基于时空演变的渭河流域陕西段生态服务价值及区间补偿关系研究

王浩东汪 妮汪泉熹

(1.西安理工大学 水利水电学院,陕西 西安710048;2.西安理工大学 省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室,陕西 西安710048)

生态系统服务是指对人们生活和发展趋势有重大影响并可以从中获益的一系列自然环境标准和产品[1]。土地利用既作为生态全过程的媒介,也是人类活动对生态自然环境的重要影响途径;土地利用的转变不但会影响生态系统种类、总面积尺寸以及空间布局特点的变化,并且对水循环和大气循环等生态全过程有着不可分割的作用。因此量化分析生态系统服务价值不仅可以更好地探究土地利用演变对生态系统的作用,并且也是维护生态自然环境、划分生态功能区和明确生态补偿政策的重要依据。

生态补偿的实质是生态服务作用的受益者对有关服务提供者付款的行为。在生态系统服务价值评估层面,国外Tilman[2],Trimble[3],Sliva[4]和Dobbs等[5]学者开展了很多研究和实证分析,包含田地、草地、森林和湿地等生态系统。国内高振斌等[6]开展了基于生态系统服务的生态补偿理论与实证分析,探讨区域生态补偿的优先范围和补偿程度大小,评估生态系统服务所产生的各方面价值,不但可为拟定生态补偿价格给予参考,还能够为当地政府制订相应的补偿政策予以基础理论支持和精确科学论证依据[7];刘焕才[8]、王可心[9]、王女杰等[10]学者也各自从国家、流域和省域尺度分别对生态系统服务价值进行了探讨,深入研究了用地变化对其影响。综上所述,目前对生态系统服务价值的探讨较多体现在某一地区或某一生态系统的土地利用变化对其影响,而对建设用地飞速变化下的生态服务价值以及将生态服务价值应用于生态补偿的理论研究仍然较少。因此本文在考虑生态服务价值时空演变的同时,既分析了建设用地变化情况,又将生态服务价值与生态补偿理论相结合,对区间补偿关系进行了探讨研究。近年来渭河流域城市化进程加快,流域植被遭受破坏,水土流失加剧。为此,本文选择对渭河流域陕西段生态服务价值进行探究,从而计算出各县(市)的生态补偿优先级,将各行政区域间生态补偿的迫切性进行量化,为提升生态经济协同发展提供理论依据。

1 研究区概况和数据来源

渭河发源于甘肃省渭源县,流经甘肃、宁夏和陕西三省(区)[11]。渭河作为黄河最大的一级支流,不但为下游关中平原给予了巨大灌溉水量,还承担着维持西北地区社会经济良好发展的作用,在区域和国家层面上都发挥着关键力量。渭河流域陕西段由陕西境内渭河干流和各支流组成,为大陆性季风气候,流域面积为6.24×104km2,占渭河流域总面积的46.29%,包括西安等7市1区的全部或部分[12]。本文以渭河流域陕西段为研究区域,选择西安、咸阳、宝鸡和渭南4市50县作为研究对象进行生态服务价值计算和补偿关系分析。

本文采用的数据资料来源于Golobeland(全球30 m地表覆盖数据集),共包括2000,2010和2020年3期土地利用数据,其中土地资源数据在参考中国科学院土地分类系统的同时,进一步结合陕西省生态系统特点,对其进行了重新合并分类(图1)。

图1 渭河流域陕西段各年份土地利用类型

2 研究方法

2.1 土地利用变化指标

(1)单一土地利用动态度表示研究期内土地利用类型数量的转变情况,其计算公式[13]为:

式中:Ki为第i类土地类型的单一土地利用动态度;A(i,t1)为第i类土地类型初始面积;A(i,t2)为第i类土地类型最终面积;t为研究期。

(2)空间动态度表示在空间发展过程中土地利用动态变化的强度,其计算表达式[14]为:

