嘉陵江流域土地利用变化的生态系统服务价值评估
李佳林a，廖家红a，王旭熙a，b，刘守江a，b，杨 丹 a，b，鄢继尧a，b
（西华师范大学，a．国土资源学院；b．嘉陵江流域研究所，四川 南充 637009）
摘要： 根据嘉陵江流域2000、2005和2015年3期土地利用遥感影像数据，将地理数学方法与GIS相结合，研究了嘉陵江流域15年各种土地利用类型的面积变化、土地利用动态度等动态变化信息，并估算了各种土地利用类型的生态系统服务价值。结果表明，2000—2015年，嘉陵江流域耕地面积持续减少，而建设用地、草地、水域、林地和未利用地面积增加；嘉陵江流域生态系统服务价值由2000年的243 109．36百万元减少到2015年的242 805．95百万元；嘉陵江流域生态系统服务价值对价值系数缺乏弹性，反映耕地面积的变化对研究区生态系统服务价值的变化具有较大影响。
关键词： 土地利用；生态系统服务价值；嘉陵江流域；评估
生态系统服务功能是指生态系统服务与生态系统功能的综合，指生态系统与生态过程所形成及维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用［1］。当前有关生态系统服务价值 （Ecosystem service value，ESV）的研究已成为生态经济学和环境经济学的研究热点［2］。Costanza 等［3］于 1997 年在《Nature》上发表了论文“全球生态系统服务价值和自然资本”，掀起了生态系统服务研究的热潮，在全球、国家、市、县、区域、流域等不同空间尺度上，针对森林、草地、农田、湿地、海洋等不同生态系统类型的研究广泛开展，把生态系统提供的商品和服务统称为生态系统服务，同时对生态系统服务进行了分类，并对全球生态系统与自然资本的价值进行了估算。在中国实际情况下，谢高地等［4］综合国内数百位具有生态学背景的专业人员的调查问卷结果，制定了中国生态系统单位面积生态服务价值当量。
土地利用／覆盖变化是人类活动对环境影响最直接的表现，土地利用现状图也是人地关系的一面镜子［5］。土地利用／覆盖变化通过改变地表覆盖类型，从而影响生态系统的结构、过程、功能，进而影响区域生态系统服务价值［6］。诸多学者也在不同空间尺度上就土地利用变化对生态系统服务价值的影响进行了相关研究［7，8］。对于快速城市化区域，由于人口迅速增长、城市迅速扩张、社会经济高速发展，生态系统服务价值对土地利用剧烈变化呈现出明显和复杂的时空变化特征［9］。
朋比，是宋代君主特别要戒除的危险之一。而庆历新政期间，晏殊周围业已形成一个小圈子：富弼是晏殊的女婿，范仲淹是由晏殊一手推荐提拔并成为执政，欧阳修则是晏殊之门生，虽然官品不高，却居台谏之要职。因此，可以说，围绕晏殊，客观上已经形成一股不可小觑的政治势力。
目前对于嘉陵江流域土地利用和生态系统服务价值的研究并不丰富，主要集中于应用GIS空间分析方法分析嘉陵江流域土地利用／覆被变化、影响因素及驱动力［10］，而对嘉陵江流域整体生态系统服务价值变化并没有详细分析。本研究以嘉陵江流域2000、2005和2015年土地利用变化为基础，借鉴Costanza等［3］、谢 高 地等［4］的研 究方法，评价 了嘉陵 江 流 域2000—2015年生态系统服务价值对土地利用变化的响应，并分析了该地区生态系统服务价值的变化及其产生原因，旨在为嘉陵江流域土地资源可持续利用和生态环境保护提供科学依据。
1 研究区概况
嘉陵江（29°20′N-34°30′N，102°30′E-109°51′E）发源于陕西省秦岭南麓，由北向南流经陕西、甘肃、四川和重庆三省一市，其干流分东西两源，东源起自陕西省凤县以北的秦岭镇，西源起自甘肃省天水平南川，习惯上东源为正源，西源称为西汉水。东源向南流经甘肃省徽县，于陕西略阳与西源西汉水汇合，经阳平关入川，然后向南流经广元、昭化、苍溪、阆中、南部、蓬安、南充、武胜等两市六县，在合川入渝，在重庆汇入长江，全长1 119 km。嘉陵江流域属亚热带季风气候，流域多年平均降水量为935．2 mm，由于地形复杂，降水时间分布很不均匀，降水量有明显的旱季和雨季，6—9月降水量占年降水量的66%，12月至次年2月为全年降水量最少的季节，占年降水量的3．2%。整个流域多为紫红色沙泥岩，质地松脆，水土流失严重，成为流域内泥沙产生的主要来源。嘉陵江流域自然条件复杂，自然资源丰富，人口众多，是西部地区重要的粮、油、果、猪、蚕生产基地［11］。嘉陵江是长江上游重要的支流，联系了中国西部的甘、陕、川、渝4个省市，该流域是联系“陆上丝绸之路经济带”和“长江经济带”的重要纽带［12］。
