基于土地利用变化的大别山区生态系统服务价值研究

郑义刚，杨兴柱，朱 跃

(安徽师范大学 地理与旅游学院，安徽 芜湖 241002)

0 引言

随着城镇化进程加快、“两山”理念深化，对生态系统服务功能的研究成为重要的研究课题[1-4]。生态系统服务功能是指生态系统及过程所形成并维系人类生存的自然环境条件与功用[5]。通过生态系统的结构、过程和功能直接或间接得到的生态服务功能是现代文明延续的基础[6-7]。在社会经济技术发展革新的驱动下，土地利用变化引起生态价值量化的转变成为世界关注的时代命题[8-10]。对生态系统的价值评估一直是生态系统服务研究的基础部分和重点领域之一，并可作为优化资源配置[11]、确立生态补偿机制[12]、划定生态红线[13]的前提和依据。大别山与桐柏山、秦巴山地相连构成中国中部的重要生态屏障，但区域自然灾害频发、过度樵采毁林、陡坡地耕作造成水土流失、森林生态系统退化等生态问题突出。2013年国家林业局印发的《大别山水土保持生态功能区生态保护与建设规划》指出大别山水土保持生态功能区(以下简称大别山区)具有重要的水源供给、涵养及生物多样性维持功能。因此，探究大别山区生态系统服务价值的演变过程及特征成为保障该区域生态安全的迫切需求，目前，对大别山水土保持功能区的研究主要围绕生态补偿[14]、生态修复[15]、生态安全[16]和单项生态服务价值的评估[17]等方面，未见基于全部土地利用类型的角度，对区域整体生态系统服务价值时间跨度演变及空间差异进行考量研究。因此，本文利用1995～2015年的5期土地利用遥感影像数据，运用当量因子法，敏感性指数和价值变率函数，测算大别山区5个年份的生态系统服务价值，探究长时间序列区域生态系统服务价值的时序变化及空间分异特征，以期从自然区域层面丰富对生态系统价值的认识，为区域生态补偿政策及转移支付政策的制定、土地资源的配置以及生态环境系统的调控提供理论指导与借鉴。

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区域概况

大别山区地处湖北、河南、安徽3省交界处(包括15个县(市)(封二图版Ⅰ图1)，位于113°45′～117°59′E，29°59′～32°05′N，面积3.12×104km2，区域地形以中山和低山丘陵为主，海拔多在500～800 m，属于北亚热带温暖湿润季风气候区，复杂及独特的地理环境使其水系发达、生物种类多样。大别山凭借典型的山地气候和完善的森林生态系统，为华东地区提供了水源涵养、土壤形成与保护、生物多样性保护等诸多生态系统服务，是国家重要的水土保持生态功能区[18，19]。2015年，区域GDP总和为1 818.89亿元，约占3省的2.05%，总人口约901.36万人，农业人口比重占80%以上，农民年人均收入5 921元，低于全国平均水平。大别山区具有生态区位重要和经济发展落后叠加的特征。

1.2 数据来源

1995年、2000年、2005年、2010年、2015年5期土地利用数据来自于中国科学院资源环境科学数据中心(http：//www.resdc.cn)。根据中国《土地利用现状分类标准(GB/T21010-2017)》，结合大别山区的土地利用特点，对不同年份的土地利用类型进行了归并、分类，将研究区域土地利用类型划分为林地、耕地、草地、水域、未利用土地(含建设用地，下同)五大土地利用类型，利用ArcGIS 10.2重分类后生成大别山区5期土地利用分类图(封二图版Ⅰ图2)。粮食产量数据来自各县市2016年统计年鉴，粮食价格数据来自于《中国粮食年鉴》。

