王 鵬, 王亞娟, 劉小鵬,2, 陳 曉, 孔福星

(1.寧夏大學 資源環(huán)境學院, 銀川 750021; 2.寧夏(中阿)旱區(qū)資源評價與環(huán)境調控重點實驗室, 銀川 750021)

生態(tài)系統(tǒng)是自然界在一定的地域時空范圍內，生物和環(huán)境相互作用、相互影響而形成的統(tǒng)一整體，是人類生存和發(fā)展的重要基石，同時也是無法替代的自然資源和自然資產[1-2]。而生態(tài)系統(tǒng)服務是通過生態(tài)系統(tǒng)結構、過程和功能直接或間接得到的生命支持產品(如食物、原材料)和服務(如廢棄物同化)，具有巨大的間接和直接的經濟價值，是生態(tài)資產的重要組成部分，也是人類賴以生存的物質基礎和環(huán)境條件[3-4]。但近300年來，人類在財富利益的驅使下，世界各國把工業(yè)化為主流的經濟發(fā)展模式作為社會經濟發(fā)展的主要發(fā)展道路，并加速推進工業(yè)化進程，不斷征服和改造自然。加之全球范圍內人口數量的極速增長，城市化水平的不斷提高，使得生態(tài)系統(tǒng)不斷受到侵占和破壞，生態(tài)系統(tǒng)多樣性銳減，其服務功能逐步下降，人與自然的矛盾惡化，全球性和區(qū)域性的生態(tài)危機不斷加劇。在這一背景下，如何保護生態(tài)系統(tǒng)及其多樣性、提高生態(tài)系統(tǒng)服務供給功能以及對生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行合理評價成為生態(tài)學、經濟學以及地理學等相關學科研究的熱點話題。

土地利用是人與自然聯系最為密切的環(huán)節(jié)[5]。土地利用變化及其空間分布格局對生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能產生巨大影響，直接導致生態(tài)系統(tǒng)服務價值的變化。而生態(tài)系統(tǒng)服務功能的下降和喪失影響著土地利用的結構和效率，嚴重影響人類安全和健康，直接威脅著區(qū)域乃至全球的生態(tài)安全[6]，擴大其生態(tài)風險程度。因此，研究土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響，有利于優(yōu)化區(qū)域土地利用結構、降低區(qū)域生態(tài)風險、促進區(qū)域生態(tài)—經濟—社會系統(tǒng)的全面協調可持續(xù)發(fā)展。

生態(tài)系統(tǒng)服務價值評價是量化和分析生態(tài)系統(tǒng)服務功能強弱，是制定區(qū)域生態(tài)補償政策的第一步[7]。目前，國內外眾多學者對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行分析研究，進一步豐富和發(fā)展了生態(tài)系統(tǒng)服務價值的理論和方法。自Costanza等[8]提出生態(tài)系統(tǒng)服務價值的估算原理和方法，并對全球生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行估算后，R?nnb?ck[9]、Bolund等[10]利用生態(tài)系統(tǒng)服務價值理論和方法對農業(yè)和城市的生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行了評價；Polasky[11]，Kozak[12]等則基于土地利用變化對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務價值響應進行了實證分析。我國學者謝高地等[13]在參照Costanza等[8]提出生態(tài)系統(tǒng)服務價值的估算原理和方法的基礎上，結合我國實際情況，提出了“中國生態(tài)系統(tǒng)服務單位面積生態(tài)服務價值當量”表，為我國開展生態(tài)系統(tǒng)服務價值核算、評價提供了重要的理論基礎和技術手段。陳陽[14]、劉桂林[15]、涂小松[16]、魏慧[17]、李全[18]等基于土地利用變化狀況分別對三江平原北部、長三角地區(qū)、鄱陽湖地區(qū)、山東省德州市、武漢市的生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行估算。但大多研究主要集中在東中部發(fā)達地區(qū)和平原地區(qū)[19-20]，對于西部干旱地區(qū)的研究較少。本文以寧夏沙坡頭區(qū)為例，以2000年、2007年、2013年遙感數據為基礎，對沙坡頭區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行估算評價，以期為研究區(qū)土地利用總體規(guī)劃、土地利用結構優(yōu)化調整以及區(qū)域生態(tài)安全及其可持續(xù)發(fā)展提供科學依據。

