退耕还林前后甘肃正宁县生态系统服务价值的时空变化特征

申建秀，王秀红，刘 羽，张 伟，姚丽娜

（1.中国科学院 地理科学与资源研究所，北京100101；2.中国科学院研究生院，北京100049；3.杭州师范大学理学院／遥感与地球科学研究院，杭州311121；4.浙江省城市湿地与区域变化研究重点实验室，杭州311121）

土地利用／土地覆被变化是人与自然关系最为密切的环节，可以引起许多自然现象和生态过程的变化，在全球环境变化中具有重要的作用，对生态系统服务功能起着决定性的作用[1]。分析和评价土地利用变化所诱发的生态与环境问题既是国际可持续发展研究的热点之一，也是当前土地管理科学、环境科学及生态科学的交叉前沿领域[2]。生态系统服务是指通过生态系统的结构、过程和功能，直接或间接得到的生命支持产品和服务[3]，其价值化已被广泛运用在理解和探讨人类的可持续发展研究中[4]。我国的西北退耕还林区多为生态环境脆弱的区域，自1999年开始实施退耕还林工程以来，土地利用变化剧烈。深入研究该区域土地利用变化引起的生态系统服务功能价值的变化，有助于提高我们对退耕还林政策实施效果的认识，进而为宏观政策的完善和微观土地利用行为的选择提供科学依据。现有对退耕还林区生态系统的研究多从农作物生产稳定性[5]、生态格局安全[6]、人口密度变化[7－8]等方面入手进行研究，而对退耕还林工程实施前后区域生态服务价值时空变化研究不足。本文以甘肃省正宁县为例，对其退耕还林工程实施前后（1995—2010年）土地利用变化引起的生态服务价值的时间变化和空间变化进行分析，以期为我国西北地区退耕还林政策的完善和区域土地资源的可持续利用提供有益的参考。

1 研究区概况

甘肃省正宁县位于甘肃省东南端，地处我国黄土高原沟壑区，总面积1 319.5km2，介于东经107°56′20″—108°38′08″、北纬35°14′40″—35°36′18″。地势东北高，西南低，平均海拔1 460m，地形东宽西窄，略呈三角形，东西长63.5km，支党河和四郎河流经县域中西部。正宁县属温带大陆性半湿润气候，全县年平均降水量598.9mm，年平均日照时数2 682.3 h。全县有大小不等沟壑1 200多条，约占总面积的82%，主要集中在东北部及子午岭一带，这些沟壑侵蚀十分严重。为了进一步分析正宁县ESV空间分异特点，本文结合正宁县地形特点和土地利用状况，以行政乡界为依据，将东部子午岭一带沟壑严重的月明乡、西坡乡、五顷塬回族乡和三嘉乡划分为东部地区；将农村居民点分布广泛的永正乡、山河镇、永和镇、湫头乡以及罗川乡东部划分为中部地区；将地处平坦区的周家乡、宫河镇、榆林子镇以及罗川乡西部划分为西部地区。

2 数据来源

研究区1995年、2000年两期土地利用图来自中国科学院资源与环境数据库中1∶10万土地利用数据；2010年Landsat TM影像来自美国地质调查局（USGS）网站。在ENVI和ArcGIS软件平台的支持下，将2010年遥感影像与已有的1995年和2000年土地利用类型图进行坐标匹配，实现县界与图像套合。并参考1995年、2000年土地利用分类方案，结合正宁县的实际情况，将研究区土地利用类型划分为耕地、林地、草地、水域、工矿及居民点用地（建设用地）、未利用地6种一级地类以及相应的16种二级地类。根据土地利用调查规程的遥感解译最小图上面积规定，通过专家目视人工解译成图、建库，得到研究区2010年土地利用现状；研究区1995年、2000年、2010年粮食单产量的统计资料来源于甘肃农村年鉴（1996—2009）；全国2000年净初级净生产力（Net Primary Productivity，NPP）数据来自于中国科学院资源环境科学数据中心。

