嘉陵江流域土地利用变化的生态系统服务价值评估

李佳林 廖家红 王旭熙 刘守江 杨丹 鄢继尧

摘要：根据嘉陵江流域2000、2005和2015年3期土地利用遥感影像数据，将地理数学方法与GIS相结合，研究了嘉陵江流域15年各种土地利用类型的面积变化、土地利用动态度等动态变化信息，并估算了各种土地利用类型的生态系统服务价值。结果表明，2000—2015年，嘉陵江流域耕地面积持续减少，而建设用地、草地、水域、林地和未利用地面积增加;嘉陵江流域生态系统服务价值由2000年的243 109.36百万元减少到2015年的242 805.95百万元;嘉陵江流域生态系统服务价值对价值系数缺乏弹性，反映耕地面积的变化对研究区生态系统服务价值的变化具有较大影响。

关键词：土地利用;生态系统服务价值;嘉陵江流域;评估

中图分类号：F301         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）02-0033-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.02.008           开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

生态系统服务功能是指生态系统服务与生态系统功能的综合，指生态系统与生态过程所形成及维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用[1]。当前有关生态系统服务价值（Ecosystem service value，ESV）的研究已成为生态经济学和环境经济学的研究热点[2]。Costanza等[3]于1997年在《Nature》上发表了论文“全球生态系统服务价值和自然资本”，掀起了生态系统服务研究的热潮，在全球、国家、市、县、区域、流域等不同空间尺度上，针对森林、草地、农田、湿地、海洋等不同生态系统类型的研究广泛开展，把生态系统提供的商品和服务统称为生态系统服务，同时对生态系统服务进行了分类，并对全球生态系统与自然资本的价值进行了估算。在中国实际情况下，谢高地等[4]综合国内数百位具有生态学背景的专业人员的调查问卷结果，制定了中國生态系统单位面积生态服务价值当量。

土地利用/覆盖变化是人类活动对环境影响最直接的表现，土地利用现状图也是人地关系的一面镜子[5]。土地利用/覆盖变化通过改变地表覆盖类型，从而影响生态系统的结构、过程、功能，进而影响区域生态系统服务价值[6]。诸多学者也在不同空间尺度上就土地利用变化对生态系统服务价值的影响进行了相关研究[7，8]。对于快速城市化区域，由于人口迅速增长、城市迅速扩张、社会经济高速发展，生态系统服务价值对土地利用剧烈变化呈现出明显和复杂的时空变化特征[9]。

目前对于嘉陵江流域土地利用和生态系统服务价值的研究并不丰富，主要集中于应用GIS空间分析方法分析嘉陵江流域土地利用/覆被变化、影响因素及驱动力[10]，而对嘉陵江流域整体生态系统服务价值变化并没有详细分析。本研究以嘉陵江流域2000、2005和2015年土地利用变化为基础，借鉴Costanza等[3]、谢高地等[4]的研究方法，评价了嘉陵江流域2000—2015年生态系统服务价值对土地利用变化的响应，并分析了该地区生态系统服务价值的变化及其产生原因，旨在为嘉陵江流域土地资源可持续利用和生态环境保护提供科学依据。

1  研究区概况

嘉陵江（29°20′N-34°30′N，102°30′E-109°51′E）发源于陕西省秦岭南麓，由北向南流经陕西、甘肃、四川和重庆三省一市，其干流分东西两源，东源起自陕西省凤县以北的秦岭镇，西源起自甘肃省天水平南川，习惯上东源为正源，西源称为西汉水。东源向南流经甘肃省徽县，于陕西略阳与西源西汉水汇合，经阳平关入川，然后向南流经广元、昭化、苍溪、阆中、南部、蓬安、南充、武胜等两市六县，在合川入渝，在重庆汇入长江，全长1 119 km。嘉陵江流域属亚热带季风气候，流域多年平均降水量为935.2 mm，由于地形复杂，降水时间分布很不均匀，降水量有明显的旱季和雨季，6—9月降水量占年降水量的66%，12月至次年2月为全年降水量最少的季节，占年降水量的3.2%。整个流域多为紫红色沙泥岩，质地松脆，水土流失严重，成为流域内泥沙产生的主要来源。嘉陵江流域自然条件复杂，自然资源丰富，人口众多，是西部地区重要的粮、油、果、猪、蚕生产基地[11]。嘉陵江是长江上游重要的支流，联系了中国西部的甘、陕、川、渝4个省市，该流域是联系“陆上丝绸之路经济带”和“长江经济带”的重要纽带[12]。

鉴于嘉陵江流经范围广，且历史流数据不易获取，以县（市）为基本地域单元，研究2000—2015年嘉陵江流域生态系统服务价值。基于数据收集的可得性，以嘉陵江流域2008年平均粮食单产及其相对应的2008年各作物全国的平均收购价格为基准，由当量因子价格和当量因子得出流域不同生态系统类型的生态价值系数。