1 研究區(qū)概況

沙坡頭區(qū)隸屬于寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市，位于寧夏自治區(qū)中西部，位于北緯36°58′—37°42′，東經104°17′—105°34′，東鄰中寧縣，南鄰同心縣、海原縣，西面與甘肅省景泰縣相接，北部與內蒙古自治區(qū)阿拉善左旗相鄰。沙坡頭區(qū)東西長115.3 km，南北寬81.4 km，區(qū)域總面積為5 922.4 km2，總人口約40萬人。其地形由西向東、由南向北傾斜，分為沙漠、黃河沖積平原、臺地、山地和盆地五大地貌單元，平均海拔在2 000 m左右。沙坡頭區(qū)深居內陸，遠離海洋，靠近沙漠，屬半干旱氣候，具有典型的大陸性季風氣候的特點。年平均氣溫在8.5℃左右，年均降水量186.2 mm，年蒸發(fā)量為1 829.6 mm，降水量主要集中在6—8月，占全年降水量的60%，全年無霜期平均167 d，全年日照時數2 870 h。2015年全區(qū)GDP為146.2億元，其中第一、二、三產業(yè)占GDP的比重分別為15.9%，38.3%和45.8%，人均GDP約為36 394元。

2 研究方法

2.1 數據來源與處理

本研究所使用的2000年、2007年、2013年3期遙感數據是在美國http:∥glovis.usgs.gov/網站下載獲得的landsat-5 TM影像，無云層覆蓋，影像質量良好。將獲取的影像在ENVI 5.0軟件支持下進行圖像配準、幾何矯正等圖像預處理，然后利用5，4，3波段合成沙坡頭區(qū)圖像，依據研究區(qū)行政邊界區(qū)范圍對經過處理的遙感影像進行裁剪，提取研究區(qū)影像數據。依據全國土地資源分類系統(tǒng)，再結合研究區(qū)的土地利用現狀特點，按照區(qū)分差異性、歸納共同性的方法[21-22]，將研究區(qū)分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地6類土地利用類型。然后進行監(jiān)督分類，而后對監(jiān)督分類結果進行后期處理。最后經過處理得到研究區(qū)三期土地利用數據。結合實地調查采樣點數據，對分類結果進行精度檢驗后發(fā)現總精確度和Kappa指數等均接近或大于0.82，達到研究所需要求。

2.2 土地利用變化動態(tài)度

區(qū)域土地利用的變化速度可用土地利用動態(tài)度來描述，對比較土地利用的區(qū)域差異和預測未來土地利用變化趨勢具有重要作用[23-24]。單一土地利用動態(tài)度(K)表示研究區(qū)在一定時間范圍內某種土地利用類型的變化狀況，其計算公式為：

(1)

式中：K為研究區(qū)研究時段內某一種土地利用類型變化動態(tài)度；Ua和Ub分別為研究區(qū)研究初期和研究末期某一種土地利用類型的面積；T為研究區(qū)某種土地利用類型變化年份。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務價值評價方法

2.3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數修正 Costanza等[8]在1997年對全球的生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行了評估，并在《自然》雜志上發(fā)表了“全球生態(tài)系統(tǒng)服務價值和自然資本”一文，使生態(tài)系統(tǒng)服務價值估算的原理和方法得到了科學的明確。謝高地等[13]在Costanza等提出的評價模型基礎上，對我國200位生態(tài)學者進行了生態(tài)問卷調查，根據中國的實際情況，結合問卷調查結果將生態(tài)系統(tǒng)服務劃分為9項，建立了中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量因子表，并確定了1個生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量因子的經濟價值量等于當年全國平均糧食單產市場價值的1/7。本文根據沙坡頭區(qū)的實際情況，參考謝高地等的研究成果，利用公式(2)計算研究區(qū)單位面積農田系統(tǒng)提供的食物生產服務的經濟價值，進而對研究區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值系數進行修正，得到適合研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數表(表1)。