2 研究方法

2.1 生态系统服务价值测算

由于生态系统的开放性、生态过程作用的复杂性，如何科学准确地评估生态系统服务价值仍是一个需要不断探究的命题[20-21]。目前，生态系统服务价值的估算大致分为两类：功能价值法和当量因子法[22-25]。功能价值法依据生态系统服务的功能量的多寡及单位价值来计算总价值[25]，此方法适宜评估小范围内的生态系统价值，但存在估算过程中参数标准统一困难、输入参数多的问题[26]。当量因子法是基于量化的不同生态系统服务功能价值当量，根据生态系统的空间面积进行测算。相对功能价值法，当量因子法易用性较强，数据测算标准统一，适宜评估区域和全国尺度的生态系统服务价值[27，28]。中国学者谢高地基于中国生态学者的调查意见，在对Costanza生态系统价值测算修正基础上，制定了中国陆地生态系统服务价值当量因子表[27]，把生态系统的休闲和娱乐价值纳入，较为全面的反映了不同土地类型在气候调节、水源涵养、土壤形成与保护、娱乐休闲等9类生态服务功能的价值系数。

因此，本文选用当量因子法对大别山区的生态系统服务价值进行动态评估。生态系统服务价值当量因子是衡量生态系统提供生态服务时贡献多少的潜在能力，1个生态系统服务价值当量因子等于单位面积(hm2)耕地每年粮食平均产量市场经济价值的1/7[27]。为避免各年份粮食产量与价格波动带来的影响，本文统一采用2015年大别山区的粮食平均产量水平和全国粮食平均价格为标准来计算当量因子。经计算，2015年大别山区单位面积粮食单产水平为6 076.00 kg/hm2，2015年全国平均粮食收购价格为2.44元/kg，因此大别山区生态系统服务价值的一个当量因子为2 117.92元/hm2。结合谢高地的当量因子表，进而得到大别山区生态系统服务价值系数(表1)。对大别山区的生态系统服务价值进行测算，计算公式为：

ESV=∑(Ai×VCi)

(1)

ESVj=∑(Ai×VCji)

(2)

式中：ESV是区域总的生态系统服务价值；Ai为第i类土地利用类型的面积；VCi为单位面积i类土地利用类型的生态系统服务价值系数；ESVj为生态系统第j项服务功能价值；VCji为土地利用类型的i类的第j项服务功能价值系数。

表1 大别山区土地利用类型生态系统服务价值系数Tab.1 Ecosystem service vaule coefficients of each land use type in Dabie Mountain Area /(元/hm2)

2.2 生态服务价值敏感性指数

为了解大别山区生态系统类型对各类土地变化的代表性与价值系数的准确性，衡量生态系统服务价值对各类土地价值系数变化的依赖程度，本文引入敏感性指数(CS)进行测算[29，30]。若CS>1，说明生态系统服务价值对价值系数是富有弹性的，也代表某类土地价值系数的准确性对总的生态系统服务价值估算越关键；若CS<1，表明生态系统服务价值对价值系数是缺乏弹性的。计算公式如下：

(3)

式中：CS为敏感性指数；ESVg、ESVf为调整前后生态系统总价值(元)；VCgi和VCfi为i类土地类型调整前后生态价值系数。本研究将各类土地价值系数上下变动50%，来测算ESV对VC的敏感水平。

2.3 生态服务价值变率函数

为了解生态系统服务价值受土地利用变化面积增、减的影响，本文利用生态系统服务价值变率函数来衡量[31]。若CR>1，表明生态服务价值受某类土地利用面积变化影响显著；若CR<1，表明生态服务价值受某类土地利用面积变化影响较弱。价值变率公式如下：

(4)

式中：CR为价值变率函数，反映某类土地面积变化对生态服务价值的重要程度；ESVg和ESVf含义同前；A为某类土地利用面积；g和f分别代表向下和向上调整。本研究将各类土地的面积上下变动50%，来测算ESV的变化状况。

