渭河关中段土地利用变化对生态系统服务价值的影响

成波 李怀恩 丁劲等

摘要[目的]评估渭河关中段土地利用变化引起的生态系统服务价值变化，为渭河关中段生态系统可持续发展的决策提供依据与手段。[方法]根据渭河关中段的土地利用变化数据，采用中国陆地生态系统的服务价值测算方法，对渭河关中段的生态系统服务价值进行评价，并分析了面积变化对生态系统服务价值的影响。[结果]1980～2007年渭河关中段水域面积呈减小趋势，林地面积及建设用地面积均在增加，而未利用地面积在减少，耕地面积变化不大；1980～2007年生态系统服务价值减少了8.37亿元，主要是由于水域面积减少和城市建设用地面积增加引起；林地和草地对生态系统服务价值的贡献最大，单位生态系统服务价值水域最大。[结论]在渭河关中段建设和产业发展过程中，应加强对林地和水域的保护。

关键词生态系统；服务价值；土地利用；渭河关中段

中图分类号S181文献标识码A文章编号0517-6611（2016）04-087-04

Effects of Land Use Change on Ecosystem Service Value in Guanzhong Section of Weihe River

CHENG Bo， LI Huaien， DING Jin et al（State Key Laboratory Base of EcoHydraulic Engineering in Arid Area of Northwest China， Xi'an University of Technology， Xian， Shaanxi 710078）

Abstract[Objective] The aim was to evaluate ecosystem service value change caused by land use change and provide reference for policymaking of sustainable development of ecosystem in Guanzhong section of Weihe River. [Method] According to land use change data in Guanzhong section of Weihe River， using service value calculation method of terrestrial ecosystem in China， ecosystem service value in Guanzhong section of Weihe River was evaluated， effects of area change on ecosystem service value were analyzed. [Result] During 1980-2007 the water area in Guanzhong section of Weihe River showed a decreasing trend， while the area of forest land and construction land were increasing， the unused land area was decreasing， and the cultivated land area changed little. Due to decreasing of water area and increasing of construction land area， ecosystem service value during 1980-2007 reduced 0. 837 billion； the contribution of forest land and grassland to ecosystem service value was the biggest； water area had the maximum unit ecosystem service value. [Conclusion] In construction and industrial development process of Guanzhong section in Weihe River， protection of forest land and water area should be strengthened.

Key wordsEcosystem； Service values； Land use； Guanzhong section of Weihe River

生態系统服务（Ecosystem Services）是指生态系统与生态过程所形成及所维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用，它不仅给人类提供生存必需的食物、医药及工农业生产的原料，还维持了人类赖以生存和发展的生命支持系统[1]。土地利用是人与自然交叉最为密切的环节，土地利用以及由此导致的土地覆盖的变化必然影响生态系统的结构和功能，对区域气候、水文生物地球化学循环及生物多样性等产生重大影响[2]。因此，土地利用覆盖变化过程对维持生态系统服务功能起着决定性的作用，土地利用覆盖变化将是影响区域生态系统功能以及生态环境质量的重要因素。 1997年Costanza等[1]在Nature发表的《全球生态系统服务价值和自然资本》一文，使生态系统服务价值评估的原理与方法从科学意义上得以明确。我国学者应用Costanza的估算方法，对全国、海河上游地区及黑河流域生态系统的服务价值进行了评估[3-5]。目前，渭河关中段生态问题与土地利用覆盖及生态环境质量的变化有关。因此，笔者以渭河关中段作为研究区，以生态系统服务价值作为评价其生态系统服务功能的量化指标，采用中国陆地生态系统服务价值的测算方法，评估土地利用变化引起的研究区域生态价值的变化，旨在为渭河关中段主体功能区的合理规划和生态文明建设提供科学依据。

1材料与方法

1.1研究区概况 渭河发源于甘肃省渭源县鸟鼠山，流经陇、宁、陕三省（区），于陕西潼关注入黄河，是黄河最大的一级支流。渭河流域位于国家经济战略布局“关中-天水”经济区的核心地带，在西部大开发战略中具有重要地位。渭河关中段地处渭河中下游，以渭河平原（又称关中平原）为主体，大致以秦岭主脊和山南地区为界，与子午岭、黄龙山和陕北地区相邻（图1）。行政上包括西安、铜川、渭南、咸阳和宝鸡市及杨凌区，面积约为5.5万 km2。该地区的水资源缺乏，年际变化大，年内分配不均，且渭河的水资源泥沙多，难以利用，水资源分布与经济社会需求不协调，开发成本高。气候属于大陆性季风气候，降水集中在6～9 月，冬季降水较少[6]，且呈暖干化发展[7]，汛期径流量约占全年径流量的60%左右，多年平均径流量为100.34×108 m3。

1.2研究方法

1.2.1数据来源。 土地利用数据来源于《国家重大专项“渭河水污染防治专项技术研究与示范”》：渭河关中段河道生态基础流量研究报告。参照国家通用的土地分类系统及实际情况，将渭河关中段的土地分为耕地、林地、草地、园地、建设用地、交通用地、水域、未利用地8种类型。

