川东地区生态系统服务价值时空演变及其驱动力分析

韩 蕊，孙思琦，郭 泺①，陈奕竹

(1.中央民族大学生命与环境科学学院，北京 100081；2.北京大学城市与环境学院，北京 100871)

生态系统服务价值(ecosystem service value， ESV)是生态系统与过程所形成并维持人类赖以生存的自然环境条件与功能[1]，包括自然资本的物流、能流和信息流构成的生态系统服务和非自然资本生产的人类福利[2]。生态系统不仅是人类赖以生存之本，更是区域可持续发展核心[3]，掌握生态系统服务功能时空演变规律是开展科学生态系统管理的重要前提[4]。1997年COSTANZA等[2]基于土地利用类型开展了生态系统服务价值核算研究，推动了生态系统结构和功能研究的发展。如KREUTER等[5]对美国德州贝克萨尔县3个主要流域进行评估，KONARSKA等[6]也对全美生态系统功能进行量化研究。谢高地等[7-8]根据我国实际情况建立并修订了中国陆地二级生态系统单位面积服务价值当量表，已被用于区域生态系统服务价值评估[9-10]。土地利用/覆被变化(land-use and land-cover change， LUCC)是全球生态系统服务研究中关键切入点，环境问题很可能引起大尺度、转换性土地利用类型变化[11]，造成土地利用格局改变，进而对生态系统产生重大影响。因此将生态系统服务价值与土地利用类型进行相关关系分析，有助于了解土地利用类型与生态系统服务价值的关联度，揭示人类活动对地表生态过程及效应的影响机制。

川东地区是我国中西部地区重要经济建设区和粮食生产基地，经济和城市化快速发展对研究区生态系统构成严重威胁。因此，探究研究区生态系统服务价值时空演变驱动因素，有助于深入了解社会在满足发展需求的同时对生态系统服务功能的改变程度，对川东地区生态环境保护和可持续发展具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

川东地区位于四川盆地东部，处于27°48′～32°58′ N，105°12′～110°22′ E，毗邻陕西、湖北、湖南和贵州省，地处青藏高原与长江中下游平原过渡带，全区包含重庆市、南充市、达州市、广安市和巴中市的5市54县(区、市)，总面积为126 714 km2(图1)。研究区属亚热带季风性湿润气候区，年平均气温为16～18 ℃，年平均降水量为1 000 mm，年平均相对湿度为70%～80%，日照时数为1 200 h。研究区海拔范围为73.1～2 796.8 m之间，地形差异大，地势表现为由南北部向中西部地区逐级降低。研究区水系众多，纵横交错，分布着众多国家重点生态功能区，拥有丰富的水、矿产和动植物资源。研究区是长江上游及西南地区最大的经济中心，2015年户籍总人口为5 222.52万，全年生产总值约为2.01万亿元。

图1 川东地区行政区划

1.2 研究方法

1.2.1土地利用动态度

土地利用类型动态度是定量评价土地利用变化速度的指标，包括单一土地利用类型动态度和综合土地利用动态度[12]，计算公式如下：

单一土地利用类型动态度：

(1)

式(1)中，K为研究期某种土地利用类型动态度，%；Ua和Ub分别为研究期初和期末某种土地利用类型面积，hm2；T为研究时长，a。

综合土地利用动态度(C，%)：

(2)

式(2)中，Ui为研究期初第i类土地利用类型面积，hm2；Ui，j为研究期第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，hm2；T为研究时长，a。

1.2.2生态系统服务价值评估

参照生态系统服务价值研究[13-15]，采用谢高地等[7-8]的价值当量换算法确定川东地区生态系统服务价值。将生态系统生产净利润作为该生态系统所能提供的生产价值，将单位面积农田生态系统粮食生产净利润作为1个标准当量因子的生态系统服务价值量。中国2010年生态系统价值当量的经济价值为3 406.50元·hm-2，考虑到数据可获得性，以重庆市单位面积粮食产量代替川东地区单位面积粮食产量，根据《重庆统计年鉴2010》中重庆市单位面积粮食产量为5 152.35 kg·hm-2，而同期全国单位面积粮食产量为4 973.58 kg·hm-2，确定修正系数为1.036，得到研究区生态系统服务价值当量为3 529.13元·hm-2。根据单位面积生态系统服务价值当量因子表[7]和修正后的价值当量得到川东地区各土地利用类型生态系统服务价值当量。川东地区生态系统服务价值计算公式为

