黄土丘陵区土地利用格局与生态系统服务价值分析——以中庄流域为例<br/>

黄土丘陵区土地利用格局与生态系统服务价值分析——以中庄流域为例

2013-08-17董立国刘长宁李生宝

水土保持研究 2013年1期

李娜，董立国，刘长宁，李生宝

（1．宁夏农林科学院荒漠化治理研究所，银川750002；2．宁夏遥感测绘勘查院，银川750021）

土地是人类社会生存、发展的基础和保障，土地利用变化是人类和自然相互作用、相互影响的结果。土地利用变化最直接的结果是导致系统结构和功能的变化，从而导致生态系统服务功能的变化。生态系统服务是指生态系统形成和所维持的人类赖以生存和发展的环境条件与效用［1］。土地利用变化和生态系统服务价值作为科学研究的热点问题，直接关系着区域人口、资源、环境、经济和社会系统的可持续发展。因此开展区域土地利用和生态系统服务功能变化的研究，对区域生态安全和资源环境的可持续发展具有重要意义。

近年来土地利用变化和生态系统服务价值的评估得到了国内外学者的广泛关注，周德成等［2］研究了安塞县退耕还林工程对黄土高原土地利用／覆被变化的影响。刘纪远等［3－4］研究了中国土地利用变化，揭示了土地利用变化的空间格局与驱动因素。陈利顶等［5］研究了陕北黄土丘陵区大南沟流域土地利用结构的特点和变化。陈雅琳等［6］对矿区土地利用及生态服务价值进行了分析。吕昌河等［7］从土地利用和生态服务功能变化与冲突的角度，分析了安塞县农业、环境与生态保护的变化过程与相互作用。冯异星［8］运用遥感和GIS技术借用谢高地等人提出的生态系统服务价值系数，分析了玛纳斯河流域土地利用变化对生态系统服务价值的影响。杨春利等［9］对石羊河下游民勤绿洲生态系统服务的价值进行了估算和对比分析。谢余初等［10］以甘肃省金塔县为例研究了土地利用变化对生态系统服务价值的响应。众多学者利用Costanza等提出的生态系统服务价值估算的原理和方法，参考谢高地等建立的中国陆地生态系统单位面积服务价值表对退耕还林工程实施土地利用和生态系统服务功能进行了研究，得出退耕还林工程的实施在一定程度上增加了系统的生态服务功能［11－14］。上述研究均针对特定区域进行了土地利用和生态系统服务功能分析，为区域土地利用格局和生态环境建设提供了研究基础。

中庄小流域是国家“十五”、“十一五”生态领域科技支撑计划项目建立的主要示范区之一，两期项目以及国家退耕还林草等项目的实施，使区域土地利用发生了较大的变化，同时该流域可以作为黄土丘陵区的典型区域近年来生态建设成果的缩影。本研究利用“3S”技术，以2000年、2005年、2011年为界限，利用Costanza等提出的生态系统服务价值估算的原理和方法，参考谢高地等［15］建立的中国陆地生态系统单位面积服务价值表对中庄小流域进行土地利用格局和生态系统服务价值的动态变化进行研究分析，以期为区域生态环境建设和生态规划提供参考依据。

1 研究区概况与研究方法

1．1 研究区概况

研究区位于彭阳县城东北21km处的中庄村，属于典型的温带大陆性气候，地貌类型属黄土高原腹部梁峁丘陵地，年平均降水量433．6mm（22a）左右，分明显的旱季和雨季，其中50%～75%的降水集中在6—9月。3—5月的降水量，只有全年降水量的10%～20%。年平均气温7．4℃，≥10℃的积温为2 200～2 750℃，地面平均气温8～9℃，7月最高，平均为22～23℃；1月最低，平均为－8℃左右。一般11月中下旬土壤结冻，至翌年3月初开始解冻。最大冻土深度一般超过100cm。日照时数为2 200～2 700h，日照百分率为50%～65%，一年之中，6月日照时数最多，9月日照时数最少。近10a的干燥度为1．40～3．04（可能蒸散量／降雨量），无霜期140～160d。主要气象灾害有干旱、霜冻、冰雹等。干旱是这一地区发生次数多、影响面广、危害最严重的农业气象灾害。中庄村全村总面积17．62km2，390户农户、1 838口人，人均收入为3 651元。农田种植以粮食作物为主，主要有玉米、冬麦、豌豆、马铃薯等，油料作物主要以胡麻为主，饲料作物主要以紫花苜蓿为主。

1．2 研究方法与数据分析

本研究以2000年、2005年、2010年为界限，搜集2005年、2011年研究区的2．5m遥感影像、土地利用规划图、森林资源现状调查图等资料，结合对2000年、2005年和2010年土地利用现状的实地走访调查，借助GIS等技术对区域进行土地利用分类，由于未利用土地和建设用地变化较小，所以将土地利用类型最后统计为4个大类（表1）。生态系统服务价值计算方法利用Costanza等提出的生态系统服务价值估算的原理和方法以及谢高地等中国生态系统单位面积生态服务价值［15］进行计算统计。

