吴泽昊，赵 爽，罗征鹏，柴 波,3*，王 伟，聂 坤
(1.中国地质大学(武汉)环境学院，湖北 武汉 430078；
2.贵州省地质矿产勘查开发局106地质大队，贵州 遵义 563000；
3.中国地质大学(武汉)长江流域环境水科学湖北省重点实验室，湖北 武汉 430078)
土地利用变化是自然环境和人类活动综合作用的结果[1]，驱动着生态系统的结构和服务功能变化[2]。人类对生态系统的改造强度呈现指数增长，资源开发、环境污染和不合理的土地利用均会造成生态系统压力增大。当生态系统保护与社会经济发展相矛盾时，往往面临着复杂的自然资源管理决策，此时需要将生态系统服务及其经济价值信息作为依据，科学地指导土地利用规划。
在国外，Costanza等[3]较早开展了生态系统服务价值评估原理和方法的研究；
在国内，谢高地等[4]提出的基于专家知识的生态系统服务价值量估算模型应用最为广泛。许多学者基于遥感影像解译土地利用类型和生态服务价值当量表，对土地利用变化及其生态系统服务价值时空演变开展了研究，并提出了动态度、变化量、景观破碎度等表征土地利用变化的参量，对生态系统服务价值及其敏感度进行了分析[5-9]。此外，一些学者从土地利用变化对生态系统的影响效应出发，建立了土地利用类型、景观格局与生态系统服务间的相关关系，并分析了生态服务价值变化的驱动因素[10-11]。如Song等[12]运用能值法和对数均分指数计算了东北地区湿地生态系统服务价值，阐明了不同驱动因素对生态系统服务价值变化的贡献；
朱相君等[13]利用耦合协调度模型分析了关中地区生态系统服务价值与经济发展的耦合关系。
贵州省作为首批国家生态文明试验区，正在积极探索山水林田湖草沙冰一体化保护和修复模式。其中，遵义市地处赤水河流域和武陵山区等重点生态保护区域，区内生态系统脆弱，石漠化、水土流失、矿产资源开发和不合理垦殖等给生态系统造成了较大压力[14]，近些年遵义市已采取多种措施保护和修复区域生态，并取得了积极效果。本文基于2009—2019年遵义市土地利用变化，开展遵义市生态系统服务价值(ecosystem service value,ESV)分析，研究了遵义市生态系统服务价值的时空变化特征，并对于下一阶段的国土空间生态规划给出了建议。
遵义市位于贵州省北部，地处乌江流域中下游，全市下辖3个区、7个县、2个民族自治县和2个代管市，地理位置为东经105°36′～108°13′，北纬27°8′～29°12′。遵义市处于云贵高原向湖南丘陵和四川盆地过渡的斜坡地带，海拔为1 000～1 500 m，平坝及河谷盆地面积占6.57%，丘陵占28.35%，山地占65.08%。大娄山山脉是辖区的主要分水岭，将遵义市划分为南北两大片区：山南的播州区、红花岗区、凤冈县、湄潭县、余庆县及绥阳县南部，面积占比为37.6%，以低中山丘陵和宽谷盆地为主，耕地相对集中，土地利用率高，是粮食、油料作物的主产区；
山北的赤水市、习水县、仁怀市、汇川区北西部、桐梓县、绥阳县中北部、正安县、道真自治县、务川自治县，面积占比为62.4%，以中山峡谷为主，耕地分散。
图1 研究区地理位置图
2. 1 数据来源与处理
遥感数据源为LANDSAT系列和高分二号卫星遥感影像及高精度航空遥感影像，采用人机交互解译法获取遵义市2009年、2019年的土地利用数据，栅格数据精度为30 m。参照《土地利用现状分类》(GB/T 21010—2017)标准[15]和《中华人民共和国土地管理法》，将研究区的土地利用类型划分为林地、水域、交通用地、建设用地、耕地、采矿用地、园地、草地和未利用地，并对各种类型用地的生态系统服务功能进行了细分，见表1。遵义市年度净初级生产力(NPP)数据来自于Google Earth Engine所提供的MODIS系列卫星MOD17A3HGF V6遥感产品，此产品提供500 m像素分辨率的年度净初级生产力信息；
遵义市经济数据则来自遵义市2009年至2019年的统计年鉴。
2. 2 研究方法
2.2.1 土地利用转移矩阵建立
本文采用土地利用转移矩阵来分析遵义市土地利用类型的变化情况。建立的土地利用类型面积转移矩阵如下：
(1)
式中：Sij为i与j地类间转换的面积(km2);n为遵义市土地利用类型数量(个);i,j(i,j=1,2,…,n)分别为发生土地转移前、后所代表的土地利用类型。
2.2.2 生态系统服务价值计算与修正方法