(3)

(4)

式(3)～(4)中，V为研究区总生态系统服务价值，元；Ai为研究区第i种土地利用类型面积，hm2；VC，i为研究区第i种土地利用类型生态系统服务价值当量，元·hm-2；Vf为第f项生态系统服务价值，元；VCf，i为研究区第i种土地利用类型第f项生态系统服务价值当量，元·hm-2。

采用SPSS 19.0软件计算不同土地利用类型面积变化与总生态系统服务价值变化的相关性。当相关系数为>0.8～1.0时，表示两者相关性极强，当为>0.6～0.8时，表示相关性强，当为>0.4～0.6时，表示相关性中等，当为>0.2～0.4时，表示相关性弱，当为0～0.2时，表示相关性极弱或无相关。

1.2.3驱动因素分析

生态系统服务价值时空差异的驱动因素包括自然和人为因素两大类，在短时间尺度上主要受人为因素的干扰。参照文献[16]，并考虑到数据可获取性，选择总人口、城镇人口、农村人口、人口密度和城镇化率5项人口因素指标，GDP总量、人均国内生产总值、第一产业总产值、第二产业总产值、第三产业总产值、农业总产值、林业总产值、牧业总产值、渔业总产值和工业总产值10项经济因素指标以及国内旅游收入、入境旅游外汇收入和境外游客人数3项旅游因素指标，采用SPSS 19.0软件进行主成分及相关性分析，选出其中对研究区生态系统服务价值时空变化影响较大的指标作为生态系统服务价值时空变化的主要驱动因素，并进行多元线性回归分析。

1.2.4空间自相关分析

参照文献[17-18]，综合驱动因素分析结果，最终选取表征川东地区各县市区人口经济要素的人均国内生产总值、人口密度和城市化率3个指标，分别与生态系统服务价值变化率进行空间相关性分析。采用GeoDa模型中双变量莫兰指数(bivariate Moran′sI)分析研究区生态系统服务价值与社会经济指标的空间相关性，并绘制LISA集聚图，将空间自相关达到显著性水平α=0.05的区域分为4类：高-高型为社会经济指标变化率和生态系统服务价值变化率都高；低-低型为社会经济指标变化率和生态系统服务价值变化率都低；低-高型为社会经济指标变化率低，而生态系统服务价值变化率高；高-低型为社会经济指标变化率高，而生态系统服务价值变化率低。

1.3 数据来源

川东地区1990、1995、2000、2005、2010和2015年共6期土地利用类型数据来源于中国土地利用现状遥感监测数据库(http：∥www.resdc.cn)，由Landsat TM/ETM遥感影像人工目视解译生成，空间分辨率为1 km。经室外调查及随机抽样检查，土地利用一级类型平均解译精度达94.3%[19-20]。川东地区土地利用一级类型为林地、草地、水域、耕地、建筑用地和未利用地(图2)，其中二级分类如下：耕地分为水田和旱地；林地分为针叶林、阔叶林、针阔混交林和灌木林；草地分为草甸、草原和灌草丛。

18项社会经济数据来源于四川统计年鉴和重庆统计年鉴。中国单位面积粮食产量和重庆市单位面积粮食产量源于同时期全国统计数据年鉴和重庆统计年鉴。

2 结果与分析

2.1 川东地区土地利用变化特征

1990—2015年川东地区最主要景观类型为耕地，占总面积的70%～74%，其次为林地，占总面积的22%(图2)。由表1可知，25 a来综合土地利用动态度<0.1%，1990—2010年综合土地利用动态度逐渐降低，而2010—2015年增加，但总体来说，研究区土地利用综合动态度变化较小。

1990—2015年林地、水体和建筑用地单一土地利用类型动态度呈正向变化，而耕地、草地和未利用地单一土地利用类型动态度呈负向变化。1990—2015年建筑用地面积变化极为明显，增加15.92×104hm2，而未利用地和草地面积各减少100×104和44.49×104hm2，这可能与研究区城镇化率增加有关。研究区作为长江上游地区重要生态屏障，分布着众多生态功能区，水源涵养功能保持较好，25 a来水域面积增加2.47×104hm2，林地面积增加3.35×104hm2，而耕地面积减少17.25×104hm2。

