滇桂黔石漠化片区土地生态系统服务价值时空演变研究

叶宗达, 许进龙, 黄天能, 温雪, 欧胜彬

(1.广西壮族自治区自然资源生态修复中心, 南宁 530000; 2.华中师范大学公共管理学院, 武汉 430079; 3.广西财经学院海上丝绸之路与广西区域发展研究院, 南宁 530003; 4.广西财经学院经济与贸易学院, 南宁 530003)

生态系统服务价值(ecosystem service values,ESV)是生态系统为人类提供产品或服务的价值总和,土地作为人类活动以及陆地生态的载体,其利用结构的调整会改变地表覆被状态,影响生态系统的结构、过程与功能,进而引起区域生态系统服务价值变化[1-2]。同时,生态系统服务价值作为表征生态环境效应的关键指标[3],对于优化土地利用格局、改善地表覆被、实现区域可持续发展,具有重要指导意义。石漠化地区土层浅薄,植被稀少,生态系统脆弱,生态系统服务功能遭受巨大破坏,生态系统服务价值亟待提升。

生态系统服务价值的研究最早起源于国外。Costanza等[4]基于效用价值理论等,率先开展全球生态系统服务价值测算。进入21世纪后,联合国《千年生态系统评估报告》对生态系统服务价值的概念、驱动因素与评估方法等进行了全面探讨,引起学术界广泛关注[5]。随后,Pattanayak[6]对Costanza等[4]的价值评估方法进行了细化,并将其运用到印度尼西亚河流流域在降低干旱服务功能的价值测算中,基于实证的生态系统服务价值评价成为研究热点。中国关于生态系统服务价值的研究起步较晚但发展迅速。欧阳志云等[7]对中国陆地生态系统服务功能价值进行初步探索,认为中国陆地生态系统具有巨大的生态经济效益。谢高地等[8-9]基于Contanza等[4]的研究,根据中国实际并运用问卷调查计算得出中国陆地生态系统服务价值当量表,随后又对其进行了补充与完善,该成果当前得到国内学者广泛应用。目前,中国关于生态系统服务价值的研究主要集中在以下三方面:一是生态系统服务价值评估方法讨论。可概括为直接评估法和间接评估法,其中直接评估法又分为客观评估法和主观评估法,间接评估法又分为物质转换法和能值转换法[10-12];二是生态系统服务价值时空演变分析。中国生态系统服务价值总量整体呈逐年上升态势,生态环境持续改善,但发展水平不均衡,价值总量区域差异较大[13-14];三是生态系统服务价值驱动因子研究。可归纳为自然地理因子和社会经济因子两大类,自然地理因子包括降水量、气温等[15-16],社会经济因子包括GDP、城镇化率、产业发展等[17-18]。

当前,生态系统服务价值的研究已取得丰硕成果,但仍有以下两方面值得深化和拓展:第一,驱动因子探索方面,研究方法主要以主成分分析、线性回归等为主,较少考虑驱动因子的时空差异以及多因子交互影响,不利于准确剖析生态系统服务价值的影响因子;第二,研究区域实证方面,较少关注特殊生态脆弱区——滇桂黔石漠化片区。该片区集民族地区、革命老区和边境地区于一体,生态环境脆弱,人地矛盾突出,是西南地区生态系统服务功能的薄弱区。该片区生态环境的改善对于巩固拓展西南地区脱贫攻坚成果、促进中越边境地区稳定繁荣、构筑珠江流域生态安全屏障等具有重大意义。

鉴于此,现从以下两方面进行深化和拓展:①研究区域上,聚焦当前研究中较少关注的重要生态功能区和特殊环境脆弱区——滇桂黔石漠化片区,进一步丰富生态系统服务价值的研究材料,拓展生态系统服务价值研究成果的运用范围;②驱动因子探索方法上,将自然环境因子和社会经济因子同时纳入探索框架,利用地理探测器分析单因子以及交互因子对生态系统服务价值的空间分异驱动作用。以期为科学评估滇桂黔石漠化片区生态治理效果、优化土地利用格局、改善生态系统服务功能提供理论参考。

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区域

滇桂黔石漠化片区(图1)位于中国西南部,包括云南、广西、贵州三省区的15个地市(市)、91个县(区),其中,民族自治地方县(区)83个、老区县(区)34个、边境县8个。片区国土总面积为22.8万km2,南与越南接壤,喀斯特地貌广布。气候类型主要为亚热带湿润季风气候,水热资源丰富,矿产资源富集,民族风情浓郁。但同时经济发展落后,水土流失严重,人地矛盾突出。脱贫攻坚时期有67个国家扶贫开发工作重点县,有80个县属于国家石漠化综合治理重点县。2012年国务院扶贫办、国家发展改革委联合发布《滇桂黔石漠化片区区域发展与扶贫攻坚规划(2011—2020年)》,提出“将滇桂黔石漠化片区建设成为扶贫攻坚与石漠化综合治理相结合重点区、边境繁荣稳定模范区、珠江流域重要生态安全屏障”,生态环境维护与社会经济发展任重道远。