(2)

式中：E為單位面積農田生態(tài)系統(tǒng)提供的食物生產服務功能的經濟價值(元/hm2)；i農作物種類；mi為第i中糧食作物的面積；pi為第i種作物的全國平均價格(元/t)；qi為第i種糧食作物單產(t/hm2)；M為糧食作物總面積；1/7為在沒有人力投入的自然生態(tài)系統(tǒng)提供的經濟價值是現有單位面積農田提供的糧食生產服務價值的1/7。

表1 沙坡頭區(qū)土地利用類型生態(tài)服務功能價值系數

2.3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值計算 利用Costanza等提出的生態(tài)系統(tǒng)服務價值分析模型計算沙坡頭區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務價值和生態(tài)系統(tǒng)單項服務價值，其計算公式為：

ESV=∑Ak×VCk

(3)

ESVf=∑Ak×VCfk

(4)

式中：ESV表示表示生態(tài)系統(tǒng)服務價值(元)；Ak表示表示研究區(qū)k種土地利用類型的面積(hm2)；VCk表示表示生態(tài)服務功能價值系數[元/(hm2·a)]；ESVf表示表示第f種類型生態(tài)系統(tǒng)服務功能的總價值(元)；VCfk表示表示第f種類型的第k種生態(tài)系統(tǒng)服務功能的價值[元/(hm2·a)]。

2.4 生態(tài)系統(tǒng)敏感性指數計算

為驗證研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型對土地利用變化的代表性及生態(tài)價值系數的準確性，確定生態(tài)系統(tǒng)服務價值(ESV)隨時間的變化對于生態(tài)系統(tǒng)服務價值指數(VC)的依賴程度[25-26]，在參考相關文獻，選取經濟學中的彈性系數概念來計算價值系數的敏感性指數(CS)。敏感性指數是指生態(tài)服務功能價值系數變動1%引起生態(tài)系統(tǒng)服務價值的變化情況，若CS>1，說明ESV相對于VC是富于彈性的；若<1，則說明不具有彈性，比值越大，說明生態(tài)服務功能價值系數的準確性就越大。其計算公式為：

(5)

式中：CS為生態(tài)服務價值敏感性指數；ESVi和ESVj分別為調整前后的生態(tài)系統(tǒng)服務價值；VCi和VCj分別為調整前后的生態(tài)價值系數。

3 結果與分析

3.1 土地利用動態(tài)變化分析

通過分析沙坡頭區(qū)3期土地利用數據(表2)可以看出，研究期間，沙坡頭區(qū)草地和未利用地面積最大，分布廣泛，占總面積的80%以上；水域面積最小，僅為全區(qū)面積的1%左右；耕地與建設用地主要分布在中部地區(qū)；林地則呈零散狀分布。

