魯亞楠，姚順波※，鄧元杰，丁振民，侯孟陽，鄭 雪，李雅男

(1.西北農(nóng)林科技大學經(jīng)濟管理學院,陜西咸陽 712100；2.西北農(nóng)林科技大學資源經(jīng)濟與環(huán)境管理研究中心,陜西咸陽 712100)

0 引言

生態(tài)系統(tǒng)的無可替代性以及其提供生態(tài)系統(tǒng)物品和服務(wù)的稀缺性決定了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是維持人類賴以生存的自然條件和效用[1-4]。人類通過土地利用改變地表自然景觀的同時，引起了生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的變化，進而影響著生態(tài)系統(tǒng)所能提供的服務(wù)種類和強度[5]。自1997年Costanza等[4]提出生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的估算原理和方法之后，國內(nèi)外掀起了一股研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的熱潮[3，6-9]，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的價值評估逐漸成為國內(nèi)外生態(tài)學等相關(guān)學者研究的熱點問題之一，專家學者主要圍繞生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的理論框架[8，10]、類型劃分[7，11]、價值評估方法[12-14]等方面進行了有意義的探索。微觀層面上，土地利用是人與自然交互過程中最密切的環(huán)節(jié)，土地利用方式在時間和空間上的長期積累會影響土地利用結(jié)構(gòu)的演化[15]。然而土地利用結(jié)構(gòu)的演化又會進一步對區(qū)域的景觀生態(tài)格局造成影響，進而改變了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[16]，即土地利用類型與生態(tài)服務(wù)是相互影響、相互制約的[17]。退耕還林(草)工程作為世界上最大的生態(tài)建設(shè)工程，主要通過改變地表土地利用類型與景觀格局、修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能與結(jié)構(gòu)、最終增加生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價值以實現(xiàn)緩解生態(tài)環(huán)境與人類活動之間矛盾的目標。退耕還林(草)工程始于1999年，陜西、四川和甘肅3省率先開展試點，國家林業(yè)局統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，截止2019年，我國累計完成退耕還林任務(wù)0.338 667億hm2。在退耕還林(草)工程的政策效果評估方面，眾多學者從微觀經(jīng)濟福利[18-20]、宏觀區(qū)域經(jīng)濟[21，22]、生態(tài)環(huán)境[23，24]、氣候變化[25，26]、土地利用[27，28]等方面做了大量的檢驗與探討。眾所周知，“退耕還林(草)”政策的實施旨在保護林草地，而林草地帶來的生態(tài)服務(wù)價值在整個生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中占有著決定性地位。因此林草地面積增加，必然會帶來生態(tài)服務(wù)價值的上升。在退耕還林(草)引起的生態(tài)服務(wù)價值變化方面，有學者以陜西省為研究對象認為“退耕還林(草)”促進了林草地的生長與恢復(fù)，改善了當?shù)氐纳鷳B(tài)服務(wù)功能[29]；也有學者已經(jīng)驗證了退耕還林(草)的時間與生態(tài)服務(wù)價值的變化相對應(yīng)，并認為退耕還林(草)政策的實施有助于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的提升[30]。雖然退耕還林(草)造成的土地利用變化受到了眾多關(guān)注，但對于通過改變土地利用類型與景觀格局最終改變生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的邏輯框架還需要進一步檢驗。

陜北地區(qū)位于水土流失最為嚴重的黃土高原北部的農(nóng)牧交錯地帶，也是退耕還林(草)工程實施的重點區(qū)域，2014年全國退耕還林(草)工程生態(tài)效益監(jiān)測評估培訓(xùn)會議上，國家林業(yè)局將陜西省在內(nèi)的17個省(區(qū))列入了全國退耕還林(草)工程生態(tài)效益監(jiān)測重點省份。文章根據(jù)構(gòu)建的適合陜北地區(qū)的生態(tài)服務(wù)價值系數(shù)，結(jié)合土地轉(zhuǎn)移矩陣、景觀格局指數(shù)、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(ESV)損益矩陣，將土地利用變化、景觀格局演變以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值響應(yīng)結(jié)合來揭示在退耕還林(草)工程背景下陜北地區(qū)近25年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的演變規(guī)律，旨在為陜北地區(qū)的土地利用規(guī)劃及新一輪退耕還林(草)政策的推進提供參考。

