甘南黄河水源补给区土地利用及其生态服务价值时空分异研究

郝旭然，王艳艳，蔡明娟，孙文莉，马海婧，陈强强，2*

（1.甘肃农业大学财经学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省生态建设与环境保护研究中心，甘肃 兰州 730070）

人类福祉与自然生态有着密切的关系，由于人类对生态系统及其多功能价值的认识不足，在取得社会经济高速发展的同时，生态系统服务功能被严重消耗。从时空尺度看，人类生产生活对土地利用方式的改变，正影响着生态系统的结构和功能，进而对全球生态变化产生深远的影响。生态系统服务价值及其时空变化已成为国内外生态系统服务研究的热点［1］。Costanza将生态系统服务定义为人类直接或间接从生态系统中获得的利益，将生态系统服务划分为17个类型，并首次对全球生态系统服务功能进行了估算。人类能够从生态系统中得到生态系统服务，即通过生态系统的结构、功能获得必要的生命支持产品和服务［2］。其中，服务主要分为有形的服务和无形的服务［3］，包含供给服务、调节服务、文化服务以及维持其他类型服务所必须的支持服务4种类型［4］。生态系统服务价值评估是生态环境保护、生态功能区划、环境经济核算和生态补偿决策的重要依据和基础［5-8］。

黄河流域是我国重要的生态屏障和经济地带，在我国经济社会的发展和生态安全方面的地位十分重要。甘南黄河水源补给区位于甘肃省西南部，地处青藏高原、黄土高原的过渡地带，总面积共4.5万km2，地理坐标N 33°06'～35°34'，E 100°45'～104°45′，包括甘南州的夏河、玛曲、碌曲、卓尼、临潭5个县以及合作市，属于高原生态过渡脆弱区［9］，多年平均补给的黄河水量高达65.9×108m3，占黄河年均径流量的11.4%［10］，是黄河与长江的重要水源涵养区和甘肃“两江一水”流域水土与生物多样性生态功能区，具有涵养水源、保护生物多样性、调节黄河水量等重大生态功能，对维持黄河流域的生态平衡具有重大意义［10］。甘南黄河水源补给区作为各种自然、人文过程和格局剧烈变化的区域，人地关系呈现出高度异质性与复杂性［9］。加强对甘南黄河水源补给区生态系统服务价值的研究，有助于深入了解该区生态系统服务功能，对黄河流域内生态环境和可持续发展具有重要意义。

本研究基于1980-2017年的土地利用结构数据，在定量测度甘南黄河水源补给区生态系统服务价值的基础上，从时间和空间两个维度分析生态类型变化及其生态系统服务价值（ESV）动态演变的时空分异特征。同时在遵循生态价值评估和人地关系等理论基础上，分析其变化趋势以及深层次原因，以期为甘南黄河水源补给区的生态安全、协调统筹发展提供决策参考与理论支撑。

1 材料和方法

1.1 研究方法

1.1.1土地利用动态度土地利用动态度表示研究区一年内某种土地利用类型的变化幅度［11］，是评价土地利用变化速度的指标，可直观反映不同时段土地利用变化特征。计算公式如下：

式中：K为研究时段内研究区某类土地利用类型的动态度；U0、Ut分别为研究初期和末期土地利用类型的面积，T为研究时段。

1.1.2生态系统服务价值参考谢高地修订的“中国陆地生态系统单位面积生态系统价值服务当量值”［2］（表1），计算黄河水源补给区不同土地类型生态系统服务价值［12］：

表1 甘南黄河水源补给区生态系统单位面积生态服务价值当量Table 1 Ecosystem service value per unit area in water supply area of the yellow river in Gannan

式中：i为土地利用类型；j为生态系统服务类型；VCi为第i类土地利用类型单位面积生态系统服务价值；ECj为某类土地利用类型第j项生态系统服务的价值当量；ESV为生态系统服务价值；Ai为第i类土地利用类型的面积；Ea为标准单位生态系统服务的经济价值，即1 hm2农田每年平均粮食产量经济价值的1/7［13］，计算公式为：

