嘉陵江流域土地利用變化的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估

李佳林 廖家紅 王旭熙 劉守江 楊丹 鄢繼堯

摘要：根據(jù)嘉陵江流域2000、2005和2015年3期土地利用遙感影像數(shù)據(jù)，將地理數(shù)學(xué)方法與GIS相結(jié)合，研究了嘉陵江流域15年各種土地利用類型的面積變化、土地利用動(dòng)態(tài)度等動(dòng)態(tài)變化信息，并估算了各種土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。結(jié)果表明，2000—2015年，嘉陵江流域耕地面積持續(xù)減少，而建設(shè)用地、草地、水域、林地和未利用地面積增加;嘉陵江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值由2000年的243 109.36百萬(wàn)元減少到2015年的242 805.95百萬(wàn)元;嘉陵江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值對(duì)價(jià)值系數(shù)缺乏彈性，反映耕地面積的變化對(duì)研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化具有較大影響。

關(guān)鍵詞：土地利用;生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值;嘉陵江流域;評(píng)估

中圖分類號(hào)：F301? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2019）02-0033-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.02.008? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能是指生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與生態(tài)系統(tǒng)功能的綜合，指生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過(guò)程所形成及維持的人類賴以生存的自然環(huán)境條件與效用[1]。當(dāng)前有關(guān)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值（Ecosystem service value，ESV）的研究已成為生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)和環(huán)境經(jīng)濟(jì)學(xué)的研究熱點(diǎn)[2]。Costanza等[3]于1997年在《Nature》上發(fā)表了論文“全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值和自然資本”，掀起了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究的熱潮，在全球、國(guó)家、市、縣、區(qū)域、流域等不同空間尺度上，針對(duì)森林、草地、農(nóng)田、濕地、海洋等不同生態(tài)系統(tǒng)類型的研究廣泛開展，把生態(tài)系統(tǒng)提供的商品和服務(wù)統(tǒng)稱為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，同時(shí)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行了分類，并對(duì)全球生態(tài)系統(tǒng)與自然資本的價(jià)值進(jìn)行了估算。在中國(guó)實(shí)際情況下，謝高地等[4]綜合國(guó)內(nèi)數(shù)百位具有生態(tài)學(xué)背景的專業(yè)人員的調(diào)查問(wèn)卷結(jié)果，制定了中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量。

土地利用/覆蓋變化是人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境影響最直接的表現(xiàn)，土地利用現(xiàn)狀圖也是人地關(guān)系的一面鏡子[5]。土地利用/覆蓋變化通過(guò)改變地表覆蓋類型，從而影響生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過(guò)程、功能，進(jìn)而影響區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值[6]。諸多學(xué)者也在不同空間尺度上就土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響進(jìn)行了相關(guān)研究[7，8]。對(duì)于快速城市化區(qū)域，由于人口迅速增長(zhǎng)、城市迅速擴(kuò)張、社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值對(duì)土地利用劇烈變化呈現(xiàn)出明顯和復(fù)雜的時(shí)空變化特征[9]。

目前對(duì)于嘉陵江流域土地利用和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的研究并不豐富，主要集中于應(yīng)用GIS空間分析方法分析嘉陵江流域土地利用/覆被變化、影響因素及驅(qū)動(dòng)力[10]，而對(duì)嘉陵江流域整體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化并沒有詳細(xì)分析。本研究以嘉陵江流域2000、2005和2015年土地利用變化為基礎(chǔ)，借鑒Costanza等[3]、謝高地等[4]的研究方法，評(píng)價(jià)了嘉陵江流域2000—2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值對(duì)土地利用變化的響應(yīng)，并分析了該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化及其產(chǎn)生原因，旨在為嘉陵江流域土地資源可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1? 研究區(qū)概況

嘉陵江（29°20′N-34°30′N，102°30′E-109°51′E）發(fā)源于陜西省秦嶺南麓，由北向南流經(jīng)陜西、甘肅、四川和重慶三省一市，其干流分東西兩源，東源起自陜西省鳳縣以北的秦嶺鎮(zhèn)，西源起自甘肅省天水平南川，習(xí)慣上東源為正源，西源稱為西漢水。東源向南流經(jīng)甘肅省徽縣，于陜西略陽(yáng)與西源西漢水匯合，經(jīng)陽(yáng)平關(guān)入川，然后向南流經(jīng)廣元、昭化、蒼溪、閬中、南部、蓬安、南充、武勝等兩市六縣，在合川入渝，在重慶匯入長(zhǎng)江，全長(zhǎng)1 119 km。嘉陵江流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，流域多年平均降水量為935.2 mm，由于地形復(fù)雜，降水時(shí)間分布很不均勻，降水量有明顯的旱季和雨季，6—9月降水量占年降水量的66%，12月至次年2月為全年降水量最少的季節(jié)，占年降水量的3.2%。整個(gè)流域多為紫紅色沙泥巖，質(zhì)地松脆，水土流失嚴(yán)重，成為流域內(nèi)泥沙產(chǎn)生的主要來(lái)源。嘉陵江流域自然條件復(fù)雜，自然資源豐富，人口眾多，是西部地區(qū)重要的糧、油、果、豬、蠶生產(chǎn)基地[11]。嘉陵江是長(zhǎng)江上游重要的支流，聯(lián)系了中國(guó)西部的甘、陜、川、渝4個(gè)省市，該流域是聯(lián)系“陸上絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”和“長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶”的重要紐帶[12]。

