粤北山区县域土地利用对生态服务价值的影响

高 琳，胡晋豪，汪志超，林昌华，冯慧敏

（1韶关学院英东生物与农业学院，广东韶关 512005；2韶关学院粤北土壤土地研究中心，广东韶关 512005；3青海省农林科学院，西宁 810016）

0 引言

土地是人类赖以生存和发展的基础[1]，是维持生态系统平衡的重要载体[2]。土地利用结构不同，影响着生态系统的结构和功能，进而影响到生态系统的服务价值。生态系统服务是指直接或者间接从生态环境的生产过程中所取得的效益[3-4]，包括以食物和水资源等生产为主的供给服务；以气候调节和水文调节等改善为主的调节服务；以维持养分循环和生物多样性为主的支持服务以及景观美学为主的文化服务等诸多功能[5]。土地利用变化是环境变化的主要组成部分，也是生态服务功能转变的重要驱动因素，其变化过程引起了生态系统服务功能和结构的变化，进而影响生态服务价值变化[6]。近年来，随着人口、经济和城镇化进程的加快，土地利用和生态系统服务价值发生着显著的变化。研究生态系统服务价值与土地利用结构之间的变化关系，对有效规划某区域未来的发展方向具有重要意义，评估区域生态系统服务价值及其对土地利用的响应机制有助于生态系统可持续发展以及科学合理有效配置土地利用类型。

生态系统服务价值(Ecosystem Services Value)概念及计算方法由国外学者Costanza等[7]首次提出，并构建了生态系统服务当量表以及价值模型，对全球生态系统服务价值进行估算，随后不同学者从各自学科角度探讨其研究方法和实证实践。现有关土地利用变化对生态服务价值影响的研究方法相对较成熟，主要有功能价值法、当量因子法和模型模拟法等。如赵同谦等[8-9]运用功能价值法对中国草地生态系统的生态服务价值进行间接评价；谢高地等[10]在前人的基础上运用单位面积价值当量因子对全国生态系统服务价值进行评价；张晓瑶等[11]运用CA-Markov模型模拟研究青藏

高原的生态服务价值与土地利用类型间的关系。在实证实践方面，主要对不同省域[12-13]、不同流域[14-16]、城市用地[17-18]等区域进行实证分析，生态系统服务领域的研究广度和深度均得到长足的进展。但目前在土地利用和生态服务价值关系的成果方面，多聚焦在省域、流域和城市群等快速城镇化的大尺度区域，然而很少有学者对于县级小尺度山地丘陵等生态敏感区域进行实证分析。

山区属于生态脆弱系统类型之一，仁化县位于粤北山区，在快速城市化进程和土地利用方式转变的影响下，该县存在着土地粗放利用、城市盲目扩张、土地重金属污染和石漠化等生态问题，明确土地利用变化对生态服务价值的影响对于生态环境保护以及科学配置土地利用类型具有重要意义。因此，本研究以粤北山区仁化县为例，通过仁化县2000、2010、2020年的Landsat TM影像，运用RS和GIS软件分析仁化县近20年的土地利用变化状况，从生态服务价值的角度分析仁化县近20年的土地利用变化对土地系统稳定性、生态系统服务价值的影响及其可持续性。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区域概况

仁化县是广东省韶关市的一个北部县城，位于113°30′—114°02′E，24°56′—25°27′N，全县的总长度为47.3 km2，总宽度为 44 km2，面积 2225 km2。仁化县地处南岭山脉南麓，以山地丘陵为主，其中山地约占70%，丘陵约占20%，小平原占10%。属中亚热带季风气候，年均气温19.6℃，年均降雨量1619.6 mm，无霜期305天。境内名胜古迹众多，其中丹霞山，自古以来有“万古丹霞冠岭南”之称，是国家级自然保护区。

1.2 数据来源与处理

数据选取地理空间数据云2000、2010、2020年3期的Landsat5 TM/Landsat8 OLI遥感影像。通过ENVI 5.3对Landsat TM影像进行几何校正、波段融合、大气校正、裁剪，采用目视解译中的最大似然法人工交互监督分类解译得到韶关市仁化县矢量数据，遥感解译使用Google 30m级高分辨率影像作为对照参考。参考国土资源部的《土地利用现状分类》(GB/T 21010—2017)、陈学泓等[19]关于全球30 m分辨率人造地表遥感制图研究以及仁化县实际情况，将预处理的遥感影像导入ArcGIS平台，进行地理配准，对耕地、林地、水体、草地、建设用地这5大类地物要素进行矢量化、标注，最后添加指北针、比例尺、图例等地图要素，整饰并导出仁化县2000、2010、2020年3期的土地利用规划图。粮食产量、种植面积等数据主要来源于2010、2020年《韶关市统计年鉴》及部分文献资料等[20-22]。

