陕北地区土地利用变化对生态服务功能价值的影响

支再兴，李占斌,2，于坤霞†，李鹏，高海东，姚京威

(1.西安理工大学 西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地， 710048，西安；2.黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室， 712100，陕西杨凌；3.黄河水利科学研究院，450003，郑州)

陕北地区土地利用变化对生态服务功能价值的影响

支再兴1，李占斌1,2，于坤霞1†，李鹏1，高海东1，姚京威3

(1.西安理工大学 西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地， 710048，西安；2.黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室， 712100，陕西杨凌；3.黄河水利科学研究院，450003，郑州)

以陕北地区榆林、延安2市作为研究区域，利用土地利用变化数据，对陕北地区用地类型的变化进行分析，并使用合适的生物量因子，修正生态服务功能价值当量表，使当量表更符合陕北地区的实际情况，结合已有研究得到的二级用地类型当量因子比例关系，细化生态系统服务功能当量因子表，以便更准确的估算陕北地区生态系统服务功能价值。结果表明：1985—2013年间，主要用地类型变化为耕地、林地和草地，耕地面积减少2 811 km2，减少率达到9.98%，林地和草地面积分别增加1 392和2 417 km2，增幅分别达到12.85%和7.10%；其中，2000—2013年面积急剧变化，林地和草地面积的增加量分别是1985—2000年的7倍和2倍，退耕还林(草)效果明显；生态系统服务功能价值大量增加，林地和草地的生态系统服务功能价值增量分别为25.2亿和13.9亿元，2000—2013年的增量是1985—2000年增量的3倍。生态服务功能价值的变化与全面推行退耕还林(草)的时间相对应，表明退耕还林(草)政策，对陕北地区生态系统服务功能价值有积极的影响。

土地利用变化； 退耕还林(草)； 生态系统服务功能价值； 陕北地区

土地利用通过改变地表景观，而对生态系统的结构和功能造成影响，通过生态系统服务功能价值评价，能直接体现土地利用变化对区域生态、社会和经济带来的影响[1]。1997年R.Costanza等[2]评估全球生态系统服务功能价值之后，生态系统服务功能价值逐渐成为国外学者研究的热点问题之一。B. Fisher等[3]从管理角度出发，将生态系统服务功能分为非生物输出、中间服务、最终服务和效益。J. P. Schagner等[4]从评价角度，将湿地生态系统服务功能分为水质净化、水量供给、洪水调节、休闲娱乐和栖息地等。G. E. Roeschacnally[5]对森林生态系统服务功能，进行了分析和经济价值评估。我国有关生态系统服务功能价值的研究，始于20世纪90年代，并得到不断发展[6-7]。谢高地等[7]提出的“中国生态系统服务功能当量因子表”，已成为评估不同地区生态服务功能价值的重要手段，也在大量学者的论文中得到应用。王耀宗等[8]采用生态服务价值的方法，对陕北黄土高原土地利用变化的生态效应，进行了综合评价。赵丹等[9]通过遥感、GIS技术以及生态系统服务价值评估等方法，对淮北市的土地利用结构和生态系统服务价值的演变进行定量评价。王航等[10]构建CPI指数，修正生态系统服务价值系数，并对淮河上游土地利用结构及空间格局的时空演变特征，进行分析和ESV评价。但这些研究都是基于一级用地类型进行分析，在进一步估计研究区生态服务功能价值时，会受到限制。

笔者以陕北地区为研究对象，利用生物量因子，对谢高地等研究得到的当量表进行修正，使不同用地类型单位面积的生态服务功能价值，更贴近陕北地区的实际情况，在计算时，应用唐秀美等[11]通过专家咨询法，确定的二级用地类型当量因子比例关系，细化生态系统服务功能当量因子表，更加细致的分析陕北地区土地利用变化，对生态系统服务功能价值的影响。

1 研究区概况

陕北地区位于陕西省北部( E 107°15′～110°15′，N 35°02′～39°35′)，行政区划为榆林和延安2市，总面积8万km2，西北部接毛乌素沙漠，东北部与黄河接壤，属暖温带和温带半干旱大陆性气候，降水量较为稀少，多年平均年降水量变化范围为325～474 mm，是水土流失比较严重的地区，在1999年被选为退耕还林(草)试点，2002年全面推行退耕还林(草)政策。

