張建寧,陳瓔亭,王 勇,張 珺,張 鵬,胡守庚

(1.寧夏回族自治區(qū)自然資源信息中心,銀川 750002;2.中國地質大學(武漢)公共管理學院,武漢 430074; 3.自然資源部 法治研究重點實驗室,武漢 430074;4.中國地質大學(武漢)計算機學院,武漢 430074)

生態(tài)系統(tǒng)服務價值事關人類福祉和地球未來[1]，是當今人類面臨的較為緊迫的全球性挑戰(zhàn)。聯(lián)合國《千年生態(tài)系統(tǒng)評估》報告顯示，生態(tài)系統(tǒng)在全球范圍內的退化比重已接近60%[2]，同時指出人類活動是造成這一現(xiàn)象的根源所在。當前，隨著我國社會經(jīng)濟快速轉型和城鎮(zhèn)化進程加快，區(qū)域土地利用和土地覆被變化日益活躍[3-4]，由此引發(fā)的土壤退化、水土流失等生態(tài)環(huán)境問題日益突顯。土地利用變化不僅會重新塑造地表自然景觀，還會深刻影響區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務功能的正常實現(xiàn)[5]。在生態(tài)文明建設和經(jīng)濟高質量發(fā)展背景下，如何有效測度土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務的影響，實現(xiàn)經(jīng)濟社會發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護相協(xié)調成為學術界關注的焦點[6-7]。

生態(tài)系統(tǒng)服務價值(Ecosystem Services Values，ESV)是指對生態(tài)系統(tǒng)的服務和自然資本用經(jīng)濟法則所做的估計[8]。土地利用變化誘發(fā)的生態(tài)系統(tǒng)結構和功能變化可通過生態(tài)系統(tǒng)服務價值表征[9]。近年來，國內外學者分別從縣域[10]、省域、流域[11]、城市群[12]和國家[13]等不同區(qū)域、不同尺度開展了土地利用變化和ESV的相關研究。研究內容主要包括以下幾個方面：一是聚焦于ESV變化的時空特征。基于土地覆蓋類型量化生態(tài)系統(tǒng)服務價值[14]，探究不同時間尺度下ESV的變化規(guī)律，同時，結合空間自相關[10]、空間回歸[15]、地理探測器等[16]分析方法，揭示土地利用變化影響下ESV的空間分異及其影響因素[17]。二是探討生態(tài)政策對ESV的影響，以此評估相關政策實施的生態(tài)效益。如研究退耕還林還草工程背景下ESV的演變規(guī)律[18]，為土地利用規(guī)劃及新一輪退耕還林還草政策的推進提供參考[19]。三是通過FLUS，CA-Markov等模型預測和模擬未來土地利用變化[20]，估算不同情景下生態(tài)系統(tǒng)服務價值損益情況[21]，以此優(yōu)化土地利用空間布局。這些研究均無一例外地表明土地利用變化顯著影響了區(qū)域ESV。然而，上述已有研究大多是以區(qū)域土地利用總體變化為研究對象，鮮有單一地類變化對ESV損益影響的研究，尤其是耕地利用變化對ESV的影響。耕地是生態(tài)與經(jīng)濟功能相互轉化中最為靈活的土地類型與稀缺資源[22]，耕地利用變化方向、程度影響著生態(tài)系統(tǒng)結構和功能的穩(wěn)定性[23]，耕地轉為生態(tài)用地是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能改善的主要原因，而耕地轉為建設用地則會在一定程度上損害區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能[24]。因此，測度ESV對區(qū)域耕地利用變化的響應具有重要現(xiàn)實意義，不僅有利于更加深刻揭示人類活動與自然環(huán)境的復雜交互作用關系，也可為區(qū)域土地利用管理和可持續(xù)發(fā)展提供重要參考。

