中國耕地空間格局變化及其生態系統服務價值響應

黃海潮, 雷 鳴, 孔祥斌, 溫良友

(1.中國農業大學 土地科學與技術學院, 北京100193; 2.自然資源部農用地質量與監控重點實驗室, 北京100193)

土地利用格局變化對區域乃至全球的生態系統服務供給能力具有重要影響[1]，耕地作為土地利用結構中最重要的主要組成部分之一[2]，承擔著食物生產、環境調節等重要功能，是實現糧食安全和生態安全的物質基礎[3]。當前，耕地空間格局變化導致的生態問題已引起廣泛關注[4]，正確評估中國耕地空間格局變化對生態系統服務供給的影響及其時空演變規律，是保障國家可持續糧食安全和生態安全的科學基礎，也是耕地數量—質量—生態“三位一體”保護政策制定的重要依據。

耕地空間格局變化是LULCC(Land use/land cover change)研究的重要課題，相關研究主要集中于耕地空間格局變化的時空過程、耕地空間格局變化的驅動力和驅動機制，耕地空間格局的模擬以及耕地空間格局變化的生態環境效應[5]。其中前三者的研究方法較為成熟，相關學者從耕地空間格局變化的宏觀趨勢[6-7]、耕地轉換特征[8-10]等維度對耕地空間格局變化的時空過程進行了深入研究，在國家[11-12]、省[13-14]、市縣等[15-16]不同尺度探討了自然和社會經濟要素變化對耕地空間格局變化的驅動作用，利用支持向量機[17]、Markov模型[18]、CLUE-S模型等[19]模擬了不同空間尺度耕地空間格局，取得了較為豐富的研究成果。關于耕地空間格局變化的生態環境效應研究，全國尺度上相關學者主要研究了耕地空間格局變化對耕地生產能力[20]、氣候[21]、地形[22]、水資源[23]、土壤等[24]單一要素的影響。相關學者也探究了耕地空間格局變化對生態系統服務價值的影響，但大多從整個陸地生態系統出發，研究耕地與其他地類之間轉換對整個陸地生態系統服務價值變化的影響[25-27]，對于耕地空間格局變化對耕地本身生態系統服務價值影響的關注較少，為數不多的研究主要集中于耕地空間格局變化對耕地食物生產功能的影響[28-31]，相關研究表明耕地空間格局變化過程中耕地食物生產能力降低明顯，但耕地空間格局變化過程中供給服務、調節服務、支持服務等其他生態系統服務價值及耕地生態系統服務總體價值的變化規律尚待研究，耕地生態系統服務供給能力的時空演變規律需進一步綜合深入探究。在耕地生態保護的新要求和新共識下，迫切需要加強全國尺度上的耕地生態系統服務價值的綜合研究。

生態系統服務價值是指生態系統通過生態結構、功能和過程為人類生存所提供的不同生態產品和服務[25]，被廣泛應用于生態系統服務供給能力的評估中[32-33]。本文基于2000年、2005年、2010年、2015年四期遙感數據，在利用重心模型等方法深入刻畫我國耕地空間格局演變的基礎上，選擇NPP(Net Primary Production)、降水、侵蝕3個關鍵因素，構建圖斑尺度的全國耕地生態系統服務價值時空異質評估模型，分析我國耕地生態系統服務價值時空變化，量化我國耕地空間格局變化對耕地生態系統服務供給能力的影響，以期為有效和精細的耕地生態保護提供科學參考。

1 研究方法與數據來源

1.1 研究方法

1.1.1 耕地生態系統服務當量時空修正 本文基于謝高地2015年提出的當量因子表，其將耕地分為水田和旱地2種二級地類，將耕地生態系統服務功能分為4種一級功能和11種二級功能(表1)。本文借鑒謝高地等[34]的研究選取NPP、降水和侵蝕3個關鍵指標對11種服務功能進行空間修正。公式為：

表1 耕地生態服務價值當量[34]

Fnij=Fj×Rnij

(1)

式中：Fnij是指第n年第i個耕地圖斑第j類耕地生態系統服務價值當量；Fj指第j類耕地生態系統服務全國平均當量；Rnij是針對第n年耕地圖斑i第j類耕地生態系統服務的調節因子。文中分為3類調節因子：Rni1為NPP時空調節因子；Rni2為降水時空調節因子；Rni3為侵蝕時空調節因子。其中：Rni3用于對土壤保持服務價值時時空修正；Rni2用于對水資源供給和水文調節服務價值時空修正；其他耕地生態系統服務功能均采用Rni1進行時空修正。下面介紹3類調節因子的計算。

(2)

