基于土地利用變化的生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量法適用性研究
——以西安市為例

劉 露

(長安大學(xué)土地工程學(xué)院，陜西 西安 710061)

1997年Costanza[1]提出了全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的核算框架，首次從原理和實(shí)現(xiàn)途徑上對生態(tài)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行了量化，隨后又有眾多學(xué)者進(jìn)行了探索，但學(xué)界并未形成一套完整可行的生態(tài)價(jià)值核算體系，Costanza提出的評價(jià)框架作為生態(tài)服務(wù)價(jià)值的大尺度研究方案在中小區(qū)域價(jià)值量核算中有較大局限性，并且其在中國的應(yīng)用有較大缺陷，在此背景下謝高地等[2]在探索我國生態(tài)價(jià)值核算特征的前提下，提出對標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量因子進(jìn)行修正和補(bǔ)充[3]，明確劃分生態(tài)系統(tǒng)及其功能，構(gòu)建了當(dāng)量因子修正模型，為我國生態(tài)服務(wù)價(jià)值核算本土化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

西安作為西北地區(qū)重點(diǎn)中心城市，是當(dāng)今“一帶一路”核心區(qū)，我國重要的科研、高教及高新產(chǎn)業(yè)聚集地，全域總面積10108km2，地處關(guān)中平原中心偏南地帶，北鄰渭河，南倚終南山，全市境內(nèi)黃河支流密集，造就了豐沛的關(guān)中平原。西安市屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，四季分明，冷暖干濕變化明顯，降水受地形影響明顯，整體南高北低。2020年西安市國內(nèi)生產(chǎn)總值10020億元，比上年增長5.2%，全年糧食種植面積272100hm2，糧食產(chǎn)量144.58萬t，全年各類建設(shè)用地供應(yīng)量5126.67hm2。

2 數(shù)據(jù)來源及研究內(nèi)容

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究基于的西安市2010年、2015年、2020年土地利用數(shù)據(jù)來自于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心獲取的西安市土地利用遙感檢測數(shù)據(jù)；社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來自于國家統(tǒng)計(jì)局官網(wǎng)、《2019年西安市統(tǒng)計(jì)年鑒》和《2019年全國農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料》等。參考相關(guān)研究內(nèi)容，將土地利用數(shù)據(jù)按照耕地、林地、草地、水域、未利用地、建設(shè)用地6大類進(jìn)行類別劃分。

2.2 研究內(nèi)容

2.2.1 土地利用動(dòng)態(tài)度及土地利用程度綜合指數(shù)

土地利用動(dòng)態(tài)度體現(xiàn)了研究區(qū)域在特定時(shí)間內(nèi)單一土地利用類型的數(shù)量變化情況，即一定時(shí)間范圍內(nèi)的變化速率。其計(jì)算公式：

(1)

式中,K為研究區(qū)一定時(shí)間范圍內(nèi)單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度；Ua、Ub分別為研究期初、期末某一地類面積；T為研究周期。

根據(jù)莊大方、劉紀(jì)遠(yuǎn)等的研究，評估不同用地類型對土地自然綜合體施加的影響以及對土地生態(tài)系統(tǒng)的干擾程度，以一種不連續(xù)的函數(shù)模式將土地利用程度量化表達(dá)[4]，同時(shí)，考慮到用地類型在現(xiàn)實(shí)中交錯(cuò)分布的實(shí)際特征，土地利用程度綜合程度需按各自面積占比計(jì)算，其公式：

(2)

式中,L為土地利用程度綜合指數(shù)；Ai為第i類土地利用方式面積占比；P為第i類土地利用方式對應(yīng)的土地利用程度級數(shù)，該級數(shù)的確定參考已有土地利用程度分級指數(shù)，將6種用地類型利用程度等級劃分為以下結(jié)果，見表1。

表1 土地利用程度分級表

2.2.2 土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評價(jià)模型構(gòu)建

COSTANZA生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值估算模型從“生態(tài)學(xué)-經(jīng)濟(jì)學(xué)”雙重視角出發(fā)，在對生態(tài)系統(tǒng)及其功能進(jìn)行類別劃分的基礎(chǔ)上，科學(xué)量化各類生態(tài)系統(tǒng)在不同生態(tài)過程中產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)價(jià)值量大小[1]，得到了全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。具體計(jì)算模型：

ESV=∑(Ak×VCk)

(3)

式中,ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值；Ak為第k類土地面積；VCk為第k類土地的生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)。

ESVf=∑(Afk×VCfk)

(4)

式中,ESVf為研究區(qū)第f類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值；Afk為研究區(qū)內(nèi)第f類生態(tài)系統(tǒng)第k類土地面積；VCfk為第f類生態(tài)系統(tǒng)第k類土地的生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)[5]。