2000—2015年嘉陵江流域土地利用情况发生了较明显变化，2000—2015年嘉陵江流域耕地集中分布在南部，区域集约化程度高，北部东部有少许耕地，主要原因是山区地形条件限制；水域和草地在这15年间呈增加趋势；林地和未利用地和水域变化不大；建设用地集中在中部、南部，2015年中部、东部建设用地增加，区域集约化程度提高。
2 数据来源与研究方法
2．1 土地利用动态数据获取
根据研究区2000、2005和2015年3期的土地利用数据。该数据由陆地卫星Land Sat同一时相遥感影像作为基础数据，在ENVI 5．2遥感软件支持下配准，进行遥感影像预处理、辐射纠正和集合纠正、图像配准［13］；在GIS的支持下，以栅格影像为背景，利用人机交互提取专题数据，并参考全国土地利用分类方法，将嘉陵江流域用地类型分为6类，分别是耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地。应用ArcGIS 10．2软件属性表的空间计算功能，统计嘉陵江流域6类土地利用类型的面积，得到嘉陵江流域2000、2005、2015 年土地利用分类（图 1）。
图1 嘉陵江流域2000、2005和2015年土地利用分类
2．2 土地利用研究方法
土地利用类型动态度（K）指某研究区在一定时间范围内某种土地利用类型的数量变化情况［14，15］。为了反映嘉陵江流域各类土地的动态变化情况，采用土地利用类型动态度模型具体分析该流域土地利用变化情况。 计算公式［16，17］如下。
式中，Ua、Ub分别为研究初期及研究末期某一种土地利用类型的数量；T为时段，当T被设定为年时，K就是该研究区某种土地利用类型的年变化率。
2．3 生态系统服务价值研究方法
根据研究区土地资源特征与景观变化差异，参照中国《土地利用现状调查技术规程》和前人采用的土地分类系统［3，17，18］，将研究区土地利用类型划分为6个类别，即耕地（水田、水浇地和旱地等）、林地（有林地、灌木林、疏林地和其他林地）、草地、建设用地（城乡居民用地与工矿交通用地等）、水域 （河湖沟渠、水库坑塘、滩涂滩地等）、未利用地（盐碱地、沙地、戈壁、裸岩石质地和沼泽地等）。对建设用地按照Costanza等［3］的方法，不估算其生态系统服务功能经济价值。
从生态系统服务价值构成（表5）来看，研究时段内林地所产生的生态服务价值所占比重最大，2000、2005 和 2015 年分别为 54．98%、55．03%、55．12%，占整个生态系统的主导地位；耕地和草地的生态系统服务价值也较高，所占比例分别为21．20%、21．04%、20．79%和 20．98%、21．05%、21．08%，二者生态系统服务价值变化小；水域的生态系统服务价值相对较小，在嘉陵江流域生态系统服务总价值中处于第四位；未利用地生态系统服务价值的贡献率非常低，在研究时段贡献率仅0．12%。
式中，ESV为研究区生态系统服务总价值（元）；VCK为第k类土地利用类型单位面积的生态功能服务价值系数（元／hm2）；Ak为研究区内第k类土地利用类型的面积（hm2）；n为土地利用类型数。
式中，ESV为总生态系统服务价值；VC为生态系统价值系数；i和j分别代表初始价值和生态系统价值系数调整后价值；k为各土地利用类型。
由表2可知，2000—2015年嘉陵江流域土地利用类型发生了较大变化，其总体趋势为耕地减少，林地、草地、建设用地、水域和未利用地面积增加。2000—2015年耕地面积大幅度持续减少，减少量达1 620 km2，变化率为-2．06%，且 2005—2015 年的变化率大于2000-2005年的变化率；林地面积在2000—2015年先增加后持平，整体增加了88 km2；2000—2015年草地面积增加了190 km2，变化率为0．36%；2000—2005年建设用地面积增加，变化量达227 km2，变化率为 15．77%，2005—2015 年持续增加，增加了 956 km2，变化率为 57．38%，因此，2000—2015年建设用地面积整体呈上升趋势，增加了1 183 km2，变化率为82．21%；2000年水域面积仅占总用地面积的 0．91%，2000—2005年水域面积增加了19 km2，2005—2015 年增加了 77 km2，2000—2015 年水域面积整体呈增加趋势；2000—2015年未利用地变化也较为明显，总体上呈增加趋势，增加了63 km2，变化率为 2．48%。
