莫宏偉，全 斌，袁開國，謝金寧，向云波

(湖南科技大學資源環(huán)境與安全工程學院， 湖南 湘潭 411201)

陜西關中地區(qū)土地生態(tài)價值時空動態(tài)

莫宏偉，全 斌，袁開國，謝金寧，向云波

(湖南科技大學資源環(huán)境與安全工程學院， 湖南 湘潭 411201)

為探明土地生態(tài)系統(tǒng)服務價值的空間差異性，以關中地區(qū)遙感影像、氣象氣候、土壤植被及地形地貌數(shù)據(jù)為依據(jù)，借助格網(wǎng)插值技術和土壤潛力測算模型獲取土壤潛力柵格圖，運用土地利用柵格圖及生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量因子加權，生成土地生態(tài)系統(tǒng)服務價值柵格圖；從而在柵格尺度上揭示土地生態(tài)系統(tǒng)服務價值的空間異質(zhì)性。結果表明：1986—2007年間，關中地區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)服務價值總量由509.61億元增加到561.02億元，增幅約為10.09%，2000—2007年段增速約為1986—2000年段的33.65倍；周邊山地和黃土梁峁區(qū)生態(tài)價值增加，增量最大的為周至縣；中部平原區(qū)的生態(tài)價值量減少，減量最大的是西安市區(qū)；研究期內(nèi)的土地利用結構調(diào)整取得了較明顯的生態(tài)效益。

關中地區(qū)；GIS；土地生態(tài)價值；空間異質(zhì)性

土地生態(tài)系統(tǒng)服務是指人類從土地生態(tài)系統(tǒng)獲得的所有惠益，包括供給服務、調(diào)節(jié)服務、文化服務、支持服務。大多數(shù)土地生態(tài)系統(tǒng)服務是公共品或準公共品，具有外部經(jīng)濟性，無法進入市場，甚至在市場交易中很難發(fā)現(xiàn)對應的補償措施[1]。土地生態(tài)系統(tǒng)服務價值研究有利于制定合理的土地生態(tài)資源價格，促進環(huán)境損益進入國民經(jīng)濟核算體系，為土地生態(tài)建設與保護找到合理的資金來源，達到利用經(jīng)濟手段保障土地資源的可持續(xù)利用的目的。自1997年Costanza在《nature》雜志發(fā)表了“全球生態(tài)系統(tǒng)服務價值和自然資本”一文以來[2]，李金昌[3]、歐陽志云[4]、陳仲新[5]、肖寒[6]、趙景柱[7]、姜文來[8]、傅伯杰[9]等眾多學者從多個角度在該領域做了許多建設性的工作；其中，謝高地等在全球生態(tài)系統(tǒng)服務功能評價模型的基礎上，總結了氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)、土壤形成與保護、廢物處理、生物多樣性維持、食物生產(chǎn)、原材料生產(chǎn)、休閑娛樂在內(nèi)的9項生態(tài)系統(tǒng)服務功能，并對我國700位生態(tài)學者進行問卷調(diào)查，得到了“中國生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量因子表”[10-13]；從而把不同生態(tài)系統(tǒng)之間的生態(tài)價值當量區(qū)別開來，但同類型生態(tài)系統(tǒng)價值的空間異質(zhì)性問題仍需更多研究案例來推進。關中地區(qū)是中國西部經(jīng)濟文化中心，涵蓋高原、盆地、山地等多個地形區(qū)，退耕還林、城市化等全局性的土地利用變化在本區(qū)均有典型體現(xiàn)；隨著西部開發(fā)進程提速，區(qū)內(nèi)環(huán)境、經(jīng)濟、人口壓力加大，區(qū)域土地生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能變化加??；深入研究土地生態(tài)系統(tǒng)服務價值的空間異質(zhì)性，有利于利用經(jīng)濟手段精準優(yōu)化土地利用結構，達到土地資源經(jīng)濟和生態(tài)雙贏的利用效果，從而為保障區(qū)域土地資源可持續(xù)利用提供決策支持。