3 结果分析

3.1 土地利用类型变化

根据大别山区的遥感解译数据，分析了其土地利用类型的变化(表2)。1995～2015年大别山水土保持区的土地利用总体趋势表现为：林地、草地面积减少，耕地、水域和未利用土地面积增加。从变化规模上看，林地面积缩减最大，减少了843 km2，耕地面积增加最大，增加了722 km2，水域、未利用土地、草地分别增加了127 km2、58 km2和减少了65 km2；从变化幅度上看，水域用地变化率最大，增加了15.84%，其次为未利用土地，增加了9.39%，林地、耕地、草地的变化率分别为-4.86%、7.61%、-2.05%；在阶段性变化中，林地和草地面积表现出不同规模的持续减少的趋势，水域面积表现出增速放缓的上升趋势，耕地和未利用土地面积呈现相反的变化趋势，耕地自1995～2000年大范围增加后呈减少趋势，未利用土地面积于1995～2000年减少后逐步上升。

3.2 生态系统服务价值变化

3.2.1 生态系统总价值变化

1995～2015年，大别山区土地生态系统服务总价值整体呈现波动递减的趋势。从1995年的1 068.90亿元减少到2015年的1 051.88亿元，减少了17.03亿元，减少率为1.59%(表3)。各土地利用类型的生态价值在各时段的变化状况呈差异化的态势。1995～2015年，耕地的生态服务价值经历了先增后减的倒V形变化过程，未利用土地的价值变化过程与耕地相反，但由于两者的生态服务价值增长量大于各自减少量，因此20年间两者的生态服务价值分别增加了10.57亿元和0.05亿元。水域的生态服务价值在1995～2015年一直不断攀升，累计增加了12.36亿元。而草地的生态服务价值在20年间处于持续减少的状态，累计减少了1亿元。由于林地面积大规模衰减，且其生态价值系数大，20年间生态价值从1995年的802.81亿元减少到2015年的763.79亿元，共计减少了39.01亿元，林地面积的缩减是大别山区生态系统服务价值20年里减少的根本原因。

表2 1995～2015年大别山区土地利用类型变化Tab.2 Land use type changes in Dabie Mountain Area from 1995 to 2015

表3 1995～2015年大别山区土地生态系统服务价值变化Tab.3 Ecosystem service value changes of each land use type of Dabie Mountain Area from 1995 to 2015

3.2.2 单项生态系统服务价值变化

从单项生态系统服务价值来看，1995～2015年大别山区除水源涵养、废物处理、食物生产生态服务价值分别增长了0.34%、4.04%、5.15%外，其它各项生态服务价值都表现出不同幅度的缩减，其中气体交换和原材料减少幅度较大，其变化率分别是-3.88%和-4.59%，其余各项生态服务价值变动幅度均小于-2%(表4)。在阶段性变化中，1995-2015年气体交换、气候调节、土壤形成与保护、原材料价值持续减少，水源涵养、生物多样性保护、娱乐休闲生态服务功能价值呈现波浪式增减的过程，废物处理和食物生产整体上都表现出不同幅度的先增后减的变化过程。气体交换、气候调节、土壤形成与保护、生物多样性保护、原材料6项生态服务价值的缩减驱动大别山区生态系统服务总价值下降。

表4 1995～2015年大别山区土地生态系统单项服务价值变化Tab.4 changes of individual service value of land use ecosystem in Dabie Mountain Area from 1995 to 2015

从生态系统功能构成上分析，大别山区各年期单项生态服务价值占区域生态系统服务总价值的比重从小到大排序为：食物生产<娱乐休闲<原材料<废物处理<气候调节<气体交换<生物多样性保护<水源涵养<土壤形成与保护。在各年期中水源涵养和土壤形成与保护的功能作用最为突出，这2项的生态服务价值分别占到各年期土地生态系统服务总价值的16%和17%以上；食物生产所占比重最低，占各年期土地生态系统服务总价值的3%左右。水源涵养、土壤形成与保护、气候调节、气体交换、废物处理、生物多样性保护是大别山区最主要的生态系统服务功能，这6项的生态价值总和超过了不同年份总的生态系统服务价值的83%，这契合了大别山区的生态功能定位：华中重要的生态屏障，国家重要的水土流失防治生态功能区。

