土地利用演變對國家公園生態系統服務價值的影響
——以三江源國家公園為例

王兆峰,許 靜

湖南師范大學旅游學院,長沙 410081

黨的十九大報告針對改善生態環境目標明確指出,逐步建立并實行國土空間開發保護制度,積極改善主體功能區配套政策,傾力打造國家公園系列的自然保護地[1]。自國家公園體制試點方案推行以來,各試點區嚴格遵守國土空間用途管制,履行生態修復保護之策,切實踐行退耕還林還草、生態廊道建設、礦山生態修復等一系列生態保護工作,近年來取得顯著成效,林草植被覆蓋率顯著提高,生物多樣性大幅增加,生態服務功能日益增強,國家公園的生態環境質量出現明顯的轉折[2]。其中三江源國家公園的草地覆蓋率、產草量指標相較于十年前分別提高了11%、30%以上,水源涵養量年均增幅達6%以上[3]。作為判斷生態環境變化的重要指標之一,生態系統服務價值(ESV)已經被當今科學普遍接受[4],其意指用經濟法量化生態系統服務和自然資本。土地利用(LUCC)過程是生態系統中不可或缺的部分,而土地利用演變是土地利用過程中重要一環。“土地利用演變”一詞最初起源于Graingera[5],土地利用演變是指隨著經濟和社會的發展變化,土地利用類型也會隨時間序列的變遷發生相應改變[6—7]。土地利用與生態系統服務價值二者間關系甚密,土地利用的類型、格局、強度可對生態系統服務功能產生直接或間接的影響[8—9],如土地利用演變可對生態系統結構和功能進行部分調整,使得水循環、碳氮循環和土壤更新等生態過程發生變化,導致生態系統服務進一步發生變化[10]。因此,研究土地利用演變對國家公園生態系統服務價值的影響及二者間的相互關系對國家公園的規劃管理具有重要的指導意義[11—12]。

系統梳理國內外相關文獻發現,研究內容已從LUCC對ESV的影響[13—14]、不同LUCC情景預測下的ESV評估[15]向二者的交叉敏感性[16]、基于ESV的土地利用格局構建[17]、權衡與協同關系[18—19]等深層次問題拓展；研究方法多采用單位面積價值當量因子[20—21]方法,也有少部分研究涉及單位服務功能價格[22]、情景預測[21—22]、相關分析[23]、回歸分析[24]等方法；研究尺度大多為省域[25]、經濟帶[26]、城市群[21]等中宏觀層面；相關研究均表明土地利用演變不僅深刻地影響著生態系統服務價值綜合水平[27—28],且對不同類別的生態系統服務影響程度也不同[29—30]。國家公園的生態系統具有原真性和完整性,已被納入生態紅線管控范圍,因此對國家公園土地利用演變對生態系統服務價值的影響特征及規律進行剖析,可促進國家公園生態環境的保護及優化,推進生態文明體制建設,實現國家公園可持續發展。現有研究雖較為成熟,但仍存在些許不足：(1)在數據來源上,相關研究的數據較為陳舊,缺乏近年來土地利用動態對生態系統服務價值的影響特征研究,難以反映國家公園現狀,不利于今后的土地利用、生態環境等方面管理規劃。(2)在研究內容上,現有研究多關注不同地類演變的總量對生態系統服務價值的影響,而忽略了不同地類間凈轉型的影響,因此缺乏土地利用變化對生態系統服務價值的影響規律及趨勢研究。