1 研究區(qū)概況

關中地區(qū)位于北緯33°34′～35°52′和東經(jīng)106°18′～110°38′之間，東西長約360 km，南北寬約170 km，總面積約5.56萬km2；轄西安、咸陽、寶雞、渭南、銅川五個地級市和楊陵區(qū)；東部與河南、山西相鄰，西部與甘肅省接壤，南部是漢中、安康及商洛市，北部為延安市；研究區(qū)中部地勢低平，南北及西面地勢較高，有黃土梁峁、黃土臺塬、黃土塬、平原、山地等五種地貌類型，其面積分別占全區(qū)總面積的6.03%、18.54%、11.91%、20.99%、42.53%；關中地區(qū)地貌類型及行政區(qū)劃見圖1。本區(qū)屬大陸性季風氣候，處于暖溫帶半濕潤與半干旱氣候的過渡地帶，冬冷夏熱、四季分明、降水集中、雨熱同季、易發(fā)生干旱；年平均氣溫為9.9℃～15.8℃，多年平均降雨量500～700 mm，多年平均蒸發(fā)量1 000～1 200 mm。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

以遙感影像、氣象、土壤及DEM數(shù)據(jù)為依據(jù)，以ERDAS9.2和ARCGIS9.2作為數(shù)據(jù)處理平臺，分別獲取關中地區(qū)土地柵格圖、各地類單位生產(chǎn)力價值量柵格圖、土壤潛力柵格圖，通過地圖運算得到土地生態(tài)系統(tǒng)服務價值柵格圖，從而把土地生態(tài)系統(tǒng)服務價值細化到柵格單元上，初步解決了土地生態(tài)系統(tǒng)服務價值評價的空間異質(zhì)性問題，各類柵格圖獲取的具體方法如下：

關中地區(qū)土地柵格圖是以1986、2000年及2007年的三期TM影像作為基本信息源，采用土地利用二級分類方法，通過計算機解譯和人工目視解譯相結合的方式獲取。首先利用1∶5萬地形圖對三期TM影像作幾何精校正，采用回歸分析法并利用DEM對影像做輻射校正，把校正后的影像轉換成Albers投影；進行圖像增強處理后，根據(jù)影像特征及野外考察數(shù)據(jù)建立解譯標志，運用非監(jiān)督和監(jiān)督分類相結合的辦法對影像進行分類，并對分類結果作后處理，最后將土地利用類型歸并為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地；再以野外GPS定位考察點資料對分類結果進行精度檢驗和修改，最終得到關中地區(qū)三期土地利用現(xiàn)狀圖；再依據(jù)謝高地等[12]2007年編制的新版中國生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量因子表，并參照陜西省糧食局2009年的糧食價格(1.60元/kg)，計算出關中地區(qū)耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地單位生產(chǎn)潛力價值分別為1 600、5 695、2 364、9 185、0、282 元·t-1，此后依據(jù)土地利用類型圖，生成各地類單位生產(chǎn)力生態(tài)價值量柵格圖。

關中地區(qū)土壤潛力分布圖是以氣象數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)為依據(jù)，先將研究區(qū)43個氣象站點各月的輻射、海平面平均氣溫、降水量、蒸發(fā)量近30年的均值進行Kriging內(nèi)插，獲取各氣候因子1—12月30 m×30 m的柵格數(shù)據(jù)；然后利用30 m×30 m DEM對月平均氣溫作高程矯正，獲取實際地形氣溫分布圖；再依據(jù)溫度、水分及土壤肥力訂正系數(shù)模型獲取關中地區(qū)土地生產(chǎn)潛力各月的溫度、水分及肥力訂正系數(shù)分布圖；最后依據(jù)光溫階乘模型得出各月土壤潛力圖[14]，再合成研究區(qū)年度土壤潛力柵格圖(見圖2)；具體測算模型如下：

(1) 光合生產(chǎn)潛力[15-17]

(1)

