西北旱区生态服务价值时空动态研究

田 龙,张青峰,2,3,塔 娜,章 慧,董 艳

(1.西北农林科技大学资源环境学院, 陕西 杨凌 712100; 2.农业部黄土高原农业资源与环境修复重点开放实验室, 陕西 杨凌 712100;3.西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院, 陕西 杨凌 712100)

生态系统服务是指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],是人类生存和发展的基本条件，并能以经济价值即生态服务价值(ecological service value, ESV)的形式进行核算[1]。自1997年Costanza[2]提出生态系统可提供气体调节、气候调节、干扰调节、水调节等17项服务功能后，国内外诸多学者对不同地域生态系统的ESV进行了大量针对性的科学研究[3-7]，在理论和实践方面均取得了重要进展，对于提高公众生态保护意识、制定生态系统保育政策和决策提供了理论依据。但从区域经济发展规划角度出发，以气候特征划分的大型区域如西北旱区为尺度而进行的研究仍较为稀少。在我国的ESV研究实践中，由于Costanza方法中相关评价标准的适用性遭到普遍质疑[8]，而多采用谢高地等[9-10]提出的改进评价方法。故本文利用该方法定量分析了西北旱区不同土地利用类型的ESV时空分异特征，以期对西北旱区的土地利用规划及生态经济协同发展提供一定理论参考。

1 研究区概况

我国西北旱区主要是以地理气象特征命名的区域(73°28′E～119°54′E，31°33′N～49°11′N)，西部、北部与邻国接壤，东至大兴安岭，南沿秦岭—淮河的北麓，辖宁夏、甘肃、青海、新疆四省(区)的全部及内蒙古中西部和陕西中北部(如图1)，东西距离约3 800 km，南北距离约2 100 km，总面积3.73×106km2，约占全国国土面积的38%。该区气候干燥，蒸发量大，地形复杂，地貌类型多样，山脉、河流众多，草原、荒漠草原和荒漠并存，农、林、牧等多产业并存发展，土地利用类型多样。

注：地理坐标系为GCS-WGS-1984，采用Asia-North-Albers-Equal-Area-Conic投影。

Note: Geographic coordinate system is GCS-WGS-1984, using Asia-North-Albers-Equal-Area-Conic projection.

图1西北旱区地理范围示意图

Fig.1 The geographical scope of the Northwest Arid Areas

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

数据来源于2004—2012年西北旱区各省(区)国土资源厅提供的土地利用详查及变更调查资料、各省(区)统计年鉴以及中国统计年鉴、国土资源公报等公开出版物。

2.2 土地利用变化分析

按照国家土地利用现状分类标准将土地利用二级地类进行归并分为耕地、园地、林地、草地、居民点及工矿用地、交通用地、水域和未利用地等8种类型。

2.2.1 土地利用动态度 土地利用动态度是指在一定时间段内，某类土地利用类型的面积变化情况[11]，该指标可有效地反映土地利用的空间差异及土地利用变化的剧烈程度。公式如下：

(1)

式中，L表示T时间段内某种土地利用类型的动态度(%)；Ua、Ub分别为研究起止时段内某一土地利用类型的面积(hm2)；T为研究时间长度(a)。

2.2.2 土地利用综合指数 人类对土地进行利用会产生不同的利用深度与广度。根据樊玉山等[12]的研究，将土地利用程度分为4级，并赋予分级指数：未利用地赋值1，林地、草地和水域赋值2，耕地和园地赋值3，居民点及工矿用地、交通用地赋值4。土地利用程度公式如下：

(2)

式中，D为土地利用综合指数；Ak为第k类土地利用类型的分级指数；Uk为第k类土地利用类型的面积(hm2)；U总为研究区域总面积(hm2)。

2.3 ESV评估方法

谢高地等[9-10]以Costanza方法为依据，针对中国实际情况，制定了“中国生态系统服务价值当量因子表”，并规定每公顷农田的年粮食产量的ESV当量为1，其它生态系统类型的ESV当量相对于农田生态系统的贡献而定，且以全国平均粮食市场产值的1/7为单位ESV当量因子的经济价值量。生态服务功能单价计算公式如下：