(2)降水時空調節因子。降水時空調節因子的計算方法為：

(3)

式中：Pni指第n年第i個耕地斑塊的降雨量(mm/hm2)；ˉPn表示第n年全國耕地平均降雨量(mm/hm2)。

(3)侵蝕時空調節因子。侵蝕時空調節因子的計算公式為：

(4)

1.1.2 標準當量因子價值量核算 本文采用謝高地等[35]的標準當量因子價值核算方法，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。稻谷、小麥和玉米是我國三大主要糧食，依據這三大主要糧食計算。考慮到不同年份三大主要糧食價格和播種面積的波動，取2005—2015年三大糧食凈利潤的平均值作為本文的標準當量因子價值。其計算公式如下：

從圖2、圖3和圖4中可以看出，雙管開路故障對同步交流發電機三相輸出電壓信號影響較大，其故障瞬態衰減幅度較大。

(5)

1.1.3 重心模型 本文利用重心模型探究耕地空間轉移的總體趨勢，耕地重心指的是某一時間區域耕地面積在空間平面上力矩達到平衡的點，重心運動的方向、速度等特性能夠很好表征耕地的空間變化[36]。耕地重心的計算公式如下：

(6)

(7)

式中：X，Y分別表示全國耕地重心的經度和緯度；Si表示行政單元i的耕地面積；Xi和Yi分別表示行政單元i重心的經度和緯度；本研究中重心計算以省為基本單元。

1.2 數據來源

本文所用的數據主要包括：(1)2000年、2005年、2010年、2015年耕地空間分布數據，分辨率為1 km×1 km，來源于中國科學院資源環境科學數據中心(www.resdc.cn)；(2)2000年、2005年、2010年NPP數據。來源于中國科學院資源環境科學數據中心(www.resdc.cn)。(3)20世紀90年代以來多年平均降水數據和土壤侵蝕數據。來源于中國科學院資源環境科學數據中心(www.resdc.cn)；(4)2005—2015年水稻、玉米和小麥播種面積與凈利潤。來源于2006—2015年《全國農產品成本收益資料匯編》。(5)2006—2015年全國CPI(Consumer Price Index)數據。來源于2006—2015年《中國統計年鑒》。

2 結果與分析

2.1 近20年我國耕地空間格局演變

2000—2015年、我國水田、旱地面積均明顯減少。我國耕地以旱地為主，旱地面積占耕地面積的70%以上。2000—2015年，耕地面積由1 797 502.0 km2減少為1 783 013.0 km2，共減少0.8%，但耕地減速降低，減幅由2000—2005年的0.40%的降低為2010—2015年的0.10%。其中，旱地面積總體減少5 381.0 km2，減幅為0.41%，2005—2010年旱地減少最明顯。水田共減少9 108.0 km2，減幅為1.92%，減速不斷降低，2000—2005年減幅為1.75%，2010—2015年耕地面積小幅增加(圖1)。

圖1 2000-2015年耕地、旱地、水田面積變化

2000—2015年、耕地、旱地和水田重心均發生明顯的遷移，耕地重心持續向西北方向遷移，旱地總體向西北遷移，水田重心總體向東北遷移(表2)。2000年耕地重心坐標為(112°48′00″E，35°33′27″N)，位于山西省澤州縣內，2015年耕地重心坐標為(112°33′19″E，35°45′06″N)，位于山西省沁水縣進內，耕地重心以西偏北40.8°方向遷移30 884.1 km。2000年旱地重心坐標為(112°28′27″E,37°12′28″N)，位于山西省祁縣境內，2015年重心坐標為(112°04′37″E,37°18′11″N)，位于山西省平遙縣境內，旱地重心以西偏北13.1°的方向偏移了36 238.2 km。2000年水田重心坐標為(113°38′35″E,30°55′27″N)，位于湖北省應城市境內，2015年水田重心坐標為(113°48′59″E,31°19′26″N)，位于湖北省安陸市境內，水田重心以東偏北75.1°方向遷移了478 14.4 km。不同時段，耕地、水田和旱地重心遷移方向和速度存在明顯的差異。耕地重心遷移方向較為穩定，但遷移速度存在明顯差異，2005—2010年遷移速度較慢，其他兩個時段遷移速度相當。旱地重心在2000—2005年時段以西偏北30.9°方向遷移，其他兩個時段遷移方向西偏北角度較小，與該時段差異明顯，2005—2010年遷移速度明顯小于其他兩個時段。2000—2005年，水田重心向西偏北36.0°方向遷移，而后向東北方向遷移，重心遷移速度不斷增加。