式中，Y為光合潛力(g·cm-2)；ε為光合有效輻射(0.45～0.55)；α為植物葉面反射率；β為漏射率；γ為光飽和限制率；ω為植物呼吸作用損耗率(約為30%)；ρ為植物非光合器官的無效吸收，約占光合有效輻射的10%；ψ為量子效率(約為22.4%)；h為單位干物質(zhì)發(fā)熱量(J·g-1)；∑Q為各月太陽總輻射；CA為植物體的灰分含量(約為5%)；CM為植物體的含水率(約為14%)。

(2) 光溫生產(chǎn)潛力[19-20]

Yt=Y×f(t)

(2)

(3)

式中，Yt為光溫潛力；f(t)為溫度訂正系數(shù)；t為月平均氣溫(℃)。

(3) 氣候生產(chǎn)潛力[21-23]

Yw=Yt×f(w)

(4)

(5)

E0=0.0018×(t+25)2×(100-f)

(6)

式中，Yw為氣候潛力；f(w)為水分訂正系數(shù)；R為月降水量；E0為月蒸發(fā)量(mm)；t為月平均氣溫(℃)；f為月相對濕度(%)。

(4) 土壤生產(chǎn)潛力[20,24]

Ys=Yw×f(s)=Yw×U×O

(7)

(8)

(9)

式中，Ys為土壤潛力；f(s)為土壤肥力訂正系數(shù)；O為土壤中有機質(zhì)訂正系數(shù)；U為土壤中氮磷鉀等養(yǎng)分含量訂正系數(shù)；N、P、K分別為土壤中的堿解氮、速效磷和速效鉀含量(mg·kg-1)；M為土壤中有機質(zhì)含量(g·kg-1)。

將土壤潛力柵格圖與各地類單位生產(chǎn)力生態(tài)價值量柵格圖作地圖乘運算，可得關中地區(qū)1986、2000、2007年土地生態(tài)系統(tǒng)服務價值分布圖,再做差運算可得土地生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化圖譜(見圖2)，此后依據(jù)關中地區(qū)土地利用類型圖、地貌分區(qū)圖、行政區(qū)劃圖對其進行分區(qū)統(tǒng)計可得相應的生態(tài)系統(tǒng)服務價值分區(qū)統(tǒng)計表。

3 土地生態(tài)系統(tǒng)服務價值動態(tài)

3.1 土地生態(tài)系統(tǒng)服務價值總量構成變化分析

由表1可知：1986—2007年，關中地區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)服務價值總量增加了51.41×108元，年度遞增率為0.46%；其中1986—2000年段和2000—2007年段年度遞增率分別為0.04%、1.30%，后時段增速約為前時段的33.65倍。耕地、林地、草地、水域、未利用地的生態(tài)系統(tǒng)服務價值量占全區(qū)總價值量百分比在1986年為27.55%、50.57%、17.59%、4.27%、0.02%，2000年為25.44%、53.20%、17.33%、4.01%、0.02%，2007年為22.96%、56.32%、17.30%、3.40%、0.02%；林地生態(tài)系統(tǒng)服務價值量占比超過全區(qū)總量的一半，而且占比呈增加趨勢，其它生態(tài)系統(tǒng)服務價值量占全區(qū)總生態(tài)價值量百分比下降，其中占比降幅最大的是耕地。綜上可知：1986—2007年間，關中地區(qū)林地生態(tài)系統(tǒng)服務價值量持續(xù)增加，草地生態(tài)系統(tǒng)服務價值量是先減后增、總體增加，其它生態(tài)系統(tǒng)服務價值量基本是持續(xù)減少的。研究區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)服務價值總量增加主要是林地面積增加、質(zhì)量改善的結果，這一結果又直接受惠于“退耕還林”政策的實施；當然，經(jīng)濟情況改善、人口向城鎮(zhèn)流動等因素引起的農(nóng)村燃料結構的改變?yōu)榱植葜脖坏淖匀换謴蛣?chuàng)造了條件，促進了區(qū)域生態(tài)環(huán)境的良性發(fā)展，增強了區(qū)域土地生態(tài)系統(tǒng)的安全性；不過，作為本區(qū)糧食基本保障的耕地生態(tài)系統(tǒng)服務價值不僅總量在快速減少，而且單位面積量也在減少，其質(zhì)與量均多消損于幾乎不具有生態(tài)服務價值的建設用地，這種情況應引起我們的警覺。

