土地利用变化对寻乌县生态系统服务价值的影响

雷军成,王 莎,汪金梅,吴松钦,游细斌,吴 军,崔 鹏,丁 晖,*

1 赣南师范大学地理与环境工程学院,赣州 341000 2 赣南师范大学化学化工学院,赣州 341000 3 安徽师范大学生命科学学院,芜湖 241000 4 生态环境部南京环境科学研究所,南京 210042

生态系统服务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[1-3]。生态系统服务的可持续供给是经济社会可持续发展的基础[4-5]。然而近一百多年来,全球范围内60%以上的生态系统服务出现了明显的退化[1],其主要原因就是对生态系统服务价值认识不足导致的盲目开发[4,6]。开展生态系统服务价值评估,提高对生态系统服务价值的认识,是生态系统保护和管理的基础[7]。1997年,Daily主编的《Nature′ s services: societal dependence on natural ecosystems》的出版和Costanza 等的文章《The value of the world′ s ecosystem services and natural capital》的发表,掀起了全球范围内生态系统服务研究的热潮[8]。国内外学者从生态系统服务分类[9]、功能监测[10]、价值化评估[11-12]、生态系统服务流[13]及土地利用变化对生态系统服务的影响[14-15]等方面开展了大量的研究,其中土地利用变化对生态系统服务的影响研究倍受关注。

土地利用类型、格局的变化会影响生态系统服务的供给[16]。因此,土地利用变化对生态系统服务的影响研究在我国许多地区已广泛开展,但目前的研究主要存在如下几方面的不足：(1)针对流域尺度的研究较多,但专门针对河流源头地区的研究较少,使有关土地利用变化对流域生态系统服务影响的认识尚不够全面；(2)对同一土地利用类型的内部差异未给予足够重视,如森林植被覆盖度变化对森林生态系统服务的影响；(3)受研究方法的制约,研究结果通常只能反映土地利用变化对研究区域生态系统服务的整体影响,不能精细化地反映生态系统服务的空间变化。

本研究选择东江发源地——寻乌县作为研究区域,基于遥感解译获取的寻乌县不同时期的土地利用数据,通过修正的当量因子法,在地理信息系统技术支持下,开展空间精细化的土地利用变化对寻乌县生态系统服务价值的影响研究,以期为今后其他区域开展相关研究提供借鉴。另外,江西省人民政府、广东省人民政府于2016年签署了《东江流域上下游横向生态补偿协议》,掌握寻乌县土地利用变化引起的生态系统服务价值的变化情况,对科学实施生态补偿,保障东江中、下游流域用水安全和生态安全具有重要的现实意义,对寻乌县土地利用变化引起的生态系统服务价值变化情况的研究也能为流域内其他县(市、区)科学制定生态环境保护措施和实施生态补偿提供参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

寻乌县位于江西省南部,东南连武夷山余脉,西北接九连山支脉,是东江水系、湘水水系和韩江水系的分水岭,境内的桠髻钵山是珠江干流——东江的发源地[17](图1)。寻乌县气候类型属亚热带季风气候,年平均气温18.9℃,年平均降水量1650.3 mm[18]。寻乌县地形以山地丘陵为主,全县山间谷地占2.38%,岗地占7.68%,丘陵占14.3%,山地占75.62%[19]。寻乌县位于亚热带红壤区南部,土地肥力较好,土壤普遍呈酸性。寻乌县水力资源相当丰富,全县共有大小河流547条,河道总长1900 km[18]。寻乌县境内珍稀濒危野生动植物资源丰富,拥有国家二级以上保护动物20余种,二级以上保护植物10余种[18]。2010年国务院发布的“国家重点生态功能区名录”,将寻乌县划入“南岭山地森林及生物多样性生态功能区”[20]。寻乌县物产丰富,但受地形条件限制,经济发展滞后。2015年末,全县人均GDP仅19055元[21],远低于全国平均水平的49992元[22],属国家级贫困县。由于人口的不断增长及地区特色产业的发展,森林退化、水土流失、水质污染等生态环境问题日益加剧[19,23-24],发展与保护之间的矛盾十分突出。

