甘南黃河水源補給區土地利用及其生態服務價值時空分異研究

郝旭然，王艷艷，蔡明娟，孫文莉，馬海婧，陳強強，2*

（1.甘肅農業大學財經學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省生態建設與環境保護研究中心，甘肅 蘭州 730070）

人類福祉與自然生態有著密切的關系，由于人類對生態系統及其多功能價值的認識不足，在取得社會經濟高速發展的同時，生態系統服務功能被嚴重消耗。從時空尺度看，人類生產生活對土地利用方式的改變，正影響著生態系統的結構和功能，進而對全球生態變化產生深遠的影響。生態系統服務價值及其時空變化已成為國內外生態系統服務研究的熱點［1］。Costanza將生態系統服務定義為人類直接或間接從生態系統中獲得的利益，將生態系統服務劃分為17個類型，并首次對全球生態系統服務功能進行了估算。人類能夠從生態系統中得到生態系統服務，即通過生態系統的結構、功能獲得必要的生命支持產品和服務［2］。其中，服務主要分為有形的服務和無形的服務［3］，包含供給服務、調節服務、文化服務以及維持其他類型服務所必須的支持服務4種類型［4］。生態系統服務價值評估是生態環境保護、生態功能區劃、環境經濟核算和生態補償決策的重要依據和基礎［5-8］。

黃河流域是我國重要的生態屏障和經濟地帶，在我國經濟社會的發展和生態安全方面的地位十分重要。甘南黃河水源補給區位于甘肅省西南部，地處青藏高原、黃土高原的過渡地帶，總面積共4.5萬km2，地理坐標N 33°06'～35°34'，E 100°45'～104°45′，包括甘南州的夏河、瑪曲、碌曲、卓尼、臨潭5個縣以及合作市，屬于高原生態過渡脆弱區［9］，多年平均補給的黃河水量高達65.9×108m3，占黃河年均徑流量的11.4%［10］，是黃河與長江的重要水源涵養區和甘肅“兩江一水”流域水土與生物多樣性生態功能區，具有涵養水源、保護生物多樣性、調節黃河水量等重大生態功能，對維持黃河流域的生態平衡具有重大意義［10］。甘南黃河水源補給區作為各種自然、人文過程和格局劇烈變化的區域，人地關系呈現出高度異質性與復雜性［9］。加強對甘南黃河水源補給區生態系統服務價值的研究，有助于深入了解該區生態系統服務功能，對黃河流域內生態環境和可持續發展具有重要意義。

本研究基于1980-2017年的土地利用結構數據，在定量測度甘南黃河水源補給區生態系統服務價值的基礎上，從時間和空間兩個維度分析生態類型變化及其生態系統服務價值（ESV）動態演變的時空分異特征。同時在遵循生態價值評估和人地關系等理論基礎上，分析其變化趨勢以及深層次原因，以期為甘南黃河水源補給區的生態安全、協調統籌發展提供決策參考與理論支撐。

1 材料和方法

1.1 研究方法

1.1.1土地利用動態度土地利用動態度表示研究區一年內某種土地利用類型的變化幅度［11］，是評價土地利用變化速度的指標，可直觀反映不同時段土地利用變化特征。計算公式如下：

式中：K為研究時段內研究區某類土地利用類型的動態度；U0、Ut分別為研究初期和末期土地利用類型的面積，T為研究時段。

1.1.2生態系統服務價值參考謝高地修訂的“中國陸地生態系統單位面積生態系統價值服務當量值”［2］（表1），計算黃河水源補給區不同土地類型生態系統服務價值［12］：

表1 甘南黃河水源補給區生態系統單位面積生態服務價值當量Table 1 Ecosystem service value per unit area in water supply area of the yellow river in Gannan

式中：i為土地利用類型；j為生態系統服務類型；VCi為第i類土地利用類型單位面積生態系統服務價值；ECj為某類土地利用類型第j項生態系統服務的價值當量；ESV為生態系統服務價值；Ai為第i類土地利用類型的面積；Ea為標準單位生態系統服務的經濟價值，即1 hm2農田每年平均糧食產量經濟價值的1/7［13］，計算公式為：

