賈 丹，覃發(fā)超

(1.西華師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，四川 南充 637009；2.西華師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，四川 南充 637009；3.西華師范大學(xué) 四川省干旱河谷土壤侵蝕監(jiān)測與控制工程實(shí)驗(yàn)室，四川 南充 637009；4.大小涼山干旱河谷土壤侵蝕監(jiān)測與生態(tài)修復(fù)野外科學(xué)觀測研究站，四川 喜德 616753)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指人類從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的各種惠益[1]，與土地利用類型密切相關(guān)[2-3]。量化和評估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，利于土地資源的高效調(diào)控以及生態(tài)補(bǔ)償政策的科學(xué)制定[4-5]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(ecosystem services value，ESV)的提出推進(jìn)了不同區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的評估工作[6]，R Costanza等[7]首先進(jìn)行了全球ESV評估，實(shí)現(xiàn)了ESV的貨幣表達(dá)。謝高地等[8-9]于2003在研究青藏高原生態(tài)價(jià)值時(shí)提出了“單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量表”，并于2015年進(jìn)行補(bǔ)充和修訂，被廣泛應(yīng)用于ESV估算。各國研究人員不斷梳理生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與其影響因素之間的關(guān)系，將生ESV、土地利用變化、生態(tài)環(huán)境發(fā)展趨勢等有機(jī)融合在一起[10-11]。目前，關(guān)于ESV的研究主要聚焦于服務(wù)功能分類及價(jià)值評估[12]、時(shí)空變化及影響因素3個(gè)方面。具體而言，從研究內(nèi)容上看，主要集中于ESV的理論研究[13]、時(shí)空動(dòng)態(tài)變化及其驅(qū)動(dòng)力[14]3個(gè)方面；從研究尺度上看，行政區(qū)[15]、流域[16]、格網(wǎng)單元[17]等尺度均有涉及；從研究對象上看，研究區(qū)域多集中在濕地[18]等ESV高值區(qū)域及沙漠[19]等生態(tài)脆弱區(qū)；從研究方法上看，統(tǒng)計(jì)分析和空間分析應(yīng)用較廣，同時(shí)InVEST[20]、地理探測器[14]等模型在評估ESV和探究其驅(qū)動(dòng)因素等方面應(yīng)用越來越廣泛；就研究結(jié)果而言，ESV空間相關(guān)性逐漸變強(qiáng)，生態(tài)政策[21]和人類活動(dòng)對ESV的影響較大。近年來，關(guān)于ESV的研究仍以“熱點(diǎn)區(qū)”和“脆弱區(qū)”為主，小尺度上的研究相對薄弱，且缺乏對區(qū)域生態(tài)發(fā)展與社會(huì)政策關(guān)系的進(jìn)一步探討。

孫水河流域位于我國四川省涼山彝族自治州境內(nèi)，是長江上游重要的生態(tài)屏障，區(qū)域集山區(qū)、水域、水土流失嚴(yán)重區(qū)于一體，同時(shí)貧困人口分布廣、少數(shù)民族聚集多。1999年涼山州作為退耕還林工程的試點(diǎn)并順利實(shí)施以來，孫水河流域生態(tài)效益得到明顯改善；孫水河流域隸屬于烏蒙山集中連片特困區(qū)，是《中國農(nóng)村扶貧開發(fā)綱要(2011-2020 年)》規(guī)劃的11個(gè)集中連片特困區(qū)之一，2013年2月該地區(qū)脫貧攻堅(jiān)政策正式進(jìn)入實(shí)施階段[22]，自此孫水河流域土地利用結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)生活方式不斷改進(jìn)，生態(tài)效益和社會(huì)效益顯著提高。本研究目的在于分析孫水河流域ESV的時(shí)空變化特征，揭示其變化的驅(qū)動(dòng)因素，探究政策因素對ESV的影響。研究結(jié)果可為孫水河流域生態(tài)系統(tǒng)的良性發(fā)展提供理論依據(jù)，對實(shí)現(xiàn)脫貧攻堅(jiān)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的有機(jī)結(jié)合有重要意義。

1 研究區(qū)概況

孫水河流域位于四川省涼山彝族自治州境內(nèi)，雅礱江二級支流(圖1)。河流全長95.2 km，流域面積1 617.5 km2，源于昭覺縣解放溝鎮(zhèn)，河道由南向西北進(jìn)，在喜德縣境內(nèi)的流長達(dá)70.2 km，最后在冕寧縣瀘沽鎮(zhèn)匯入安寧河。該河中、上游匯積區(qū)水土流失嚴(yán)重，洪期河水呈高濃度的懸濁流，水土流失嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境脆弱。