3.2 土地生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化的區(qū)縣差異

研究期內(nèi)，關中地區(qū)各區(qū)縣中，單位面積土地生態(tài)系統(tǒng)服務價值最大的是太白縣，其次是周至縣，最小的是合陽縣和澄城縣。西安市區(qū)、興平市、大荔縣、咸陽市區(qū)、臨潼區(qū)、高陵縣、武功縣、禮泉縣、閻良區(qū)、涇陽縣、乾縣等11個區(qū)縣的土地生態(tài)系統(tǒng)服務價值量減少，其它區(qū)縣均增加，減速最快的是西安市區(qū)，增速最快的是周至縣；其中1986—2000年，岐山縣、扶風縣、寶雞市區(qū)、鳳翔縣、隴縣、眉縣、長安區(qū)、藍田縣、戶縣、陳倉區(qū)、鳳縣、太白縣、周至縣等13個區(qū)縣的土地生態(tài)系統(tǒng)服務價值量增加，其余區(qū)縣減少，增量最大的是周至縣和太白縣，減量最大的是蒲城縣；2000—2007年，西安市區(qū)、興平市、高陵縣、武功縣等4個區(qū)縣的土地生態(tài)系統(tǒng)服務價值量減少，其它區(qū)縣都增加，減量最大的是西安市區(qū)，增量最大的是周至縣和鳳縣(見圖2)。關中地區(qū)各區(qū)縣土地生態(tài)系統(tǒng)服務價值量及其變化的差異性主要受制于其土地利用結構差異，太白縣、周至縣均位于秦嶺，森林覆蓋率很高，人口稀少，高質(zhì)量的自然生態(tài)系統(tǒng)得以保存，土地生態(tài)系統(tǒng)服務價值較大；西安市區(qū)等城市生態(tài)系統(tǒng)由于城市擴張，周邊的各類自然和半自然生態(tài)系統(tǒng)逐步消失于基本不具有生態(tài)服務價值的建設用地，土地生態(tài)功能價值量減少甚至消失都是必然的。

圖1 關中地區(qū)地貌類型及行政區(qū)劃

圖2 關中地區(qū)1986—2007年土壤潛力分布及土地生態(tài)服務價值變化

Fig.2 Soil potential and land ecosystem services value(ESV) changes in Guanzhong area during 1986—2007

表1 關中地區(qū)1986—2007年土地生態(tài)服務價值構成及變化/(108元·a-1)