1.3 研究方法

1.3.1 土地系统稳定性

（1）土地利用动态度：是土地利用类型在各研究时段的变化情况。计算见式(1)。

式中：K为土地利用动态度；Sa、Sb分别为不同研究时期下各分类土地的面积；T为研究时期[23]。

（2）土地利用综合指数：是指土地系统在社会因素作用下的平衡程度，也在一定程度上反映了社会系统对自然系统的影响程度，体现了土地利用水平的高低。刘纪远[24]将土地利用的综合程度分为4个层次，并给出了相应的分级指标，具体为未利用地分级指数为1，水林草土地分级指数为2，农业用地分级指数为3，建设用地分级指标为4。计算见式(2)。

式中：La为土地利用水平综合指数；Ai为i级分级级别的土地运用水平的分级指数；Ci为i级分级级别的土地利用面积的所占总面积的百分比。

（3）土地利用结构稳定性

信息熵为某种特定信息的出现概率，衡量土地利用系统的稳定程度水平。本研究参考李小康等[25]的研究内容来计算土地利用系统的信息熵。计算见式(3)。

式中：H代表土地利用系统的信息熵数值，Pi代表某一土地类型占区域土地利用总面积的份额，n代表不同的土地类型。土地利用系统信息熵值越大，则各类土地的占地面积差别越小。当每种用途的土地占地面积相近时，熵值达到极值，即Hmax=lnn。

把土地利用结构信息熵公式作为基础和前提，从而构造出土地利用结构均衡度，用于衡量土地利用结构是否均衡。计算见式(4)。

式中：J代表土地利用结构的平衡度，且J∈[0,1]。J的数值越大，土地利用结构稳定性越高。J接近0时，说明土地处于开发不成熟的阶段，且不同用途的土地面积数值相差悬殊。J接近于1时表示土地利用程度接近成熟，各类土地利用分类的土地面积数值相差较小，且具有较稳定的土地系统。土地利用系统信息的熵值即H，土地利用系统信息的熵的极值即Hmax。

1.3.2 生态系统服务价值 1 hm2农田年平均自然生产的粮食生产量的实际价值即单位土地的生态系统服务价值。有别于农田，其他用途的土地主要在对农产品生产的贡献多寡方面体现自身的生态系统的服务价值大小。若是人们不参与农业劳动和粮食生产的前提下，自然生态系统提供的经济价值仅仅是人类所提供的经济价值的1/7，1个标准当量因子的生态系统服务价值计算见式(5)。

生态系统服务功能价值系数修正通过公式(5)计算得出式(6)。

生态系统服务价值可通过公式(6)计算得出式(7)。

式中：Ea为单位农田生态系统提供的生产服务功能的经济价值（元/hm2）；i为作物种类；pi为i种粮食作物全国平均价格（元/kg）；qi为第i种粮食作物的单产(kg/hm2)；mi为第i种粮食作物面积(hm2)，M为粮食作物的总面积；n为粮食作物的种类；1/7是指在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。VC表示的是生态系统服务功能价值系数（元/hm2）；i表示某种生态系统；j表示某种生态服务价值；e表示生态服务功能的当量因子；Ea表示单位农田生态系统提供的生产服务功能的经济价值（元/hm2）。ESV表示的是生态系统服务价值，Ak表示的是研究区第k种土地利用类型的面积，VCk表示的是第k种生态系统服务功能价值系数。

参考谢高地[26]中国生态系统的单位面积服务价值当量表，根据仁化县2000—2020年土地利用面积统计水田与旱地的面积之比，并加权计算出耕地的ESV指标；仁化县的林地绝大部分为阔叶林，所以林地采用阔叶林的ESV指标；草地采用中覆盖度草地作为该地区草地的ESV指标；水体采用水系的ESV指标值；由于建设用地的ESV指标为0，所以本研究未考虑该类型的生态价值，仁化县各土地利用类型的ESV指标见表1。

