土地利用演变对泸沽湖流域生态系统服务价值评估与时空变化的影响*

王静，周绍昆，孟繁林，张龙，宋钰红,2

(1.西南林业大学 园林园艺学院，云南 昆明 650224；2.国家林业与草原局 西南风景园林工程技术研究中心,云南 昆明 650224)

流域是人类聚落发展的起源，是人类文明的重要承载，是人与自然共同形成的复合生态系统生态系统[1]。流域相关研究主要以水资源为主体，以流域为研究空间，以研究人地协调发展关系为关键，具有显著的生态价值，对当地经济、社会以及文化的发展起着极为重要的支撑作用，其生态环境一旦遭到严重破坏，将造成不可逆的后果[2]。高原湖泊流域具有自然资源丰富、生态环境脆弱、民族文化多元、乡村聚落活跃的特点。高原湖泊是高原流域内人类生产生活的主要的水源地，支撑着高原流域内经济、社会以及文化的发展，对于调节当地小气候和提升环境质量起着极其重要的作用。

生态系统服务被理解为自然环境可以直接或间接地对人类健康和生活福祉产生好处，能够连接生态系统结构、功能、过程及人类福祉[3]。联合国千年生态系统评估(MA)将其分为供给服务、调解服务、支持服务和文化服务[4]。生态系统服务价值(ecosystem services values，ESV)最早是由国外学者Costanza等[5]提出，可以对生态系统服务功能和生态效益进行量化研究。土地利用/覆被变化(LUCC)是引起生态系统服务功能变化和类型转变的重要驱动因素，科学评估高原湖泊流域内土地利用变化对生态系统服务价值影响，并分析其生态时空变化特点，对了解高原湖泊流域生态环境动态变化趋势极为重要。目前研究方法有功能评价法、当量因子法等。功能评价法计算过程过于繁琐，分析数据较多、标准难以统一。当量因子法在国内学者谢高地等[6]的补充和修正后，使用单位面积价值当量因子法成为主流方法，被广泛用于生态系统服务价值评估[7]。

泸沽湖是我国第三大深水湖泊，云南省九大高原湖泊之一，属金沙江支流雅砻江水系。流域内自然景观与人文景观相互衬托，摩梭母系文化流传至今，具有高原湖泊湿地景观特色。随着旅游业的不断发展和商业价值的提高，在气候变化与人类活动的影响下，流域内的生态环境的调节和恢复能力逐渐下降，将严重制约湖区流域的社会经济发展，威胁流域的生态系统安全。学术界针对我国不同流域的研究主要集中在土地利用变化、景观格局、韧性、洪涝灾害，对于高原湖泊则更关注水质监测、水体面积变化、生态安全[8-11]等方面，有关高原湖泊流域土地利用与生态系统服务价值的研究尚不足。在泸沽湖流域仅有的研究中也只是探索景观格局或摩梭聚落文化[12-14]，尚未有学者基于土地利用变化对该地区生态系统服务价值进行相关评估研究。

因此，本研究基于泸沽湖流域LUCC数据，运用价值当量因子动态修正法研究泸沽湖流域2000—2020年间土地利用变化如何影响生态系统服务功能与价值改变，拟解决人类活动与自然生态系统耦合发展的关键问题，同时也为高原湖泊流域未来土地资源利用和可持续发展提供理论支持和方法策略[15]。

1 研究区域概况与数据来源

1.1 研究区域概况

泸沽湖地处云南省宁蒗县与四川盐源县交界处，为川滇共辖，地理坐标处于100°45′～100°51′E，27°41′～27°45′N之间。湖泊略呈北西—东南走向，湖面海拔高度2 691 m，湖泊面积50.1 km2，湖岸线长44 km2，湖水库容量为22.52×108m3。年均气温20 ℃，光照充足，雨量较少，年均降水量910 mm。泸沽湖具有丰富的生物资源。以高原湖山风光和多民族文化为主，湖泊周边主要居住着摩梭人、彝族、普米族等，被称为“东方女儿国”人类母系氏族社会活化石，是国家重点风景名胜区和省级自然保护区。本文选择泸沽湖流域作为研究区域，自动提取流域范围、手动调整划定边界线，流域范围与以第一山脊范围区域划分的自然保护区范围大体一致。研究区域总面积25 244.84 hm2，云南片区8 959.21 hm2，四川片区16 285.63 hm2。

