昆嵛山国家级自然保护区生态系统服务价值演变

张文馨, 范小莉, 王 强, 房 用, 时 良, 梁 玉

(1.山东省林业科学研究院, 济南 250014; 2.山东省林业外资与工程项目管理站,济南 250014; 3.烟台市昆嵛山林场, 山东 烟台264112)

生态系统服务是指生态系统和生态过程所形成并维持人类生存所必需的环境条件及获得的福祉[1-3]。生态系统服务价值(ecosystem service value，ESV)核算是表征一个地区生态环境变化的重要指标，是实现生态安全，评估生态保护成效的重要手段[3-5]，基于此，ESV在相关研究领域成为国内外研究的重点和热点[6]。1997年，Costanza首次对全球生态系统服务价值进行了核算[7]，推进了ESV研究的快速发展。作为生态系统服务价值主要估算方法之一，基于土地利用/覆被数据的面积当量法在ESV研究中发挥了重要作用[8]，尤其是谢高地对中国多种陆地生态系统单位面积ESV当量表修订后[9]，该方法在核算森林、湿地等ESV及分析土地利用对ESV影响等多个领域都取得了显著进展，黄木易等对1970—2015年大别山区生态服务价值进行测算[10]，邓楚雄等分析了洞庭湖区土地生态系统的服务价值时空变化[11]，王航等分析了土地利用及景观格局演变对淮河上游生态系统服务价值的影响[12]，薛冰等评估了贵州省森林生态系统服务功能[13]，娄佩卿等分析了1998—2018年京津冀土地利用变化对生态系统服务价值的影响[14]，这些研究成果为我国国土空间管制[15]、重点生态功能区管理和国家生态安全格局的构建[16-17]及自然保护地生态补偿等[18]方面提供了有益参考。

昆嵛山国家级自然保护区成立于2008年，是山东省第一个森林生态类型的国家级自然保护区[19]，也是山东省重要生态功能区，在保护生物多样性、涵养水源、水土保持等方面发挥了重要作用。昆嵛山国家级自然保护区地处我国东部沿海的经济发达地区，经济的快速发展和频繁的人类活动对该区域的生态系统造成了较大威胁，也使得土地利用类型发生了变化。土地作为经济发展和人类活动的基础，其类型的变化对生态系统服务功能及价值产生明显的影响[11,20-21]。目前针对昆嵛山区域的生态系统价值评估，主要采用影子工程法、机会成本法、市场价值法及利用森林资源调查及长期监测数据进行核算[22-23]，在区域尺度上基于土地利用/覆被数据的面积当量法计算昆嵛山区域的ESV尚未见报道。本文研究2008—2018年不同时期土地利用类型变化背景下保护区ESV的变化，掌握自然保护区经过十年的发展后其生态系统服务功能价值的动态变化，为自然保护地整合、生态效益补偿等提供重要参考，从而进一步明确保护区的生态功能定位，促进昆嵛山国家级自然保护区的可持续发展。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

昆嵛山国家级自然保护区位于山东半岛东部，跨牟平、文登两区(市)，地理坐标为东经121°37′0″—121°51′0″，北纬37°12′20″—37°18′50″。保护区气候属暖温带季风型大陆性气候，受太平洋暖湿气流和西伯利亚干冷气流控制，具有四季分明，季风显著，雨热同期，空气湿润，温差较小，光照充足等特点。年均气温11.9℃，年均降水984.4 mm，年均蒸发量1 923.4 mm，年均相对湿度71%，无霜期200 d左右。昆嵛山国家级自然保护区森林覆盖率77.07%，属于典型的森林生态系统，是我国天然赤松林面积最大、保护最为完整的区域，在世界上也具有重要代表性[22-23]。

1.2 数据来源与处理

研究中2008年、2013年和 2018年不同时期昆嵛山的遥感影像分别是由Landsat TM数据和 Landsat OLI数据组成，分辨率30 m。其中，2008年遥感影像数据采用的是陆地卫星 TM5数据，2013年遥感影像数据以及2018年的遥感影像数据则采用陆地卫星 Landsat OLI数据。研究所利用数据均从地理空间数据云平台和中国科学院遥感和数字研究所数据共享平台获取。

根据昆嵛山国家级自然保护区土地利用现状和研究目标，参照土地利用现状分类标准(GBT21010—2007)，将研究区的土地利用分为 5类，分别为林地、耕地、建设用地、水域、裸地及其他用地。