1.2.2土地利用变化动态指标。单一土地利用动态度（K）是指一定时间范围内某研究区某种土地利用类型的数量变化情况。

K=（Ub-Ua）/Ua×1/T×100%（1）

式中，Ub、Ua分别为研究初期及末期某一种土地类型的数量；T为研究时段长，当T的时段设定为年时，K值就是该研究区某种土地利用类型年变化率。

2.3生态系统服务价值。

1.2.3.1生态系统服务价值系数的确定。Costanza等[1]将全球生态系统划分为16大类 26小类，将生态系统服务功能划分为17种功能，并以此为基础对全球生态系统的服务价值进行估算。由于缺乏对沙漠、冻原、冰雪、岩石等生态系统的价值以及城市生态系统的休闲和文化价值的研究信息，Costanza 方法未对这几类生态系统的服务价值进行估价。另外，在Costanza等[1]的研究中对耕地的估计过低，对湿地的估算偏高。由于以上原因，谢高地等[8] 根据实际情况，参考Costanza等[1]的研究成果，制订了我国生态系统生态服务价值当量因子表[8]。

单位面积农田生态系统食物生产服务功能的经济价值计算公式见下：

Ccrop=1/7Ta·Tb（2）

式中，Ccrop为农田生态系统单位面积食物生产服务功能的经济价值，元/hm2；Ta为渭河关中段平均粮食单产，kg/hm2；Tb为渭河关中段平均粮食单价，元/kg。根据陕西省统计年鉴，陕西省平均粮食单产为4 182.14 kg/hm2（将5个时间段的平均粮食单产取平均值），粮食平均价格为1.74元/kg，采用式（2）可得到計算结果为1 038.32元/（hm2·a）。考虑到渭河关中段的实情，笔者采用修正后的生态服务价值（建设用地的取值为0）（表1）。

1.2.3.2生态系统服务价值的计算。生态系统服务价值的计算公式见下：

ESV=（Ak×VCk）（3）

式中，ESV为研究区生态系统服务总价值，元；VCk为单位面积土地利用类型k的生态系统服务价值，元/hm2；Ak为研究区域内土地利用类型k的分布面积，hm2。

1.2.4敏感性分析。生态系统价值敏感性指数（Coefficient of Sensitivity，CS）是为了验证生态系统类型对于土地利用类型的代表性以及生态系统服务价值系数的准确性而引入的[9]。该指数是指VCk变动1%引起ESV的变化情况，如果CS>1.0，说明ESV相对于VCk富有弹性；如果CS<1.0，则说明ESV缺乏弹性，比值越大，表明VCk的准确性越关键。笔者通过将各种土地利用类型的生态系统价值系数分别上下调整50%计算CS，来说明ESV对VCk的敏感程度[10-11]。敏感性指数计算公式见下：

CS=（ESVj-ESVi）/ESVi（VCkj-VCki）/VCki（4）

式中，ESVi和ESVj分别代表调整前后的生态系统服务总价值，VCki和VCkj为研究区第k种土地利用类型调整前后的价值系数。

2结果与分析

2.1土地利用变化由《国家专科技重大专项“渭河水污染防止专项技术研究和示范”》得到的渭河关中段土地利用类型面积，根据公式（1），可以得到土地利用动态度（表2）。

2.2单项生态系统服务价值变化运用中国不同陆地生态系统单位生态服务价值表[8]和渭河关中段的土地详细资料数据，计算了渭河关中段生态系统服务价值变化情况。在估算过程中，考虑到不同区域的林地质量存在差异，故林地生态系统服务价值取森林的1/2；未利用地的生态系统服务价值按荒漠的生态系统服务价值计算[12]；由于建设用地的复杂性及数据难以获得，因此该研究不予以计算；水域单位生态系统服务价值取水体和湿地单位生态价值的平均值[13]。由此，采用单项生态系统服务价值计算公式（3），可以得到各种土地类型的生态系统单项服务价值以及各个时期的总价值（表4、5）。表41980～2007年渭河关中段不同陆地单项生态系统服务价值由表4可知，1980～2007年研究区域内的生态系统各单项服务价值的结构顺序未发生变化，按贡献顺序排序为土壤形成和营养循环>废物处理>水源涵养>气候调节>生物多样性保护>气候调节>食物生产>原材料>娱乐文化。原材料和食物生产贡献率均较小，分别不大于5.00%和7.00%，说明渭河关中段生态系统的服务性功能远远大于生产性功能，且生产性功能有弱化的趋势。

