中国耕地空间格局变化及其生态系统服务价值响应

黄海潮, 雷 鸣, 孔祥斌, 温良友

(1.中国农业大学 土地科学与技术学院, 北京100193; 2.自然资源部农用地质量与监控重点实验室, 北京100193)

土地利用格局变化对区域乃至全球的生态系统服务供给能力具有重要影响[1]，耕地作为土地利用结构中最重要的主要组成部分之一[2]，承担着食物生产、环境调节等重要功能，是实现粮食安全和生态安全的物质基础[3]。当前，耕地空间格局变化导致的生态问题已引起广泛关注[4]，正确评估中国耕地空间格局变化对生态系统服务供给的影响及其时空演变规律，是保障国家可持续粮食安全和生态安全的科学基础，也是耕地数量—质量—生态“三位一体”保护政策制定的重要依据。

耕地空间格局变化是LULCC(Land use/land cover change)研究的重要课题，相关研究主要集中于耕地空间格局变化的时空过程、耕地空间格局变化的驱动力和驱动机制，耕地空间格局的模拟以及耕地空间格局变化的生态环境效应[5]。其中前三者的研究方法较为成熟，相关学者从耕地空间格局变化的宏观趋势[6-7]、耕地转换特征[8-10]等维度对耕地空间格局变化的时空过程进行了深入研究，在国家[11-12]、省[13-14]、市县等[15-16]不同尺度探讨了自然和社会经济要素变化对耕地空间格局变化的驱动作用，利用支持向量机[17]、Markov模型[18]、CLUE-S模型等[19]模拟了不同空间尺度耕地空间格局，取得了较为丰富的研究成果。关于耕地空间格局变化的生态环境效应研究，全国尺度上相关学者主要研究了耕地空间格局变化对耕地生产能力[20]、气候[21]、地形[22]、水资源[23]、土壤等[24]单一要素的影响。相关学者也探究了耕地空间格局变化对生态系统服务价值的影响，但大多从整个陆地生态系统出发，研究耕地与其他地类之间转换对整个陆地生态系统服务价值变化的影响[25-27]，对于耕地空间格局变化对耕地本身生态系统服务价值影响的关注较少，为数不多的研究主要集中于耕地空间格局变化对耕地食物生产功能的影响[28-31]，相关研究表明耕地空间格局变化过程中耕地食物生产能力降低明显，但耕地空间格局变化过程中供给服务、调节服务、支持服务等其他生态系统服务价值及耕地生态系统服务总体价值的变化规律尚待研究，耕地生态系统服务供给能力的时空演变规律需进一步综合深入探究。在耕地生态保护的新要求和新共识下，迫切需要加强全国尺度上的耕地生态系统服务价值的综合研究。

生态系统服务价值是指生态系统通过生态结构、功能和过程为人类生存所提供的不同生态产品和服务[25]，被广泛应用于生态系统服务供给能力的评估中[32-33]。本文基于2000年、2005年、2010年、2015年四期遥感数据，在利用重心模型等方法深入刻画我国耕地空间格局演变的基础上，选择NPP(Net Primary Production)、降水、侵蚀3个关键因素，构建图斑尺度的全国耕地生态系统服务价值时空异质评估模型，分析我国耕地生态系统服务价值时空变化，量化我国耕地空间格局变化对耕地生态系统服务供给能力的影响，以期为有效和精细的耕地生态保护提供科学参考。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究方法

1.1.1 耕地生态系统服务当量时空修正 本文基于谢高地2015年提出的当量因子表，其将耕地分为水田和旱地2种二级地类，将耕地生态系统服务功能分为4种一级功能和11种二级功能(表1)。本文借鉴谢高地等[34]的研究选取NPP、降水和侵蚀3个关键指标对11种服务功能进行空间修正。公式为：

表1 耕地生态服务价值当量[34]

Fnij=Fj×Rnij

(1)

式中：Fnij是指第n年第i个耕地图斑第j类耕地生态系统服务价值当量；Fj指第j类耕地生态系统服务全国平均当量；Rnij是针对第n年耕地图斑i第j类耕地生态系统服务的调节因子。文中分为3类调节因子：Rni1为NPP时空调节因子；Rni2为降水时空调节因子；Rni3为侵蚀时空调节因子。其中：Rni3用于对土壤保持服务价值时时空修正；Rni2用于对水资源供给和水文调节服务价值时空修正；其他耕地生态系统服务功能均采用Rni1进行时空修正。下面介绍3类调节因子的计算。

(2)

(2)降水时空调节因子。降水时空调节因子的计算方法为：

(3)

