吴起县土地利用变化及其生态服务价值研究*

2010-06-21吕明权王延平王继军

水土保持研究 2010年1期

吕明权,王延平,王继军,2

（1.西北农林科技大学资源环境学院,陕西杨凌712100;2.中国科学院水利部水土保持研究所,陕西杨凌 712100）

20世纪70年代初,生态系统服务的科学概念得以提出[1],随后得到了相关学者的关注,在生态系统服务功能的研究方面也取得一系列的进展,Daily主编的专著中比较系统地介绍了生态系统服务功能[2],Costanza等则对全球生态系统服务功能进行了划分和评估[3]。继Costanza等对全球生态系统服务价值评估之后,我国许多学者根据研究区域的生态系统特点和实际情况,对评估方法和参数进行了改进,并对不同类型的生态系统和不同尺度的生态系统服务价值进行了评估[4-8]。

近年来,随着退耕还林还草力度的加大,人们关于退耕还林还草的效益评价研究越来越多,并取得了一定成果。焦峰等对黄土高原退耕还林还草的生态和社会效应给出了定性的分析[9],杨光等分析了退耕还林还草工程对植被恢复的影响进行了研究[10]。在研究方法上,综合运用资源经济学、生态经济学的理论,应用等效益替代法、机会成本法、影子工程法等方法探讨了退耕还林后所产生的生态经济效益[10-12],也有学者运用了生态系统服务价值研究方法对退耕还林还草的生态效应进行了评价[13-14]。退耕还林工程实施以后,退耕区的土地利用、生态环境都发生了明显的改善,但在黄土丘陵区土地利用变化引起的生态服务价值变化的研究相对较少。因此本文选取退耕还林第一县——吴起县为研究对象,对其土地利用变化的过程进行分析,并估算吴起县的生态服务价值。

1 研究区概况与数据来源

吴起县位于陕西省延安市的西北部,地处东经107°38′57″-108°32′49″,北纬 36°33′33″-37°24′27″,面积3 791.5 km2。属黄土高原梁状丘陵沟壑区,毛乌素沙地南缘的农牧过渡地带,地貌以梁峁沟壑为主,水土流失严重,曾是黄河中上游水土流失最为严重的地区之一,海拔1 233～1 809 m。

1998年5月吴起县率先启动了退耕还林还草工程,实现了全县整体封山禁牧;1999年一次性退耕10.37万hm2,目前累计完成造林面积15.42万hm2,成林面积达到7.1万hm2,全县林灌覆盖率由重点林业工程启动前的19.2%增加到2005年38.1%,土壤侵蚀模数由1.53万t/(a◦km2)下降到0.54万 t/(a◦km2)。在研究过程中,主要运用吴起县1985年、1990年、2001年和 2007年的土地利用调查数据。

2 土地利用变化分析

2.1 土地利用类型数量变化分析

吴起县1985-2007年土地利用总体变化是:园地和林地分别增加了51 099.8 hm2和148 337.74 hm2;园地在1985-1990年、2001-2007年减小微弱,而在1990-2001年期间增加了51 634.6 hm2;林地一直保持增加趋势,其中1990-2001年增加了96 862.1 hm2,占增加量的65.3%。耕地、牧草地、建设用地和未利用地均减少,其中减少最多的是耕地和草地,减少了79.3%和42.7%,建设用地和未利用土地分别减少了2 586.33 hm2和 15 672.77 hm2,耕地的减少集中在1990-2001年(表1)。

表1 1985-2007年吴起县土地利用类型面积变化

2.2 土地利用变化速度

单一类型的土地利用动态指数是研究区域在一定时间范围内某种土地利用类型的数量变化情况的一种方法,通常用年变化率来表征,其表达式为[15]:

式中:Lc——研究时段某一土地利用类型动态度指数;Ua和Ub——分别表示研究初期和末期某类型土地的数量;T——研究时段。

根据公式(1)可以计算出吴起县各土地利用类型在不同时期的动态指数(表2),可以看出,1985-2007年变化最明显的就是园地和林地,其动态度分别是39.0%和25.8%,其中1990-2001年达到了89.0%,26.5%。耕地、牧草地、建设用地和未利用土地的动态度都相对较小,且均为负值,分别是-3.71%,-1.93%,-1.32%和-3.61%。各土地利用类型变化速率依次为园地＞林地＞耕地＞未利用土地＞牧草地＞建设用地。