1.3 土地利用动态度分析

土地利用动态度是评价一定时期内不同土地利用类型变化速度的指标，包括单一土地利用类型动态度和综合土地利用动态度[24-26]。

单一土地利用类型动态度：

(1)

式中:K为研究期某种土地利用类型动态度(%);Ua和Ub分别为研究期末和期初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);n为研究区的土地利用类型总数。

1.4 生态系统服务价值核算

本研究的生态系统服务价值核算运用当量因子法，参照谢高地等人研究结果，将昆嵛山生态系统服务类型分为供给服务、调节服务、支持服务和文化服务4个一级类型，进一步细化为食物生产、原料生产、水资源供给、气体调节、气候调节、水文调节、净化环境、土壤保持、维持养分循环、生物多样性和美学景观11个二级类型[9,27]。

根据谢高地等人制定的价值当量表以及对价值当量的计算，结合我国不同省份农田生态系统生物量因子[9,28]，根据昆嵛山实际，对自然保护区各生态系统的服务价值系数进行修正：林地对应针阔混交林，耕地对应旱地，水域为湿地和水系的平均值，裸地及其他对应裸地，建设用地不考虑生态系统服务价值，从而得出昆嵛山单位面积生态系统服务价值当量(表1)和生态系统服务价值系数(表2)。

表1 昆嵛山国家自然保护区生态系统服务价值当量因子

表2 昆嵛山国家级自然保护区单位面积生态系统服务价值系数 元/(hm2·a)

生态系统服务价值计算引用Costanza等[7]计算公式为：

(3)

(4)

式中:ESV为昆嵛山生态系统服务价值总量(元);Ai为第i类土地利用类型面积(hm2);VCi为第i类土地利用类型对应的价值系数(元/hm2·a);n为研究区的土地利用类型总数。ESVf为昆嵛山生态系统各类服务价值(元);VCfi为各类服务功能价值系数[元/(hm2·a)]。

2 结果与分析

2.1 土地利用变化分析

2.1.1 不同土地利用类型变化分析 基于遥感解译的2008—2018年昆嵛山土地利用类型及其面积比例见图1和表3。昆嵛山土地利用类型为林地、耕地、建设用地、水域、裸地及其他。其中林地为最主要的土地利用类型、2008年、2013年、2018年面积分别为10 551 hm2，10 715 hm2，11 554 hm2，面积占比分别为67.75%，68.81%和74.19%，分布范围较广；其次为耕地，主要分布于昆嵛山的西北方向，2008年、2013年、2018年面积分别为3 458 hm2，3 369 hm2，2 896 hm2，面积占比分别为22.21%，21.63%和18.59%；裸地及其他分布较为分散，2008年、2013年、2018年面积分别为1 238 hm2，1 059 hm2，666 hm2，面积占比分别为7.95%，6.8%和4.27%。

表3 昆嵛山国家级自然保护区2008-2018年土地利用变化

图1 昆嵛山国家级自然保护区土地利用分类

2008—2018年期间，林地面积增加了1 003 hm2，所占面积比例由67.75%增至74.19%；建设用地和水域也略有增长，分别增长72 hm2，60 hm2，建设用地所占面积比例由0.87%增至1.33%，水域所占面积比例由1.22%增至1.61%；耕地面积减少562 hm2，所占面积比例由22.21%减少至18.59%；裸地及其他面积减少572 hm2，所占面积比例由7.95%减少至4.27%。

2.1.2 土地利用变化动态度 2008—2018年，昆嵛山不同土地利用类型土地利用变化动态度见表4。从单一土地利用动态度(K)来看，10 a间，林地、建设用地和水域呈正向变化趋势，动态变化分别为0.95%，5.33%和3.14%；耕地、裸地及其他呈负向变化趋势，动态变化度分别为-1.63%和-4.62%，二者是林地、建设用地和水域面积增长的主要来源。2008—2013年林地、耕地、裸地及其他土地利用类型的单一土地利用动态度变化程度低于2013—2018年，但水域和建设用地在2008—2013年的单一土地利用动态度变化程度高于2013—2018年。

表4 昆嵛山国家级自然保护区2008—2018年期间土地利用变化动态度 %

整体来看，2008—2018年综合土地利用动态度(LC)为0.68%，2008—2013年综合土地利用动态度为1.35%，2013—2018年综合土地利用动态度为1.02%。