式中：Pni指第n年第i个耕地斑块的降雨量(mm/hm2)；¯Pn表示第n年全国耕地平均降雨量(mm/hm2)。

(3)侵蚀时空调节因子。侵蚀时空调节因子的计算公式为：

(4)

1.1.2 标准当量因子价值量核算 本文采用谢高地等[35]的标准当量因子价值核算方法，将单位面积农田生态系统粮食生产的净利润作为1个标准当量因子的生态系统服务价值量。稻谷、小麦和玉米是我国三大主要粮食，依据这三大主要粮食计算。考虑到不同年份三大主要粮食价格和播种面积的波动，取2005—2015年三大粮食净利润的平均值作为本文的标准当量因子价值。其计算公式如下：

从图2、图3和图4中可以看出，双管开路故障对同步交流发电机三相输出电压信号影响较大，其故障瞬态衰减幅度较大。

(5)

1.1.3 重心模型 本文利用重心模型探究耕地空间转移的总体趋势，耕地重心指的是某一时间区域耕地面积在空间平面上力矩达到平衡的点，重心运动的方向、速度等特性能够很好表征耕地的空间变化[36]。耕地重心的计算公式如下：

(6)

(7)

式中：X，Y分别表示全国耕地重心的经度和纬度；Si表示行政单元i的耕地面积；Xi和Yi分别表示行政单元i重心的经度和纬度；本研究中重心计算以省为基本单元。

1.2 数据来源

本文所用的数据主要包括：(1)2000年、2005年、2010年、2015年耕地空间分布数据，分辨率为1 km×1 km，来源于中国科学院资源环境科学数据中心(www.resdc.cn)；(2)2000年、2005年、2010年NPP数据。来源于中国科学院资源环境科学数据中心(www.resdc.cn)。(3)20世纪90年代以来多年平均降水数据和土壤侵蚀数据。来源于中国科学院资源环境科学数据中心(www.resdc.cn)；(4)2005—2015年水稻、玉米和小麦播种面积与净利润。来源于2006—2015年《全国农产品成本收益资料汇编》。(5)2006—2015年全国CPI(Consumer Price Index)数据。来源于2006—2015年《中国统计年鉴》。

2 结果与分析

2.1 近20年我国耕地空间格局演变

2000—2015年、我国水田、旱地面积均明显减少。我国耕地以旱地为主，旱地面积占耕地面积的70%以上。2000—2015年，耕地面积由1 797 502.0 km2减少为1 783 013.0 km2，共减少0.8%，但耕地减速降低，减幅由2000—2005年的0.40%的降低为2010—2015年的0.10%。其中，旱地面积总体减少5 381.0 km2，减幅为0.41%，2005—2010年旱地减少最明显。水田共减少9 108.0 km2，减幅为1.92%，减速不断降低，2000—2005年减幅为1.75%，2010—2015年耕地面积小幅增加(图1)。

图1 2000-2015年耕地、旱地、水田面积变化

2000—2015年、耕地、旱地和水田重心均发生明显的迁移，耕地重心持续向西北方向迁移，旱地总体向西北迁移，水田重心总体向东北迁移(表2)。2000年耕地重心坐标为(112°48′00″E，35°33′27″N)，位于山西省泽州县内，2015年耕地重心坐标为(112°33′19″E，35°45′06″N)，位于山西省沁水县进内，耕地重心以西偏北40.8°方向迁移30 884.1 km。2000年旱地重心坐标为(112°28′27″E,37°12′28″N)，位于山西省祁县境内，2015年重心坐标为(112°04′37″E,37°18′11″N)，位于山西省平遥县境内，旱地重心以西偏北13.1°的方向偏移了36 238.2 km。2000年水田重心坐标为(113°38′35″E,30°55′27″N)，位于湖北省应城市境内，2015年水田重心坐标为(113°48′59″E,31°19′26″N)，位于湖北省安陆市境内，水田重心以东偏北75.1°方向迁移了478 14.4 km。不同时段，耕地、水田和旱地重心迁移方向和速度存在明显的差异。耕地重心迁移方向较为稳定，但迁移速度存在明显差异，2005—2010年迁移速度较慢，其他两个时段迁移速度相当。旱地重心在2000—2005年时段以西偏北30.9°方向迁移，其他两个时段迁移方向西偏北角度较小，与该时段差异明显，2005—2010年迁移速度明显小于其他两个时段。2000—2005年，水田重心向西偏北36.0°方向迁移，而后向东北方向迁移，重心迁移速度不断增加。