图2 川东地区土地利用分类Fig.2 Land use type in Chuandong region

表1 1990—2015年川东地区土地利用景观类型动态度

Table 1 Dynamic degree and the information entropy of land use in Chuandong region from 1990 to 2015

时期单一土地利用类型动态度/%耕地林地草地水域建设用地未利用地综合土地利用动态度/%1990—1995年-0.260.310.792.112.512.860.161995—2000年0.290.05-0.86-0.574.11-2.000.142000—2005年-0.120.28-0.28-1.183.92-0.170.112005—2010年-0.150.050.09-1.377.2600.112010—2015年-0.23-0.02-0.080.4312.810.610.181990—2015年-0.100.14-0.070.9710.51-0.110.09

2.2 川东地区生态系统服务价值时空变化

2.2.1生态系统服务价值时间维度差异性分析

1990—2015年研究区总生态系统服务价值增长143.14亿元(表2)。各单项土地利用类型中，林地和水域生态系统服务价值呈增长趋势，耕地和草地生态系统服务价值呈下降趋势。总体来看，研究区生态系统服务价值变化趋势与土地利用动态度变化趋势相似。

表2 1990—2015年川东地区各土地利用类型生态系统服务价值变化

Table 2 Changes of ecosystem service value in Chuandong region from 1990 to 2015

年份耕地林地草地水域未利用地ESV/亿元占比/%ESV/亿元占比/%ESV/亿元占比/%ESV/亿元占比/%ESV/亿元占比/%总计/亿元1990973.1432.281 279.5742.45151.215.02610.6120.250.020.003 014.551995960.5431.091 299.7542.07156.695.07672.5221.770.030.003 089.532000974.4231.641 301.7542.27150.124.87653.6121.220.030.003 079.932005968.6131.091 319.3942.34147.804.74680.3021.830.020.003 116.122010961.3530.471 322.5141.91148.664.71722.7622.910.020.003 155.302015950.3030.101 321.3041.84148.044.69738.0123.370.020.003 157.67

ESV为生态系统服务价值。

从不同土地利用类型(表2)来看，林地对研究区生态系统服务价值贡献率最大，耕地次之，1990—2015年两者贡献率分别超过41%和30%，分别约占总面积的22%和72%。林地属于自然生态系统，耕地属于人工生态系统，林地对生态系统服务功能发挥着关键作用。水域、草地和未利用地面积相对较小，生态系统服务价值也明显小于耕地和林地。总体来看，研究区不同土地利用类型对总生态系统服务价值贡献率由大到小依次为林地、耕地、水域、草地和未利用地。

1990—2015年川东地区各项生态系统服务价值见表3。川东生态系统各服务类型中价值最突出的为调节服务，占总生态系统服务价值的70%，支持服务和供给服务对总价值的贡献率分别为20%和7%，文化服务能力价值最低，仅占总价值的3%左右。同时，25 a来调节服务和供给服务生态系统服务价值呈增长趋势，支持服务和文化服务变化不大，这表明研究区生态系统服务价值格局比较稳定。

表3 1990—2015年川东地区各项生态系统服务功能价值估算

Table 3 Ecosystem service value of each kind of the service function in Chuandong region from 1990 to 2015

生态系统服务类型生态系统服务价值/亿元一级二级1990年1995年2000年2005年2010年2015年增长率/%供给服务食物生产276.83273.59276.22275.06273.62270.54-2.27原料生产113.23113.59114.85114.82114.38113.710.42水资源供给-169.39-158.43-159.24-155.92-152.00-147.0813.17调节服务气体调节344.50344.16345.79345.92345.06342.44-0.60气候调节522.34529.12528.75532.52533.47531.921.83净化环境179.79184.25183.32185.37187.29187.434.25水文调节1 062.941 111.041 095.671 122.651 157.501 165.039.60支持服务土壤保持333.62336.36339.33339.88339.06337.611.20维持养分48.7548.4648.8048.7248.5248.07-1.39生物多样性206.71210.22209.64210.06210.87210.531.85文化服务美学景观95.2397.1796.8097.0497.5397.472.35总计3 014.553 089.533 079.933 116.123 155.303 157.67