2000—2013年沙坡頭區(qū)土地利用類型發(fā)生明顯變化。耕地面積明顯減少，2000—2007年減少了23 841.29 hm2，2007—2013年減少了16 110.61 hm2，研究期間耕地面積共減少了39 951.90 hm2，前一階段主要是由于農業(yè)科技水平的提高和農村外出務工人口的增加，降低了對耕地的需求，同時國家實施退耕還林(草)政策，且效果顯著。后一階段主要是沙坡頭區(qū)旅游產業(yè)的大力發(fā)展和生態(tài)保護措施的實施，使得耕地、未利用地面積減少，其他土地利用類型面積不斷增加。林地面積在研究期間呈現出逐年增加的變化趨勢，年變化率為2.15%，尤其是在2007—2013年增加速度最快，年變化率達到2.77%，這主要也得益于當地政府生態(tài)保護政策的實施。草地面積在研究區(qū)分布最為廣泛，且增加速度也最快，年變化率達到10.58%，在13 a間共增加了241 674.95 hm2，但由于草地是沙坡頭區(qū)的景觀基質，因此草地面積變化較大，除此之外，沙坡頭區(qū)大力發(fā)展旅游產業(yè)，開墾了大量的未利用地，并進行綠化建設，促使草地面積急劇增加。水域面積呈現出先減后增的波動變化趨勢，雖然沙坡頭區(qū)水域面積較小，但由于其位于寧夏北部沿黃灌區(qū)，衛(wèi)寧水利工程、青銅峽水利工程等水利灌溉工程的建立，使得沙坡頭區(qū)的水域面積不斷擴大。建設用地面積由2000年的28 321.4 hm2增加至2013年的60 357.64 hm2，在13 a間共增加了32 036.24 hm2，主要是沙坡頭區(qū)不斷加快城鎮(zhèn)化建設的原因。未利用地面積在2000—2013年不斷減少，且在2007—2013年下降速度最快，減少173 734.49 hm2，年變化率達12.06%。這主要沙坡頭區(qū)大力發(fā)展旅游業(yè)帶來的影響，同時沙坡頭歷屆政府能夠始終立足于實際，把防沙治沙、做好沙區(qū)治理工程作為改善生態(tài)環(huán)境的重點工作，不僅鞏固了沙區(qū)防沙治沙工程的建設，還促進了當地沙產業(yè)的發(fā)展。沙坡頭北部地區(qū)形成的林紙一體化的產業(yè)經營模式及其建立的以生產紙漿原料林為主的速生林基地等林地建設項目的形成改變了沙坡頭區(qū)土地利用的布局。

表2 沙坡頭區(qū)土地利用面積變化

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化分析

通過利用上述公式(3)計算得到各不同土地利用類型在不同時期的生態(tài)系統(tǒng)服務價值表(表3)，由此可以看出，2000—2013年沙坡頭區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值總體上呈不斷上升趨勢，特別是2007年后增加幅度開始變快，年變化率達1.904 4%。研究期間沙坡頭區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值由2000年的7.010 2億元增加到2007年的8.203 1億元而后劇增至2013年的11.675 6億元，凈增加4.665 4億元，年變化率為4.962 4%，變化較為顯著。研究期間土地利用類型結構的變化對沙坡頭區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務總價值具有較大影響，按價值大小排序依次為草地>林地>水域>耕地>未利用地>建設用地，其中草地和林地對研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務總價值產生的影響最為顯著。而各類土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化存在明顯的差異，草地的生態(tài)系統(tǒng)服務價值增加顯著，由2000年的3.697 5億元增加至2013年的8.784 2億元，凈增加5.086 7億元，年變化率高達10.58%；林地的生態(tài)系統(tǒng)服務價值雖有增加，但幅度不大，2000—2013年凈增0.330 2億元；水域的生態(tài)系統(tǒng)服務價值先減少后增加，變化幅度較?。桓嘏c未利用地的生態(tài)系統(tǒng)服務價值整體呈現出下降的變化趨勢。研究期間，沙坡頭區(qū)耕地和未利用地面積不斷下降，草地、林地、水域以及建設用地面積逐年增加，由于建設用地不會增加生態(tài)系統(tǒng)服務價值，因此草地、林地以及水域面積的增加是沙坡頭區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值不斷增加的主要原因。

從生態(tài)系統(tǒng)服務價值的構成及貢獻率來看，草地在研究區(qū)生態(tài)系服務總價值中占據主導地位，其貢獻率為52.74%～75.24%；其次是林地和耕地，二者的貢獻率分別為12.96%～16.88%和2.83%～15.66%；水域面積最小，但其貢獻率卻接近10%；而未利用地的生態(tài)系統(tǒng)服務價值平均貢獻率僅有3.2%。沙坡頭區(qū)草地和林地生態(tài)系統(tǒng)服務價值不斷增加，生態(tài)服務功能逐步增強，推動沙坡頭區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值格局的良性轉變。