式中：P為研究區糧食平均價格；n為年份；Q為研究區平均糧食產量。

1.2 數據來源與處理

以1980-2017年為考察期，根據我國土地資源分類法，將土地利用類型分為耕地、草地、林地和濕地4種。甘南黃河水源補給區土地利用的面積數據通過查閱1990-2018年的《甘肅農村年鑒》、1984-2018的《甘肅發展年鑒》以及《甘南州志（1991-2010）》和1999年民族出版社出版的《甘南州志》收集整理得到，研究區五縣一市土地利用的面積數據則是通過各縣縣志、各縣統計年鑒收集整理得到。在土地利用類型面積數據的基礎上，參考謝高地修訂的“中國陸地生態系統單位面積生態系統價值服務當量值”［2］，修正得到甘南黃河水源補給區生態系統單位面積生態服務價值當量表（表1），通過當量因子法計算得到研究區生態系統服務價值（ESV）。為分析生態服務價值時空變化特征，以1980、1990、1999、2008、2017年為時間節點，將研究期具體劃分為5個時間段。在計算1標準單位生態系統服務的經濟價值（Ea）時，為減少農作物價格波動對生態系統服務價值計算的影響，以甘南州糧食作物多年平均產量及對應的2017年糧食作物平均價格為基準，計算得到甘南黃河水源補給區1980-2017年平均糧食產量為2 004.70 kg/hm2；查閱《2018年中國農產品價格調查年鑒》《甘肅年鑒》，計算得到2017年甘南黃河水源補給區糧食價格平均為2.3元/kg。因此，根據公式（4）得到研究區生態系統服務經濟價值當量因子為658.69元/（hm2·a）。

2 結果與分析

2.1 土地類型及動態度分析

1980-2017年，甘南黃河水源補給區各土地類型面積均發生不同程度的變化。其中，林地面積呈增加的趨勢，而草地、耕地、濕地總體均呈現減少趨勢（表2）。具體表現為：

表2 1980-2017年甘南黃河水源補給區土地類型及動態度Table 2 Land type and dynamic drgress in water supply area of the yellow river in Gannan from 1980-2017

（1）林地面積呈增加的趨勢，由1980年的38.05萬hm2（占比11.20%）增加至2017年的57.41萬hm2（占比17.78%），增加了19.36萬hm2，增幅為6.58%。從動態度上看，除1999-2008年外，林地利用動態度呈增長趨勢，且歷年變化率大于1%，快于其他土地利用類型的動態度，1980-2017年林地的土地利用動態度達到了1.38%，遠高于其他土地利用類型。

（2）草地為甘南黃河水源補給區面積最大的生態類型，其面積占土地總面積的75%以上。然而，無論是草地面積還是所占比重，均呈現明顯的減少趨勢。1980-2017年，草地面積減少35.40萬hm2，減少了6.68%。草原面積所占比重由1980年的82.04%下降到2017年的75.36%。土地利用的動態度為-034%，尤其1980-2008年草地面積下降動態度高達-1.08%，平均每年以0.55%的速度削減。

（3） 耕地與濕地呈現波動減少的趨勢，1980-2017年，耕地減少了0.40萬hm2，利用動態度為-0.19%。隨著經濟的發展和城鎮化加快，甘南州的城鎮化水平從1978年的13.99%［20］增長到2017年的34.01%，增長了20.02%，年均增長率為3.67%。人均耕地面積則由1980年的0.14 hm2減少到2017年的0.09 hm2，耕地資源不斷被消耗，轉化為交通用地，且隨著人口增長，土地承載力不斷加大。1980-2017年間濕地面積減少了0.46萬hm2，土地利用動態度為-0.07%，較其他土地利用類型低。

2.2 生態系統服務價值

2.2.1生態系統服務價值時間變化

（1）研究期甘南黃河水源補給區生態系統服務價值從1980年的328.50×108元上升至2017年的329.63億元，37 a的時間里增加1.13億元，增長率為0.34%，基本維持平穩狀態，期間經歷 “下降—增長”的雙時段波動（圖1，表3）。不同土地類型生態服務價值從大到小排序為，草地＞林地＞濕地＞耕地，草地和林地的生態系統服務價值貢獻率之和歷年在80%以上，因此，合理規劃并利用草地和林地，對當地生態安全具有深遠的意義。林地生態服務價值增速最高，從1980年的57.86億元上升到2017年的87.32億元，增幅達到50.92%。相反，草地生態系統服務價值從1980年的209.83億元減少到2017年183.18億元，減少了12.70%，其生態價值貢獻率也從1980年的63.87%減少到2017年的55.57%，草原生態系統安全將對整個補給區生態安全具有舉足輕重的意義。

圖1 1980—2017年甘南黃河水源補給區生態系統服務價值總量Fig.1 Total ecosystem service value in the water supply area of the yellow river in Gannan from 1980-2017

表3 1980-2017年甘南黃河水源補給區生態服務價值時間變化Table 3 Time change of ecological service value in water supply area of the yellow river in Gannan from 1980-2017 億元

