基于土地利用变化的生态服务价值当量法适用性研究——以西安市为例

刘 露

(长安大学土地工程学院，陕西 西安 710061)

1997年Costanza[1]提出了全球生态系统服务价值的核算框架，首次从原理和实现途径上对生态服务价值进行了量化，随后又有众多学者进行了探索，但学界并未形成一套完整可行的生态价值核算体系，Costanza提出的评价框架作为生态服务价值的大尺度研究方案在中小区域价值量核算中有较大局限性，并且其在中国的应用有较大缺陷，在此背景下谢高地等[2]在探索我国生态价值核算特征的前提下，提出对标准当量因子进行修正和补充[3]，明确划分生态系统及其功能，构建了当量因子修正模型，为我国生态服务价值核算本土化应用奠定了基础。

1 研究区概况

西安作为西北地区重点中心城市，是当今“一带一路”核心区，我国重要的科研、高教及高新产业聚集地，全域总面积10108km2，地处关中平原中心偏南地带，北邻渭河，南倚终南山，全市境内黄河支流密集，造就了丰沛的关中平原。西安市属暖温带半湿润季风气候，四季分明，冷暖干湿变化明显，降水受地形影响明显，整体南高北低。2020年西安市国内生产总值10020亿元，比上年增长5.2%，全年粮食种植面积272100hm2，粮食产量144.58万t，全年各类建设用地供应量5126.67hm2。

2 数据来源及研究内容

2.1 数据来源

本研究基于的西安市2010年、2015年、2020年土地利用数据来自于中国科学院资源环境科学与数据中心获取的西安市土地利用遥感检测数据；社会经济数据来自于国家统计局官网、《2019年西安市统计年鉴》和《2019年全国农产品成本收益资料》等。参考相关研究内容，将土地利用数据按照耕地、林地、草地、水域、未利用地、建设用地6大类进行类别划分。

2.2 研究内容

2.2.1 土地利用动态度及土地利用程度综合指数

土地利用动态度体现了研究区域在特定时间内单一土地利用类型的数量变化情况，即一定时间范围内的变化速率。其计算公式：

(1)

式中,K为研究区一定时间范围内单一土地利用类型动态度；Ua、Ub分别为研究期初、期末某一地类面积；T为研究周期。

根据庄大方、刘纪远等的研究，评估不同用地类型对土地自然综合体施加的影响以及对土地生态系统的干扰程度，以一种不连续的函数模式将土地利用程度量化表达[4]，同时，考虑到用地类型在现实中交错分布的实际特征，土地利用程度综合程度需按各自面积占比计算，其公式：

(2)

式中,L为土地利用程度综合指数；Ai为第i类土地利用方式面积占比；P为第i类土地利用方式对应的土地利用程度级数，该级数的确定参考已有土地利用程度分级指数，将6种用地类型利用程度等级划分为以下结果，见表1。

表1 土地利用程度分级表

2.2.2 土地生态系统服务价值评价模型构建

COSTANZA生态系统服务价值估算模型从“生态学-经济学”双重视角出发，在对生态系统及其功能进行类别划分的基础上，科学量化各类生态系统在不同生态过程中产生的经济价值量大小[1]，得到了全球生态系统服务价值量的经济价值。具体计算模型：

ESV=∑(Ak×VCk)

(3)

式中,ESV为生态系统服务价值；Ak为第k类土地面积；VCk为第k类土地的生态服务价值系数。

ESVf=∑(Afk×VCfk)

(4)

式中,ESVf为研究区第f类生态系统服务价值；Afk为研究区内第f类生态系统第k类土地面积；VCfk为第f类生态系统第k类土地的生态服务价值系数[5]。

根据谢高地等的研究，综合对比当前生态系统服务价值研究的2种基础思路，考虑到当量因子法估算区域生态服务价值方面的直观性和可操作性，并且在量化复杂研究数据方面具有优势，因此选择遵循其基本思路，通过对2019年西安市3大粮食作物(稻谷、小麦、玉米)的播种面积、2019年陕西省农产品成本收益资料的充分收集评估，进行生态系统服务价值标准当量的修正[6]，计算出西安市土地利用生态系统的一个标准当量因子对应的生态服务价值为1811.65元·hm-2，计算公式[7]：

D=Sr×Fr+Sw×Fw+Sq×Fq

(5)

式中，D为经过修正的单位当量因子对应的的生态服务价值量，元·hm-2；Sr、Sw、Sq分别表示西安市2019年小麦、玉米和稻谷3大类粮食作物的播种面积占比，%；Fr、Fw、Fq分别表示计算出的西安市2019年小麦、玉米和稻谷的单位面积净利润，元·hm-2。详细数据见表2，其中，3类农作物播种面积数据来自国家统计局官网，农作物单位面积净利润根据《全国农产品成本收益资料汇编2019》中陕西省数据提取计算而来。