3 研究方法

3.1 研究区生态系统服务功能价值的核算

区域生态服务价值是定量表征区域生态系统服务功能的重要指标[9]。本文以Costanza等的研究成果为基础[3]，根据相关专家对我国陆地生态系统服务价值的实际计算结果[10]，计算研究区各土地覆被类型单位面积的生态价值。由于中国不同陆地生态系统单位面积生态服务价值表是以全国平均水平状况下的农田每年自然粮食产量的经济价值为基准的，直接用于研究区3期生态服务价值的计算并不合理，因此本研究在谢高地等[11]的研究成果基础上进行了进一步的空间、时间和地类的校正，使之更适合研究区域不同年份相应地类的实际情况。

（1）生态系统服务价值核算方法。计算区域生态系统服务价值的公式如下[12－13]：

式中：ESV——生态系统服务价值；Ak——研究区第k种土地利用类型的分布面积；VCk——生态服务功能价值指数，即经过时空和地类校正后的单位面积的生态系统服务价值。

（2）生态系统服务价值参数。第一是空间校正。根据师庆三等的研究成果，NPP与生态系统服务价值之间具有良好的线性关系[14]，因此，本文以空间校正是以全国2000年NPP为基础，在ArcGIS支持下，在配准后的全国数据基础上进行裁切获得研究区数据，进而进行全国和研究区生态系统平均生物量的计算；第二是时间校正。因粮食产出量与生态系统各要素关系密切，具有生态服务价值代表性，所以本文通过1995—2000年、1995—2005年、2000—2010年3个时间段粮食单产均值的比值来确定各期生态系统单位面积生态服务价值的校正系数；第三是地类校正。由于研究区是我国西北黄土沟壑区退耕还林的代表区域，林地、草地的二级地类对生态系统生态服务价值的影响较大，本文适当调整了相关文献中的计算参数。其中，有林地、灌木林地、其他林地的调整系数依据唐秀美等[15]经过专家问卷调查法得到的林地生态系统服务价值系数调整表进行校正；高覆盖率草地、中覆盖率草地、低覆盖率草地的调整是在把高覆盖率草地系数设为1的基础上，根据相应草地的地类覆盖率系数[16]比值得到。

3.2 生态服务价值质心计算

由于地理事物分布的分散性，无法以它们的实际位置计算其重心，通常将研究区划分为若干小区，以各小区代表点坐标作为该小区的位置。本文中根据研究区土地利用划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地5个区，利用ArcGIS中Spatial Analyst Tool模块的Zonal Geometry as Table命令分别计算出3期各地类的景观几何中心坐标和研究区的几何中心，根据地理事物重心的计算公式[17－18]计算研究区ESV重心：

3.3 敏感性分析

参照相关研究成果[2]，应用经济学中常用的弹性系数概念来计算价值系数的敏感性指数（coefficient of sensitivity，CS），以确定生态系统服务价值随时间的变化情况对价值系数变化的依赖程度。如果CS＞1，表明ESV相对于VC是富有弹性的；如果CS＜1，ESV则被认为是缺乏弹性的，比值越大，表明生态服务功能价值指数的准确性越关键。计算公式为：

式中：ESV——估算的总生态系统服务价值；VC——生态价值系数；i，j——初始总价值和生态价值系数调整以后的总价值；k——各土地利用类型。

4 结果与分析

4.1 土地利用变化分析

由正宁县退耕还林前后15a的土地利用结构变化情况来看（表1），耕地、林地、草地为研究区的主要地类，其中耕地占总面积比重最大，说明正宁县是以种植业为主导发展的。耕地和水域面积一直在减小，且2000—2010年减小的幅度明显大于1995—2000年的减小幅度。其中，耕地在退耕前表现为轻微减少趋势，由46.5%减少到45.5%，在退耕后耕地面积又大幅度降低到2010年的41.3%，前后共减少了7 072.9hm2。在退耕还林工程实施前的1995年到2000年，面积减小的地类为有林地、灌木林地、水域和耕地，灌木林地减小速度最大，为－3.46%。同时，面积增加的地类为其他林地、草地、建设用地。因黄土沟壑区草地主要来源于未成林的林地和退化后的耕地、水域，建设用地的增加占用的是平原耕地，说明这期间研究区的生态环境受到了一定程度的干扰。退耕还林工程实施后的2000年到2010年，有林地以9.16%的年均速度大幅度增加，表明退耕还林效果明显。建设用地比例较小，但一直保持一定的增长速度。