鑒于嘉陵江流經(jīng)范圍廣，且歷史流數(shù)據(jù)不易獲取，以縣（市）為基本地域單元，研究2000—2015年嘉陵江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值?；跀?shù)據(jù)收集的可得性，以嘉陵江流域2008年平均糧食單產(chǎn)及其相對(duì)應(yīng)的2008年各作物全國(guó)的平均收購(gòu)價(jià)格為基準(zhǔn)，由當(dāng)量因子價(jià)格和當(dāng)量因子得出流域不同生態(tài)系統(tǒng)類型的生態(tài)價(jià)值系數(shù)。

2? 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1? 土地利用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)獲取

根據(jù)研究區(qū)2000、2005和2015年3期的土地利用數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)由陸地衛(wèi)星Land Sat同一時(shí)相遙感影像作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在ENVI 5.2遙感軟件支持下配準(zhǔn)，進(jìn)行遙感影像預(yù)處理、輻射糾正和集合糾正、圖像配準(zhǔn)[13];在GIS的支持下，以柵格影像為背景，利用人機(jī)交互提取專題數(shù)據(jù)，并參考全國(guó)土地利用分類方法，將嘉陵江流域用地類型分為6類，分別是耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地。應(yīng)用ArcGIS 10.2軟件屬性表的空間計(jì)算功能，統(tǒng)計(jì)嘉陵江流域6類土地利用類型的面積，得到嘉陵江流域2000、2005、2015年土地利用分類。

2.2? 土地利用研究方法

土地利用類型動(dòng)態(tài)度（K）指某研究區(qū)在一定時(shí)間范圍內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化情況[14，15]。為了反映嘉陵江流域各類土地的動(dòng)態(tài)變化情況，采用土地利用類型動(dòng)態(tài)度模型具體分析該流域土地利用變化情況。計(jì)算公式[16，17]如下。

式中，Ua、Ub分別為研究初期及研究末期某一種土地利用類型的數(shù)量;T為時(shí)段，當(dāng)T被設(shè)定為年時(shí)，K就是該研究區(qū)某種土地利用類型的年變化率。

2.3? 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值研究方法

根據(jù)研究區(qū)土地資源特征與景觀變化差異，參照中國(guó)《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》和前人采用的土地分類系統(tǒng)[3，17，18]，將研究區(qū)土地利用類型劃分為6個(gè)類別，即耕地（水田、水澆地和旱地等）、林地（有林地、灌木林、疏林地和其他林地）、草地、建設(shè)用地（城鄉(xiāng)居民用地與工礦交通用地等）、水域（河湖溝渠、水庫(kù)坑塘、灘涂灘地等）、未利用地（鹽堿地、沙地、戈壁、裸巖石質(zhì)地和沼澤地等）。對(duì)建設(shè)用地按照Costanza等[3]的方法，不估算其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

2.3.1? 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值計(jì)算方法? 結(jié)合 Costanza等[3]提出的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值（ESV）計(jì)算公式和謝高地等[4]2007年基于500份調(diào)查問(wèn)卷修訂后的中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子，估算流域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。根據(jù)嘉陵江流域統(tǒng)計(jì)年鑒，為消除農(nóng)作物價(jià)格波動(dòng)對(duì)總價(jià)值量的影響，以嘉陵江流域2008年平均糧食單產(chǎn)5 431.14 kg/hm2，及其相對(duì)應(yīng)的2008年各作物全國(guó)的平均收購(gòu)價(jià)格1.69元/kg為基準(zhǔn)，考慮到?jīng)]有人力投入的自然生態(tài)系統(tǒng)提供的經(jīng)濟(jì)價(jià)值是現(xiàn)有單位面積農(nóng)田提供的食物生產(chǎn)服務(wù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的1/7[19，4]，計(jì)算出嘉陵江流域一個(gè)當(dāng)量因子的價(jià)格約為1 311.23元/hm2。由當(dāng)量因子價(jià)格和當(dāng)量因子，得出流域不同生態(tài)系統(tǒng)類型的生態(tài)價(jià)值系數(shù)（表1）。主要計(jì)算公式[17]如下。

