呂明權,王延平,王繼軍,2

（1.西北農林科技大學資源環(huán)境學院,陜西楊凌712100;2.中國科學院水利部水土保持研究所,陜西楊凌 712100）

20世紀70年代初,生態(tài)系統(tǒng)服務的科學概念得以提出[1],隨后得到了相關學者的關注,在生態(tài)系統(tǒng)服務功能的研究方面也取得一系列的進展,Daily主編的專著中比較系統(tǒng)地介紹了生態(tài)系統(tǒng)服務功能[2],Costanza等則對全球生態(tài)系統(tǒng)服務功能進行了劃分和評估[3]。繼Costanza等對全球生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估之后,我國許多學者根據(jù)研究區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)特點和實際情況,對評估方法和參數(shù)進行了改進,并對不同類型的生態(tài)系統(tǒng)和不同尺度的生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行了評估[4-8]。

近年來,隨著退耕還林還草力度的加大,人們關于退耕還林還草的效益評價研究越來越多,并取得了一定成果。焦峰等對黃土高原退耕還林還草的生態(tài)和社會效應給出了定性的分析[9],楊光等分析了退耕還林還草工程對植被恢復的影響進行了研究[10]。在研究方法上,綜合運用資源經(jīng)濟學、生態(tài)經(jīng)濟學的理論,應用等效益替代法、機會成本法、影子工程法等方法探討了退耕還林后所產(chǎn)生的生態(tài)經(jīng)濟效益[10-12],也有學者運用了生態(tài)系統(tǒng)服務價值研究方法對退耕還林還草的生態(tài)效應進行了評價[13-14]。退耕還林工程實施以后,退耕區(qū)的土地利用、生態(tài)環(huán)境都發(fā)生了明顯的改善,但在黃土丘陵區(qū)土地利用變化引起的生態(tài)服務價值變化的研究相對較少。因此本文選取退耕還林第一縣——吳起縣為研究對象,對其土地利用變化的過程進行分析,并估算吳起縣的生態(tài)服務價值。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

吳起縣位于陜西省延安市的西北部,地處東經(jīng)107°38′57″-108°32′49″,北緯 36°33′33″-37°24′27″,面積3 791.5 km2。屬黃土高原梁狀丘陵溝壑區(qū),毛烏素沙地南緣的農牧過渡地帶,地貌以梁峁溝壑為主,水土流失嚴重,曾是黃河中上游水土流失最為嚴重的地區(qū)之一,海拔1 233～1 809 m。

1998年5月吳起縣率先啟動了退耕還林還草工程,實現(xiàn)了全縣整體封山禁牧;1999年一次性退耕10.37萬hm2,目前累計完成造林面積15.42萬hm2,成林面積達到7.1萬hm2,全縣林灌覆蓋率由重點林業(yè)工程啟動前的19.2%增加到2005年38.1%,土壤侵蝕模數(shù)由1.53萬t/(a?km2)下降到0.54萬 t/(a?km2)。在研究過程中,主要運用吳起縣1985年、1990年、2001年和 2007年的土地利用調查數(shù)據(jù)。

2 土地利用變化分析

2.1 土地利用類型數(shù)量變化分析

吳起縣1985-2007年土地利用總體變化是:園地和林地分別增加了51 099.8 hm2和148 337.74 hm2;園地在1985-1990年、2001-2007年減小微弱,而在1990-2001年期間增加了51 634.6 hm2;林地一直保持增加趨勢,其中1990-2001年增加了96 862.1 hm2,占增加量的65.3%。耕地、牧草地、建設用地和未利用地均減少,其中減少最多的是耕地和草地,減少了79.3%和42.7%,建設用地和未利用土地分別減少了2 586.33 hm2和 15 672.77 hm2,耕地的減少集中在1990-2001年(表1)。

表1 1985-2007年吳起縣土地利用類型面積變化

2.2 土地利用變化速度

單一類型的土地利用動態(tài)指數(shù)是研究區(qū)域在一定時間范圍內某種土地利用類型的數(shù)量變化情況的一種方法,通常用年變化率來表征,其表達式為[15]:

式中:Lc——研究時段某一土地利用類型動態(tài)度指數(shù);Ua和Ub——分別表示研究初期和末期某類型土地的數(shù)量;T——研究時段。

根據(jù)公式(1)可以計算出吳起縣各土地利用類型在不同時期的動態(tài)指數(shù)(表2),可以看出,1985-2007年變化最明顯的就是園地和林地,其動態(tài)度分別是39.0%和25.8%,其中1990-2001年達到了89.0%,26.5%。耕地、牧草地、建設用地和未利用土地的動態(tài)度都相對較小,且均為負值,分別是-3.71%,-1.93%,-1.32%和-3.61%。各土地利用類型變化速率依次為園地＞林地＞耕地＞未利用土地＞牧草地＞建設用地。