2 研究方法

2.1 土地利用数据预处理

土地利用数据来源于2013年中国1∶10万土地利用数据库。使用陕北地区1985、2000和2013年土地利用类型图，土地利用一级类型分为耕地、林地、草地、水域、城乡居民建设用地和未利用地，根据唐秀美等[11]研究方法计算时，二级用地类型只将耕地、林地和草地进一步划分。

2.2 生态服务价值计算

2.2.1 生态服务价值计算方法 目前，计算生态服务功能价值量的模型较多，例如美国的E. Investdeng等[12]、K.J.Bagstad等[13]研究模型，国内赵同谦等[14]、王兵等[15]分别估算了中国草地和森林生态系统服务功能价值，但这些模型在计算时，需要参数较多，且侧重于各单项服务功能价值的估算；笔者主要针对价值总量的估算，将谢高地等研究成果与各土地利用类型的面积直接相关，并得到了广泛应用[8-10,16]，而且计算简便易行。采用生态服务价值

计算模型如下：

ESVk=∑tVCktAk；

(1)

ESVt=∑kVCktAk；

(2)

ESV=∑t∑kVCktAk。

(3)

式中：ESV为土地利用类型的生态服务价值，元；VC为土地利用类型不同服务功能单位面积的服务价值，元/km2；A为土地利用类型的面积，km2；k为不同的土地利用类型；t为不同服务功能类型。

2.2.2 生态服务价值当量表修正 根据吕明权等[16]研究，使用生物量因子修正的方法，将谢高地等[17]用尺度控制陕北地区进行研究，取陕北地区主要林种油松(Pinustabulaeformis)和杨树(Populuspurdomii)的生物量因子平均值(0.76)，对林地的生态服务价值当量进行修正[18]，将陕西省农田生物量因子(0.51)，对耕地的生态服务价值当量进行修正，将林地和耕地生物量因子的平均值，对草地的生态服务价值当量进行修正[16-17]，得到修正后的陕北地区生态系统单位面积生态服务价值当量见表1。

表1陕北地区生态系统单位面积生态服务价值当量表

Tab.1Ecosystem service value equivalent coefficient per unit area of northern Shaanxi terrestrial ecosystem

用地类型Typeoflanduse气体调节Gasregulation气候调节Climateregulation水源涵养Waterconservation土壤形成与保护Soilformationanderosioncontrol废物处理Wastetreatment生物多样性保护Biologicaldiversityconservation食物生产Food原材料Rawmaterials娱乐文化Recreationandculture耕地Arableland0.260.450.310.740.840.360.510.050.01林地Forestland2.662.052.432.961.002.480.081.980.97草地Grassland0.510.570.511.240.830.690.190.030.03水体Water0.000.4620.380.0118.182.490.100.014.34荒漠Desert0.000.000.030.020.010.340.010.000.01建设用地Constructionland0.000.000.000.000.000.000.000.000.00

由于一级用地类型得到的估算结果过于粗略，唐秀美等[11]选择旱地的各项服务功能作为基准值，利用专家打分法，确定其他用地子类型的各项服务功能相比旱地的比例关系(表2)，将耕地生态系统服务价值当量细化表。使用唐秀美等研究得到的比例关系，将表1中的各一级用地类型扩充为二级用地类型，笔者只进行生态服务功能总量的估算，所以将当量表简化为各用地类型的各项生态服务功能价值的总当量，结果见表3。其中：一级用地类型为耕地Arable land(AL)、林地Forest land(FL)、草地Grass land(GL)、水体Waters(W)、荒漠Deserts(D)和建设用地Construction land(CL)；二级用地类型为旱地Dry land(AL1)、水田Paddy field(AL2)、有林地Forest land(FL1)、灌木林Shrub wood(FL2)、疏林地Open forest(FL3)、其他林地 Other forest(FL4)、高覆盖度草地High coverage grassland(GL1)、中覆盖度草地Moderate coverage grassland(GL2)和低覆盖度草地Low coverage grassland(GL3)；水体(W)、荒漠(D)和建设用地(CL)不使用二级用地类型计算。

