生态系统服务价值事关人类福祉和地球未来^[1],是当今人类面临的较为紧迫的全球性挑战。联合国《千年生态系统评估》报告显示,生态系统在全球范围内的退化比重已接近60%^[2],同时指出人类活动是造成这一现象的根源所在。当前,随着我国社会经济快速转型和城镇化进程加快,区域土地利用和土地覆被变化日益活跃^[3-4],由此引发的土壤退化、水土流失等生态环境问题日益突显。土地利用变化不仅会重新塑造地表自然景观,还会深刻影响区域生态系统服务功能的正常实现^[5]。在生态文明建设和经济高质量发展背景下,如何有效测度土地利用变化对生态系统服务的影响,实现经济社会发展与生态环境保护相协调成为学术界关注的焦点^[6-7]。

生态系统服务价值(Ecosystem Services Values,ESV)是指对生态系统的服务和自然资本用经济法则所做的估计^[8]。土地利用变化诱发的生态系统结构和功能变化可通过生态系统服务价值表征^[9]。近年来,国内外学者分别从县域^[10]、省域、流域^[11]、城市群^[12]和国家^[13]等不同区域、不同尺度开展了土地利用变化和ESV的相关研究。研究内容主要包括以下几个方面:一是聚焦于ESV变化的时空特征。基于土地覆盖类型量化生态系统服务价值^[14],探究不同时间尺度下ESV的变化规律,同时,结合空间自相关^[10]、空间回归^[15]、地理探测器等^[16]分析方法,揭示土地利用变化影响下ESV的空间分异及其影响因素^[17]。二是探讨生态政策对ESV的影响,以此评估相关政策实施的生态效益。如研究退耕还林还草工程背景下ESV的演变规律^[18],为土地利用规划及新一轮退耕还林还草政策的推进提供参考^[19]。三是通过FLUS,CA-Markov等模型预测和模拟未来土地利用变化^[20],估算不同情景下生态系统服务价值损益情况^[21],以此优化土地利用空间布局。这些研究均无一例外地表明土地利用变化显著影响了区域ESV。然而,上述已有研究大多是以区域土地利用总体变化为研究对象,鲜有单一地类变化对ESV损益影响的研究,尤其是耕地利用变化对ESV的影响。耕地是生态与经济功能相互转化中最为灵活的土地类型与稀缺资源^[22],耕地利用变化方向、程度影响着生态系统结构和功能的稳定性^[23],耕地转为生态用地是区域生态系统功能改善的主要原因,而耕地转为建设用地则会在一定程度上损害区域生态系统功能^[24]。因此,测度ESV对区域耕地利用变化的响应具有重要现实意义,不仅有利于更加深刻揭示人类活动与自然环境的复杂交互作用关系,也可为区域土地利用管理和可持续发展提供重要参考。

我国北方农牧交错带的耕地利用变化对ESV影响的研究尚未引起关注。北方农牧交错带位于我国半湿润地区与干旱、半干旱地区接壤的过渡地带,同时也是我国农业和牧业的交错地带^[25],具有阻隔荒漠南侵、保持水土的重要作用,是我国中东部平原农区的生态屏障^[26]。北方农牧交错带是一类重要的农业空间,其经济形态不同于农区和牧区。长期以来,该区域粮食生产、畜牧业发展、城市化和生态保护的矛盾突出,耕地、草地和建设用地等地类的转换频繁,而其中不合理的土地利用导致资源环境压力越来越大,对区域发展和生态系统功能具有深刻影响。因此,研究该区域耕地利用变化对ESV的影响对于指导农牧交错带地区土地资源开发利用、生态环境保护和建设资源循环的生态农牧区具有重要的理论意义和现实价值。鉴于此,本文以宁夏回族自治区吴忠市作为研究区,基于2009年、2013年、2017年3期土地利用数据,在GIS、地学信息图谱和当量因子等方法的支持下,测度吴忠市ESV的演变规律,并探讨ESV对耕地变化的响应,以期为北方农牧交错带土地利用科学管理、生态环境保护和社会经济可持续发展提供决策参考。

吴忠市(东经105°17'—107°47',北纬36°34'—38°15')位于宁夏回族自治区中部,高程1 047～2 603 m,辖利通区、红寺堡区、盐池县、同心县和青铜峡市5个行政区。吴忠市地处北方农牧交错带的黄土丘陵沟壑地区,地势由北向南逐步升高,地貌形态各异,从北向南依次为黄河冲积平原、毛乌素沙漠、鄂尔多斯台地、黄土丘陵,以及鄂尔多斯高原与黄土高原衔接地带。吴忠市属中温带干旱、半干旱气候地区,常年平均气温9.3℃,年均降雨量维持在184.6～273.5 mm,气候干燥且蒸发强烈。2017年,吴忠市人口总数为140.37万人,地区生产总值为508.11亿元,占宁夏全区比例分别为20.59%,14.76%。