表2 2000-2015年耕地、旱地、水田重心迁移方向与速度

九大农业区中，北方干旱半干旱区、东北平原区耕地面积持续增加，北方干旱半干旱区耕地增加主要来源于旱地，东北平原区耕地增加主要来源于水田，其他农业区耕地面积持续减少(图2)。2000—2015年，北方干旱半干旱区、东北平原区耕地面积分别增加17 104.0 km2，3 351.0 km2，分别增加6.67%和1.12%。其他农业区耕地面积均减少，其中长江中下游平原区和黄淮海平原区耕地面积减少最明显，分别减少14 062.0 km2，6 623.0 km2，减幅为3.91%和2.06%。北方干旱半干旱区旱地增加明显，增加17 013 km2，占区域增加耕地面积的99.5%，其他农业区旱地面积均减少，其中黄淮海平原区和东北平原区旱地减少最明显，分别减少5 555.0 km2，5 553.0 km2，减幅分别为1.82%和2.17%。东北平原区水田面积增加明显，增加8 904.0 km2，增幅为20.25%，北方干旱半干旱区水田少量增加。其他农业区水田面积均减少，其中长江中下游区和华南区水田面积减少最明显，分别减少10 931.0 km2，3 090.0 km2，减少幅度分别为4.86%和5.97%。

注：图中DB，BF，QZ，HT，HH，YG，SC，HN，CJ分别是东北平原区、北方干旱半干旱区、青藏高原区、黄土高原区、云贵高原区、四川盆地及周边地区、华南区、长江中下游地区的简称。

2.2 近20年耕地生态服务价值时空变化

2.2.1 全国耕地生态系统服务价值变化 2000—2015年我国耕地生态系统服务总价值和单位耕地生态系统服务价值均持续减少，减少速度总体呈现先降后升的趋势(表3)。2000年我国耕地生态服务总价值为23 402.3亿元，2015年耕地生态服务价值总量为23 087.1亿元，共减少315.2亿元，减幅为1.35%。2000—2005年、2005—2010年、2015—2020年耕地生态系统服务价值量分别减少114.7，86.2，114.3亿元，减幅分别为0.49%，0.37%和0.49%。2000—2015年，每hm2耕地生态系统服务价值由12 990.4元降低到12 919.2元，减少71.2元，降幅为0.55%。2000—2005年、2005—2010年、2015—2020年耕地生态系统服务价值量分别减少11.4元、8.4元和51.5元，降幅分别为0.09%，0.06%和0.40%。

表3 耕地不同功能服务价值和单位面积耕地不同功能服务价值变化

2000—2015年、耕地供给服务总价值和单位耕地供给服务价值增加，耕地调节服务、支持服务、文化服务总价值和单位面积耕地服务价值均减少，调节服务价值减少最明显。耕地供给服务价值由1 927.0亿元增加到2 000.1亿元，增幅为3.79%；单位面积耕地供给服务价值由1 069.7亿元/hm2增加到1 119.2亿元/hm2，增幅为4.63%。耕地调节服务、支持服务、文化服务价值分别减少325.3亿元、57.0亿元和5.9亿元，减幅分别为2.17%，0.94%和1.44%；每hm2耕地调节服务、支持服务、文化服务分别减少114.7元、4.7元和1.5元，减幅分别为1.38%，0.14%和0.64%。

2.2.2 区域尺度耕地生态系统服务价值变化

(1)九大农业区耕地生态系统服务总价值变化。九大农业区中，长江中下游地区耕地生态系统服务价值明显高于其他区域，青藏高原区明显低于其他区域(图3)。长江中下游地区耕地生态系统服务价值超过6 000亿元，黄淮海平原、东北平原耕地生态系统服务价值在3 500～4 500亿元，四川盆地及周边地区、云贵高原区耕地生态系统服务价值2 000～3 000亿元，华南区、北方干旱半干旱区、黄土高原区耕地生态系统服务价值在1 000～1 500亿元，青藏高原耕地生态系统服务价值低于100亿元。