根據(jù)謝高地等的研究，綜合對比當(dāng)前生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值研究的2種基礎(chǔ)思路，考慮到當(dāng)量因子法估算區(qū)域生態(tài)服務(wù)價(jià)值方面的直觀性和可操作性，并且在量化復(fù)雜研究數(shù)據(jù)方面具有優(yōu)勢，因此選擇遵循其基本思路，通過對2019年西安市3大糧食作物(稻谷、小麥、玉米)的播種面積、2019年陜西省農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料的充分收集評估，進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量的修正[6]，計(jì)算出西安市土地利用生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量因子對應(yīng)的生態(tài)服務(wù)價(jià)值為1811.65元·hm-2，計(jì)算公式[7]：

D=Sr×Fr+Sw×Fw+Sq×Fq

(5)

式中，D為經(jīng)過修正的單位當(dāng)量因子對應(yīng)的的生態(tài)服務(wù)價(jià)值量，元·hm-2；Sr、Sw、Sq分別表示西安市2019年小麥、玉米和稻谷3大類糧食作物的播種面積占比，%；Fr、Fw、Fq分別表示計(jì)算出的西安市2019年小麥、玉米和稻谷的單位面積凈利潤，元·hm-2。詳細(xì)數(shù)據(jù)見表2，其中，3類農(nóng)作物播種面積數(shù)據(jù)來自國家統(tǒng)計(jì)局官網(wǎng)，農(nóng)作物單位面積凈利潤根據(jù)《全國農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編2019》中陜西省數(shù)據(jù)提取計(jì)算而來。

表2 2019年西安市3類主要農(nóng)作物播種、利潤數(shù)據(jù)

在標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量因子值修正結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步推算出西安市各土地利用類型對應(yīng)的生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)，見表3。

2.2.3 生態(tài)系統(tǒng)敏感性分析

表3 西安市生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)修正表

生態(tài)系統(tǒng)敏感性分析是一種反映生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與生態(tài)價(jià)值系數(shù)二者相關(guān)性程度的分析模型，用于檢驗(yàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(EVS)在一定時(shí)間范圍內(nèi)對生態(tài)價(jià)值系數(shù)(VC)變動(dòng)的彈性大小，其公式[8]：

(6)

式中，CSk為研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)敏感性指數(shù)；ESVj為調(diào)整后的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值；ESVi為調(diào)整前生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值；VCjk為第k類用地類型調(diào)整后的生態(tài)價(jià)值系數(shù)，本文設(shè)定其在調(diào)整前的原系數(shù)(VCik)基礎(chǔ)上增加50%[9]；VCik為第k類用地類型調(diào)整前的生態(tài)價(jià)值系數(shù)。從原理上看，CS內(nèi)涵為每1%的生態(tài)價(jià)值系數(shù)(VC)變動(dòng)引起的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(ESV)變化量，若因變量變化值大于1%則代表EVS對于VC比較敏感，EVS對于VC的變化有較明顯的反饋，二者關(guān)系充滿彈性；反之，則認(rèn)為二者間敏感性較差，EVS對于VC的變化缺乏彈性。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變動(dòng)分析

由表4可知，過去10a間西安市土地利用格局發(fā)生了以下變化，前5a內(nèi)建設(shè)用地面積增長最多，約16700hm2，年變化率為3.51%，其次為水域，面積增加了700hm2，年變化率0.81%；未利用地面積年年均增長率最大為20%，其次為建設(shè)用地3.51%；耕地年減少率最大為-0.85%，減少面積約16100hm2。

后5a內(nèi)建設(shè)用地面積仍然增長最多，約10900hm2，年均增加1.95%，與上5a相比，建設(shè)用地年均增長速度有所減緩，這與近年來當(dāng)?shù)卣诰蛲恋卮媪俊⒖刂平ㄔO(shè)用地?zé)o序擴(kuò)張、嚴(yán)格落實(shí)土地用途管制制度等密不可分；林地面積減少量依舊最大，約5200hm2，年均變化率為-0.34%；未利用地面積年增長率為5%，仍然是增長率最大的用地類型，但與上5a相比，未利用地的增長幅度明顯減緩；除此之外，耕地的利用變化顯著，與上5a相比，耕地減少面積和速率顯著降低，回顧過去5a的耕地保護(hù)政策，西安市嚴(yán)格落實(shí)耕地紅線保護(hù)任務(wù)，堅(jiān)決制止耕地“非農(nóng)化”，取得了顯著成果。