图1 寻乌县位置Fig.1 Location of Xunwu County

1.2 数据来源

寻乌县1995年、2006年和2016年3期土地利用数据均基于Landsat TM/OLI遥感影像通过监督分类获得,3幅影像的成像日期分别为：1995年12月7日、2006年12月21日和2016年12月16日。根据研究区土地利用特点,本研究将研究区土地利用类型分为农田、果园、林地、水体、矿区、建设用地六大类(图2)。3个时期土地利用数据分类的总体精度分别为95%、91%和97%,Kappa值分别为0.94、0.90和0.96。野外实地验证结果表明,2016年土地利用数据分类的精度达91.5%。

2 研究方法

2.1 土地利用变化特征分析

将寻乌县1995年、2006年和2016年3期土地利用数据,利用ArcGIS (Ver. 9.3)均转换成同一投影(WGS_1984_Albers,中央经线：105°E),然后统计3个时期各土地利用类型的面积,并通过马尔科夫转移矩阵[25]分析不同时期各土地利用类型间的转换关系。

2.2 生态系统服务价值评估

依据Costanza等[26]提出的生态系统服务价值评估体系,参考谢高地等[3]修订的“中国陆地生态系统单位面积生态系统服务价值当量表”为研究区不同土地利用类型的各项生态系统服务进行价值当量赋值(表1),并通过公式1和公式2计算研究区生态系统服务价值：

(1)

(2)

式中,ESV为生态系统服务价值,元/a；i为土地利用类型；j为生态系统服务类型；Ai为第i类土地利用类型的面积,hm2；VCi为第i类土地利用类型单位面积生态系统服务价值,元 hm-2a-1；ECj为某类土地利用类型第j项生态系统服务的价值当量；Ea为1单位生态系统服务的经济价值,元 hm-2a-1。

图2 寻乌县1995年、2006年和2016年土地利用Fig.2 Land use of Xunwu County in 1995, 2006, and 2016

一级生态系统服务分类Primary classification of e-cosystem services二级生态系统服务分类Secondary classification of ecosystem services农田Farmland果园Orchard林地Woodland水体Water area矿区Mining area建设用地Built-up area供给服务食物生产1.360.8250.290.800Provisioning services原料生产0.090.3750.660.2300水资源供给-2.63-1.1450.348.2900调节服务气体调节1.111.642.170.7700Regulating services气候调节0.573.5356.52.2900净化环境0.171.051.935.5500水文调节2.723.734.74102.2400支持服务土壤保持0.011.332.650.9300Supporting service维持养分循环0.190.1950.20.0700生物多样性0.211.312.412.5500文化服务Cultural services美学景观0.090.5751.061.8900

由于研究区的农田基本都为水田,研究区的林地基本都为阔叶林,因此农田取水田的值,林地取阔叶林的值,水体取水系的值,果园取研究区农田和和林地的平均值。本研究对研究区的人工生态系统不作评估,因此矿区、建设用地各项生态系统服务的价值当量均设为0

为精确确定研究区1单位生态系统服务的经济价值,本研究通过公式3对研究区数值进行修正。计算得到研究区2016年农田自然粮食生产的经济价值,即1单位生态系统服务的经济价值为4896 元 hm-2a-1。

(3)

式中,Ea为研究区1单位生态系统服务的经济价值,元 hm-2a-1；i为粮食作物的种类[27]；mi为第i种粮食作物的全国平均价格(数据来源于文献[28]),元/kg；pi为第i种粮食作物的单产[27],kg/hm2；qi为第i种粮食作物的种植面积(数据来源于文献[27]),hm2；M为粮食作物的总种植面积,hm2；MCI为研究区农田复种指数,取2.5(数据来源于文献[27])。

为更细致地反应生态系统服务价值的空间分异,在单元格尺度的生态系统服务价值修订中,选取植被覆盖度指数作为指标,根据植被覆盖度与NDVI的对应关系[29](见公式4),采用公式5、公式6进行逐单元格的生态系统服务价值的修订。水体由于植被稀少,NDVI基本都为负值,故只对农田、果园和林地生态系统服务作进一步的修订。