甲洛洛空闲了，便带着小阿布四处转转，有时给小阿布买几颗糖，有时给他买一把瓜子。小阿布便牵着甲洛洛的手，四处炫耀：这是我爷爷！这是我爷爷！其他的小朋友们看着小阿布牵着甲洛洛的手走进营业部，眼里满是羡慕。
2．4 敏感性分析方法
借用敏感性指数 CS（Sensitivity coefficient）验证生态系统类型对各种土地类型的代表性和价值的准确性，同时检验谢高地等［4］的生态系统服务价值系数对本研究区的适合程度［20，21］，进而确定生态系统服务价值随时间的变化对于生态服务功能价值系数（VC）的依赖程度。敏感性指数CS的含义是指VC变动引起的ESV的变化情况。如果CS＞1，表明ESV相对于VC是富有弹性的；如果CS＜1，ESV则被认为是缺乏弹性的。敏感性系数越大，表明生态系统服务价值系数的准确性越关键，过高或过低赋值的生态系统服务价值系数也很可能在很大程度上影响生态系统服务价值随时间变化的真实性。敏感性指数的计算公式如下。
预算资金执行进度缓慢，而临近第四季度时，又顾虑财政资金被盘活收回，预算执行率指标考核不达标，加上时间仓促、预算单位会到年底集中花钱；对绩效重视不够，责任落实不到位，以至于资金执行滞后，年末出现大量结余，严重影响了预算资金的执行效果。
3 结果与分析
3．1 土地利用变化分析
鉴于嘉陵江流经范围广，且历史流数据不易获取，以县（市）为基本地域单元，研究2000—2015年嘉陵江流域生态系统服务价值。基于数据收集的可得性，以嘉陵江流域2008年平均粮食单产及其相对应的2008年各作物全国的平均收购价格为基准，由当量因子价格和当量因子得出流域不同生态系统类型的生态价值系数。
4.金融支持下第三产业增长效率实证分析。测算结果显示，2000-2015年间，陕西省金融支持第三产业增长效率测度结果可以分为2000-2005年和2006-2017年两个阶段。2000-2008年之间，陕西省金融支持第三产业增长效率经过一段波动调整时期，表现为2002-2005年，投入指标和产出指标分别都有不同程度的冗余和不足，技术效率均小于1，均无效。金融支持第三产业增长效率低这一现象在2003年前后表现最明显。以2004年为例，该年综合效率指数为0.862，投入指标中第三产业劳动力的松弛变量为101.943，产出指标的松弛变量163.086。
表1 嘉陵江流域生态系统服务价值系数
表2 嘉陵江流域2000—2015年土地利用变化
嘉陵江流域在2000—2015年建设用地变化量最大，变化速度最快，动态度为5．48%；其次是水域、未利用地、耕地，它们的动态度分别为 0．36%、0．17%、-0．14%；林地和草地的总体变化较平缓，动态度分别为 0．01%、0．02%（表 3）。
表3 嘉陵江流域2000—2015年土地利用动态度（单位：%）
则训练ELM的过程即为解决线性系统的优化过程。式中=H+T为Hβ=T的最小范数最小二乘解；H+为广义矩阵H的逆。
3．2 土地利用变化对生态系统服务价值的影响
根据嘉陵江流域不同陆地生态系统服务价值（表1）和嘉陵江流域各土地利用类型面积（表2），计算得到嘉陵江流域生态系统服务价值的变化情况（表4）。从表4可以看出，嘉陵江流域2000—2015年生态系统服务总价值呈现减少的变化趋势，2000、2005和2015年的生态系统服务总价值分别为 243 109．36 百万、243 236．49 百万 和 242 805．95百万元，2000—2005年增加了127．13百万元。在研究期间，耕地大面积减少，2000—2005年和2005—2015年其生态系统服务价值损失量分别达到了365．60百万和693．92百万元；草地生态系统服务价值先增加后减少，2005—2015年面积减少，其生态系统服务价值损失量达到了32．85百万元，而2000—2015年整体增加了183．57百万元；未利用地面积变化不明显，其生态系统服务价值增加了7．25百万元；2000—2015年水域面积扩大，水域生态系统服务价值增加了360．43百万元；林地价值先增加后无变化，整体增加了204．86百万元。嘉陵江流域在2000—2015年耕地向水域、草地、林地、未利用地和建设用地转化，虽然水域、草地、林地所提供服务功能的经济价值高于耕地，但因转化为水域、草地、林地的面积远小于耕地的减少面积，大部分耕地转化为建设用地，因而整体生态系统服务价值减少。