式中：P为研究区粮食平均价格；n为年份；Q为研究区平均粮食产量。

1.2 数据来源与处理

以1980-2017年为考察期，根据我国土地资源分类法，将土地利用类型分为耕地、草地、林地和湿地4种。甘南黄河水源补给区土地利用的面积数据通过查阅1990-2018年的《甘肃农村年鉴》、1984-2018的《甘肃发展年鉴》以及《甘南州志（1991-2010）》和1999年民族出版社出版的《甘南州志》收集整理得到，研究区五县一市土地利用的面积数据则是通过各县县志、各县统计年鉴收集整理得到。在土地利用类型面积数据的基础上，参考谢高地修订的“中国陆地生态系统单位面积生态系统价值服务当量值”［2］，修正得到甘南黄河水源补给区生态系统单位面积生态服务价值当量表（表1），通过当量因子法计算得到研究区生态系统服务价值（ESV）。为分析生态服务价值时空变化特征，以1980、1990、1999、2008、2017年为时间节点，将研究期具体划分为5个时间段。在计算1标准单位生态系统服务的经济价值（Ea）时，为减少农作物价格波动对生态系统服务价值计算的影响，以甘南州粮食作物多年平均产量及对应的2017年粮食作物平均价格为基准，计算得到甘南黄河水源补给区1980-2017年平均粮食产量为2 004.70 kg/hm2；查阅《2018年中国农产品价格调查年鉴》《甘肃年鉴》，计算得到2017年甘南黄河水源补给区粮食价格平均为2.3元/kg。因此，根据公式（4）得到研究区生态系统服务经济价值当量因子为658.69元/（hm2·a）。

2 结果与分析

2.1 土地类型及动态度分析

1980-2017年，甘南黄河水源补给区各土地类型面积均发生不同程度的变化。其中，林地面积呈增加的趋势，而草地、耕地、湿地总体均呈现减少趋势（表2）。具体表现为：

表2 1980-2017年甘南黄河水源补给区土地类型及动态度Table 2 Land type and dynamic drgress in water supply area of the yellow river in Gannan from 1980-2017

（1）林地面积呈增加的趋势，由1980年的38.05万hm2（占比11.20%）增加至2017年的57.41万hm2（占比17.78%），增加了19.36万hm2，增幅为6.58%。从动态度上看，除1999-2008年外，林地利用动态度呈增长趋势，且历年变化率大于1%，快于其他土地利用类型的动态度，1980-2017年林地的土地利用动态度达到了1.38%，远高于其他土地利用类型。

（2）草地为甘南黄河水源补给区面积最大的生态类型，其面积占土地总面积的75%以上。然而，无论是草地面积还是所占比重，均呈现明显的减少趋势。1980-2017年，草地面积减少35.40万hm2，减少了6.68%。草原面积所占比重由1980年的82.04%下降到2017年的75.36%。土地利用的动态度为-034%，尤其1980-2008年草地面积下降动态度高达-1.08%，平均每年以0.55%的速度削减。

（3） 耕地与湿地呈现波动减少的趋势，1980-2017年，耕地减少了0.40万hm2，利用动态度为-0.19%。随着经济的发展和城镇化加快，甘南州的城镇化水平从1978年的13.99%［20］增长到2017年的34.01%，增长了20.02%，年均增长率为3.67%。人均耕地面积则由1980年的0.14 hm2减少到2017年的0.09 hm2，耕地资源不断被消耗，转化为交通用地，且随着人口增长，土地承载力不断加大。1980-2017年间湿地面积减少了0.46万hm2，土地利用动态度为-0.07%，较其他土地利用类型低。

2.2 生态系统服务价值

2.2.1生态系统服务价值时间变化

（1）研究期甘南黄河水源补给区生态系统服务价值从1980年的328.50×108元上升至2017年的329.63亿元，37 a的时间里增加1.13亿元，增长率为0.34%，基本维持平稳状态，期间经历 “下降—增长”的双时段波动（图1，表3）。不同土地类型生态服务价值从大到小排序为，草地＞林地＞湿地＞耕地，草地和林地的生态系统服务价值贡献率之和历年在80%以上，因此，合理规划并利用草地和林地，对当地生态安全具有深远的意义。林地生态服务价值增速最高，从1980年的57.86亿元上升到2017年的87.32亿元，增幅达到50.92%。相反，草地生态系统服务价值从1980年的209.83亿元减少到2017年183.18亿元，减少了12.70%，其生态价值贡献率也从1980年的63.87%减少到2017年的55.57%，草原生态系统安全将对整个补给区生态安全具有举足轻重的意义。

图1 1980—2017年甘南黄河水源补给区生态系统服务价值总量Fig.1 Total ecosystem service value in the water supply area of the yellow river in Gannan from 1980-2017

表3 1980-2017年甘南黄河水源补给区生态服务价值时间变化Table 3 Time change of ecological service value in water supply area of the yellow river in Gannan from 1980-2017 亿元

