基于土地利用變化的陜北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值分析

周浩浩 徐清昊

(長安大學土地工程學院，陜西 西安 710061)

土地利用是反映人類生活和生態(tài)系統(tǒng)之間耦合關(guān)系最根本的表現(xiàn)[1]。土地利用的變化會改變生態(tài)系統(tǒng)服務體系,進而改變生態(tài)系統(tǒng)服務價值。生態(tài)系統(tǒng)服務價值(Ecosystem service value,ESV)首次由Costanza[2]提出,謝高地等[3]在此基礎(chǔ)上改進了ESV系數(shù),估算了我國生態(tài)系統(tǒng)服務價值,建立了一套可廣泛應用于評估我國生態(tài)系統(tǒng)服務的ESV系數(shù)；當量因子法由于具有操作簡單、綜合評價、適應性強的優(yōu)點而被普遍采用[4]。

1 研究區(qū)概況

陜北地區(qū)位于黃土高原的核心地區(qū),在行政區(qū)劃上包含陜西省的延安和榆林兩市,北與內(nèi)蒙古的毛烏素沙地接壤,東部緊鄰山西省,西部接寧夏回族自治區(qū)和甘肅省?？偯娣e92521.4km2,基本地貌類型是黃土塬、梁、峁、溝、塬,氣候干旱少雨,近年來經(jīng)濟發(fā)展迅速,多樣的地貌、流水侵蝕和各種程度的人類活動作用下,生態(tài)系統(tǒng)比較脆弱,易受破壞。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文的土地利用數(shù)據(jù)為自中國科學院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心獲取的2000年、2005年、2010年、2015年、2020年5期的土地利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù),社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來源為國家統(tǒng)計局官網(wǎng)的《陜西省統(tǒng)計年鑒》和《全國農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料》等。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

也稱馬爾科夫矩陣,可全面反映區(qū)域內(nèi)各用地類型的轉(zhuǎn)移方向與轉(zhuǎn)移數(shù)量,被普遍應用于土地利用變化研究,能很好地展示土地利用格局的時空演變過程[5],計算公式:

式中,Sij代表n×n矩陣；S代表面積；n代表土地類型數(shù)；i和j分別代表研究期初始和末尾的土地類型。

2.2.2 單一土地利用動態(tài)度

單一土地利用動態(tài)度可以直觀地反映某種土地類型的變化趨勢以及變化速度,計算公式:

式中,K表示某一類土地利用類型動態(tài)度；Ua和Ub表示研究期初始和末尾某地類的面積；T表示研究時長,當T的時段設(shè)定為年時；K為研究時段內(nèi)某一土地利用類型的年變化率。

2.2.3 綜合土地利用動態(tài)度

綜合土地利用動態(tài)度反映某種土地類型轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌恋仡愋偷淖兓俾?計算公式:

式中,LC為研究期內(nèi)某區(qū)域的綜合土地利用動態(tài)度；LUi為研究初期第i類土地利用類型面積；ΔLUi-j為第i類土地利用類型面積轉(zhuǎn)為非i類土地利用類型面積的絕對值；T為研究時長。

2.2.4 生態(tài)服務價值計算

謝高地等學者的當量因子法首次測算了全國的生態(tài)服務價值,為后續(xù)的研究提供了思路,并且具有較強的可操作性,被廣泛采用。劉浩等[6]指出,傳統(tǒng)當量因子法計算出的結(jié)果存在誤差。本文結(jié)合研究區(qū)的實際情況,選取小麥和玉米2種主要糧食產(chǎn)物為代表[7],根據(jù)農(nóng)產(chǎn)品的單位面積的產(chǎn)值進行修正,根據(jù)修正結(jié)果,1個標準生態(tài)系統(tǒng)服務經(jīng)濟價值等效系數(shù)為1039.25元·hm-2,進一步計算陜北地區(qū)的生態(tài)服務價值總量。計算公式:

式中,ESV是研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值；VCi是第i種地類的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值；Ai為第i種地類的面積；i為土地利用類型；ESVf是第f項生態(tài)系統(tǒng)服務價值；VCfi是第i種地類的單位面積的第f項生態(tài)系統(tǒng)服務價值；f為生態(tài)系統(tǒng)服務價值的項數(shù)。