2  数据来源与研究方法

2.1  土地利用动态数据获取

根据研究区2000、2005和2015年3期的土地利用数据。该数据由陆地卫星Land Sat同一时相遥感影像作为基础数据，在ENVI 5.2遥感软件支持下配准，进行遥感影像预处理、辐射纠正和集合纠正、图像配准[13];在GIS的支持下，以栅格影像为背景，利用人机交互提取专题数据，并参考全国土地利用分类方法，将嘉陵江流域用地类型分为6类，分别是耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地。应用ArcGIS 10.2软件属性表的空间计算功能，统计嘉陵江流域6类土地利用类型的面积，得到嘉陵江流域2000、2005、2015年土地利用分类。

2.2  土地利用研究方法

土地利用类型动态度（K）指某研究区在一定时间范围内某种土地利用类型的数量变化情况[14，15]。为了反映嘉陵江流域各类土地的动态变化情况，采用土地利用类型动态度模型具体分析该流域土地利用变化情况。计算公式[16，17]如下。

式中，Ua、Ub分别为研究初期及研究末期某一种土地利用类型的数量;T为时段，当T被设定为年时，K就是该研究区某种土地利用类型的年变化率。

2.3  生态系统服务价值研究方法

根据研究区土地资源特征与景观变化差异，参照中国《土地利用现状调查技术规程》和前人采用的土地分类系统[3，17，18]，将研究区土地利用类型划分为6个类别，即耕地（水田、水浇地和旱地等）、林地（有林地、灌木林、疏林地和其他林地）、草地、建设用地（城乡居民用地与工矿交通用地等）、水域（河湖沟渠、水库坑塘、滩涂滩地等）、未利用地（盐碱地、沙地、戈壁、裸岩石质地和沼泽地等）。对建设用地按照Costanza等[3]的方法，不估算其生态系统服务功能经济价值。

2.3.1  生态系统服务价值计算方法  结合 Costanza等[3]提出的生态系统服务价值（ESV）计算公式和谢高地等[4]2007年基于500份调查问卷修订后的中国生态系统服务价值当量因子，估算流域的生态系统服务价值。根据嘉陵江流域统计年鉴，为消除农作物价格波动对总价值量的影响，以嘉陵江流域2008年平均粮食单产5 431.14 kg/hm2，及其相对应的2008年各作物全国的平均收购价格1.69元/kg为基准，考虑到没有人力投入的自然生态系统提供的经济价值是现有单位面积农田提供的食物生产服务经济价值的1/7[19，4]，计算出嘉陵江流域一个当量因子的价格约为1 311.23元/hm2。由当量因子价格和当量因子，得出流域不同生态系统类型的生态价值系数（表1）。主要计算公式[17]如下。

式中，ESV为研究区生态系统服务总价值（元）;VCK为第k类土地利用类型单位面积的生态功能服务价值系数（元/hm2）;Ak为研究区内第k类土地利用类型的面积（hm2）;n为土地利用类型数。

2.4  敏感性分析方法

借用敏感性指数CS（Sensitivity coefficient）验证生态系统类型对各种土地类型的代表性和价值的准确性，同时检验谢高地等[4]的生态系统服务价值系数对本研究区的适合程度[20，21]，进而确定生态系统服务价值随时间的变化对于生态服务功能价值系数（VC）的依赖程度。敏感性指数CS的含义是指VC变动引起的ESV的变化情况。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。敏感性系数越大，表明生态系统服务价值系数的准确性越关键，过高或过低赋值的生态系统服务价值系数也很可能在很大程度上影响生态系统服务价值随时间变化的真实性。敏感性指数的计算公式如下。

式中，ESV为总生态系统服务价值;VC为生态系统价值系数;i和j分别代表初始价值和生态系统价值系数调整后价值;k为各土地利用类型。

3  结果与分析

3.1  土地利用变化分析

2000—2015年嘉陵江流域土地利用情况发生了较明显变化，2000—2015年嘉陵江流域耕地集中分布在南部，区域集约化程度高，北部东部有少许耕地，主要原因是山区地形条件限制;水域和草地在这15年间呈增加趋势;林地和未利用地和水域变化不大;建设用地集中在中部、南部，2015年中部、东部建设用地增加，区域集约化程度提高。

由表2可知，2000—2015年嘉陵江流域土地利用类型发生了较大变化，其总体趋势为耕地减少，林地、草地、建设用地、水域和未利用地面积增加。2000—2015年耕地面积大幅度持续减少，减少量达1 620 km2，变化率为-2.06%，且2005—2015年的变化率大于2000-2005年的变化率;林地面积在2000—2015年先增加后持平，整体增加了88 km2;2000—2015年草地面积增加了190 km2，变化率为0.36%;2000—2005年建设用地面积增加，变化量达227 km2，变化率为15.77%，2005—2015年持续增加，增加了956 km2，变化率为 57.38%，因此，2000—2015年建设用地面积整体呈上升趋势，增加了1 183 km2，变化率为82.21%;2000年水域面积仅占总用地面积的0.91%，2000—2005年水域面积增加了19 km2，2005—2015年增加了77 km2，2000—2015年水域面积整体呈增加趋势;2000—2015年未利用地变化也较为明显，总体上呈增加趋势，增加了63 km2，变化率为2.48%。