2.1.3 土地利用类型转移特征 根据昆嵛山土地利用变化转移矩阵可知(表5)，2008—2018年，土地利用类型变化主要是裸地及其他、耕地和林地之间的转移，转入面积最多的土地利用类型是林地，10 a间转入面积1 129.93 hm2；转出面积较大的土地利用类型是耕地和裸地及其他，分别转出699.98 hm2，744.37 hm2。2008—2013年及2013—2018年，土地利用类型变化依然是林地和耕地、裸地及其他之间的转移，整体变化趋势与十年间是一致的。

表5 不同时期昆嵛山国家级自然保护区土地利用变化转移矩阵 hm2

2.2 昆嵛山生态系统服务价值

由表6可知，2008—2018年，昆嵛山生态系统服务价值(ESV)增加了3 201.82万元，增长率达9.53%。其中，2008—2013年，昆嵛山ESV增长较少，仅增长1 121.53万元；2013—2018年，昆嵛山ESV增长较为明显，增长2 080.29万元。生态服务功能一级分类中，对昆嵛山ESV贡献率最大的是调节服务价值，2008年、2013年、2018年分别占到了ESV总值的63.92%，64.29%和64.46%；其次为支持服务价值，2008年、2013年、2018年分别占到了ESV总值的24.01%，23.72%和23.74%；文化服务的比例最低，2008年、2013年、2018年分别占到了ESV总值的4.68%，4.67%和4.71%。

生态服务功能二级分类中，气候调节、水文调节、土壤保持价值的贡献率较大，其中贡献率最大的为气候调节(表6)。2008年、2013年、2018年，气候调节的ESV分别为9 278.62万元、9 438.55万元和10 136.58万元，分别占当年ESV的27.63%，27.20%和27.56%。各项生态服务功能ESV比例各年度变化不大，表明研究区生态系统服务价值格局比较稳定。

表6 2008-2018年昆嵛山国家级自然保护区生态系统服务价值

昆嵛山2008—2018年期间各土地利用类型生态系统服务价值见表7。不同土地利用类型中，林地和水域的生态系统服务价值呈增长趋势，耕地、裸地及其他呈减少趋势。2008年、2013年、2018年，林地ESV贡献率分别达到88.58%，87.05%和88.56%，表明林地对昆嵛山生态系统服务功能发挥有着至关重要的作用。5种不同土地利用类型中，ESV由大到小依次为：林地>水域>耕地>裸地及其他>建设用地。

表7 2008-2018年期间昆嵛山国家级自然保护区各土地利用类型生态系统服务价值

3 讨 论

土地利用格局变化是表征一个趋于生态环境变化的重要指标，对不同土地利用类型的生态系统服务价值有着显著影响[29-31]。昆嵛山自然保护区成立以后，为进一步加强对森林资源的保护，2008—2018年，保护区采取了一系列荒山造林、退耕还林、生态修复等措施，实施了“绿水青山生态修复”、“大地环境全面整治”、“原生动物种群保育”等工程，同时加大了基础设施建设的力度，在土地利用变化上表现为昆嵛山的林地、建设用地(主要为防火道路建设)和水域面积呈增长趋势，耕地、裸地及其他面积呈减少趋势。林地是昆嵛山主要的土地利用类型，2018年林地面积占到了昆嵛山总面积的74.19%。2008—2018年昆嵛山自然保护区土地利用类型变化主要是裸地及其他、耕地和林地之间的转移，面积增加最多的土地利用类型为林地，林地增加1 003 hm2，面积比例增加6.44%，10 a间林地的ESV增长2 828.13万元，虽然占总ESV的比例略有降低，但仍然是维持昆嵛山生态系统服务的主体，这与昆嵛山作为森林生态类型的自然保护区的生态定位相一致；面积减少较大的土地利用类型是耕地、裸地及其他，其ESV也呈现出下降的趋势；虽然建设用地在面积上有一定程度上的增长，但由于整体所占比例较低，土地利用开发强度不高，其产生的效应对生态系统造成的负面效应微弱[32]。各土地利用类型变化趋势及其ESV的变化，表明昆嵛山自然保护采取的一系列生态修复措施实施效果显著，昆嵛山国家级自然保护区土地利用结构朝着增强其生态功能的方向发展，也印证了适度人为干预对森林生态系统具有一定正向促进作用[33]。