表2 2000-2015年耕地、旱地、水田重心遷移方向與速度

九大農業區中，北方干旱半干旱區、東北平原區耕地面積持續增加，北方干旱半干旱區耕地增加主要來源于旱地，東北平原區耕地增加主要來源于水田，其他農業區耕地面積持續減少(圖2)。2000—2015年，北方干旱半干旱區、東北平原區耕地面積分別增加17 104.0 km2，3 351.0 km2，分別增加6.67%和1.12%。其他農業區耕地面積均減少，其中長江中下游平原區和黃淮海平原區耕地面積減少最明顯，分別減少14 062.0 km2，6 623.0 km2，減幅為3.91%和2.06%。北方干旱半干旱區旱地增加明顯，增加17 013 km2，占區域增加耕地面積的99.5%，其他農業區旱地面積均減少，其中黃淮海平原區和東北平原區旱地減少最明顯，分別減少5 555.0 km2，5 553.0 km2，減幅分別為1.82%和2.17%。東北平原區水田面積增加明顯，增加8 904.0 km2，增幅為20.25%，北方干旱半干旱區水田少量增加。其他農業區水田面積均減少，其中長江中下游區和華南區水田面積減少最明顯，分別減少10 931.0 km2，3 090.0 km2，減少幅度分別為4.86%和5.97%。

注：圖中DB，BF，QZ，HT，HH，YG，SC，HN，CJ分別是東北平原區、北方干旱半干旱區、青藏高原區、黃土高原區、云貴高原區、四川盆地及周邊地區、華南區、長江中下游地區的簡稱。

2.2 近20年耕地生態服務價值時空變化

2.2.1 全國耕地生態系統服務價值變化 2000—2015年我國耕地生態系統服務總價值和單位耕地生態系統服務價值均持續減少，減少速度總體呈現先降后升的趨勢(表3)。2000年我國耕地生態服務總價值為23 402.3億元，2015年耕地生態服務價值總量為23 087.1億元，共減少315.2億元，減幅為1.35%。2000—2005年、2005—2010年、2015—2020年耕地生態系統服務價值量分別減少114.7，86.2，114.3億元，減幅分別為0.49%，0.37%和0.49%。2000—2015年，每hm2耕地生態系統服務價值由12 990.4元降低到12 919.2元，減少71.2元，降幅為0.55%。2000—2005年、2005—2010年、2015—2020年耕地生態系統服務價值量分別減少11.4元、8.4元和51.5元，降幅分別為0.09%，0.06%和0.40%。

表3 耕地不同功能服務價值和單位面積耕地不同功能服務價值變化

2000—2015年、耕地供給服務總價值和單位耕地供給服務價值增加，耕地調節服務、支持服務、文化服務總價值和單位面積耕地服務價值均減少，調節服務價值減少最明顯。耕地供給服務價值由1 927.0億元增加到2 000.1億元，增幅為3.79%；單位面積耕地供給服務價值由1 069.7億元/hm2增加到1 119.2億元/hm2，增幅為4.63%。耕地調節服務、支持服務、文化服務價值分別減少325.3億元、57.0億元和5.9億元，減幅分別為2.17%，0.94%和1.44%；每hm2耕地調節服務、支持服務、文化服務分別減少114.7元、4.7元和1.5元，減幅分別為1.38%，0.14%和0.64%。

2.2.2 區域尺度耕地生態系統服務價值變化

(1)九大農業區耕地生態系統服務總價值變化。九大農業區中，長江中下游地區耕地生態系統服務價值明顯高于其他區域，青藏高原區明顯低于其他區域(圖3)。長江中下游地區耕地生態系統服務價值超過6 000億元，黃淮海平原、東北平原耕地生態系統服務價值在3 500～4 500億元，四川盆地及周邊地區、云貴高原區耕地生態系統服務價值2 000～3 000億元，華南區、北方干旱半干旱區、黃土高原區耕地生態系統服務價值在1 000～1 500億元，青藏高原耕地生態系統服務價值低于100億元。

圖3 九大農業區耕地生態系統服務價值變化

九大農業區中，北方干旱半干旱區、東北平原區耕地生態系統服務持續增加，增速先降后升，其他農業區耕地生態系統服務價值持續下降，但減速變化存在明顯差異(圖4)。2000—2015年北方干旱半干旱區耕地生態系統服務價值由1 408.8億元增加到1 460.8億元，增加幅度為3.70%。東北平原區耕地生態系統服務價值由3 641.6億元增加到3 681.0億元，增幅為1.08%。其中，2000—2005年、2005—2010年、2010—2015年北方干旱半干旱區耕地生態系統服務價值分別增加21.2億元、9.3億元和21.5億元，東北平原區分別增加15.1，3.9，20.3億元。其他農業區中，長江中下游地區耕生態系統服務價值減少最明顯，達到171.2億元，降低幅為2.73%。黃淮海平原區、四川盆地及周邊地區、華南區耕地生態系統服務價值減少均超過50億元，黃土高原區、云貴高原區、青藏高原區耕地生態系統服務價值減少不明顯，青藏高原區僅減少0.4億元。不同農業區耕地生態系統服務價值減速變化存在明顯差異，長江中下游區、四川盆地及周邊地區、黃淮海平原區、黃土高原區減速先降后升，華南區減速持續降低，云貴高原區減速持續增加，青藏高原區減速總體保持在較低水平。