3.3 土地生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化的地貌差異

從表2可知：1986—2007年，關中地區(qū)各地貌單元中，單位面積土地生態(tài)系統(tǒng)服務價值量最大的是山地區(qū)，黃土塬區(qū)最??；單位面積土地生態(tài)系統(tǒng)服務價值量持續(xù)增加的只有山地區(qū)，黃土梁峁區(qū)、黃土臺塬區(qū)、黃土塬區(qū)是先減后增、總體增加，平原區(qū)則是先減后增、總體減少。在總量構成方面，黃土梁峁區(qū)、黃土臺塬區(qū)、黃土塬區(qū)、平原區(qū)、山地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務價值量占全區(qū)總價值量百分比在1986年為3.86%、10.25%、6.21%、15.84%、63.83%，2000年為3.64%、9.63%、5.55%、14.34%、66.84%，2007年為3.89%、9.85%、6.12%、13.59%、66.54%；山地區(qū)是研究區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)服務價值量占比最大的區(qū)域，而且優(yōu)勢在繼續(xù)擴大，平原區(qū)的生態(tài)服務價值量占比則在快速下降。研究期內(nèi)，黃土梁峁區(qū)、黃土臺塬區(qū)、黃土塬區(qū)、平原區(qū)、山地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務價值量年度遞增率為0.50%、0.27%、0.39%、-0.27%、0.66%；其中1986—2000年年度遞增率為-0.39%、-0.40%、-0.76%、-0.67%、0.37%；2000—2007年年度遞增率為2.30%、1.63%、2.73%、0.53%、1.24%；由此可見：研究期內(nèi)，關中地區(qū)的五大地貌單元中，只有平原區(qū)的土地生態(tài)系統(tǒng)服務價值量在減少，其余四類地貌單元的土地生態(tài)系統(tǒng)服務價值量均增加，且增量最大、增速最快的都是山地區(qū)。各地貌單元土地生態(tài)服務價值分布的差異性由其空間位置及地貌形態(tài)所決定，南部的秦嶺山地因降水豐沛而植被茂密，為土地生態(tài)價值的高值區(qū)，西部和北部山地雖降水較少，但因人類影響較少，故而亦有較好的林草覆被，土地生態(tài)服務功能也就相對較強；中部和北部的平原、黃土塬及黃土臺塬因地勢平坦而成為人類活動的主要場所，土地生態(tài)系統(tǒng)功能破壞嚴重，為生態(tài)價值的低值區(qū)。各地貌單元土地生態(tài)價值變化情況則受社會觀念、經(jīng)濟發(fā)展及政策等人文因子的主導，由于改革開放造就了內(nèi)地與沿海、平原與山區(qū)之間的經(jīng)濟發(fā)展差異，使得人類活動逐步向山地外轉移，山地的生態(tài)服務功能得到了恢復和增強；在疊加強制性的生態(tài)措施后，研究區(qū)除平原區(qū)外，各地貌單元的土地生態(tài)價值都有較大幅度的提升；但因地貌形態(tài)的差異、生態(tài)保護政策側重方向及頒布時間等方面的影響，使得研究區(qū)土地生態(tài)價值的變化情況在各地貌單元呈現(xiàn)較明顯的時空差異性。

表2 關中地區(qū)1986—2007年各地貌單元土地生態(tài)服務價值量

4 結論與討論

1) 利用格網(wǎng)插值方法將輻射、氣溫、降水、蒸發(fā)等氣候因素和有機質(zhì)、氮、磷、鉀含量等土壤肥力因素以及高程、坡度等地形地貌因素細化到每一個柵格單元，然后采用土壤潛力計算模型進行地圖運算，得到關中地區(qū)土壤潛力柵格圖；利用土地利用圖、生態(tài)系統(tǒng)單位面積服務價值當量因子表及糧食價格獲取各地類單位生產(chǎn)力服務價值分布圖；上述兩圖作地圖乘運算得到土地生態(tài)系統(tǒng)服務價值柵格圖；由于土壤潛力柵格圖的每一個柵格均包含了特定空間位置的自然和人文信息，依此而得的土地生態(tài)系統(tǒng)服務價值分布圖自然也具有以柵格為單元的空間差異性；從而在柵格尺度上解決了土地生態(tài)系統(tǒng)服務價值空間異質(zhì)性問題，避免了研究區(qū)內(nèi)相同面積的同一土地利用類型不論質(zhì)量如何、位于何處均取同樣的生態(tài)服務價值量的不合理現(xiàn)象，使土地生態(tài)服務價值估算更精細、更科學。

2) 關中地區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)服務價值總量在1986—2007年間增加了51.41×108元，增幅約為10.09%，2000—2007年段增速約為1986—2000年段的33.65倍；各地類中：林地生態(tài)系統(tǒng)服務價值量持續(xù)增加，草地生態(tài)系統(tǒng)服務價值量是先減后增、總體增加，其它生態(tài)系統(tǒng)的服務價值量基本是持續(xù)減少的；全境有11個區(qū)縣的土地生態(tài)系統(tǒng)服務價值量減少，其它區(qū)縣增加，減速最快的是西安市區(qū)，增速最快的是周至縣；各地貌單元中：平原土地生態(tài)系統(tǒng)服務價值量減少，其余四類地貌單元土地生態(tài)系統(tǒng)服務價值量均增加，且山地增長最快。