表2 1985-2007年吴起县不同土地利用类型年变化率

2.3 土地利用结构变化

从图14可以看出,吴起县耕地、园地和林地的变化尤其明显,耕地从1990年的32.8%急剧下降为2007年的5.3%。园地在1985年和1990年占总土地面积的比例不大,分别为1.6%,2.4%。林地在1985年和1990年占全县土地面积的比例为6.9%和 8.8%,而后两年所占比例急剧上升为34.3%和 46.02%。草地面积也由 1985年的53.8%变为2007年的30.9%。建设用地和未利用土地类型都基本呈逐年减少趋势。

图1 1985-2007年吴起县土地利用结构变化

3 土地利用变化的生态服务价值

1997年Constanza等[3]人的研究成果使生态系统服务价值评估的原理与方法从科学意义上得以明确,将生态系统服务研究推向生态经济学研究的前沿。本文基于Costanza提出的生态系统服务价值理论,结合谢高地等提出的生态服务价值系数计算方法,估算了吴起县生态系统服务价值的变化,其估算公式为

式中:ESV——生态系统服务价值(元);LUi——吴起县第i种土地利用类型的面积;VCi——第i种土地类型的单位面积生态系统服务价值(元/hm2);i=1,2,…,6,是土地利用类型。

为验证生态服务价值系数的准确性,引入生态系统价值敏感性指数(the coefficient of sensitivity,CS[17-18,20],以反映生态系统服务价值对生态服务价值系数的依赖程度。文中将各土地覆盖类型的生态价值系数分别调整50%[17-18,20],来衡量总生态系统服务价值的变化情况。CS＜1表明生态系统服务价值缺乏弹性,即1%的自变量变动会引起因变量小于1%的变动;CS＞1表明生态系统服务价值是有弹性的,即1%的自变量变动引起因变量大于1%的变动,CS越大也说明生态系统价值系数的准确性对生态系统服务价值评估越重要。敏感性指数(CS)的计算公式如下:

式中:ESV——估算的总生态系统服务价值;VC——生态价值系数;i和j——初始总价值和生态价值系数调整以后的总价值;k——各土地利用类型。

3.1 生态系统服务价值系数(VC)确定

吴起县单位面积生态系统服务价值的确定可以根据谢高地等人的研究成果。谢高地等把生态服务功能分为9类,并对我国200位生态学者进行问卷调查,总结出“中国生态系统服务价值当量因子表”。生态服务价值当量因子[6]是指生态系统产生的生态服务的相对贡献大小的潜在能力,其中1个当量因子的经济价值等于该区域1 hm2农田的平均产量的市场价值的1/7。

以吴起县近几年的平均粮食产量 2 730 kg/hm2,粮食单价按吴起县2007年各粮食的平均市场价格(1.4元/kg),最终可以确定1个生态服务价值当量因子的经济价值量546元。谢高地等也提供了1个全国平均生态服务价值当量因子的经济价值884.9元[6],但是生态系统的生态服务功能大小与该生态系统的生物量有密切关系。一般来说,生物量越大,生态服务功能越强[6]。陕西省农田生态系统生物量因子为0.51[19],对森林,草地也用这个生物量因子也进行校正,最后得出吴起县1个生态服务价值当量因子的经济价值量为451.30元。综合以上两种方法得出吴起县1个当量因子的平均经济价值为498.65元。

根据已有研究[20]和吴起县的具体情况,把每种土地利用类型与最接近的生态系统类型联系起来,其中耕地与农田对应,林地与森林对应,园地取森林和草地的平均值,未利用地取难利用地对应的值,建设用地取值为0。制定了吴起县土地利用方式的生态服务价值当量因子表(表3)。

表3 吴起县不同土地单位面积年度生态服务价值元

3.2 生态服务价值

由公式(2)得出不同土地类型在不同年份的生态系统服务价值(表4)。可以看出生态服务价值变化最大的两种土地类型是林地和园地,1990-2007年间分别以25.0%和55.62%速度增加。2001年林地的生态服务价值占吴起县总服务价值的56.7%,而到2007年所占比例提高到67.44%。园地的生态服务价值也从最初的3 959万元增加到41 391万元,平均每年分别增加2 202万元。生态服务价值减少的土地利用类型有草地、耕地和未利用土地,在这三种土地利用类型中耕地的服务价值变化最为显著,从1990年的49 572万元减少到了2007年的8 012万元。吴起县总的生态服务价值1990-2007年间从164 053万元增加到2007年的281 877万元,增加了71.8%,年均增加4.22%。