不同農業區供給服務、支持服務、調節服務、文化服務4類生態系統服務價值變化存在明顯差異(圖4)。東北平原區和黃淮海平原區耕地供給服務價值減少最明顯，2000—2015年分別減少27.5億元、12.5億元。長江中下游地區和華南區耕地供給服務價值為負值，主要是因為水田的水資源供給價值為負，導致水田的供給服務價值為負值，而長江中下游地區和華南區耕地以水田為主，所以區域耕地供給價值總體為負，但區域供給服務的負向價值分別減少80.6億元，35.2億元。北方干旱半干旱區是九大農業區中唯一支持服務價值增加農業區，增加45.1億元，長江中下游地區和黃淮海平原區支持服務價值分別減少27.2億元和24.0億元，減少最為明顯。北方干旱半干旱區和東北平原區調節服務價值持續增加，分別增加77.7億元和4.7億元，其他農業區調節服務價值持續減少，其中長江中下游地區和華南區減少明顯，分別減少221.2億元和75.7億元。東北平原區和北方干旱半干旱區文化服務價值分別增加0.49億元和0.14億元，其他農業區文化服務價值均減少。

注：圖中DB，BF，QZ，HT，HH，YG，SC，HN，CJ分別是東北平原區、北方干旱半干旱區、青藏高原區、黃土高原區、云貴高原區、四川盆地及周邊地區、華南區、長江中下游地區的簡稱。

(2)九大農業區單位耕地生態系統服務價值變化。九大農業區中，四川盆地及周邊地區、華南區、長江中下游地區單位耕地生態系統服務價值較高，其次是云貴高原區、黃淮海平原區、東北平原區，黃土高原區、青藏高原區、北方干旱半干旱區單位耕地生態系統服務價值相對較低(圖5)。四川盆地及周邊地區、華南區、長江中下游地區單位耕地生態系統服務價值超過17 000元/hm2，云貴高原區、黃淮海平原區、東北平原區單位耕地生態系統服務價值介于12 000～14 000元/hm2，黃土高原區、青藏高原區、北方干旱半干旱區單位耕地生態系統服務價值均低于9 000元/hm2，其中北方干旱半干旱區單位耕地生態系統服務價值最低，處于5 000～6 000元/hm2。

圖5 九大農業區單位耕地生態系統服務價值變化

2000—2015年，北方干旱半干旱區、東北平原區、青藏高原區單位耕地生態服務價值總體降低，其他農業區單位耕地生態服務價值上升。北方干旱半干旱區單位耕地生態服務價值持續下降，由5 491.5元/hm2下降到5 338.5元/hm2，降幅達2.79%。東北平原和青藏高原區單位耕地生態服務價值波動變化，總體分別下降4.3元/hm2，8.3元/hm2。長江中下游地區、華南區、四川盆地及周邊地區、黃淮海平原區單位耕地生態系統服務價值持續上升，分別增加212.8元/hm2，358.3元/hm2，49.2元/hm2，60.0元/hm2。云貴高原區、黃土高原區單位耕地生態系統服務價值波動變化，總體分別增加16.6元/hm2，28.9元/hm2。

九大農業區單位面積耕地供給服務、支持服務、調節服務、文化服務4類生態系統服務價值變化存在明顯差異。東北平原區(-123.7元/hm2)、北方干旱半干旱區(-53.4元/hm2)單位面積耕地供給服務價值減少，其他農業區單位面積耕地供給服務價值均增加，華南區(176.5元/hm2)和長江中下游地區(142.6元/hm2)增加最明顯。北方干旱半干旱區(-67元/hm2)單位面積耕地調節服務減少最明顯，東北平原區(198.3元/hm2)、華南區(129.4元/hm2)增加最明顯，其他農業區變化較小。東北平原區(-81.5元/hm2)、北方干旱半干旱區(-30.0元/hm2)單位面積耕地支持服務減少最明顯，華南區(44.4元/hm2)和長江中下游平原區(36.6元/hm2)支持服務增加最明顯。各農業區單位面積耕地文化服務價值變化均不明顯(圖6)。

