土地利用演變對瀘沽湖流域生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估與時空變化的影響*

王靜，周紹昆，孟繁林，張龍，宋鈺紅,2

(1.西南林業(yè)大學 園林園藝學院，云南 昆明 650224；2.國家林業(yè)與草原局 西南風景園林工程技術研究中心,云南 昆明 650224)

流域是人類聚落發(fā)展的起源，是人類文明的重要承載，是人與自然共同形成的復合生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)系統(tǒng)[1]。流域相關研究主要以水資源為主體，以流域為研究空間，以研究人地協(xié)調發(fā)展關系為關鍵，具有顯著的生態(tài)價值，對當?shù)亟洕?、社會以及文化的發(fā)展起著極為重要的支撐作用，其生態(tài)環(huán)境一旦遭到嚴重破壞，將造成不可逆的后果[2]。高原湖泊流域具有自然資源豐富、生態(tài)環(huán)境脆弱、民族文化多元、鄉(xiāng)村聚落活躍的特點。高原湖泊是高原流域內人類生產生活的主要的水源地，支撐著高原流域內經濟、社會以及文化的發(fā)展，對于調節(jié)當?shù)匦夂蚝吞嵘h(huán)境質量起著極其重要的作用。

生態(tài)系統(tǒng)服務被理解為自然環(huán)境可以直接或間接地對人類健康和生活福祉產生好處，能夠連接生態(tài)系統(tǒng)結構、功能、過程及人類福祉[3]。聯(lián)合國千年生態(tài)系統(tǒng)評估(MA)將其分為供給服務、調解服務、支持服務和文化服務[4]。生態(tài)系統(tǒng)服務價值(ecosystem services values，ESV)最早是由國外學者Costanza等[5]提出，可以對生態(tài)系統(tǒng)服務功能和生態(tài)效益進行量化研究。土地利用/覆被變化(LUCC)是引起生態(tài)系統(tǒng)服務功能變化和類型轉變的重要驅動因素，科學評估高原湖泊流域內土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務價值影響，并分析其生態(tài)時空變化特點，對了解高原湖泊流域生態(tài)環(huán)境動態(tài)變化趨勢極為重要。目前研究方法有功能評價法、當量因子法等。功能評價法計算過程過于繁瑣，分析數(shù)據(jù)較多、標準難以統(tǒng)一。當量因子法在國內學者謝高地等[6]的補充和修正后，使用單位面積價值當量因子法成為主流方法，被廣泛用于生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估[7]。

瀘沽湖是我國第三大深水湖泊，云南省九大高原湖泊之一，屬金沙江支流雅礱江水系。流域內自然景觀與人文景觀相互襯托，摩梭母系文化流傳至今，具有高原湖泊濕地景觀特色。隨著旅游業(yè)的不斷發(fā)展和商業(yè)價值的提高，在氣候變化與人類活動的影響下，流域內的生態(tài)環(huán)境的調節(jié)和恢復能力逐漸下降，將嚴重制約湖區(qū)流域的社會經濟發(fā)展，威脅流域的生態(tài)系統(tǒng)安全。學術界針對我國不同流域的研究主要集中在土地利用變化、景觀格局、韌性、洪澇災害，對于高原湖泊則更關注水質監(jiān)測、水體面積變化、生態(tài)安全[8-11]等方面，有關高原湖泊流域土地利用與生態(tài)系統(tǒng)服務價值的研究尚不足。在瀘沽湖流域僅有的研究中也只是探索景觀格局或摩梭聚落文化[12-14]，尚未有學者基于土地利用變化對該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行相關評估研究。

因此，本研究基于瀘沽湖流域LUCC數(shù)據(jù)，運用價值當量因子動態(tài)修正法研究瀘沽湖流域2000—2020年間土地利用變化如何影響生態(tài)系統(tǒng)服務功能與價值改變，擬解決人類活動與自然生態(tài)系統(tǒng)耦合發(fā)展的關鍵問題，同時也為高原湖泊流域未來土地資源利用和可持續(xù)發(fā)展提供理論支持和方法策略[15]。