綜上所述,本文將從以下幾方面進行完善：(1)選取2000—2020年土地利用遙感數據對研究區域的生態系統服務價值進行研究,真實有效地反映研究區域土地利用演變與生態系統服務價值之間的關系。(2)采用交叉敏感性系數研究不同地類間凈轉型對生態系統服務價值的影響強度,進而對其影響規律及趨勢歸納總結,為國家公園或同類型自然保護地管理規劃提供理論依據。鑒于此,本文以三江源國家公園為研究對象,搜集青海省土地利用和相關社會經濟數據,采用謝高地等[31]的生態系統服務價值修正模型對研究時段內的ESV進行測算,并結合GIS技術表征其空間特征,進一步使用路昌等[16]新改進的交叉敏感性系數體現三江源國家公園的LUCC對ESV的影響趨勢及變化規律,以期豐富LUCC對ESV影響機理的現有相關研究理論,為三江源國家公園土地用途管制及生態環境的改善提供決策參考。

1 研究設計

1.1 研究區概況

三江源國家公園位居青藏高原腹地,隸屬青海省南部,長江、黃河和瀾滄江三江均發源于此,擁有“中華水塔”的美譽,對青海省的生態文明建設具有突出影響。園區按三江發源地可分為長江源、黃河源以及瀾滄江源三個分園(圖1),面積約占12.31萬km2。按地區所覆蓋的植被來看,三江源國家公園屬于青藏高原高寒草甸區向高寒荒漠區的過渡區,必要時可為全國其他地區補給淡水資源。三江源國家公園提供的生態系統服務多樣,主要有水源涵養、氣候調節、土壤保持與生物多樣性,長江源、黃河源園區提供的主要服務類別與整體園區較為一致,而瀾滄江園區還兼有氣體調節的服務功能,因此三江源國家公園不僅是國家生態安全的重要屏障,亦是中國生態文明建設的高地。但該地區自然狀況不容樂觀,生態系統安全性極其薄弱,加上近百年土地利用不合理,使得三江源地區冰川退縮、水土流失加劇、水源涵養能力有所衰減,對長江、黃河、瀾滄江流域有關地區的生態安全造成極大威脅[32]。因此,識別三江源國家公園土地利用演變對生態系統服務價值的影響,不僅有利于局地自然生態系統的保護,更有利于長江、黃河、瀾滄江三大流域中、下游地區生態系統服務的可持續利用。

圖1 研究區概況Fig.1 Overview of the study area

1.2 研究方法

1.2.1生態服務價值系數修正與價值計算

(1)單位面積農田生態系統農作物產量的經濟價值測算

為避免農作物價格波動對價值總量產生的影響,參照《青海省國民經濟與社會發展統計公報—2005》,青海省主要農作物包含小麥、玉米、豆類、馬鈴薯及油料,本文以當地各農作物2005年的收購價格為基準,計算出青海省主要農作物平均單產價值,一個當量因子的價值量是上述農作物單產價值的1/7,其計算模型如下：

(1)

式中,Va表示青海省單位面積農田種植該地某種農作物時產生的經濟價值(元/hm2)；i表示青海省農作物種類,共計五類；pi表示某年第i種農作物在青海省的收購價(元/t)；qi表示青海省每年第j種農作物1單位面積的產量(t/hm2)；ai表示青海省第i種農作物的總種植面積(hm2)；A表示青海省五類農作物種植總面積(hm2)。

(2)生態系統服務價值系數修正

結合三江源國家公園土地利用地圖,可將其分為林地、草地、水體、建設用地和未利用地五種地類,但建設用地對環境產生的影響具備累積性的特點,其生態系統服務價值難以完全量化[33],因此,本文研究涉及林地、草地、水體、荒漠這四類土地利用類型。經過上述步驟可確定青海省單位面積農田栽種相應農作物時產生的經濟價值,參照謝高地等提出的“中國陸地生態系統單位面積生態服務價值當量表”[31],對三江源國家公園的ESV系數進行修正,計算公式如下：

VEij=CijVai,j=1,2,…n

(2)

式中,VEij表示三江源國家公園內第i種生態系統包含的第j種生態服務功能的ESV系數(元/hm2)；Cij表示三江源國家公園內第i種生態系統包含的第j種服務功能相較于青海省1單位面積農田經濟價值；i表示三江源國家公園內存在的生態系統類型；j表示三江源國家公園每種生態系統對應的服務功能；Va表示青海省1單位面積農田栽種農作物時所產生的經濟價值(元/hm2),修正結果如表1所示。