1.2 数据来源

研究区域以泸沽湖流域为对象：(1)在BigMap平台获取云南省宁蒗县和四川省盐源县10 m精度的DEM数据，利用ArcGis平台的水文分析工具进行泸沽湖流域提取流量值大于1 000值得栅格数据。(2)通过Bigmap平台分别获取泸沽湖流域2000年、2010年、2020年三期10 m精度的历史卫星影像图，进行空间矫正后利用ENVI对其进行解译，得到土地利用数据。经对比，流域提取范围与《2018年泸沽湖风景名胜区总体规划(修编)》中核心保护区范围基本一致。(3)根据2017年修订的《土地利用分类现状》(GB/T21010-2017)，将泸沽湖流域土地利用类型分为耕地、林地、草地、水体、建设用地和未利用土地6个类型。(4)单个当量因子的经济价值量计算主要参照《中国统计年鉴》和《全国农产品成本受益资料汇编》[7]。

2 研究方法

2.1 土地利用变化分析

2.1.1 单一土地利用动态度

单一土地利用动态度反映在某一时间范围内，单项土地利用类型面积变化的速度和幅度，表达式如下。

①

式中：K值为年变化率；Ua和Ub为土地转移前后面积；T为研究时间范围[16]，因为本文研究时间跨度为10a，为更清晰的看出土地利用动态度变化，将T值定为1。

2.1.2 土地转移矩阵

土地利用转移矩阵可以直观地描述不同土地利用类型的转移变化情况和转移速率，进一步反映生态系统服务价值的变化情况。表达公式了如下。

②

式中：A表示土地面积；Aij表示i类土地转移成j类土地转移前的面积；n为用地类型的数量。

2.2 生态系统服务价值评价方法

本文基于生物量因子和粮食价格修正法对2015年谢高地等[6]最新研究的基础当量表进行修订，将生态系统服务功能分为4个大类，11个小类，构建适合当地的各项生态系统服务功能当量表(表1)。其中耕地主要以旱地为主，按照粮食作物面积旱地水田比约为9︰1，取二者当量因子的加权作为耕地ESV当量；草地ESV当量按照灌草丛和草甸系数平均值；当地植被丰富，林地结构含有针叶林、阔叶林等；水体ESV当量取水系和湿地的平均值，研究区域湿地主要包括湖泊周边湿地、草海、沼泽等；未利用土地取裸地当量因子系数。一个标准单位生态服务价值当量因子等于全国农田每年单位面积自然粮食产量的经济价值，其经济价值被定义为1 hm2全国平均粮食单产的市场价值的1/7[17]。

表1 泸沽湖流域各土地利用类型单位面积生态系统服务价值基础当量表Tab.1 ESV basic equivalent table per unit area of various land use types in the Lugu Lake Basin

研究区域内主要粮食作物为马铃薯、玉米、荞麦。根据《全国农产品成本收益资料汇编》和地区统计年鉴得到这3种主要农作物的单产、播种面积、平均价格等。计算该地区粮食播种面积及平均价格，得到粮食平均价格为1.57 元/kg，粮食产量经济价值为792.01 元/hm2。在此基础上，得到泸沽湖流域面积ESV系数表(表2)，符合研究区域实际情况。最终根据修正后的基础当量和各土地利用类型的面积计算泸沽湖流域ESV，表达式为:

③

ESVj=∑(Ai×VCij)

④

式③中，ESV为生态系统服务总价值(元)，Ai为i类土地利用类型的面积，VCi为i类型的生态系统服务价值系数；式④中，VCij为第i类用地的第j项服务价值系数，ESVj为第j项服务总价值。

表2 泸沽湖流域单位面积生态系统服务价值系数Tab.2 Value coefficient of ecosystem services perunitareain Lugu Lake Basin 元/hm2

2.3 生态系统服务价值格网计算

本文选取0.2 km×0.2 km的栅格为评价单元，来表示生态系统服务价值与研究区域内部土地利用变化的关系。根据网络分析法计算2000、2010、2020年单个网格的地均ESV值，生成ESV空间分布图，运用自然间断点分析法(Jenks)将网格内ESV值由高到低分为5个等级。

2.4 生态系统敏感性分析

敏感性指数CS可以很好地验证各土地利用类型对生态服务价值的影响，以及生态服务价值ESV对其价值系数的依赖程度。如果CS指数>1时，说明当自变量发生变化1%的变化，会引起应变量的超过1%的变化，变化具有弹性；当CS指数<1，则说明二者之间的关系缺乏弹性，研究结果可信度高[19]。本文验证敏感性指数时对ESV分别上下调整50%，表达式为：

