昆崳山國家級自然保護區生態系統服務價值演變

張文馨, 范小莉, 王 強, 房 用, 時 良, 梁 玉

(1.山東省林業科學研究院, 濟南 250014; 2.山東省林業外資與工程項目管理站,濟南 250014; 3.煙臺市昆崳山林場, 山東 煙臺264112)

生態系統服務是指生態系統和生態過程所形成并維持人類生存所必需的環境條件及獲得的福祉[1-3]。生態系統服務價值(ecosystem service value，ESV)核算是表征一個地區生態環境變化的重要指標，是實現生態安全，評估生態保護成效的重要手段[3-5]，基于此，ESV在相關研究領域成為國內外研究的重點和熱點[6]。1997年，Costanza首次對全球生態系統服務價值進行了核算[7]，推進了ESV研究的快速發展。作為生態系統服務價值主要估算方法之一，基于土地利用/覆被數據的面積當量法在ESV研究中發揮了重要作用[8]，尤其是謝高地對中國多種陸地生態系統單位面積ESV當量表修訂后[9]，該方法在核算森林、濕地等ESV及分析土地利用對ESV影響等多個領域都取得了顯著進展，黃木易等對1970—2015年大別山區生態服務價值進行測算[10]，鄧楚雄等分析了洞庭湖區土地生態系統的服務價值時空變化[11]，王航等分析了土地利用及景觀格局演變對淮河上游生態系統服務價值的影響[12]，薛冰等評估了貴州省森林生態系統服務功能[13]，婁佩卿等分析了1998—2018年京津冀土地利用變化對生態系統服務價值的影響[14]，這些研究成果為我國國土空間管制[15]、重點生態功能區管理和國家生態安全格局的構建[16-17]及自然保護地生態補償等[18]方面提供了有益參考。

昆崳山國家級自然保護區成立于2008年，是山東省第一個森林生態類型的國家級自然保護區[19]，也是山東省重要生態功能區，在保護生物多樣性、涵養水源、水土保持等方面發揮了重要作用。昆崳山國家級自然保護區地處我國東部沿海的經濟發達地區，經濟的快速發展和頻繁的人類活動對該區域的生態系統造成了較大威脅，也使得土地利用類型發生了變化。土地作為經濟發展和人類活動的基礎，其類型的變化對生態系統服務功能及價值產生明顯的影響[11,20-21]。目前針對昆崳山區域的生態系統價值評估，主要采用影子工程法、機會成本法、市場價值法及利用森林資源調查及長期監測數據進行核算[22-23]，在區域尺度上基于土地利用/覆被數據的面積當量法計算昆崳山區域的ESV尚未見報道。本文研究2008—2018年不同時期土地利用類型變化背景下保護區ESV的變化，掌握自然保護區經過十年的發展后其生態系統服務功能價值的動態變化，為自然保護地整合、生態效益補償等提供重要參考，從而進一步明確保護區的生態功能定位，促進昆崳山國家級自然保護區的可持續發展。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

昆崳山國家級自然保護區位于山東半島東部，跨牟平、文登兩區(市)，地理坐標為東經121°37′0″—121°51′0″，北緯37°12′20″—37°18′50″。保護區氣候屬暖溫帶季風型大陸性氣候，受太平洋暖濕氣流和西伯利亞干冷氣流控制，具有四季分明，季風顯著，雨熱同期，空氣濕潤，溫差較小，光照充足等特點。年均氣溫11.9℃，年均降水984.4 mm，年均蒸發量1 923.4 mm，年均相對濕度71%，無霜期200 d左右。昆崳山國家級自然保護區森林覆蓋率77.07%，屬于典型的森林生態系統，是我國天然赤松林面積最大、保護最為完整的區域，在世界上也具有重要代表性[22-23]。

1.2 數據來源與處理

研究中2008年、2013年和 2018年不同時期昆崳山的遙感影像分別是由Landsat TM數據和 Landsat OLI數據組成，分辨率30 m。其中，2008年遙感影像數據采用的是陸地衛星 TM5數據，2013年遙感影像數據以及2018年的遙感影像數據則采用陸地衛星 Landsat OLI數據。研究所利用數據均從地理空間數據云平臺和中國科學院遙感和數字研究所數據共享平臺獲取。

根據昆崳山國家級自然保護區土地利用現狀和研究目標，參照土地利用現狀分類標準(GBT21010—2007)，將研究區的土地利用分為 5類，分別為林地、耕地、建設用地、水域、裸地及其他用地。