1 研究區(qū)概況

陜北地區(qū)位于黃土高原與內(nèi)蒙古高原的過渡區(qū)，黃河中游，屬于黃土高原溝壑區(qū)，內(nèi)轄榆林和延安兩市。該地區(qū)以風沙地貌為主，地貌形態(tài)復(fù)雜，陡坡溝多，地表結(jié)構(gòu)疏松，土地利用類型多樣。在氣候上位于溫帶季風區(qū)的邊緣，因此受東南季風影響較弱，全區(qū)的年均氣溫為7.7～10.6℃，年均降水總量約507.7mm，年均蒸發(fā)量較高。由于其處于農(nóng)牧交錯地帶，農(nóng)牧、農(nóng)林的交錯性特征明顯，農(nóng)牧業(yè)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)波動性交替，長期土地利用不合理導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化，地區(qū)人地關(guān)系不協(xié)調(diào)，水土流失和風沙災(zāi)害嚴重。陜西省從1999年秋冬率先實施退耕還林(草)，10多年來累計完成退耕還林(含荒山造林、封山育林)240.9萬hm2，其中退耕地還林共101.92萬hm2，占工程總量的42.31%，當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境有了一定的改善。截止2011年，國家累計投入陜西省退耕還林補助資金263.4億元，工程投資額度和建設(shè)規(guī)模位居全國前列(1)數(shù)據(jù)來源于陜西省林業(yè)廳http：//www.snly.gov.cn/info/1033/4919.htm。

圖1 研究區(qū)位置示意圖

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

該研究所使用的陜北兩市(延安、榆林)土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心(http：//www.resdc.cn)，包括1990年、2000年和2015年3期，其空間分辨率為30m×30m。該數(shù)據(jù)集的生產(chǎn)是以各期LandsatTM、ETM+及OLS遙感影像為數(shù)據(jù)源，通過人工目視解譯生成。并經(jīng)過實地驗證，誤差修正后的土地利用以及類型綜合評價精度達到94.3%以上，二級類型分類綜合精度達91.2%以上[31-33]。土地利用類型根據(jù)中國科學院土地利用/覆被標準，結(jié)合陜北地區(qū)的實際情況，將土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)建設(shè)用地和未利用地6種。研究區(qū)的陜北行政邊界矢量數(shù)據(jù)來源于國家基礎(chǔ)信息中心提供的全國1：100萬基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(www.webmap.cn)。

對于上述地理空間數(shù)據(jù)和土地利用數(shù)據(jù)進行處理的具體過程如下：(1)在ArcGIS平臺下對獲取的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)按照陜北地區(qū)的行政邊界進行提取，并進行地類合并。再使用空間分析(spatial analyst)工具下的面積制表(Tabulate Area)工具獲取得到研究時段內(nèi)各年份間土地利用轉(zhuǎn)移矩陣；(2)利用R語言編寫土地利用各地類之間面積的轉(zhuǎn)移弦圖；(3)運用Fragstats4.2軟件對該文選取的景觀格局指數(shù)進行計算；(4)運用stata13.0對ESV與土地利用變化及景觀格局之間的相關(guān)性進行計算。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣主要反映研究時間段內(nèi)各土地利用類型相互之間的轉(zhuǎn)換方向和轉(zhuǎn)換面積，其數(shù)學形式為[34]：

(1)

式(1)中，S代表面積，n代表土地利用的類型數(shù)，i、j分別代表研究期初與研究期末的土地利用類型。

2.2.2 弦圖

弦圖是一種重要的數(shù)據(jù)可視化表達的方法，它的原理是使用圓形坐標系體現(xiàn)多組數(shù)據(jù)間關(guān)系強弱的可視化形式。弦圖最初被廣泛應(yīng)用于生物學領(lǐng)域，近年來開始被應(yīng)用于地理學領(lǐng)域，以表達土地利用轉(zhuǎn)移矩陣中各種用地類型的轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出大小及方向。該研究中的弦圖，轉(zhuǎn)移線的寬度代表著不同土地利用類型之間轉(zhuǎn)換面積的大小，寬度越大，轉(zhuǎn)移的面積越多，反之則越??；弦圖中轉(zhuǎn)移線的顏色表示著不同地類間轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出的方向。該文中的弦圖以1990—2000年及2000—2015年兩期土地利用轉(zhuǎn)移矩陣為基礎(chǔ)，通過R語言編程所得。