Eik=eik·Ea

(3)

式中，Eik为第k种土地利用生态系统类型(如耕地、林地等生态系统)的第i种生态服务功能(如气体调节、水源涵养、娱乐文化等)的单价(元·hm-2)；eik为当量因子；Ea为农田生态系统粮食的单位面积ESV(元·hm-2)。

根据各类生态系统面积和各类生态系统服务功能的单价，由式(4)～(6)计算出研究区域生态系统服务功能的经济价值[13]。

ESVk=∑iUk×Eik

(4)

ESVi=∑kUk×Eik

(5)

ESV总=∑k∑iUk×Eik

(6)

式中，ESVk表示第k种土地利用类型的ESV(元)；ESVi表示第i项生态服务功能的价值(元)；ESV总表示研究区域总的ESV(元)；Eik代表第k类土地利用类型第i项服务功能的单位面积的生态价值(元·hm-2·a-1)。

变差贡献率是指某一土地利用类型的ESV变化量占该区域总的ESV变化量的比例，用于判断不同土地利用类型变化对ESV变化的影响程度，计算公式如下：

(7)

式中，ESVcc为变差贡献率；ESVia和ESVib分别为研究时间起止点的第i项生态服务功能的价值(元)。

2.4 人均ESV

从人口对ESV影响的角度进行分析，人均ESV在一定程度上反映出区域ESV大小随人口数量的变化规律，公式如下：

ESVave=ESV/P

(8)

式中，ESVave为人均ESV(元)；P为研究区域总人口(人)。

2.5 生态经济协调度模型与敏感性分析

2.5.1 生态经济协调度模型 生态经济协调度(eco-economic harmony, EEH)指研究区域在一定时期内的ESV变化率和经济总量变化率的比值。公式如下[14]：

(9)

式中，EEH为生态经济协调度；ESVf为单位面积ESV变化率(%)；GDPf为单位面积经济总量变化率(%)。EEH在一定程度上反映生态环境和经济发展的耦合关系，参考相关文献[14]得到其分级标准(表1)。

表1 生态经济协调度分级标准

2.5.2 敏感性指数 为验证生态价值系数的准确性，本文引入敏感性指数(coefficient of sensitivity，CS)来分析ESV对生态价值系数的敏感程度，计算方法[15]如下：

(10)

式中，CS为敏感性系数，表示单位面积生态价值(VC)变化1%所引起的ESV变化；ESVn、ESVm分别为生态价值系数调整前后的ESV(元)；VCnk、VCmk分别为调整前后第k种土地利用类型的生态价值系数。

若CS<1，则说明ESV对于VC是缺乏弹性的，表明结果可信；若CS>1，则表明ESV对于VC是富有弹性的。

3 结果分析

3.1 西北旱区土地利用变化

2004—2012年西北旱区土地利用变化状况如表2所示。由表2可知，研究期间，未利用地、草地面积占比均较大，平均占西北旱区总面积的39.36%和38.63%。西北旱区的土地利用类型面积发生了明显变化，面积变化情况为林地(3.90×106hm2)>交通用地(2.49×105hm2)>水域(2.41×105hm2)>园地(1.65×105hm2)>居民点及工矿用地(1.48×105hm2)>耕地(-9.93×105hm2)>未利用地(-7.31×106hm2)>草地(-1.19×107hm2)，面积占比变化情况分别为交通用地(8.72%)>水域用地(8.01%)>园地(1.61%)>林地(0.71%)>居民、工矿用地(0.46%)>未利用地(-0.53%)>耕地(-0.60%)。随着“村村通”工程的实施以及地方经济和旅游业的发展，交通网络逐步发达，在一定程度上也促进了交通用地面积占比的增加。

2004—2008年，林地、草地、水域和耕地比例呈下降趋势，其它土地利用类型比例呈上升趋势，其土地利用强度综合指数亦有增长态势；2008—2012年，林地、草地、水域和建设用地(包括居民点及工矿用地和交通用地)比例呈增长态势，耕地和未利用地比例呈下降趋势，其土地利用强度综合指数呈增长态势。