2.2.3 生态服务价值系数确定 依据现有研究和陕北地区具体情况，把每种土地利用类型与最接近的生态系统联系起来，将耕地、林地、草地和水体分别与农田、森林、草地和水体对应。由于陕北地区未利用地大部分是荒漠，所以将未利用地与荒漠对应。对城乡居民建设用地，一般不估算其生态服务价值[16-17]；其中，一个当量的经济价值量，等于研究区每1 hm2平均粮食单产市场价值的1/7[17]。根据2014年陕西省统计年鉴，陕北地区榆林、延安两市，近几年单位面积平均粮食产量为4 665 kg/hm2，平均市场价格2.3元/kg，每1 hm2平均粮食单产市场价值为1万731元，得到每一个当量经济价值为1 533元。笔者得到的陕北地区生态系统单位面积生态服务价值见表4。

表2耕地生态系统服务价值当量细化表

Tab.2Refining of ecosystem service value equivalent coefficient of cultivated land

用地子类型Subtypeoflanduse气体调节Gasregulation气候调节Climateregulation水源涵养Waterconservation土壤形成与保护Soilformationanderosioncontrol废物处理Wastetreatment生物多样性保护Biologicaldiversityconservation食物生产Food原材料Rawmaterials娱乐文化Recreationandculture旱地Dryland111111111水浇地Irrigatedland1.21.50.81.81.30.61.311水田Paddyfield220.51.50.80.51.511

表3陕北地区生态系统单位面积生态服务价值总当量

Tab.3Total ecosystem service value equivalent coefficient per unit area of northern Shaanxi terrestrial ecosystem

用地子类型SubtypeoflanduseAL1AL2FL1FL2FL3FL4GL1GL2GL3WDCL总当量Totalcorrectioncoefficient3.524.3616.6114.8212.4310.854.603.882.7845.990.420.00

注 Note：AL1为旱地 Dry land；AL2为水田Paddy field；FL1为有林地 Forest land；FL2为灌木林 Shrub wood；FL3为疏林地 Open forest；FL4为其他林地 Other forest；GL1为高覆盖度草地 High coverage grassland；GL2为中覆盖度草地 Moderate coverage grassland；GL3为低覆盖度草地 Low coverage grassland；W为水体 Water；D为荒漠 Desert；CL为和建设用地 Construction land。以下类同。The same below.

表4陕北地区生态系统单位面积生态服务价值表

Tab.4Ecosystem service value per unit area of northern Shaanxi terrestrial ecosystem/(Yuan·km-2)

用地子类型SubtypeoflanduseAL1AL2FL1FL2FL3FL4GL1GL2GL3WDCL单位面积生态服务价值Ecosystemservicevalueperunitarea5402668225465227221905016633704859504257705086440

3 结果与分析

3.1 土地利用变化

3.1.1 土地利用面积变化 陕北地区，1985、2000和2013年不同土地利用类型的面积见表5。由此可知，陕北地区1985—2013年土地利用变化总体趋势是：耕地、水域和未利用地面积减少，林地、草地和城镇居民建设用地增加。1985—2013年段，耕地面积减少2 811 km2，减少率达到9.98%，1985—2000年增加267 km2，2000—2013年减少3 078 km2，且主要是旱地的面积变化剧烈；林地和草地分别增加1 392和2 417 km2，1985—2013年增幅分别达到12.85%和7.10%，2000—2013年的增加量分别是1985—2000年的7倍和2倍；未利用地面积减少1 405 km2；水域面积减少55 km2，2000—2013年的减少量是1985—2000年段的2.5倍；城乡居民建设用地增加481 km2，2000—2013年的增量是1995—2000年段的12倍以上，说明此时城镇化建设发展迅速。

表5 陕北地区土地利用变化表

以上分析表明：1985—2013年土地利用变化存在明显的分段现象，1985—2000年土地利用整体变化不明显，但此时林地中有林地减少量巨大，草地质量不断下降，人们对生态环境的破坏不容忽视；2000—2013年土地利用变化直接体现为退耕还林(草)，林草地面积和质量不断提升，退耕还林(草)政策效果明显。