(1) 生态系统服务价值计算方法。采用生态系统服务价值当量因子法计算生态系统服务价值。该方法首先由Costanza等在全球生态系统价值量化模型中提出，将农业价值作为核算生态系统服务价值当量的货币化表征，并将其作为各子项服务功能之间的横向对比量纲单位[16]。生态系统服务价值当量因子是生态系统潜在服务价值的相对贡献率，该因子等于每年每公顷粮食生产服务价值的1/7。谢高地等[4]修正了Costanza等提出的方法，并根据200多位中国生态学家的调查问卷，建立了符合中国实际情况的生态系统服务价值系数。通过查询遵义市统计年鉴和贵州省粮食局数据开放平台，以遵义市2009—2019年平均粮食单产(3 710.14 kg/hm2)和贵州省多年平均粮食单价(2.94 元/kg)计算出遵义市生态系统服务价值一个当量因子的价格为1 558.26元/hm2。本文通过参考各学者对于生态系统服务价值的研究成果[17-18]，计算出遵义市生态系统服务价值系数，见表1。
表1 遵义市生态系统服务价值系数(单位：元/hm2)
生态系统服务价值的计算公式如下:
ESV=∑(Ak×VCk)
(2)
ESVf=∑(Ak×VCfk)
(3)
式中:ESV为生态系统服务价值(元);Ak和VCk分别为土地利用类型k的面积(hm2)和生态系统服务价值系数(元/hm2);ESVf为生态系统第f项服务功能的价值(元);VCfk为土地利用类型k的第f项服务功能价值系数(元/hm2)。
(2) 生态系统服务价值空间修正。生态系统服务价值计算只反映不同土地利用类型生态系统服务价值的高低，但相同的土地利用类型的生态系统服务价值在不同的地理环境下也存在差异，需要进行空间修正[19]。生物量反映生态系统的原料生产能力，其形成和累积过程影响生态系统的服务功能，可反映不同区域生态系统服务功能的差异[20]。本文采用年度净初级生产力(NPP)对林地、耕地、草地的生态系统服务价值评估结果进行空间修正。年度净初级生产力是由给定年份的所有8 d净光合作用(PSN)产品(MOD17A2H)之和得出的，其计算公式为
(4)
2.2.3 生态系统服务价值敏感性分析方法
本文使用敏感性指数来评估生态系统服务价值系数的适用性和生态系统服务价值评估结果的可靠性[21]，其计算公式为
(5)
式中：CS为生态系统服务价值敏感性指数；
ESVi为生态系统服务价值的初始值(元)；
ESVj为生态系统服务价值系数调整后的生态系统服务价值(元)；
VCik和VCjk分别为土地利用类型k调整前、后的生态系统服务价值系数。
当|CS|<1时，ESV对于土地利用类型调整前、后的生态系统服务价值系数缺乏弹性，其评估结果可信；
反之，当|CS|≥1时，ESV的评估结果准确度差，可信度低。|CS|越大，表明该生态系统服务价值系数的准确性对于ESV的评估结果越为重要，故可将各土地利用类型的生态系统服务价值系数上下调整50%，用来计算相应的敏感性指数[22]。
2.2.4 生态系统服务价值贡献率计算方法
生态系统服务价值贡献率指土地利用类型变化导致生态系统服务价值变化量占总生态系统服务价值变化量的百分比，可以反映影响研究区生态系统服务价值变化的主要贡献因子和敏感因素，其计算公式如下：
(6)
式中：Si为第i种土地利用类型在研究期内对生态系统服务价值的贡献率(%)；
ΔESVi为第i种土地利用类型在研究期内的生态系统服务价值变化量(亿元)；
n为土地利用类型数量(个)。
3. 1 遵义市土地利用类型变化分析
基于土地利用主导功能解译结果和“三生空间”划分方法，得到2009—2019年遵义市土地利用类型变化情况，见表2、表3和图2。
表2 2009—2019年遵义市土地利用类型面积转移矩阵(单位：km2)
表3 2009—2019年遵义市土地利用类型面积百分比转移矩阵(单位：%)
注:A行表示2009年第i种土地利用类型转变为2019年第j种土地利用类型的百分比;B行表示2019年第i种土地利用类型中由2009年的第j种土地利用类型转变而来的百分比。
图2 2009—2019年遵义市土地利用类型分类图
通过对表2、表3和图2进行分析可知：从一级地类来看，遵义市生产用地面积从2009年的11 275.49 km2降至2019年的9 711.16 km2，减少了13.87%；