1 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域概況

瀘沽湖地處云南省寧蒗縣與四川鹽源縣交界處，為川滇共轄，地理坐標處于100°45′～100°51′E，27°41′～27°45′N之間。湖泊略呈北西—東南走向，湖面海拔高度2 691 m，湖泊面積50.1 km2，湖岸線長44 km2，湖水庫容量為22.52×108m3。年均氣溫20 ℃，光照充足，雨量較少，年均降水量910 mm。瀘沽湖具有豐富的生物資源。以高原湖山風光和多民族文化為主，湖泊周邊主要居住著摩梭人、彝族、普米族等，被稱為“東方女兒國”人類母系氏族社會活化石，是國家重點風景名勝區(qū)和省級自然保護區(qū)。本文選擇瀘沽湖流域作為研究區(qū)域，自動提取流域范圍、手動調整劃定邊界線，流域范圍與以第一山脊范圍區(qū)域劃分的自然保護區(qū)范圍大體一致。研究區(qū)域總面積25 244.84 hm2，云南片區(qū)8 959.21 hm2，四川片區(qū)16 285.63 hm2。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)域以瀘沽湖流域為對象：(1)在BigMap平臺獲取云南省寧蒗縣和四川省鹽源縣10 m精度的DEM數(shù)據(jù)，利用ArcGis平臺的水文分析工具進行瀘沽湖流域提取流量值大于1 000值得柵格數(shù)據(jù)。(2)通過Bigmap平臺分別獲取瀘沽湖流域2000年、2010年、2020年三期10 m精度的歷史衛(wèi)星影像圖，進行空間矯正后利用ENVI對其進行解譯，得到土地利用數(shù)據(jù)。經對比，流域提取范圍與《2018年瀘沽湖風景名勝區(qū)總體規(guī)劃(修編)》中核心保護區(qū)范圍基本一致。(3)根據(jù)2017年修訂的《土地利用分類現(xiàn)狀》(GB/T21010-2017)，將瀘沽湖流域土地利用類型分為耕地、林地、草地、水體、建設用地和未利用土地6個類型。(4)單個當量因子的經濟價值量計算主要參照《中國統(tǒng)計年鑒》和《全國農產品成本受益資料匯編》[7]。

2 研究方法

2.1 土地利用變化分析

2.1.1 單一土地利用動態(tài)度

單一土地利用動態(tài)度反映在某一時間范圍內，單項土地利用類型面積變化的速度和幅度，表達式如下。

①

式中：K值為年變化率；Ua和Ub為土地轉移前后面積；T為研究時間范圍[16]，因為本文研究時間跨度為10a，為更清晰的看出土地利用動態(tài)度變化，將T值定為1。

2.1.2 土地轉移矩陣

土地利用轉移矩陣可以直觀地描述不同土地利用類型的轉移變化情況和轉移速率，進一步反映生態(tài)系統(tǒng)服務價值的變化情況。表達公式了如下。

②

式中：A表示土地面積；Aij表示i類土地轉移成j類土地轉移前的面積；n為用地類型的數(shù)量。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值評價方法

本文基于生物量因子和糧食價格修正法對2015年謝高地等[6]最新研究的基礎當量表進行修訂，將生態(tài)系統(tǒng)服務功能分為4個大類，11個小類，構建適合當?shù)氐母黜椛鷳B(tài)系統(tǒng)服務功能當量表(表1)。其中耕地主要以旱地為主，按照糧食作物面積旱地水田比約為9︰1，取二者當量因子的加權作為耕地ESV當量；草地ESV當量按照灌草叢和草甸系數(shù)平均值；當?shù)刂脖回S富，林地結構含有針葉林、闊葉林等；水體ESV當量取水系和濕地的平均值，研究區(qū)域濕地主要包括湖泊周邊濕地、草海、沼澤等；未利用土地取裸地當量因子系數(shù)。一個標準單位生態(tài)服務價值當量因子等于全國農田每年單位面積自然糧食產量的經濟價值，其經濟價值被定義為1 hm2全國平均糧食單產的市場價值的1/7[17]。

表1 瀘沽湖流域各土地利用類型單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值基礎當量表Tab.1 ESV basic equivalent table per unit area of various land use types in the Lugu Lake Basin