3.3 生态系统服务价值空间变化

3.3.1 生态系统服务价值空间分布

为了解大别山区生态系统价值的总体空间变化，采用ArcGIS10.2中的空间叠加分析工具，生成2 km×2 km覆盖区域的格网矩阵，依据5类用地的面积及生态价值系数，测算每个格网单元内的土地生态系统服务价值，然后采用自然间断点分级法将1995～2015年大别山区生态系统服务价值划分成5个等级(封二图版Ⅰ图3)，从高到低依次代表生态价值：高、较高、中等、较低、低。由图3可知，1995～2015年，区域的生态系统服务价值整体呈现从西北、西南及东南向中部增长的空间格局，这与区域林地在中部分布集中，且林地面积大相关，使得中部生态系统服务功能最为显著，而西北、西南及东南部位于低海拔区，地势相对平缓，造成耕地和建设用地分布集中，因此生态系统服务功能较差。从生态价值的层级分布上看，区域绝大部分处于较高值区，高值区显现出零散的分布态势，低、较低值区整体呈环状在区域四周分布，中值区面积呈扩大趋势，在区域的西北部表现出尤为突出。区域中值区的扩大是造成区域生态价值下降的主要原因，未来局部区域应针对性的采取生态修复等措施，以抵消中值区扩张造成的区域生态价值下降。

3.3.2 区域间生态系统服务价值差异

为进一步分析大别山区内15个县(市)的生态系统服务价值的空间分布特征和差异，本文采用地均生态服务价值来表征各县(市)的生态价值水平，将各县(市)的生态系统服务价值划分成5个等级。并用各地区5个年份的生态服务价值的平均值来代表20年间各地区的总体水平(封三图版Ⅱ图4)。整体来看，15个县(市)的生态系统服务价值总体呈现东南高、西北低的分布格局。东南部各县森林覆盖率较高，西北部耕地、未利用面积集中且耕地呈不断增长趋势，这表明，生态服务价值空间分异与土地利用的结构密切相关。1995～2015后，孝昌县生态系统服务价值总体位于低水平；商城县、浠水县总体位于较低水平；潜山市、金寨县、新县、红安县的生态系统服务价值处在中等水平；大悟县、麻城市、霍山县、石台县、岳西县整体处于较高水平；罗田县、英山县、太湖县整体位于生态服务价值高值范围。地区间生态系统服务价值的差异与林地的分布格局呈正相关关系，地均生态价值高的县(市)林地面积占比均高于60%，而地均生态服务价值低、较低的县(市)林地面积占比均低于28%(除商城县占比为39%)。从处在不同生态系统服务价值范围的县(市)的数量占比来看，处于中等和较高范围的最多，共有9个县(市)，占到研究单元总量的60%；有3个县位于高价值水平；2个县处于较低价值水平；处在低价值水平的只有孝昌县1个。

3.4 生态系统服务价值敏感度和变化率分析

应用敏感性指数和价值变率的计算方法，将各类土地价值系数及面积上下变动50%，得到5期5种土地利用类型的生态系统敏感性指数(封三图版Ⅱ图5)和价值变率(封三图版Ⅱ图6)。20年间，林地的敏感性指数最高而未利用土地最低，5种土地利用类型在各年份敏感性指数均小于1，表明大别山区生态系统服务价值对各类土地价值系数是相对稳定的，也说明对研究区的生态系统服务价值的估算是可信的。由图6可见，1995～2015年各类土地的价值变率大小表现为：林地>耕地>水域>草地>未利用土地，当林地面积变化±50%时，可引起生态系统服务价值0.57%～0.60%的变化，相比林地面积变化对生态系统服务价值的影响，草地和未利用土地影响较小。综合敏感性指数及价值变率综合来看，相对于生态价值系数，大别山区生态系统服务价值是缺乏弹性的，价值变率上，林地面积的变化对区域生态系统服务价值影响一直最为显著。