生活用地面积变化较小，2019年为1 008.34 km2，较2009年减少了27.16 km2，但遵义市各县市中心城区面积都有一定程度的增长；
生态用地面积从2009年的18 490.57 km2增至2019年的20 082.06 km2，增加了8.6%;从二级地类来看，遵义市耕地和林地面积所占比重最大，2019年耕地和林地面积分别占遵义市全市总面积的26.25%、63.48%，其中林地主要分布在遵义市东北至东南地区，包括湄潭县、余庆县、赤水市等区域，在中部地区分布较分散(见图2)。
2009—2019年，遵义市的草地和耕地面积大幅减少，分别减少了1 511.28 km2和2 777.02 km2;林地、采矿用地、交通用地和水域面积分别增加了3 144.16 km2、29.70 km2、544.60 km2和128.98 km2，其中交通用地增幅最大，达到了495%。由于受地形地貌、经济政策以及交通区位等因素的制约，2009—2019年遵义市各用地类型变化的差异较大，具体表现如下：
(1) 林地、水域等生态用地面积增长，其中水域面积增长主要是赤水河和乌江的水域。
(2) 林地主要转换为耕地和交通用地，转换面积为1 109.05 km2和176.72 km2，对应的转移率为6.76%和1.08%。
(3) 耕地主要转换为林地和园地，转换面积为3 140.79 km2和593.67 km2，对应的转移率为28.91%和5.47%。遵义市耕地面积减少的原因在于该市积极响应国家退耕还林政策，并因地制宜地根据不同地形条件将耕地转换为更适宜当地生态发展的用地类型。遵义市现已形成了以赤水市、习水县、仁怀市、桐梓县等地为主的退耕还竹，以湄潭县、余庆县等地为主的退耕还茶，以务川自治县、正安自治县、道真自治县等地为主的退耕还林，以绥阳自治县、凤冈自治县等地为主的退耕还药，以正安县、道真自治县等地为主的退耕还果等治理模式。
(4) 草地主要转换为林地和耕地，转换面积为1 287.09 km2和192.70 km2，对应的转移率为80.73%和12.08%。
(5) 采矿用地主要转换为居民建设生活用地和林业生态用地。2009年采矿用地面积为32.84 km2，2019年有面积为24.53 km2的采矿用地转变为其他用地类型，转移率为74.70%。
(6) 林业生态用地面积增长的原因在于遵义市依托退耕还林、森林植被恢复、石漠化治理、造林补贴等国家林业工程政策，使得遵义市森林覆盖面积增加。
3. 2 遵义市生态系统服务价值敏感性分析
将各种土地利用类型的生态系统服务价值系数上下调整50%，敏感性指数绝对值均小于1，表明所得到的生态系统服务价值评估结果是可信的，所采用的生态系统服务价值系数可用于遵义市生态系统服务价值评估。遵义市各种土地利用类型生态系统服务价值的敏感性由高到低依次为有林地、灌木林地、水系、旱地、果园、水田、茶园、其他草地、牧草地、裸地。
3. 3 遵义市生态系统服务价值空间分布特征分析
2009—2019年遵义市生态系统服务价值的变化，见表4。
表4 2009—2019年遵义市生态系统服务价值变化
由表4可知：2009—2019年遵义市生态系统服务价值(ESV)总体呈现上升趋势，由2009年的674.77亿元上升至2019年的785.68亿元，增加了16.44%；
从单项ESV来看，气候调节的ESV值最高，占总ESV值的25.86%，水资源供给的ESV值最低，占总ESV值的0.95%，2009—2019年间遵义市食物生产的ESV值由于耕地面积的减少下降了3.22亿元，其余各项生态系统服务价值均呈上升趋势，其中水资源供给的ESV值变化率最大，这与水域面积增大及水田面积减少具有很大的关系。
将研究区空间区域以1 000 m×1 000 m作为像素单元，按总ESV值分成低值区(<100万元)、中值区(100万元～200万元)、较高值区(200万元～300万元)、高值区(>300万元)，得到2009—2019年遵义市生态系统服务价值的空间分布图，见图3，并统计得到2009—2019遵义市各县区地均生态系统服务价值的变化，见表5。
图3 2009—2019年遵义市生态系统服务价值空间分布图
由图3和表5可知：从总ESV值空间分布来看，遵义市总ESV高值区分布于山北地区及山南地势陡峻的区域，以林地和水域为主，低值区主要分布于山南地区，以耕地集中区域和建设用地为主；
从各县区的地均ESV值来看，遵义市汇川区、仁怀市的地均ESV值低，赤水市、余庆县地均ESV值较高；