式中，ESV為研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值（元）;VCK為第k類土地利用類型單位面積的生態(tài)功能服務(wù)價(jià)值系數(shù)（元/hm2）;Ak為研究區(qū)內(nèi)第k類土地利用類型的面積（hm2）;n為土地利用類型數(shù)。

2.4? 敏感性分析方法

借用敏感性指數(shù)CS（Sensitivity coefficient）驗(yàn)證生態(tài)系統(tǒng)類型對(duì)各種土地類型的代表性和價(jià)值的準(zhǔn)確性，同時(shí)檢驗(yàn)謝高地等[4]的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)對(duì)本研究區(qū)的適合程度[20，21]，進(jìn)而確定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值隨時(shí)間的變化對(duì)于生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值系數(shù)（VC）的依賴程度。敏感性指數(shù)CS的含義是指VC變動(dòng)引起的ESV的變化情況。如果CS>1，表明ESV相對(duì)于VC是富有彈性的;如果CS<1，ESV則被認(rèn)為是缺乏彈性的。敏感性系數(shù)越大，表明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)的準(zhǔn)確性越關(guān)鍵，過(guò)高或過(guò)低賦值的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)也很可能在很大程度上影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值隨時(shí)間變化的真實(shí)性。敏感性指數(shù)的計(jì)算公式如下。

式中，ESV為總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值;VC為生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值系數(shù);i和j分別代表初始價(jià)值和生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值系數(shù)調(diào)整后價(jià)值;k為各土地利用類型。

3? 結(jié)果與分析

3.1? 土地利用變化分析

2000—2015年嘉陵江流域土地利用情況發(fā)生了較明顯變化，2000—2015年嘉陵江流域耕地集中分布在南部，區(qū)域集約化程度高，北部東部有少許耕地，主要原因是山區(qū)地形條件限制;水域和草地在這15年間呈增加趨勢(shì);林地和未利用地和水域變化不大;建設(shè)用地集中在中部、南部，2015年中部、東部建設(shè)用地增加，區(qū)域集約化程度提高。

由表2可知，2000—2015年嘉陵江流域土地利用類型發(fā)生了較大變化，其總體趨勢(shì)為耕地減少，林地、草地、建設(shè)用地、水域和未利用地面積增加。2000—2015年耕地面積大幅度持續(xù)減少，減少量達(dá)1 620 km2，變化率為-2.06%，且2005—2015年的變化率大于2000-2005年的變化率;林地面積在2000—2015年先增加后持平，整體增加了88 km2;2000—2015年草地面積增加了190 km2，變化率為0.36%;2000—2005年建設(shè)用地面積增加，變化量達(dá)227 km2，變化率為15.77%，2005—2015年持續(xù)增加，增加了956 km2，變化率為 57.38%，因此，2000—2015年建設(shè)用地面積整體呈上升趨勢(shì)，增加了1 183 km2，變化率為82.21%;2000年水域面積僅占總用地面積的0.91%，2000—2005年水域面積增加了19 km2，2005—2015年增加了77 km2，2000—2015年水域面積整體呈增加趨勢(shì);2000—2015年未利用地變化也較為明顯，總體上呈增加趨勢(shì)，增加了63 km2，變化率為2.48%。

嘉陵江流域在2000—2015年建設(shè)用地變化量最大，變化速度最快，動(dòng)態(tài)度為5.48%;其次是水域、未利用地、耕地，它們的動(dòng)態(tài)度分別為0.36%、0.17%、-0.14%;林地和草地的總體變化較平緩，動(dòng)態(tài)度分別為0.01%、0.02%（表3）。

建設(shè)用地面積的大幅度增加主要與流域內(nèi)城市規(guī)劃逐漸成熟以及后期旅游業(yè)發(fā)展迅速有關(guān)[22]，城市建設(shè)速度加快，交通用地和商業(yè)用地不斷擴(kuò)大，在此進(jìn)程中，同時(shí)增加了對(duì)耕地的需求與開發(fā)，導(dǎo)致其面積明顯減少。

