基于土地利用变化的兴县生态系统服务价值评估

郝 亮

(长安大学地球科学与资源学院，陕西 西安 710064)

生态系统服务(Ecosystem services)是指人类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]，其价值评估是生态环境保护的重要依据和基础[2]，人类在土地上的开发带来了地表覆被的改变，驱动着生态系统服务的价值变化[3]。1997年，Costanza等[1]对全球生态系统服务价值进行了评估，对生态系统服务的研究产生了深远影响[4]。国内学者谢高地[5]、欧阳志云[6,7]等在生态系统服务领域开展了大量研究[8]，计算出了中国陆地生态系统单位面积生态服务价值当量表[9]。对于山西省而言，主要研究集中在森林、草地等生态系统的服务价值评估，如对汾河上游[10]、山西省森林[11]、五台山地区[12]等生态系统服务价值评估。由此可见，当前对山西县域、市域等尺度的微观层面研究不够深入。

本文基于县域尺度，选择位于山西省西北部的兴县作为研究区域[13]，基于遥感影像解译获取土地利用数据，在分析土地利用面积及变化的基础上，采用中国生态系统服务价值当量因子表对兴县2005—2015年生态系统服务价值进行评估，以对比得出10a间兴县生态系统服务价值的变化，为决策者更有效、更科学地生态管理和政策制定提供参考。

1 研究区概况

兴县(N38°5′40″～38°43′50″，E110°33′00″～111°28′55″)位于吕梁市北部，属晋西北地区，全县总面积为3168km2(图1)。地势整体西低东高，属晋西北丘陵地区，西部黄河流经。属大陆性季风气候，降水量相对偏少。县域内已发现煤炭、含钾岩石、铝土矿等23种矿产资源，工业结构以第二产业的工业初级产品与能源加工工业为主，2019年完成地区生产总值113.17亿元[13,14]。

图1 兴县位置图

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源与处理

本文以中国资源卫星应用中心陆地观测卫星数据服务平台(http://www.radi.cas.cn/)的Landsat卫星影像数据为基础，选用2005年与2015年相近月份的30m分辨率影像，利用ENVI软件进行地形校正、辐射定标、图像融合、大气校正等，以行政区划为范围，分别进行分幅矢量化得到土地利用数据。然后采用分层与分类随机抽取方法进行精度验证，经检验该影像数据解译精度达到80%以上，满足本研究需要。最后根据《土地利用现状分类》(GB/T 21010—2005)，在ArcGIS 10.2中进行合并土地利用类型并进行分类统计后，得到土地利用类型并将其分为了耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用土地6类，为了方便计算研究，本文将空间数据投影统一到UTM投影系下，空间分辨率统一为100m。

2.2 研究方法

本文以Costanza[1]对全球生态系统服务价值评估的成果为参考，在谢高地等[5]建立的中国陆地生态系统单位面积服务价值表的基础上，得出兴县的生态系统服务单位面积价值，将生态系统服务价值表述为ESV，构成了估算公式：

ESV=∑Pk×Ak

(1)

式中，ESV为生态系统服务价值，元；Pk为第k类土地利用类型单位面积的生态功能总服务价值，元·hm-2；Ak为研究区内第k类土地利用类型的面积，hm2。

本文基于谢高地等[5]的研究结果，对农田生态系统当量因子的经济价值进行了调整。计算公式为：

(2)

式中，Et为单位面积粮食产量的经济价值，元·hm-2；Tt为研究区每年的粮食总价值，元；Xt为研究区每年粮食播种面积，hm2。

结合山西省统计年鉴[15]中的兴县粮食作物播种面积，得出兴县单位生态服务价值当量因子的经济价值量为2653.97元·hm-2，完成了兴县生态系统服务的当量修正。

由于建设用地属于城镇生态系统，受到人为活动与社会经济影响强烈，因此有必要正确核算出城镇生态系统的价值损失值[16]。本文在参考宗跃光等[17]相关研究成果的基础上，从食物生产、气体调节、涵养水源和废物处理4个功能上对城镇用地生态系统服务价值当量因子进行测算，由于人为的干扰使得城镇生态系统在生态系统服务中具有负效益，因此其当量因子全部为负值。此外，本文还结合汤峰等[18]的研究计算了气体调节、气候调节、水源涵养等9项生态系统服务类型的价值。

3 结果与分析

3.1 土地利用变化分析

从土地利用的空间分布来看，兴县东部为吕梁山地，多林地，且呈现出片状分布；南部林地与草地相间分布，且有耕地零星分布；耕地主要分布于河流两岸的河谷地带，因此耕地呈现出连续带状分布的特征；北部与中部沿河零星分布有建设用地，面积较为狭窄(图2)。

图2 兴县2005年(左)与2015年(右)土地利用对比

2015年兴县土地总面积为316800hm2，兴县土地利用类型以耕地和林地为主，草地次之；水域、建设用地、未利用土地占比较少。耕地占比最大，占全县总土地面积的40.41%；居于次位的是林地，占全县总土地面积的35%；相比而言，建设用地在全县土地面积中占比极少，仅为0.2%。由此可见，该县土地利用类型以农用地为主，注重农业发展，城市化水平极低，除县城中心区外，其它建设用地均分布零星，并未形成实质性的城镇。

