基于土地利用变化的慈利县生态系统服务价值研究

张雄一，王盈丽，董贤斌，庄大春

（吉首大学土木工程与建筑学院，湖南 张家界 427000）

土地是人类赖以生存的基础，是人与自然衔接的最重要环节[1-3]。随着城镇化进程加快，难免会出现不合理的土地利用行为，这些土地利用行为，会导致产生很多生态环境问题，甚至危及人类的生存[4]。随着极端气候和自然灾害频繁发生，人类开始意识到生态环境恶化带来的严重后果[5]，全球逐渐开始了大规模的生态保护行动。因此，将土地利用与生态系统服务紧密结合逐渐成为当前生态学研究热点之一。

自Marsh[6]1864 年提出“人类活动在多大程度上影响了自然的进程”问题，引发了科学界关于人类活动对自然环境影响评估的探讨。1980—1986 年，美国完成了本土1 ∶100 万比例尺的土地利用状况图和全球土地覆被数据集[7]。1995 年，“国际地圈—生物圈计划”（IGBP）和“全球环境变化人文计划”（IHDP）共同提出LUCC 研究计划[8]。20 世纪50 年代以来，我国学者积极开展了许多土地利用方面的研究。1980 年出版了《1 ∶100 万中国土地利用图集》，1992 年出版了《中国土地利用》[9]。随着RS、GIS 等新技术和新方法的兴起，进一步扩大了土地利用变化问题研究的范围和研究的深度[10]。

生态系统服务是指生态系统对人类生产生活发挥的多种功能[11]，探讨和研究生态系统的服务功能，通过构建模型量化生态系统服务的经济价值，评估生态环境状况[12-13]。SCEP 首次对生态系统能为人类生存提供的服务功能进行划分[14]。随后，Westman[15]把生态系统提供的社会价值称为“自然服务”。Ehrlich 等[16]在1981 年正式使用“生态系统服务功能”这一术语；Daily 首次描述“生态系统服务价值”的内涵并进行了详细的划分；MA 将生态系统服务价值描述为“人类从生态系统获得的生态服务效益”[17]。我国生态系统服务价值的研究起步较晚，评估大多偏向脆弱的生态系统区域，且评估多以现状评价为主，对生态系统服务价值动态演变研究较少[18]。有研究报道描述了生态系统的服务功能[19-20]；糜徐红等[21]应用市场价值化方法对研究区生态系统服务功能现状进行分析；杨越等[22]采用谢高地[19]制定的测算方法，分析土地利用变化引起的生态系统服务价值变化；魏慧等[23]将土地覆被变化与生态系统服务研究相结合，利用土地利用动态度指数分析德州市土地利用变化状况及生态系统服务价值的动态变化；彭越[24]利用敏感度系数比较不同价值系数对生态系统服务价值的影响程度，并利用灰色关联度观察各用地类型与服务价值之间的关联程度；陈春阳等[25]将市场价值法、影子工程法、机会成本法等多种方法与现有的土地利用方式相结合，评估三江源区域生态系统服务价值。

慈利县正统筹实现“撤县设市”目标，实行一批乡改镇、村改社区计划。在这一进程中，需要严格把控土地利用行为，科学合理利用有限的土地资源，充分发挥土地的最大效益。基于慈利县土地利用变化，以2005—2016 年张家界市平均粮食产量为基准对谢高地等[19]编制的生态系统服务单位面积价值当量表进行修正，在对慈利县境内各类型生态系统进行价值量核算基础上，探讨了各乡镇生态系统服务价值演变和时空分异特征，为今后促进慈利县合理利用土地资源，优化土地利用结构和全域范围内社会经济与生态保护协同发展提供参考依据。

1 研究区概况

慈利县地处武陵山区腹地、湖南省张家界市东 部，东 径110°27′35′′～111°20′00′、北 纬29°04′00′′～ 29°41′56′′，县域气候类型为亚热带季风性湿润气候，年平均气温16.8℃，年降雨日143.2 d，年降雨量 1 390 mm，无霜期年均267.6 d。地形以丘陵山地为主，地貌构造较为复杂，是典型的丘陵山区县。