表1 正宁县土地利用面积变化和年变化率 %

综上，从整个研究期来看，退耕还林工程的实施和人口增长、人们生活生产条件的不断改善促使当地耕地和水域面积不断减少，建设用地不断增加，同时林地面积的变化表现为先减后增。

4.2 生态系统服务价值的时序变化分析

（1）各地类生态系统服务价值的变化。在退耕还林工程实施前的1995—2000年间，林地、耕地、水域、的生态服务价值明显减少，其中灌木林地变化最为显著，5a间减少了19.97%，且在研究区内的ESV价值比例下降了4.07%。耕地面积的减少导致了耕地生态服务价值的减小，减小幅度为5.39%，但其在比重上有所增加，归因于毁林造田过程中林地生态服务价值比重的减小。正宁县ESV总价值由1995年的15.523亿元／a减小到2000年的14.512亿元／a，共减少了6.512%，说明在退耕还林工程实施前，正宁县的土地利用变化不利于整体生态服务价值的提高。退耕还林工程实施后的2000—2010年间，有林地ESV增加明显，价值幅度上增加了117.98%，比重上增加了17.23%。生态条件的改善保证了耕地和水域ESV的增加。由于耕地和水域面积的不断减少，以及林地ESV的显著增加，二者在正宁县总ESV中的比重也有所下降。从整个研究期来看，正宁县总生态服务价值先减少（－6.512%）后增加（29.369%），15a间的增加幅度为20.94%，说明正宁县在实施退耕还林工程以后，土地利用变化向着可持续性增强的方向发展。

我国竞争中立制度的实施策略应采取一种逐步推进的模式:首先在自由贸易试验区进行试点实践，然后在全国范围内逐步推广，最后在国际经贸协定中广泛适用。

表2 1995年、2000年、2010年正宁县各地类生态服务价值变化

图1 1995年、2000年、2010年正宁县各单项生态服务价值构成情况

（2）单项生态系统服务价值（ESVj）的变化。在退耕还林工程实施前的1995—2000年间，所有单项生态服务价值均不同程度的减少，主要由林地面积的减少和耕地退化所致。退耕还林工程实施后的2000—2010年间，除食物生产功能外，所有单项功能价值均明显增加，比重最大的是土壤形成与保护功能价值，为18.67%；幅度最大的是娱乐文化功能价值，为48.35%（图1）。在正宁县3期单项生态服务价值中，土壤形成与保护功能和生物多样性功能比重最大，变化幅度剧烈；娱乐文化功能比重最小但变化幅度很大；食物生产功能价值比重小且随土地利用变化而变化的幅度也小。说明地处黄土沟壑区的正宁县在进行土地利用时已经把生态价值放在重要位置。

4.3 生态系统服务价值的空间分异

由2010年正宁县单位面积生态系统服务价值空间分异图（图2）可以看出：正宁县东部沟壑严重地区生态服务主要由林地和耕地提供。相对于中部地区和西部地区，其有林地和灌木林地的比较优势最为突出，这说明该区今后应以生态保护为主，发展成为正宁县的生态涵养区。中部地区与西南部地区的情况比较相似，主要表现为耕地的生态服务优势较大。因中部地区人口密度相对大，又有支党河、四郎河过境，应加强中部地区的农田水利基础设施建设，保证农业县的粮食安全。西部地区地势相对平坦，水源充足，但因正宁县西南地区耕地被开垦因而无法充分利用，林地又无法被有效保护的现象很多，致使各项生态服务价值均偏低，所以，应注重对该区域内土地利用结构的优化配置，加大退耕还林工程的实施力度，从而发挥西南部最大综合效益。