圖1 研究區(qū)概況

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

孫水河流域范圍利用DEM提取，DEM數(shù)據(jù)來源于NASA(https://earthdata.nasa.gov/esds/)，分辨率為5 m，提取方法采用ArcGIS 10.5水文分析工具。行政邊界矢量數(shù)據(jù)來源于國家基礎(chǔ)地理信息中心(https://www.webmap.cn/)。由遙感信息處理研究所(http://irsip.whu.edu.cn/)獲取1990、1995、2000、2005、2010、2015、2020年7期土地利用遙感解譯數(shù)據(jù)，分辨率為30 m，結(jié)合謝高地等[23]對中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的劃分，將孫水河流域土地利用劃分為6個(gè)類型：林地和灌木歸并為林地、草地-草地、耕地-耕地、城鎮(zhèn)-城鎮(zhèn)、水域和濕地歸并為水域、裸地-裸地。

驅(qū)動(dòng)因素的探究根據(jù)已有研究結(jié)果[24]主要考慮自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況選取自然因素6個(gè)：氣溫、降水、高程、坡度、植被覆蓋度和土壤侵蝕指數(shù)；社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素4個(gè)：人口密度、地均GDP、人為干擾指數(shù)和土地利用程度。其中，坡度和高程利用DEM提取；土地利用程度[25]、人為干擾指數(shù)[26]依據(jù)相關(guān)研究計(jì)算；氣溫、降水、土壤侵蝕、植被覆蓋度、人口密度和地均GDP數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用動(dòng)態(tài)度 土地利用類型的變化速度可以借助土地利用動(dòng)態(tài)度衡量[27]。本研究利用土地利用動(dòng)態(tài)度分析孫水河流域6大土地利用類型的變化速度及轉(zhuǎn)換特征。模型表達(dá)式為

(1)

式中:C代表土地利用動(dòng)態(tài)度，Ui代表孫水河流域某種土地利用類型面積；ΔUi-j表示在對應(yīng)時(shí)段內(nèi)，孫水河流域的i種土地利用類型轉(zhuǎn)化為j種的面積；T為研究時(shí)長(a)。

2.2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值計(jì)算 通過查閱《四川省統(tǒng)計(jì)年鑒》和《中國農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格調(diào)查年鑒》，計(jì)算出孫水河流域1990-2020年糧食單產(chǎn)為4 257.42 kg·hm-2，單價(jià)為2.88元/kg，并根據(jù)“單位當(dāng)量因子價(jià)值量為糧食單價(jià)的1/7”修正[9]，計(jì)算出孫水河流域單位當(dāng)量因子價(jià)值為1 751.62元，經(jīng)過計(jì)算得出孫水河流域單位面積ESV(公式中用ESV表示)系數(shù)(表1)。各土地利用類型及各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的價(jià)值計(jì)算公式如下

表1 孫水河流域單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值

(2)

式中:Ai和Ci表示孫水河流域i種土地利用類型面積(hm2)及ESV系數(shù)(元·hm-2·a-1)；Cfi表示第孫水河流域i類土地利用類型的第f項(xiàng)生態(tài)服務(wù)功能的ESV系數(shù)(元·hm-2·a-1)。

2.2.3 熱點(diǎn)分析 熱點(diǎn)分析已廣泛應(yīng)用于ESV空間變化研究[28]，冷、熱點(diǎn)可以表征ESV變化量高值和低值的空間聚集情況，本研究通過ArcGIS 10.5軟件中Getis-Ord Gi*指數(shù)對孫水河流域ESV變化量熱點(diǎn)進(jìn)行識別。Getis-OrdGi*指數(shù)公式為：

(3)

式中:Gi*為斑塊i的集聚指數(shù)，Z(Gi*)為Gi*的數(shù)學(xué)期望，Wab表示要素a、要素b之間的空間權(quán)重，Var(Gi*)表示Gi*值的方差。本研究將ESV變化熱點(diǎn)與冷點(diǎn)劃分為熱點(diǎn)區(qū)、次熱點(diǎn)區(qū)、不顯著變化區(qū)、次冷點(diǎn)區(qū)和冷點(diǎn)區(qū)，對應(yīng)的Z(Gi*)取值范圍分別為≥1.96、[1.65，1.96)、(-1.65，1.65)、(-1.96，-1.65]、≤-1.96。

2.2.4 地理探測器模型 孫水河流域ESV的影響因素探究采用地理探測器工具，地理探測器是基于空間分層異質(zhì)性識別主導(dǎo)影響因子的一種統(tǒng)計(jì)學(xué)新方法[29]。本研究采用分異及因子探測器對孫水河流域ESV的影響因子進(jìn)行探測。公式為[30]：