式中:Ki'为第i类土地类型的空间动态度;A1i为第i类土地类型未转变的面积;A(i,t1)-A1i为转移的面积;A(i,2)-A1i为新增的面积。

2.2 生态系统服务价值测算

2.2.1 确定生态系统服务价值当量因子 本文以Costanza等[15]对生态服务价值的研究为基础,将服务价值分为市场价值和非市场价值;参照谢高地[16]的研究,创建了生态系统服务价值当量因子表,其中当量因子指的是不同类型系统对生态服务价值的潜在贡献能力[17]。选取陕西省2000—2020年水稻、小麦和玉米作为主要农作物进行统计,由公式(3)可知渭河流域陕西段ESV当量因子的经济价值为1 797元/hm2。

式中:Ea为生产服务功能的经济价值;mi为第i种农作物的播种面积;pi为第i种农作物的平均价格;qi为第i种农作物平均产量;M为所有农作物的总播种面积。

2.2.2 计算生态系统服务价值 根据生产服务功能的经济价值,计算获得各生态系统的基准价值(表1),计算公式[18]为:

表1 渭河流域陕西段生态服务价值 元/hm2

式中:VCij为第i种生态系统中第j种生态服务功能的系数(元/hm2);eij为第i种生态系统中第j种生态服务功能相对于农田给予生产的生态服务功能。本文的生态系统为耕地、林地、草地、水体、建设用地和其他用地6种。

根据各类生态系统面积和各生态服务价值表可得渭河流域陕西段ESV,计算公式为:

式中:ESV表示生态系统服务功能总价值(元);Aj为土地利用类型的面积(hm2)。

2.3 重心模型

区域内各研究要素在空间上呈现不同的分布特点,重心模型根据测算各要素的重心点与标准间距,通过标准差椭圆展现其聚集特征和运动规律。计算公式[19]分别为:

式中:ˉX,ˉY为初始阶段的重心坐标;Mi为第i个空间单元的要素面积;Xi,Yi表示第i个空间单元的重心坐标。

式中:XT+1,YT+1表示结束阶段的重心坐标;Ni为第i个空间单元新增的面积占初始面积的比例;Xi,T,Yi,T为第i个空间单元初始年份的重心坐标;n为空间单元数量。

2.4 区域生态补偿优先级

提供补偿主体和接受补偿客体的确定是区域生态补偿的关键,目前研究分析主要聚集在“补多少”,对“谁补谁”的问题讨论较少。考虑到不同地区经济发展存有较大差别,经济发展缓慢区域的生态补偿紧迫性要高于发展趋势良好的地区,因此本文通过测算不同区域的生态补偿优先级(ECPS)进行研究分析。由于生态系统服务的市场价值在市场机制中已经通过货币的形式为区域发展作出了贡献,所以在计算ECPS时应只取其非市场价值部分[20],计算公式为:

式中:ECPS是生态补偿优先级;GDPN表示单位面积地区生产总值;VALN表示单位面积生态系统非市场价值。

3 结果与分析

3.1 土地利用类型变化

由于城市化进程的快速推进,建设用地的需求急速增加,使得建设用地面积变化较为明显。通过图1可知,从规模变化的角度看,建设用地的增加主要集中在西安和宝鸡两地,尤其是西安,建设用地的面积呈现爆发式集中增长。将3个时期土地利用数据进行整理(表2),发现随着城市规模的逐渐扩大,越来越多的耕地向建设用地上转移,与此同时,耕地、林地和草地3者之间的转化也相对更加频繁,可以看出退耕还林还草工程使土地利用类型发生了较大改变。

表2 土地利用面积转移矩阵 hm2

由表3可知,2000—2020年林地的单一动态度值最小,说明非林地类型的土地向林地的转移比例很小,是相对稳定的土地类型;最活跃的土地类型为建设用地,单一动态度达到了5.94%,表明越来越多的非建设用地向建设用地转移;耕地、草地和水体的单一动态度为负值,说明这3种土地类型在逐渐转向非自身土地类型。通过空间动态度可以发现,除其他用地之外,草地、水体和建设用地的空间动态度值较大,表明这4种土地利用类型表现特别活跃,演变程度较剧烈,顺序依次为:其他用地＞草地＞水体＞建设用地＞耕地＞林地。