审图号:GS(2020)4619号

1.2 数据来源

行政区划界线来源于《滇桂黔石漠化片区区域发展与扶贫攻坚规划(2011—2020年)》,1990年、2000年、2010年和2018年土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心,空间分辨率为30 m×30 m,并根据中国科学院土地利用分类体系及研究区特点,将土地利用类型划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地6大一级地类。数字高程(digital elevation model,DEM)等其他地理空间数据来源于地理空间数据云平台(http://www. gscloud. cn)。为保证研究数据的权威性和准确性,社会经济数据来源于《中国县域统计年鉴》以及各省市统计年鉴,个别缺失值采用线性插值法补齐。

2 研究方法

2.1 土地利用动态测度

运用土地利用转移矩阵探究滇桂黔石漠化片区各地类之间的面积转移情况,其计算公式[19]为

(1)

式(1)中:Fij为研究期内土地利用类型i与土地利用类型j之间的转换面积;n为土地利用类型的种类数。

2.2 生态系统服务价值评估

基于谢高地等[9]提出的生态系统服务价值当量因子体系,结合滇桂黔石漠化片区实际进行修正。谢高地等[9]计算的生态系统服务价值当量因子的年份为2010年,本文研究计算得出2010年滇桂黔石漠化片区平均粮食单产为3 821.26 kg/hm2,全国平均粮食单产为4 973 kg/hm2,生态系统服务价值修正系数为滇桂黔石漠化片区平均粮食单产与全国平均粮食单产的比值,即修正系数为0.77。另外,1990—2018年,滇桂黔石漠化片区水田与旱地的面积之比基本维持在4.4∶5.6的水平,以面积比例为权重,计算水田与旱地生态系统服务价值当量因子加权和,作为耕地生态系统服务价值当量因子,最终得出滇桂黔石漠化片区不同地类单位面积生态系统服务价值当量因子(表1)。

表1 滇桂黔石漠化片区单位面积生态系统服务价值当量因子表

同时,基于年鉴数据计算得出滇桂黔石漠化片区1990—2018年的粮食平均市场价格为2.254元/kg,根据“一个当量因子的价值量等于当年单位面积粮食产量市场价值的1/7”的规则[20-21],计算得出滇桂黔石漠化片区耕地粮食产量经济价值为1 230.39元/hm2,并以单位面积生态服务价值当量因子表(表1)为基础,得出滇桂黔石漠化片区不同地类生态系统服务价值系数;1990—2018年全国年均通货膨胀率为4.21%[22-23],最后根据通货膨胀率对各地类生态系统服务价值量进行修正。

2.3 驱动因子探索

利用地理探测器中的因子探测和交互探测,揭示滇桂黔石漠化片区生态系统服务价值时空演变背后驱动力,地理探测器公式[25-26]为

(2)

参考文献[15-18]的研究成果,并综合考虑研究区域特点以及指标数据的可获取性等,将城镇化率、人均生产总值等社会经济因子以及坡度、气温等自然地理因子,列为滇桂黔石漠化片区生态系统服务价值空间分异的待检验驱动因子(表2)。

表2 滇桂黔石漠化片区生态系统服务价值驱动因子

3 结果与分析

3.1 滇桂黔石漠化片区土地利用变化分析

由表3可得,1990—2018年期间,从土地利用面积变化率看,滇桂黔石漠化片区土地利用变化总体趋势为建设用地、水域面积增加,以石漠化裸岩石质地为主的未利用地面积减少,耕地、林地和草地面积相对稳定。建设用地增加116.38%,增加部分主要来自耕地。滇桂黔石漠化片区社会经济基础薄弱,城镇化水平低,1990年片区城镇化率仅10.87%,仅为全国平均水平的41%。近年来,国家高度重视片区的社会经济发展,先后颁布《滇桂黔石漠化片区区域发展与扶贫攻坚规划》《滇桂黔石漠化片区林业扶贫攻坚规划》等专项规划,并组建由水利部、国家林业局等30多个中央部委参加的片区部际联席会议制度,在资金、用地、项目等多方面向片区倾斜。多方扶持下,片区社会经济快速发展,2018年城镇化率提升至42.09%,随之而来的是建设用地需求急速增加。但片区地形地貌以山地丘陵为主,适合城市建设的区域主要为耕地连片集中的河谷平原,因此耕地被大量侵占转为建设用地;水域面积增加了116.38%,以石漠化裸岩石质地为主的未利用地则减少47.45%并主要转化为草地和林地。针对片区水土流失严重等问题,国家先后制定实施了《全国水利扶贫规划滇桂黔石漠化片区水利扶贫实施方案》《岩溶地区石漠化综合治理规划大纲》等政策文件,通过植树造林、退耕还林、封山育林、湿地保护恢复等一系列综合举措,加快水利设施建设,加大林草工程投入,水土保持工程成效显著,水域面积持续扩大。随着土壤的固定和水分的保持,石漠化地区林草植被逐渐恢复,石漠化面积不断减少,以石漠化裸岩石质地为主的未利用地面积,由1990年的22 112.73 hm2减少至11 620.08 hm2,减少的未利用地中91.20%的部分转为草地和林地。