图3 九大农业区耕地生态系统服务价值变化

九大农业区中，北方干旱半干旱区、东北平原区耕地生态系统服务持续增加，增速先降后升，其他农业区耕地生态系统服务价值持续下降，但减速变化存在明显差异(图4)。2000—2015年北方干旱半干旱区耕地生态系统服务价值由1 408.8亿元增加到1 460.8亿元，增加幅度为3.70%。东北平原区耕地生态系统服务价值由3 641.6亿元增加到3 681.0亿元，增幅为1.08%。其中，2000—2005年、2005—2010年、2010—2015年北方干旱半干旱区耕地生态系统服务价值分别增加21.2亿元、9.3亿元和21.5亿元，东北平原区分别增加15.1，3.9，20.3亿元。其他农业区中，长江中下游地区耕生态系统服务价值减少最明显，达到171.2亿元，降低幅为2.73%。黄淮海平原区、四川盆地及周边地区、华南区耕地生态系统服务价值减少均超过50亿元，黄土高原区、云贵高原区、青藏高原区耕地生态系统服务价值减少不明显，青藏高原区仅减少0.4亿元。不同农业区耕地生态系统服务价值减速变化存在明显差异，长江中下游区、四川盆地及周边地区、黄淮海平原区、黄土高原区减速先降后升，华南区减速持续降低，云贵高原区减速持续增加，青藏高原区减速总体保持在较低水平。

不同农业区供给服务、支持服务、调节服务、文化服务4类生态系统服务价值变化存在明显差异(图4)。东北平原区和黄淮海平原区耕地供给服务价值减少最明显，2000—2015年分别减少27.5亿元、12.5亿元。长江中下游地区和华南区耕地供给服务价值为负值，主要是因为水田的水资源供给价值为负，导致水田的供给服务价值为负值，而长江中下游地区和华南区耕地以水田为主，所以区域耕地供给价值总体为负，但区域供给服务的负向价值分别减少80.6亿元，35.2亿元。北方干旱半干旱区是九大农业区中唯一支持服务价值增加农业区，增加45.1亿元，长江中下游地区和黄淮海平原区支持服务价值分别减少27.2亿元和24.0亿元，减少最为明显。北方干旱半干旱区和东北平原区调节服务价值持续增加，分别增加77.7亿元和4.7亿元，其他农业区调节服务价值持续减少，其中长江中下游地区和华南区减少明显，分别减少221.2亿元和75.7亿元。东北平原区和北方干旱半干旱区文化服务价值分别增加0.49亿元和0.14亿元，其他农业区文化服务价值均减少。

注：图中DB，BF，QZ，HT，HH，YG，SC，HN，CJ分别是东北平原区、北方干旱半干旱区、青藏高原区、黄土高原区、云贵高原区、四川盆地及周边地区、华南区、长江中下游地区的简称。

(2)九大农业区单位耕地生态系统服务价值变化。九大农业区中，四川盆地及周边地区、华南区、长江中下游地区单位耕地生态系统服务价值较高，其次是云贵高原区、黄淮海平原区、东北平原区，黄土高原区、青藏高原区、北方干旱半干旱区单位耕地生态系统服务价值相对较低(图5)。四川盆地及周边地区、华南区、长江中下游地区单位耕地生态系统服务价值超过17 000元/hm2，云贵高原区、黄淮海平原区、东北平原区单位耕地生态系统服务价值介于12 000～14 000元/hm2，黄土高原区、青藏高原区、北方干旱半干旱区单位耕地生态系统服务价值均低于9 000元/hm2，其中北方干旱半干旱区单位耕地生态系统服务价值最低，处于5 000～6 000元/hm2。

图5 九大农业区单位耕地生态系统服务价值变化

2000—2015年，北方干旱半干旱区、东北平原区、青藏高原区单位耕地生态服务价值总体降低，其他农业区单位耕地生态服务价值上升。北方干旱半干旱区单位耕地生态服务价值持续下降，由5 491.5元/hm2下降到5 338.5元/hm2，降幅达2.79%。东北平原和青藏高原区单位耕地生态服务价值波动变化，总体分别下降4.3元/hm2，8.3元/hm2。长江中下游地区、华南区、四川盆地及周边地区、黄淮海平原区单位耕地生态系统服务价值持续上升，分别增加212.8元/hm2，358.3元/hm2，49.2元/hm2，60.0元/hm2。云贵高原区、黄土高原区单位耕地生态系统服务价值波动变化，总体分别增加16.6元/hm2，28.9元/hm2。

九大农业区单位面积耕地供给服务、支持服务、调节服务、文化服务4类生态系统服务价值变化存在明显差异。东北平原区(-123.7元/hm2)、北方干旱半干旱区(-53.4元/hm2)单位面积耕地供给服务价值减少，其他农业区单位面积耕地供给服务价值均增加，华南区(176.5元/hm2)和长江中下游地区(142.6元/hm2)增加最明显。北方干旱半干旱区(-67元/hm2)单位面积耕地调节服务减少最明显，东北平原区(198.3元/hm2)、华南区(129.4元/hm2)增加最明显，其他农业区变化较小。东北平原区(-81.5元/hm2)、北方干旱半干旱区(-30.0元/hm2)单位面积耕地支持服务减少最明显，华南区(44.4元/hm2)和长江中下游平原区(36.6元/hm2)支持服务增加最明显。各农业区单位面积耕地文化服务价值变化均不明显(图6)。