3.3 沙坡頭區(qū)各單項生態(tài)服務功能價值變化分析

通過計算得到2000年、2007年以及2013年各單項生態(tài)服務功能價值(表4)，分析不同時期各單項生態(tài)系統(tǒng)服務功能及其所占生態(tài)系統(tǒng)服務功能總價值的比重可知，氣體調節(jié)、氣候調節(jié)、水源涵養(yǎng)、土壤形成與保護、廢物處理以及生物多樣性保護的生態(tài)服務功能價值占生態(tài)系統(tǒng)服務功能總價值的90.29%～92.27%，而食物生產、原材料和娛樂文化的生態(tài)服務功能價值僅占生態(tài)系統(tǒng)服務功能總價值的7.73%～9.71%。2000—2007年生態(tài)系統(tǒng)服務價值增加了1.193億元，從各單項生態(tài)服務功能價值來看，除氣體調節(jié)、氣候調節(jié)以及土壤形成與保護3項的生態(tài)系統(tǒng)服務價值占生態(tài)系統(tǒng)服務功能總價值的比重有所上升外，其余各項的生態(tài)服務功能價值的比重都呈現出下降的變化趨勢，其中，下降最明顯的是食物生產，主要是由于耕地面積減少，且其生態(tài)服務價值系數較低所帶來的結果。2007—2013年在各單項生態(tài)服務功能價值中，除生物多樣性保護、食物生產和原材料的生態(tài)服務功能價值下降外，其余各項均呈現增加態(tài)勢。而這一期間的生態(tài)系統(tǒng)服務總價值迅速增加，凈增加3.472 5億元。主要是因為林地、草地以及水域的氣候調節(jié)、氣體調節(jié)、水源涵養(yǎng)、土壤形成與保護、廢物處理各項生態(tài)功能價值系數較大，研究期間，林地、草地和水域面積逐年增加，相應的生態(tài)服務功能價值隨之增加。耕地和未利用地的食物生產、原材料和娛樂文化的生態(tài)功能價值系數不大，但研究期間其面積急劇下降，是造成各單項生態(tài)服務功能價值下降的主要原因。

表4 沙坡頭區(qū)各項生態(tài)服務功能價值變化

3.4 敏感性指數變化分析

本研究通過將各類生態(tài)服務功能價值系數(VC)分別上調和下調50%，從而計算得到各年份各類生態(tài)服務功能價值系數(VC)的敏感性指數(CS)(表5)。由此可知，研究期間，沙坡頭區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務總價值對生態(tài)價值系數的敏感性指數均小于1，說明研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務總價值對生態(tài)服務功能價值系數缺乏彈性，所使用的生態(tài)服務功能價值系數較為合適，同時也進一步說明本研究估算的生態(tài)系統(tǒng)服務價值結果是可靠的。CS值由高到低依次排列為草地>林地>耕地>水域>未利用地>建設用地，同時也反映了不同土地利用類型生態(tài)功能服務價值對研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務總價值的重要性。其中草地的敏感性指數最大(0.376 2)，說明當草地的生態(tài)價值系數增加1%時，生態(tài)系統(tǒng)服務總價值增加0.376 2%；這主要是草地面積不斷增加和生態(tài)功能價值系數大造成的原因。而未利用地的敏感性指數最小(0.003 5)，說明當未利用地的生態(tài)價值系數增加1%時，生態(tài)系統(tǒng)服務總價值增加0.003 5%，這與未利用地面積的急劇下降密切相關。比較不同時期的敏感性指數發(fā)現，草地的敏感性指數逐年增加，而耕地和未利用地的敏感性指數在逐年減小，從而說明草地和耕地與林地對沙坡頭區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值具有放大和縮小作用。