表2 1985-2007年吳起縣不同土地利用類型年變化率

2.3 土地利用結構變化

從圖14可以看出,吳起縣耕地、園地和林地的變化尤其明顯,耕地從1990年的32.8%急劇下降為2007年的5.3%。園地在1985年和1990年占總土地面積的比例不大,分別為1.6%,2.4%。林地在1985年和1990年占全縣土地面積的比例為6.9%和 8.8%,而后兩年所占比例急劇上升為34.3%和 46.02%。草地面積也由 1985年的53.8%變?yōu)?007年的30.9%。建設用地和未利用土地類型都基本呈逐年減少趨勢。

圖1 1985-2007年吳起縣土地利用結構變化

3 土地利用變化的生態(tài)服務價值

1997年Constanza等[3]人的研究成果使生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估的原理與方法從科學意義上得以明確,將生態(tài)系統(tǒng)服務研究推向生態(tài)經(jīng)濟學研究的前沿。本文基于Costanza提出的生態(tài)系統(tǒng)服務價值理論,結合謝高地等提出的生態(tài)服務價值系數(shù)計算方法,估算了吳起縣生態(tài)系統(tǒng)服務價值的變化,其估算公式為

式中:ESV——生態(tài)系統(tǒng)服務價值(元);LUi——吳起縣第i種土地利用類型的面積;VCi——第i種土地類型的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值(元/hm2);i=1,2,…,6,是土地利用類型。

為驗證生態(tài)服務價值系數(shù)的準確性,引入生態(tài)系統(tǒng)價值敏感性指數(shù)(the coefficient of sensitivity,CS[17-18,20],以反映生態(tài)系統(tǒng)服務價值對生態(tài)服務價值系數(shù)的依賴程度。文中將各土地覆蓋類型的生態(tài)價值系數(shù)分別調整50%[17-18,20],來衡量總生態(tài)系統(tǒng)服務價值的變化情況。CS＜1表明生態(tài)系統(tǒng)服務價值缺乏彈性,即1%的自變量變動會引起因變量小于1%的變動;CS＞1表明生態(tài)系統(tǒng)服務價值是有彈性的,即1%的自變量變動引起因變量大于1%的變動,CS越大也說明生態(tài)系統(tǒng)價值系數(shù)的準確性對生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估越重要。敏感性指數(shù)(CS)的計算公式如下:

式中:ESV——估算的總生態(tài)系統(tǒng)服務價值;VC——生態(tài)價值系數(shù);i和j——初始總價值和生態(tài)價值系數(shù)調整以后的總價值;k——各土地利用類型。

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)(VC)確定

吳起縣單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值的確定可以根據(jù)謝高地等人的研究成果。謝高地等把生態(tài)服務功能分為9類,并對我國200位生態(tài)學者進行問卷調查,總結出“中國生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量因子表”。生態(tài)服務價值當量因子[6]是指生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的生態(tài)服務的相對貢獻大小的潛在能力,其中1個當量因子的經(jīng)濟價值等于該區(qū)域1 hm2農田的平均產(chǎn)量的市場價值的1/7。

以吳起縣近幾年的平均糧食產(chǎn)量 2 730 kg/hm2,糧食單價按吳起縣2007年各糧食的平均市場價格(1.4元/kg),最終可以確定1個生態(tài)服務價值當量因子的經(jīng)濟價值量546元。謝高地等也提供了1個全國平均生態(tài)服務價值當量因子的經(jīng)濟價值884.9元[6],但是生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)服務功能大小與該生態(tài)系統(tǒng)的生物量有密切關系。一般來說,生物量越大,生態(tài)服務功能越強[6]。陜西省農田生態(tài)系統(tǒng)生物量因子為0.51[19],對森林,草地也用這個生物量因子也進行校正,最后得出吳起縣1個生態(tài)服務價值當量因子的經(jīng)濟價值量為451.30元。綜合以上兩種方法得出吳起縣1個當量因子的平均經(jīng)濟價值為498.65元。

根據(jù)已有研究[20]和吳起縣的具體情況,把每種土地利用類型與最接近的生態(tài)系統(tǒng)類型聯(lián)系起來,其中耕地與農田對應,林地與森林對應,園地取森林和草地的平均值,未利用地取難利用地對應的值,建設用地取值為0。制定了吳起縣土地利用方式的生態(tài)服務價值當量因子表(表3)。

表3 吳起縣不同土地單位面積年度生態(tài)服務價值 元

3.2 生態(tài)服務價值

由公式(2)得出不同土地類型在不同年份的生態(tài)系統(tǒng)服務價值(表4)?？梢钥闯錾鷳B(tài)服務價值變化最大的兩種土地類型是林地和園地,1990-2007年間分別以25.0%和55.62%速度增加。2001年林地的生態(tài)服務價值占吳起縣總服務價值的56.7%,而到2007年所占比例提高到67.44%。園地的生態(tài)服務價值也從最初的3 959萬元增加到41 391萬元,平均每年分別增加2 202萬元。生態(tài)服務價值減少的土地利用類型有草地、耕地和未利用土地,在這三種土地利用類型中耕地的服務價值變化最為顯著,從1990年的49 572萬元減少到了2007年的8 012萬元。吳起縣總的生態(tài)服務價值1990-2007年間從164 053萬元增加到2007年的281 877萬元,增加了71.8%,年均增加4.22%。

