陕西省生态系统服务价值评估

刘红彩，王 纳，冯水园，富逊娣

(1.陕西佛坪国家级自然保护区管理局，陕西 佛坪 723400；2.陕西省天然林保护工程管理中心，西安 710082)

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[1]。生态系统不仅为人类提供生活必需的生态系统产品服务，而且提供保证人类生活质量的生态功能[2], 因而是人类生存和发展的物质基础和基本条件，是人类拥有的关键自然资本，对其功能的评价在全球生态系统管理和可持续发展生态学研究中占有十分重要的地位[2-4]。Costanza等[1]于1997年最先估算了全球生态服务价值，在此基础上，国内外众多学者对生态系统服务价值的理论、评价、估算和应用进行了大量的研究[5-8]。生态系统服务价值评估已成为当前生态学与生态经济学的前沿领域和全球热点领域[9]。土地利用/覆盖变化可通过改变生态系统的结构和功能，对生态系统维持正常服务功能起主导性作用，从而影响其服务价值[10]。很多学者通过分析土地利用/覆盖变化来研究生态系统服务价值变化[11-13]。这些研究表明利用土地利用数据对生态系统服务价值进行评估是可行的[13]。

陕西省由南向北因气候、地形地貌、植被、土壤等因素差异，分为陕北黄土高原与毛乌素沙地、关中平原、秦巴山地，自然条件复杂多样，人类活动历史悠久[14]。陕北是我国重要的能源生产基地，也是水土流失严重地区，关中则是陕西重要的经济产业带和人类活动密集区，秦岭山地既是我国中部地区重要的水源涵养区和生态屏障，也是东亚地区生物多样性的热点地区，素有“中央水塔”、“生物基因宝库”等美誉，是维持我国生态安全的关键地区，对区域社会经济的发展发挥重要的服务功能[14-15]。但因长期以来对区域生态环境的敏感性，生态系统对人类社会提供的支持服务功能及其空间分布规律的认识不足，在处理和协调生态环境保护和建设与经济发展关系时缺乏科学的依据，致使一些地区生态环境问题依然十分突出，生态服务功能下降，对区域社会经济发展构成严重制约，并对中部周边地区的生态安全产生潜在的影响。及时开展全域生态系统服务价值研究，可为全省各生态区土地资源可持续利用和生态环境保护提供决策支持[14]。因此，本文以2015年土地利用/覆盖数据为基础，估算了陕西省不同生态区的生态系统服务价值及其与土地利用/覆盖的关系，以期了解省域范围内土地利用/覆盖类型对生态系统服务价值影响的一般规律，为生态系统服务功能管理提供科学依据。

1 研究区域概况

陕西省位于中国大陆的中部，地理位置为北纬31°42′～39°35′，东经105°29′～110°15′(图1)，面积20.58万平方公里，南北狭长，跨近8个纬度，因而气候类型多样。自南向北可划分为3个气候区：秦巴山地北亚热带湿润季风气候区，关中平原和陕北黄土高原暖温带半湿润—半干旱季风气候区，风沙滩地温带半干旱季风气候区[14]。陕西省气候类型多样，季风性气候显著，自南向北按热量分为亚热带、暖温带和温带三个基本气候带，按水分差异又分为湿润、半湿润、半干旱、干旱四种气候[14]。陕西地处南北过渡，东西交汇地带，植物区系成分复杂，植被类型南北差异十分明显，水平分布自南向北依次为秦巴山地落叶阔叶—常绿阔叶混交林带、渭河谷地和黄土高原南部暖温带落叶阔叶林带、黄土高原北部森林草原带、长城沿线温带草原带[14-15]。陕西关中地区是人口分布的重心，陕北高原人口分布以黄河干流和各支流下游最为密集，陕南地区人口呈点线状集中分布在河谷川道区，而山区人口稀少、密度较低[14]。2004年发布的《陕西省生态功能区划》中将全省划分为4个一级生态区：秦岭山地生态区、关中平原农业生态区、黄土高原农牧生态区、陕北风沙草原区[14]。

