1999-2009年岷江上游山区聚落生态位内生态系统服务价值的时空差异

2018-04-11李晓宁

西南科技大学学报 2018年1期

李晓宁　樊　敏　赵　丽

(西南科技大学环境与资源学院　四川绵阳　621010)

生态服务价值是指人类直接或间接从生态系统得到的利益，主要包括接受和转化来自经济社会系统的废弃物、向经济社会系统输入有用物质和能量，以及直接向人类社会成员提供服务(如人们普遍享用洁净空气、水等舒适性资源)[1]。近50年来，自然生态系统正承受着由于人类经济和科技发展带来的生态环境的压力，许多生态系统服务价值正在锐减，因此，国内外诸多学者从生态系统服务价值的概念及内涵、评估手段和测算方法在不同时空尺度上开展了大量的研究，并取得了显著的成效[2-4]。目前，生态系统服务价值评估的研究尺度主要包括全球或区域尺度[5-6]、流域尺度[7-9]、单个生态系统[10-11]等方面。大尺度和单个生态系统服务价值评估对区域层面生态保护、国家政策上的制定具有重要意义，且更加适合平原或丘陵地区，但大尺度评估容易使某些特定区域的地理特征现象被忽略，特别是对于具有一定封闭性和垂直分异特征的山区则显得更加明显。

岷江上游山区地形地貌复杂多样、地质活动频繁、气候与植被垂直分异明显、生物多样性丰富,具有强大的气体调节、气候调节、碳固定、保持水土、涵养水源以及生物多样性保育等较为完善的生态服务功能。但是，岷江上游山区聚落处山体的截流部位是藏族、羌族、回族等多民族的聚居区，拥有多元的聚落类型，各民族的经济状况和生产、生活习惯差异显著，人类对生态环境的干扰频繁且显著，使其成为长江上游典型的生态脆弱区[12]。近年来，岷江上游土地利用和覆被变化使生态服务功能日渐缺失，以致岷江上游自然灾害频繁发生，生态环境进一步恶化，对整个岷江流域乃至长江上游的生态安全和区域可持续发展已构成严重威胁。为扭转生态环境持续恶化的态势，1999 年国家在长江上游实施天然林保护工程、退耕还林工程等生态建设工程，对提高岷江上游生态服务价值起着一定的作用，对该地区的生态环境进行准确评估是该区进行生态环境保护亟待解决的首要问题。目前，在岷江区域内多以行政单位为研究单元对单个或复合生态系统，利用统计数据值对生态系统服务价值总量的静态估算[13]，其研究结果未考虑生态服务价值随时间变化的动态过程，不利于客观评价退耕还林生态工程在该区生态环境保护中所起的长远生态效益。

山区聚落生态位是指一定时期内人类聚落在山地生态系统中所处的地理位置及其居民生计所能利用的资源空间[14]。基于山区的相对封闭性和垂直分异大的特点，聚落是一种能够客观表征人类对山地环境影响尺度和资源供给量的基础社会经济和组织单元[15]。岷江上游地处青藏高原东缘，是川西高原东北缘与四川盆地丘陵山地的过渡地带，自然条件错综复杂，地域分异十分明显，是山地生态系统的典型代表[16]。岷江上游山区聚落生态位的形成与发展是长期以来人类适应自然环境、利用自然环境和民族融合的产物[14]，基于聚落生态位的生态服务价值研究，有利于准确揭示国家退耕还林工程对山区聚落生态系统所产生的长期环境-生态效益。因此，本文基于山区聚落生态位，采用土地利用类型单位面积生态系统服务价值动态赋值法，对岷江上游退耕还林前后的山区聚落生态位内部生态服务价值进行研究，通过建立间隙度指数模型定量表征和分析山区土地利用的空间变化特征，从而明确引起生态系统服务价值波动的驱动因素，为岷江上游生态资产的客观评估和生态补偿机制的建立提供科学依据。