⑤

式⑤中：CS为敏感性指数，ESVj和ESVi是生态系统服务价值系数调整前后的生态服务价值总量，VC为某一类型土地利用生态价值系数，K为某一类土地利用类型。

3 结果与分析

3.1 土地利用动态变化

2000—2020年间各时期土地利用空间分布见图1。

图1 泸沽湖流域各时期土地利用空间分布Fig.1 Spatial distribution of land use in different periods in the Lugu Lake Basin

研究期间泸沽湖流域主要用地类型为林地，占总面积约61.31%，其次为水域，占比22.24%，草地和耕地面积占比较接近，分别为9.17%和6.47%。20年间泸沽湖流域用地类型始终保持：林地>水体>草地>耕地>建设用地>未利用土地。2000—2010年间，建设用地急剧增加，草地急剧减少；2010—2020年间，建设用地增加缓慢，耕地面积急剧减少，草地急剧增加。

从2000—2020年总体变化(表3)来看，泸沽湖流域土地利用类型呈两增两减模式：林地面积、建设用地逐年增加，耕地面积、水域面积逐年减少，草地面积先减后增，未利用地先增后减。草地和林地增加最明显，共增加412.06 hm2和93.14 hm2，耕地减少最快，共减少508.56 hm2。林地增加源于“退耕还林”“天然林保护”等政策实施，建筑用地缓慢增加源于人口数量的增长以及旅游业发展。水域保护相对较好，减少量相对于其他用地较少，主要由于气候变化和旅游发展导致了生态系统被破坏。

表3 泸沽湖流域土地利用变化Tab.3 Land use change in Lugu Lake basin

3.2 土地利用转移方向

2000—2020年间，从转出的角度看，耕地转出面积最大，主要转移为草地和林地，转出面积分别为488.67 hm2和40.24 hm2。其次为草地转出面积，主要转向林地和耕地。建筑用地和水域转移规模较小。从转入的土地来看，林地的增长主要由耕地和草地转入，草地的增长主要由耕地和水域的转入。综上所述，泸沽湖流域土地利用类型面积转移主要发生在草地、耕地、林地三者之间，其中耕地面积转出最为明显(表4)。

表4 2000—2020年泸沽湖流域土地利用转移矩阵Tab.4 Total value and change of ecosystem services from 2000 to 2020 hm2

3.3 生态系统服务价值时空变化特征

3.3.1 生态系统服务价值总量变化

2000—2020年生态系统服务总价值如表5所示，ESV总量先减后增，总体呈增长趋势。2000—2010年减少了65×104元，2010—2020年增长最为明显，增长至6.91×108元。林地、水域生态系统服务价值远高于其他类型。耕地、水域持续减少，林地、草地增减显著。从总体ESV构成来看，主要来源为林地、水域服务价值，结合泸沽湖流域土地利用面积占比情况，水域面积占比小于林地面积，但是服务价值高于林地。2000—2010年ESV总量下降的原因是由于耕地面积、草地、水域服务价值的减少，减少数量均不显著。2010—2020年ESV总量增长是由于草地服务价值增长量占总增长的90%。

表5 2000—2020年生态系统服务总价值及变化Tab.5 Total value and change of ecosystem services from 2000 to 2020

3.3.2 单项生态系统服务价值变化

根据表6泸沽湖流域单项ESV占比排序为：水文调节>气候调节>生物多样性>净化环境>土壤保持>气体调节>美学景观>水资源供给>原料生产>食物生产>维持养分循环。水文调节ESV值最高，占总量的49%，其次是气候调节、净化环境等。2000—2020年，泸沽湖流域单项ESV中原料生产、气体调节、气候调节、土壤保持、维持养分循环呈增长趋势，仅食物生产持续减少，其余项均是先减少后增加。食物生产减少主要是由于耕地面积转出较多的影响，气候调节持续增长是由于草地、林地面积的增加，生物多样性的先减少后增加，也是由于耕地扩张占用了草地、林地面积，打破了生态环境系统。

表6 2000—2020年单项生态系统服务功能价值及变化Tab.6 The value and change of individual ecosystem services from 2000 to 2020