2.2.3 景觀指數(shù)的選取

景觀指數(shù)是指高度濃縮景觀格局信息[35]，其特征主要體現(xiàn)在單個斑塊、斑塊類型以及整個景觀鑲嵌體3個尺度上，因此景觀指數(shù)統(tǒng)一分為斑塊水平、景觀類型水平以及景觀水平3個級別[36]。景觀格局指數(shù)一般可以分為景觀水平(Landscape metrics)和景觀類型水平(Class metrics)兩種指數(shù)，為從景觀結(jié)構(gòu)、景觀多樣性、空間異質(zhì)性、破碎度、人類活動對景觀格局的影響程度以及各景觀類型面積等方面研究多層次生態(tài)過渡帶——陜北地區(qū)的景觀格局動態(tài)和空間構(gòu)型變化的基本特征，該文在景觀層面上選?。喊邏K個數(shù)(NP)[37]、蔓延度(CONTAG)[38]、凝聚度指數(shù)(COHESION)[38]、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)[39]共計4個指標；在景觀類型層面選取了斑塊個數(shù)(NP)、斑塊密度(PD)[39]、最大斑塊所占景觀面積的百分比(LPI)[37]、斑塊平均大小(MPS)[37]、景觀百分比(Pland)[38]共8個指數(shù)從多角度多方面分析并總結(jié)研究區(qū)的景觀格局演變規(guī)律。具體指數(shù)的含義、數(shù)學公式以及生態(tài)學意義見各指標相應(yīng)的參考文獻。該文對所選取的景觀格局指數(shù)的計算在Fragstats4.2軟件中進行，計算時選擇的土地利用景觀格局為30m×30m柵格單元數(shù)據(jù)。

2.2.4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(ESV)是反映生態(tài)系統(tǒng)功能強弱的一個重要指標[2]，但由于計算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的價格基礎(chǔ)不同，會造成基于單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當量的計算結(jié)果不唯一[40]。當量因子表的構(gòu)建是采用當量因子法進行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值評估的前提條件[14]，該文參照Costanza[4]和謝高地等[14]對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型的分類，結(jié)合研究區(qū)的實際情況，將陜北地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型分為供給服務(wù)(食物生產(chǎn)、原料生產(chǎn)、水資源供給)、調(diào)節(jié)服務(wù)(氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、凈化環(huán)境、水文調(diào)節(jié))、支持服務(wù)(土壤保持、維持養(yǎng)分循環(huán)、生物多樣性)和文化服務(wù)(美學景觀)共四大類11小項。根據(jù)中國科學院土地利用/覆被標準，結(jié)合陜北地區(qū)的地形地貌，將土地利用景觀劃分為農(nóng)田、森林、草地、水域、城鄉(xiāng)建設(shè)用地和未利用地，由此確定符合陜北地區(qū)實際情況的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當量表，其中耕地對應(yīng)農(nóng)田，林地對應(yīng)森林。在計算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時，參照“中國生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值當量表”，根據(jù)CPI對陜北地區(qū)糧食平均價格進行修訂，構(gòu)建適合陜北地區(qū)的生態(tài)服務(wù)價值系數(shù)。

①生態(tài)服務(wù)價值

生態(tài)服務(wù)價值計算公式[41]為：

(2)

式(2)中，ESV是研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值，n代表土地利用類型數(shù)量，Sk為土地利用類型k的面積，VCk為單位面積上第k類土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值。在上述公式基礎(chǔ)上得到ESV損益計算公式為：

Pij=(VCj-VCi)×Sij

(3)

