中科院傅伯杰：评估中国黄土高原土地利用/土地覆盖转化对生态系统服务价值变化的影响

生态系统服务，包括供应、调节、栖息地和文化服务，是维持人类幸福生活、可持续发展必不可少的一部分。这些服务的货币估值直观地说明了人类从生态系统中的较大获益，进一步突出了生态系统的重要性，能够强有力地支持促进有效的生态系统保护和管理的相关决策。因此近年来，生态系统服务价值(Ecosystem Services Value, ESVs) 的评估引起了很多关注。

中国黄土高原正在遭受剧烈的人类活动 (例如大规模的森林砍伐和长期耕作) 和严峻的环境条件 (例如高度易蚀的黄土土壤，不均匀分布的降水和破碎的地貌) 的挑战。因此，它已成为世界上最脆弱，且受侵蚀程度和水土流失最严重的地区之一。水土流失使农业生产力降低、水资源枯竭和生态系统退化。自2000年国家实施退耕还林工程二十年来，生态恢复对生态系统服务的影响引起了学者和公众的广泛关注。许多研究报告了区域、次区域、分水岭和地方尺度的不同生态系统服务的空间格局、时间变化和权衡。但是，很少有研究考虑到土地利用/土地覆盖变化(Land Use/Land Cover, LULC)对该关键区域生态系统服务价值的影响。

本文利用类比经济学中弹性的概念，采用生态系统服务价值随土地利用/土地覆盖变化的弹性公式，探究了退耕还林工程实施前后1990-2000年、2000-2010年、2010-2015年三个时段中，黄土高原土地利用/土地覆盖的变化是如何影响该区域生态系统服务价值的。

01 样本选取和数据计算

确定样本数据并重新定义土地利用/土地覆盖类型

作者采用中国土地覆盖数据集的数据为样本，选取1990年、2000年、2010年、2015年四个时间节点的数据，将土地利用/土地覆盖类型重新归类为16种，包括旱地、稻田、灌木丛、针叶林、混交林、阔叶、牧场、草地、湿地、河流和湖泊、冰雪地、建筑用地等。

计算生态系统服务价值

效益转移法(Benefit Transfer Method)是通过将一个或多个已经完成的可用信息转移到其他缺乏主要信息的地点来评估生态系统服务的经济价值[1,2]。作者应用该方法对全球[3]尺度下16种LULC类型的17种生态系统服务价值进行了估算。基于中国生态专家[4]的调查问卷，对中国6种主要LULC类型的9种生态系统服务功能进行了调整。为进一步提高14种LULC类型[5]的11种生态系统服务单位价值，建立了等效系数法。因此，这些单位值对于计算在中国的生态系统服务价值时更可靠。

02 实验结论

1990年至2015年间黄土高原各土地利用/土地覆盖的变化趋势

由表1可知：旱地大幅减少，从1990年的31.25％降至2015年的28.80％；灌木丛扩大，从1990年的13.58％增至2015年的14.03％；牧场和灌木草略有增加；湿地、河流和湖泊略有减少；裸地面积略有缩小，1990年为3.79％，2015年为3.61％；建筑用地扩张可观，从1990年的2.57％上升到2015年的3.95％。

表1. 1990年、2000年、2010年和2015年土地利用/土地覆盖的面积和占比。

1990年至2015年间黄土高原总生态系统服务价值的变化

由图1中可得知，从1990年到2000年，黄土高原总生态系统服务价值从3271亿美元下降到3203亿美元，减少约70亿美元。自2000年退耕还林工程实施以来，黄土高原总生态系统服务价值开始稳步回升，2010年达到3240亿美元，但并未恢复到1990年的水平。

黄土高原生态系统的调节服务价值占比最大，并且它的变化趋势与总体生态系统服务价值的变化一致，第一阶段下降，后两个阶段上升；

供应服务价值逐渐下降，从1990年的299.82亿美元下降到2015年的289.94亿美元；

栖息地和文化服务价值在2010年达到峰值，分别为303.52亿美元和136亿美元，2010至2015年略微回落但并未低于1990年的价值。

图1. 1990至2015年生态系统价值的变化。

03 弹性计算和分析

生态系统服务价值随土地利用/土地覆盖变化的弹性公式

该公式衡量了当土地利用/土地覆盖变化为百分之一时，生态系统服务价值变化的百分比。对于给定的区域，如黄土高原，弹性系数计算公式为：

E：所述给定区域的弹性

ΔA：在给定的期间所转换土地利用/土地覆盖类型的总面积

ΔESV：ESV在给定区域中给定周期的总变化

Atotal：给定区域的总面积

ESVstart：给区域周期之初时该地区总ESVs

弹性的解释如下：土地利用/土地覆盖类型的弹性越大，该土地利用/土地覆盖类型对总ESV变化的影响越大。如1%的土地利用/土地覆盖面积的转换，导致了给定区域在给定周期内生态系统服务价值变化的E%。当较小的面积转换导致较大的ESV变化时，意味着弹性较大是合理的。弹性可分为0 < E < 0.5、0.5≤E < 1和E≥1三个层次，说明ESVs变化对LULC变化的响应分别为无弹性、有弹性和富有弹性。

弹性分析

由表2得知，三个时段的弹性系数分别是1.03、0.38和0.05，这意味着黄土高原土地利用/土地覆盖面积变化为1%时，这三个时段分别会引起生态系统服务价值变化1.03%、0.38%和0.05%。这个弹性系数表明，1990-2000年生态系统服务价值变化随土地利用/土地覆盖变化的弹性非常大，而在后两个时段无弹性。

表2. 三个时段土地利用/土地覆盖变化、生态系统服务价值变化和弹性系数

04 总结和局限性

黄土高原不仅是遭受水土流失和水资源短缺等生态威胁的脆弱地区，而且还是为中国大量人口提供各种基本生态系统服务的宝贵地区。从1990年到2015年，各种自然和社会经济因素已大大改变了黄土高原土地利用/土地覆盖的方式。将弹性作为简化的指标有助于发现不同区域之间的异常变化，并确定生态系统管理的特定政策需求。适当的生态系统管理不仅可以增加生态系统服务的供应，而且可以促进区域可持续发展。数据的精准度是影响研究质量的重要指标，应从土地利用/土地覆盖的数据质量和单位生态系统服务价值精度的角度考虑提高结果的准确性。