乌蒙山区土地利用变化及其对生态系统服务价值的影响

唐孝甲，唐学君,2*，张伟东

(1.国家林业和草原局华东调查规划设计院，浙江 杭州 310019；2.中国林业科学研究院 林业研究所/国家林业和草原局林木培育重点实验室，北京100091)

土地是人类社会建设发展、物资提供的基础，也是陆地生态系统的重要载体[1]。根据人类活动需求，土地利用功能和结构不断发生变化，进而在不同程度上改变了原有土地生态系统的结构和功能，最终导致土地资源承载能力和生态系统服务价值的变化。生态系统服务价值包括直接提供的物质产品，如粮食、木材等原材料，还涵盖了不同土地利用类型提供的气体、气候调节，水源涵养和废物处理等间接服务[2-3]。生态系统服务价值涉及生态经济学、环境科学、生态学等多门学科，其科学、客观估算是全球研究的热点。1997年，Costanza等[4]提出生态系统服务价值的估算原理和方法；谢高地等[5]结合实际情况针对中国陆地生态系统提出单位面积不同土地利用类型的服务价值。在上述研究基础上，我国众多学者基于不同区域类型和不同土地空间尺度进行了生态系统服务价值研究，研究范围包含全球、省域、市域、县域等；研究对象包含流域、森林、湿地、河谷等不同生态系统[6-10]。本研究以乐山市为研究区，以2010～2016年间土地利用数据为基础，根据具体情况，对其生态服务价值当量进行修正，估算其生态系统服务价值，在社会经济快速发展的背景下，分析土地利用变化对生态系统服务价值的主要影响。

1 研究区概况

乐山市地处四川省中南部、四川盆地西南部、成都平原至川西南山地的过渡带，属于乌蒙山片区，是国家新一轮扶贫攻坚战略的主战场之一，国务院批准实施的《乌蒙山片区区域发展与扶贫攻坚规划(2011～2020年)》明确了乌蒙山片区的战略定位是“扶贫、生态与人口统筹发展创新区”和“长江上游重要生态安全屏障”。研究区地理坐标为102°55′～104°07′ E、28°25′～29°55′ N，南北长165 km，东西宽90～120 km，幅员面积12827 km2，占全省幅员面积的2.64%，在全省21个地市州中列第10位。市境地势呈倾斜状，西南高、东北低，地貌以山地为主，丘陵次之，平原较少；海拔高程320～4288 m。复杂多样的地理环境和气候条件，形成了丰富的土地利用类型。

2 数据与方法

2.1 数据来源

研究数据来源于乐山市国土资源局历年统计数据、第二次土地利用调查数据库，2011～2017年《乐山市统计年鉴》，2011～2017年《乐山市各区县土地利用现状数据集》，国家统计局以及中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn/first.asp)。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用变化分析 土地利用动态度是指在一定时间段内，某个区域的土地资源数量、种类及质量的变化情况，计算公式如下:

(1)

2.2.2 生态服务价值系数确定及修正

2.2.2.1 生态系统服务价值系数确定 本研究将结合研究区的实际情况，对单位生态系统服务价值当量表进行地理类型修正和经济修正，得出生态系统单位面积服务价值当量表和服务价值系数表。

2.2.2.2 地理类型分区修正 地理类型分区主要是采用积温和干湿度2项指标进行分区的，地理类型分区价值修正主要采用积温、干湿度2个关键因子对生态系统服务功能进行校正。

(1)积温修正

积温越大，则生态服务功能所具有的价值越大。生态服务功能强度与积温量呈线性关系，用积温进行单位面积生态系统服务功能价值的校正，公式为：

(2)

(2)干湿度修正

干湿度越大，生态服务功能所具有的价值越低。生态服务功能强度与干湿度量呈线性关系，用干湿度进行单位面积生态系统服务功能价值的校正，公式为：

(3)

2.2.2.3 经济发展度修正 考虑我国社会经济和生产力发展水平具有国内区域差异和城乡差异[10]，依据联合国标准经济分区参数——恩格尔系统进行修正，合理估算社会发展不同区域的生态服务功能价值。

2.2.2.4 恩格尔系数修正 恩格尔系数越大，生态服务功能价值越低。生态服务功能强度与恩格尔系数呈线性关系，用恩格尔系数进行单位面积生态系统服务功能价值的校正，公式为：

(4)