3.1.2 土地利用转移情况 1985—2000年和2000—2013年的土地利用转移矩阵，分别见表6和表7。转移矩阵中，任一位置处的数字，表示该位置所在行的用地类型向所在列的用地类型转化的面积，例如表6中第一行第二列数值为11，含义为1985—2000年段，旱地向水田的转化面积为11 km2。

表6 陕北地区1985—2000年土地利用转移矩阵

表7 陕北地区2000—2013年土地利用转移矩阵

由表6和表7可知，1985—2013年土地利用的转移情况主要发生在耕地、林地和草地，且都在2000—2013年发生急剧变化。1985—2000年，耕地面积没有向其他用地类型发生大量转移，只有草地和未利用地发生了向耕地的小幅度转移变化，耕地的增加面积中，草地和未利用地的贡献率分别达到86%和8%。2000—2013年，旱地向林地和草地转移的面积为6 531 km2，比例达到24%，主要是向草地的转化，其中，中覆盖度草地占转移面积的1/2；同时也有一部分林地和草地向耕地转移，转移面积为3 509 km2，这是由于耕地面积减少，人们为了生活，不可避免的会上山复垦[19]，但耕地向林地和草地的转化面积是林地和草地向耕地转化面积的1.86倍，总体是以耕地向林地和草地转化为主。

3.2 生态服务价值变化

由公式(1)得出，陕北地区各土地利用类型生态系统服务功能价值(表8)和各土地利用类型生态系统服务功能价值增减量(图1)。由此可知，陕北地区生态系统服务功能价值，从1985年的635.2亿元增加到2013年的654.4亿元，2000—2013年增量是1985—2000年增量的3倍，而且生态系统服务功能价值变化量主要集中在耕地、林地和草地。

表8各土地利用类型生态系统服务功能价值及其占比

Tab.8Ecosystem service value of different land use type and their value proportions

用地类型Typeoflanduse用地子类型Subtypeoflanduse198520002013ESV/108YuanProportion/%ESV/108YuanProportion/%ESV/108YuanProportion/%ALAL1151.123.8152.523.8135.920.8AL21.20.21.30.21.30.2FL146.17.345.37.145.26.9FLFL2147.623.2149.523.3155.123.7FL344.57.045.97.247.47.2FL43.10.53.90.618.92.9GL114.42.314.22.219.53.0GLGL2123.919.5121.719.0129.719.8GL347.67.552.68.250.87.8WW51.78.150.67.947.87.3DD3.90.63.10.52.90.5CLCL0.00.00.00.00.00.0合计Total635.2640.7654.4

图1 各土地利用类型生态服务价值增减量Fig.1 Transition quantity of ecosystem service value in different land use type

耕地的生态系统服务功能价值，在1985—2000年增加1.5亿元，2000—2013年减少16.6亿元。这是由于1985—2000年期间，退耕还林政策还未全面推行，此时对于耕地按照占补平衡原则，草地和未利用土地开垦来弥补城镇建设及工业发展所占用的耕地，耕地面积小幅度增加[19]；2000—2013年，退耕还林政策全面推行，耕地面积大幅度减少，导致耕地生态系统服务功能价值大幅降低。

林地和草地在2003—2013年，生态系统服务功能价值增量分别为25.2亿和13.9亿元，1985—2000年增量分别为3.33亿和2.60亿元，2000—2013年增量为1985—2000年的6.5倍和4.3倍。林地的用地子类型中：有林地生态系统服务功能价值，在1985—2000年和2000—2013年，分别减少0.8亿和0.2亿元；灌木林和其他林地在2000—2013年，生态系统服务功能价值增量分别是1985—2000年增量的3倍和19倍，变化剧烈。草地的用地子类型中：中、低覆盖度草地对草地生态系统服务功能价值贡献率分别达到65%和25%；高、中覆盖度草地1985—2000年生态系统服务功能价值分别减少0.23亿和2.18亿元，在2000—2013年生态系统服务功能价值分别增加5.27亿和7.94亿元。这是由于2000—2013年，退耕还林政策全面推行，坡耕地等逐年退耕，还林还草面积稳步增长，2000—2013年陕北地区对林地的保护工作加强，有林地面积的减少被有效遏制，2000—2013年减少量是1985—2000年减少量的1/5，灌木林和疏林地增幅分别为5%和6%，其他林地增幅达到517%；高、中覆盖度的草地面积大量增加，增幅分别为5%和35%，草地质量不断提高，使草地生态系统服务功能价值不断增加。