1.3 土地利用動態度分析

土地利用動態度是評價一定時期內不同土地利用類型變化速度的指標，包括單一土地利用類型動態度和綜合土地利用動態度[24-26]。

單一土地利用類型動態度：

(1)

式中:K為研究期某種土地利用類型動態度(%);Ua和Ub分別為研究期末和期初某種土地利用類型面積(hm2);T為研究時長(a)。

綜合土地利用動態度C(%)：

(2)

式中:Ui為研究期初第i類土地利用類型面積(hm2);Ui,j為研究期第i類土地利用類型轉為非i類土地利用類型面積的絕對值(hm2);T為研究時長(a);n為研究區的土地利用類型總數。

1.4 生態系統服務價值核算

本研究的生態系統服務價值核算運用當量因子法，參照謝高地等人研究結果，將昆崳山生態系統服務類型分為供給服務、調節服務、支持服務和文化服務4個一級類型，進一步細化為食物生產、原料生產、水資源供給、氣體調節、氣候調節、水文調節、凈化環境、土壤保持、維持養分循環、生物多樣性和美學景觀11個二級類型[9,27]。

根據謝高地等人制定的價值當量表以及對價值當量的計算，結合我國不同省份農田生態系統生物量因子[9,28]，根據昆崳山實際，對自然保護區各生態系統的服務價值系數進行修正：林地對應針闊混交林，耕地對應旱地，水域為濕地和水系的平均值，裸地及其他對應裸地，建設用地不考慮生態系統服務價值，從而得出昆崳山單位面積生態系統服務價值當量(表1)和生態系統服務價值系數(表2)。

表1 昆崳山國家自然保護區生態系統服務價值當量因子

表2 昆崳山國家級自然保護區單位面積生態系統服務價值系數 元/(hm2·a)

生態系統服務價值計算引用Costanza等[7]計算公式為：

(3)

(4)

式中:ESV為昆崳山生態系統服務價值總量(元);Ai為第i類土地利用類型面積(hm2);VCi為第i類土地利用類型對應的價值系數(元/hm2·a);n為研究區的土地利用類型總數。ESVf為昆崳山生態系統各類服務價值(元);VCfi為各類服務功能價值系數[元/(hm2·a)]。

2 結果與分析

2.1 土地利用變化分析

2.1.1 不同土地利用類型變化分析 基于遙感解譯的2008—2018年昆崳山土地利用類型及其面積比例見圖1和表3。昆崳山土地利用類型為林地、耕地、建設用地、水域、裸地及其他。其中林地為最主要的土地利用類型、2008年、2013年、2018年面積分別為10 551 hm2，10 715 hm2，11 554 hm2，面積占比分別為67.75%，68.81%和74.19%，分布范圍較廣；其次為耕地，主要分布于昆崳山的西北方向，2008年、2013年、2018年面積分別為3 458 hm2，3 369 hm2，2 896 hm2，面積占比分別為22.21%，21.63%和18.59%；裸地及其他分布較為分散，2008年、2013年、2018年面積分別為1 238 hm2，1 059 hm2，666 hm2，面積占比分別為7.95%，6.8%和4.27%。

表3 昆崳山國家級自然保護區2008-2018年土地利用變化

圖1 昆崳山國家級自然保護區土地利用分類

2008—2018年期間，林地面積增加了1 003 hm2，所占面積比例由67.75%增至74.19%；建設用地和水域也略有增長，分別增長72 hm2，60 hm2，建設用地所占面積比例由0.87%增至1.33%，水域所占面積比例由1.22%增至1.61%；耕地面積減少562 hm2，所占面積比例由22.21%減少至18.59%；裸地及其他面積減少572 hm2，所占面積比例由7.95%減少至4.27%。

2.1.2 土地利用變化動態度 2008—2018年，昆崳山不同土地利用類型土地利用變化動態度見表4。從單一土地利用動態度(K)來看，10 a間，林地、建設用地和水域呈正向變化趨勢，動態變化分別為0.95%，5.33%和3.14%；耕地、裸地及其他呈負向變化趨勢，動態變化度分別為-1.63%和-4.62%，二者是林地、建設用地和水域面積增長的主要來源。2008—2013年林地、耕地、裸地及其他土地利用類型的單一土地利用動態度變化程度低于2013—2018年，但水域和建設用地在2008—2013年的單一土地利用動態度變化程度高于2013—2018年。

表4 昆崳山國家級自然保護區2008—2018年期間土地利用變化動態度 %

整體來看，2008—2018年綜合土地利用動態度(LC)為0.68%，2008—2013年綜合土地利用動態度為1.35%，2013—2018年綜合土地利用動態度為1.02%。

