黄土高原生态脆弱区土地利用变化对生态系统服务价值的影响——以汾河流域为例

伍博炜, 杨胜天, 邵南方, 彭瑞文, 管亚兵

(1.北京师范大学 地理科学学部, 北京 100875;2.北京师范大学 水科学研究院, 北京 100875; 3.贵州师范大学 地理与环境科学学院, 贵阳 550001)

土地利用时空变化过程的研究是未来可持续目标实现的重要内容，是代表人类活动对自然环境影响的直接表现形式，是影响生态系统服务价值的重要因素[1-3]。生态系统服务是通过生态系统的结构、过程和功能直接或间接获得的产品和服务[4]。因此，土地利用变化主导下的经济发展与生态环境相互协调是区域可持续发展的重要途径[5]。

生态系统服务价值(Ecosystem Services Values，ESV)评价是表示土地利用的生态系统服务价值与区域经济发展相互影响关系的主要方法[6-8]。1997年Costanza 最先通过17种生态系统服务功能计算了全球生态系统服务价值[4]。国外学者主要集中在理论方法的创新[9]、生态系统服务价值的定量化估算[10-11]、土地利用变化对生态系统服务价值的影响等[12-13]。国内学者研究主要集中在评估体系的研究[14]和生态系统服务与土地利用相结合的相关研究等[15-18]。

本文通过汾河流域土地利用变化研究其对生态系统服务价值的影响，结合汾河流域实际情况，对生态系统服务价值表进行了修正，采用生态系统服务价值模型(ESV)定量解释了1980—2016年汾河流域土地利用变化影响下的生态系统服务价值变化，为汾河流域未来可持续发展、生态环境保护和区域管理提供科学依据。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

汾河流域介于35°20′—39°00′N和110°30′—113°32′E，汾河干流全长694 km，流域面积约39 471 km2，流经太原、晋中、临汾3个地级市，主要涉及30个县。汾河是黄河的一级支流、黄土高原生态脆弱区独立的流域、山西省重要的水源地和供水区。流域内人口总数为1 390多万人，占山西省总人口的39%；流域内主要市县GDP占全省GDP总量的44%。汾河流域是山西省农业生产的主要地区，农作物以小麦、玉米等为主；且流域内煤炭、铁等矿产资源丰富，是山西省能源化工基地的重要组成部分。

1.2 数据来源

土地利用数据主要来源于1980年、2000年、2010年和2016年四期Landsat TM，Landsat8OLI等遥感卫星数据，空间分辨率为30 m(下载地址：http:∥www.gscloud.cn/)。通过构建卫星影像—高分辨率遥感影像(无人机)—地面调查为一体的技术体系，结合目视解译，获得4期汾河流域土地利用矢量图(图1)，进而建立1980年、2000年、2010年和2016年汾河流域土地利用数据库；社会与经济数据来源于《山西省统计年鉴》。

图1 汾河流域土地利用

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用动态度 土地利用动态度是表示土地利用类型数量变化、土地利用程度变化及土地利用变化的区域差异指标，按照研究对象又可以分为综合土地利用动态度与单一土地利用动态度[19]。

(1) 综合土地利用态度。综合土地利用动态度[20]表达式为：

(1)

式中：LUi为研究起始时第i类土地利用类型的面积；ΔLUi-j为研究时段内第i类土地利用类型转为非i类土地利用类型面积的绝对值；T为研究时段长度。土地利用动态度LC解释了与T时段对应的研究区某类土地利用类型年变化率。

(2) 单一土地利用动态度。单一土地利用动态度是指在研究区一定时间范围内某一土地利用类型的数量变化情况，用来表示该土地利用类型在一定时间内的变化速度[20]，其表达式为：

(2)

式中：K为研究时段内某一土地利用类型动态度；Ua，Ub分别为研究期初及研究期末某一土地利用类型的数量。

1.3.2 生态系统服务价值估算 为了估算汾河流域生态系统服务价值，本文参考谢高地等人获取的生态系统服务价值当量系数，生态系统服务价值当量因子等于每年每公顷粮食价值的1/7[21]。1980—2016年，汾河流域的平均粮食产量为2 408.10 kg/hm2，且2016年的平均粮食价格为2.85元/kg，因此汾河流域一个生态系统服务当量因子为980.44元/hm2，进而得到生态系统服务价值系数(表1)。生态系统服务功能价值的评估公式为[21]：

(3)

(4)

式中：ESV表示生态系统服务价值；Ai表示第i中土地利用类型的面积(hm2)；VCi表示第i种土地利用类型的生态系统服务价值系数；ESVf表示生态系统第f项服务功能的价值；VCfi表示第i种土地利用类型的第f项生态系统服务价值。

表1 汾河流域土地利用类型的生态系统服务价值系数

2 结果与分析

2.1 汾河流域土地利用变化分析

2.1.1 土地利用类型变化 1980—2016年汾河流域土地利用类型变化方式主要以耕地转化为草地和林地，共有2 668.79 km2，且耕地是所有土地利用类型转移面积最大的。其次，汾河流域土地利用变化方式以建设用地扩张为主，共有300.64 km2耕地、26.05 km2林地和22.01 km2草地转为建设用地；水域和未利用土地总面积变化趋势不明显(表2)。空间上，1980—2016年耕地的减少在太原盆地内表现尤为明显，主要在于盆地内大面积的退耕还林(草)和城镇建设用地的扩张；其次吕梁山、太行山脉和盆地边缘的一部分耕地转化为草地、林地。建设用地的变化主要表现在太原、晋中、临汾、吕梁、忻州、运城6个地级市发展导致耕地、林地、草地转为建设用地。