表1 修正后的不同土地利用類型的生態系統服務價值/(元/hm2)

(3)生態系統服務價值

計算公式[34]：

ESV=∑AkEk

(3)

式中,ESV表示三江源國家公園的總生態系統服務價值(元/a)；Ak表示三江源國家公園內k地類的面積(hm2)；Ek表示1單位面積的k地類對應的生態系統服務價值(元 hm-2a-1)。

1.2.2區域差異性

生態系統服務價值相對變化率是三江源國家公園內生態系統服務價值變化量與土地利用面積變化量之間的比率[35]。

(4)

式中,L表示相對變化率；LM、LN分別表示部分區域、整體區域變化率；Ma、Mb分別表示部分區域初期與末期ESV；Na、Nb分別表示整體區域初期與末期ESV。

當|L|≥1時,表明部分區域生態系統服務價值變化量比整體區域多。其中,若L≥1,表明部分區域生態系統服務價值變化趨勢與整體區域反向；若L≤-1,表明部分區域生態系統服務價值變化趨勢與整體區域同向。

當|L|<1時,表明部分區域生態系統服務價值變化量比整體區域少。若-1

1.2.3交叉敏感性系數

交叉敏感性系數表示兩種不同的土地利用類型間的凈轉化量(即兩地類間的轉換面積之差)對生態系統服務價值的促進或抑制程度。通常土地利用演變過程存在雙向性,因此不同地類之間的凈轉型才導致生態系統服務價值產生實際變化。計算公式[16]如下：

(5)

式中,Pcicskt表示三江源國家公園內第k種土地利用類型變換為第t種土地利用類型時對應的交叉敏感性系數；Vck表示三江源國家公園第k種土地利用類型對應的生態系統服務價值當量因子；Vct表示三江源國家公園第t種土地利用類型對應的生態系統服務價值當量因子；△Skt表示三江源國家公園k地類與t地類之間的凈轉換量；△PESV表示研究時段內三江源國家公園生態系統服務價值的變化量。若該交叉敏感性系數大于0,反映了兩地類之間的凈轉型與生態系統服務價值變化量呈正相關,具備促進作用；反之,兩者存在負相關關系,具備抑制作用。交叉敏感性系數的絕對值越大,代表生態系統服務價值對兩地類間的凈轉型越敏感；反之,則越不敏感。

1.3 數據來源

本文所使用的各期土地利用數據(2000、2005、2010、2015、2020年)均來自中國科學院資源環境科學與數據中心(www.resdc.cn),數據的制作是經過人工目視解譯各期Landsat TM/ETM遙感影像,本研究所下載的遙感影像的空間分辨率為1000 m。5個時期所對應的青海省農作物種植總占地面積、主要農作物的占地面積、產量及均價等數據取自《中國統計年鑒》、《青海統計年鑒》、《青海省國民經濟與社會發展統計公報》,部分缺失數據由相鄰省份的平均值代替。

2 結果分析

2.1 土地利用變化分析

三江源國家公園的土地利用類型主要包括草地、水體以及荒漠,占土地總面積的99%以上。采用土地利用動態度公式[36]對三江源國家公園2000—2020年的土地利用演變情況進行分析,發現20年間三江源國家公園土地利用類型的面積發生大幅度變化(表2),其中,草地、水體、荒漠的變化幅度較大。水體面積變化呈持續性增加的特征,20年間變化速率最大的時段在2015—2020年,升高了13.80%。其次是荒漠,20年間荒漠面積連年下降,變動幅度最大的時段也在2015—2020年間,下降了11.8%。草地的面積在2000—2010年間未發生顯著變化,面積占比浮動在56.87%左右,浮動率甚微,但在2010—2015年草地面積下降了6252.81 hm2,2015—2020年出現明顯的增加,增加了7.5%。按地類轉移方向來看,研究地土地利用類型間的轉移以荒漠、草地、水體三者間的兩兩互換為主。2000—2005年,長江源園區內大片荒漠面積轉變為水體,且呈斑塊狀分布；2005—2010年間土地利用類型轉移方向與前5年存在一定的對稱性,但變化幅度并無2000—2005年明顯；2010—2015年地類轉移方向和變化幅度與2000—2005年大致相同,2015—2020年地類轉移方向與2000—2005年、2010—2015年均相同,但轉移幅度遠超2000—2005年、2005—2010年、2010—2015年三個階段(圖2),此現象與2017年《三江源國家公園的總體規劃》相關。三江源國家公園近年來的年降水量呈逐漸增加態勢,因此水體面積的增加或與此地區的降水量增加存在一定的關系。