2016 年慈利县辖15 个镇、10 个乡，年末常住人口61.39 万人，城镇人口26.81 万人，城镇化率43.7%。耕地面积4.358 万hm2，占全市总面积的44.76%。全县生产总值167.1 亿元，三次产业结构由2006 年的24.47 ∶28.82 ∶46.71 优化到2016 年的16.3 ∶30.9 ∶52.8。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

研究中土地利用数据来源于慈利县2006—2016年土地利用变更统计，经济和社会发展数据来源于历年《张家界市统计年鉴》和慈利县统计公报。

2.2 研究方法

2.1.1土地利用分析方法（1）单一土地动态度。单一土地利用类型动态度描述研究区域一定时间范围内某种土地利用类型的数量变化情况[26]，其计算式见公式①：

式中：k 表示研究时段内单一土地利用类型的动态度；Ua、Ub分别为研究初期和末期某一类型的土地利用面积；T 是某种土地利用类型变化的时间段。

（2）土地利用综合指数。单一土地动态度不足以体现一个区域内土地利用变化程度，因此引入土地利用综合指数，揭示慈利县的土地利用的综合水平和变化趋势。采用前辈学者提出的土地利用程度分析方 法[27-28]，先将土地利用类型划分为4 种土地利用级，再定类别的分级指数（表1）。

表1 土地利用类型分级

计算模型为公式②：

式中，L 为慈利县土地利用程度综合指数；Ai为第i 级土地利用程度分级指数；Ci为第i 级土地利用程度分级面积百分比；n 为土地利用程度分级数。

（3）土地利用综合指数变化率。为进一步分析县域土地利用变化过程，引用土地利用综合指数变化 率[28]，计算式见公式③。

式中：Ai为第i 级的土地利用程度分级指数。 Cia和Cib分别为某区域a 时间和b 时间第i 级土地利用程度面积百分比。当RJ＞0，则该区域土地利用处于发展时期，否则处于调整期或衰退期。

2.1.2生态系统服务价值评价方法（1）指标修正。参考专家学者有关生态系统价值的研究[29-31]，结合慈利县社会经济现状，对生态系统服务价值评价指标进行了修正。耕地参照农田生态系统单位面积的生态系统服务价值；园地数据取森林和草地单位面积生态系统服务价值的平均量；林地参照森林生态系统单位面积的生态系统服务价值；河流/湖泊对应参照水域生态系统单位面积的生态系统服务价值；湿地参考湿地生态系统单位面积生态系统服务价值；未利用地参考荒漠生态系统单位面积生态系统服务价值。对牧草地以及城镇及工矿用地交通用地的生态系统服务价值不进行估算。

（2）模型计算。考虑慈利县社会经济发展状况，对 单位面积农田每年自然粮食产量的经济价值进行修正，计算出慈利县不同生态系统服务的价值系数 （表2）。

表2 慈利县生态系统单位生态服务价值当量

为消除农作物价格波动对总价值量的影响，以2006—2016 年张家界市平均粮食单产4 871.13 kg/hm2为该研究区基准单产，粮食单价按2006—2016 年湖南省粮食平均价格4.34 元/kg 计算，考虑到无人力投入， 农田生态系统所提供的食物生产经济价值是农田生态系统实际所提供食物生产经济价值的1/7，计算出单位面积农田提供的食物生产服务价值为3 020.1 元。

设计计算模型见公式④：

式中：Ea为单位面积农田提供粮食生产服务功能的经济价值（元/hm2）；i为作物种类；pi为i种粮食作物在张家界市平均价（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；n 为粮食作物种类。