表4 西安市土地利用變動(dòng)分析表

3.2 土地利用程度分析

參考表1，帶入式(2)計(jì)算得到西安市2010年、2015年和2020年全域土地利用程度綜合指數(shù)分別為256.16%、257.86%、259.84%，如表4所示，10a間土地利用程度穩(wěn)步增長，并且增長速率有所提升，其中，前5a年平均增長率為0.34%；后5a年平均增長率為0.396%，較上5a速率增加了0.056%，全域土地利用程度進(jìn)一步加深。整體上看，西安市過去10a間土地利用結(jié)構(gòu)的顯著變化，各類社會經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對土地生態(tài)系統(tǒng)造成的干擾逐步加深，其中，土地利用程度分級指數(shù)最大，對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)影響最為深刻的建設(shè)用地在過去10a間一直處于快速擴(kuò)張狀態(tài)，雖然近5a擴(kuò)張速率有所降低，但其仍然是全市土地利用綜合程度持續(xù)提升的主要原因。

將西安市2010年、2015年、2020年土地利用程度情況分別進(jìn)行可視化表達(dá)，制作西安市土地利用程度等級分布圖，如圖1～3所示，可以看出土地利用等級指數(shù)最高的4級用地的分布主要集中在西安市中部靠西區(qū)域，主要包括未央、蓮湖、新城、雁塔等區(qū)域，為西安市主城區(qū)位置，建設(shè)用地分布最為集中，并且隨著時(shí)間的推移，有沿主城區(qū)邊界向外擴(kuò)張的趨勢，尤其是隨著2014年西咸新區(qū)設(shè)立以來，作為國家新型城鎮(zhèn)化的綜合試點(diǎn)區(qū)，區(qū)域產(chǎn)業(yè)發(fā)展、基礎(chǔ)設(shè)施提升等各類開發(fā)建設(shè)活動(dòng)對土地利用格局和程度帶來了顯著而深遠(yuǎn)的影響。從自然條件來看，西安市南部山脈環(huán)亙，中部北部為平原地區(qū)且土地肥沃，具有良好的耕作條件，耕地分布主要集中于此，土地利用等級較高，通過可視化分析發(fā)現(xiàn),近年來主城區(qū)周邊的城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶附近建設(shè)用地對耕地侵蝕明顯，耕地在東南方向有侵蝕林地、草地的趨勢，進(jìn)一步推動(dòng)了西安市土地利用綜合程度的提高。

3.3 生態(tài)服務(wù)價(jià)值變化分析

根據(jù)表3中生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)修正結(jié)果可知，6類土地利用方式的生態(tài)價(jià)值貢獻(xiàn)率排序?yàn)樗?林地>草地>耕地>未利用地>建設(shè)用地，其中，水域作為一種主要的天然用地類型，人為施加影響的可能性較小，而未利用地和建設(shè)用地的生態(tài)價(jià)值貢獻(xiàn)又微乎其微，因此，從生態(tài)系統(tǒng)平衡、可持續(xù)的角度出發(fā)，應(yīng)著重考慮林地、草地、耕地的合理比例，以科學(xué)的土地利用結(jié)構(gòu)為西安市生態(tài)價(jià)值提升創(chuàng)造空間。

圖1 2010年西安市土地利用等級分布圖

圖2 2015年西安市土地利用等級分布圖

2010年、2015年、2020年西安市全域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值計(jì)算結(jié)果如表5～7所示，生態(tài)服務(wù)價(jià)值總量分別為269.86億元、267.49億元、262.33億元，呈逐年下降趨勢，前5a生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總量減少約2.37億元，后5a減少約5.16億元，降幅明顯增加。

圖3 2020年西安市土地利用等級分布圖

通過分析計(jì)算結(jié)果，3個(gè)時(shí)點(diǎn)不同地類創(chuàng)造的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量從高到低為林地、耕地、草地、水域、未利用地、建設(shè)用地，平均貢獻(xiàn)率如圖4所示。2010年、2015年、2020年3個(gè)時(shí)點(diǎn)林地的生態(tài)價(jià)值貢獻(xiàn)率分別為57.99%、58.30%、58.43%，貢獻(xiàn)率均超過50%以上，穩(wěn)居第1，對比分析前文的林地面積占比(30%左右)和林地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值構(gòu)成，可以得出林地在生物多樣性保護(hù)、氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)等方面發(fā)揮的重要價(jià)值，以及在全域生態(tài)功能和生態(tài)價(jià)值實(shí)現(xiàn)中發(fā)揮的關(guān)鍵作用，因此，林地面積的減少和減少速度的加快是導(dǎo)致西安市生態(tài)服務(wù)價(jià)值下降的重要原因。建設(shè)用地和未利用地面積也隨著城鄉(xiāng)建設(shè)用地的擴(kuò)張和土地利用潛力的挖掘逐漸增長，從機(jī)會成本的角度看，其占用了其它生態(tài)價(jià)值更高的地類創(chuàng)造生態(tài)價(jià)值的可能性，而又對生態(tài)服務(wù)價(jià)值沒有貢獻(xiàn)或貢獻(xiàn)極少，也是生態(tài)價(jià)值總量減少的原因之一。