我國北方農牧交錯帶的耕地利用變化對ESV影響的研究尚未引起關注。北方農牧交錯帶位于我國半濕潤地區(qū)與干旱、半干旱地區(qū)接壤的過渡地帶，同時也是我國農業(yè)和牧業(yè)的交錯地帶[25]，具有阻隔荒漠南侵、保持水土的重要作用，是我國中東部平原農區(qū)的生態(tài)屏障[26]。北方農牧交錯帶是一類重要的農業(yè)空間，其經(jīng)濟形態(tài)不同于農區(qū)和牧區(qū)。長期以來，該區(qū)域糧食生產、畜牧業(yè)發(fā)展、城市化和生態(tài)保護的矛盾突出，耕地、草地和建設用地等地類的轉換頻繁，而其中不合理的土地利用導致資源環(huán)境壓力越來越大，對區(qū)域發(fā)展和生態(tài)系統(tǒng)功能具有深刻影響。因此，研究該區(qū)域耕地利用變化對ESV的影響對于指導農牧交錯帶地區(qū)土地資源開發(fā)利用、生態(tài)環(huán)境保護和建設資源循環(huán)的生態(tài)農牧區(qū)具有重要的理論意義和現(xiàn)實價值。鑒于此，本文以寧夏回族自治區(qū)吳忠市作為研究區(qū)，基于2009年、2013年、2017年3期土地利用數(shù)據(jù)，在GIS、地學信息圖譜和當量因子等方法的支持下，測度吳忠市ESV的演變規(guī)律，并探討ESV對耕地變化的響應，以期為北方農牧交錯帶土地利用科學管理、生態(tài)環(huán)境保護和社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展提供決策參考。

1 研究區(qū)概況

吳忠市(東經(jīng)105°17′—107°47′，北緯36°34′—38°15′)位于寧夏回族自治區(qū)中部，高程1 047～2 603 m，轄利通區(qū)、紅寺堡區(qū)、鹽池縣、同心縣和青銅峽市5個行政區(qū)。吳忠市地處北方農牧交錯帶的黃土丘陵溝壑地區(qū)，地勢由北向南逐步升高，地貌形態(tài)各異，從北向南依次為黃河沖積平原、毛烏素沙漠、鄂爾多斯臺地、黃土丘陵，以及鄂爾多斯高原與黃土高原銜接地帶。吳忠市屬中溫帶干旱、半干旱氣候地區(qū)，常年平均氣溫9.3℃，年均降雨量維持在184.6～273.5 mm，氣候干燥且蒸發(fā)強烈。2017年，吳忠市人口總數(shù)為140.37萬人，地區(qū)生產總值為508.11億元，占寧夏全區(qū)比例分別為20.59%，14.76%。

2017年，吳忠市總面積約為167.68萬hm2，土地利用類型包括林地、草地、耕地、建設用地等，其中，耕地和草地是其主要土地利用類型，面積占全市的比例分別為22.52%，51.59%。2009—2017年吳忠市土地利用變化較為劇烈，表現(xiàn)為生態(tài)用地大規(guī)模減少，而建設用地不斷擴張。具體而言，建設用地(包括城鎮(zhèn)村及工礦用地和交通運輸用地)面積共增加了12 580.97 hm2，耕地面積減少了885 135.42 hm2，生態(tài)用地(包括林地、草地、園地和水域及水利設施用地)面積共減少了20 555.03 hm2，其中，草地和林地減少規(guī)模較大，分別減少了17 297.39，3 185.36 hm2。