（2）不同時段生態系統服務價值變化各不相同，整體呈現出上下波動的趨勢。1980-1990年，研究區生態系統服務價值減少了16.32億元，減少率達4.97%，除林地生態系統服務價值有所增加，其他土地利用類型均下降；1990-1999年，總體增長了7.84億元，增長率為2.51%，草地服務價值持續下降，減幅為0.69%，耕地、林地和濕地生態系統服務價值均增加。1999-2008年4種土地類型生態服務價值均呈現不同程度的下降，整體下降3.31%，其中耕地下降率最為明顯，為5.48%，草地生態服務價值下降數量最多，達8.19億元，下降幅度為4.41%緊隨其后，濕地生態服務價值下降1.87%，林地降幅最少，為1.65%。2008-2017年耕地、草地、林地和濕地生態系統服務功能均持續增加，增幅最大為林地，增加近14.66億元，其次是草地達5.49×108元。

（3）1980-2017年不同生態系統服務類型中調節服務的價值最大，文化服務價值最低（圖2）。截止2017年，研究區的調節服務價值為211.86億元，占研究區生態服務價值的64.27%，文化服務價值僅為18.56億元，占5.63%。各類土地利用類型的生態系統服務價值變化趨勢體現出“減-增-減-增”的變化規律，且2008-2017年時間段的四種服務價值增長幅度快于1990-1999年，而1999-2008年時間段服務價值減少速度較1980-1990年時間段有所趨緩。

圖2 1980—2017年甘南黃河水源補給區不同生態系統服務類型的價值量Fig.2 Values of different ecosystem service types in the water supply area of the yellow river in Gannan from 1980-2017

2.2.2生態系統服務價值空間變化生態系統服務價值空間差異與土地利用結構關系密切。整體來看，2017年合作市和瑪曲縣的生態系統服務價值較1980年有所增加，分別上升了5.30億元和6.75億元，其余各縣的生態系統服務價值處于波動中下降趨勢，其中，卓尼縣的減少量最多，高達13.16億元。

甘南黃河水源補給區五縣一市中瑪曲縣生態系統服務價值最大，整體呈現增長的趨勢，截止2017年，瑪曲縣生態系統服務價值達113.55億元。夏河、碌曲和卓尼3縣生態系統服務價值呈現波動變化，基本在40～80億元之間變化，整體均表現出下降的趨勢（圖3）。合作市于1998年成立，其生態系統服務價值表現出連續增長的趨勢。臨潭縣生態系統服務價值在甘南黃河水源補給區最小，基本在10億元以上。

圖3 1980—2017年甘南黃河水源補給區生態系統服務價值空間分布Fig.3 Spatial distribution of ecosystem service value in the Water recharge area of the Yellow River in Gannan Region from 1980-2017

調節功能是各區域不同時間段所提供的最大服務價值，其次為支持服務、供給服務、文化服務，表明甘南黃河水源補給區最大的功能不在于供給產品而在于涵養水源、保持水土。從調節服務功能來看，瑪曲縣的調節服務功能最大，基本維持在74～80億元之間，遠遠高于其他各縣（市），其變化比較平穩，表明瑪曲縣是最大的調節功能區，它承載了研究區主要的水源涵養功能?？傮w來看，整個研究區的文化服務價值都較小，表明研究區對文化價值的挖掘還有所欠缺，在加強生態文明建設的同時，傳承并弘揚好黃河文明顯得尤為重要（表4）。

表4 1980-2017年甘南黃河水源補給區生態服務價值空間變化Table 4 Spatial variation of ecological service value in the water supply area of the yellow river in Gannan from 1980-2017億元

3 討論

甘南黃河水源補給區是“兩屏三帶”全國生態安全戰略格局的重要組成，對保障國家生態安全具有不可替代的作用。20世紀60年代以來，甘南黃河水源補給量急劇下降，水土流失加劇，草地退化嚴重，濕地面積銳減等問題，致使區域涵養水源能力減弱，生態屏障能力減弱和生態多樣性的減少，使得甘南黃河水源補給區的生態研究成為社會各界關注的熱點［14］。

科學評估生態系統服務價值對摸清研究區資源本底狀況具有重要意義。當量因子法是生態價值核算普遍采用的方法之一。邵衛東等［15］關于生態價值核算的研究中指出，當量因子法具有統一的子系統標準和基準的單位面積生態系統服務價值當量表，從體系核算來說更具有規范性。王小莉等［16-17］在區域生態系統服務價值評估方法中認為，當量因子法特別適用于區域生態系統服務價值評估，以及研究生態系統服務價值時空變化特征。本研究采用當量因子法結合甘南黃河水源補給區土地利用結構的變化對甘南黃河水源補給區生態系統服務價值評估，計算出甘南黃河水源補給區1980-2017年的生態系統服務價值，結果顯示，研究區在過去近40年的時間除林地生態系統服務價值有所增加外，其他土地類型均下降。張茂鑫等［18］通過野外科學觀測得出黃河流域草地、水域面積減少，林地用地面積有所增加。王丹彤［19］等對甘南藏族自治州土地利用變化特征趨勢進行了實證，結果表明，1997-2012年甘南州以林地面積持續增加，耕地面積和牧草面積持續減少，水域面積先減少后增加。本研究與上述學者研究結論一致。