表4 吴起县1990-2007年生态系统服务价值及其变化

1990-2007年吴起县生态系统单项服务功能价值变化的总体趋势由表5可以看出:气体调节、气候调节、水源涵养、土壤形成与保护、生物多样性保护、原材料、娱乐文化都有明显的增加,废物处理和食物生产呈减少的趋势,食物生产由原来的9 495万元减少到4 196万元,废物处理功能产生的价值有微弱的减少,从26 165万元减少到24 424万元。这两项服务功能产生价值的减少主要是因为耕地大量减少造成的。按照1990年吴起县各服务价值大小排序依次为:土壤形成与保护＞生物多样性保护＞废物处理＞气候调节＞气体调节＞水源涵养＞食物生产＞原材料＞娱乐文化。而2007年演变为土壤形成与保护＞生物多样性保护＞气体调节＞水源涵养＞气候调节＞原材料＞废物处理＞娱乐文化＞食物生产。土壤形成与保护功能所占比例最大,均在20%左右,其服务价值也从36 294万元,增加到55 113万元,这对于土壤流失严重的吴起县具有特殊的意义。

表5 吴起县1990-2007年各项生态服务价值

3.3 敏感性分析

根据公式(3)给出的敏感性计算方法,为了计算简便,将林地、牧草地、耕地、园地、未利用地的生态价值系数分别上下调整50%[17-18,20],应用调整后的生态价值系数对研究区1990年、2001年和2007年总服务价值进行了估算,最终得到研究区域服务价值在不同年份之间的变化情况和敏感性指数,具体结果见表6。

表6 价值系数调整后吴起县总服务价值的百分比变化和价值系数的敏感性指数

可以看出,敏感性指数CS都小于1,未利用土地的敏感性指数最低为0,这表明即当未利用土地的生态服务价值系数上下调整50%时对吴起县的生态服务价值几乎没有影响,林地、牧草地、耕地、园地的敏感性指数的变化幅度都较大。林地的敏感性指数从1990年的0.22增加到了2007年的0.67,即在1990年时林地的生态价值系数增加1%时,研究区域的总生态价值增加0.22%,而到了2007年研究区的总生态价值就会增加0.67%,表明林地的生态价值系数的准确性对研究区域生态价值的估算尤为重要。园地的敏感性指数也从1990年的0.02增加到2007年的0.15。相反,耕地和牧草地的敏感性指数都呈现减少的趋势,耕地从1990年的0.30减少到2007年的0.03,牧草地从1990年的0.45减少到2007年的0.15。

4 结论与讨论

(1)1985-2007年吴起县的耕地减少了79.33%,牧草地和未利用土地分别减少了42.73%和79.43%,林地和园地分别增加了567.81%和856.17%。用单一土地利用动态度计算出的吴起县各土地类型的变化速度表明,园地、林地增加最快分别达39%和25.8%,耕地减少最快为-3.71%。退耕还林前后时期的土地利用结构相差也很大。

(2)吴起县的生态服务价值在 1990年为1 640.53×106元,在 2001年为 2 497.43×106元,而到了2007年就增加了2 818.77×106元,增幅达71.82%。其中林地、园地服务价值增加明显,而耕地的服务价值发生了剧烈的减少。

(3)在各项服务功能中,除了食物生产和废物处理功能,其它生态服务功能价值都在增加。1990-2007年,各项服务功能产生的价值结构组成有一定的变化。

(4)敏感性分析结果表明,不同研究时期ESV对生态服务功能价值指数的敏感性指数波动较大,但均小于1,这表明研究区内ESV对生态服务功能价值指数是缺乏弹性的,研究结果是可信的。

(5)本文用的计算生态服务价值的方法直观简捷,但也存在很大的局限性,使估算结果准确性受到质疑。本文采用的生态系统服务价值系数是为不同的土地利用类型赋予的一套系数,但是每一种土地利用类型都包含几种相关的生态系统,如林地就是由不同植被群落,不同物种多样性、物种均匀度和物种丰富度构成的,而统一的给林地赋予相同的生态系统服务价值系数,使结果的可信度下降。如果能为细分后的土地利用类型赋予生态服务价值系数,这样会使估算结果离真实值更进一步,这也需要更进一步的研究。

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