在2005—2015年间，县域内耕地与建设用地面积略有增加，而水域面积减少最多，减少幅度达到14.69%；未利用地、林地与草地面积变化较小，呈小范围波动态势。

表1 兴县2005—2015年土地利用变化

3.2 生态系统服务价值动态变化分析

基于土地利用的变化，采用单位生态系统服务价值表对兴县生态系统服务价值进行计算，得到2005年与2015年兴县生态系统服务价值(表2)。兴县的生态系统服务价值呈不断减少的态势，共减少0.18×108元，变化率为0.7%。其中，林地和耕地对ESV的贡献均递增，分别增加了0.013×108元和0.005×108元；草地、水域、建设用地的ESV则呈递减的趋势，而建设用地的面积增加对生态系统产生负影响；未利用地的ESV呈基本稳定态势，其对总体的ESV变化影响微乎其微。从变化率来看，水域变化率最大，达到-14.69%；其次是建设用地，为14.66%；然后是耕地、草地和林地，分别为0.25%、-0.08%和0.07%。在所有地类中，林地对ESV贡献最大，比重达到了71.3%，森林和草地2种服务价值量所占比重高达89%以上，由此可见森林和草地对当地生态系统起着重要的作用；面积占比高达40%的农田，在生态系统服务价值量中仅仅占比7.25%；未利用地贡献较小，仅为0.01%，建设用地贡献为负，为-0.52%。

表2 兴县2005—2015年生态系统服务价值量变化

结合生态系统功能占比与兴县土地利用实际情况，计算得到兴县2005年与2015年各项生态系统服务价值(表3)。在2005—2015年间，所有的9项单项生态系统服务类型的ESV均发生变化，除食物生产的价值增加0.013×108元以外，其余8项生态系统服务类型的ESV均不断减少。其中，废物处理功能出现大幅下降，是由于水域面积降低带来的影响，使得水域生态系统对人类排放废物的处理能力降低，也是由于城市化的进程加快，带来更多的废物与垃圾，生态系统需要处理的人类生活所产生的废物量增加，从而削弱了其处理能力，降低了其更新速度；水源涵养功能下降较为明显，降低值达0.048×108元以上，主要原因是水域面积的降低，使得处于黄土高原地区脆弱的兴县生态系统更为脆弱，加之干旱的影响，导致当地水源涵养功能降低明显；生物多样性保护功能的降低主要原因是草地和水域生态系统的萎缩，导致生物量降低，生态系统主要的生产者生存环境恶化，导致整个生态系统的多样性遭到破坏。此外，提供娱乐文化服务功能在生态系统服务总价值中的比例并不高，仅为8.02%，而且还出现了下降，因此发展旅游过程中应加强保护生态环境，重点发掘当地的人文旅游资源，积极巩固脱贫成果，培育乡镇生态环境的旅游潜力。

4 结论

本文在Landsat遥感影像基础上，对兴县2005—2015年土地利用面积及变化情况进行了分析，并采用当量因子表对兴县生态系统服务价值进行了分析，得到如下结论。

研究区内的土地利用结构在2005—2015年间未发生较大变化，土地利用类型以耕地和林地为主，草地次之；水域、建设用地、未利用土地占比较少。10a间耕地、林地和建设用地面积有所增加，草地和水域面积减少。这种变化规律是城市化发展与水域生态遭到破坏等综合因素带来的。

研究区的生态系统服务价值在2005—2015年呈不断减少的态势，从2005年的26.54×108元减少到2015年的26.35×108元，共减少0.186×108元，变化率为0.7%。其中，耕地和林地对ESV的贡献呈现递增趋势，草地、水域、建设用地的ESV则呈递减的趋势。在所有地类中，林地对ESV贡献最大，比重达到了71.3%，其次是草地、耕地和水域，未利用地和建设用地贡献最小。

从单项生态系统服务价值来看，除食物生产的价值增加外，其余均呈现不断减少态势。研究区主要的生态系统服务价值集中在废物处理、水源涵养和生物多样性的保护等功能，比重分别占到34.35%、25.71%和13.19%。

综上，在2005—2015年间,研究区内的ESV减少，生态系统功能有所减弱，应重点警惕的是水域面积的不断减少。水域面积的减少使得处于黄土高原地区脆弱的兴县生态系统更为脆弱，加之气候干旱的影响，导致当地水源涵养功能降低明显。虽然短期内未出现生态系统明显破坏的证据，但是可能会进一步威胁到生态系统安全。而生态系统服务价值的损失往往是不可逆的，经济手段、法律手段或工程手段在短时间内无法弥补生态资产的损失，因此在生态恢复与城市建设时，应做好土地利用、水土保持和环境保护的规划，坚持合理与适度开发，坚持耕地保护红线不动摇，避免破坏当地脆弱的生态系统，维持经济发展与生态环境保护的动态平衡，以求经济效益与生态效益的最大化。

本文对于兴县生态系统服务价值的研究结果与其他学者对于全国其它地区的研究基本一致，能够较为准确地反映兴县生态系统服务价值在2005—2015年间的变化趋势。但是，由于研究时间跨度较小，研究区内土地利用结构与面积变化不够明显，10a间兴县的生态系统服务价值变化不够显著。在今后的研究中，应该注重长时间尺度以及空间动态的变化分析，建立适当的物理、数学模型，应从实地调研入手，着重分析研究区具体地形单元与微观尺度下的生态系统服务变化。