2.1.3 土地利用類型轉移特征 根據昆崳山土地利用變化轉移矩陣可知(表5)，2008—2018年，土地利用類型變化主要是裸地及其他、耕地和林地之間的轉移，轉入面積最多的土地利用類型是林地，10 a間轉入面積1 129.93 hm2；轉出面積較大的土地利用類型是耕地和裸地及其他，分別轉出699.98 hm2，744.37 hm2。2008—2013年及2013—2018年，土地利用類型變化依然是林地和耕地、裸地及其他之間的轉移，整體變化趨勢與十年間是一致的。

表5 不同時期昆崳山國家級自然保護區土地利用變化轉移矩陣 hm2

2.2 昆崳山生態系統服務價值

由表6可知，2008—2018年，昆崳山生態系統服務價值(ESV)增加了3 201.82萬元，增長率達9.53%。其中，2008—2013年，昆崳山ESV增長較少，僅增長1 121.53萬元；2013—2018年，昆崳山ESV增長較為明顯，增長2 080.29萬元。生態服務功能一級分類中，對昆崳山ESV貢獻率最大的是調節服務價值，2008年、2013年、2018年分別占到了ESV總值的63.92%，64.29%和64.46%；其次為支持服務價值，2008年、2013年、2018年分別占到了ESV總值的24.01%，23.72%和23.74%；文化服務的比例最低，2008年、2013年、2018年分別占到了ESV總值的4.68%，4.67%和4.71%。

生態服務功能二級分類中，氣候調節、水文調節、土壤保持價值的貢獻率較大，其中貢獻率最大的為氣候調節(表6)。2008年、2013年、2018年，氣候調節的ESV分別為9 278.62萬元、9 438.55萬元和10 136.58萬元，分別占當年ESV的27.63%，27.20%和27.56%。各項生態服務功能ESV比例各年度變化不大，表明研究區生態系統服務價值格局比較穩定。

表6 2008-2018年昆崳山國家級自然保護區生態系統服務價值

昆崳山2008—2018年期間各土地利用類型生態系統服務價值見表7。不同土地利用類型中，林地和水域的生態系統服務價值呈增長趨勢，耕地、裸地及其他呈減少趨勢。2008年、2013年、2018年，林地ESV貢獻率分別達到88.58%，87.05%和88.56%，表明林地對昆崳山生態系統服務功能發揮有著至關重要的作用。5種不同土地利用類型中，ESV由大到小依次為：林地>水域>耕地>裸地及其他>建設用地。

表7 2008-2018年期間昆崳山國家級自然保護區各土地利用類型生態系統服務價值

3 討 論

土地利用格局變化是表征一個趨于生態環境變化的重要指標，對不同土地利用類型的生態系統服務價值有著顯著影響[29-31]。昆崳山自然保護區成立以后，為進一步加強對森林資源的保護，2008—2018年，保護區采取了一系列荒山造林、退耕還林、生態修復等措施，實施了“綠水青山生態修復”、“大地環境全面整治”、“原生動物種群保育”等工程，同時加大了基礎設施建設的力度，在土地利用變化上表現為昆崳山的林地、建設用地(主要為防火道路建設)和水域面積呈增長趨勢，耕地、裸地及其他面積呈減少趨勢。林地是昆崳山主要的土地利用類型，2018年林地面積占到了昆崳山總面積的74.19%。2008—2018年昆崳山自然保護區土地利用類型變化主要是裸地及其他、耕地和林地之間的轉移，面積增加最多的土地利用類型為林地，林地增加1 003 hm2，面積比例增加6.44%，10 a間林地的ESV增長2 828.13萬元，雖然占總ESV的比例略有降低，但仍然是維持昆崳山生態系統服務的主體，這與昆崳山作為森林生態類型的自然保護區的生態定位相一致；面積減少較大的土地利用類型是耕地、裸地及其他，其ESV也呈現出下降的趨勢；雖然建設用地在面積上有一定程度上的增長，但由于整體所占比例較低，土地利用開發強度不高，其產生的效應對生態系統造成的負面效應微弱[32]。各土地利用類型變化趨勢及其ESV的變化，表明昆崳山自然保護采取的一系列生態修復措施實施效果顯著，昆崳山國家級自然保護區土地利用結構朝著增強其生態功能的方向發展，也印證了適度人為干預對森林生態系統具有一定正向促進作用[33]。