3.2? 土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響

根據(jù)嘉陵江流域不同陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值（表1）和嘉陵江流域各土地利用類型面積（表2），計(jì)算得到嘉陵江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化情況（表4）。從表4可以看出，嘉陵江流域2000—2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值呈現(xiàn)減少的變化趨勢(shì)，2000、2005和2015年的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值分別為243 109.36百萬(wàn)、243 236.49百萬(wàn)和242 805.95百萬(wàn)元，2000—2005年增加了127.13百萬(wàn)元。在研究期間，耕地大面積減少，2000—2005年和2005—2015年其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值損失量分別達(dá)到了365.60百萬(wàn)和693.92百萬(wàn)元;草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值先增加后減少，2005—2015年面積減少，其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值損失量達(dá)到了32.85百萬(wàn)元，而2000—2015年整體增加了183.57百萬(wàn)元;未利用地面積變化不明顯，其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值增加了7.25百萬(wàn)元;2000—2015年水域面積擴(kuò)大，水域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值增加了360.43百萬(wàn)元;林地價(jià)值先增加后無(wú)變化，整體增加了204.86百萬(wàn)元。嘉陵江流域在2000—2015年耕地向水域、草地、林地、未利用地和建設(shè)用地轉(zhuǎn)化，雖然水域、草地、林地所提供服務(wù)功能的經(jīng)濟(jì)價(jià)值高于耕地，但因轉(zhuǎn)化為水域、草地、林地的面積遠(yuǎn)小于耕地的減少面積，大部分耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，因而整體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值減少。

從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值構(gòu)成（表5）來(lái)看，研究時(shí)段內(nèi)林地所產(chǎn)生的生態(tài)服務(wù)價(jià)值所占比重最大，2000、2005和2015年分別為54.98%、55.03%、55.12%，占整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的主導(dǎo)地位;耕地和草地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值也較高，所占比例分別為21.20%、21.04%、20.79%和20.98%、21.05%、21.08%，二者生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化小;水域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值相對(duì)較小，在嘉陵江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值中處于第四位;未利用地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的貢獻(xiàn)率非常低，在研究時(shí)段貢獻(xiàn)率僅0.12%。

3.3? 生態(tài)服務(wù)價(jià)值敏感度分析

根據(jù)敏感性指數(shù)的計(jì)算公式，把VC分別上下調(diào)整50%，計(jì)算出研究區(qū)2000、2005和2015年的敏感性。結(jié)果（表6）表明，流域所有土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)的敏感性指數(shù)（CS）均小于1，說(shuō)明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值對(duì)生態(tài)價(jià)值系數(shù)缺乏彈性，研究結(jié)果可信。未利用地的CS最小，為0.001 2，即當(dāng)未利用地的生態(tài)價(jià)值系數(shù)增加1%時(shí)，流域總的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值僅增加0.001 2%。林地因面積較大，其在流域總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值中的貢獻(xiàn)最大，敏感性指數(shù)CS也最大，為0.549 7～0.551 2;草地和耕地的價(jià)值系數(shù)較大，CS次之;未利用地面積小于林地，其價(jià)值系數(shù)較低，CS較小。研究期間各類型土地的CS變化趨勢(shì)與各自面積的變化趨勢(shì)基本一致，年際變化不明顯。

4? 小結(jié)與討論

本研究將地理數(shù)學(xué)方法與GIS相結(jié)合，對(duì)嘉陵江流域2000—2015年的土地利用變化情況和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行分析，為嘉陵江流域土地資源可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。通過(guò)研究主要得出以下結(jié)論。

1）2000—2015年嘉陵江流域土地利用類型發(fā)生了較大變化，耕地、林地和草地是嘉陵江流域的主要土地類型，研究期內(nèi)各種土地利用類型變化較明顯。其總體趨勢(shì)為耕地減少，減少量達(dá)1 620 km2，變化率為-2.06%，而林地、草地、建設(shè)用地、水域和未利用地面積增加。

2）嘉陵江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值由2000年的243 109.36百萬(wàn)元減少到2015年的242 805.95百萬(wàn)元，說(shuō)明嘉陵江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值呈下降趨勢(shì)，耕地向水域、草地、林地、未利用地和建設(shè)用地轉(zhuǎn)化，雖然水域、草地、林地所提供服務(wù)功能的經(jīng)濟(jì)價(jià)值高于耕地，但因轉(zhuǎn)化為水域、草地、林地的面積遠(yuǎn)小于耕地的減少面積，大部分耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，因而整體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值減少，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值對(duì)土地利用變化表現(xiàn)出了較強(qiáng)的敏感性。

3）嘉陵江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值相對(duì)于價(jià)值系數(shù)的敏感性都小于1，說(shuō)明前者對(duì)后者是缺乏彈性的，本研究所選的生態(tài)價(jià)值系數(shù)是較合理的，結(jié)果可信。

4）隨著嘉陵江流域經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市化建設(shè)將不可避免，但流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值下降。因此，協(xié)調(diào)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的矛盾，制定合理的土地利用規(guī)劃和決策，是恢復(fù)和保育嘉陵江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的有效途徑。

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