表3 渭河流域陕西段2000—2020年土地利用动态度 %

3.2 渭河流域陕西段ESV变化

从总体价值方面来说(表4),渭河流域陕西段2000,2010和2020年ESV分别为562.07,541.53和516.21亿元,ESV总体呈下降趋势,尤其是2010—2020年,ESV下了25.32亿元,降幅达到了4.68%。从土地类型方面来看,耕地、草地和建设用地的ESV呈明显下降趋势,除此之外,林地和水体的ESV则是先增后减,其他用地的ESV变化幅度不明显。从单项服务价值来看,结合表1和表4可以得知,由于水体的减少和建设用地的大量增加,水资源供给、水文调节和净化环境的生态服务价值都在下降,伴随着林地的增加,原料生产、气候调节和土壤保持的生态服务价值在稳步上升,表明退耕还林还草工程对生态环境起到了一定的调节效果。根据2000—2020年3个时期的ESV,通过ArcGIS 10.3中自然间断点分级法将其划分,按照-0.49～-0.12,-0.12～0.1,0.1～0.26,0.26～0.4,0.4～0.95(单位为亿元)分为5个等级:低、较低、中等、较高和高;由图2可知,ESV等级空间分布呈现“四周高,中间低”格局,总体以较低和高等级为主,其中低等级主要集中在西安市中部发达地区,高等级主要集中在宝鸡市和西安市南部;低和较低等级面积在2000—2020年期间持续扩大,高等级区域则明显减少。

图2 渭河流域陕西段2000—2020年生态系统服务价值等级空间分布

3.3 建设用地重心转移分析

通过表4可以发现建设用地对渭河流域陕西段生态系统服务价值有着极高的影响,为了更加深入地了解不同时期城市建设用地在空间上的演变规律,本文采用重心模型对建设用地进行分析,分别计算各时期的建设用地面积标准差椭圆和重心迁移方向,并绘制重心转移轨迹(图3),通过对比不同时期建设用地重心的位置,可知建设用地重心变化主要分为两个阶段:2000—2010年和2010—2020年,重心的移动轨迹分别向东北方向和西北方向偏移,主要是在西安和咸阳交界处发生改变,这正与陕西省对西咸新区的建设方向相统一。

图3 渭河流域陕西段2000,2010和2020年建设用地标准差椭圆和重心分布

表4 研究区2000—2020年各土地利用类型的生态系统服务价值 亿元

根据绘制的标准差椭圆,得到参数变化过程(表5)。其中长轴展示出建设用地标准差椭圆的分布方向,短轴表示建设用地的主要分布范围。长轴越长说明建设用地的分布具有明显的方向性,2000—2020年长轴由94.58 km缩小到94.16 km再增长到105.18 km,表明扩张强度在明显加强;短轴越短说明建设用地的分布具有聚合力,2000—2020年短轴持续变大,说明建设用地扩张的分布范围逐渐扩大。沿x和y轴标准差为先增后减,但椭圆面积一直持续增大,表明建设用地分布呈现较强的移动趋势且范围在进一步扩大。