生态系统服务价值当量因子表定义1 hm2全国平均产量的农田每年自然粮食产量的经济价值为1[11-12]，其他生态系统生态服务价值当量因子是指生态系统产生该生态服务相对于农田食物生产服务贡献的大小，经过相关修正，得到单位面积生态系统服务价值当量表(表1)。

2.2.2.5 生态系统服务价值系数计算 确定1个生态服务价值当量因子的经济价值量等于全国平均粮食单产市场价值的1/7，以此可将当量因子表转换成生态系统服务价值系数表，公式为：

(5)

式中，VC为单位农田生态系统提供食物生产服务功能的经济价值(元/hm2)；i为作物种类，p为i种粮食作物全国平均价(元/kg)；qi为i种粮食作物单产(kg/hm2)；mi为i种粮食作物面积(hm2)；M为粮食作物总面积(hm2)。

表1 修正后生态系统单位面积生态服务价值当量表

以乐山市2010～2016年主要粮食种类的平均产量为该区基准单产，粮食单价按每年粮食的平均市场价格为基准，并考虑没有人力投入的自然生态系统提供的经济价值是现有单位面积农田提供的食物生产服务经济价值的1/7，根据公式(5)得出农田自然粮食产量的经济价值约为1968.96元/hm2，即为本研究所采用的不同生态系统服务价值基准单价，再将基准单价与价值当量表相乘得到表2。

表2 各土地利用类型单位面积生态服务价值系数 元/(hm2·年)

2.2.3 生态服务价值计算 根据修正后的各土地利用类型单位面积生态服务价值系数，采用Costanza等[4]提出的方法确定乐山市生态系统服务价值：

(6)

式中，ESV为生态系统服务价值总量(元)；Ai为第i种土地利用类型的面积(hm2)；VCij为修正后第i种土地利用类型的第j种生态系统服务价值对应的价值系数[元/(hm2·年)]；i为土地利用类型，j为生态系统服务功能的类型。

2.2.4 生态服务价值敏感性指数 采用敏感性指数CS来验证乐山市土地利用类型生态服务价值系数的准确性和生态系统服务价值总量对生态服务价值系数的依赖程度。若CS>1，ESV对CS敏感而富有弹性；若CS<1，ESV对CS不敏感且缺乏弹性。CS越小则取值越接近研究区的实际情况，计算公式为[13]：

(7)

式中，ESVj、ESVi分别为调整后和调整前的生态系统服务价值；VCj、VCi分别为调整后和调整前的生态服务价值系数；k为土地利用类型。

3 结果与分析

3.1 土地利用变化特征分析

乐山市2010～2016年土地利用结构以耕地和林地为主，分别达到19%和56%。2010～2016年之间土地利用数量变化如表3所示，将研究期分为2010～2012年、2012～2014年、2014～2016年3个时间段，各时段土地利用类型面积均发生了变化，其中土地利用面积变化率最大的是园地，其用地面积总增加量为6394 hm2，动态度为13.08%，2012～2014年，其动态度变化较大；其次是其他农用地面积，总减少量4908 hm2，动态度为-0.44%；耕地、牧草地以及湿地以均衡且平稳的速度减少，动态度低，基本保持稳定；而林地增长面积最大，为9528 hm2，但由于林地基量大，因而其动态度并不明显。园地、林地面积持续增加，变化率小幅度的先增后减；耕地、牧草地、其他农用地以及湿地面积持续下降，其中牧草地的变化率先增后减。

表3 2010-2016年土地利用类型面积及变化

3.2 生态系统服务价值评估结果

2010～2016年间各土地利用类型的生态服务价值(ESV)核算结果及变化情况如表4所示。乐山市的生态系统服务价值总量平稳增加，由2010年的377.88亿元增加到2016年的383.35亿元，增长幅度较小，变化率为1.45%。由变化率可知，乐山市生态系统服务经济价值逐年增长幅度平稳。2010～2013年逐年增长率呈现稳定增长的趋势，但2013～2016年的增长率下降了0.06%。林地、湿地和耕地是生态系统服务价值的主要贡献者，三者贡献量超过90%。林地面积基数大，ESV的增加量也较大，为4.1亿元，变化率为1.44%，与生态系统服务价值总量变化率持平；湿地面积占地面积比例最小，但生态系统服务价值贡献率较高，接近10%，由于气候变化的原因导致湿地面积不断减少，但变化率较低，因而ESV下降幅度小，变化率为-0.73%；耕地ESV随面积的减少而下降了0.09亿元，变化率为0.29%，达到最低；园地贡献量较小，但随着园地的开发和扩展，ESV增长量仅次于林地，为1.83亿元，但变化率为各土地利用类型之最，为12.42%；牧草地和其他农用地ESV持续减少，变化率分别为0.50%和4.47%。耕地、林地、牧草地、湿地逐年变化率趋于稳定，变化率幅度均不超过0.1%；园地逐年变化率较高，最高达到3.64%，且变化率幅度较高；其中牧草地2012～2013年ESV无变化，其他农用地2010～2011、2014～2015年间ESV也无变化。