表2 2019年西安市3类主要农作物播种、利润数据

在标准当量因子值修正结果的基础上，进一步推算出西安市各土地利用类型对应的生态服务价值系数，见表3。

2.2.3 生态系统敏感性分析

表3 西安市生态服务价值系数修正表

生态系统敏感性分析是一种反映生态系统服务价值与生态价值系数二者相关性程度的分析模型，用于检验生态系统服务价值(EVS)在一定时间范围内对生态价值系数(VC)变动的弹性大小，其公式[8]：

(6)

式中，CSk为研究区生态系统敏感性指数；ESVj为调整后的生态系统服务价值；ESVi为调整前生态系统服务价值；VCjk为第k类用地类型调整后的生态价值系数，本文设定其在调整前的原系数(VCik)基础上增加50%[9]；VCik为第k类用地类型调整前的生态价值系数。从原理上看，CS内涵为每1%的生态价值系数(VC)变动引起的生态系统服务价值(ESV)变化量，若因变量变化值大于1%则代表EVS对于VC比较敏感，EVS对于VC的变化有较明显的反馈，二者关系充满弹性；反之，则认为二者间敏感性较差，EVS对于VC的变化缺乏弹性。

3 结果与分析

3.1 土地利用变动分析

由表4可知，过去10a间西安市土地利用格局发生了以下变化，前5a内建设用地面积增长最多，约16700hm2，年变化率为3.51%，其次为水域，面积增加了700hm2，年变化率0.81%；未利用地面积年年均增长率最大为20%，其次为建设用地3.51%；耕地年减少率最大为-0.85%，减少面积约16100hm2。

后5a内建设用地面积仍然增长最多，约10900hm2，年均增加1.95%，与上5a相比，建设用地年均增长速度有所减缓，这与近年来当地政府挖掘土地存量、控制建设用地无序扩张、严格落实土地用途管制制度等密不可分；林地面积减少量依旧最大，约5200hm2，年均变化率为-0.34%；未利用地面积年增长率为5%，仍然是增长率最大的用地类型，但与上5a相比，未利用地的增长幅度明显减缓；除此之外，耕地的利用变化显著，与上5a相比，耕地减少面积和速率显著降低，回顾过去5a的耕地保护政策，西安市严格落实耕地红线保护任务，坚决制止耕地“非农化”，取得了显著成果。

表4 西安市土地利用变动分析表

3.2 土地利用程度分析

参考表1，带入式(2)计算得到西安市2010年、2015年和2020年全域土地利用程度综合指数分别为256.16%、257.86%、259.84%，如表4所示，10a间土地利用程度稳步增长，并且增长速率有所提升，其中，前5a年平均增长率为0.34%；后5a年平均增长率为0.396%，较上5a速率增加了0.056%，全域土地利用程度进一步加深。整体上看，西安市过去10a间土地利用结构的显著变化，各类社会经济活动对土地生态系统造成的干扰逐步加深，其中，土地利用程度分级指数最大，对区域生态系统影响最为深刻的建设用地在过去10a间一直处于快速扩张状态，虽然近5a扩张速率有所降低，但其仍然是全市土地利用综合程度持续提升的主要原因。

将西安市2010年、2015年、2020年土地利用程度情况分别进行可视化表达，制作西安市土地利用程度等级分布图，如图1～3所示，可以看出土地利用等级指数最高的4级用地的分布主要集中在西安市中部靠西区域，主要包括未央、莲湖、新城、雁塔等区域，为西安市主城区位置，建设用地分布最为集中，并且随着时间的推移，有沿主城区边界向外扩张的趋势，尤其是随着2014年西咸新区设立以来，作为国家新型城镇化的综合试点区，区域产业发展、基础设施提升等各类开发建设活动对土地利用格局和程度带来了显著而深远的影响。从自然条件来看，西安市南部山脉环亘，中部北部为平原地区且土地肥沃，具有良好的耕作条件，耕地分布主要集中于此，土地利用等级较高，通过可视化分析发现,近年来主城区周边的城乡交错带附近建设用地对耕地侵蚀明显，耕地在东南方向有侵蚀林地、草地的趋势，进一步推动了西安市土地利用综合程度的提高。

3.3 生态服务价值变化分析

根据表3中生态服务价值系数修正结果可知，6类土地利用方式的生态价值贡献率排序为水域>林地>草地>耕地>未利用地>建设用地，其中，水域作为一种主要的天然用地类型，人为施加影响的可能性较小，而未利用地和建设用地的生态价值贡献又微乎其微，因此，从生态系统平衡、可持续的角度出发，应着重考虑林地、草地、耕地的合理比例，以科学的土地利用结构为西安市生态价值提升创造空间。