研究區(qū)域內主要糧食作物為馬鈴薯、玉米、蕎麥。根據(jù)《全國農產品成本收益資料匯編》和地區(qū)統(tǒng)計年鑒得到這3種主要農作物的單產、播種面積、平均價格等。計算該地區(qū)糧食播種面積及平均價格，得到糧食平均價格為1.57 元/kg，糧食產量經濟價值為792.01 元/hm2。在此基礎上，得到瀘沽湖流域面積ESV系數(shù)表(表2)，符合研究區(qū)域實際情況。最終根據(jù)修正后的基礎當量和各土地利用類型的面積計算瀘沽湖流域ESV，表達式為:

③

ESVj=∑(Ai×VCij)

④

式③中，ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務總價值(元)，Ai為i類土地利用類型的面積，VCi為i類型的生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)；式④中，VCij為第i類用地的第j項服務價值系數(shù)，ESVj為第j項服務總價值。

表2 瀘沽湖流域單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)Tab.2 Value coefficient of ecosystem services perunitareain Lugu Lake Basin 元/hm2

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務價值格網計算

本文選取0.2 km×0.2 km的柵格為評價單元，來表示生態(tài)系統(tǒng)服務價值與研究區(qū)域內部土地利用變化的關系。根據(jù)網絡分析法計算2000、2010、2020年單個網格的地均ESV值，生成ESV空間分布圖，運用自然間斷點分析法(Jenks)將網格內ESV值由高到低分為5個等級。

2.4 生態(tài)系統(tǒng)敏感性分析

敏感性指數(shù)CS可以很好地驗證各土地利用類型對生態(tài)服務價值的影響，以及生態(tài)服務價值ESV對其價值系數(shù)的依賴程度。如果CS指數(shù)>1時，說明當自變量發(fā)生變化1%的變化，會引起應變量的超過1%的變化，變化具有彈性；當CS指數(shù)<1，則說明二者之間的關系缺乏彈性，研究結果可信度高[19]。本文驗證敏感性指數(shù)時對ESV分別上下調整50%，表達式為：

⑤

式⑤中：CS為敏感性指數(shù)，ESVj和ESVi是生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)調整前后的生態(tài)服務價值總量，VC為某一類型土地利用生態(tài)價值系數(shù)，K為某一類土地利用類型。

3 結果與分析

3.1 土地利用動態(tài)變化

2000—2020年間各時期土地利用空間分布見圖1。

圖1 瀘沽湖流域各時期土地利用空間分布Fig.1 Spatial distribution of land use in different periods in the Lugu Lake Basin

研究期間瀘沽湖流域主要用地類型為林地，占總面積約61.31%，其次為水域，占比22.24%，草地和耕地面積占比較接近，分別為9.17%和6.47%。20年間瀘沽湖流域用地類型始終保持：林地>水體>草地>耕地>建設用地>未利用土地。2000—2010年間，建設用地急劇增加，草地急劇減少；2010—2020年間，建設用地增加緩慢，耕地面積急劇減少，草地急劇增加。

從2000—2020年總體變化(表3)來看，瀘沽湖流域土地利用類型呈兩增兩減模式：林地面積、建設用地逐年增加，耕地面積、水域面積逐年減少，草地面積先減后增，未利用地先增后減。草地和林地增加最明顯，共增加412.06 hm2和93.14 hm2，耕地減少最快，共減少508.56 hm2。林地增加源于“退耕還林”“天然林保護”等政策實施，建筑用地緩慢增加源于人口數(shù)量的增長以及旅游業(yè)發(fā)展。水域保護相對較好，減少量相對于其他用地較少，主要由于氣候變化和旅游發(fā)展導致了生態(tài)系統(tǒng)被破壞。

表3 瀘沽湖流域土地利用變化Tab.3 Land use change in Lugu Lake basin

3.2 土地利用轉移方向

2000—2020年間，從轉出的角度看，耕地轉出面積最大，主要轉移為草地和林地，轉出面積分別為488.67 hm2和40.24 hm2。其次為草地轉出面積，主要轉向林地和耕地。建筑用地和水域轉移規(guī)模較小。從轉入的土地來看，林地的增長主要由耕地和草地轉入，草地的增長主要由耕地和水域的轉入。綜上所述，瀘沽湖流域土地利用類型面積轉移主要發(fā)生在草地、耕地、林地三者之間，其中耕地面積轉出最為明顯(表4)。