式(3)中，Pij為第i類土地利用類型轉(zhuǎn)化成第j類土地利用類型后的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值損益，Sij是第i類土地利用類型轉(zhuǎn)化成第j類土地利用類型的面積。

②單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的修訂

(4)

(5)

(6)

VC′k=當量×單位面積價值

(7)

3 結(jié)果分析

3.1 土地利用結(jié)構(gòu)和空間格局時空變化分析

3.1.1 土地利用時空變化特征分析

近25年陜北地區(qū)土地利用主要以草地、耕地和林地為主，占研究區(qū)總面積的90%以上。1990—2000年，耕地面積增加了1.652 751 萬hm2，林地、草地面積也有增加，但增加幅度均小于1%；受“退耕還林(草)”、“天保工程”等的影響，耕地、林地、草地的變化速度明顯加快：2000—2015年，耕地面積減少30.259 917 萬hm2，減幅3.81%，減少量占研究區(qū)總面積的3.59%；同期林地面積增加10.221 085 萬hm2，增加量占研究區(qū)總面積的1.55%，草地面積增加23.211 621 萬hm2，占研究區(qū)總面積的2.92%。近25年水域面積和未利用地面積持續(xù)減少，城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積增幅巨大，1990—2000年城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積僅增加了0.16%，而2015年城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積是1990年面積的4.5倍。

圖2 1990—2015年陜北地區(qū)土地利用變化情況

1990—2015年陜北地區(qū)各地類的互轉(zhuǎn)情況如表1所示，25年耕地的轉(zhuǎn)出面積最大，按轉(zhuǎn)出量排序為：草地>林地>城鄉(xiāng)建設(shè)用地>未利用地>水域。轉(zhuǎn)出比重最大的是未利用地，轉(zhuǎn)出率為31.48%。草地的轉(zhuǎn)入面積最大，為59.449 194萬hm2，轉(zhuǎn)入率17.45%；其余地類依次是耕地(27.531 702 萬hm2)、林地(21.726 621 萬hm2)、城鄉(xiāng)建設(shè)用地(8.760 279 萬hm2)、未利用地(2.775 213 萬hm2)、水域(0.877 473 萬hm2)。其中耕地轉(zhuǎn)為草地的面積最多，占研究區(qū)總面積的5.05%；未利用地減少了15.823 425 萬hm2，主要是轉(zhuǎn)化為草地，占減少總量的86.44%；林地、草地面積總量增加，對陜北地區(qū)的生態(tài)環(huán)境改善及可持續(xù)發(fā)展起到了很重要的作用。

表1 1990—2015年陜北地區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 萬hm2

圖3 1990—2015年陜北地區(qū)土地利用弦圖

3.1.2 土地利用轉(zhuǎn)移面積及方向分析

陜北地區(qū)退耕前后的土地利用轉(zhuǎn)移情況如圖3所示，以2000年為分界點，各土地利用類型面積之間的轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出發(fā)生了較大的變化。1990—2000年，陜北地區(qū)未利用地轉(zhuǎn)為草地的面積最多，為12.924 990萬hm2，占研究區(qū)總面積的1.62%；其次是草地轉(zhuǎn)為耕地、草地轉(zhuǎn)為林地，占研究區(qū)總面積的比例分別是0.41%、0.42%；耕地轉(zhuǎn)為林草地的面積較少。2000—2015年，受到“退耕還林(草)工程”、“天保工程”的影響，耕地轉(zhuǎn)為林地草地的面積顯著增加，其中耕地轉(zhuǎn)為草地的面積最多，增加量最大，由1.212 084萬hm2增加到40.950 414萬hm2，占研究區(qū)總面積的5.15%；耕地轉(zhuǎn)為林地的面積由4 796.46hm2增加到11.707 731萬hm2。2000—2015年，未利用地轉(zhuǎn)為耕地的面積也顯著增加，說明為了彌補因退耕還林(草)造成的耕地面積減少，陜北地區(qū)開墾了部分未利用地。由于經(jīng)濟的發(fā)展和城鎮(zhèn)化進程的加快，各地類轉(zhuǎn)為城鄉(xiāng)建設(shè)用地的面積均顯著增加。