（2）不同时段生态系统服务价值变化各不相同，整体呈现出上下波动的趋势。1980-1990年，研究区生态系统服务价值减少了16.32亿元，减少率达4.97%，除林地生态系统服务价值有所增加，其他土地利用类型均下降；1990-1999年，总体增长了7.84亿元，增长率为2.51%，草地服务价值持续下降，减幅为0.69%，耕地、林地和湿地生态系统服务价值均增加。1999-2008年4种土地类型生态服务价值均呈现不同程度的下降，整体下降3.31%，其中耕地下降率最为明显，为5.48%，草地生态服务价值下降数量最多，达8.19亿元，下降幅度为4.41%紧随其后，湿地生态服务价值下降1.87%，林地降幅最少，为1.65%。2008-2017年耕地、草地、林地和湿地生态系统服务功能均持续增加，增幅最大为林地，增加近14.66亿元，其次是草地达5.49×108元。

（3）1980-2017年不同生态系统服务类型中调节服务的价值最大，文化服务价值最低（图2）。截止2017年，研究区的调节服务价值为211.86亿元，占研究区生态服务价值的64.27%，文化服务价值仅为18.56亿元，占5.63%。各类土地利用类型的生态系统服务价值变化趋势体现出“减-增-减-增”的变化规律，且2008-2017年时间段的四种服务价值增长幅度快于1990-1999年，而1999-2008年时间段服务价值减少速度较1980-1990年时间段有所趋缓。

图2 1980—2017年甘南黄河水源补给区不同生态系统服务类型的价值量Fig.2 Values of different ecosystem service types in the water supply area of the yellow river in Gannan from 1980-2017

2.2.2生态系统服务价值空间变化生态系统服务价值空间差异与土地利用结构关系密切。整体来看，2017年合作市和玛曲县的生态系统服务价值较1980年有所增加，分别上升了5.30亿元和6.75亿元，其余各县的生态系统服务价值处于波动中下降趋势，其中，卓尼县的减少量最多，高达13.16亿元。

甘南黄河水源补给区五县一市中玛曲县生态系统服务价值最大，整体呈现增长的趋势，截止2017年，玛曲县生态系统服务价值达113.55亿元。夏河、碌曲和卓尼3县生态系统服务价值呈现波动变化，基本在40～80亿元之间变化，整体均表现出下降的趋势（图3）。合作市于1998年成立，其生态系统服务价值表现出连续增长的趋势。临潭县生态系统服务价值在甘南黄河水源补给区最小，基本在10亿元以上。

图3 1980—2017年甘南黄河水源补给区生态系统服务价值空间分布Fig.3 Spatial distribution of ecosystem service value in the Water recharge area of the Yellow River in Gannan Region from 1980-2017

调节功能是各区域不同时间段所提供的最大服务价值，其次为支持服务、供给服务、文化服务，表明甘南黄河水源补给区最大的功能不在于供给产品而在于涵养水源、保持水土。从调节服务功能来看，玛曲县的调节服务功能最大，基本维持在74～80亿元之间，远远高于其他各县（市），其变化比较平稳，表明玛曲县是最大的调节功能区，它承载了研究区主要的水源涵养功能。总体来看，整个研究区的文化服务价值都较小，表明研究区对文化价值的挖掘还有所欠缺，在加强生态文明建设的同时，传承并弘扬好黄河文明显得尤为重要（表4）。

表4 1980-2017年甘南黄河水源补给区生态服务价值空间变化Table 4 Spatial variation of ecological service value in the water supply area of the yellow river in Gannan from 1980-2017亿元

3 讨论

甘南黄河水源补给区是“两屏三带”全国生态安全战略格局的重要组成，对保障国家生态安全具有不可替代的作用。20世纪60年代以来，甘南黄河水源补给量急剧下降，水土流失加剧，草地退化严重，湿地面积锐减等问题，致使区域涵养水源能力减弱，生态屏障能力减弱和生态多样性的减少，使得甘南黄河水源补给区的生态研究成为社会各界关注的热点［14］。

科学评估生态系统服务价值对摸清研究区资源本底状况具有重要意义。当量因子法是生态价值核算普遍采用的方法之一。邵卫东等［15］关于生态价值核算的研究中指出，当量因子法具有统一的子系统标准和基准的单位面积生态系统服务价值当量表，从体系核算来说更具有规范性。王小莉等［16-17］在区域生态系统服务价值评估方法中认为，当量因子法特别适用于区域生态系统服务价值评估，以及研究生态系统服务价值时空变化特征。本研究采用当量因子法结合甘南黄河水源补给区土地利用结构的变化对甘南黄河水源补给区生态系统服务价值评估，计算出甘南黄河水源补给区1980-2017年的生态系统服务价值，结果显示，研究区在过去近40年的时间除林地生态系统服务价值有所增加外，其他土地类型均下降。张茂鑫等［18］通过野外科学观测得出黄河流域草地、水域面积减少，林地用地面积有所增加。王丹彤［19］等对甘南藏族自治州土地利用变化特征趋势进行了实证，结果表明，1997-2012年甘南州以林地面积持续增加，耕地面积和牧草面积持续减少，水域面积先减少后增加。本研究与上述学者研究结论一致。