3.3 生态系统服务功能价值变化影响因子分析

由生态服务价值计算模型可知，生态系统服务功能价值由各用地类型单位面积生态价值和土地利用类型面积共同决定。各用地类型单位面积生态价值依次为水域>林地>草地>耕地>荒漠，林地和草地的覆盖度越高，单位面积生态价值越大。结合土地利用转移矩阵，尽管水域单位面积生态价值最大，达到林地的3倍；但由于自然环境的限制，陕北地区水域面积不到1%，且随着社会经济发展和城镇化建设加快，水域面积持续减少，退化为草地和耕地，致使陕北地区水域的生态系统服务功能价值占比不到10%，且不断减少。未利用地的单位面积生态价值为草地的1/11，1985—2013年大面积向草地转移，使总生态系统服务功能价值大量增加，而生态系统服务功能变化最明显的是耕地、林地和草地。一方面由于这3种用地类型是陕北地区主要用地类型，占总面积90%以上；另一方面是2002年陕北地区全面推行退耕还林(草)政策，近10年来，先后颁发了《关于进一步做好退耕还林还草试点工作的若干意见》、《退耕还林条例》等一系列重要文件，对恢复植被和改善生态环境做出明确要求，使陕北地区林地和草地的覆盖度更高，单位面积林地、草地具有的生态价值更大。

4 讨论

1)王耀宗等[8]在2010年，对陕北黄土高原地区的生态效益进行了评价，评价结果为1997年陕北地区生态效益为688.31亿元，2006年为695.98亿元，但在计算过程中，没有对陕北地区的生态服务功能价值折算系数进行修正，都是在一级用地类型分类的基础上进行计算；而笔者将用地类型细化，并修正了折算系数，得到结果偏小，但更具有合理性。

2)陕北地区退耕还林(草)政策在全面推行之后，依然有用地类型向耕地转化，这和人们上山复垦，小流域治理使耕地面积增加有很大关系；但从总体看，还是以耕地向林地和草地转移为主，而且国家颁发一系列重要文件，对退耕还林(草)区的植被恢复作出明确要求，林、草地的质量也在不断提高。由于经济发展和城镇化加快，陕北地区水域面积不断减少，城镇建设用地持续增加，也在不断的影响陕北地区整体的土地利用结构和生态系统服务功能价值。

3)笔者通过生态系统服务功能价值当量表进行研究，直观简洁，但由于生态系统的复杂性，只能对整体的生态效益做一个大概的估算，对不同生态服务功能具有的价值量，没有选取合适的参数进行细致的计算。今后应研究更为适宜的评估方法，更准确的研究土地利用变化对研究区域整体的生态价值影响。

5 结论

1)陕北地区1985—2013年，土地利用结构受退耕还林(草)政策影响巨大，变化较为显著的是林地、草地和耕地。耕地面积1985—2000年增加267 km2，2000—2013年减少3 078 km2，林地、草地面积在1985—2000年，分别增加175和776 km2，2000—2013年增量分别为1 217和1 640 km2。面积急剧变化的时间段为2000—2013年，与全面推行退耕还林政策的时间一致。

2)陕北地区生态系统服务功能总价值在1985、2000和2013年，分别为635.2亿、640.7亿和654.4亿元，而主要的价值增量由林地和草地提供。林地、草地生态系统服务功能价值在1985—2000年，分别增加3.33亿和2.60亿元，而在2000—2013年，生态服务功能价值增量分别为21.84亿和11.33亿元，1985—2000年生态服务功能价值增量分别为3.33亿和2.60亿元，退耕还林(草)生态效益显著。