當量因子法主要是基于各種服務的價值當量，結合生態系統的分布面積對生態系統服務進行評估，小尺度區域上運用當量因子法核算生態系統服務價值具有更高的可靠性和實踐性[34]。運用當量因子法對昆崳山2008—2018年的生態系統服務價值及其變化進行測算，對昆崳山自然保護區生態系統的保護與可持續發展具有指導意義。研究發現昆崳山ESV為3.5億元/年，2008—2018年間，昆崳山ESV增加3 201.82萬元，增長率達9.53%。生態系統服務功能11個二級指標中，食物生產功能價值呈減少趨勢，其余功能價值均呈不同程度的增長趨勢，其中氣候調節和水文調節功能價值增長明顯。生態功能是昆崳山的主要服務功能，其中調節服務是昆崳山的主要生態功能，其ESV貢獻率在2008年、2013年、2018年分別達到63.92%，64.29%和64.46%。對同一個研究區域，指標體系、評估方法的不同會導致評估結果的差異[34-35]，王玉濤采用影子工程法、機會成本法、市場價值法等研究方法，得出昆崳山自然保護區的生態系統服務功能價值達4.99億元/年，主要的生態系統服務功能為涵養水源和凈化空氣[22]，這與本研究結果存在一定差異。但按照直接價值(供給服務)和間接價值(調解服務、支持服務和文化服務)分類，研究結果都表明昆崳山生態系統服務功能主體是間接服務，與歐陽志云等人的研究結果一致[36]，這也進一步表明了昆崳山主體功能是生態功能，而不是原材料供給。基于生態系統服務價值的昆崳山生態服功能分類結果對保護區生態保護及相關措施的實施具有一定指導意義，保護區應合理規劃昆崳山土地利用格局，嚴格保護森林生態系統，維持其提供生態功能的能力。

4 結 論

本研究探究了2008—2018年昆崳山自然保護區不同土地利用類型動態變化，運用當量因子法估算了昆崳山國家級自然保護區生態系統服務價值。10 a間，不同土地利用類型中，面積增加最多的土地利用類型是林地，林地面積增加1 003 hm2，面積比例增加6.44%；面積減少較大的土地利用類型是耕地、裸地及其他，面積分別減少562 hm2和 572 hm2，面積比例分別下降3.62%和3.68%。10 a間林地、建設用地和水域呈增長趨勢，其他類型土地呈下降趨勢。從單一土地利用動態度來看，10 a間，林地、建設用地和水域動態變化分別為0.95%，5.33%和3.14%；耕地、裸地及其他呈動態變化度分別為-1.63%和-4.62%，土地利用類型變化主要是裸地及其他、耕地與林地之間的轉移。

不同土地利用類型中，林地是昆崳山主要的土地利用類型，2018年林地面積占昆崳山總面積的74.19%，林地的生態系統服務價值呈增長趨勢，2008—2018年，林地的ESV增長2 828.13萬元，2018年林地ESV貢獻率達到88.56%。林地對昆崳山生態系統服務功能發揮有著至關重要的作用，是維持昆崳山生態系統服務的主體。

昆崳山自然保護區生態系統服務價值10 a間呈增長趨勢，ESV增加了3 201.82萬元，增長率達9.53%。各類生態系統服務功能中，除食物生產功能價值有所減少，其余功能價值均呈不同程度的增長。調節服務價值10 a間增長2 242.32萬元，占ESV總值的比例提高0.54%。二級類型中，氣候調節和水文調節功能價值增長最為明顯，氣候調節的ESV 10年間增長857.96萬元，水文調節的ESV 10年間增長872.64萬元，調節服務是昆崳山自然保護區的主要生態功能。

昆崳山的土地利用和ESV的變化都向著有利于促進森林生態系統生態功能發揮的方向發展，但作為膠東半島重要的生態屏障，昆崳山生態功能的發揮程度對于維持區域生態安全具有重要意義，雖然前期保護區通過荒山造林、退耕還林、加大基礎設施建設力度、生態修復等措施的實施，有效維護了昆崳山生態系統的安全，不斷提升了生態系統服務功能，但生態系統保護和修復是一項長期工程，今后應在加大保護力度基礎上，結合自然保護地整合優化，進一步優化自然保護地布局，合理利用并規劃土地利用，促進昆崳山自然保護區生態系統健康穩定發展。

本研究僅測算了昆崳山國家級自然保護區建立后10 a間保護區土地利用格局及生態系統服務功能的變化，沒有涉及更長時間的變化，在下步研究中，將進一步擴大研究的時間序列，對昆崳山國家級自然保護區的土地利用格局及生態系統服務功能的變化開展更為完善的研究，為區域生態政策的制定和生態保護與建設工程的實施提供更多的科學依據。