表2 1990—2015年陜北地區(qū)景觀層面景觀指數(shù)

3.2 景觀格局時空演變分析

3.2.1 景觀層面分析

由表2可以看出，近25年來陜北地區(qū)的景觀格局產(chǎn)生了較大的變化，斑塊個數(shù)(NP)方面，總斑塊數(shù)由1990年的40 874增加到2015年的51 461，即隨著經(jīng)濟的增長和城鎮(zhèn)化進程的加快，陜北地區(qū)的景觀斑塊破碎度在逐年增加。蔓延度(CONTAG)呈波動減小趨勢，1990年為55.804，2000年上升至56.397，2015年又下降到55.437，主要是因為2000年以前，人們在原有耕地周圍毀林開荒，使得大量的林草地和未利用地轉(zhuǎn)為耕地，其景觀優(yōu)勢連通性上升；而2000年之后由于退耕還林(草)等政策的實施和城鎮(zhèn)化原因，陜北地區(qū)總體景觀優(yōu)勢連通性下降，破碎化增加。香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)呈波動遞增態(tài)勢，說明陜北地區(qū)土地利用方式逐年豐富，復(fù)雜度和破碎度一直在延續(xù)，生態(tài)系統(tǒng)向復(fù)雜化發(fā)展。凝聚度指數(shù)(COHESION)總體保持在較高的水平，但呈逐年下降趨勢，景觀連接性逐年降低。總體從景觀層面的景觀指數(shù)看，陜北地區(qū)景觀格局的連接性和通達性降低，景觀格局主要呈破碎化發(fā)展趨勢。

3.2.2 景觀類型層面分析

結(jié)合圖2、表3，耕地、林地、草地一直是研究區(qū)最主要的景觀類型，在陜北地區(qū)景觀格局的構(gòu)成中居于主導(dǎo)地位。從斑塊個數(shù)(NP)和斑塊密度(PD)可以看出陜北地區(qū)各景觀類型的破碎化程度增大，空間異質(zhì)性增加。

表3 1990—2015年陜北地區(qū)景觀類型層面指數(shù)

在耕地面積波動減少的情況下，其斑塊個數(shù)(NP)逐年增加，最大斑塊指數(shù)(LPI)和平均斑塊大小(MPS)也逐漸減小，反映出耕地正在發(fā)生面積縮減、耕地破碎化程度增加的情形。林地面積、斑塊個數(shù)(NP)和斑塊密度(PD)均逐年增加，致使其平均斑塊大小(MPS)和最大斑塊指數(shù)(LPI)逐漸減小。1990—2000年林地MPS值年均降幅為13.70%，2000—2015年變化速率增長至122.25%，表明林地趨于破碎化。原因是當?shù)鼐用裨趪彝烁€林還草等政策的號召下，在適宜種植林草的地區(qū)退耕為林、退耕為草，而部分地區(qū)仍保持原有景觀類型，導(dǎo)致該地區(qū)耕地、林地、草地等分布較為分散，破碎化程度上升。草地面積逐年增加，但斑塊數(shù)波動增加；草地的平均斑塊大小(MPS)1990年到2000年增加，2000年到2015年減小，總體呈下降趨勢；且草地的最大斑塊指數(shù)(LPI)和平均斑塊大小(MPS)均明顯大于其他地類，說明草地是陜北地區(qū)的優(yōu)勢景觀類型。

在水域面積不斷減少的情況下，斑塊個數(shù)(NP)是增加的，最大斑塊指數(shù)(LPI)是減小的。以2000年為分界點，其斑塊密度(PD)先減小后增加，而平均斑塊大小(MPS)先增加后減小，說明水域變化復(fù)雜，1990—2000年水域面積趨于集中，而2000—2015年又逐漸破碎化。結(jié)合土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可知有大量的水域退化成草地，還有一部分主要被開墾為耕地，這些行為加速了水域萎縮，增加了水域的破碎化程度。城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積逐階段增加，最大斑塊指數(shù)(LPI)和平均斑塊大小(MPS)也呈增加趨勢，說明隨著城鎮(zhèn)化進程的加速，城鄉(xiāng)建設(shè)用地逐年增加，但由于文化、習俗等因素，新增建設(shè)用地均以原有建設(shè)用地為中心向四周擴散，其整體分布較為集中，導(dǎo)致破碎化程度降低。在未利用地面積減少的情形下，未利用地的斑塊個數(shù)(NP)和斑塊密度(PD)是增加的，說明近25年未利用地斑塊個數(shù)(NP)的增加是未利用地破碎化造成的。