正宁县西、东、中部地区不同的土地利用空间组合造成了3个地区不同的功能分异，也使得不同地区单位面积的生态服务价值差异明显。退耕还林前后的3个年期，正宁县单位面积的ESV按区排序均为东部地区＞中部地区＞西部地区（表3），因为研究区东北山地沟壑区的地类受人为干扰程度要小于西南相对平坦地区，东部地区有林地、灌木林地若能得到有效保护，就能够充分发挥其生态服务功能。中部地区人口相对集中，对地类的干扰程度较大，单位面积ESV低于受人类干扰程度小的东部地区，通过确保该地区耕地的充分利用和合理开发，才能充分发挥该地区的生态服务功能。西部地区土地利用结构没有得到科学配置，削减了其单位面积的生态服务价值。

图2 2010年正宁县生态系统服务价值的空间分异

表3 正宁县西、中、东部地区单位面积ESV变化

4.4 生态系统服务价值的质心变化

由正宁县退耕还林前后生态服务价值质心转移跟踪方位示意图（图3）可知，正宁县生态服务价值质心在整个研究期内先向西南方向迁移，后又向东南方向迁移。1995—2000年向西南方向迁移了323.78 m，2000年至2010年向东南方向偏移了486.50m，1995—2000年向东南偏移了272.45m，整体表现出“东进南下”的趋势。

图3 退耕还林前后正宁县生态服务价值质心转移跟踪方位示意图

研究区的生态服务价值质心与其几何中心并不匹配，这表明研究区的生态服务价值在空间分布上不均衡，可以通过正宁县西南部、中、东部地区的3a期单位面积ESV变化来体现（表3）。

追踪正宁县ESV质心的迁移，在退耕还林工程实施前，因不合理的土地利用，使得正宁县各区单位面积生态服务价值均下降，东部地区减小8.24%，明显大于西部地区和中部地区的净减小幅度，使得正宁县的ESV质心向西南方向移动，是一种不可持续的迁移。退耕还林工程实施后，各区单位面积生态服务价值增加明显，东部响应最大，净增加32.74%，西部净增加16.04%，因各区单位面积ESV增加幅度上的不平衡，使得质心在退耕还林工程实施后向增加幅度大的东南方向迁移，土地利用配置并没有达到最优。

4.5 敏感性指数分析

根据CS计算公式，本文将各地类土地利用类型的价值指数分别调整50%，计算出研究区1995，2000，2010年3期各地类的敏感性指数，来衡量总生态系统服务价值的变化。结果表明，ESV对VC的敏感性指数均小于1，最高值是2010年期的水域0.088。这表明在2010年，当水域的VC增加1%时，相应的ESV增加0.008%。敏感性分析的结果表明，研究区内ESV对VC缺乏弹性，基于谢高地[11]价值系数校正的生态系统服务功能价值核算结果在本区域内是可信的。

5 结论

（1）在退耕还林工程实施前的1995—2000年，面积减少的地类为有林地、灌木林地、水域和耕地，面积增加的地类为其他林地、草地、建设用地。退耕还林工程实施后，有林地面积大幅度增加，是退耕还林的明显成效。

（2）正宁县在实施退耕还林工程前后，总生态服务价值表现为先减少（－6.512%）后增加（29.369%）。表现在地类上为：退耕前各地类ESV比重大小排序为耕地＞灌木林地＞有林地＞中覆盖率草地＞其他林地＞高覆盖率草地＞水域＞低覆盖率草地＞建设用地，退耕后各地类ESV比重大小排序为有林地＞耕地＞灌木林地＞其他林地＞中覆盖率草地＞水域＞低覆盖率草地＞建设用地，有林地在比重和幅度上的显著提高是退耕还林工程的体现。由于地处黄土沟壑区，正宁县所提供的生态服务功能以生物多样性保护、土壤形成与保护、气体调节、水源涵养为主，食物生产和娱乐文化功能比重最小。