表3 1990—2018年滇桂黔石漠化片区土地利用转移矩阵

值得警惕的是,滇桂黔石漠化片区土地利用类型以林地和耕地为主,研究期内占比分别维持在63%和20%左右,因此,虽然耕地和林地的面积变化率仅分别为-1.90%和-0.59%,但由于资源底数面积大,导致净减少面积也较为庞大。研究期内,耕地和林地面积分别减少了86 842.35 hm2和83 542.14 hm2,年平均减少量分别高达3 102 hm2和2 984 hm2。减少的耕地主要转化为林地。为防治石漠化,改善生态系统,滇桂黔石漠化片区在坡度较高、地力贫瘠、不宜耕作的耕地大范围实施退耕还林,大量耕地转为林地。同时,片区水热条件优越,适合种植速生桉等经济林木,受经济利益驱动,片区大量耕地被转用为经济林地。另外,由于片区耕地贫瘠,经济发展落后,大量农村青壮劳动力流往城市务工,部分耕地被闲置抛荒并最终退化为草地;减少的林地主要转为耕地和草地,同时,减少的草地主要转为林地,原因可能是部分林地被开垦成耕地,或者经砍伐后退化成草地,但由于植树造林等工程,部分草地又转化为林地。片区减少的耕地和林地,均主要转化为林地、草地等其他生态用地,而非退化为石漠化裸岩石质地未利用地,再次证明片区石漠化治理效果良好。但耕地保护是确保粮食安全和社会经济稳定的头等大事,片区耕地的减少态势应引起警惕。

3.2 滇桂黔石漠化片区生态系统服务价值时空演变分析

从时间尺度变化看,由表4可得,研究期内,滇桂黔石漠化片区生态系统服务价值呈逐年增加态势,生态系统服务价值由1990年的10 423.82亿元逐年提高至2018年的10 631.62亿元,但增长幅度较小,平均每年提高7.17亿元,表明虽然片区石漠化治理成效良好,但生态系统维护和改善仍任重道远。1990—2000年,滇桂黔石漠化片区生态系统各项功能服务价值从大到小依次为:气候调节>水文调节>土壤保持>气体调节>生物多样性>净化环境>美学景观>水资源供给>食物生产>原料生产>维持养分循环,2000—2018年,水文调节功能价值超过气候调节,成为片区最重要的生态功能类型,其余各项功能服务价值大小排序则保持不变。表明随着石漠化治理效果的显现,片区水文调节功能逐渐增强并发挥日益重要的作用。石漠化片区集中于长江流域、珠江流域以及红河流域三大水系的源头和上游,近年来随着石漠化治理效果日益凸显,各项水利设施功能趋于完善,滇桂黔石漠化片区生态系统截留、吸收和贮存降水、调节径流、调蓄洪水、降低旱涝灾害的功能逐渐增强。另外,1990—2018年,水文调节、气候调节、气体调节、土壤保持与生物多样性的历年贡献率累加均达到77%左右,片区土地利用类型中林地占比始终维持在63%左右,林地对维护生物多样性、保持水土稳定性、维持气候湿润性等,均具有重要推动作用。