表5 2010年西安市生態(tài)服務(wù)價(jià)值明細(xì)表

表6 2015年西安市生態(tài)服務(wù)價(jià)值明細(xì)表

表7 2020年西安市生態(tài)服務(wù)價(jià)值明細(xì)表

圖4 西安市主要用地類型生態(tài)服務(wù)價(jià)值平均貢獻(xiàn)率圖

由表8和表9可知，2010—2015年耕地系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)價(jià)值降低幅度最大，約為2.304億元，其次為林地0.56億元、草地0.085億元。水域和未利用地的生態(tài)服務(wù)價(jià)值呈現(xiàn)增長趨勢，5a間分別增加了0.575億元和0.01億元。2015—2020年生態(tài)服務(wù)價(jià)值減少最多的地類由耕地變?yōu)榱值兀?a間林地生態(tài)服務(wù)價(jià)值減少量為2.649億元。與上5a相比，水域的生態(tài)服務(wù)價(jià)值也從遞增趨勢轉(zhuǎn)變?yōu)檫f減，減幅達(dá)到1.89億元，位居減幅第2，僅有未利用地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值繼續(xù)保持著增長趨勢，增長量為0.003億元。主要用地類型生態(tài)服務(wù)價(jià)值變化情況如圖5所示。

表8 2010—2015年西安市各地類生態(tài)服務(wù)價(jià)值變化表

表9 2015—2020年西安市各地類生態(tài)服務(wù)價(jià)值變化表

圖5 西安市主要用地類型生態(tài)服務(wù)價(jià)值變化圖

3.4 生態(tài)系統(tǒng)敏感性驗(yàn)證

西安市2010年、2015年、2020年生態(tài)系統(tǒng)敏感性指數(shù)計(jì)算結(jié)果如表10所示，生態(tài)系統(tǒng)敏感性指數(shù)排序?yàn)榱值?耕地>草地>水域>未利用地(建設(shè)用地為0)，林地排名第1，平均值為在0.58，表明每1%的單位林地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)變動(dòng)會引起0.58%左右的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值變動(dòng)，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的波動(dòng)對林地面積變化的敏感性程度最大。此外，耕地和草地的敏感性指數(shù)均分布在0.15～0.2。未利用地的生態(tài)系統(tǒng)敏感性指數(shù)最低，3a平均值約為0.000035%，意味著生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值隨之變動(dòng)的幅度很小很小。總體來看，西安市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(ESV)對各地類生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值系數(shù)(VC)的敏感性較小，研究結(jié)果是可信的。

表10 西安市生態(tài)系統(tǒng)敏感性指數(shù)分類統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)論

從土地利用變動(dòng)情況來看，西安市2010—2020年耕地、林地、草地面積均呈現(xiàn)出遞減趨勢，其中，耕地面積后5a減少速度放緩，而林地、草地則繼續(xù)加速減少。水域面積變化趨勢為先增加后減少；建設(shè)用地面積連續(xù)增加，但增加速率有所下降。結(jié)合土地利用程度分級特點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)西安市土地利用綜合程度隨著用地結(jié)構(gòu)的變化逐步提高，從分布情況來看有一定的聚集趨勢，人類活動(dòng)對區(qū)域土地生態(tài)系統(tǒng)的干擾程度明顯加深。

不同用地方式對于區(qū)域生態(tài)服務(wù)價(jià)值的貢獻(xiàn)率排序?yàn)樗?林地>草地>耕地>未利用地>建設(shè)用地，生態(tài)價(jià)值貢獻(xiàn)率大小為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)化提供了底層邏輯。從生態(tài)服務(wù)價(jià)值總量來看，研究期內(nèi)西安市生態(tài)服務(wù)價(jià)值逐年降低，并且近5a降幅增大。除去面積較為穩(wěn)定的水域，林地在生物多樣性保護(hù)、氣候調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)等方面創(chuàng)造了相當(dāng)可觀的生態(tài)價(jià)值，對全域生態(tài)價(jià)值影響也最為顯著，表現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系。

從地類來看，生態(tài)敏感性指數(shù)最高的地類為林地，3a平均值為0.58；其次為耕地、草地；未利用地的生態(tài)敏感性指數(shù)最低。整體來看，西安市研究期內(nèi)各地類對應(yīng)的生態(tài)敏感性指數(shù)均小于1，認(rèn)為西安市生態(tài)統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(ESV)對各地類生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值系數(shù)(VC)的敏感性較小，研究結(jié)果可信。