1　研究区域与研究方法

1.1　研究区域概况

岷江上游是水量最大的长江支流，是青藏高原东部和四川省西北部的过渡地区，介于30°26′N-33°08′N，102°39′E-103°59′E之间，地势西高东低，纵向落差大，地形类型复杂，气候类型具有显著的垂直分异，生物多样性丰富，主要分布的植被类型有亚热带常绿阔叶林、干旱河谷小叶灌丛、温带落叶阔叶林、针阔混交林、云杉冷杉林、高山灌丛、草甸等[17]。岷江上游流域面积达到2.4×104hm2，总体包括松潘县、茂县、黑水县、理县和汶川县，占据着阿坝州总面积的23%，总人口数为39.13万人，约占全州人口的46.03%。岷江上游属于阿坝州的经济命脉，独特的地理因素使其旅游业发展迅速，并带动了当地的社会经济发展，加速了城市建设的进程[18]。

岷江上游属于典型的V型河谷，位于干旱河谷上线高半山半干旱缓坡地带，水热均衡且适宜农作物生长，成为山区聚落选址的理想场所，岷江上游山区聚落分布的海拔高度变化范围介于814～3 580 m之间，在800～1 400 m海拔段，面积大于80 hm2的聚落生态位数量极少，仅有3个；在1 400～2 000 m海拔段，面积大于140 hm2的聚落生态位数量也非常少，仅有3个[14]，约有75%聚落位于海拔2 000～3 200 m之间。岷江上游从河谷底部至高山顶部呈现出独特的自然生态景观：亚热带常绿阔叶林—农田 (水稻、油菜等)—灌丛(800～1 300 m)—干旱河谷小叶灌丛(1 300～2 200 m)—常绿、落叶阔叶林与针阔叶混交林 (2 000～2 800 m)—云杉、冷杉林(2 800～3 600 m)—高山灌丛、草甸(3 600 m以上)[19]。“八五”以来在岷江上游山区的退耕还林工程主要集中在海拔2 000～2 800 m(常绿、落叶阔叶林与针阔叶混交林)和2 800～3 600 m(云杉、冷杉林)内，且退耕还林工程的实施使流域内局地环境发生较大改善。因此，本文选山区聚落生态位内海拔在2 000～3 600 m范围的土地为对象，分别统计该区域范围内1999年和2009年2个时段聚落生态位内部的土地利用变化状态，揭示山区聚落生态位内部生态服务价值的动态变化特征。

1.2　研究方法

1.2.1生态服务价值估算

利用Costanza 的生态系统服务功能价值核算方法计算山区聚落生态位内每种土地类型的生态服务价值，每种生态服务功能类型的生态服务价值以及总的生态服务价值[5]。

ESVk=Ak×VCk

(1)

(2)

(3)

其中，ESVk，ESV和ESVf分别表示当土地利用类型为k时的生态服务价值、生态服务总的价值和生态服务功能类型f的价值；Ak是土地利用类型k的面积(hm2)；VCk代表土地利用类型k的单位面积生态服务价值(￥/hm2·a )；VCkf是土地利用类型k具有生态服务功能类型f的价值(￥/hm2·a)。

1.2.2间隙度指数模型

间隙度概念最早是由Plotnick[20]于1993年首次引入到景观生态学应用中，用来研究土地利用类型变化的景观结构特征以及对象的空间分布特点，间隙度常用的测度是间隙度指数，计算如式(4)-式(6)[21]：

(4)

(5)

间隙度指数Λ(R)为：

(6)

其中，R为采样网格；S为研究生境适宜性类型所占模板像元的数量；Q(S,R)为S在整个研究区域中的概率分布；Z(1)和Z(2)为S的一阶原点矩和二阶原点矩。由间隙度指数关系式可知：间隙度指数是一个绝对量，它的大小依照采样网格尺度的大小而变化，会带来空间尺度效应[22-23]，因此，本文研究中将土地利用类型分布图的网格分辨率设置为0.5 m×0.5 m，采样网格尺度为1～100倍(网格大小即0.5～50 m)。

间隙度指数的变化表征了土地利用类型对空间尺度敏感性和空间分异性的变化，间隙度指数大，说明土地利用类型对空间尺度敏感性强，空间分异尺度大；间隙度指数小，说明土地利用类型对空间尺度敏感性差，空间分异尺度小。