从生态系统服务功能二级分类来看，水文调节和气候调节功能生态系统服务价值占比最大，分别为35%和17%，气体调节、土壤保持、食物供给和生物多样性功能占比也均大于6%。其中，25 a来食物供给价值降低与耕地面积减少密切相关，土壤保持和生物多样性功能价值增加与林地面积增加密切相关。维持养分循环功能价值占比最小，约为2%，且呈减少趋势，这与草地和耕地生态系统服务价值变化趋势一致，这表明养分循环功能可能受耕地和草地面积减少的影响。

2.2.2土地利用类型面积变化与生态系统服务价值相关性分析

生态系统服务价值与各土地利用类型面积有相关关系，不同土地利用类型面积变化与生态系统服务价值间相关性有所不同。由表4可知，川东地区不同土地利用类型对生态系统服务价值影响程度不同。林地和水域与生态系统服务价值相关性较显著；其次为耕地，与生态系统服务价值呈明显负相关关系。

二级生态系统服务类型中食物生产、水资源供给、气体调节、水文调节和维持养分与耕地呈显著相关；水资源供给、气候调节、净化环境、水文调节、土壤保持、生物多样性和美学景观与林地呈显著相关；食物生产、水资源供给、气候调节、净化环境、水文调节、生物多样性和美学景观与水域呈显著相关(P<0.05或P<0.01)。

表4 1990—2015年川东地区土地利用类型面积变化与生态系统服务价值相关性系数矩阵

Table 4 Correlation coefficient matrix between land use type area change and ecosystem service value in Chuandong region from 1990 to 2015

生态系统服务类型一级二级 耕地林地草地水域未利用地供给服务食物生产0.99∗∗-0.67 0.11 -0.91∗∗ 0.65原料生产0.300.55-0.460.18-0.38水资源供给-0.81∗0.93∗∗-0.380.98∗∗-0.32调节服务气体调节0.80∗-0.07-0.10-0.45-0.15气候调节-0.560.98∗∗-0.370.87∗-0.36净化环境-0.760.96∗∗-0.360.97∗∗-0.34水文调节-0.83∗0.93∗∗-0.400.98∗∗-0.38支持服务土壤保持-0.090.81∗-0.470.54-0.39维持养分0.98∗∗-0.480.04-0.79-0.00生物多样性-0.610.89∗-0.130.88∗-0.09文化服务美学景观-0.680.88∗-0.120.92∗∗-0.07

*表示在0.05水平(双侧)上显著相关，**表示在0.01水平(双侧)上显著相关。

2.2.3生态系统服务价值空间维度差异性分析

川东地区单位面积生态系统服务价值总体分布趋势为由东北和东南两翼地区向中部及西部地区逐级递减，这主要是因为东北和东南地区是研究区重要生态功能区及自然保护区的集中分布地，主要土地利用类型为林地，生态系统服务功能好，而中部及西部低海拔区主要土地利用类型为耕地，生态系统服务功能较差。1990—2015年研究区19个县(区、市)单位面积生态系统服务价值呈下降趋势，而36个县(区、市)呈增加趋势，主要分布在东北和中部以及南部部分地区(图3)。

图3 1990—2015年川东地区单位面积生态系统服务价值空间变化

2.3 川东地区生态系统服务价值时空差异驱动因素分析

人类活动对土地利用产生影响，进而影响区域生态系统服务价值。为分析生态系统服务价值时空差异的驱动因素，选取对川东地区生态系统服务价值可能产生影响的社会、经济和旅游3个方面指标进行相关性和主成分分析，剔除对其影响较小且不显著的指标，构建的回归方程为

Y=-0.246X1-1.082X2-0.022X3+

0.000 006X4+4.696 2。

(5)