2 數(shù)據(jù)處理及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

研究采用的土地利用數(shù)據(jù)和行政區(qū)劃數(shù)據(jù)由寧夏回族自治區(qū)自然資源信息中心(自治區(qū)自然資源檔案館)提供，其中，土地利用數(shù)據(jù)為吳忠市2009年、2013年、2017年的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)?；凇锻恋乩矛F(xiàn)狀分類(GB/T21010—2007)》標準將吳忠市土地利用現(xiàn)狀劃分為耕地、園地、林地、草地、交通運輸用地、水域及水利設施用地、其他土地和城鎮(zhèn)村及工礦用地8個一級類，編碼設置為1—8。采用的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于寧夏回族自治區(qū)相應年份統(tǒng)計年鑒，糧食價格數(shù)據(jù)來源于寧夏回族自治區(qū)糧食和物資儲備局(http:∥lswz.nx.gov.cn/nxlsj/schq/20180109/22395.html)。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用圖譜 研究采用土地利用圖譜表征吳忠市2009—2017年的耕地利用空間變化過程。土地利用圖譜法是分析土地利用空間變化過程的重要方法，由地學信息圖譜的理論基礎發(fā)展而來[27]，描述了土地利用時空變化的過程和機制。與傳統(tǒng)的統(tǒng)計分析及靜態(tài)化表示方法相比，該方法彌補了非空間屬性數(shù)據(jù)在地理位置變化上表達的不足[28]。根據(jù)土地利用類型在3個不同時間段的變化情況，一般將圖譜變化分為5種類型[29]：穩(wěn)定型、前期變化型、后期變化型、反復變化型和持續(xù)變化型(表1)。研究以2009年的耕地圖斑為基(初)期的分析對象，利用ArcGIS軟件對2009年、2013年和2017年3期土地利用分類數(shù)據(jù)進行地圖代數(shù)運算，其中，初期、中期和末期的土地利用編碼分別作為百位數(shù)、十位數(shù)和個位數(shù)，生成具有3位數(shù)編碼的土地利用變化圖譜。每一個圖譜單元均記錄著單元土地類型在不同采樣時間點上的狀況，直觀地展現(xiàn)了耕地利用的演變歷程。

表1 土地利用圖譜變化模式

2.2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值測算 謝高地等[30]參考Costanza的全球生物圈ESV測算成果，對我國多位生態(tài)領域的學者進行了問卷調查，制定出了中國生態(tài)系統(tǒng)ESV當量因子表，形成了一個獨立的價值評價體系，已被學者廣泛采用[31-32]。ESV當量因子是指某類生態(tài)系統(tǒng)某種服務價值的相對貢獻大小[33]。通過糧食產量經(jīng)濟價值系數(shù)修正，可計算歸納出吳忠市ESV當量因子。寧夏全區(qū)糧食市場價格監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，3類主要糧食作物小麥、稻谷和玉米的收購均價分別為2.63，2.82，1.78元/kg(2017年12月26日)，三者平均價格為2.41元/kg。查閱寧夏2009—2017年統(tǒng)計年鑒，得到2009—2017年寧夏全區(qū)年均單位面積糧食產量為2 277.45 kg/hm2。根據(jù)已有研究成果[30]，1個標準單位ESV當量因子等于當年平均糧食單產市場價值的1/7，參考寧夏全區(qū)單位面積糧食產量和平均糧食價格，計算得到吳忠市ESV當量因子為784.09元/hm2，再根據(jù)謝高地制定的中國生態(tài)系統(tǒng)單位面積ESV當量可計算出吳忠市單位面積ESV系數(shù)(表2)。

表2 吳忠市單位面積ESV系數(shù) 元/hm2

在進行吳忠市ESV的測算時，按照以下原則將土地利用類型與生態(tài)系統(tǒng)類型建立對應關系：耕地對應農田，林地對應森林，其他土地(看作未利用土地)對應荒漠，水域及水利設施用地對應河流/湖泊，園地取耕地和林地之和的1/2，并假定建設用地的價值系數(shù)當量為0[22,31]。按表2進行匯總后得到吳忠市各土地利用類型的生態(tài)價值系數(shù)，進而計算出吳忠市ESV，具體計算公式為：

ESVi=Pi×Si

(1)

式中：ESVi為研究區(qū)域第i種土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務價值；Si為第i種土地利用類型的面積；Pi為單位面積土地利用類型i的生態(tài)系統(tǒng)服務價值。將各種土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務價值加總后即可得各區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務價值。