3.2 ESV时空变化

3.2.1 ESV时间维度分析 本文对西北旱区2004—2012年之间的年平均单位面积农田自然粮食产量、粮食作物播种面积、粮食价格等相关指标进行计算，根据式(3)得到不同土地利用类型年均单位面积的生态价值，结果见表3。

由表3和公式(4)～(7)，计算西北旱区不同土地利用生态系统服务价值变化结果见表4。

表2 2004—2012年西北旱区土地利用变化状况

表3 西北旱区不同生态系统单位面积ESV/(元·hm-2·a-1)

由表4可知，西北旱区2004—2012年的ESV总体呈现出增长态势，研究期间共增长了166.10×109元，价值变化率为4.84%。其中，林地ESV增长量最大(199.52×109元)，其次为水域(20.12×109元)和园地(4.28×109元)，而草地ESV减少量最大(-48.74×109元)，其次为耕地(-8.93×109元)和未利用地(-0.15×109元)；从价值变化率来看，水域ESV增长幅度最大(101.49%)，园地(20.02%)和林地(11.49%)次之，而耕地ESV减少率最大(-5.40%)，说明耕地面积的减少对其ESV变化较为显著，今后应注意保护耕地面积；从变差贡献率来看，林地的生态服务功能贡献率最大，草地面积的减少使其贡献率明显降低。由此可知，西北旱区的ESV与其土地利用类型面积变化有着紧密的联系。

由西北旱区生态系统单项服务价值变化(见图2)可知，土壤形成与保护、生物多样性保护的ESV占比较大，而食物生产占比最小。单项ESV在2004—2008年呈减少状态，在2008—2012年呈增加状态。2004—2006年土壤形成与保护的减少量占总减少量的比例最大(20.09%)，而在2006—2008年间，气体调节功能的单项ESV减少率最多(17.07%)，2008—2010年除食物生产功能减少外其它服务功能均有所增加， 2010—2012年各生态系统ESV均增加， 且土壤形成与保护的比例最大(16.5%)。2004—2012年， 水源涵养的ESV增长最多(19.6%)。

表4 西北旱区不同土地利用生态系统服务价值变化

3.2.2 ESV空间维度分析 西北旱区各省(区)2004—2012年的生态系统服务价值及其变化率见表5。从表5可知，在研究期间，西北旱区各省(区)的ESV变化不一：青海和宁夏净减，这与林地面积的大幅减少紧密相关；内蒙古中西部、陕西中北部、甘肃和新疆为净增，原因是林地、水域面积的增加和未利用面积的减少；从变化幅度来看：宁夏的ESV下降的最快(20.79%)，其次为青海(3.44%)，宁夏的林地减少量占比较大，是其ESV减少率最大的主要原因；价值变化率最快的为甘肃(27.87%)，其次为陕西中北部(16.81%)，其余省(区)的变化率都不超过10%，表明甘肃和陕西中北部近年来生态环境改善较快，生态效益明显。水域、林地的单位面积生态价值较大，其面积大小成为影响各省区ESV的主要因素。

3.3 人均ESV分析

2004—2012年西北旱区人口数量变化见图3。由图3可知，研究期间西北旱区人口数量逐年增长。

由西北旱区各省区人均ESV(见表6)可知，除2004年外，其它年份各地区的ESVave大小依次为：青海>内蒙古中西部>新疆>甘肃>陕西中北部>宁夏。总体上看，西北旱区人均ESV呈减少态势，这说明在一定程度上，人口的增长对ESV有抑制作用。内蒙古中西部、青海、宁夏和新疆的人均ESV都出现了不同程度的下降，说明人口的增长给其ESV的增长带来负面影响，人口负荷较重；陕西中北部和甘肃的情况比较乐观，人均ESV增加。

3.3 生态经济协调度与敏感性指数分析

3.3.1 生态经济协调度 西北旱区ESV、GDP变化率分别为89.47%、272.97%，其生态经济协调度EEH为0.33。西北旱区的经济和生态状况都呈现出良好态势，都有较高水平的增长；此外西北旱区的生态环境和经济发展处于轻度协调水平，虽然二者协调发展，但仍有恶化的可能。