表2 土地利用變化

圖2 2000—2020年土地利用類型演變Fig.2 Evolution of land use types from 2000 to 2020

2.2 生態系統服務價值時空分析

2.2.1生態系統服務價值時間變化分析

研究時段內,三江源國家公園生態系統服務價值由2000年的1020.74億元增加到2020年的1126.18億元,20年間增加了105.44億元,增加率為10.33%(表3)。就生態系統服務價值大小而言,草地>水體>荒漠>林地,其中草地和水體的經濟價值對三江源國家公園的總體生態系統服務價值具有較大影響,結合表2可知,草地的生態系統服務價值對整體區域的貢獻較大的原因在于研究區域內草地的面積占比高達56%；水體的面積占比雖不高,但在研究時段內水體面積大幅增加且水體生態系統服務價值系數較大(表1),因此水體的生態系統服務價值對整體區域的貢獻也較大。從研究區域來看,草地和水體兩地類在研究區域的生態系統服務價值方面扮演著重要的角色。

在研究細分的四個時段內,2000—2005年間,草地、荒漠的生態系統服務價值分別降低了0.18、0.05億元,而水體的生態系統服務價值增加量為6.45億元,變化幅度較大；2005—2010年間,草地和水體的生態系統服務價值呈現升高的特征,增加量分別為0.13、1.46億元,荒漠的生態系統服務價值降低了0.02億元,這5年間不同土地利用類型生態系統服務價值的變化幅度較小；2010—2015年間,生態系統服務價值呈走高趨勢,變化量高達16.23億元,其中,草地、水體的生態系統服務價值分別升高了0.52、15.83億元,荒漠的生態系統服務價值則降低了0.12億元；2015—2020年間,生態系統服務價值大幅升高,升高量是前5年的3.43倍,主要是此研究階段草地面積突增導致的生態系統服務價值大幅變化。從細分的4個研究時段來看,4個時段整體區域生態系統服務價值大多呈現升高的態勢,其中,2015—2020年生態系統服務價值增幅最大,2005—2010年生態系統服務價值變化幅度不大。從不同土地利用類型來看,4個不同時段草地、水體的生態系統服務價值均對整體區域做出了相應的貢獻,一方面是因為2000—2020年間三江源地區降水量增加,使三江源地區水體流量日漸豐沛[37]；另一方面與2015—2020年《三江源國家公園總體規劃》中——以中低蓋度草地的保護和修復為主的條例休戚相關[38]。

表3 不同土地利用類型的生態系統服務價值及變化/億元

2.2.2生態系統服務價值空間變化分析

在研究時段內,黃河源、長江源園區的生態系統服務價值一直呈現遞增的趨勢(圖3),黃河源的生態系統服務價值由2000年的203.46億元上升到2020年的227.76億元,增加了24.3億元,相對變化率|L|<1且0黃河源園區>瀾滄江園區。

圖3 2000—2020年三江源國家公園生態系統服務價值專題地圖Fig.3 Thematic map of ecosystem service value of Sanjiangyuan National Park region from 2000 to 2020