表5 渭河流域陕西段2000—2020年建设用地标准差椭圆参数变化

3.4 区间补偿关系研究

本文通过ArcGIS分别对各县区2020年的生态系统非市场价值(VAL)、人均GDP和生态补偿优先等级(ECPS)3个指标分别从高到低分为5级,以市行政单元进行汇总(图4)。为了更加准确地分析生态补偿中“谁补谁”的关键问题,本文在考虑生态补偿优先级的同时结合了VAL和人均GDP等级进行研究,并划分了以下5类(1,2属于补偿客体,3,4属于补偿主体,5为既不提供补偿也不接受补偿)进行探讨。①优先受偿区。太白县ECPS和VAL等级最高(1级),应优先考虑被补偿;周至县的ECPS等级为中等(3级),但VAL等级最高,表明生态环境价值大,应继续提升其自然环境质量和建设保护,同时该地人均GDP等级为最低(5级),为优先受偿区域,应及时获取资金来保证区域生态经济可持续发展。②次级受偿区。蓝田县和陇县ECPS或VAL等级较高(2或3级)且人均GDP等级低,凤县ECPS等级较高且VAL等级高,应为次级受偿区域,要加大补偿区给予的资金进行补偿,以提升当地生态环境建设。③重点补偿区。雁塔区、碑林区、新城区、莲湖区、未央区、阎良区、高陵区和渭城区ECPS和VAL等级最低,但人均GDP等级较高,表明该区域虽然经济发展水平高,可生态服务价值小,应重点为受偿区提供补偿资金,在维持本地自然环境质量的同时,创造出整体良好生态环境。④一般补偿区。杨凌区、秦都区和三原县ECPS等级较低,VAL等级为中等且人均GDP相对较高,说明该地生态服务价值较低但经济环境较好,因此在提高当地环境建设的同时,要向受偿区给予补偿资金,以维持整体的生态建设。⑤过渡区。凤翔县、千阳县、眉县、永寿县、长武县、淳化县和彬州市ECPS、人均GDP和VAL等级均处于中等,应充分利用当地资源,在促进经济发展的同时加强生态环境建设。麟游县ECPS、人均GDP和VAL均处于较高等级,表明区域生态建设和经济发展均取得较好成绩,应在维持生态保护建设的基础上继续保持高质量发展。其余地区各指标相对平均,应继续提高环境建设以充分发挥其生态功能价值,推动生态经济可持续发展。

图4 各行政单元VAL、人均GDP和ECPS等级图

4 讨论与结论

(1)在退耕还林还草工程和城市化快速推进等多重因素的影响下,从面积转移矩阵、单一土地利用动态度和空间动态度3个方面综合分析,发现耕地、林地和草地的转换频率明显增加,同时耕地的面积在逐渐减少,建设用地是最活跃的土地类型且面积在不断攀升,表明建设用地大量占用耕地的问题仍然严峻;各土地利用类型演变剧烈程度从高到低依次为其他用地、草地、水体、建设用地、耕地和林地。

(2)2000—2020年渭河流域陕西段ESV下降幅度超过了8%,其中耕地和草地的ESV在此期间明显降低,从而造成了水资源供给和水文调节等功能服务价值减少,随着林地的ESV较2000年有所增加,气候调节和土壤保持等功能服务价值逐渐上升,在一定程度上缓解了生态环境系统的压力;建设用地重心呈现向东北方向运动的趋势并且覆盖范围在不断扩大,符合当前城市建设发展规律,也与西咸新区的发展政策相统一。

(3)周至县和太白县为优先受偿区,蓝田县、陇县和凤县为次级受偿区,应及时接受补偿以提高当地生态环境建设;雁塔区等8个地区为重点补偿区,杨凌区、秦都区和三原县为一般补偿区,应给予补偿资金,以维持整体生态建设。其余地区为过渡区,应继续加强生态或经济建设,提高生态服务功能价值。

林地和草地的增加,表明区域内土壤侵蚀和水土流失情况有所缓解,生态功能得到了提升。建设用地的增加和耕地的减少,意味着人们在基本生产生活得到满足的情况下,对生活质量要求也逐渐增加,从而推动了城市居民用地的建设。考虑到区域生态经济协调发展,结合陕西省“十四五”期间土地规划要求,应在确保耕地持有量情况下,加强林草地和水体的保护,优化生态空间格局;控制城市开发边界,将建设用地规划和生态文明发展相结合,推进新型城镇化和城乡融合发展。

考虑到渭河流域涉及省区广,生态补偿跨度较大,造成上下游主体之间的利益协调困难,再加上地方保护掺杂其中,使得利益相关方的责任难以界定,补偿实施难度很大,因此本文尝试将研究范围缩小至渭河流域陕西段,以小观大,因地制宜地构建出具有特色且适用的补偿模式,为渭河流域陕西地区补偿标准的制定提供重要依据。此外,本研究未深度考虑生态补偿的现实有效性,今后还应结合生态环境具体需求,制定出与经济相适应的补偿方案,对具体的补偿标准、补偿措施和补偿机制进行全面探讨。