3.3.3 生态系统服务价值空间变化

计算得到泸沽湖流域2000—2020年生态系统服务价值空间演变(图2)。泸沽湖流域大部分区域ESV价值较高，中值区分布较为分散，低值区较少但分布相对集中。高值区主要集中在泸沽湖水域，中值区主要分布为林地和草地，低值区主要集中在泸沽湖东北侧、草海南面等地。高值和次高值区是分布范围最广的值区，相对比较稳定。由图3可知，2000—2010年研究区域ESV空间分布变化呈逐渐扩张趋势，2010—2020年扩张变化显著，扩张区域主要集中于泸沽湖镇沿线一代，下降区域较为分散，主要在局部一些耕地和湖泊周边地区。

3.4 生态系统服务敏感性分析

泸沽湖流域ESV敏感性指数(表7)均小于1，从高到低为水域>林地>草地>耕地>未利用地，不同时期的各类土地利用类型敏感性均小于1。耕地和水域呈下降趋势，林地呈增加趋势，草地总体变化为升高。敏感性指数最高为水域0.81，说明水域生态系统服务价值系数每增加或减少50%时，对ESV的影响为0.81%。最终得到的价值系数符合泸沽湖流域的实际情况，结果可信。

图2 泸沽湖流域各用地类型ESV变化Fig.2 Variation of ESV in different land use types in Lugu Lake Basin

图3 泸沽湖流域ESV变化时空分布Fig.3 Temporal and Spatial Distribution of ESV Changes in Lugu Lake Basin

表7 泸沽湖流域2000—2020年生态系统服务价值敏感性指数Tab.7 Sensitivity index of ecosystem service value in Lugu Lake Basin from 2000 to 2020

4 讨论与结论

4.1 讨论

目前探索生态系统服务价值对土地利用变化响应的研究众多，研究对象有城市、森林、湖泊、湿地、国家公园等，研究方法主要有当量因子法和功能价值法，学者基于当量因子法的修正方法各有不同。本研究以泸沽湖流域为研究范围，研究区域与自然保护区重叠，产业结构经历由农业向非农业转变，人口不断扩张与经济快速发展成为生态环境保护的制约因素，人地矛盾逐渐成为突出问题。

从土地利用和生态系统服务的变化及相互影响可知，流域范围内水资源丰富，水域面积的减少对流域内生态系统服务价值影响巨大，从而影响ESV总量的变化趋势。由于研究区域内人口和建筑数量较少，所以对比其他用地类型的变化体现不出实际经济发展和人口增长对当地人居环境的影响。

研究区域位于云南省和四川省交界处，属于川滇共辖。大部分学者将泸沽湖(云南段)和(四川段)分开研究，缺乏整体性和全局性。鉴于两省对于泸沽湖的管理和治理存在一定的差异，以及粮食作物的价格不同，均对研究结果造成一定的影响。

4.2 结论

本文以谢高地等[6]研究为基础，结合当量因子法修正后的单位面积生态系统服务系数，通过3期土地利用数据分析了泸沽湖流域2000—2020年间的LUCC变化及其对当地ESV的影响，并用敏感性测试结果的准确度，定量分析不同用地类型的ESV空间差异。主要结论如下：

(1)从土地利用类型来看，2000—2020年间，泸沽湖流域主要以林地、水域为主，总体变化显著。林地一直在流域内占优势，面积占比约61%，耕地面积大幅减少，面积占比约5%。由于泸沽湖开发较晚，当地人口较少，建筑面积占比不高，2000—2010年期间人口增加，建设用地也逐年增长。由于“退耕还林国家重点生态工程”的实施，促进了林地和草地的增加，生态环境质量也明显提高。

(2)从转移矩阵来看，主要发生在草地、耕地、林地三者生态系统之间的相互转化，耕地为主要转出对象，林地为主要转入对象，各用地类型生态系统服务价值差异逐渐增大。建筑用地虽然占比小，但也呈现不断扩张的趋势。水域面积减少，与人类活动和气候变化有关，湖岸沿线及草海需严格保护，并制定行之有效的保护策略。

(3)泸沽湖流域ESV变化主要分为两个阶段。2000—2010年为下降期，由于水域面积对ESV影响较大，即使林地ESV值呈增长模式，但总值呈下降趋势。2010—2020年为上升期，由于退耕还林的驱动因素，大量的耕地面积转为林地和草地，导致草地的ESV值明显升高。水域系数较高和林地面积较大，均对研究区域ESV贡献较大，是未来发展规划中的保护重点。

(4)2000—2020年单项生态系统服务价值差异较大，水文调节、气候调节、生物多样性对研究区域的功能价值贡献最大，食物功能和维持养分循环贡献最小。总体来看，研究区域内调节服务功能远大于供给服务功能，美学景观功能有待加强。