由圖3可知,2000—2020年三江源國家公園的生態系統服務價值總體發展態勢良好,但區域差異性顯著,總體呈現東南高、西北低的分布特征,這與三江源國家公園溫濕氣候的空間格局為沿西北—東南方向的正溫濕梯度的特征密不可分。就單個園區而言,長江源園區單位面積的生態系統服務價值差異較大,低值區成片分布,主要集中于長江源西北部和北部；高值區鑲嵌其中,分布狀破碎,但大都位于西北部；中值區主要遍布于南部。瀾滄江源園區內部地區差異性較小,大多屬于中值區。黃河源園區地區差異相比于長江源園區較小,中值區成片分布,高值區與低值區鑲嵌其中,高值區分布較集聚,位于黃河源西北部,低值區所占面積不多,分布廣泛,呈支離破碎狀。總體而言,三江源國家公園的生態系統服務價值總體呈現升高趨勢,說明研究期內隨著土地利用類型的演變,生態系統結構日漸合理化,但其生態系統服務價值空間差異大,具體表現為沿西北—東南一線生態系統服務價值遞增。

2.2.3土地利用演變對生態系統服務價值的影響

結合上述分析來看,生態系統服務價值的變化與土地利用演變存在顯著的相關性。2000—2005年三江源國家公園部分荒漠面積轉變為草地和水體,致使生態系統服務價值增加；2005—2010年水體和草地面積增加量較少,因此其生態系統服務價值雖升高,但相較于前5年和后5年,增加率有所降低；2010—2020年水體、草地面積驟增，導致生態系統服務價值大幅增加。總體來看,土地利用演變對生態系統服務價值的提升及生態系統結構合理化做出了一定的貢獻。

為進一步研究土地利用演變對生態系統服務價值的影響強度,本文采用交叉敏感性系數來揭示不同地類間的凈轉型的影響強度。總體來看,研究時段內生態系統服務價值對水體與其它地類之間的凈轉型較敏感,其中對水體與荒漠之間的凈轉型最敏感,其絕對值基本都大于1,2000—2005年間荒漠向水體1%的轉換率致使生態系統服務價值提升4.8%；2005—2010年水體向荒漠1%的轉換率使得生態系統服務價值產生8.36%的虧損；2010—2015年荒漠向水體1%的轉換率,致使生態系統服務價值產生0.86%的盈余。表4數據表明水體與荒漠之間的凈轉型對生態系統服務價值的變化具有極強的促進或抑制作用,而且水體變荒漠比荒漠變水體所產生的影響更大。生態系統服務價值對水體與草地間的凈轉型敏感性較弱,絕對值基本都在1附近,2000—2005年間草地向水體轉換1%,生態系統服務價值產生0.9%的盈余；2005—2010年間水體向草地1%的轉換率致使生態系統服務價值虧損1.4%；2010—2015年草地向水體轉換1%,生態系統服務價值則產生0.15%的盈余。交叉敏感性系數顯示水體變草地所產生的抑制作用比草地變水體所產生的促進作用對生態系統服務價值的影響更大。荒漠與草地之間的凈轉型對生態系統服務價值變化缺乏彈性。總體來看,土地利用轉型跨度愈大,對生態系統服務價值的影響就愈強。

由于本文所用的交叉敏感性系數是采用兩地類之間的凈轉型衡量生態系統服務價值的變化,因此交叉敏感性系數具有對稱性,即兩地類之間互相轉換的交叉敏感性系數的絕對值相等,但作用方向相反。由表4可知,2000—2020年水體與荒漠、水體與草地、荒漠與草地間凈轉型的交叉敏感性系數均呈現先升高后降低的趨勢。結合交叉敏感性的對稱性,與2005—2010年的水體面積縮小相比,水體向草地、荒漠轉換的敏感性不斷增加,表明水體驟減對三江源國家公園的生態系統服務價值的影響強度日益增加,生態矛盾日益尖銳。與2010—2015年的水體面積擴大和2015—2020年草地面積大幅增加相比,相應敏感性系數的減少也能說明隨著水體、草地面積增加,生態環境得到改善,在一定程度上可以減緩土地利用演變對生態系統服務價值的影響強度,生態結構日趨合理化,且生態系統合理化水平越高,土地利用演變對生態系統服務價值的影響就越低。

