV評估方法，在計算模型、分類依據、參數選擇等方面存在較大差異，其評估結果往往不同。本研究基于謝高地等的研究成果，綜合評價了研究區ESV時空演變特征及其驅動機制，該方法雖以價值貨幣量的形式計算ESV，但與研究區生態系統所具有的實際服務價值并不完全等同，存在一定誤差，還需要通過更多的野外實際工作來驗證，在今后的研究中應進一步探索出更加符合研究區特性的土地利用生態系統服務價值單價表，進行定量化分析，從而提高研究結果的精度。