3) 研究區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化的時空差異是自然和人文因素共同作用的結果，地理位置、地表形態(tài)等自然因素主導著土地生態(tài)系統(tǒng)服務價值的空間分布，而經(jīng)濟、政策等人文因子則對其變化起著主控作用。八十年代后期，改革開放逐步取得成效，農(nóng)村外出務工人員增加，經(jīng)濟條件較差的山區(qū)有較多的青壯年到城市謀生，同時務工收入改善了留居人員的生活條件，煤電油等能源替代了薪柴，使山區(qū)的植被得到恢復、土地生態(tài)價值量得以提升；但地勢平坦的平原、黃土塬及黃土臺塬則因工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的推進而大量耗損具有較高生態(tài)價值的農(nóng)用地，土地生態(tài)價值總量減損嚴重；2000年以后，大規(guī)模的退耕還林還草工程極大地改善了研究區(qū)生態(tài)環(huán)境、大幅提升了其土地生態(tài)系統(tǒng)服務價值總量，特別是地處退耕還林重點區(qū)段的黃土塬、黃土臺塬及黃土梁峁區(qū)的土地生態(tài)系統(tǒng)服務價值急劇增加，但平原區(qū)在經(jīng)濟建設和生態(tài)建設雙方的博弈中，經(jīng)濟建設占用生態(tài)用地依然是主流，平原區(qū)的土地生態(tài)價值總量繼續(xù)下滑。綜上可知：研究區(qū)在研究期內(nèi)，經(jīng)濟重心向中東部的平原及黃土臺塬區(qū)轉移，生態(tài)重心則向周圍的山區(qū)及黃土梁峁區(qū)轉移，并實現(xiàn)了經(jīng)濟總量和生態(tài)總量的雙贏；說明科學調(diào)整用地結構、合理利用土地資源能夠一定程度地在有限的土地資源上實現(xiàn)經(jīng)濟與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。

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The temporal-spatial dynamic of land ecosystem services value in Guanzhong, Shaanxi

MO Hong-wei, QUAN Bin, YUAN Kai-guo, XIE Jin-ning, XIANG Yun-bo

(CollegeofResourceEnvironmentandSafetyEngineering,HunanUniversityofScienceandTechnology,Xiangtan,Hunan411201,China)

On the basis of Costanza's method and expert interviews with structured questionnaire answered by 700 Chinese ecologists, a new method for assessment of ecosystem services was developed, but spatial heterogeneity issue of land ecosystem services value (ESV) assessment is still an open question. Based on remote sensing images, climate data, soil data and DEM data, according to the theory of geographic information images and supported by RS, GIS, and land-use map, soil potential map and equivalent value per unit area of ecosystem services in China to obtain map of land ESV, the spatial heterogeneity issue of land ESV assessment was solved at the grid scale. This method consists of a major flaw of land ESV assessment relying on equivalent factor. After that, the authors analyzed temporal-spatial changes of land ESV in different scales such as grid units, terrain units, and administrative units of Guanzhong area from 1986 to 2007. The results showed that the total ecosystem service value (ESV) of Guanzhong area increased from 50.96 billion yuan in 1986 to 56.10 billion yuan in 2007, increased by 10.09%. The growth rate of the total ESV in 2000—2007 was 33.65 times higher than that in 1986—2000. Among all counties, there were 11 counties whose total ESV increased. Among five geomorphologic units of Guanzhong, the total ESV of plain reduced and the total ESV of the other four geomorphologic units increased, in which both the largest increment and the fastest growing took place in mountains. Adjusting land use structure in the research period has made obvious ecological benefits, providing a good environment platform for economic construction and social development of Guanzhong area.

Guanzhong area; GIS; land ecosystem services value; spatial heterogeneity

1000-7601(2017)04-0167-06

10.7606/j.issn.1000-7601.2017.04.25

2016-04-20

湖南省教育廳科學研究項目(14C0467)；地理空間信息技術國家地方聯(lián)合工程實驗室開放基金項目(2014GISNELJJ004)；國家自然科學基金項目(41071057)

莫宏偉(1968—)，男，湖南衡陽人，博士，副教授，研究方向為GIS與城鄉(xiāng)國土資源評價。 E-mail: mhw819@sina.com。

S181

A