(4)

3 結(jié)果與分析

3.1 孫水河流域土地利用類型動(dòng)態(tài)變化

林地、草地、耕地、城鎮(zhèn)、水域和裸地為孫水河流域6大土地利用類型，其中林地占據(jù)主導(dǎo)地位，30 a比重由49.1%持續(xù)上升至56.1%，其次為草地和耕地，城鎮(zhèn)、水域和裸地所占面積比重較小。土地利用動(dòng)態(tài)評估結(jié)果表明(表2)，1990-2020年林地面積持續(xù)上升；草地面積變化趨勢與林地相反，2005年后下降幅度逐漸變大；受退耕還林政策影響，耕地面積持續(xù)下降；城鎮(zhèn)面積隨著城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展而增加，2010年后增速放緩；水域和裸地面積在人類活動(dòng)干擾下持續(xù)減少?？傮w來看，孫水河流域土地利用綜合動(dòng)態(tài)度在1990-2015年波動(dòng)上升；而在2015-2020年土地利用綜合動(dòng)態(tài)度達(dá)到最大值，林地面積的增幅、草地和耕地面積的降幅均較大，這一時(shí)段內(nèi)土地利用最為活躍。

表2 1990-2020年孫水河流域土地利用動(dòng)態(tài)度

3.2 孫水河流域ESV時(shí)空變化

3.2.1 孫水河流域ESV時(shí)間變化 1990-2020年孫水河流域ESV不斷增長，累計(jì)增加2.55億元，增長率為6.4%(圖2)。其增幅在1995-2005年和2015-2020年2個(gè)時(shí)間段較大，與退耕還林政策和脫貧攻堅(jiān)政策實(shí)施期吻合。退耕還林政策實(shí)施造成的林地面積擴(kuò)大和耕地面積縮減利于ESV快速增長；脫貧攻堅(jiān)政策造成的生產(chǎn)生活方式的改進(jìn)、土地利用結(jié)構(gòu)的優(yōu)化也會(huì)促進(jìn)ESV增長，表明政策對ESV的影響不可忽視。

圖2 孫水河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值動(dòng)態(tài)變化

在4大服務(wù)功能中，調(diào)節(jié)服務(wù)最為突出，占總價(jià)值的62%以上，累計(jì)增長1.64億元，流域總價(jià)值與調(diào)節(jié)服務(wù)的變化趨勢基本一致；其次為支持服務(wù)，占總服務(wù)價(jià)值的24%，累計(jì)增長0.61億元；供給服務(wù)價(jià)值較為穩(wěn)定；文化服務(wù)價(jià)值略微增加。

3.2.2 孫水河流域ESV空間變化 本研究采用單位面積ESV來分析孫水河流域內(nèi)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)ESV空間變化(圖3)，結(jié)果可知，1990-2020 年，孫水河流域14個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)中有10個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)ESV增長，4個(gè)衰減，其中3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的ESV累計(jì)上升超過400元/hm2，分布于流域中部及西北部，ESV衰減的鄉(xiāng)鎮(zhèn)集中于流域中部和東部。

圖3 1990-2020年孫水河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間變化

利用ArcGIS 10.5將孫水河流域1990-2020年ESV變化量轉(zhuǎn)化為點(diǎn)要素，探究ESV變化量在空間上的局部表現(xiàn)，揭示ESV變化冷點(diǎn)和熱點(diǎn)的分布狀況(圖4)。結(jié)果表明，高密度區(qū)域主要分布于北部光明鎮(zhèn)及流域西北邊界，低密度主要分布在西南部的洛哈鎮(zhèn)及流域東部邊界(圖4a)；熱點(diǎn)分析表明ESV變化的熱點(diǎn)區(qū)集中在北部光明鎮(zhèn)及冕山鎮(zhèn)，冷點(diǎn)區(qū)分布在南部解放溝鎮(zhèn)的局部地區(qū)(圖4b)。ESV的增減變化較為集中，應(yīng)注重局部地區(qū)的生態(tài)調(diào)控。

圖4 1990-2020年孫水河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化量空間分布

3.3 孫水河流域ESV變化驅(qū)動(dòng)因素分析

基于孫水河流域1 km×1 km格網(wǎng)尺度，采用地理探測器工具探測孫水河流域ESV空間分異的主導(dǎo)因素。2020年各探測因子按q統(tǒng)計(jì)量的大小排序?yàn)槿藶楦蓴_指數(shù)(0.37)>土地利用程度(0.18)>坡度(0.17)>地均GDP(0.11)>人口密度(0.09)>高程(0.08)>土壤侵蝕(0.005)>植被覆蓋度(0.04)>積溫(0.0.04)>降雨(0.01)。結(jié)果顯示造成ESV空間分異的主要原因人為干擾；其次土地利用程度、坡度和地均GDP的q都>10%，為次要原因；而除坡度外的其余5個(gè)自然因子的q統(tǒng)計(jì)量均<10%，降水、積溫和植被覆蓋度甚至<5%，表明自然因素對ESV的空間分異影響較小，而社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素發(fā)揮重要驅(qū)動(dòng)作用。