表1 仁化县单位面积生态系统服务价值当量因子表

2 结果与分析

2.1 仁化县土地利用变化分析

2.1.1 仁化县土地利用变化幅度分析 对仁化县2000、2010、2020年3期遥感影像进行预处理、裁切和分类后，在ArcGIS软件中处理得到各类土地利用类型面积。从表2和图1可以看出，2000—2020年林地始终是仁化县的主要土地利用类型，处于绝对主导地位，3年面积分别占到74.82%、75.01%、74.33%。林地由2000年的1665.05 km2增加到2010年的1669.29 km2，主要由于该时间段果林种植措施的实施呈现显著成效，但在2010—2020年研究区注重旅游景区的开发加之石漠化现象的产生，2020年减少到1654.28 km2，总体呈现先增加后下降的趋势，研究期内净减少10.77 km2。耕地为仁化县第二大土地利用类型，3年面积占比分别为17.31%，17.45%，16.33%，分布于河谷、居民点周边等地势平缓地带，与林地变化趋势一致，面积总体呈现先增加后下降的趋势。由2000年的385.25 km2增加到2010年的388.41 km2，再减少到2020 年的 363.50 km2，净减少 21.75 km2。从 2000—2020年的土地利用规划图可以看出，由于耕地种植结构调整以及建设用地增加，2000—2020年的建设用地面积逐年上升，面积占比从2000的0.71%上升至2010年0.77%，再上升至2020年的1.69%，面积由2000年的15.79 km2增加到2020年的37.66 km2，净增加21.87 km2，由于城市化进程的加快，受到城镇扩张以及旅游景区开发等因素驱动，在2010—2020年呈现飞速增加。同时，草地面积与林地和耕地一致，呈现出先增加后下降的趋势，由2000年的132.76 km2增加到2010年的133.41 km2，再减少到2020年的130.03 km2，研究期净减少2.73 km2。水域面积的变化趋势与林地、耕地和草地的变化趋势相反，在研究期内呈现先下降后增加的趋势，由2000年的26.67 km2持续减少到2010年的17.30 km2，再到2020年的40.05 km2，实际净增加13.33 km2，通过对比3期土地利用类型分布可以看出，水域增加的面积主要分布在研究区域的南部耕地类型中，主要是基本农田和居民点建设而相应增加的排灌和河道拓宽。总体来说，2000—2020年间仁化县整体的土地利用结构变化不大，相对比较稳定，各土地利用类型面积占比从大到小均表现为林地、耕地、草地、水域和建设用地，林地和耕地是仁化县主要土地利用类型，其中林地的占地面积最多，耕地次之，占90%以上，有利于该区的农业发展和生态环境建设。

表2 2000—2020年仁化县各类用地变化表

图1 2000—2020年仁化县土地利用类型图

土地利用动态度的绝对值越高，表示土地利用类型面积变化较大，土地利用结构相对不稳定。通过代入公式(1)，可以计算出仁化县土地利用变化的动态程度。结果表明，2000—2020年，仁化县各类土地利用类型的面积均有变化，其中，耕地、林地和草地的K值均为负值，面积分别减少0.56%(21.57 km2)、0.06%(10.76 km2)、0.21%(2.73 km2)；建设用地和水域的K值为正，面积增加，分别为13.85%(21.87 km2)和5.02%(13.38 km2)。其中建设用地和水域的动态度绝对值最高，面积变化最快，年增长率为13.85%，表明仁化县在2000—2020年大力发展建设用地和土地扩张。

2.1.2 仁化县土地利用程度和结构分析 通过对研究区土地利用程度的计算和分析，能够进一步认识土地利用变化的发展程度[27]。利用2000、2010、2020年仁化县土地利用现状数据和土地利用程度的核算公式(2)，得到了研究区各土地利用类型的土地利用指数和近20年的变化量。仁化县土地利用程度综合指数具体表现为 ，219.72（2020 年）＞218.99（2010 年）＞138.65（2000年），3个时段的土地利用程度指数均大于0，土地利用指数呈显著增长趋势，仁化县改变了原有的土地利用格局，该时间段仁化县处于发展期。其中研究区2000—2010年的土地利用程度变化量是较大，该10年间经济发展较快。