图2西北旱区生态系统单项服务价值变化

Fig.2 Variances of individual ecosystem service value in Northwest Arid Areas

3.3.2 敏感性指数 本文将单位面积生态系统服务价值分别上下调整50%，得到西北旱区2004—2012年不同土地利用类型的CS变化(见表7)和2012年西北旱区内各省(区)的敏感性系数CS分布(见图4)。

表5 2004—2012年各地区生态系统服务价值空间分异/109元

图3 2004—2012年西北旱区人口数量变化图

由表7可知，CS林地>CS草地>CS耕地>CS未利用地>CS园地>CS水域，2004—2012年林地的CS为0.48～0.53，即当林地的VC增加1%时，该区域的ESV将增加0.48%～0.53%。

由图4可知，西北旱区内各地区的CS分布情况有所不同，内蒙古中西部、陕西中北部以及甘肃等地的CS林地最高，林地的变化会引起该区域ESV较大变化，故应注重加强林地资源的保护；青海、宁夏、新疆等地敏感性指数最高的为牧草地，说明牧草地为影响该区域ESV的主要土地利用类型。由图4和表7可知，ESV对VC的敏感性指数都小于1，这充分表明ESV对VC是缺乏弹性的，本文研究结果真实可信。

图4 2012年西北旱区各地区敏感性指数分布

4 讨 论

研究区的ESV的增加与土地利用的数量与结构关系密切，在满足土地利用多样性的前提下，能否保护好该区有利于ESV的主导土地利用类型，对当地的ESV有着至关重要的作用。林地资源能明显提升西北旱区的ESV，因此应加大对林地资源的保护力度。

西北旱区的生态经济协调度处于轻度协调状态，反映出该地区总体的经济、环境矛盾关系。如能在更细微的尺度上进行GDP和ESV的时空划分，则能更精确地指导研究区生态和经济系统的耦合协调发展，也是今后研究的方向。

数据的准确性对生态系统服务价值的计算至关重要，然而它本身计算过程的复杂性以及其生态价值系数的精确计算的难度较大，导致研究结果一般都属于估算，虽然能在总体上反映出研究区域的生态环境变化的趋势，但要在更细的尺度上进行精确计算仍有一定难度，需综合运用遥感解译、经济学和统计学等相关知识进行更为精确的研究。

本文仅从时间、空间两个维度对ESV进行分析，今后可从探索ESV变化的驱动力、ESV预测回归等方面对西北旱区进行全方位分析，并对进一步改善西北旱区生态环境提出建议及对策。

5 结 论

本文借鉴前人研究成果，对西北旱区土地利用生态系统的ESV进行计算，并从时间和空间角度分析了其分异特征，主要研究结论如下：

(1) 从时间维度来看，西北旱区的ESV由2004年的3 435.14×109元增加到2012年的3 601.24×109元；除食物生产外，单项ESV都有所增长，表明该区域生态环境压力较小。从空间维度来看，各省区平均ESV分异明显，依次为内蒙古中西部>新疆>青海>陕西中北部>甘肃>宁夏，ESV变化率依次为甘肃>陕西中北部>新疆>内蒙古中西部>青海>宁夏，说明甘肃、陕西中北部的ESV虽处于较低水平，但增长迅速，内蒙古中西部、新疆、青海的平均ESV较高，但增长态势较缓慢，宁夏的平均ESV及其增速都处于劣势。

(2) 研究期内西北旱区整体ESV有所提升，但人均ESV却有所下降，说明人口的增加在一定程度上减弱了总体ESV的增加，生态系统的人口负荷有不断增强的趋势，今后发展过程中还要注意保持好合适的人口数量，避免超出生态负荷。

(3) 西北旱区的生态环境和经济发展处于轻度协调状态，ESV增长率低于经济增长率，虽然二者协调发展，但仍有恶化的潜力，今后仍需加强对生态环境的保护力度。

(4) 林地的VC指数较高，耕地和草地的VC指数较低，林地的ESV不仅把减少的耕地及草地的ESV抵消掉，还使整体ESV有所升高，说明林地在西北旱区ESV中扮演着重要角色，它的减少将会使整体ESV急剧下降。这就要求政府及人民努力保护好林地资源，争取实现土地质量与数量的“双赢”。

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