3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估

3.3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化分析

1990—2015年，除食物生產(chǎn)功能的ESV先增加后減少外，其余10種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的ESV均呈現(xiàn)上升趨勢，且氣候調(diào)節(jié)、凈化環(huán)境、水文調(diào)節(jié)、生物多樣性的ESV上升速度明顯加快。其中，氣候調(diào)節(jié)功能的ESV貢獻最大，增加量亦最多，25年期間共增加了6.27億元；其余各項功能的ESV增加量相對較少。由于食物生產(chǎn)功能的ESV減少(0.62億元)，導(dǎo)致供給服務(wù)功能的ESV減少了0.2億元。結(jié)合表7，1990—2015年陜北地區(qū)6種景觀類型ESV均有不同程度的變化。其中，減少最多的為農(nóng)田，25年間農(nóng)田的ESV減少4.79億元，變化率高達10.15%；水域和未利用地的ESV出現(xiàn)不同程度的減少，且未利用地的減少比例高達25.96%?？傮w來看陜北地區(qū)的ESV近25年間增加了17.03億元。

表4 1990—2015年陜北地區(qū)ESV時間變化

3.3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值結(jié)構(gòu)分析

表5 1990—2015年陜北地區(qū)各生態(tài)系統(tǒng)ESV及其變化

結(jié)合表1和表5可知，2015年陜北地區(qū)林地和草地占區(qū)域總面積的比例分別為17.84%、42.69%，其ESV貢獻量之和卻達到81.43%，說明林草地是維持陜北地區(qū)ESV的主要景觀類型；水域占總面積的比例為0.77%，ESV的貢獻量卻高達7.85%，說明水域?qū)SV的增長起著不可忽視的作用。耕地的面積先增加后減少，其ESV也是先增加后減少；水域和未利用地的面積在兩個時間段內(nèi)持續(xù)減少，其ESV也是持續(xù)減少，可見面積變化是引起各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化的主要原因。1990—2015年陜北地區(qū)ESV呈上升趨勢，且速度逐漸加快。1990—2000年，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值增加10.67億元，年均變化率為13.96%；從主要的貢獻來源看，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的增加主要依賴于草地和林地的變化，其中草地的ESV增加最多，為9.85億元，林地的增加值為3.36億元。2000—2015年，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值增加24.79億元，年均變化率為56.22%，這一階段除未利用地外，其他各景觀類型的生態(tài)服務(wù)價值年均變化率均明顯提高。農(nóng)田的ESV急劇減少，減少了10.54億元，而林草地的ESV增加值則高達38.06億元，其中森林的ESV年均變化率由退耕還林(草)前的17.23%增加至退耕還林(草)后的206.70%。表明陜北地區(qū)生態(tài)功能逐步改善，這主要是由于國家實施的退耕還林(草)等政策保護了林草地，林草地面積增加、森林蓄積量上升，致使該地區(qū)的生態(tài)服務(wù)價值逐年增加。

3.3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)損益分析

表6 1990—2015年陜北地區(qū)ESV損益矩陣 億元

由表6可知，近25年間ESV增加37.41億元，主要是由耕地轉(zhuǎn)為林地、耕地轉(zhuǎn)為草地帶來的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)增值構(gòu)成；所有地類轉(zhuǎn)水域均為正流向，增加8.90億元。ESV的損失主要由草地轉(zhuǎn)耕地、水域轉(zhuǎn)耕地、水域轉(zhuǎn)草地、草地轉(zhuǎn)城鄉(xiāng)建設(shè)用地造成；所有地類轉(zhuǎn)城鄉(xiāng)建設(shè)用地均為負流向，共損失7.53億元。1990—2015年間，ESV整體收益大于損失，其生態(tài)增值主要來源于林地和草地的生態(tài)價值貢獻。