建设用地面积的大幅度增加主要与流域内城市规划逐渐成熟以及后期旅游业发展迅速有关［22］，城市建设速度加快，交通用地和商业用地不断扩大，在此进程中，同时增加了对耕地的需求与开发，导致其面积明显减少。
2．3．1 生态系统服务价值计算方法 结合 Costanza等［3］提出的生态系统服务价值（ESV）计算公式和谢高地等［4］2007年基于500份调查问卷修订后的中国生态系统服务价值当量因子，估算流域的生态系统服务价值。根据嘉陵江流域统计年鉴，为消除农作物价格波动对总价值量的影响，以嘉陵江流域2008年平均粮食单产 5 431．14 kg／hm2，及其相对应的 2008年各作物全国的平均收购价格1．69元／kg为基准，考虑到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［19，4］，计算出嘉陵江流域一个当量因子的价格约为1 311．23元／hm2。由当量因子价格和当量因子，得出流域不同生态系统类型的生态价值系数（表1）。 主要计算公式［17］如下。
表4 嘉陵江流域土地生态系统服务价值的变化 （单位：百万元）
表5 2000—2015年嘉陵江流域生态系统服务价值构成（ESV 比例）变化 （单位：%）
3．3 生态服务价值敏感度分析
根据敏感性指数的计算公式，把VC分别上下调整50%，计算出研究区 2000、2005和2015年的敏感性。结果（表6）表明，流域所有土地利用类型生态系统服务价值系数的敏感性指数（CS）均小于1，说明生态系统服务价值对生态价值系数缺乏弹性，研究结果可信。未利用地的CS最小，为0．001 2，即当未利用地的生态价值系数增加1%时，流域总的生态系统服务价值仅增加0．001 2%。林地因面积较大，其在流域总生态系统服务价值中的贡献最大，敏感性指数 CS 也最大，为 0．549 7～0．551 2；草地和耕地的价值系数较大，CS次之；未利用地面积小于林地，其价值系数较低，CS较小。研究期间各类型土地的CS变化趋势与各自面积的变化趋势基本一致，年际变化不明显。
表6 生态系统服务价值对价值系数的敏感性指数
4 小结与讨论
本研究将地理数学方法与GIS相结合，对嘉陵江流域2000—2015年的土地利用变化情况和生态系统服务价值进行分析，为嘉陵江流域土地资源可持续利用和生态环境保护提供科学依据。通过研究主要得出以下结论。
1）2000—2015年嘉陵江流域土地利用类型发生了较大变化，耕地、林地和草地是嘉陵江流域的主要土地类型，研究期内各种土地利用类型变化较明显。其总体趋势为耕地减少，减少量达1 620 km2，变化率为-2．06%，而林地、草地、建设用地、水域和未利用地面积增加。
2）嘉陵江流域生态系统服务价值由2000年的243 109．36 百万元减少到 2015 年的 242 805．95 百万元，说明嘉陵江流域生态系统服务价值呈下降趋势，耕地向水域、草地、林地、未利用地和建设用地转化，虽然水域、草地、林地所提供服务功能的经济价值高于耕地，但因转化为水域、草地、林地的面积远小于耕地的减少面积，大部分耕地转化为建设用地，因而整体生态系统服务价值减少，生态系统服务价值对土地利用变化表现出了较强的敏感性。
小灶火冲洪积扇地处内陆极干旱区，为戈壁荒漠，多年平均气温4.4 ℃，多年平均降水量12.7 mm，多年平均蒸发量为降水量的87.4倍[1]。水资源在时空分布上极不平均，地下水多深埋于洪积扇内。洪积扇地下水数值模拟研究对合理开发利用地下水资源，促进社会经济可持续发展具有重要的现实意义。
综上述，国内外学者从不同视角对农业绿色发展进行了研究，并取得初步成果，为农业绿色发展提供了理论支撑。随着区域经济一体化的加深，我国各省区产业之间的相互影响日益明显，因此国内外学者逐渐将空间计量方法运用于论文研究。考虑到空间经济外部性，农业绿色发展的空间相关性如何？有哪些因素影响着农业绿色发展？从以往的文献中，我们发现已有学者对农业绿色发展的影响因素进行了理论分析，并且也有相应的数量模型和实证检验。但目前还尚未见到有学者将空间相关性纳入到农业绿色发展的研究中，所以本文通过空间计量分析方法，研究我国农业绿色发展的空间关联性，并通过空间计量模型对我国30个省份农业绿色发展的影响因素进行实证分析。
3）嘉陵江流域生态系统服务价值相对于价值系数的敏感性都小于1，说明前者对后者是缺乏弹性的，本研究所选的生态价值系数是较合理的，结果可信。