根据式(3)、(4)计算了仁化县土地利用结构的信息熵和均衡度，信息熵具体表现为0.7770（2000年）＜0.7642（2010年）＜0.8237（2020年），均衡度表现为0.4828（2000年），0.4749（2010年），0.5118（2020年）。可以看出，2000—2020年仁化县土地利用结构信息熵在0.76～0.82之间，熵值反映了土地利用结构的差别，2000—2020年仁化县总体土地利用结构信息熵值增加，说明在研究期间仁化县的不同用途土地之间的面积差正逐步缩小，仁化县的总体土地利用结构稳定程度呈现增加趋势。2000—2020年仁化县土地规划利用的均衡度在0.47～0.51之间，说明仁化县土地规划利用均衡度较差，各土地利用类型面积差异较大，仍存在林地和耕地这两大地类占据绝大多数土地面积的情况，但相对而言，其总体土地规划利用均衡度有所增加，表明仁化县的土地开发趋于成熟的方向发展。

2.2 仁化县土地生态系统服务价值评估

仁化县的主要粮食作物为水稻、玉米、大豆，根据韶关市2000、2010、2020年统计年鉴中仁化县水稻、玉米和大豆的种植面积、产量以及单价，代入式(5)，确定研究期内仁化县生态系统服务的标准当量因子ESV的价值量为2.983×105元/km2，将当量因子乘以价值量，进而可以计算出研究区各土地利用类型的单位面积生态系统服务价值，结果如表3～6所示。

表3 2020年仁化县不同土地的生态系统服务功能价值 万元

表4 2010年仁化县不同土地的生态系统服务功能价值 万元

表5 2000年仁化县不同土地的生态系统服务功能价值 万元

表6 仁化县生态系统服务价值

由表3～6可知，仁化县生态系统服务总价值从高到低排序依次是林地、水域、草地和耕地。2000—2010年仁化县的生态服务价值虽然呈现下降趋势，但是2010—2020年呈现上升趋势，在2000—2020年研究期内，整体生态服务价值增长39440.78万元。

2000—2010年，虽然耕地、林地和草地价值呈增加趋势，但是由于同期水域减少了35099.90万元，研究区的生态系统服务总价值在该时段实际减少了31626.18万元。与2000—2010年相反，2010—2020年耕地、林地和草地价值呈现降低趋势，但水域价值增加了约两倍多，达到150056.58万元，因此总价值在该时段实际增加了71066.96万元。总体来看，林地是仁化县生态系统服务价值的主体，其生态服务价值的增加与减少幅度，对仁化县生态系统服务总体价值的变化有一定的影响，但总体林地面积增减幅度小，研究期内生态服务价值所受影响较小；而水域虽然占地面积小，但是研究期内面积变化幅度大，使仁化县生态系统服务总价值与水域生态系统服务价值变化呈同样的增减趋势。综上所述，仁化县各种土地利用类型的变化影响了生态服务价值的转变。对仁化县各年份不同土地利用类型的生态系统服务总价值进行统计，2000—2020年仁化县整体生态服务价值呈现先减少后增加趋势，由2000年的1327244.10万元减少至2010年的1295617.92万元，而后增加到2020年的1366684.88万元，实际净增加39440.78万元。

在4个一级生态服务功能中，调节服务功能对于研究区域的生态系统服务价值起决定性作用，其次是支持服务。影响最小的是水资源供给服务功能和维持养分循环的支持服务功能，分别仅为3735.17万～10355.78万元，12136.36万～12309.88万元。在11个二级生态服务功能中，水文调节、气候调节、土壤保持和气体调节所占比例较高，共占总价值的70%左右，其中，水文调节功能价值范围在314628万～380556万元，气候调节功能价值范围在340476.95万～342499.02万元，土壤保持功能在140000万元左右，气体调节和生物多样性功能在120000万元左右。水文调节功能价值增加趋势明显，从2000年的342416.79万元增长到380556.19万元，主要原因是水域类型面积增加较多使这一水资源供给价值增加明显。