表4 不同地類凈轉型的交叉敏感性系數

3 結論與討論

本文采用生態系統服務價值修正模型對三江源國家公園2000—2020年的生態系統服務價值進行測算,并分析比較三江源國家公園生態系統服務價值發展態勢及區域差異性,揭示了不同地類之間的轉型對生態系統服務價值的作用方向及影響強度,主要結論如下：

(1)總體來看,20年間三江源國家公園的土地利用演變主要以水體面積的大幅增加和荒漠面積的大幅減少為主,土地利用類型變化呈現“荒漠變水體、草地”的特征,但兩地類之間轉換存在“反復”現象。從空間變化方面來看,土地利用類型變化以長江源園區西北部和北部變化較顯著,黃河源園區的西北部次之。

(2)從研究時段來看,2000—2020年三江源國家公園的生態系統服務價值呈現不斷升高的態勢,就各地類代表的經濟價值大小而言,草地>水體>荒漠>林地,其中草地和水體兩地類所代表的生態系統服務價值在整體占比中貢獻較大,結合20年間土地利用類型的變化以荒漠變水體、草地為主,發現土地利用類型的演變與生態系統服務價值的水平休戚相關。

(3)從空間來看,20年間三江源國家公園的生態系統服務價值總體呈增長態勢,但三江源國家公園內部差異性顯著,主要表現為從西北向東南遞增。從價值變化率來看,三個園區與整個研究區域生態系統服務價值變化態勢同向,但變化幅度低于整個研究區域,按生態系統服務價值增幅大小排序：長江源>黃河源>瀾滄江源。就區域內部差異性而言,長江源園區差異性最明顯,黃河源園區次之,瀾滄江源園區區域差異較小。

(4)按交叉敏感性系數的絕對值排序：荒漠與水體>草地與水體>荒漠與草地,地類間轉型跨度越大,對生態系統服務價值的影響就越深。一般情況下,荒漠向水體、草地的轉型及草地向水體的轉型對生態系統服務價值的增加起促進作用；水體變荒漠、草地及草地變荒漠則抑制生態系統服務價值水平的提升。研究期內敏感性系數呈現先升高后降低的特征,一方面表明水體、草地景觀在三江源國家公園的生態作用日益重要,另一方面表明三江源國家公園的生態結構朝著日漸合理化的方向發展。

三江源國家公園土壤屬于青南高原山土區系,土地利用類型較易受侵蝕作用、水土流失影響,轉變為荒漠地類,加劇生態惡化。當生態系統服務價值發生變化時,土地利用演變對生態系統服務價值的影響程度也會發生變化,即生態系統服務價值升高會減弱土地利用類型演變對生態系統服務價值的影響；反之,生態系統服務價值降低則會增強生態系統服務價值對土地利用變化的敏感性。草地是保持水土、維持三江源國家公園生態健康的重要基礎。因此,三江源國家公園應加強生態保持力度,嚴格落實退牧還草工程,避免草場退化,與此同時篩選培育出抗逆性強、適應性好的草種,進一步加強三江源國家公園的草地覆蓋率,以此提升園區生態系統服務價值,改善生態狀況。此外,從三江源區生態系統服務價值水平來看,長江源園區內部差異大,荒漠面積較多,需在荒漠地帶種植耐旱、深根系植物,改變園區內土地利用類型,以縮小長江源園區內部差異。因三江源國家公園生態系統較為脆弱,氣候變化對其生態系統服務價值存在一定的影響,通過土地利用類型演變提升生態系統服務價值后,生態環境也得到相應地改善。在此基礎上,氣候變化對生態系統服務價值的影響是否會發生變化,后續將加強此方面的研究。