3.4 ESV與土地利用類型、景觀格局變化的響應(yīng)關(guān)系分析

3.4.1 土地利用變化對ESV的影響

隨著人口的增長和城鎮(zhèn)化進程的加快，土地利用類型變化是生態(tài)系統(tǒng)變化最直接的體現(xiàn)[42]。1990—2000年，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值增加主要的貢獻來源是草地和林地；2000—2015年，其貢獻的比例持續(xù)上升。由于“退耕還林(草)”工程的推進，林草地面積增加，進而導(dǎo)致陜北地區(qū)生態(tài)服務(wù)價值上升。從單向生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能看，研究區(qū)食物生產(chǎn)的功能隨著耕地的變化而波動遞減；而由于林草地面積的增加和保護工程致使森林蓄積量上升，研究區(qū)氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、凈化環(huán)境、土壤保持、美學景觀等各項功能都逐年上升，其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值呈增加趨勢。

運用stata13.0對研究區(qū)1990年、2000年、2015年3個年份的一級地類面積與對應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(ESV)進行相關(guān)性分析，得到其相關(guān)系數(shù)為0.773，在0.01的水平上顯著，說明經(jīng)過修正后的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(ESV)與各地類面積存在顯著的正相關(guān)關(guān)系。

為進一步探究土地利用類型對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響，該文參照前人的研究成果[43]，分別計算出每個縣的土地利用程度指數(shù)，然后繪制生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值與土地利用程度的散點圖。由圖4可知，隨著土地利用程度的增加，各縣的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總體上呈現(xiàn)出下降趨勢。研究結(jié)果表明，土地利用結(jié)構(gòu)對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)有負向影響：即土地利用程度越高，研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值越小。

圖4 土地利用程度對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響

3.4.2 景觀格局變化對ESV的影響

運用Fragstats4.2軟件計算斑塊數(shù)目(NP)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、散布與并列指數(shù)(IJI)、平均斑塊大小(MPS)、分形維(FRAC_MN)、斑塊形狀指數(shù)(SHAPE_MN)、聚集度(AI)共7個景觀指數(shù)，共得到3期耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)建設(shè)用地和未利用地共6類景觀類型的指數(shù)。在stata13.0軟件中對6個地類的指數(shù)逐一與各期ESV進行相關(guān)性分析，結(jié)果如表7所示。

表7 1990—2015年景觀格局指數(shù)與ESV相關(guān)性

由表7可以看出陜北地區(qū)的景觀格局對當?shù)氐纳鷳B(tài)服務(wù)價值具有顯著的影響，但是不同的景觀指數(shù)對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響程度和趨勢不同。陜北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(ESV)與最大斑塊指數(shù)(LPI)、平均斑塊大小(MPS)有明顯的正相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)性在1%的水平上顯著，與分形維(FRAC_MN)、斑塊形狀指數(shù)(SHAPE_MN)在5%的水平上顯著正相關(guān)；與散布與并列指數(shù)(IJI)在10%的水平上顯著負相關(guān)。平均斑塊大小(MPS)越大，地類聚集程度越高，連通性越強，其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值越高，即景觀破碎度降低會提升當?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值。

借用敏感性指數(shù)[44]進一步探究生態(tài)服務(wù)價值對景觀多樣性和景觀破碎度的響應(yīng)機制，進行SHDI-ESV和FN-ESV敏感度系數(shù)的計算，得到CS(S)為6.83，CS(F)為0.17，即生態(tài)服務(wù)價值對景觀多樣性指數(shù)變化的反應(yīng)更為敏感。在變化程度相同時，多樣性指數(shù)對ESV的影響更顯著，因此研究區(qū)應(yīng)該更注重對生態(tài)多樣性的發(fā)展與保護。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

(1)退耕還林(草)前10年林地面積增加了2.079 036萬hm2，年均增長17.24%，草地面積增加了7.287 723 萬hm2，年均增長25.56%；退耕還林(草)后15年林地面積增加了10.221 085 萬hm2，年均增長206.72%，草地面積增加了15.923 898 萬hm2，年均增長105.45%。林地和草地的增加量分別是1990—2000年的4.92倍和2.19倍，退耕還林(草)政策效果明顯。