从4个一级服务功能来看，所占总体比例从大到小依次是调节服务、支持服务、供给服务和文化服务；从11个二级服务功能来看，从大到小依次是水文调节、气候调节、土壤保持、生物多样性、气体调节、净化环境、美学景观、原料生产、食物生产、维持养分循环和水资源供给。不同土地利用类型用地的服务功能不同，图2为2000—2020年耕地、林地、草地和水域在各服务功能的贡献情况，可以看出耕地除了水资源供给服务功能上贡献为负，在其他10项服务功能上贡献均为正，其中在食物生产、气体调节和水文调节方面贡献率较高，林地和草地均在气候调节和水文调节功能贡献价值最高，其次为在土壤保持、生物多样性和气体调节功能。2000—2020年在耕地、林地和草地各项服务功能价值贡献上变化趋势不明显。水域用地在水文调节、水资源供给、净化环境和生物多样性4项功能上贡献价值最高，且2000—2020年总体期间4项功能价值呈现明显增加的趋势。从图3可以看出，2000—2020年仁化县生态服务功能中气候调节和水文功能的生态服务价值最高，其中水文功能在研究期间增加幅度明显。

图2 2000—2020年不同用地类型下生态服务功能价值变化

图3 2000—2020年仁化县生态服务功能价值变化

3 讨论

土地利用类型变化通过影响生态系统的空间布局和功能，进而影响生态系统服务价值的变化[16]。区域生态系统服务价值评估是合理利用土地资源和生态环境保护的重要依据。然而目前在县域尺度上，仅有少数学者对河南西峡县、嵩县和重庆市巴南区等的生态服务价值进行实证分析，但县域是介于省市及乡镇之间的中间尺度，优化县域空间布局可有效推动大中城市和小城镇的协调发展[28]。因此，本研究以粤北山区仁化县为例，从生态服务价值的角度分析土地利用变化对其的影响，这对于生态环境保护以及科学配置土地利用类型具有重要意义。

研究得出2000—2020年间仁化县建设用地面积逐年上升，土地利用程度指数呈显著增长趋势；但土地利用均衡度较低，林地和耕地是仁化县主要土地利用类型，共占90%以上的面积，总体生态服务价值呈现增加趋势。与前人在河南西峡县[5]和嵩县[29]等县域研究结果一致，林地和耕地面积虽然逐年呈现下降，但仍然是研究区面积最大的两类土地利用类型。整体来看，现有的土地利用模式能够兼顾经济发展及生态环境保护两方面的需求，后续仁化县在生态环境保护和城乡区域协调发展中应该结合土地利用和生态服务以及生态经济协调性合理配置现有的土地利用结构，在合理减少仁化县耕地以及林地面积的同时增加其他用地类型的面积，提高仁化县土地利用结构的稳定性，实现生态、经济和社会效益三者的综合效益最大化。

本研究生态服务价值核算采用当量因子法，该方法所需数据量少，且直观易用，在省域、流域和全国等大尺度生态系统服务价值的评估适用性较好，但是不同区域具有空间异质性的特点，不同生态系统服务价值指标不足以衡量不同区域实际的生态系统服务价值[30]，加之县域尺度的数据的获取难度，后续在此方法的应用上还应该进一步从动态性和空间化表达上进行深入研究和应用，而且山区生态服务价值除受土地利用类型的影响，还受到经济发展，政策制度和人口因素等影响，后续还应进一步深入综合探讨县域生态服务价值的驱动机制。

4 结论

2000—2020年间仁化县整体土地利用结构变化不大，相对比较稳定，各土地利用类型面积从大到小均为林地、耕地、草地、水域和建设用地，林地和耕地面积依然为主要土地利用类型，林地、耕地和草地在研究期内总体呈现先增加后下降的趋势，分别净减少10.77、21.75、2.73 km2。建设用地面积逐年上升，净增加21.87 km2。水域面积呈现先下降后增加的趋势，净增加13.33 km2。建设用地和水域的动态度绝对值最高，面积变化最快，年增长率为13.85%。

2000—2020年间仁化县的土地利用程度指数均大于0，且呈现增长趋势；土地利用结构信息熵值在0.76～0.82之间，不同用地类型之间的面积差正逐步缩小，土地利用结构稳定性增加。土地规划利用均衡度在0.47～0.51之间，各土地利用类型面积差异较大，但逐年有所增加，土地开发趋于成熟。

仁化县各种土地利用类型的变化影响了生态服务价值的转变。2000—2020年仁化县整体生态服务价值呈现先减少后增加趋势，由2000年的1327244.10万元减少至2010年的1295617.92万元，而后增加到2020年的1366684.88万元，实际净增加39440.78万元。

在11个二级生态服务功能中，水文调节、气候调节和土壤保持所占比例最高，其中，水文调节功能价值增加趋势明显，从2000年的342416.79万元增长到380556.19万元。