嘉陵江流域在2000—2015年建设用地变化量最大，变化速度最快，動态度为5.48%;其次是水域、未利用地、耕地，它们的动态度分别为0.36%、0.17%、-0.14%;林地和草地的总体变化较平缓，动态度分别为0.01%、0.02%（表3）。

建设用地面积的大幅度增加主要与流域内城市规划逐渐成熟以及后期旅游业发展迅速有关[22]，城市建设速度加快，交通用地和商业用地不断扩大，在此进程中，同时增加了对耕地的需求与开发，导致其面积明显减少。

3.2  土地利用变化对生态系统服务价值的影响

根据嘉陵江流域不同陆地生态系统服务价值（表1）和嘉陵江流域各土地利用类型面积（表2），计算得到嘉陵江流域生态系统服务价值的变化情况（表4）。从表4可以看出，嘉陵江流域2000—2015年生态系统服务总价值呈现减少的变化趋势，2000、2005和2015年的生态系统服务总价值分别为243 109.36百万、243 236.49百万和242 805.95百万元，2000—2005年增加了127.13百万元。在研究期间，耕地大面积减少，2000—2005年和2005—2015年其生态系统服务价值损失量分别达到了365.60百万和693.92百万元;草地生态系统服务价值先增加后减少，2005—2015年面积减少，其生态系统服务价值损失量达到了32.85百万元，而2000—2015年整体增加了183.57百万元;未利用地面积变化不明显，其生态系统服务价值增加了7.25百万元;2000—2015年水域面积扩大，水域生态系统服务价值增加了360.43百万元;林地价值先增加后无变化，整体增加了204.86百万元。嘉陵江流域在2000—2015年耕地向水域、草地、林地、未利用地和建设用地转化，虽然水域、草地、林地所提供服务功能的经济价值高于耕地，但因转化为水域、草地、林地的面积远小于耕地的减少面积，大部分耕地转化为建设用地，因而整体生态系统服务价值减少。

从生态系统服务价值构成（表5）来看，研究时段内林地所产生的生态服务价值所占比重最大，2000、2005和2015年分别为54.98%、55.03%、55.12%，占整个生态系统的主导地位;耕地和草地的生态系统服务价值也较高，所占比例分别为21.20%、21.04%、20.79%和20.98%、21.05%、21.08%，二者生态系统服务价值变化小;水域的生态系统服务价值相对较小，在嘉陵江流域生态系统服务总价值中处于第四位;未利用地生态系统服务价值的贡献率非常低，在研究时段贡献率仅0.12%。

3.3  生态服务价值敏感度分析

根据敏感性指数的计算公式，把VC分别上下调整50%，计算出研究区2000、2005和2015年的敏感性。结果（表6）表明，流域所有土地利用类型生态系统服务价值系数的敏感性指数（CS）均小于1，说明生态系统服务价值对生态价值系数缺乏弹性，研究结果可信。未利用地的CS最小，为0.001 2，即当未利用地的生态价值系数增加1%时，流域总的生态系统服务价值仅增加0.001 2%。林地因面积较大，其在流域总生态系统服务价值中的贡献最大，敏感性指数CS也最大，为0.549 7～0.551 2;草地和耕地的价值系数较大，CS次之;未利用地面积小于林地，其价值系数较低，CS较小。研究期间各类型土地的CS变化趋势与各自面积的变化趋势基本一致，年际变化不明显。

4  小结与讨论

本研究将地理数学方法与GIS相结合，对嘉陵江流域2000—2015年的土地利用变化情况和生态系统服务价值进行分析，为嘉陵江流域土地资源可持续利用和生态环境保护提供科学依据。通过研究主要得出以下结论。

1）2000—2015年嘉陵江流域土地利用类型发生了较大变化，耕地、林地和草地是嘉陵江流域的主要土地类型，研究期内各种土地利用类型变化较明显。其总体趋势为耕地减少，减少量达1 620 km2，变化率为-2.06%，而林地、草地、建设用地、水域和未利用地面积增加。

2）嘉陵江流域生态系统服务价值由2000年的243 109.36百万元减少到2015年的242 805.95百万元，说明嘉陵江流域生态系统服务价值呈下降趋势，耕地向水域、草地、林地、未利用地和建设用地转化，虽然水域、草地、林地所提供服务功能的经济价值高于耕地，但因转化为水域、草地、林地的面积远小于耕地的减少面积，大部分耕地转化为建设用地，因而整体生态系统服务价值减少，生态系统服务价值对土地利用变化表现出了较强的敏感性。

3）嘉陵江流域生态系统服务价值相对于价值系数的敏感性都小于1，说明前者对后者是缺乏弹性的，本研究所选的生态价值系数是较合理的，结果可信。

4）随着嘉陵江流域经济快速发展，城市化建设将不可避免，但流域生态系统服务价值下降。因此，协调社会经济发展与生态环境保护之间的矛盾，制定合理的土地利用规划和决策，是恢复和保育嘉陵江流域生态系统服务的有效途径。

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