1.2.3数据获取及处理

研究中采用的岷江上游地区行政区划、地貌特征、植被特征、气候特征、水文特征及社会经济情况等统计数据来源于公开发表文章及当地政府公开出版年鉴；河流、植被、山区聚落名称、行政边界，来源于公开出版的图集；土地利用/覆被数据源于课题组购置的SPOT-2，SPOT- 4 (1999年，10 m全色波段和20 m 多光谱波段)，SPOT-5 (2008-2009 年，5 m全色波段和10 m多光谱波段)影像数据。

对1999年和2009年2期遥感影像进行人工目视解译，获取缓冲区内的680个(1999年)和705个(2009年)2个时段山区聚落生态位内部的土地利用类型数据，并对解译结果通过混淆矩阵与Kappa指数进行评价与验证，进一步以野外实地及问卷调查来验证，最终解译数据的精度为84%。然后将解译结果转换为矢量格式数据，再利用ARC/INFO10.0进行相应的格式转换。

2　结果与分析

2.1　土地利用类型的变化特征

1999-2009年山区聚落生态位内各土地利用类型面积的变化情况见表1。

由表1可知，1999-2009年岷江上游山区聚落生态位内土地利用类型主要分为农田、林地、草地和建设用地4种。2009年生态位内农田较1999年减少了109.1 km2，减少38.79%，1999年农田占生态位总面积的69.15%，2009年农田占生态位内总面积的45.36%。草地、林地、建设用地的占用比例均有一定幅度的增长，其中建筑用地的增长幅度最大，增加量达到71.85%，但其增加比例却最小，仅为3.14%，草地次之(119.95 km2，增加比例17.43%)，林地增加最小(65.39 km2，增加比例10.28%)。从总面积来看，2009年生态位面积比1999年减少了27.25 km2，农田在用地总面积中所占的比例随时间的推移降低，林地、草地和建筑用地所占比例均呈现不同程度的增加，其中草地的增长比例最大，达到14.18%，而建筑用地在4类用地中增长比例最小，仅为2.65%。随着退耕还林工程实施后，农田一部分转换成了草地和林地，使草地和林地的面积得到显著增长，说明国家的退耕还林方案得到了良好的实施。退耕还林工程实施的10年内国家投入2 300多亿元，其中给农民的粮食和现金补助约2 000亿元，种苗补助约250亿元[23]，当地大量的生态移民享受到国家补贴和经济发展的利益，生活及居住水平不断提高，修建及扩建了一批住房，因此在一定程度上使该区建筑面积快速增长。但随着社会经济的发展，当地少数民族受教育人口增加，这部分人大部分选择进城务工，使研究区内人口数量减少，而人口的减少必然导致对居住用地需求的减少，因此建筑用地随着人口密度的减少呈降低趋势，这与黔东南地区退耕还林工程实施后景观变化研究结果一致[24]。

表1　1999-2009年聚落生态位内土地利用面积变化Table 1 Changes of areas for different land use types located in ecological niche from 1999 to 2009

山区的生态服务价值受到地形的影响，普遍存在空间异质性大的特点，而现有的分析还不能够反映出山区土地利用空间格局的自组织聚簇这种特性，因此，本文采用间隙度指数法，从聚落生态位的角度来建立用于评价山区土地利用类型的空间聚簇和分异格局(间隙度维数和间隙度指数参数表征)，达到量化表达山区土地利用类型的聚簇和分异特性的目的，揭示研究聚落尺度对土地利用类型的聚簇和分异特性的影响。通过采样整理，得出了山区聚落生态位内各土地利用类型间隙度指数与采样网格尺寸的关系(图1和图2)。

由1999年和2009年山区聚落生态位内各土地利用类型间隙度指数与采样网格尺寸之间的关系可知，4类土地利用类型中，草地间隙度指数从1 200增加为1 300，表明草地对空间尺度较敏感，空间分异尺度大。林地、建设用地和农田的间隙度指数都呈现降低的趋势，分别从1 400降低到1 200，500降低到480，3 700降低到2 300，间隙度指数降低表明林地、建设用地和农田这3类土地对空间尺度敏感性差，空间分异尺度小。各土地利用类型对空间尺度分异1999年表现为农田>林地>草地>建设用地，2009年表现为农田>草地>林地>建设用地。