孙继琼［20］研究认为，黄河流域生态保护指数和高质量发展指数呈现日益提升的变化趋势，耦合度呈现“先下降后上升”的演化态势，耦合协调度日益提升。而温煜华［10］利用耦合协调度模型分析发现甘南黄河水源补给区作为黄河上游重要的补给区，该区域的生态环境调节能力逐步提高，社会经济发展水平显著提升。生态环境与社会经济持续向着协调发展的方向不断演进。本研究发现生态服务总价值的提高有力地促进了研究区生态保护与经济发展的耦合协调，有助于实现研究区经济的高质量发展与可持续发展。

杨旻等［21］以黄河上游甘南地区生态保护区为研究对象，评估其生态保护协同管控成效，研究表明，研究区自然保护区平均水源涵养量最高且功能稳定性最好。王文浩［22］表明涵养水源、生态产业和农牧民收益是甘南黄河重要水源补给生态功能区的主要价值。由于甘南黄河水源补给区重要的水源涵养功能，使得众多学者将研究重点放在了其保持水土、涵养水源等调节价值和农牧业的供给价值，而文化价值容易被忽视。李月英［23］基于研究黄河流域非物质文化的研究，也得出了当地保护意识落后，重申报轻宣传的结论。本研究从供给价值、支持价值、调节服务和文化价值四个方面去全面分析，本研究表明，研究区生态系统服务类型中文化服务价值最低，黄河流域的生态文明建设有待提高。黄河流域作为华夏文明的发源地，承载着弘扬中华文化的重要使命，研究区作为黄河上游的重要组成部分，孕育出了以新石器时代文化、先秦文化、针灸文化为代表的中医药文化等丰富了黄河文化体系内容［24］。因此，复兴黄河文明成为提升甘南黄河水源补给区文化价值提升的有效途径，千年黄河文明甘南独具代表，传承并弘扬好千年黄河文明，才能真正发挥好研究区的文化服务价值。推进新时代黄河文化复兴，需要坚持政府支持，多方参与黄河生态文化传播，推进形式与内容的创新，注重传播群体的针对性［25］。开展地区间联合打造黄河文化旅游品牌，推进歌舞、民俗等非物质文化的营销，健全文旅机制的打造。

马艳艳等［26］对生态功能区农户的生计风险研究显示，在自然压力冲击下，重点生态功能区内面临多重压力的居民的低适应能力使其生计具有高度依赖性和脆弱性。本研究认为，“人”是发展的核心要素，减缓当地居民对草原生态的强依赖性，需要积极培育当地社会资本，提升生计能力，促进当地畜牧业发展的转型升级，培育经济新增长点，减小人类行为对草原生态的干预。孟庆华［27］针对甘南黄河水源补给区生态问题提出了守住生态用地红线、划分生态用地格局和结合生态保护与建设工程改善生态用地环境三方面的对策。赵海莉等［14］基于制度安排视角，提出明确生态补偿制度在宪法中的地位、修订环境保护基本法等来探讨甘南黄河水源补给区生态补偿机制建构。

4 结论

基于土地利用数据，对甘南黄河水源补给区土地利用结构及生态系统服务价值进行分析，得出以下结论：（1）从土地利用结构和动态度看，37年间甘南黄河水源补给区的土地利用以草地和林地为主。其中，林地面积呈增加的趋势，增加了19.37万hm2，土地利用动态度达到了1.38%；草地、耕地、湿地面积呈减少的趋势，土地利用动态度分别为-0.34%、-0.19%、-0.07%；（2）1980—2017年，甘南黄河水源补给区生态系统服务价值总体呈现“减—增—减—增”趋势，整体上生态系统服务价值增加了1.13亿元。耕地、草地、湿地都有一定程度的减少，其中草地变化最大，减少了26.65亿元；林地增加29.46亿元，成为当地生态服务价值增加的主要驱动力；（3）研究区的4种服务功能中，调节服务最大，文化服务最小。2017年，研究区的调节服务价值为211.86亿元，占研究区生态服务价值的64.27%，说明了研究区主要起涵养水源的功能，而文化服务价值仅为18.56亿元，仅为研究区生态服务价值的5.63%；（4）甘南黄河水源补给区生态系统服务价值体现出空间差异性，除合作市的生态系统服务价值呈现单调增加态势外，其余各县的生态系统服务价值处于波动变化状态，玛曲县承担着研究区主要的生态调节功能。