表4 2000—2020年瀘沽湖流域土地利用轉移矩陣Tab.4 Total value and change of ecosystem services from 2000 to 2020 hm2

3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務價值時空變化特征

3.3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務價值總量變化

2000—2020年生態(tài)系統(tǒng)服務總價值如表5所示，ESV總量先減后增，總體呈增長趨勢。2000—2010年減少了65×104元，2010—2020年增長最為明顯，增長至6.91×108元。林地、水域生態(tài)系統(tǒng)服務價值遠高于其他類型。耕地、水域持續(xù)減少，林地、草地增減顯著。從總體ESV構成來看，主要來源為林地、水域服務價值，結合瀘沽湖流域土地利用面積占比情況，水域面積占比小于林地面積，但是服務價值高于林地。2000—2010年ESV總量下降的原因是由于耕地面積、草地、水域服務價值的減少，減少數(shù)量均不顯著。2010—2020年ESV總量增長是由于草地服務價值增長量占總增長的90%。

表5 2000—2020年生態(tài)系統(tǒng)服務總價值及變化Tab.5 Total value and change of ecosystem services from 2000 to 2020

3.3.2 單項生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化

根據(jù)表6瀘沽湖流域單項ESV占比排序為：水文調節(jié)>氣候調節(jié)>生物多樣性>凈化環(huán)境>土壤保持>氣體調節(jié)>美學景觀>水資源供給>原料生產>食物生產>維持養(yǎng)分循環(huán)。水文調節(jié)ESV值最高，占總量的49%，其次是氣候調節(jié)、凈化環(huán)境等。2000—2020年，瀘沽湖流域單項ESV中原料生產、氣體調節(jié)、氣候調節(jié)、土壤保持、維持養(yǎng)分循環(huán)呈增長趨勢，僅食物生產持續(xù)減少，其余項均是先減少后增加。食物生產減少主要是由于耕地面積轉出較多的影響，氣候調節(jié)持續(xù)增長是由于草地、林地面積的增加，生物多樣性的先減少后增加，也是由于耕地擴張占用了草地、林地面積，打破了生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)。

表6 2000—2020年單項生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值及變化Tab.6 The value and change of individual ecosystem services from 2000 to 2020

3.3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務價值空間變化

計算得到瀘沽湖流域2000—2020年生態(tài)系統(tǒng)服務價值空間演變(圖2)。瀘沽湖流域大部分區(qū)域ESV價值較高，中值區(qū)分布較為分散，低值區(qū)較少但分布相對集中。高值區(qū)主要集中在瀘沽湖水域，中值區(qū)主要分布為林地和草地，低值區(qū)主要集中在瀘沽湖東北側、草海南面等地。高值和次高值區(qū)是分布范圍最廣的值區(qū)，相對比較穩(wěn)定。由圖3可知，2000—2010年研究區(qū)域ESV空間分布變化呈逐漸擴張趨勢，2010—2020年擴張變化顯著，擴張區(qū)域主要集中于瀘沽湖鎮(zhèn)沿線一代，下降區(qū)域較為分散，主要在局部一些耕地和湖泊周邊地區(qū)。

3.4 生態(tài)系統(tǒng)服務敏感性分析

瀘沽湖流域ESV敏感性指數(shù)(表7)均小于1，從高到低為水域>林地>草地>耕地>未利用地，不同時期的各類土地利用類型敏感性均小于1。耕地和水域呈下降趨勢，林地呈增加趨勢，草地總體變化為升高。敏感性指數(shù)最高為水域0.81，說明水域生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)每增加或減少50%時，對ESV的影響為0.81%。最終得到的價值系數(shù)符合瀘沽湖流域的實際情況，結果可信。

圖2 瀘沽湖流域各用地類型ESV變化Fig.2 Variation of ESV in different land use types in Lugu Lake Basin