土地利用类型的空间分异性变化，表明土地利用类型在研究尺度中所占的比率。草地的间隙度指数增加，表明从1999年到2009年草地面积增加导致空间分异性增大，生态系统服务价值变化显著。林地、建筑用地和农田的间隙度指数减小，但从1999年到2009年在聚落区内仅农田面积减少，林地和建筑用地面积和增长比例增加，这说明林地、草地和建筑用地在空间上集聚占地比率增加。林地和农田面积的空间集聚表明退耕还林政策的有效实施后，大部分的农田已经转化为生态林和经济林，现有的农田主要用于保障聚落区内居民的基本生活使用，主要集聚于聚落区内。建设用地的空间集聚是因为建设用地主要分布在适宜居住的V型河谷中部，退耕还林后，移民政策推进基础设施建设和住房建设使得建设用地在空间上产生集聚现象。土地利用类型的空间变化与研究区域的人口分布、自然环境及国家政策密切相关，农田的空间分异性最大，建设用地的空间分异性最小，主要是因为农业生产和生活是维持人类生存最基本的生产活动，其空间分布与人类活动范围及自然条件密切相关。

2.2　生态服务价值在时间上的动态变化

根据《阿坝州年鉴·2009年鉴》[25]，岷江上游山区农业耕地粮食生产的收入约占GDP(第一产业)的10%，通过岷江上游山区聚落生态位内农耕粮食生产的收入、各利用类型土地面积以及各土地利用类型生态服务价值当量(参照谢高地等研究)[26]，可以计算出1999年和2009年岷江上游山区聚落生态位内各土地利用类型单位面积的生态服务价值(表2)。

表2　各土地利用类型单位面积生态服务价值(￥·hm-2)Table 2 Ecosystem service value per-unit area of different land use types(Unit:￥·hm-2)

从表2可知，1999-2009年林地和草地为研究区内气体调节和水源涵养的主要贡献者，基本占到了80%以上，其中林地是生物多样性保护、娱乐文化和原材料的主要来源。土壤形成以林地为主，农田对废物处理贡献最大，食品生产以农田为主，建筑用地在生态服务的各方面贡献度低。对比1999年和2009年各土地利用类型单位面积生态服务价值可知，4类土地利用类型的各项生态服务价值均呈现增加趋势，农田、林地、草地和建筑用地分别增长62.19%，63.31%，63.31%和45.70%，林地和草地增幅最大，农田次之，建筑用地增幅最小。建筑用地生态服务价值虽然也有增加，但其增幅相对于其他3类土地相对较小，这是由于退耕还林工程实施以后，农田面积减少，转变为草地和林地，所以林地和草地的生态服务价值增加。退耕还林(还草)实施过程中，国家级政府对当地的居民实施了优厚的移民政策，加之在此期间，当地政府不断加快基础设施建设，因此当地的住房得到重建及改善，可见，政策制度能够更大程度地影响区域土地利用类型和其生态服务价值[28]。农田面积虽然减少，但其生态服务价值却是增加的，表明退耕还林工程在保证经济发展的同时，还兼顾了生态保护，提高了岷江上游的生态环境质量，实现了经济效益与生态效益的协调发展。

依据岷江上游山区聚落生态位内各土地利用类型的面积(表1)，计算得出1999年至2009年各土地利用类型的生态服务价值，整理得到1999年与2009年总的生态位内生态系统服务价值总体变化情况(图3)。

图3　1999和2009年各土地利用类型生态系统服务价值变化Fig.3　The changes in ecosystem service values of individual land use categories for 1999 and 2009

由图3可知，1999-2009年岷江上游生态效益得到了稳步提升。1999年研究区的生态效益以农田为主，其次为森林，而在2009年研究区的生态效益以森林为主，其次为农田。主要是由于1999年聚落区内农田面积最大为281.24 km2，占4类土地利用类型的69.2%，森林的面积虽然比草地面积少，但其在气体调节、气候调节、水源涵养、土壤形成和保护、原材料和文化生态服务功能贡献度上明显高于草地，而2009年研究区内森林面积由1999年的41.79 km2大幅增加到65.39 km2，农田面积由1999年的281.24 km2缩小到172.14 km2，因此森林成为生态服务价值的最大贡献者。