圖6 九大農業區單位面積耕地各類生態系統服務價值變化

3 討論與結論

3.1 討 論

Costanza等在全球尺度上，以及謝高地等針對中國的研究被廣泛應用于生態系統服務價值的評估中，多位學者采用不同方法對我國耕地生態系統服務價值進行了評估(表4)。將國內外關于我國耕地生態系統服務價值的評估結果通過CPI調整到2015年后，對比發現，本文的研究結果基本與謝高地等、薛明皋等的研究較為一致，Song等的研究結果最高，為88 057.4億元，Li等的研究結果最低，為19 557.1億元。耕地生態系統服務價值的差異與所采用的當量因子表有較大關系，Song等基于Costanza等的當量因子表，該當量因子表對于耕地的重視程度較高，Li等采用TEEB等提供的當量因子表。本文和薛明皋等的研究均采用謝高地等提供當量因子表和時空校正方法，結果較為接近。

表4 相關研究比較

本文采用的耕地空間分布數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心(www.resdc.cn)的中國土地利用遙感監測數據集，該數據集中將耕地分為水田和旱地，將大部分水澆歸入到旱地中，一定程度上導致旱地的占耕地的比例較高，影響耕地生態系統服務價值估算。此外，本文在估算耕地生態服務價值過程中沒有充分考慮耕地的利用狀況，不同利用條件下耕地生態系統服務存在一定的權衡關系，如耕地利用強度過大，耕地供給服務價值短時間內會增加，但耕地的調價服務、支持服務等價值會降低甚至為負值，不同利用條件下耕地生態系統服務價值的差異化評估及其權衡關系需要進一步深入研究。

3.2 結 論

(1)2000—2015年，中國耕地重心持續向西北方向遷移，水田和旱地重心分別向東北和西北遷移，東北平原區水田面積持續增加，北方干旱半干旱區旱地面積持續增加，其他農業區耕地面積均持續減少，其中長江中下游區和黃淮海平原區耕地減少最明顯。

(2)2000—2015年耕地生態系統服務總價值和單位價值均減少，不同生態系統服務價值變化存在差異。總價值由23 402.3億元減少為23 087.1億元，減幅為1.35%；每hm2價值分別由12 990.4元減少為12 919.2元，減幅為0.55%。全國耕地供給服務、調節服務、支持服務、文化服務總價值變化幅度分別為3.79%，-2.17%，-0.94%，-1.44%，每hm2耕地供給服務、調節服務、支持服務、文化服務價值變化幅度分別為4.63%，-1.38%，-0.14%，-0.64%。

(3)我國耕地生態系統服務價值變化空間分異特征明顯。北方的東北平原區和北方干旱半干旱區耕地生態系統服務總價值增加，而單位面積耕地價值降低；青藏高原區耕地生態系統服務總價值和單位價值均降低；其他農業區耕地生態系統服務總價值減少，而單位面積耕地生態服務價值增加。

我國耕地空間格局變化導致耕地生態系統服務價值總量和單位面積耕地生態系統服務價值持續減少，耕地生態系統服務供給能力持續降低，這與我國耕地數量—質量—生態“三位一體”保護策略相違背。因此，提出以下建議：

(1)采用有效手段優化耕地空間格局，有效提升我國耕地生態系統服務供給能力。通過國土空間規劃，禁止南方經濟發達區域隨意占用耕地，特別要禁止占用優質耕地，保護好現有生態系統服務價值較高的耕地，約束東北和西北等生態脆弱區無序開墾耕地，從宏觀上遏制耕地北移的趨勢，通過優化耕地空間格局提升耕地生態系統服務供給能力。

(2)全面精準實施耕地休養生息戰略，2016年國家發改委聯合財政部等八部門印發《耕地草原河湖休養生息規劃(2016—2030年)》，將生態文明的理念貫穿到耕地保護中，應對當前生態條件較差或存在明顯限制因子的實施休耕輪作，降低利用強度，權衡耕地生態系統服務，恢復耕地生態系統服務供給能力。對于耕地生態嚴重退化，生態供給服務能力嚴重下降的耕地應實施退耕，積極進行生態保育，防止耕地利用導致生態問題。

(3)建立區域間的耕地保護生態補償機制，耕地保護的目的是為了實現糧食安全這一公共利益，但不同地區所承擔的耕地保護責任及其付出的生態代價差異明顯，通過建立耕地生態保護補償機制，實現耕地保護責任共擔、利益共享，為耕地生態保護提供制度和資金保障。