（3）追踪正宁县生态服务价值质心的迁移，在退耕还林工程实施前的1995—2000年向西南方向偏移，退耕工程实施后的2000—2010年向东南方向偏移，县域单位面积的ESV明显增加。正宁县应在保持已有的退耕还林成果基础上，进一步加强中部地区农业基础设施的建设，控制建设用地扩张，优化种植结构，扩大中部地区耕地的生态服务价值。此外，应重视西南部边际耕地的退耕和防护林工程的建设，优化土地利用结构，发挥西南部最大的综合效益。

（4）敏感性分析的结果表明，研究区内的生态系统服务价值（ESV）对于生态价值系数（VC）的敏感性指数均小于1，说明基于谢高地价值系数校正后的生态系统服务功能价值核算结果在本区域内具有较高的可信度。

[1]Semwal R L，Nautiyal S，Sen K K，et al.Patterns and ecological implications of agricultural land－use changes：a case study from central Himalaya，India[J].Agriculture，Ecosystems＆Environment，2004，102（1）：81－92.

[2]Kreuter U P，Harris H G，Matlock M D，et al.Change in ecosystem service values in the San Antonio area，Texas[J].Ecological economics，2001，39（3）：333－346.

[3]Costanza R，d′Arge R，De Groot R，et al.The value of the world＇s ecosystem services and natural capital[J].Nature，1997，387（6630）：253－260.

[4]Bingham G，Bishop R，Brody M，et al.Issues in ecosystem valuation：improving information for decision making[J].Ecological Economics，1995，14（2）：73－90.

[5]张应龙，谢永生，李晓，等.黄土沟壑区主要粮食作物生产稳定性及成本效益分析[J].水土保持通报，2010，30（4）：201－204.

[6]付艳玲，张晓萍，陈凤娟，等.黄土区退耕背景下土地利用／覆被格局现状调查研究[J].水土保持研究，2010，17（6）：81－86.

[7]王海鸿，马琼，付士波，等.西北干旱半干旱区耕地面积变化与人口—经济发展的相关关系研究：以甘肃省为例[J].干旱区资源与环境，2011，25（1）：74－79.

[8]Shoshany M，Goldshleger N.Land－use and population density changes in Israel—1950to 1990：analysis of regional and local trends[J].Land Use Policy，2002，19（2）：123－133.

[9]冉圣宏，李秀彬，吕昌河.土地覆被及生态服务价值变化的多时间尺度模拟：以四川省渔子溪流域为例[J].地理学报，2006，61（10）：1113－1120.

[10]陈仲新，张新时.中国生态系统效益的价值[J].科学通报，2000，45（1）：17－22.

[11]谢高地，鲁春霞，冷允法，等.青藏高原生态资产的价值评估[J].自然资源学报，2003，18（2）：189－196.

[12]张伟，张宏业，王秀红，等.伊犁新垦区土地利用变化及其对生态系统服务价值的影响[J].资源科学，2009，31（12）：2042－2046.

[13]宋宏利，张晓楠，伦更永.冀南土地利用变化对区域生态服务价值的影响分析[J].水土保持研究，2011，18（1）：236－238.

[14]师庆三，王智，吴友均，等.新疆生态系统服务价值测算与 NPP的相关性分析[J].干旱区地理，2010，33（3）：427－432.

[15]唐秀美.北京市土地利用生态分类与格局变化研究[D].北京：中国科学院研究生院，2011.

[16]中华人民共和国土资源部.第二次全国土地调查技术规程（中华人民共和国土地管理行业标准[S].TD／T1014—2007）.北京：2007.

[17]徐映雪，任志远，张文梅.基于GIS的陕西省耕地与人口空间变化分析[J].干旱地区农业研究，2008，26（3）：216－221.

[18]许月卿，李双成.我国人口与社会经济重心的动态演变[J].人文地理，2005（1）：117－120.

[19]李秀彬.地区发展均衡性的可视化测度[J].地理科学，1999，19（3）：254－257.

[20]He Y，Chen Y，Tang H，et al.Exploring spatial change and gravity center movement for ecosystem services value using a spatially explicit ecosystem services value index and gravity model[J].Environmental Monitoring and Assessment，2011，175（1）：563－571.