3 結果與分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化分析

2009—2017年，吳忠市ESV逐年降低，由2009年的158.26億元降低至2017年的156.46億元，降幅為1.14%(圖1)。從數(shù)量上看，一級類型生態(tài)系統(tǒng)服務中，調節(jié)服務價值占比最高，2009—2017年均超過50%，文化服務總價值占比最低，該期間低于7%；二級類型生態(tài)系統(tǒng)服務中，吳忠市保持土壤和維持生物多樣性的生態(tài)系統(tǒng)服務最具優(yōu)勢地位，兩者價值總和在各研究時點的ESV中占比超過30%；水文調節(jié)、氣候調節(jié)、氣體調節(jié)和廢物處理的生態(tài)系統(tǒng)服務也較為突出，四者價值在各研究時點的ESV中占比均超過10%；而提供美學景觀、原材料生產和食物生產的生態(tài)系統(tǒng)服務處于劣勢地位，三者價值在各研究時點的ESV中占比均未超過7%。從變化趨勢上看，2009—2017年各一級類型ESV均呈現(xiàn)逐年降低的趨勢，二級類型生態(tài)系統(tǒng)服務中，除食物生產價值在2013—2017年有小幅(0.15%)升高外，其他各項ESV均有不同程度的降低，食物生產價值的升高得益于后期耕地面積的增長。

圖1 吳忠市單項ESV變化

2009—2017年，吳忠市各地類單項ESV變化趨勢不明顯(圖2)，且地類間各單項ESV差異較大。具體而言，ESV最高的地類為草地，除食物生產和原材料生產服務外，草地其他各單項ESV均遠高于其他地類。ESV最低的地類(除建設用地外)為其他土地，其各單項ESV均較低。耕地的食物生產價值較高，林地除食物生產和廢物處理服務外，其余各項ESV均較高。

圖2 各地類單項ESV變化

3.2 耕地利用圖譜分析

2009—2017年，吳忠市耕地利用變化模式以前期變化型和后期變化型為主(不考慮穩(wěn)定型)，面積分別為4 231.20，1 858.89 hm2，總占比高達99.54%，反復變化型和持續(xù)變化型面積相對較小，占比分別為0.31%，0.15%(圖3)。前期變化型以“耕地→城鎮(zhèn)村及工礦用地→城鎮(zhèn)村及工礦用地”和“耕地→交通運輸用地→交通運輸用地”類型為主，在4種變化模式中總占比高達57.71%。后期變化型以“耕地→耕地→城鎮(zhèn)村及工礦用地”類型為主，占比20.40%。反復變化型面積較小，以“耕地→城鎮(zhèn)村及工礦用地→耕地”類型為主，占比0.31%，反復變化型表明吳忠市2009—2013年部分耕地可能存在不合理利用的現(xiàn)象，并在2013—2017年又重新轉換為耕地。持續(xù)變化型面積最小，以“耕地→其他土地→城鎮(zhèn)村及工礦用地”類型為主，占比0.11%。

注：1為耕地，2為園地，3為林地，4為草地，5為交通運輸用地，6為水域及水利設施用地，7為其他土地，8為城鎮(zhèn)及工礦用地，下同圖。

3.3 耕地變化對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響

圍繞“前期變化、后期變化、反復變化和持續(xù)變化”4種耕地利用變化模式，分析不同耕地利用變化模式對吳忠市總ESV(圖4)和單項ESV的影響(圖5)，由于在反復變化模式下，各單項ESV在2017年保持不變，因此分析單項ESV變化時不作討論。

由圖4可知，從變化模式上看，2009—2017年，吳忠市在前期變化、后期變化和持續(xù)變化3種耕地利用變化模式下，總ESV均有不同程度的損失；在反復變化模式下，由于最終都轉為耕地，ESV在2017年保持不變。具體而言，前期變化模式下ESV損失最大，達到1 981.94萬元，后期變化模式下ESV損失次之，為815.76萬元，持續(xù)變化模式下ESV損失最小，僅為5.48萬元。在持續(xù)變化類型中，進一步分析“耕地→草地/林地→建設用地”的變化過程可知，雖然前期“生態(tài)退耕”政策的實施促使了生態(tài)系統(tǒng)功能的改善以及ESV的提升，但后期建設用地擴張導致生態(tài)系統(tǒng)功能退化明顯，最終致使ESV顯著降低。前期變化和后期變化類型中，雖然生態(tài)系統(tǒng)功能改善和退化在同時發(fā)生，但因建設用地大量占用耕地且耕地轉化為建設用地后ESV系數(shù)驟降，致使局部生態(tài)系統(tǒng)功能改善無法彌補大范圍生態(tài)系統(tǒng)功能退化。因此，在前期變化和后期變化的耕地利用變化模式下，吳忠市2009—2017年的ESV均有所損失。