图6 九大农业区单位面积耕地各类生态系统服务价值变化

3 讨论与结论

3.1 讨 论

Costanza等在全球尺度上，以及谢高地等针对中国的研究被广泛应用于生态系统服务价值的评估中，多位学者采用不同方法对我国耕地生态系统服务价值进行了评估(表4)。将国内外关于我国耕地生态系统服务价值的评估结果通过CPI调整到2015年后，对比发现，本文的研究结果基本与谢高地等、薛明皋等的研究较为一致，Song等的研究结果最高，为88 057.4亿元，Li等的研究结果最低，为19 557.1亿元。耕地生态系统服务价值的差异与所采用的当量因子表有较大关系，Song等基于Costanza等的当量因子表，该当量因子表对于耕地的重视程度较高，Li等采用TEEB等提供的当量因子表。本文和薛明皋等的研究均采用谢高地等提供当量因子表和时空校正方法，结果较为接近。

表4 相关研究比较

本文采用的耕地空间分布数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(www.resdc.cn)的中国土地利用遥感监测数据集，该数据集中将耕地分为水田和旱地，将大部分水浇归入到旱地中，一定程度上导致旱地的占耕地的比例较高，影响耕地生态系统服务价值估算。此外，本文在估算耕地生态服务价值过程中没有充分考虑耕地的利用状况，不同利用条件下耕地生态系统服务存在一定的权衡关系，如耕地利用强度过大，耕地供给服务价值短时间内会增加，但耕地的调价服务、支持服务等价值会降低甚至为负值，不同利用条件下耕地生态系统服务价值的差异化评估及其权衡关系需要进一步深入研究。

3.2 结 论

(1)2000—2015年，中国耕地重心持续向西北方向迁移，水田和旱地重心分别向东北和西北迁移，东北平原区水田面积持续增加，北方干旱半干旱区旱地面积持续增加，其他农业区耕地面积均持续减少，其中长江中下游区和黄淮海平原区耕地减少最明显。

(2)2000—2015年耕地生态系统服务总价值和单位价值均减少，不同生态系统服务价值变化存在差异。总价值由23 402.3亿元减少为23 087.1亿元，减幅为1.35%；每hm2价值分别由12 990.4元减少为12 919.2元，减幅为0.55%。全国耕地供给服务、调节服务、支持服务、文化服务总价值变化幅度分别为3.79%，-2.17%，-0.94%，-1.44%，每hm2耕地供给服务、调节服务、支持服务、文化服务价值变化幅度分别为4.63%，-1.38%，-0.14%，-0.64%。

(3)我国耕地生态系统服务价值变化空间分异特征明显。北方的东北平原区和北方干旱半干旱区耕地生态系统服务总价值增加，而单位面积耕地价值降低；青藏高原区耕地生态系统服务总价值和单位价值均降低；其他农业区耕地生态系统服务总价值减少，而单位面积耕地生态服务价值增加。

我国耕地空间格局变化导致耕地生态系统服务价值总量和单位面积耕地生态系统服务价值持续减少，耕地生态系统服务供给能力持续降低，这与我国耕地数量—质量—生态“三位一体”保护策略相违背。因此，提出以下建议：

(1)采用有效手段优化耕地空间格局，有效提升我国耕地生态系统服务供给能力。通过国土空间规划，禁止南方经济发达区域随意占用耕地，特别要禁止占用优质耕地，保护好现有生态系统服务价值较高的耕地，约束东北和西北等生态脆弱区无序开垦耕地，从宏观上遏制耕地北移的趋势，通过优化耕地空间格局提升耕地生态系统服务供给能力。

(2)全面精准实施耕地休养生息战略，2016年国家发改委联合财政部等八部门印发《耕地草原河湖休养生息规划(2016—2030年)》，将生态文明的理念贯穿到耕地保护中，应对当前生态条件较差或存在明显限制因子的实施休耕轮作，降低利用强度，权衡耕地生态系统服务，恢复耕地生态系统服务供给能力。对于耕地生态严重退化，生态供给服务能力严重下降的耕地应实施退耕，积极进行生态保育，防止耕地利用导致生态问题。

(3)建立区域间的耕地保护生态补偿机制，耕地保护的目的是为了实现粮食安全这一公共利益，但不同地区所承担的耕地保护责任及其付出的生态代价差异明显，通过建立耕地生态保护补偿机制，实现耕地保护责任共担、利益共享，为耕地生态保护提供制度和资金保障。