2009年同2019年相比较，遵义市14个县区ESV值都呈上升趋势，其中播州区的ESV值增幅最大。
2009—2019年遵义市各种土地利用类型生态系统服务价值变化及其贡献率，见表6。
由表6可知：与2009年相比，2019年遵义市林地、水域、园地的ESV值上升，耕地、草地、未利用地的ESV值下降；
林地作为遵义市生态系统服务价值构成的主体，对ESV变化的贡献率最大(54.72%)，草地(12.49%)、耕地(11.62%)、水域(10.82%)、园地(10.33%)对ESV变化的贡献率大致相当，未利用地(0.03%)对ESV变化的贡献率较小。
表5 2009—2019年遵义市各县区地均生态系统 服务价值变化
表6 2009—2019年遵义市各种土地利用类型生态系统服务价值的变化及其贡献率
土地利用转型及生态服务功能的定量表述与评估是指导生态保护规划的重要研究课题。2009—2019年间，遵义市实施退耕还林等生态保护政策，有28.91%的耕地和80.73%的草地转换为林地，生态系统服务价值整体提升。
生态系统服务价值与社会经济的关系对于国土空间生态修复具有指导意义。前述两个基准期ESV计算使用了相同的粮食单价，以体现土地利用对ESV的绝对贡献。考虑社会经济的变化，即贵州省2009年前后5年粮食均价为1.88元/kg，而2019年粮食均价为2.95元/kg，再据此计算得到2009—2019年遵义市各县区ESV和GDP的变化情况，其结果见表7和图4。
通过对表7和图4进行分析可知：2009—2019年遵义市ESV与GDP呈现双增长，但各县区的年平均增速不均。遵义市GDP的增长率为448.30%，高于同期全国(194.17%)和贵州省(334.80%)，这说明在国家生态文明建设和脱贫政策的支持下，以遵义市为代表的西部城市在加强生态保护的同时，实现了社会经济快速发展。通过比较2009—2019年遵义市各县区人均ESV、GDP和两者的年平均增速，可将遵义市14个县区分成4种生态经济发展类型：
(1) 高ESV、低GDP——生态经济型(Ⅰ型)：遵义市的余庆县、务川自治县、湄潭县、桐梓县、赤水市、绥阳县生态本底好，ESV与GDP协调发展，特色农业和旅游业在GDP占有较重的份额，故可依托生态优势，发挥ESV对GDP的撬动作用。
表7 2009—2019年遵义市各县区生产总值(GDP)和生态系统服务价值(ESV)变化
(2) 高ESV、低GDP——经济增长型(Ⅱ型)：遵义市的凤冈县、习水县、正安县、道真自治县的生态本底好，2009—2019年经济增速大于生态增速，但人均GDP仍低于贵州省平均水平，故需要进一步巩固脱贫成果，开发生态产品，使生态保护与社会经济协同发展。
(3) 低ESV、高GDP——经济增长型(Ⅲ型)：遵义市的仁怀市ESV本底值相对低，作为茅台产业园区，人均GDP远高于其他县区， ESV年平均增速/GDP年平均增速低于其他县区，故应着重保护赤水河谷的生态环境，提升生态服务价值。
(4) 低ESV、高GDP——生态经济型(Ⅳ型)：红花岗区、汇川区、播州区作为遵义市的中心城区，虽然近些年实施的生态保护与修复措施成效显著，但因人口密度大，导致人均ESV相对较低，故在国土空间生态修复规划中，遵义市的城市生态保护与修复仍然将是重要内容。
图4 遵义市生态经济发展类型分类图
(1) 2009—2019年遵义市的土地利用结构变化显著，林地、水域、园地和交通用地面积增加，耕地、草地和未利用地面积减少，表现为耕地、草地向林地、园地转移，林地向水域和耕地转移，园地向林地转移。
(2) 遵义市ESV在空间分布上呈现为不均匀增长趋势，东、北、西高，中部和南侧低；
林地为ESV的主要贡献者，其次为水域、耕地、园地等；
ESV的单项服务功能以气候调节和水文调节为主，其次为土壤保持、气体调节和生物多样性。
(3) 遵义市生态保护与社会经济发展总体协调，生态保护与修复效果较好，根据ESV和GDP本底值及其变化关系划分的4种生态经济类型县区，对遵义市国土空间生态修复规划具有指导意义。
生态系统是一个复杂多样的系统，本文未触及土地利用变化的驱动机制，也缺乏对宏观政策的系统分析，因此如何实现生态保护与社会经济协调发展仍然需要进一步研究。
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