2 研究方法

2.1 土地利用数据获取

2015年土地利用/覆盖数据来源于国家科技基础条件平台—国家地球系统科学数据中心 (http://www.geodata.cn) ，数据格式为1 km像元大小的栅格数据。该数据集以各期Landsat TM/ETM遥感影像为主要数据源通过人工目视解译生成，包括农田、林地、草地、水域、裸地和建设用地等6个一级土地利用/覆盖类型[15](图1)。

图1 陕西省生态功能区划及2015年土地利用/覆盖类型图

2.2 生态系统服务价值计算

采用价值量评价法，分别对耕地、林地、草地、水域和裸地等5个土地利用/覆盖类型的生态服务价值进行估算(由于建设用地的生态价值很小，故不考虑)。谢高地等[7]在Costanza[1]的研究基础上总结了气候调节、气体调节、水源涵养、土壤形成与保护、废物处理、生物多样性保护、食物生产、原材料和娱乐休闲在内的9项生态系统服务功能，并提出了中国陆地生态系统单位面积生态服务价值系数。由于生态服务功能与生物量大小相关，为了减少估算误差，我们根据谢高地等[16]提出区域生物量因子修正系数(陕西省为0.51)对前述生态服务价值系数表进行了修正，得到陕西省各土地利用/覆盖类型的生态服务价值系数(表1)。

表1 陕西省各土地利用/覆盖类型单位面积生态服务价值

各土地利用/覆盖类型及单项功能的生态系统服务价值的计算公式如下：

V=C×A

式中V为某一土地利用/覆盖类型及单项功能的生态系统服务总价值；C为该土地利用/覆盖类型及单项功能对应的生态系统服务价值系数；A为该土地利用/覆盖类型的面积。

为了便于比较不同生态区生态服务价值贡献，采用生态区单位面积价值量作为衡量指标以消除面积差异的影响，其计算公式如下：

生态区单位面积价值量 = 生态区总价质量 / 生态区面积

3 结果与分析

3.1 陕西省生态系统服务价值

3.1.1 总价值及不同生态区占比排序 陕西省的生态系统服务总价值为974亿元·a-1。各生态区生态系统服务总价值量排序为：秦巴山地生态区>黄土高原生态区>关中平原生态区>陕北风沙生态区(图2)。

图2 陕西省各生态区生态服务总价值及单位面积价值量

从各生态区的单位面积价值量来看，秦巴山地生态区的单位面积价值量为最高，达到56.15万元·km-1·a-1；黄土高原生态区的单位面积价值量显著低于秦巴山地区的单位面积价值量，但略高于关中平原生态区的单位面积价值量；陕北风沙生态区的单位面积价值量仅有28.24万元·km-1·a-1，显著低于其它三个生态区(图2)。

3.1.2 不同土地利用类型的生态服务价值 总体来看，林地、草地和农田的生态系统服务价值之和达到935.62亿元，占全省总价值的96.06%(图3)。其中，林地面积占全省总面积的23.5%，而其生态系统服务价值则占到全省总价值的47.8%；草地和农田的面积占比分别达到38.5%和34.8%，但其生态系统服务价值占总价值的比例仅有25.9%和22.3%(图3)。此外，裸地的面积占全省总面积的2.3%，但其生态服务价值仅占总价值的0.1%；而水域的面积虽然只占总面积的0.9%，但其生态服务价值却达到总价值的3.9%(图3)。

图3 陕西省不同土地利用类型的面积和生态服务价值占比

3.2 不同生态区生态服务功能价值及其构成

3.2.1 秦巴山地生态区 秦巴山地生态区的生态服务价值达到456.92亿元·a-1(图2)，占全省生态服务总价值的47%。各土地利用类型的价值贡献排序为：林地>草地>农田>水体>裸地。其中，林地的生态服务价值最高，达到284.32亿元·a-1(表2)，占秦巴山地区生态服务总价值的62.23%(图4)；草地的生态服务价值(107.3亿元·a-1)次之，占秦巴生态区总价值的23.48%；农田的生态服务价值(58.77亿元·a-1)占生态区总价值的12.86%，而水体和裸地的生态服务价值所占比例不足1.5%(图4)。