(2)近25年陜北地區(qū)景觀格局中最主要的地類是耕地、林地和草地，其中草地在陜北地區(qū)景觀格局的構(gòu)成中居于主導(dǎo)地位。景觀蔓延度先增加后下降，景觀多樣性先減小后增加，凝聚度下降，景觀連接性逐年降低。通過總結(jié)可知陜北地區(qū)土地利用方式逐年豐富，整體景觀呈破碎化發(fā)展趨勢，景觀格局的連接性和通達性降低，生態(tài)系統(tǒng)更趨向于復(fù)雜化。

(3)研究區(qū)近25年的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值呈上升趨勢，這與李晶[45]、李娜[46]和宋敏敏等[35]的研究結(jié)果一致。陜北地區(qū)1990年、2000年和2015年各類生態(tài)系統(tǒng)提供的總生態(tài)服務(wù)價值分別為389.19、394.31和406.22億元，退耕還林(草)前10年增加ESV5.12億元，年均增長率為13.96%；退耕還林(草)后15年增加ESV11.91億元，年均增長率為56.22%，退耕還林(草)政策效果顯著。從各景觀類型的ESV值看，1990—2000年，水域和未利用地的ESV呈減少趨勢，其他地類的ESV均呈增加趨勢；2000—2015年，耕地、水域、未利用地的ESV均呈減少趨勢。從各項服務(wù)功能看，陜北地區(qū)水文調(diào)節(jié)和氣候調(diào)節(jié)的功能價值最突出，1990年水文調(diào)節(jié)的功能價值最高，而2015年則氣候調(diào)節(jié)的功能價值最高；以2015年為例，僅水文調(diào)節(jié)和氣候調(diào)節(jié)的功能價值就占了總價值的46.02%。經(jīng)過分析可知，陜北地區(qū)ESV的變化主要是土地利用變化導(dǎo)致自然生態(tài)系統(tǒng)面積變化和“天保工程”、“退耕還林(草)”工程的推動。

4.2 討論

受退耕還林(草)政策的影響，陜北地區(qū)土地利用類型和土地景觀格局的變化均對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值有顯著的影響，水域和林草地面積對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值呈正相關(guān)，未利用地和城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值呈負相關(guān)。該文進一步對1990—2015年研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值對土地利用類型的響應(yīng)進行了探討，通過土地利用程度與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的散點圖可以看出兩者之間存在負效應(yīng)，即隨著土地利用程度的提高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值反而下降。該結(jié)論與胡和兵等[47]、黃云鳳等[48]的結(jié)論一致，但與石龍宇等[49]的研究結(jié)果相反。通過深入分析發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致該研究結(jié)果差異的主要原因可能是生態(tài)服務(wù)價值計算方法的不同。但由于樣本數(shù)量等原因，僅通過散點圖與相關(guān)系數(shù)得出結(jié)論運用于土地利用與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間相互關(guān)系的計量方法的精確度還有待提高，其計量方法也需進一步完善，這將是今后研究的主要目標和方向。

最大斑塊指數(shù)(LPI)、平均斑塊大小(MPS)與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值呈正相關(guān)，且在1%的水平上顯著。地類聚集程度越高，連通性越強，其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值越高，即景觀破碎度降低會提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值。敏感度指數(shù)計算結(jié)果顯示，在景觀多樣性和景觀破碎度變化程度相同時，生態(tài)服務(wù)價值對景觀多樣性指數(shù)變化的反應(yīng)更為敏感，這與邵雪亞等[50]的研究結(jié)論相同。該文選擇的指標能夠較好的反映當?shù)鼐坝^格局的分布規(guī)律，對分析陜北地區(qū)生態(tài)服務(wù)價值具有較好的輔助作用，但是該文只是對生態(tài)服務(wù)價值和選取的這些指標之間的相關(guān)性進行了初步的分析，其生態(tài)景觀格局和生態(tài)服務(wù)價值之間的相互作用機理還有待于進一步深入研究。