(4)

(5)

Efvi=Ei×fvi

(6)

由于林地水资源供给服务的当量因子为正数,而实际上林地的水资源供给与林地的植被覆盖度呈负相关[30],因此采用公式7对林地水资源供给服务进行逐单元格的生态系统服务价值的修订：

(7)

式中,Efwvi为第i单元格经植被覆盖度修订的水资源供给服务价值当量；Ei为第i单元格经地区修订后的生态系统服务价值当量；ffvi为第i个单元格的林地植被覆盖度修订系数。

2.3 生态系统服务价值流向分析

本研究利用各土地利用类型转化数据来计算不同地类之间相互转化所引起的生态系统服务价值的损益[31],分析土地利用变化对生态系统服务价值的影响。生态系统服务价值损益计算见公式8所示：

PLij=(VCj-VCi)×Aij

(8)

式中,PLij为第i类土地利用类型转化为第j类土地利用类型后的生态系统服务价值损益；VCi、VCj分别为第i类土地利用类型和第j类土地利用类型的生态系统服务价值系数；Aij为第i类土地利用类型转化为第j类土地利用类型的面积。

2.4 生态系统服务价值指数敏感性分析

本研究利用经济学中弹性系数的概念计算生态系统服务价值的敏感性指数(见公式9),以确定生态系统服务价值随时间的变化对生态系统服务价值指数的依赖程度[32]。

(9)

式中,ESVi、ESVj分别为初始的及调整后的生态系统服务价值；VCik、VCjk分别为初始的及调整后的生态系统服务价值系数。若CS>1,则表明ESV 对VC富有弹性,即1%的自变量变动将引起因变量大于1%的变动,其准确度差,可信度较低；反之,若CS<1,则表明ESV对VC缺乏弹性,研究结果可信。

3 结果与分析

3.1 土地利用变化特征

1995年、2006年和2016年3个时期寻乌县不同土地利用类型的占比情况如表2所示。从土地利用类型的总体特征看：3个时期寻乌县主要的土地利用类型均为林地,其次为果园,二者合占寻乌县总面积的比例均超过93%。从不同土地利用类型的变化特征看：农田持续减少,2016年农田面积相对1995年减少近一半；果园持续增加,2016年果园面积相对1995年增加约一倍；林地持续减少,2016年林地所占百分比相对1995年减少近10个百分点；水体持续增加,2016年水体面积相对1995年增加一倍；建设用地持续增加,2016年建设用地相对1995年增加近5倍。1995—2016年不同土地利用类型之间的转换关系如表3所示。流出的农田主要变成果园和建设用地,二者分别占流出农田总面积的77.67%和10.86%；流出的林地主要变成果园和农田,二者分别占流出林地总面积的86.98%和6.09%；新增的果园主要来源于林地的转化,占新增果园总面积的76.77%；新增的建设用地主要来源于农田和林地的转化,二者分别占新增建设用地总面积的39.85%和38.23%。

表2 寻乌县1995—2016年不同土地利用类型占比变化/%

表3 寻乌县1995—2016年土地利用类型转移矩阵/hm2

3.2 生态系统服务价值变化特征

土地利用变化引起寻乌县生态系统服务价值的波动变化。寻乌县年生态系统服务价值1995—2006年间增加1.23亿元,2006—2016年间减少6.14亿元,2016年相对1995年仍下降4.91亿元(表4)。寻乌县1995—2016年间生态系统服务价值重心从宏观尺度看未发生明显变化,但从较小尺度看1995—2006年间向西南方向移动407 m,2006—2016年间又向东北方向移动203米,总体上1995—2016年间向西南方向移动204m(图3)。4种土地利用类型中,3个时期均是林地生态系统服务价值最大,但2016年比1995年减少26.04亿元(表4)。4种生态系统服务类型中,3个时期均是调节服务价值最大,但2016年比1995年减少1.51亿元(表5)。