1999年和2009年总生态服务价值分别为3.55×108元/年和9.86×108元/年，其中农田生态服务价值从2.06×108元/年提升到了3.36×108元/年，森林生态服务总价值从0.95×108元/年提升到了4.01×108元/年，草地从0.53×108元/年提升到了2.46×108元/年，建筑用地从0.005 6×108元/年增长到了0.032×108元/年，农田、林地、草地和建设用地的生态效益总量分别增加38.69%，76.31%，78.46%和82.50%。可以看出，农田的土地面积减少了，但是它的生态服务价值反而提高了，这是因为1999年到2009年，国家经济的高速发展，人民生活水平的提高，进而各土地利用类型单位面积的生态服务价值得到了提高，农田的生态服务价值不减反增。另外3个土地利用类型在10年间的生态效益变化量很大，主要是由于相应地类的面积大量增加而表现为总面积上的生态服务价值提高，还有国家经济水平的增长，使得单位面积的生态服务价值得到了提高以及退耕还林工程的实施，使得这一分布特征得到了改变，即森林和草地的增幅明显高于农田，也间接地证实了退耕还林的有效实施。另外，建筑用地的面积也得到了增加，生态效益有了明显涨幅，这也证实了城市发展对经济效益的有效提升。

农田、林地、建设用地为内生型增长，土地利用类型的空间集聚有利于集中化管理，草地为外延型增长，总面积在增加。通过计算，我们统计得到1999和2009年岷江上游山区聚落生态位内各种类型生态系统服务的生态服务价值(表3)。

根据表3可以看出1999年和2009年各生态服务所占的比重，其中气体调节、气候调节、水源涵养、土壤形成与保护、原材料以及娱乐文化所占的比重明显增加，而食物生产从8.91%减少到6.21%，比重明显下降。这说明退耕还林后农田面积减少，降低了粮食的生产和农业废弃物对总的生态服务价值的贡献量，退耕还林所带来的生态效益已经得到初步体现，农田的减少，使得食物生产在生态服务中所占的比例下滑，牺牲粮食生产所带来的生态效益是森林生态调节的提高，从而可以提高岷江上游地区生态环境质量。同样，退耕还林后提高了山区的植被覆盖率，植被覆盖率增加有利于改善土壤结构和肥力，减少土壤水分损失，提高水分渗透率，尤其是在调节地表径流和减少水土流失方面作用显著，因此提高了水源涵养和土壤形成与保护对总的生态服务价值的贡献率。森林和经济林面积的增大，使山区生物多样性得到保护，使当地得到充足的木材及果实，经果林的建设，使当地大力发展乡村旅游经济，提高了食物生产、生物多样性保护、原材料和娱乐文化对总的生态服务价值的贡献率。森林是陆地系统中最大的有机碳库，其固碳释氧功能在对气候调节和气体调节方面作用巨大，提高了气候调节和气体调节对总的生态服务价值的贡献率。

表3　1999年和2009年各种类型生态系统服务的生态服务价值Table 3 The ecosystem service values of individual ecosystem service types for 1999 and 2009

2.3　生态服务价值在空间上的变化

利用GIS空间分析模型分别对1999年和2009年各土地利用类型的时空变化模型进行了量化描述，基于模型获得岷江上游山区聚落生态位内各土地利用类型单位生态服务价值的数据变化，评估各土地利用类型变化对生态服务功能的影响。将每个土地利用类型的生态服务价值以及各地区分块面积相结合，导入ArcGIS进行图像分析得到1999年和2009年生态系统服务价值空间分布特征(图4)。

图4　1999年和2009年生态系统服务价值空间分布图Fig.4　The spatial distribution maps of ecosystem service values for 1999 and 2009