表4 2010～2016年生态系统服务价值评估

3.3 生态系统单项服务功能分析

2010～2016年生态系统单项服务功能价值的贡献率排序为：水源涵养>土壤形成与保护>生物多样性>气体调节>气候调节>废物处理>原材料>娱乐文化>食物生产。由于单位面积内，林地与园地的土壤形成与保护、生物多样性以及水源涵养的价值系数较高，林地面积占比较大，因而水源涵养、土壤形成与保护及生物多样性生态服务功能占比较高，超过生态系统服务总价值的40%；气体调节和气候调节价值系数次于生物多样性，且其他农业用地的气体、气候调节生态服务功能为零，因而两者生态服务功能占比适中，接近25%；耕地面积较少，因而食物生产生态服务功能较低，仅为1.7%。另外，生态服务价值系数较高的林地、园地增长面积远大于耕地、牧草地、其他农用地及湿地减少面积，因而各单项生态服务价值仍保持增长态势，其中，食物生产、废物处理生态服务功能增长率较低，其他生态服务功能增长率较均衡。

3.4 生态系统服务价值敏感度评价

敏感性指数是通过调整生态价值系数来显示生态系统服务价值总量的变化程度，进而分析各土地利用类型变化对生态系统服务价值影响的重要程度。分别将乐山市各土地利用类型的生态系统服务价值系数(VC)上下调整50%，根据公式(7)计算得到敏感性指数(CS)。2010～2016年，乐山市各土地利用类型的生态服务价值敏感度均小于1，敏感度最高的为林地，达到0.75，因而林地对生态系统服务价值具有较高的敏感性,应切实加强林地资源保护和管理；敏感度最低的为其他农用地，为0.002；总之，不同年份各土地利用类型ESV对VC缺乏弹性，因此VC取值及修正是科学合理的。

4 讨论与结论

(1)从整体来看，乐山市土地利用的特点为林地比重大，反映了该区典型的山区土地利用类型。2010～2016年土地利用变化特点集中表现为林地、园地面积增加，耕地、牧草地、其他农用地及湿地面积减少。该地区土地利用面积的变化主要来源于城镇化和工业化的快速推进、建设旅游生态文化城市的战略定位、灾后恢复重建用地需求等，其土地需求量主要指向其他农用地。牧草地和湿地的减少是由于气候变化和牧草地退化导致的。

(2)2010～2016年生态系统服务经济价值总量整体呈增长趋势，由2010年的377.88亿元增加到2016年的383.35亿元。乐山市的生态系统服务价值主要是由林地、湿地和耕地支撑，平均每年的生态系统服务价值超过总价值的90%，其中林地对生态系统服务价值的贡献最大。生态服务价值系数较高的林地、园地的增长面积远大于其他土地利用类型的减少面积，因而各单项生态服务价值仍保持增长态势；各年份不同土地利用类型的生态敏感性系数均小于1，说明研究区生态系统服务价值系数取值及修正符合实际情况。

(3)研究区的生态系统服务价值在2010～2016年处于持续增长状态，土地利用变化生态效益明显，形成了与土地利用结构变化相对应的格局，体现了土地利用变化在生态环境方面的响应，符合当地生态发展和脱贫攻坚战略目标。今后，在继续加强林地资源保护的同时，也要注重湿地资源的保护；加强集中成块耕地的保护，尽可能开发零散耕地，提高耕地利用率；优化园地、牧草地等土地利用类型，使各种土地利用更趋于多样化。

(4)本研究采用的生态服务价值核算方法具有普适性，但在生态服务价值修正方法方面仍需不断改进。由于研究数据来源于统计数据，因而各土地利用类型面积的变化欠缺直观性，在今后研究中应借鉴类似研究引入遥感数据，进一步提升可视化分析，同时尽可能增加研究时间的跨度，提高生态系统服务价值损益变化的科学性，以此来体现人类活动对区域土地利用类型变化及生态系统服务价值的影响。