2017年,吴忠市总面积约为167.68万hm²,土地利用类型包括林地、草地、耕地、建设用地等,其中,耕地和草地是其主要土地利用类型,面积占全市的比例分别为22.52%,51.59%。2009—2017年吴忠市土地利用变化较为剧烈,表现为生态用地大规模减少,而建设用地不断扩张。具体而言,建设用地(包括城镇村及工矿用地和交通运输用地)面积共增加了12 580.97 hm²,耕地面积减少了885 135.42 hm²,生态用地(包括林地、草地、园地和水域及水利设施用地)面积共减少了20 555.03 hm²,其中,草地和林地减少规模较大,分别减少了17 297.39,3 185.36 hm²。

研究以吴忠市2009年、2013年、2017年3期土地利用现状数据为基础,采用土地利用图谱以及当量因子法对吴忠市2009—2017年ESV演变及对耕地变化的响应进行了分析。得到如下主要结论:(1)2009—2017年,吴忠市ESV逐年降低。一级类型生态系统服务中调节服务价值最高,二级类型生态系统服务中,保持土壤和维持生物多样性的生态系统服务最具优势地位。ESV最高的地类为草地,最低的为其他土地。(2)2009—2017年吴忠市耕地利用变化模式以前期变化型和后期变化型为主(不考虑稳定型),反复变化型和持续变化型面积相对较小。(3)2009—2017年,吴忠市在前期变化、后期变化和持续变化3种耕地利用变化模式下,ESV均有不同程度的损失,前期变化型的ESV损失最大,持续变化型的ESV损失最小。此外,吴忠市由耕地利用变化引起的不同类型的生态系统服务变化趋势不同。“生态退耕”政策的实施对吴忠市生态系统功能的改善具有重要作用,而城市化进程加快、建设用地持续扩张是导致吴忠市生态系统功能退化的主要原因。

2009—2017年,吴忠市生态用地数量减少,而城市化进程加快,建设用地大规模扩张,导致ESV逐年降低。由于耕地的ESV系数小于林地、园地、草地以及水域,大于未利用地和建设用地,当耕地向大于自身系数的地类转变时,ESV升高,反之ESV降低。基于吴忠市4种耕地变化模式可知,在前期变化和后期变化的耕地利用模式下,吴忠市“生态退耕”效果不显著,而建设用地却大肆扩张,局部生态系统功能改善无法弥补大范围生态系统功能退化导致的ESV损失。因此,吴忠市今后仍需适当扩大生态退耕规模,以解决城镇化进程中导致的生态系统功能退化问题。吴忠市持续变化类型的耕地利用不尽合理,大部分都转为建设用地,导致ESV降低。出现这种现象的原因或许是在“耕地占补平衡”的压力下,地方政府迫不得已采取其他方式占用耕地,即“耕地→草地/林地→建设用地”的利用模式,但这一模式降低了生态退耕实施成效,损害了生态系统功能,不利于实现可持续发展。基于此,应合理编制国土空间规划,实现节约集约利用土地,如以建设用地减量规划为导向,严格划定城镇开发边界,以改变建设用地无序扩张的趋势,提升城市土地利用效率,促进区域可持续发展和生态文明建设^[34]。此外,新增建设用地应不占或者尽量少占耕地,同时要避免“变相式”侵占耕地的现象。在反复变化的耕地利用模式中,其最终的地类仍为耕地,虽然ESV最终保持不变,但从理论上看,前期从耕作土壤改造为其他土壤后,土壤的各项物理性状会发生变化,后期可能会导致耕作土壤层退化,造成肥力下降、盐渍化等问题,不利于农业生产。因此,在耕地利用时应尽量避免反复变化型这一不合理的土地利用模式。

北方农牧交错带不仅是我国中东部平原农区的生态屏障,也是一类重要的农业空间,其具有重要理论和实践研究价值。本文科学评估了吴忠市2009—2017年的ESV,揭示了ESV对耕地变化的响应规律,研究结果可为吴忠市土地利用科学管理和生态环境保护等提供决策参考,进而推动北方农牧交错带地区的生态文明建设与可持续发展。研究采用一级分类标准对吴忠市的土地利用现状进行归类,未作进一步细化,并将建设用地的ESV系数假定为0,这些因素在一定程度上致使所估算的ESV结果有待精细。不过需要指出的是,生态系统服务价值评估并不是为了得到一个绝对准确的价格标签,探究土地利用演变过程中生态系统服务价值的边际变化才是主要目的。另外,有学者表明ESV存在空间异质性,由于地球表面物理参数的变化,在同一地类中,ESV可能不同^[6]。而研究采用谢高地的“当量因子法”时,同一地类的ESV系数相等,即假定了相同地类的单位面积ESV相等,估算结果与实际情况可能存在一定差异。下一步工作中,拟通过细化土地利用类型、采用不同ESV估算方法进行对比分析,提高估算结果精准性。