从图4可以看出，1999-2009年岷江上游聚落生态位内生态服务价值在空间上主要分布为：生态服务价值在空间上变化显著，茂县和黑水县的生态服务价值分布较高，占生态服务价值比重更大，基本覆盖其管辖区域，而汶川、理县、松潘3县只有很少一部分，且分布地区都靠近茂县，总体呈现为东多西少分布格局。岷江上游聚落生态位内生态服务价值空间分布趋势与各县的海拔高度、人口密度密切相关。松潘县海拔约2 850 m，水热不足，人口数量少，且多以从事畜牧业的藏民为主，但其矿产资源储量丰富，该区对矿产资源的开发不利于草地林地的保护。黑水、茂县海拔分别约2 350 m和1 580 m，这些地方水热匹配较好，人口密度适中，主要以林地为主，植被覆盖率高，因此，生态服务价值较高。汶川、理县海拔相对较低，且位于河谷地带，交通便利、热量充足且引水灌溉便利，是岷江上游进入成都平原的门户地带，交通及社会经济发展迅速，区域人口分布相对较为集中，土地利用以建筑、农田为主，林地、草地面积比重小，因此，生态服务价值较低。因此，理县、汶川和松潘有着很大的生态服务价值没有得到开发，在退耕还林方面可以更大幅度地在这3个地区实施。

3　结论及建议

本文通过土地利用类型间隙度指数反映其空间格局及其自组织聚簇特性，进而阐明土地利用类型的空间格局及面积变化对生态服务价值的影响。1999-2009年岷江上游山区聚落生态位内生态服务价值明显增加，对于岷江上游山区聚落生态位生态服务价值的研究，可以为其建立该区域的生态补偿机制以及评估退耕还林工程生态效益提供重要的依据。

(1)岷江上游山区聚落生态位内在1999-2009年土地利用类型以草地、森林、农田和建筑用地为主，草地、森林和建筑用地的面积明显增加，农田面积明显减少，主要是因为10年来退耕还林工程的实施，导致土地利用面积以及所占比例均发生不同程度的变化。农田面积减少108.20 km2，减少率为38.45%，草地、森林和建设用地面积分别增加49.77，23.19，9.16 km2，增加率分别为69.68%,54.84%和71.17%。

(2)由1999年和2009年山区聚落生态位内各土地利用类型间隙度指数可知，4类土地利用类型中，草地间隙度指数增加，表明草地对空间尺度较敏感，空间分异尺度大,而林地、建设用地和农田的间隙度指数都呈现降低的趋势，表明林地、建设用地和农田这3类土地对空间尺度敏感性差，空间分异尺度小。各土地利用类型对空间尺度分异1999年表现为农田>林地>草地>建设用地，2009年表现为农田>草地>林地>建设用地。

(3)从时间上来看，1999-2009年山区聚落生态位内4类土地利用类型的各项生态服务价值均有所增加，总生态服务价值增加了6.32×108元。在研究时期内，各土地利用类型对总生态服务价值的贡献率发生了变化，1999年生态服务价值的贡献率为农田>林地>草地>建设用地,2009年生态服务价值的贡献率为林地>农田>草地>建设用地。从空间分布上来看，岷江上游山区聚落生态服务价值总体呈现为东多西少分布格局。

(4)岷江上游山区聚落生态服务价值的时间变化原因在于：退耕还林工程的10年中，农田面积的减少导致了食物生产生态服务功能的下降，聚落人口的减少、迁移导致所需农田食物供给这一生态服务功能下降。林地在空间上的集聚、草地总面积的增加明显提高了气体调节、气候调节、水源涵养、土壤形成和保护、原材料和文化生态服务功能，国家退耕还林工程在提升生态服务功能的可持续性方面效益显著。建筑用地面积的增加，使得建筑用地的生态效益得到了明显提高，说明城市建设对生态效益有着积极的作用。空间上的变化说明自然条件和人口分布是造成生态系统服务价值空间分布差异的主要原因。

(5)通过对岷江上游山区聚落生态位生态服务价值的计算和比较得知，退耕还林对土地利用的分配有着更好的优化处理，进而可以使得岷江上游的生态服务功能得到提高。但是，由于山区垂直分异大、人地矛盾突出、产业滞后、农村贫困等问题导致退耕还林难度依然较大，国家应该根据山区的地理环境与经济情况，实施生态功能提升和生态产业发展共赢的退耕还林政策，既能解决山区退耕农户的基本生计，又能实现生态效益的长期化与最大化。

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