从不同乡镇年生态系统服务价值的变化情况看：丹溪乡、龙廷乡、留车镇、南桥镇和晨光镇五个乡镇价值增加,其他乡镇价值均减少,其中文峰乡减少最多,达2.5亿元,从单位面积减少量来看,减少最多的为文峰乡,达8946元/hm2(图4)。从生态系统服务价值的空间变化情况看,减少的区域主要发生在研究区的中部和北部,而价值增加的区域则散布于研究区各处(图4)。究其原因,中部和北部地区主要是由于高生态系统服务价值的用地类型转化为较低生态系统服务价值的用地类型,如林地转化为果园,农田转化为建设用地；价值增加的区域散布于研究区各处主要是由于低生态系统服务价值的用地类型转化为较高生态系统服务价值的用地类型,如农田转化为果园。

表4 寻乌县1995—2016年4种土地利用类型的生态系统服务价值量

图3 1995—2016年寻乌县生态系统服务价值重心空间变化Fig.3 Spatial changes of ecosystem services value barycenter for Xunwu County from 1995 to 2016

生态系统服务类型Ecosystem service categories199520062016价值Value/108元比例Proportion/%价值Value/108元比例Proportion/%价值Value/108元比例Proportion/%供给服务Provisioning services11.744.8611.844.8811.124.71调节服务Regulating services165.1968.45166.8368.78163.6869.23支持服务Supporting service53.5422.1953.0821.8951.1721.65文化服务Cultural services10.854.510.794.4510.434.41总和Total241.32100242.54100236.4100

3.3 生态系统服务价值流向特征

林地向果园转化是导致1995—2016年间寻乌县年生态系统服务价值减少的最主要原因,导致年生态系统服务总价值减少13.01亿元,其次为林地向农田的转化,导致年生态系统服务价值减少1.82亿元(表6)。林地向水体转化是导致1995—2016年间寻乌县年生态系统服务价值增加的主要原因,导致年生态系统服务价值增加4.51亿元,其次为农田向果园的转化,导致年生态系统服务价值增加3.74亿元(表6)。

图4 寻乌县1995—2016年生态系统服务价值空间变化Fig.4 Spatial changes of ecosystem services value in Xunwu County from 1995 to 2016

19952016农田Farmland果园Orchard林地Woodland水体Water area矿区Mining area建设用地Built-up area农田Farmland03.740.721.6-0.03-0.2果园Orchard-0.7903.70.81-0.15-0.32林地Woodland-1.82-13.0104.51-0.28-1.2水体Water area-0.45-1.05-0.790-0.02-0.27矿区Mining area0.010.060.010.0400建设用地Built-up area0.020.090.010.1700

3.4 生态系统服务价值指数敏感性

图5 寻乌县1995—2016年4种地类生态系统服务价值敏感性指数Fig.5 Sensitive indices of ecosystem services value for four land use types in Xunwu County from 1995 to 2016

本研究将各种土地利用类型的生态系统服务价值系数分别上下调整50%,计算显示1995年、2006年和2016年3个时期各地类的生态系统服务价值变化对价值系数的敏感性指数均小于1(图5)。不同地类的敏感性指数差异较大,林地较大、农田较小,但同一地类不同年份差别较小,表明生态系统服务价值对价值系数不敏感、缺乏弹性,研究结果可信。

4 讨论与结论

4.1 讨论

生态系统服务价值研究是生态学研究的热点问题。目前生态系统服务价值研究方法大致分为两类,即基于单位面积价值当量因子的方法和基于单位服务功能价格的方法[3]。基于单位服务功能价格的方法需要研究地区具备较为详实的生态系统服务物质量数据,在数据基础较差的地区应用较为困难。基于单位面积价值当量因子的方法仅需要一个地区各类型生态系统的面积数据,即使对于数据基础较差的地区也可以实现生态系统服务价值的快速评估,目前在我国各地得到了广泛的应用。基于单位面积价值当量因子的方法通常只能反映研究区生态系统服务的整体状况,不能反映生态系统服务的空间变化。随后,出现了以植被覆盖度进行修正的基于单位面积价值当量因子的方法。该方法基于生态系统服务价值与植被覆盖度呈正相关的基本假设,该假设对食物生产、气体调节、气候调节等生态系统服务能够成立,但水资源供给通常与植被覆盖度呈负相关,因此该方法也存在明显不足。本研究提出了基于植被覆盖度的生态系统服务价值负向修正方法,并结合地理信息系统重心分析法对东江源头县——寻乌县1995—2016年间土地利用覆被变化引起的生态系统服务价值变化情况进行分析,本研究能为今后其他地区开展空间精细化的生态系统服务价值研究提供参考。