圖4 2009-2017年吳忠市不同耕地利用變化模式下ESV變化量

從變化過程來看，前期和后期變化類型中，耕地最終轉換為林地、草地和水域及水利設施用地，其ESV均有不同程度提升，由此可見，“生態(tài)退耕”政策的實施對吳忠市生態(tài)系統(tǒng)功能改善具有重要作用。相反，城市化進程加快，建設用地持續(xù)擴張是導致吳忠市生態(tài)系統(tǒng)功能退化的主要原因，前期和后期變化類型中，耕地最終轉換為建設用地，ESV大幅降低。耕地在不同變化模式下，變化過程的不同導致ESV損益呈現(xiàn)顯著性差異，建設用地擴張與生態(tài)退耕作為吳忠市耕地轉移的主要動力，可通過合理調控二者的規(guī)模實現(xiàn)生態(tài)效益和經(jīng)濟效益的平衡。

由圖5可知，2009—2017年，吳忠市因耕地利用變化引起的不同類型的生態(tài)系統(tǒng)服務變化趨勢存在差異。在前期變化和后期變化模式下，生態(tài)系統(tǒng)功能改善和退化現(xiàn)象在同時發(fā)生；而在持續(xù)變化模式下，生態(tài)系統(tǒng)功能均在退化，表現(xiàn)為各單項生態(tài)系統(tǒng)服務價值均降低。具體而言，在前期變化模式下，由于建設用地擴張，吳忠市提供調節(jié)服務、供給服務、支持服務和文化服務的功能退化嚴重，導致了生態(tài)系統(tǒng)服務價值的損失。其中，調節(jié)服務價值損失最大，凈損失917.07萬元；支持服務價值次之，凈損失為639.39萬元；供給服務凈損失為421.71萬元；文化服務凈損失較小，僅3.78萬元，得益于部分耕地轉換為草地、水域及水利設施用地后帶來的文化服務價值提升。在后期變化模式下，吳忠市提供調節(jié)服務、支持服務和供給服務的功能因建設用地擴張而退化嚴重，但提供文化服務的功能退化程度較輕，各單項生態(tài)系統(tǒng)服務價值存在不同程度的損失。其中，調節(jié)服務和支持服務價值損失較大，凈損失分別為316.65萬元和316.82萬元；供給服務價值凈損失相對較小，為190.52萬元；而文化服務價值表現(xiàn)為相反的趨勢，凈增加8.22萬元，得益于部分耕地轉換為水域及水利設施用地后帶來的文化服務價值提升。在持續(xù)變化模式下，雖然生態(tài)系統(tǒng)功能均在退化，但耕地轉移面積較小。因此，吳忠市在此模式下生態(tài)系統(tǒng)功能退化程度較輕，各類型生態(tài)系統(tǒng)服務價值損失較小。

圖5 2009-2017年吳忠市不同耕地利用變化模式下單項ESV變化量

4 結論與討論

研究以吳忠市2009年、2013年、2017年3期土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)為基礎，采用土地利用圖譜以及當量因子法對吳忠市2009—2017年ESV演變及對耕地變化的響應進行了分析。得到如下主要結論：(1)2009—2017年，吳忠市ESV逐年降低。一級類型生態(tài)系統(tǒng)服務中調節(jié)服務價值最高，二級類型生態(tài)系統(tǒng)服務中，保持土壤和維持生物多樣性的生態(tài)系統(tǒng)服務最具優(yōu)勢地位。ESV最高的地類為草地，最低的為其他土地。(2)2009—2017年吳忠市耕地利用變化模式以前期變化型和后期變化型為主(不考慮穩(wěn)定型)，反復變化型和持續(xù)變化型面積相對較小。(3)2009—2017年，吳忠市在前期變化、后期變化和持續(xù)變化3種耕地利用變化模式下，ESV均有不同程度的損失，前期變化型的ESV損失最大，持續(xù)變化型的ESV損失最小。此外，吳忠市由耕地利用變化引起的不同類型的生態(tài)系統(tǒng)服務變化趨勢不同?！吧鷳B(tài)退耕”政策的實施對吳忠市生態(tài)系統(tǒng)功能的改善具有重要作用，而城市化進程加快、建設用地持續(xù)擴張是導致吳忠市生態(tài)系統(tǒng)功能退化的主要原因。