孫繼瓊［20］研究認為，黃河流域生態保護指數和高質量發展指數呈現日益提升的變化趨勢，耦合度呈現“先下降后上升”的演化態勢，耦合協調度日益提升。而溫煜華［10］利用耦合協調度模型分析發現甘南黃河水源補給區作為黃河上游重要的補給區，該區域的生態環境調節能力逐步提高，社會經濟發展水平顯著提升。生態環境與社會經濟持續向著協調發展的方向不斷演進。本研究發現生態服務總價值的提高有力地促進了研究區生態保護與經濟發展的耦合協調，有助于實現研究區經濟的高質量發展與可持續發展。

楊旻等［21］以黃河上游甘南地區生態保護區為研究對象，評估其生態保護協同管控成效，研究表明，研究區自然保護區平均水源涵養量最高且功能穩定性最好。王文浩［22］表明涵養水源、生態產業和農牧民收益是甘南黃河重要水源補給生態功能區的主要價值。由于甘南黃河水源補給區重要的水源涵養功能，使得眾多學者將研究重點放在了其保持水土、涵養水源等調節價值和農牧業的供給價值，而文化價值容易被忽視。李月英［23］基于研究黃河流域非物質文化的研究，也得出了當地保護意識落后，重申報輕宣傳的結論。本研究從供給價值、支持價值、調節服務和文化價值四個方面去全面分析，本研究表明，研究區生態系統服務類型中文化服務價值最低，黃河流域的生態文明建設有待提高。黃河流域作為華夏文明的發源地，承載著弘揚中華文化的重要使命，研究區作為黃河上游的重要組成部分，孕育出了以新石器時代文化、先秦文化、針灸文化為代表的中醫藥文化等豐富了黃河文化體系內容［24］。因此，復興黃河文明成為提升甘南黃河水源補給區文化價值提升的有效途徑，千年黃河文明甘南獨具代表，傳承并弘揚好千年黃河文明，才能真正發揮好研究區的文化服務價值。推進新時代黃河文化復興，需要堅持政府支持，多方參與黃河生態文化傳播，推進形式與內容的創新，注重傳播群體的針對性［25］。開展地區間聯合打造黃河文化旅游品牌，推進歌舞、民俗等非物質文化的營銷，健全文旅機制的打造。

馬艷艷等［26］對生態功能區農戶的生計風險研究顯示，在自然壓力沖擊下，重點生態功能區內面臨多重壓力的居民的低適應能力使其生計具有高度依賴性和脆弱性。本研究認為，“人”是發展的核心要素，減緩當地居民對草原生態的強依賴性，需要積極培育當地社會資本，提升生計能力，促進當地畜牧業發展的轉型升級，培育經濟新增長點，減小人類行為對草原生態的干預。孟慶華［27］針對甘南黃河水源補給區生態問題提出了守住生態用地紅線、劃分生態用地格局和結合生態保護與建設工程改善生態用地環境三方面的對策。趙海莉等［14］基于制度安排視角，提出明確生態補償制度在憲法中的地位、修訂環境保護基本法等來探討甘南黃河水源補給區生態補償機制建構。

4 結論

基于土地利用數據，對甘南黃河水源補給區土地利用結構及生態系統服務價值進行分析，得出以下結論：（1）從土地利用結構和動態度看，37年間甘南黃河水源補給區的土地利用以草地和林地為主。其中，林地面積呈增加的趨勢，增加了19.37萬hm2，土地利用動態度達到了1.38%；草地、耕地、濕地面積呈減少的趨勢，土地利用動態度分別為-0.34%、-0.19%、-0.07%；（2）1980—2017年，甘南黃河水源補給區生態系統服務價值總體呈現“減—增—減—增”趨勢，整體上生態系統服務價值增加了1.13億元。耕地、草地、濕地都有一定程度的減少，其中草地變化最大，減少了26.65億元；林地增加29.46億元，成為當地生態服務價值增加的主要驅動力；（3）研究區的4種服務功能中，調節服務最大，文化服務最小。2017年，研究區的調節服務價值為211.86億元，占研究區生態服務價值的64.27%，說明了研究區主要起涵養水源的功能，而文化服務價值僅為18.56億元，僅為研究區生態服務價值的5.63%；（4）甘南黃河水源補給區生態系統服務價值體現出空間差異性，除合作市的生態系統服務價值呈現單調增加態勢外，其余各縣的生態系統服務價值處于波動變化狀態，瑪曲縣承擔著研究區主要的生態調節功能。