表4 吳起縣1990-2007年生態(tài)系統(tǒng)服務價值及其變化

1990-2007年吳起縣生態(tài)系統(tǒng)單項服務功能價值變化的總體趨勢由表5可以看出:氣體調節(jié)、氣候調節(jié)、水源涵養(yǎng)、土壤形成與保護、生物多樣性保護、原材料、娛樂文化都有明顯的增加,廢物處理和食物生產(chǎn)呈減少的趨勢,食物生產(chǎn)由原來的9 495萬元減少到4 196萬元,廢物處理功能產(chǎn)生的價值有微弱的減少,從26 165萬元減少到24 424萬元。這兩項服務功能產(chǎn)生價值的減少主要是因為耕地大量減少造成的。按照1990年吳起縣各服務價值大小排序依次為:土壤形成與保護＞生物多樣性保護＞廢物處理＞氣候調節(jié)＞氣體調節(jié)＞水源涵養(yǎng)＞食物生產(chǎn)＞原材料＞娛樂文化。而2007年演變?yōu)橥寥佬纬膳c保護＞生物多樣性保護＞氣體調節(jié)＞水源涵養(yǎng)＞氣候調節(jié)＞原材料＞廢物處理＞娛樂文化＞食物生產(chǎn)。土壤形成與保護功能所占比例最大,均在20%左右,其服務價值也從36 294萬元,增加到55 113萬元,這對于土壤流失嚴重的吳起縣具有特殊的意義。

表5 吳起縣1990-2007年各項生態(tài)服務價值

3.3 敏感性分析

根據(jù)公式(3)給出的敏感性計算方法,為了計算簡便,將林地、牧草地、耕地、園地、未利用地的生態(tài)價值系數(shù)分別上下調整50%[17-18,20],應用調整后的生態(tài)價值系數(shù)對研究區(qū)1990年、2001年和2007年總服務價值進行了估算,最終得到研究區(qū)域服務價值在不同年份之間的變化情況和敏感性指數(shù),具體結果見表6。

表6 價值系數(shù)調整后吳起縣總服務價值的百分比變化和價值系數(shù)的敏感性指數(shù)

可以看出,敏感性指數(shù)CS都小于1,未利用土地的敏感性指數(shù)最低為0,這表明即當未利用土地的生態(tài)服務價值系數(shù)上下調整50%時對吳起縣的生態(tài)服務價值幾乎沒有影響,林地、牧草地、耕地、園地的敏感性指數(shù)的變化幅度都較大。林地的敏感性指數(shù)從1990年的0.22增加到了2007年的0.67,即在1990年時林地的生態(tài)價值系數(shù)增加1%時,研究區(qū)域的總生態(tài)價值增加0.22%,而到了2007年研究區(qū)的總生態(tài)價值就會增加0.67%,表明林地的生態(tài)價值系數(shù)的準確性對研究區(qū)域生態(tài)價值的估算尤為重要。園地的敏感性指數(shù)也從1990年的0.02增加到2007年的0.15。相反,耕地和牧草地的敏感性指數(shù)都呈現(xiàn)減少的趨勢,耕地從1990年的0.30減少到2007年的0.03,牧草地從1990年的0.45減少到2007年的0.15。

4 結論與討論

(1)1985-2007年吳起縣的耕地減少了79.33%,牧草地和未利用土地分別減少了42.73%和79.43%,林地和園地分別增加了567.81%和856.17%。用單一土地利用動態(tài)度計算出的吳起縣各土地類型的變化速度表明,園地、林地增加最快分別達39%和25.8%,耕地減少最快為-3.71%。退耕還林前后時期的土地利用結構相差也很大。

(2)吳起縣的生態(tài)服務價值在 1990年為1 640.53×106元,在 2001年為 2 497.43×106元,而到了2007年就增加了2 818.77×106元,增幅達71.82%。其中林地、園地服務價值增加明顯,而耕地的服務價值發(fā)生了劇烈的減少。

(3)在各項服務功能中,除了食物生產(chǎn)和廢物處理功能,其它生態(tài)服務功能價值都在增加。1990-2007年,各項服務功能產(chǎn)生的價值結構組成有一定的變化。

(4)敏感性分析結果表明,不同研究時期ESV對生態(tài)服務功能價值指數(shù)的敏感性指數(shù)波動較大,但均小于1,這表明研究區(qū)內ESV對生態(tài)服務功能價值指數(shù)是缺乏彈性的,研究結果是可信的。

(5)本文用的計算生態(tài)服務價值的方法直觀簡捷,但也存在很大的局限性,使估算結果準確性受到質疑。本文采用的生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)是為不同的土地利用類型賦予的一套系數(shù),但是每一種土地利用類型都包含幾種相關的生態(tài)系統(tǒng),如林地就是由不同植被群落,不同物種多樣性、物種均勻度和物種豐富度構成的,而統(tǒng)一的給林地賦予相同的生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù),使結果的可信度下降。如果能為細分后的土地利用類型賦予生態(tài)服務價值系數(shù),這樣會使估算結果離真實值更進一步,這也需要更進一步的研究。

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