生态系统服务价值计算式见公式⑤：

式中：ESV 为生态系统服务价值（元/a）；Ak为第k类土地利用类型分布面积（hm2）；Ck为单位面积的生态系统服务（元/hm2·a）。

基于慈利县修正后的单位面积生态系统服务价值系数，结合慈利县近年的土地利用变更数据，计算得到2006—2016 年慈利县生态系统服务价值。

3 结果与分析

3.1 慈利县土地利用分析

3.1.1土地利用变化对慈利县2006—2016 年土地利用变更数据进行处理和分析，得到各类土地面积（表3）和各土地类型差值（表4）。

由表3 和表4 可知，受国家退耕还林政策和慈利县“撤县设市”计划实施的影响，耕地、林地以及园地的面积变化在2006—2011 年和2011—2016 两个阶段具有明显的差异。2006—2016 年，园地面积的减少最多，城乡建设用地增长最多。其中2006—2011 年，园地总面积减少了170.36 hm2，林地面积减少455.12 hm2，而耕地面积增加了454.66 hm2。耕地开垦是造成园地和林地面积减少的主要原因，由于慈利县的地形地貌，园地和林地主要占据坡度高于25°的区域。虽然开垦后耕地面积增加，但实际上耕地的单位面积有效利用率却呈下降趋势；2011—2016 年园地面积的减少趋势更为明显，与此同时由于退耕还林政策的实施，耕地面积逐渐减少，林地面积稍有提升；2006—2016年，水域面积逐年减少但减少量较小，交通和未利用地面积皆有所增加，城乡建设用地增加显著，主要是城镇化的发展促使建设用地规模的扩张，未利用地在2006—2016 年期间明显减少，2011—2016 年减少趋势更加明显。

表3 2006—2016 年慈利县各土地利用类型面积统计结果 （hm2）

表4 2006—2016 年慈利县各土地利用类型差值结果 （hm2）

3.1.2土地利用变化特征利用慈利县2006—2016 年各类土地利用面积分别计算出2006—2011 年、2011—2016 年以及2006—2016 年各土地利用类型的动态度（图1）。

由图1 可知，城乡建设用地增加明显；交通和水利用地保持增加趋势，但在后一时段增加的趋势大幅度降低；园地减少趋势明显；未利用地的在2011—2016 时间段的面积减少更为显著；耕地动态度由增加变为减少，林地则相反；水域一直呈现小幅度减少。2006—2016 年整体变化中，城镇建设相关区域的用地都大幅度上升，耕地总体有所增加，而园地、未利用地则是显著下降，林地和水域虽然呈下降趋势，但总体面积减少幅度较小。

计算得出慈利县2006、2011 和2016 年的土地利用程度综合指数，分别为228.08、228.28 和227.26，整体平稳，起伏不大。

为更直观地反映慈利县2006—2016 年间土地利用变化波动情况，增加2008 年和2014 年两个时间点，计算2006—2008 年和2011—2014 年两个时间段内慈利县土地利用综合指数变化率，结果表明：在2008—2011 年和2014—2016 年两个时间段中，慈利县的土地利用变化在小幅范围波动。四个阶段的土地利用综合指数变化率皆小于0.15%，慈利县的土地利用整体处于稳定发展状态。

3.2 生态系统服务价值评价

3.2.1生态系统服务价值总变化由图2 可知，2006—2016 年慈利县生态系统服务价值呈现小幅度下降趋势，生态系统服务价值减少了0.25 亿元，价值变化率为-0.1%。除农田和湿地提供的生态系统服务价值增加外，其他各类型的生态系统服务价值均减少。未利用地和园地分别减少了6.43%和3.08%，河流/湖泊和森林分别减少了0.3 亿与0.2 亿元，减少了0.18%与0.1%。由于慈利县为实现“撤县设市”目标，通过加大对管辖范围内各乡镇城市用地整治，加快城镇化建设，开发未利用地，实施保证粮食产量和保护森林的措施，林地与未利用地的生态系统服务价值在2011—2016 年呈加速减少的趋势。虽然湿地和农田的生态系统服务价值有所增加，但其单位面积的生态价值远远低于林地和未利用地的价值，且湿地和农田面积的增加量少于园地和未利用地的减少量，因此，慈利县生态系统服务价值总体呈下降态势。

3.2.2单项生态系统服务价值变化根据慈利县不同生态系统服务价值系数表和慈利县2006—2016 年土地利用变化数据，计算得到2006—2016 年慈利县生态系统单项服务价值（表5）。

表5 2006—2016 年慈利县生态系统单项服务价值及差值（亿元）

2006—2016 年慈利县总体的生态系统服务价值呈现减少趋势，其中，提供美学景观减少最多，达0.13亿元；原材料生产、气体调节、气候调节、水文调节、保持土壤和维持生态多样性等生态服务价值均减少0.03 亿～0.07 亿元左右；食物生产是生态系统服务类型中唯一增长的值，但其和废物处理类型的波动范围较小；水文调节和维持生态多样性作为2016 年价值量最高的生态系统服务类型，其中林地和河流/湖泊为其提供主要价值量。