长期以来,寻乌县始终将柑橘和脐橙种植作为带领地方农民脱贫致富的主导产业,因此1995—2016年间寻乌县土地利用变化的明显特征表现为农田和林地向果园的转化。这种主要的土地利用转化方式并未对寻乌县生态系统服务的总价值产生明显影响,这主要是由于单位面积果园相对单位面积林地生态系统服务总价值较低,而相对单位面积农田生态系统服务总价值则较高。1995—2016年间林地向果园的净转出使寻乌县生态系统服务总价值净减少9.3亿元,而农田向果园的净转出使寻乌县生态系统服务总价值净增加2.95亿元。另外,本研究中对矿区和建设用地的生态系统服务价值未做研究,由于矿区和建设用地各项生态系统服务价值当量之和在许多研究中通常被设为负值[33-34],如果考虑矿区和建设用地变化对生态系统服务价值的影响,研究区生态系统服务总价值可能会发生较大变化。

近年来,利用模型化手段评估生态系统服务的物质量备受关注,如ARIES模型(Artificial Intelligence for Ecosystem Services)、SolVES模型(Social Values for Ecosystem Services)、InVEST模型(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs)等[35-36]。利用模型化手段进行生态系统服务评估具有科学、客观的优点,但评估结果是生态系统服务的物质量。为更好地服务于生态补偿和生态系统管理,需将生态系统服务的物质量转化为价值量,但生态系统服务的物质量可能存在多方面的价值,如InVEST模型评估的生态系统的泥沙持留服务既有防止水库淤塞的价值,也有保持土壤肥力的价值,如何建立生态系统服务物质量与价值量之间的联系就成为摆在研究人员面前迫切需要解决的问题。另外,价值不仅受客观因素的影响,还会受到主观因素的影响,为生态系统服务赋予价格时,其价格的变化并不能真实反映生态系统的变化,例如由于人类活动导致森林生态系统的面积减少时,由其提供的服务相应减少,但由于稀缺性其价格可能上涨[37]。

4.2 结论

本研究在Landsat TM/OLI遥感数据和地理信息系统技术支持下对寻乌县1995—2016年间土地利用变化情况进行分析,并利用当量因子法对土地利用变化引起的生态系统服务价值的变化情况进行分析,得出如下主要结论：

(1)寻乌县1995—2016年间农田、林地面积持续减少,果园、水体、建设用地面积持续增加；流出的农田主要变成果园和建设用地；流出的林地主要变成果园和农田；新增的果园主要来源于林地的转化；新增的建设用地主要来源于农田和林地的转化。

(2)寻乌县1995—2016年间生态系统服务价值的变化呈现出明显的阶段性特征：1995—2006年间生态系统服务价值升高；2006—2016年间生态系统服务价值下降；1995—2016年间生态系统服务价值总体上仍呈下降趋势。

(3)4类土地利用类型中,1995年、2006年和2016年3个时期均是林地生态系统服务价值最大,但其价值呈明显下降趋势；4类生态系统服务类型中,1995年、2006年和2016年3个时期均是调节服务价值最大,其价值呈先增加后减少的变化特征,但总体上仍呈下降趋势。

(4)1995—2016年间,寻乌县南部的丹溪乡、龙廷乡、留车镇、南桥镇和晨光镇五个乡(镇)生态系统服务价值增加,其他乡(镇)生态系统服务价值减少；1995—2016年间,寻乌县生态系统服务价值重心向西南方向移动204 m。