表2 陕西省各生态区不同土地利用类型生态系统服务价值统计

关中平原生态区各生态系统单项服务功能的价值贡献排序为：土壤形成保护>生物多样性保护>气体调节>水源涵养>气候调节>废物处理>原材料>娱乐文化>食物生产(图5)。其中，秦巴山地区的土壤形成与保护功能的生态价值贡献达到92.07亿元·a-1(表3)，占秦巴山地区总价值的20%(图5)，而生物多样性保护、气体调节和水源涵养功能的价值次之，分别为64.97亿元、61.65亿元和61.49亿元·a-1(表2。此外，气候调节和废物处理功能的生态价值(56.11亿元·a-1和52.99亿元·a-1)均达到总价值的12%，而原材料、娱乐文化和食物生产功能的价值分别仅占8%、4%和3%(图5)。

表3 陕西省各生态区不同生态系统服务功能价值 (单位：亿元·a-1)

3.2.2 关中平原 关中平原生态区的生态服务价值为152.29亿元·a-1(图2)，约占全省生态服务总价值的18%。各土地利用类型的价值排序为：农田>林地>草地>水体>裸地。其中，农田的生态服务价值为 63.34亿元(表2)，占生态区总价值的41.59%(图4)；林地的生态服务价值(47.08亿元·a-1)次之，占生态区总价值的30.92%；草地的生态服务价值(25.53亿元·a-1)占生态区总价值的16.76%，而水体的生态服务价值(16.33亿元·a-1)占比为10.72%(图4)。

图4 陕西省各生态区不同土地利用类型的生态服务价值占比

关中平原生态区各生态系统单项服务功能的价值贡献排序为：废物处理>土壤形成保护>水源涵养>生物多样性保护>气候调节>气体调节>食物生产>原材料>娱乐文化(图5)。其中，废物处理和土壤形成保护功能的生态价值贡献合计达到57.6亿元·a-1(表3)，占生态区总价值的38%(图5)；水源涵养、生物多样性保护、气候调节和气体调节功能的价值贡献合计72.98亿元·a-1(表3)，食物生产、原材料和娱乐文化功能的价值贡献分别仅占生态区总价值的7%、4%和3%(图5)。

3.2.3 陕北黄土高原区 黄土高原生态区的生态服务价值为328.76亿元·a-1(图2)，占全省生态服务总价值的34%。各土地利用类型的价值排序为：林地>草地>农田>水体>裸地。其中，林地的生态服务价值为 128.03亿元·a-1(表2)，占生态区总价值的38.94%(图4)；草地的生态服务价值(102.37亿元·a-1)次之，占生态区总价值的31.14%；农田的生态服务价值(86.92亿元·a-1)占生态区总价值的26.44%，而水体的生态服务价值(11.29亿元·a-1)占比为3.43%(图4)。

黄土高原生态区各生态系统单项服务功能的价值贡献排序为：土壤形成保护>废物处理>生物多样性保护>水源涵养>气候调节>气体调节>食物生产>原材料>娱乐文化(图5)。其中，土壤形成保护和废物处理功能的生态价值贡献分别为68.8亿元·a-1和51.3亿元·a-1(表3)，占到生态区总价值的37%(图5)；生物多样性保护、水源涵养、气候调节和气体调节等四个功能的价值贡献则占到总价值的50%；而食物生产、原材料和娱乐文化功能的价值贡献分别仅占生态区总价值的5%、5%和3%(图5)。

图5 陕西省各生态区不同土地利用类型的生态服务价值占比

3.2.4 陕北风沙区 陕北风沙生态区的生态服务价值为36.04亿元·a-1，仅占全省总价值的4%。各土地利用类型的价值排序为：林地>草地>农田>水体>裸地。其中，林地的生态服务价值为128.03亿元·a-1(表2)，占生态区总价值的38.94%(图4)；草地的生态服务价值(102.37亿元·a-1)次之，占生态区总价值的31.14%；农田的生态服务价值(86.92亿元·a-1)占生态区总价值的26.44%，而水体的生态服务价值(11.29亿元·a-1)占比为3.43%(图4)。

陕北风沙生态区各生态系统单项服务功能的价值贡献排序为：土壤形成保护>废物处理>生物多样性保护>水源涵养>气候调节>气体调节>食物生产>原材料>娱乐文化(图5)。其中，土壤形成保护和废物处理功能的生态价值贡献分别为7.58亿元·a-1和6.86亿元·a-1(表3)，占到生态区总价值的40%(图5)；生物多样性保护、水源涵养、气候调节和气体调节等四个功能的价值贡献则占到总价值的49%；而食物生产、原材料和娱乐文化功能的价值贡献分别仅占生态区总价值的6%、3%和2%(图5)。