圖3 瀘沽湖流域ESV變化時空分布Fig.3 Temporal and Spatial Distribution of ESV Changes in Lugu Lake Basin

表7 瀘沽湖流域2000—2020年生態(tài)系統(tǒng)服務價值敏感性指數(shù)Tab.7 Sensitivity index of ecosystem service value in Lugu Lake Basin from 2000 to 2020

4 討論與結論

4.1 討論

目前探索生態(tài)系統(tǒng)服務價值對土地利用變化響應的研究眾多，研究對象有城市、森林、湖泊、濕地、國家公園等，研究方法主要有當量因子法和功能價值法，學者基于當量因子法的修正方法各有不同。本研究以瀘沽湖流域為研究范圍，研究區(qū)域與自然保護區(qū)重疊，產業(yè)結構經歷由農業(yè)向非農業(yè)轉變，人口不斷擴張與經濟快速發(fā)展成為生態(tài)環(huán)境保護的制約因素，人地矛盾逐漸成為突出問題。

從土地利用和生態(tài)系統(tǒng)服務的變化及相互影響可知，流域范圍內水資源豐富，水域面積的減少對流域內生態(tài)系統(tǒng)服務價值影響巨大，從而影響ESV總量的變化趨勢。由于研究區(qū)域內人口和建筑數(shù)量較少，所以對比其他用地類型的變化體現(xiàn)不出實際經濟發(fā)展和人口增長對當?shù)厝司迎h(huán)境的影響。

研究區(qū)域位于云南省和四川省交界處，屬于川滇共轄。大部分學者將瀘沽湖(云南段)和(四川段)分開研究，缺乏整體性和全局性。鑒于兩省對于瀘沽湖的管理和治理存在一定的差異，以及糧食作物的價格不同，均對研究結果造成一定的影響。

4.2 結論

本文以謝高地等[6]研究為基礎，結合當量因子法修正后的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務系數(shù)，通過3期土地利用數(shù)據(jù)分析了瀘沽湖流域2000—2020年間的LUCC變化及其對當?shù)谽SV的影響，并用敏感性測試結果的準確度，定量分析不同用地類型的ESV空間差異。主要結論如下：

(1)從土地利用類型來看，2000—2020年間，瀘沽湖流域主要以林地、水域為主，總體變化顯著。林地一直在流域內占優(yōu)勢，面積占比約61%，耕地面積大幅減少，面積占比約5%。由于瀘沽湖開發(fā)較晚，當?shù)厝丝谳^少，建筑面積占比不高，2000—2010年期間人口增加，建設用地也逐年增長。由于“退耕還林國家重點生態(tài)工程”的實施，促進了林地和草地的增加，生態(tài)環(huán)境質量也明顯提高。

(2)從轉移矩陣來看，主要發(fā)生在草地、耕地、林地三者生態(tài)系統(tǒng)之間的相互轉化，耕地為主要轉出對象，林地為主要轉入對象，各用地類型生態(tài)系統(tǒng)服務價值差異逐漸增大。建筑用地雖然占比小，但也呈現(xiàn)不斷擴張的趨勢。水域面積減少，與人類活動和氣候變化有關，湖岸沿線及草海需嚴格保護，并制定行之有效的保護策略。

(3)瀘沽湖流域ESV變化主要分為兩個階段。2000—2010年為下降期，由于水域面積對ESV影響較大，即使林地ESV值呈增長模式，但總值呈下降趨勢。2010—2020年為上升期，由于退耕還林的驅動因素，大量的耕地面積轉為林地和草地，導致草地的ESV值明顯升高。水域系數(shù)較高和林地面積較大，均對研究區(qū)域ESV貢獻較大，是未來發(fā)展規(guī)劃中的保護重點。

(4)2000—2020年單項生態(tài)系統(tǒng)服務價值差異較大，水文調節(jié)、氣候調節(jié)、生物多樣性對研究區(qū)域的功能價值貢獻最大，食物功能和維持養(yǎng)分循環(huán)貢獻最小?？傮w來看，研究區(qū)域內調節(jié)服務功能遠大于供給服務功能，美學景觀功能有待加強。