表1 陜北生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用時空變化

近20a內(nèi),陜北地區(qū)的土地利用類型在空間的分布上,主要以林地、耕地和草地為主,三者之和達研究區(qū)面積的93%左右,林地主要分布于研究區(qū)的南部地區(qū),且集中分布于黃龍山和洛河河網(wǎng)地區(qū),耕地和草地在研究區(qū)廣泛分散分布,且在研究區(qū)的東北部地區(qū)有集中趨勢,未利用地主要為與毛烏素沙地連接的沙漠化土地,集中分布于榆林北部地區(qū),建設(shè)用地呈中心發(fā)散狀,集中分布于延安和榆林市的中心城鎮(zhèn)地區(qū)。分布位置見圖1。

圖1 陜北土地利用類型

陜北地區(qū)土地利用在時間上發(fā)生的變化,從總體上來看,近20a間的變化主要在林草地與耕地之間發(fā)生,表現(xiàn)為耕地的集聚減少與林草地的快速增加同步進行。從具體地類上來看,耕地面積從2000年的28453.44km2減少至2020年的25189.90km2,共計減少了3263.54km2,占研究區(qū)總面積的4%；與之相對應的是林地,由最初的11052.39km2增加至12289.15 km2,凈增加1236.76km2,增幅約10%；草地由2000年的34753.43km2增 加 至36083.63km2,凈 增 加1330.20km2,增加面積占總面積的2%；建設(shè)用地呈現(xiàn)急劇擴張態(tài)勢,由初始的297.90km2增加至1375.49km2,增幅達450%；以沙地為代表的未利用地,減少了約378km2,水域面積基本上保持不變。具體變化見表2。

表2 陜北土地利用類型面積

3.2 土地利用結(jié)構(gòu)變化

20a來,除去水域面積波動不大外,其他5種地類均有明顯的地類轉(zhuǎn)移變化。2000—2020年,耕地呈大幅減少態(tài)勢,主要流出為林地、草地和建設(shè)用地,對其進行補充的地類主要為草地、未利用地和林地；林地轉(zhuǎn)出面積較小,主要為耕地和草地對其流入；草地轉(zhuǎn)出方向主要是耕地、林地和建設(shè)用地,轉(zhuǎn)入的主要是耕地；水域面積有小幅度波動,基本保持不變；建設(shè)用地呈現(xiàn)快速增加,各個地類均有轉(zhuǎn)入；未利用地流出方向主要為耕地、草地和建設(shè)用地,轉(zhuǎn)入的主要地類為草地。究其原因,各個地類之間的轉(zhuǎn)變主要受政策影響較大,耕地的大幅度轉(zhuǎn)出,與黃土高原的退耕還林還草政策緊密相關(guān),建設(shè)用地轉(zhuǎn)入也有充分利用沙漠化荒漠化的劣地。具體的結(jié)構(gòu)變化見表3。

3.3 土地利用動態(tài)度

從單一土地利用動態(tài)度方面來講,2000—2020年,耕地、水域和未利用地的單一動態(tài)度為負值,建設(shè)用地、林地和草地的動態(tài)度為正值,且建設(shè)用地的動態(tài)度最大為18.09%,說明耕地、未利用地和水域呈現(xiàn)減少趨勢,建設(shè)用地、草地和林地呈增加趨勢,且建設(shè)用地擴張最為迅速。分時段來看,2000—2010年,此前10a耕地單一土地利用動態(tài)度為較小的負值,表明前10a耕地急劇減少；與之相對應的是2000—2005年和2005—2010年,林地和草地的動態(tài)度為各自的峰值,說明在這2個時段分別為退耕還林和退耕還草最為迅速的時段；水域在整體上呈現(xiàn)波動姿態(tài),在2005—2010年急劇減少,在2010—2015年快速增加；建設(shè)用地在2000—2005年為較小動態(tài)度,從2005年開始均以較大動態(tài)變化,說明陜北地區(qū)建設(shè)用地急速擴張是從2005年左右開始；未利用地一直以負值變化,說明陜北地區(qū)治沙行動從未停止,且在2005—2010年5a間成效最為顯著。從綜合土地利用總態(tài)度方面分析,2000—2010年10a間,綜合土地利用動態(tài)度較大,且之后緩慢減少,顯而易見,陜北地區(qū)在這段時間的地類轉(zhuǎn)移變化最為頻繁。具體動態(tài)度數(shù)據(jù)見表4。

表4 陜北土地利用動態(tài)度

3.4 生態(tài)系統(tǒng)服務價值分析

陜北地區(qū)生態(tài)服務價值在這近20a間呈先增加后趨于穩(wěn)定的趨勢,從2000年的888.53億元增加至2020年的914.86億元,在整體上凈增加了26.33億元,說明陜北地區(qū)整體的生態(tài)得到了改善。