4 结论与讨论

本文基于国家地球系统科学数据中心的2015年土地利用/覆盖数据，应用修正后的陆地生态系统单位面积生态服务价值系数，估算和分析了陕西省4个生态功能区的生态系统服务价值。结果表明，陕西省的生态系统服务总价值为974亿元·a-1，四个生态区的生态系统服务功能价值差异明显，秦巴山地的生态价值最大，黄土高原和关中平原次之，陕北风沙区最小。陕南秦巴山地生态区的生态服务价值达到456.92亿元·a-1，占全省总价值的47%，对陕西省的生态系统服务功能起着决定性作用；黄土高原生态区的生态服务价值为328.76亿元·a-1，占全省总价值的34%；关中平原生态区的生态服务价值为152.29亿元·a-1，占全省总价值的18%；而陕北风沙生态区的生态服务价值为36.04亿元·a-1。土壤形成与保护、生物多样性保护、气体调节、水源涵养、气候调节和废物处理功能贡献了约85%的生态系统服务价值，是陕西各生态区的主体生态服务功能。

从单个生态区来看，秦巴山地生态区的土壤形成与保护功能价值量最大，达到该区生态服务总价值的20%，说明秦巴山区在水土保持方面发挥着巨大作用；生物多样性保护、气体调节和水源涵养、气候调节和废物处理功能则次之，但均达到50亿元·a-1以上，这主要是因为森林和草地是秦岭山地的主要土地利用/覆盖类型。黄土高原生态区的土壤形成与保护功能价值达到68.8亿元·a-1，占到该区生态服务总价值的21%，说明黄土高原生态区在土壤形成保护与防止水土流失方面发挥着关键作用。从生态系统单项服务功能来看，秦巴山地功能区对全省生态服务价值的贡献最大，除了食物生产和废物处理之外，其它7个生态系统单项服务功能的价值贡献均达到全省的50%或以上；黄土高原区对全省生态服务价值的贡献次之，特别是在食物生产和废料处理上发挥着重要作用。

根据以上各生态功能区生态系统服务价值的评估，可以看到，秦巴山地区、黄土高原区和关中平原区对陕西省生态系统服务功能的维持具有重要作用，特别是秦岭山地生态功能区在土壤保持、水源涵养和生物多样性维持及对周边地区的生态安全等方面具有重要意义。因此，牢固树立“绿水青山就是金山银山”理念，坚持生态优先、绿色发展，恪守生态保护红线、环境质量底线和资源利用上线，在保护基本农田的同时，进一步提高林草覆盖率，合理优化生态空间，是建设“绿色陕西”的主体思路与途径，可显著提升生态系统服务价值，有利于维护我国特别是中西部地区的生态安全。

基于各生态区的环境条件差异，在生态建设中应因地制宜，根据各自的重点生态问题采取相应保护管理对策。其中，秦巴山地生态区应继续推进天然林保护工程建设和退耕还林工程，在森林集中分布区科学合理抚育，形成合理的空间格局，有效保护生物多样性和森林资源，发展水土保持林和水源涵养林，提高区域土壤保持和水源涵养能力，保障生态系统的多种服务功能。黄土高原生态功能区应合理配置区域水土资源，重点控制丘陵沟壑水土流失，建立和发展基本农田，提高资源利用率；保护和恢复植被，加快和完善退耕还林还草的建设，提高植被覆盖率；开展土地综合整治，发展生态农业，提高土地产出率。关中平原农业生态功能区生态保护与建设的对策主要是搞好区域环境综合整治，强化土地管理，科学合理规划用地，保护耕地资源，加强土壤污染治理，提高土地质量。

由于生态系统的功能和过程的复杂性和人类认识问题的局限性，加之对问题研究的滞后性，以土地覆盖来估算生态系统服务功能价值的精度有待于进一步的观察和完善。随着数据精度的提高同测量方法的完善，评价结果的精确性将会提升；同时以土地覆盖的动态变化来实时追踪生态系统的结构及服务功能，可为定量分析生态系统的价值变化提供了一种有效的思路。