表5 生態(tài)系統(tǒng)服務價值敏感性指數

4 討論與結論

2000—2013年沙坡頭區(qū)土地利用結構發(fā)生巨大變化，耕地面積和未利用地面積呈現出逐年下降趨勢，其他土地利用類型呈現出逐年增加的態(tài)勢。2000—2007年耕地面積減少最大，而草地、林地面積增加較快，反映出沙坡頭區(qū)退耕還林還草工程成果顯著。2007—2013年，未利用地面積急劇下降，耕地面積也逐年減少，而草地面積和林地面積迅速上升，同時建設用地面積和水域面積也逐漸增加，主要是沙坡頭區(qū)的城鎮(zhèn)化速度加快，旅游產業(yè)的大力發(fā)展和生態(tài)保護措施的實施，促使草地、林地、建設用地和水域面積不斷增加。土地利用結構的顯著變化不僅受自然環(huán)境的作用，還受人為過程的干擾和影響，尤其是相關政策制度的頒布和生態(tài)環(huán)境工程的實施對土地利用結構格局的改變起到至關重要的作用。

研究區(qū)土地利用結構變化及其轉變過程對研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務價值具有決定性作用，研究期間，沙坡頭區(qū)土地利用結構變化顯著，其生態(tài)系統(tǒng)服務價值隨之變化。2000—2007年沙坡頭區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值增加緩慢，而2007—2013年其生態(tài)系統(tǒng)服務價值增加較快，主要是后期土地利用結構變化顯著，草地和林地面積迅速增加帶來的結果。從各土地利用類型對生態(tài)系統(tǒng)服務總價值的貢獻率來看，草地和林地是生態(tài)系統(tǒng)服務總價值的主要構成部分，兩者的生態(tài)系統(tǒng)服務價值占比67%～87%，在補償由于耕地面積減少而帶來的生態(tài)系統(tǒng)服務價值損失的同時，促使生態(tài)系統(tǒng)服務總價值的不斷上升，從而推動沙坡頭區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值結構格局發(fā)生良性轉變。從研究區(qū)各單項生態(tài)功能服務價值來看，土壤形成與保護、廢物處理和生物多樣性保護占生態(tài)系統(tǒng)服務總價值的比重最大，三者之和占生態(tài)系統(tǒng)服務總價值的55%左右。2000—2013年廢物處理處于先減后增的變化趨勢，而除氣體調節(jié)、氣候調節(jié)、土壤形成與保護始終保持增加狀態(tài)，其余各項均處于持續(xù)下降的態(tài)勢。

不同時期各類土地利用類型的敏感性指數存在較大差異，說明土地利用結構的改變對生態(tài)系統(tǒng)服務價值產生影響，各類生態(tài)服務功能價值系數的敏感性指數均小于1，說明生態(tài)系統(tǒng)服務價值缺乏彈性，本研究結果可信。

本研究利用不同時期的土地利用變化對研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行估算具有一定的局限性。事實上，土地利用格局的變化受制于人類活動和政策向導的直接影響，人類通過自身的行為過程對生態(tài)系統(tǒng)的組成、結構和功能造成影響，甚至改變其原始的形態(tài)，進而影響生態(tài)系統(tǒng)服務價值。而在進行生態(tài)系統(tǒng)服務價值估算時，對每種土地利用類型采用相同的生態(tài)服務功能價值系數顯然不太合理，不同土地利用類型都包括幾種不同的生態(tài)系統(tǒng)類型，如草地就有高覆蓋度草地、中覆蓋度草地和低覆蓋度草地，對于不同覆蓋度的草地其生態(tài)系統(tǒng)服務價值不同。若能進一步細分，并賦予其生態(tài)功能相符合的生態(tài)服務功能價值系數，將會使研究結果更加接近實際情況。而在今后的研究中加強社會經濟發(fā)展和人類活動過程中各要素對生態(tài)系統(tǒng)服務價值影響的探討和進一步細分土地利用類型將更有利于生態(tài)系統(tǒng)服務價值評價研究，這也是本文需要進一步深入研究的部分。

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