表2 1980-2016年汾河流域各类土地利用类型转移矩阵 km2

2.1.2 动态度分析 从综合土地利用动态度看(表3)，1980—2000年、2000—2010年和2010—2016年这3个阶段综合土地利用动态度分别为0.27%，0.32%，0.46%，综合土地利用动态度随着年份增加而增大，表明汾河流域土地利用变化受人类活动的影响更显著，社会经济发展对土地利用格局的影响更强烈。

单一土地利用动态度一定程度上体现当前社会经济发展对汾河流域不同土地利用类型变化的影响。总体上，1980—2016年内汾河流域耕地持续减少，减少速度分别为0.46%，0.56%和0.51%，是所有土地利用类型中减少速度最快的。草地与建设用地在这3个时期内的变化趋势呈一种稳定增长的情况，其中草地的增长速度分别为0.74%，0.90%和0.57%；相对于其他土地利用类型草地增长最稳定且维持较高的增长速度。林地和水域变化趋势较为稳定，而2010—2016年未利用土地是所有土地利用类型增加速度最快的为2.53%。

表3 1980-2016年汾河流域土地利用变化动态度 %

2.2 汾河流域生态系统服务价值时空变化

时间上(表4)，1980—2016年汾河流域的生态系统服务价值呈现先增长后减少的趋势，从1980年的433.954亿元增加到2010年的435.176亿元，最后减少到2016年的434.557亿元。1980—2016年汾河流域的生态系统服务价值增长率为0.14%。1980—2000年林地的生态系统服务价值增加了1.30%，而2000—2010年与2010—2016年却分别减少了0.04%和0.04%。草地的生态系统服务价值呈逐渐增加的趋势，1980—2000年、2000—2016年与2010—2016年分别增加14.83%，8.95%与3.41%。耕地生态系统服务价值一直处于衰减的趋势，1980—2000年、2000—2016年与2010—2016年分别减少9.12%，5.61%与3.05%，黄土高原退耕还林(草)政策的持续实施是导致耕地生态系统服务价值持续减少的关键原因。水域和未利用土地生态系统服务价值表现一直较平稳，没有较大变化。

表4 汾河流域1980-2016年各类用地生态系统服务价值及变化

空间上，本文对生态系统服务价值重新分级：极低(<5 000元/hm2)、低(5 000～10 000元/hm2)、中等(10 000～30 000元/hm2)、高(30 000～50 000元/hm2)。1980—2016年生态系统服务价值高的区域分布与水域分布相一致。生态系统服务价值中等的区域分布与林地的分布相一致，位于汾河流域的两侧区域，且主要分布在吕梁山与太行山等区域。生态系统服务价值低的区域与草地和耕地的空间分布相吻合，且主要分布在吕梁山东边与太行山西边。生态系统服务价值极低的区域主要分布于汾河流域内各城市的建设用地内，以太原市和晋中市最为显著。极低区域随着城市发展快速扩张呈现扩大的趋势，并沿汾河两岸扩张(图2)。

2.3 流域生态系统服务价值的差异分析

本文基于行政区域的单位面积平均生态系统服务价值来分析汾河流域各行政区的生态系统服务价值的差异性(表5)。汾河流域主要包括33个行政区，从平均生态系统服务价值上看，1980—2016年文水县的生态系统服务价值最高，但总变化量较小，平均生态系统服务价值为15 749.08元/hm2；1980—2016年侯马市的生态系统服务价值最低，且处于持续减少的状态。从生态系统服务价值变化量上，1980—2016年汾河流域共有13个行政区生态系统服务价值处于增长的趋势，娄烦县变化量增加最多；20个行政区生态系统服务价值处于减少的趋势，太原市变化量减少最多，生态系统服务价值的变化量减少表明区域社会经济发展对生态环境的系统的影响剧烈。

图2 1980-2016年汾河流域生态系统服务价值空间分布

表5 1980-2016年汾河流域主要行政区平均生态系统服务价值 元/hm2

3 结 论

(1) 1980—2016年汾河流域土地利用类型以耕地、草地和建设用地为主，占总面积的90%以上，林地变化较小，未利用土地和水域变化不显著，整体土地利用程度高。土地利用类型转化上，汾河流域1980—2016年土地利用变化以耕地向其他土地利用类型转移的方式为主。汾河流域综合土地利用动态度呈逐渐增长趋势，表明土地利用变化受人类活动的影响更显著，社会经济的发展对土地利用格局的影响更强烈；单一土地利用动态度上，耕地持续减少且减少速度最快；草地与建设用地在1980—2016年时间内的变化趋势呈一种稳定增长的情况。

(2) 生态系统服务价值时空变化方面，1980—2016年汾河流域的生态系统服务价值呈现先增长后减少的趋势，从1980年的433.954亿元增加到2010年的435.176亿元，最后减少到2016年的434.557亿元。生态系统服务价值极低的区域主要分布于汾河流域内各城市的建设用地内，以太原市和晋中市最为显著。极低区域随着城市发展快速扩张呈现扩大的趋势，并沿汾河两岸扩张。

(3) 通过汾河流域主要行政区的生态系统服务价值差异分析，发现1980—2016年汾河流域内主要市县平均生态系统服务价值文水县最高，侯马市最低。流域生态系统服务价值变化上，1980—2016年汾河流域共有13个行政区生态系统服务价值处于增长的趋势；20个行政区生态系统服务价值处于减少的趋势，生态系统服务价值的变化量减少表明区域社会经济发展对生态环境的系统的影响剧烈。