式(5)中，Y为生态系统服务价值，亿元；X1为农业人口数，人；X2为人口密度，人·hm-2；X3为工业总产值，亿元；X4为国内旅游收入，万元。

回归方程拟合度达到1，拟合效果极好。分析可知，农业人口数越小，人口密度越小，工业总产值越小，国内旅游收入越高，生态系统服务价值就越高。

2.4 川东地区社会经济因素与生态系统服务价值空间相关性分析

根据文献[17-18]，综合多元回归分析统计结果，对人口社会经济指标与生态系统服务价值变化率进行空间相关性分析。25 a来，研究区生态系统服务价值变化与城镇率变化、人口密度变化和人均国内生产总值变化的全局空间相关指数分别为-0.23、-0.14和-0.04，均呈显著负相关(P<0.05)。由图4可知，人均国内生产总值、人口密度和城市化率与生态系统服务价值的局部空间相关性具有高度一致性，且空间相关性分析均达到显著性水平，这说明这3个因素与生态系统服务价值变化率的局部空间相关显著性良好。城镇化率、人口密度和人均国内生产总值变化率与生态系统服务价值变化率中低-低型和低-高型均聚集在研究区西部的西充、南充、岳池和武胜县一带；高-低型聚集在南部的江津市和南川市一带；高-高型则分布在西南部的荣昌县和双桥区。

3 讨论

生态系统服务功能复杂性决定其评价方法是一个不断完善的过程，当量因子法具有数据稳定、表达直观等特点，适用于区域及全球尺度生态系统服务价值评估[21]。采用当量因子法研究川东地区生态系统服务价值时空演变特征及其驱动因素对于研究区可持续发展具有指导意义。

川东地区土地利用类型以林地和耕地为主，是西南地区重要经济中心和粮食基地，同时也是长江上游重要生态屏障。由于对生态环境治理重视度加强，经济发展迅速，1990—2015年研究区土地利用变化表现出两个趋势，一方面受“退耕还林(草)”“天然林资源保护工程”等林业政策影响而呈耕地缩减和林地扩张的趋势，另一方面受快速城镇化影响呈现建筑用地扩张的趋势。人类活动对土地利用产生影响，进而影响区域生态系统服务价值，研究发现25 a来川东地区土地开发力度的加强对生态系统服务价值具有一定负面效应，该结论也与其他区域研究结果[22]一致。同时，笔者研究发现川东地区生态系统服务分配格局的空间差异明显，土地开发强度低的东北、东南两翼林地聚集区生态系统服务单位面积价值较高，而土地开发强度高的中西部耕地及经济开发聚集区价值较低。这表明在继续退耕还林(草)和重视生态用地建设与保护的同时，还要尽量注重合理规划城市区域发展，重视耕作技术改良和农业种植结构调整，变革低产田，再造优质田，以期提高研究区生态系统服务能力。

图4 1990—2015年川东地区社会经济与生态系统服务价值局部空间相关性

从社会经济方面研究影响川东生态系统服务价值的驱动因素及空间相关性分析，结果表明生态系统服务价值变化受人为因素影响显著，空间差异明显。因此，当环境压力增大进而导致生态系统服务功能降低时，政府应制定有效政策，提升生态系统服务功能，使自然资本能得以保值增值。随着研究区人口增长，工业水平提升，生态系统供给和调节服务需求会持续增加，提高森林覆盖和保护东南、东北两翼的生态功能区对川东地区优化生态环境、促进区域可持续发展具有重要意义。

4 结论

基于1990—2015年川东地区土地利用数据，分析土地利用格局和生态系统服务价值时空演变特征，并研究两者相关性，进一步探究生态系统服务价值变化的驱动因素，为研究区生态环境保护提供决策支持。研究表明：(1)1990—2015年川东地区土地利用类型主要为耕地和林地，生态系统服务价值呈增长趋势，其中生态系统服务中水文调节功能增长最突出。(2)单位面积生态系统服务价值呈由东北、东南两翼向中西部地区逐级递减的空间格局。(3)不同土地利用类型对生态系统服务价值影响程度不同，其中林地、水域与生态系统服务价值呈明显正相关。(4)生态系统服务价值时空差异主要驱动因素为农业人口数、人口密度、工业总产值和国内旅游收入。(5)空间相关性分析结果表明，社会经济因素与生态系统服务价值变化率呈负相关，并且低-低型和高-低型聚集在西部地区，低-高型和高-高型聚集在南部地区。