2009—2017年，吳忠市生態(tài)用地數(shù)量減少，而城市化進程加快，建設用地大規(guī)模擴張，導致ESV逐年降低。由于耕地的ESV系數(shù)小于林地、園地、草地以及水域，大于未利用地和建設用地，當耕地向大于自身系數(shù)的地類轉變時，ESV升高，反之ESV降低?；趨侵沂?種耕地變化模式可知，在前期變化和后期變化的耕地利用模式下，吳忠市“生態(tài)退耕”效果不顯著，而建設用地卻大肆擴張，局部生態(tài)系統(tǒng)功能改善無法彌補大范圍生態(tài)系統(tǒng)功能退化導致的ESV損失。因此，吳忠市今后仍需適當擴大生態(tài)退耕規(guī)模，以解決城鎮(zhèn)化進程中導致的生態(tài)系統(tǒng)功能退化問題。吳忠市持續(xù)變化類型的耕地利用不盡合理，大部分都轉為建設用地，導致ESV降低。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因或許是在“耕地占補平衡”的壓力下，地方政府迫不得已采取其他方式占用耕地，即“耕地→草地/林地→建設用地”的利用模式，但這一模式降低了生態(tài)退耕實施成效，損害了生態(tài)系統(tǒng)功能，不利于實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展?；诖?，應合理編制國土空間規(guī)劃，實現(xiàn)節(jié)約集約利用土地，如以建設用地減量規(guī)劃為導向，嚴格劃定城鎮(zhèn)開發(fā)邊界，以改變建設用地無序擴張的趨勢，提升城市土地利用效率，促進區(qū)域可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明建設[34]。此外，新增建設用地應不占或者盡量少占耕地，同時要避免“變相式”侵占耕地的現(xiàn)象。在反復變化的耕地利用模式中，其最終的地類仍為耕地，雖然ESV最終保持不變，但從理論上看，前期從耕作土壤改造為其他土壤后，土壤的各項物理性狀會發(fā)生變化，后期可能會導致耕作土壤層退化，造成肥力下降、鹽漬化等問題，不利于農業(yè)生產。因此，在耕地利用時應盡量避免反復變化型這一不合理的土地利用模式。

北方農牧交錯帶不僅是我國中東部平原農區(qū)的生態(tài)屏障，也是一類重要的農業(yè)空間，其具有重要理論和實踐研究價值。本文科學評估了吳忠市2009—2017年的ESV，揭示了ESV對耕地變化的響應規(guī)律，研究結果可為吳忠市土地利用科學管理和生態(tài)環(huán)境保護等提供決策參考，進而推動北方農牧交錯帶地區(qū)的生態(tài)文明建設與可持續(xù)發(fā)展。研究采用一級分類標準對吳忠市的土地利用現(xiàn)狀進行歸類，未作進一步細化，并將建設用地的ESV系數(shù)假定為0，這些因素在一定程度上致使所估算的ESV結果有待精細。不過需要指出的是，生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估并不是為了得到一個絕對準確的價格標簽，探究土地利用演變過程中生態(tài)系統(tǒng)服務價值的邊際變化才是主要目的。另外，有學者表明ESV存在空間異質性，由于地球表面物理參數(shù)的變化，在同一地類中，ESV可能不同[6]。而研究采用謝高地的“當量因子法”時，同一地類的ESV系數(shù)相等，即假定了相同地類的單位面積ESV相等，估算結果與實際情況可能存在一定差異。下一步工作中，擬通過細化土地利用類型、采用不同ESV估算方法進行對比分析，提高估算結果精準性。