当量因子法主要是基于各种服务的价值当量，结合生态系统的分布面积对生态系统服务进行评估，小尺度区域上运用当量因子法核算生态系统服务价值具有更高的可靠性和实践性[34]。运用当量因子法对昆嵛山2008—2018年的生态系统服务价值及其变化进行测算，对昆嵛山自然保护区生态系统的保护与可持续发展具有指导意义。研究发现昆嵛山ESV为3.5亿元/年，2008—2018年间，昆嵛山ESV增加3 201.82万元，增长率达9.53%。生态系统服务功能11个二级指标中，食物生产功能价值呈减少趋势，其余功能价值均呈不同程度的增长趋势，其中气候调节和水文调节功能价值增长明显。生态功能是昆嵛山的主要服务功能，其中调节服务是昆嵛山的主要生态功能，其ESV贡献率在2008年、2013年、2018年分别达到63.92%，64.29%和64.46%。对同一个研究区域，指标体系、评估方法的不同会导致评估结果的差异[34-35]，王玉涛采用影子工程法、机会成本法、市场价值法等研究方法，得出昆嵛山自然保护区的生态系统服务功能价值达4.99亿元/年，主要的生态系统服务功能为涵养水源和净化空气[22]，这与本研究结果存在一定差异。但按照直接价值(供给服务)和间接价值(调解服务、支持服务和文化服务)分类，研究结果都表明昆嵛山生态系统服务功能主体是间接服务，与欧阳志云等人的研究结果一致[36]，这也进一步表明了昆嵛山主体功能是生态功能，而不是原材料供给。基于生态系统服务价值的昆嵛山生态服功能分类结果对保护区生态保护及相关措施的实施具有一定指导意义，保护区应合理规划昆嵛山土地利用格局，严格保护森林生态系统，维持其提供生态功能的能力。

4 结 论

本研究探究了2008—2018年昆嵛山自然保护区不同土地利用类型动态变化，运用当量因子法估算了昆嵛山国家级自然保护区生态系统服务价值。10 a间，不同土地利用类型中，面积增加最多的土地利用类型是林地，林地面积增加1 003 hm2，面积比例增加6.44%；面积减少较大的土地利用类型是耕地、裸地及其他，面积分别减少562 hm2和 572 hm2，面积比例分别下降3.62%和3.68%。10 a间林地、建设用地和水域呈增长趋势，其他类型土地呈下降趋势。从单一土地利用动态度来看，10 a间，林地、建设用地和水域动态变化分别为0.95%，5.33%和3.14%；耕地、裸地及其他呈动态变化度分别为-1.63%和-4.62%，土地利用类型变化主要是裸地及其他、耕地与林地之间的转移。

不同土地利用类型中，林地是昆嵛山主要的土地利用类型，2018年林地面积占昆嵛山总面积的74.19%，林地的生态系统服务价值呈增长趋势，2008—2018年，林地的ESV增长2 828.13万元，2018年林地ESV贡献率达到88.56%。林地对昆嵛山生态系统服务功能发挥有着至关重要的作用，是维持昆嵛山生态系统服务的主体。

昆嵛山自然保护区生态系统服务价值10 a间呈增长趋势，ESV增加了3 201.82万元，增长率达9.53%。各类生态系统服务功能中，除食物生产功能价值有所减少，其余功能价值均呈不同程度的增长。调节服务价值10 a间增长2 242.32万元，占ESV总值的比例提高0.54%。二级类型中，气候调节和水文调节功能价值增长最为明显，气候调节的ESV 10年间增长857.96万元，水文调节的ESV 10年间增长872.64万元，调节服务是昆嵛山自然保护区的主要生态功能。

昆嵛山的土地利用和ESV的变化都向着有利于促进森林生态系统生态功能发挥的方向发展，但作为胶东半岛重要的生态屏障，昆嵛山生态功能的发挥程度对于维持区域生态安全具有重要意义，虽然前期保护区通过荒山造林、退耕还林、加大基础设施建设力度、生态修复等措施的实施，有效维护了昆嵛山生态系统的安全，不断提升了生态系统服务功能，但生态系统保护和修复是一项长期工程，今后应在加大保护力度基础上，结合自然保护地整合优化，进一步优化自然保护地布局，合理利用并规划土地利用，促进昆嵛山自然保护区生态系统健康稳定发展。

本研究仅测算了昆嵛山国家级自然保护区建立后10 a间保护区土地利用格局及生态系统服务功能的变化，没有涉及更长时间的变化，在下步研究中，将进一步扩大研究的时间序列，对昆嵛山国家级自然保护区的土地利用格局及生态系统服务功能的变化开展更为完善的研究，为区域生态政策的制定和生态保护与建设工程的实施提供更多的科学依据。