3.2.3镇域生态系统服务价值空间变化根据慈利县不同生态系统服务价值系数和慈利县各乡镇2006—2016 年土地利用变化数据，计算得出县域各乡镇的生态系统服务价值变化情况（图3）。

在慈利县的25 个乡镇中，江垭镇的生态系统服务价值量最高，2006 年和2016 年的生态系统服务价值分别为23.75 亿元和20.62 亿元，占生态系统服务总价值的9.55%和8.30%；三合镇和零阳镇的生态系统服务价值相对较高，且两者差距不大，占生态系统服务总价值的比例均在7%～8%；其他的乡镇对慈利县生态系统服务价值估量的贡献度都在1%～6%。

除零溪镇、江垭镇、三合镇、高峰土家族自治乡和南山坪乡之外，其余各区县的生态系统服务价值均呈现增加的变化趋势（表6），但是各区域的变化幅度有差异。

江垭镇生态系统服务价值减少量最大，2006—2016 年间共减少3.13 亿元，变化率为-13.18%，主要 原因在于湿地与林地面积的大幅度减少；南乡坪镇次 之，生态系统服务价值共减少0.28 亿元，变化率为-3.24%；三合镇、高峰土家族自治乡、零溪镇的生 态系统服务价值变化率均处于-1%～0 的区间范围内。

表6 慈利县部分乡镇生态系统服务价值量

由图4 可知，生态系统价值量增加的乡镇占全慈利县81.48%，但变化率不大，处于1%～2%区间的乡镇只有岩泊渡镇和零阳镇，变化率分别为1.71%和1.50%；其次变化率稍高的三个乡镇为苗市镇、洞溪乡和杨柳铺乡，分别为0.71%、0.64%和0.63%。

4 结论与讨论

以慈利县为研究区，以2006—2016 年土地利用变更数据为基础，将土地利用变化与生态系统服务价值评价相结合，探讨土地利用与生态系统之间的关系，得出以下结论：

（1）通过单一土地动态度、土地利用综合指数和综合指数变化度分析慈利县2006—2016 年土地覆被变化情况，总体呈“三增四减”的态势：城乡建设用地呈明显增加趋势；交通和水利用地保持增加趋势；园地和未利用地减少趋势明显；耕地动态度由增加变为减少，林地则相反；水域一直小幅度减少。慈利县的土地利用综合程度稳定保持在227～228 左右，土地利用方式有待进一步优化。慈利县积极开展城镇化工作，城镇建设用地增长速度快。未利用地是补充耕地、林地的重要来源，因此总体呈下降趋势。2006—2011年慈利县土地利用变化主要是从园地和未利用地转向耕地和城乡建设用地，而2011—2016 年则是转向林地和城乡建设用地。

（2）慈利县生态系统服务价值从2006 年的248.61 亿元减少至2016 年的248.36 亿元，减少了0.25亿元。其中，除农田和湿地所提供的生态系统服务价值增加外，其余各地类的生态系统服务价值均呈减少趋势；从单一类型生态系统服务价值构成上来看，林地占比稳定保持在82%，一直是慈利县生态系统服务价值中最重要的组成部分；而城乡建设用地的增加导致总价值稍有减少；在单项生态系统服务价值中，2006—2016 年总体呈现减少态势，其中提供美学景观价值量的减少最多。

（3）从空间分异来看，2006—2016 年慈利县管辖范围内的各乡镇生态系统服务价值增减程度存在较明显的差异。其中，江垭镇生态系统服务价值减少量最大，共减少3.13 亿元，主要是由于湿地与林地面积的大幅度减少；慈利县城区所在的零阳镇由于耕地数量增多，生态系统服务价值有所上升；总体来看，慈利县生态系统服务价值量增加的乡镇占全县的81.48%，但其价值量增加均不明显。

慈利县作为丘陵山区的县域，其生态系统服务价值对林地等生态用地的变化比较敏感，在今后土地利用 规划中，政府相关部门必须正视生态用地的积极作用，适当增加生态用地面积，进一步完善退耕还林工作。在慈利县“撤县设市”过程中，科学合理把控城镇化进度，优化土地利用结构，在发展经济的同时，确保生态安全，促进土地利用与生态系统的健康协调发展。