表4 1990—2018年滇桂黔石漠化片区生态系统服务价值变化情况

从空间尺度变化看,由图2可得,研究期内,滇桂黔石漠化片区生态系统服务价值空间分异相对稳定,总体维持西南较高、南部次之、北部较低的空间分异特征,整体依次对应云南片区、广西片区以及贵州片区。虽然片区整体生态系统服务价值保持逐年增加态势,但内部差异较为明显。云南和广西高度重视石漠化治理,先后制定出台《云南省岩溶地区石漠化综合治理工程“十三五”建设规划》《云南省岩溶地区石漠化治理工程项目管理办法》《滇桂黔石漠化片区区域发展与脱贫攻坚广西实施规划》等规划文件,通过采取封山育林、荒山造林、坡改梯等措施进行生态综合治理,云南创造了著名的“六子登科”世界石漠化治理经验,广西则因地制宜探索出了“封、造、退、管、沼、补”的“六字”石漠化治理模式,据全国第二次、三次石漠化监测结果,监测期内云南石漠化面积减少48.8万hm2,年均减少近10万hm2,广西石漠化面积减少38.72万hm2,减少率为20.2%;贵州石漠化治理力度虽然也逐年加大,石漠化治理效果也日益显现,但生态系统服务价值在三大片区中始终处于末位水平,原因主要有以下两方面:一是石漠化治理效果稳定性较差。贵州省石漠化程度深,在治理过程中恢复的植被以灌木草为主,生态稳定性较差,研究期内以石漠化裸岩石质地为主的未利用地减少33.10%,远低于47.45%的平均水平;二是耕地和林地被侵占用作城市建设。贵州省作为欠发达地区,近年来社会经济快速发展,“十三五”期间,地区生产总值年均增长8.5%,高于全国同期水平2.8个百分点,建设用地需求强盛,旅游、交通、市政等建设用地快速增加。研究期内贵州石漠化片区建设用地增加了67 295.7 hm2,增加率为311.05%,远高于116.38%的平均水平,而这部分增加的建设用地主要来自耕地和林地。

图2 1990—2018年滇桂黔石漠化片区生态系统服务价值时空分布

3.3 滇桂黔石漠化片区生态系统服务价值驱动因子分析

由表5可得,滇桂黔石漠化片区生态系统服务价值的空间分布差异受自然地理要素和社会经济要素共同作用,其中人类活动影响最为显著。从单因子看,研究期内,“距离县中心”“人口密度”和“年均气温”始终是解释力排前三的因子。县城是人口集中区域,经济结构以二产和三产为主,人类活动极度频繁,土地类型以道路、房屋等建设用地为主,对自然地貌环境干扰强烈,植被稀少,生态系统服务价值微乎其微。此外,人口密度越高,对建设用地和耕地的需求越大,人类活动越频繁,对生态系统的干预和破坏也就越强烈。“气温”是影响滇桂黔片区植被恢复和生长的主要自然地理因子,这与已有的研究文献相吻合[27-29]。从交互探测的结果来看,驱动因子呈双因子增强型,即自然地理要素和社会经济要素内部交互或两者之间交互,交互因子的解释力均明显大于单因子,表明研究区域生态系统服务价值空间分异是受到不同驱动因子交互作用的效果,而非单一因子决定。其中,所有具备较强影响力的交互因子中均存在“距离县中心”驱动因子,“城镇化率”“人均财政支出”和“距离公路”也频繁出现,再次证明人类活动程度对片区生态系统服务价值的空间分异具有巨大影响力。滇桂黔地区水热条件优越,适宜植被生长,但地表土层浅薄。自然生态系统具备自我修复能力,自然状态下滇桂黔地区是不会出现大范围石漠化现象,乱砍滥发、过度开垦樵采等人类活动干预,是滇桂黔石漠化片区石漠化问题的直接原因[29],也是造成片区生态系统服务价值空间分布差异的主要因素。

表5 1990—2018年滇桂黔石漠化片区生态系统服务价值主要驱动因子

4 结论

以特殊生态脆弱区——滇桂黔石漠化片区为研究区域,综合运用土地利用转移矩阵、价值当量法和地理探测器等方法,探究土地生态系统服务价值的时空演变特征及其空间分异的驱动因子,得出如下结论。

(1)研究期内,滇桂黔石漠化片区城市建设成效显著,石漠化治理效果良好。建设用地和水域面积分别增加116.38%和76.40 %,以石漠化裸岩石质地为主的未利用地则减少47.45%并主要转化为草地和林地。但耕地和林地面积的减少形势应引起警惕。

(2)滇桂黔石漠化片区生态系统服务价值呈逐年增加态势,生态系统服务价值由1990年的10 423.82亿元逐年提高至2018年的10 631.62亿元,但增长幅度较小、内部差异明显,生态系统维护和改善仍任重道远。研究期内,总体维持西南较高、南部次之、北部较低的空间分异特征,整体依次对应云南片区、广西片区以及贵州片区。

(3)滇桂黔石漠化片区生态系统服务价值的空间分布差异受自然地理要素和社会经济要素共同作用,但社会经济要素内部交互作用大于自然要素与社会经济要素之间交互及自然要素内部交互作用。“距离县中心”“人口密度”和“年均气温”始终是解释力排前三的因子,所有具备较强影响力的交互因子中均存在“距离县中心”驱动因子,“城镇化率”“人均财政支出”和“距离公路”也频繁出现,人类活动程度对片区生态系统服务价值的空间分异具有巨大影响力。