4）随着嘉陵江流域经济快速发展，城市化建设将不可避免，但流域生态系统服务价值下降。因此，协调社会经济发展与生态环境保护之间的矛盾，制定合理的土地利用规划和决策，是恢复和保育嘉陵江流域生态系统服务的有效途径。
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Assessment of Ecosystem Service Value of Land Use Change in the Jialingjiang Watershed
LI Jia-lina，LIAO Jia-honga，WANG Xu-xia，b，LIU Shou-jianga，b，YANG Dana，b，YAN Ji-yaoa，b
（a．College of Land and Resource；b．Institute of Jialing River Basin，China West Normal University，Nanchong 637009，Sichuan，China）
Abstract： According to the TM images of Jialing River watershed in the years 2000，2005 and 2015，by using Geo-mathematical method and GIS method， the author analyzed the changes of land use area and the dynamic indexes of land use，and estimated the ecosystem service value of land use change in Jialing River watershed in 15 years．The results showed that from 2000 to 2015，the areas of cultivated land decreased continuously，and the areas of construction，grassland，water，forestland and unused land of Jialing River watershed increased．The ecosystem service value of Jialing River watershed decreased from 243 109．36 million yuan in 2000 to 242 805．95 million yuan in 2015．The sensitivity analysis showed that the ecosystem service value in study area was inelastic，the cultivated land area change reflected by the value change between land use and the ecosystem service value had a great influence．
Key words： land use； ecosystem service value； Jialing River watershed； assessment
中图分类号： F301
文献标识码： A
文章编号： 0439-8114（2019）02-0033-05
DOI： 10．14088/j．cnki．issn0439-8114．2019．02．008
开放科学（资源服务）标识码（OSID）： 
李佳林，廖家红，王旭熙，等．嘉陵江流域土地利用变化的生态系统服务价值评估［J］．湖北农业科学，2019，58（2）：33-37．
收稿日期： 2018-07-16
基金项目： 四川省教育厅重点项目（17AZ0373）；西华师范大学博士启动基金项目（4126501）
作者简介： 李佳林（1997-），女，四川宜宾人，在读本科生，（电话）18380723027（电子信箱）1802835692＠qq．com；
通信作者 ，王旭熙（1985-），女，四川眉山人，讲师，博士，主要从事水土资源开发与利用，（电子信箱）wangxuxi1985＠163．com。
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