4 结论与讨论

本文基于大别山区1995年、2000年、2005年、2010年、2015年的5期土地遥感影像解译分类数据，采用了谢高地的当量因子法、生态服务价值敏感性指数、价值变率函数对1995～2015年区域的生态系统服务价值时空变化进行研究。得出以下结论。

(1)1995～2015年大别山区的林地、草地面积持续缩减，而水域面积不断增加，耕地面积在1995～2000年大规模增加后不断减少，未利用土地面积经过1995～2000年小规模减少后不断攀升。20年间，区域林地和耕地用地面积变化最大，林地减少了843 km2，耕地增加722 km2，水域面积有一定规模增长，其他土地利用类型面积增减较不明显。

(2)1995～2015年大别山区土地生态系统服务总价值整体表现为不断下降的趋势，20年总计减少17.03亿元，减少幅度为1.59%。生态系统单项服务价值除水源涵养、废物处理、食物生产有所增加外，其他各项生态服务价值均有不同幅度的缩减。造成大别山区总体生态系统服务价值降低的驱使因素是生态价值系数较大的林地面积大幅度缩减及区域土地利用结构转变所导致的气体交换、气候调节、土壤形成与保护、生物多样性保护、原材料生态服务价值的缩减。大别山区水源涵养和土壤形成与保护的功能作用最为突出，气候调节、气体交换、废物处理、生物多样性保护功能较为重要，这6项生态系统服务功能价值总和超过了各年期总价值的83%以上，因此加强生态环境保育是大别山区的首要生态保护和建设任务。

(3)1995～2015年大别山区的生态服务价值的地区空间分异显著。生态系统服务格网价值整体呈现从西北、西南及东南向中部增长的空间格局；地均生态服务价值总体呈现东南高、西北低的分布格局。地区地均生态系统服务价值的空间差异与林地的分布存在正相关关系，高生态服务价值的县林地面积占比均高于60%，低、较低生态服务价值的县林地面积占比均小于28%(除商城县外)。处在中等和较高生态服务价值的县(市)共有9个，占研究单元的60%。

(4)1995-2015年大别山区各年份5类土地利用类型的敏感性指数均小于1，表明区域生态系统服务价值对各类土地价值系数的变化是缺乏弹性的，对生态总价值的估算结果是可靠的。5类土地的生态系统服务价值变率大小表现为：林地>耕地>水域>草地>未利用土地，林地对大别山区生态系统服务价值的影响在20年间一直是最为显著的，具有放大效应。

本文依据Costanza、谢高地等生态服务系统服务价值估算方法，定量估算了研究区域的生态系统服务价值，分析了生态系统服务价值的时序变动与空间分异特征，研究结果具有一定的科学性和客观性。对今后大别山区进一步完善生态功能区划、构建横向生态支付体系、建立生态扶贫体系、科技保障体系，提升优化生态产品供给能力、增强生态综合功能和效益具有指导价值。但由于生态系统功能的多样性、结构的复杂性、空间的异质性，以及生态价值系数受生态系统质量状况和市场定价困难等诸多因素的影响，本文只是依据当量因子法做出了静态评估，缺乏对生态学的调控机制、土地类型的细化等方面的考虑，此外，由于数据和方法的限制，本文只依据土地类型对大别山的生态系统服务价值进行了匡算，未结合其他类型的数据进行全面系统的测算，其结果不能全面反映大别山区的生态系统服务价值的动态演变和影响因素，今后应加强对土地类型细化，结合其他类型数据，进行全面精细的测算与研究。

致谢：感谢杨周、郭金雨对本文的帮助和支持！