從圖5可以看出，1990-2020年人為干擾指數(shù)q統(tǒng)計(jì)量呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢，其余探測因子的變化幅度不大。人為干擾指數(shù)q統(tǒng)計(jì)量的上升幅度在2015-2020年最大，這一時(shí)期，在脫貧攻堅(jiān)政策的實(shí)施下，區(qū)域內(nèi)土地利用結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化、生產(chǎn)生活方式不斷改進(jìn)，ESV不斷增加。表明孫水河流域ESV與政策密切相關(guān)。

圖5 孫水河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間分異驅(qū)動(dòng)因子探測P<0.01

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

孫水河流域土地利用類型以林地為主，其次是草地、耕地、城鎮(zhèn)、水域和裸地。1990-2020年土地利用類型之間轉(zhuǎn)換劇烈，林地和城鎮(zhèn)面積增幅較大，草地、耕地和水域面積縮減。

孫水河流域ESV呈增加態(tài)勢，且在2015 年后增幅加大，1990-2020年累計(jì)增加2.55 億元，增長率為6.4%。其中調(diào)節(jié)服務(wù)功能受林地面積持續(xù)擴(kuò)大的影響，累計(jì)增加1.64億元，是總價(jià)值的主要貢獻(xiàn)者；空間上，有2/3的鄉(xiāng)鎮(zhèn)ESV均增加，分布于流域中部及西北部，ESV減少區(qū)主要分布在流域東部；價(jià)值量變化熱點(diǎn)分布在北部的光明鎮(zhèn)和冕山鎮(zhèn)。

孫水河流域ESV的變化和社會(huì)政策密切相關(guān)。退耕還林政策造成林地面積的不斷擴(kuò)大，對ESV的持續(xù)增長起到了關(guān)鍵作用；人為干擾因素對ESV的空間分異影響最大，并且影響程度逐年上升；人為干擾指數(shù)、土地利用程度等社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素在2015-2020年對流域ESV空間分異的驅(qū)動(dòng)力明顯增強(qiáng)，這一時(shí)期在脫貧攻堅(jiān)政策導(dǎo)向下，生產(chǎn)生活方式及經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化深刻影響著土地利用結(jié)構(gòu)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)ESV發(fā)生變化。

4.2 討論

研究結(jié)果表明，孫水河流域ESV持續(xù)增加，這一結(jié)果與黃河下游[14]等地區(qū)研究結(jié)果不同。黃河下游地區(qū)ESV持續(xù)降低，原因是該地區(qū)人口稠密，城鎮(zhèn)面積大，耕地面積逐年增加，起關(guān)鍵作用的調(diào)節(jié)服務(wù)價(jià)值固然減少，造成ESV衰減。孫水河流域土地利用類型以林地為主，其面積的擴(kuò)大對ESV的增加起到了關(guān)鍵性作用，加之受退耕還林政策的影響，耕地面積逐年下降，林地面積持續(xù)擴(kuò)大，益于ESV增加；近年來在脫貧攻堅(jiān)政策的大力支持下，旅游業(yè)等環(huán)境友好型產(chǎn)業(yè)逐步壯大，調(diào)節(jié)服務(wù)和支持服務(wù)價(jià)值上升，造成ESV總量持續(xù)上升。

林地對孫水河流域ESV的維持起到了關(guān)鍵作用，對調(diào)節(jié)服務(wù)功能的增長至關(guān)重要，未來發(fā)展應(yīng)注重保持現(xiàn)有林地優(yōu)勢；同時(shí)還需進(jìn)一步完善相關(guān)生態(tài)政策，針對性進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)償，促進(jìn)孫水河流域生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展。本研究基于鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政尺度評價(jià)ESV，是考慮到以行政邊界為尺度單元更易在實(shí)踐中進(jìn)行生態(tài)管理，而黃木易等[28]從行政、子流域和格網(wǎng)單元3個(gè)尺度出發(fā)，揭示了ESV對尺度變化的響應(yīng)特征，研究顯示ESV的空間變化特征對評價(jià)尺度的變化具有敏感性，因此不同評價(jià)尺度下的孫水河流域ESV空間變化特征有待進(jìn)一步研究。