图1 2010年西安市土地利用等级分布图

图2 2015年西安市土地利用等级分布图

2010年、2015年、2020年西安市全域生态系统服务价值计算结果如表5～7所示，生态服务价值总量分别为269.86亿元、267.49亿元、262.33亿元，呈逐年下降趋势，前5a生态系统服务价值总量减少约2.37亿元，后5a减少约5.16亿元，降幅明显增加。

图3 2020年西安市土地利用等级分布图

通过分析计算结果，3个时点不同地类创造的生态系统服务价值量从高到低为林地、耕地、草地、水域、未利用地、建设用地，平均贡献率如图4所示。2010年、2015年、2020年3个时点林地的生态价值贡献率分别为57.99%、58.30%、58.43%，贡献率均超过50%以上，稳居第1，对比分析前文的林地面积占比(30%左右)和林地生态系统服务价值构成，可以得出林地在生物多样性保护、气体调节、气候调节、水源涵养等方面发挥的重要价值，以及在全域生态功能和生态价值实现中发挥的关键作用，因此，林地面积的减少和减少速度的加快是导致西安市生态服务价值下降的重要原因。建设用地和未利用地面积也随着城乡建设用地的扩张和土地利用潜力的挖掘逐渐增长，从机会成本的角度看，其占用了其它生态价值更高的地类创造生态价值的可能性，而又对生态服务价值没有贡献或贡献极少，也是生态价值总量减少的原因之一。

表5 2010年西安市生态服务价值明细表

表6 2015年西安市生态服务价值明细表

表7 2020年西安市生态服务价值明细表

图4 西安市主要用地类型生态服务价值平均贡献率图

由表8和表9可知，2010—2015年耕地系统生态服务价值降低幅度最大，约为2.304亿元，其次为林地0.56亿元、草地0.085亿元。水域和未利用地的生态服务价值呈现增长趋势，5a间分别增加了0.575亿元和0.01亿元。2015—2020年生态服务价值减少最多的地类由耕地变为林地，5a间林地生态服务价值减少量为2.649亿元。与上5a相比，水域的生态服务价值也从递增趋势转变为递减，减幅达到1.89亿元，位居减幅第2，仅有未利用地的生态系统服务价值继续保持着增长趋势，增长量为0.003亿元。主要用地类型生态服务价值变化情况如图5所示。

表8 2010—2015年西安市各地类生态服务价值变化表

表9 2015—2020年西安市各地类生态服务价值变化表

图5 西安市主要用地类型生态服务价值变化图

3.4 生态系统敏感性验证

西安市2010年、2015年、2020年生态系统敏感性指数计算结果如表10所示，生态系统敏感性指数排序为林地>耕地>草地>水域>未利用地(建设用地为0)，林地排名第1，平均值为在0.58，表明每1%的单位林地生态系统服务价值系数变动会引起0.58%左右的生态系统服务总价值变动，生态系统服务价值的波动对林地面积变化的敏感性程度最大。此外，耕地和草地的敏感性指数均分布在0.15～0.2。未利用地的生态系统敏感性指数最低，3a平均值约为0.000035%，意味着生态系统服务总价值随之变动的幅度很小很小。总体来看，西安市生态系统服务价值(ESV)对各地类生态系统价值系数(VC)的敏感性较小，研究结果是可信的。

表10 西安市生态系统敏感性指数分类统计表

4 结论

从土地利用变动情况来看，西安市2010—2020年耕地、林地、草地面积均呈现出递减趋势，其中，耕地面积后5a减少速度放缓，而林地、草地则继续加速减少。水域面积变化趋势为先增加后减少；建设用地面积连续增加，但增加速率有所下降。结合土地利用程度分级特点，可以发现西安市土地利用综合程度随着用地结构的变化逐步提高，从分布情况来看有一定的聚集趋势，人类活动对区域土地生态系统的干扰程度明显加深。

不同用地方式对于区域生态服务价值的贡献率排序为水域>林地>草地>耕地>未利用地>建设用地，生态价值贡献率大小为区域生态系统优化提供了底层逻辑。从生态服务价值总量来看，研究期内西安市生态服务价值逐年降低，并且近5a降幅增大。除去面积较为稳定的水域，林地在生物多样性保护、气候调节、水源涵养等方面创造了相当可观的生态价值，对全域生态价值影响也最为显著，表现出明显的正相关关系。

从地类来看，生态敏感性指数最高的地类为林地，3a平均值为0.58；其次为耕地、草地；未利用地的生态敏感性指数最低。整体来看，西安市研究期内各地类对应的生态敏感性指数均小于1，认为西安市生态统服务价值(ESV)对各地类生态系统价值系数(VC)的敏感性较小，研究结果可信。