将各种土地利用类型的单项加起来，得到各个时期各种类型土地的生态系统服务价值量（表5）。由表5可知，林地生态系统服务价值持续增长，增长幅度大，从86.570亿元/a增加到91.410亿元/a，增加了4.840亿元/a；草地总体有所增加，在27年内增加了0.250亿元/a；水域呈减小趋势，单位生态服务价值最高，但由于面积的持续减少，导致其生态价值在不断缩水，27年内减少了9.740亿元/a；耕地也呈下降趋势，27年内减少了3.730亿元；未利用地也不断减少，贡献量不大，27年内减少了0.007亿元/a；各类型生态系统的服务价值为耕地>林地>草地>水域>未利用地。

2.3各类型用地的单位面积生态系统服务贡献价值将各土地类型的生态系统服务价值计算出来，用生态系统服务价值除以其面积，可得到其单位生态系统服务价值单位贡献价值表现为水域[56 422.31元/（hm2·a）]>林地[11 343.64元/（hm2·a）]>草地[7 517.44元/（hm2·a）]>耕地[7 174.79元/（hm2·a）]>未利用地[436.09元/（hm2·a）]。

2.4各时期生态系统服务总价值从图2可以看出，生态系统总价值量呈减少趋势，特别在1990～2000年减少幅度较大。

图21980～2007年渭河关中段各类型土地总价值量的变化情况

Fig.2The change of total value of each type land in Guanzhong section of Weihe River during 1980-2007原因分析：在该时期内水域面积保持不变，未利用地和耕地面积呈减少趋势，而其他类型土地利用方式面积均在增加，由于耕地面积以及未利用地面积减少，尤其是耕地面积，从而使生态系统服务总价值呈现减少趋势。在1990～2000年总的生态价值量下降最快，林地、草地及水域均在减少，尤其是水域面积锐减，而城市建设用地、未利用地以及耕地面积却在增加，说明前三者的贡献度很大，尤其是水域；2000～2005年总价值量有所增加，除了耕地面积有所减少外，其他用地类型均呈增加趋势，但增幅不大，可见耕地对渭河关中段的贡献量很大；2005～2007年总价值量下降，水域、未利用地和耕地面积减少，而草地及林地面积呈增加趋势。

2.5总生态系统服务价值量与土地面积变化之间的关系27年间渭河关中段耕地、林地和草地面积之和占土地总面积近94.00%，其生态系统服务价值贡献率也近90.00%。其中，耕地45.76%～47.52%的面积提供着39.64%～39.50%的生态服务价值；占总面积22.74%～24.42%的草地贡献了20.02%～20.72%的生态服务价值；林地贡献率较大，以22.97%～24.15%的面积提供着30.30%～32.96%的生态服务价值；水域的面积虽然仅占1.00 %～1.53%，但生态价值贡献率却在10.00%；未利用地所占面积为0.20%～0.26%，价值贡献率为0.01%左右。可见，在各种生态系统类型中，林地和水域对生态系统服务价值的提高具有显著的贡献。由此可见，土地利用变化是生态系统服务价值变化的原因，而生态系统服务价值的变化又可反过来影响地理环境，进而影响土地利用，造成土地利用新结构的形成。水域的面积变化最大，其他土地类型的面积变化较缓，从1990年开始水域面积不断减少，生态系统总价值量剧减，这说明水域的减少是渭河流域关中段生态系统服务价值总量不断减少的主要原因。

2.6敏感性分析利用式（4），将林地、草地、耕地、水域和未利用地的单位面积生态系统服务价值系数分别上下调整50%[14]，应用调整后的生态系统服务价值系数对研究区1980、1990、2000、2005和2007年的总服务价值进行估算，最终得到研究区域不同类型生态系统服务价值敏感性指数（表6）。由表6可知，未利用地的生态服务价值敏感指数最小，为0，而耕地最大，为0.38～0.41。可见，流域内各土地类型的生态服务价值敏感度远小于1.00，且年代际间变化较小，即相对稳定且不具有弹性，研究结果可信[14]。

3结论与讨论

（1）研究区域内的生态系统各单项服务价值按贡献表现为土壤形成和营养循环>废物处理>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。原材料和食物生产贡献率均较小，分别不大于5.00%和7.00%，说明渭河关中段生态系统的服务性功能远远大于生产性功能，且生产性功能有弱化的趋势。

（2）渭河关中段单位面积生态服务贡献价值表现为水域>林地>草地>耕地>未利用地，可以看出水域的贡献价值最高，而水域的面积在这27年内减少速度最快，即使林地有所增加，渭河关中段土地生态系统服务价值呈减少趋势，足以证明水域的重要性。

（3）土地利用结构变化过程中，渭河关中段总生态系统服务价值减少了8.4亿元。各类型土地利用类型对生态系统服务价值的贡献量表现为耕地>林地>草地>水域>未利用地。

（4）该研究对生态系统服务价值结果的准确性进行了敏感性估计，敏感性指数均小于1.00，这说明笔者选取的价值系数比较合理，与王飞[15]得出的结论基本一致。

（5）该研究选取了渭河关中段不同类型用地的面积，采用当量因子法，对渭河关中段的生态系统服务价值做出评价，并分析了面积变化对生态系统服务价值的影响，但是对建设用地的研究比较简单，有待于今后进一步研究。

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