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ImpactoflandusechangeonecosystemservicesvalueinnorthernShaanxi

ZHI Zaixing1, LI Zhanbin1,2, YU Kunxia1, LI Peng1, GAO Haidong1, YAO Jingwei3

(1.State Key Laboratory Base of Eco-hydraulic Engineering in Arid Area, Xi′an University of Technology, 710048, Xi′an, China;2.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dry-land Farming on the Loess Plateau, Institute of Soil and Water Conservation,Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, 712100, Yangling, Shaanxi, China;3.Yellow River Institute of Hydraulic Research, 450003, Zhengzhou, China)

BackgroundIn hilly-gullied area of northern Shaanxi, the soil and water erosion is serious, Returning Farmland into Forest and Grassland is an important policy to improve the environment, brings great positive changes to the ecological environment. Northern Shaanxi including Yulin and Yan’an is one of the serious soil erosion regions, thus northern Shaanxi was selected as the pilot area to implement the policy of Returning Farmland into Forest and Grassland in 1999, and it was completely proceeded in 2002. To study the impact effects of this policy, this research focused on the ecosystem service value (ESV) of northern Shaanxi affected by this policy, and analyzed the characteristics of the ESV changing pattern of northern Shaanxi.MethodsThe studied area of northern Shaanxi is located at E 107°15′-110°15′ and N 35°02′-39°35. The data was from the database of 1∶10 land use in China in 2013. The ESV equivalent coefficient per unit area of northern Shaanxi terrestrial ecosystem was firstly revised by appropriate biomass factors, and then refined using the proportional relation between type of land use and subtype of land use. The ESV per unit area of northern Shaanxi terrestrial ecosystem was calculated by grain production. Then ESV was calculated by multiplying the area of different type of land use in northern Shaanxi by ESV per unit area.Results1) In northern Shaanxi, the land-use change occurred in the cultivated land, the forest and grassland, the cultivated land area reduced by 2 811 km2from 1985 to 2013, the rate of change was -9.98%. The area of forest and grassland increased by 1 392 km2and 2 417 km2respectively in 1985-2013, the rate of change was 12.85% and 7.10%, respectively. The areas changed clearly in 2000-2013, the areas increment of forest and grassland in 2000-2013 was 7 times and 2 times of that in 1985-2000 respectively. The construction of land use in northern Shaanxi was observably influenced by the policy of Returning Farmland into Forest and Grassland. 2) The ESV of northern Shaanxi was improved clearly in 1985-2013, the ESV increment of forest and grassland was 2.52 billion and 1.39 billion Yuan respectively, the increment of 2000-2013 was three times of the increment of 1985-2000.ConclusionsThe ESV transformation of forest, grassland and arable land was drastic in 2000-2013, it was corresponding to the time of Returning Farmland into Forest and Grassland energetically, and the ESV perunit area of northern Shaanxi terrestrial ecosystem is positively influenced by the policy of Returning Farmland into Forest and Grassland.

land-use change; Returning Farmland into Forest and Grassland; the ecosystem services value; northern Shaanxi

F301.2

A

2096-2673(2017)05-0023-08

10.16843/j.sswc.2017.05.004

2017-03-07

2017-07-21

项目名称： 国家重点研发计划“黄河流域水沙变化趋势集合评估”(2016YFC0402407)；国家重点研发计划“沟道工程对流域水沙变化影响及其贡献率”(2016YFC0402404)；国家自然科学基金青年项目“基于藤Copula的黄河宁蒙河段冰凌概率预报模型研究”(51509203)；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目“基于WHAT-IF模型的黄河流域典型灌区节水改造实施效果评估”(HKY-JBYW-2017-23)；水利部公益性行业科研专项经费“生产建设项目水土保持生态效应监测与评价技术研究”(201501045)

支再兴(1993—)，男，硕士研究生。主要研究方向：水土保持与荒漠化防治。E-mail:zaixingzhi@foxmail.com

†

于坤霞(1989—)，女，博士，讲师。主要研究方向：水文学及水资源。E-mail: yukunxia@126.com