從不同地類的生態(tài)系統(tǒng)服務價值來言,林草地為生態(tài)服務價值貢獻的主體,兩者之和占總體服務價值的65%以上,且林草的生態(tài)服務價值的變化趨勢與陜北地區(qū)整體的生態(tài)服務價值變化趨勢保持一致。耕地的服務價值呈現(xiàn)連續(xù)下降趨勢,未利用地和水域的生態(tài)服務價值在較小幅度保持減少,變化不大,未利用地的生態(tài)服務占比最少。具體各地類的生態(tài)服務價值如表5所示。

表5 陜北各地類生態(tài)服務價值

就不同的生態(tài)服務功能方面來看,一級服務功能中調(diào)節(jié)服務占比最大,達總量的50%以上,接下來為支持、供給和文化服務。除供給服務價值呈現(xiàn)降低趨勢外,其他3種均呈現(xiàn)緩慢增加趨勢；在二級服務功能中氣候調(diào)節(jié)和水文調(diào)節(jié)服務功能對生態(tài)系統(tǒng)總體的服務功能貢獻較大,分別為217.23億元和204.25億元,并且在變化量上,氣候調(diào)節(jié)生態(tài)服務價值的變化量最大,為11.58億元,且變化率最高,說明在整體的生態(tài)服務價值變化中,二級服務價值氣候調(diào)節(jié)功能的改善做出巨大的貢獻。在所有的二級服務功能變化中,食物生產(chǎn)為唯一負值,這與耕地的減少密不可分,其他生態(tài)服務價值均有增加,說明退耕在陜北地區(qū)對絕大部分的生態(tài)服務功能都有積極影響。具體生態(tài)服務價值變化見表6。

表6 陜北生態(tài)服務功能價值變化

4 結(jié)論

土地利用變化是生態(tài)系統(tǒng)服務功能轉(zhuǎn)變的重要驅(qū)動因素[8],會改變生態(tài)系統(tǒng)服務的價值。根據(jù)土地利用進行生態(tài)服務價值的研究切實可行的。通過本文的研究,得出以下結(jié)論。

近20a內(nèi)土地利用變化主要在耕地、林草地和建設(shè)用地之間發(fā)生較為劇烈的變化,具體表現(xiàn)為耕地的減少,林草的增加和建設(shè)用地以城市中心為基點的呈發(fā)散狀向外部急劇擴張,并且在北部的城市擴張同時利用了沙地,有較高程度的節(jié)約集約利用土地。在土地利用結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變方面,耕地減少,并且主要轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸?、林地和未利用?較少量流向建設(shè)用地,林地增加,絕大部分是耕地、草地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?草地也增加,來源主要為耕地和未利用地,建設(shè)用地劇烈增加,來源主要是草地、耕地和未利用地中的沙地。在變化速率方面,只有建設(shè)用地最為突出,且從2005年后增幅巨大。深入探究原因可知,陜北地區(qū)的退耕還林還草政策,是耕地以及未利用地變化的主要原因,建設(shè)用地的變化與陜北地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展密不可分,并且未利用地的范圍線有明顯的后退,且在原來其所屬范圍內(nèi),有建設(shè)用地的明顯擴張,呈現(xiàn)人進沙退的風貌。綜合來看陜北地區(qū)的風沙治理,生態(tài)改善政策成效顯著,且經(jīng)濟活動比較過熱,有較高的節(jié)約集約利用土地的意識。

近20a來,根據(jù)量表測算的結(jié)果顯示,陜北地區(qū)的生態(tài)服務價值有較大的增加,由最初的888.53億元增加至914.86億元,凈增約26億元生態(tài)服務價值。從地類來看,林地和草地這2種地類對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的貢獻率最高,變化趨勢控制了整體服務價值的走勢,且在前10a增幅明顯,后10a內(nèi)趨于穩(wěn)定。從生態(tài)服務功能方面來看,調(diào)節(jié)服務功能占比最大,并且逐年增加,在二級服務功能中氣候調(diào)節(jié)和水文調(diào)節(jié)占比較大,食物生產(chǎn)服務功能是所有二級服務功能中唯一減小的,其他功能均有所增加,追根溯源,與耕地的大幅減少和林草的增加密不可分?？偠灾?陜北地區(qū)在整體上生態(tài)環(huán)境改善,生態(tài)系統(tǒng)服務價值有所增加,除食物生產(chǎn)功能有所下降外,其他生態(tài)服務功能均得到改善提升。