表1 中庄村土地利用类型划分

2 结果与分析

2．1 土地利用格局变化

经过统计计算，中庄小流域总土地面积1 762 hm2，林地、草地、农田、水域的面积共占区域总面积的94．3%。对中庄小流域不同时段土地利用类型进行统计分析（附图4）结果显示，2005年和2010年土地利用类型变化较小，2000年和2010年土地利用类型变化明显，主要体现在林地和草地面积的增加和农田、水域面积的减少。林地由2000年的53hm2增加到2005年的291hm2再增加到2010年的294hm2；草地由2000年的399．9hm2增加到2005年的429．7 hm2又略微减少到2010年的429．5hm2；农田由2000年的1 196．9hm2减少到2005年的941．0hm2再减少至2010年的941．0hm2；水域由2000年的12．32 hm2减少到2005年的0hm2增加至2010年的0hm2。2000—2010年，研究区域土地利用类型发生了较大的变化。主要表现在农地比2000年减少了27．2%，且坡耕地大面积地减少，95%以上转化为高标准水平梯田（梯田由2000年的153．87hm2增加到2005年的728．80hm2再增加到2010年的730．27hm2）；水域减少为0，水土保持工程措施的实施，减少了径流，致使水库干枯；林地比2000年增加了454．7%，草地比2000年增加了7．4%，主要是因为退耕还林草等工程的实施增加了灌木林、人工草地的面积。

2．2 生态系统服务价值变化

根据表2中的数据可以看出，利用不同时期研究区域4种典型土地利用类型的面积，计算研究区域不同土地利用类型生态系统服务价值，结果见图1。在2000—2010年，4种典型土地利用类型生态系统服务价值均发生了较大的改变，林地生态系统服务价值从2000年的66．5万元／（hm2·a）增加到2005年的367．7万元／（hm2·a）和2010年的371．7万元／（hm2·a）；草地生态系统服务价值从2000年的209．6万元／（hm2·a）分别增加到2010年的223．5万元／（hm2·a）；农田生态系统服务价值从2000年的424．7万元／（hm2·a）下降到2010年的333．8万元／（hm2·a）；水域生态系统服务价值从2000年的25．1万元／（hm2·a）下降到2010年的0万元／（hm2·a）。研究区域的总生态系统服务价值从2000年的725．8万元／（hm2·a）分别增加到2005年的926．7万元／（hm2·a）和2010年的929．1万元／（hm2·a），分别增加了27．7%，28．0%。在综合生态系统服务功能中除食物生产和废物处理价值有所下降以外，其他各项生态系统服务功能都有所提高。由于各项生态系统服务价值变化主要与土地面积有直接的关系，食物生产价值主要由农田生态系统提供，因此，农田面积的减少必然使生态系统食物生产价值减少。废物处理价值中以水域价值为最大，林地、草地和农田较为接近，水域和农田的减少必然致使废物处理能力下降。

表2 中国生态系统单位面积生态系统服务价值［15］（元／hm2·a）

图1 不同土地利用类型生态系统服务价值

3 结论与诗论

（1）研究区域近10a来土地利用变化表现为2000—2005年快速变化阶段和2005—2010年稳定变化阶段，整体表现为“两减两增”，即农田、水域面积的减少，草地、林地面积的增加。土地利用类型变化是人类活动对区域生态系统最直接的表现形式，近10a来，土地利用类型发生的较大变化，主要得益于退耕还林工程和国家“十五”、“十一五”项目的实施。退耕还林作为国家生态建设的重大工程，始于1999年，研究区域从2001年开始进行坡耕地造林种草和土地整理，区域土地利用格局发生了重大变化，2005年基本形成现在的土地利用格局，退耕还林进入建设成果巩固阶段。

近10a来，研究区域林草间作林地面积的大量增加，对区域生态环境具有极大的影响，合理的造林措施、空间配置对区域生态环境的改善具有明显的促进作用，不合理的造林措施、造林密度必然造成区域生态环境的恶性循环。研究区域梯田面积的增加对减少水土流失、提高降雨利用效率、提高土壤肥力、实现农业现代化、机械化生产具有重要意义，是一种较好的土地整理措施。

（2）研究区域近10a生态系统服务价值明显增加，主要得益于林地和草地面积的增加，不同土地利用类型生态系统服务价值与土地面积具有显著的正相关关系。生态服务功能对人类社会的发展具有重要意义，对中庄小流域不同土地利用类型的生态系统服务价值计算结果显示，农田、水域的生态系统服务价值减少和草地、林地的生态系统服务价值增加，研究结果与众多研究相似［11－14］，黄土丘陵区林地和草地面积的增加对区域生态系统服务价值的增加具有明显的促进作用，不同土地利用类型生态系统服务价值随土地利用面积的变化而发生相应的变化。

本研究中生态系统服务价值未考虑坡耕地梯田化、林草建设等措施对生物量影响造成的生态系统服务价值的变化，只是从整体上对近年来区域生态系统价值的变化进行了阐述。研究结果基本能反映区域生态系统变化状况，但生态系统服务价值是众多因子共同作用的结果，在今后的研究中需要结合区域实际才能更好反映区域生态系统服务价值。

［1］欧阳志云，王效科，苗鸿．中国陆地生态系统服务及其生态经济价值的初步研究［J］．生态学报，1999，19（5）：607－613．

［2］周德成，赵淑清，朱超．退耕还林工程对黄土高原土地利用／覆被变化的影响：以陕西省安塞县为例［J］．自然资源学报，2011，26（7）：1866－1875．

［3］刘纪远，刘明亮，庄大方，等．中国近期土地利用变化的空间格局分析［J］．中国科学：地球科学，2002，31（12）：1031－1043．

［4］刘纪远，张增祥，徐新良，等．21世纪初中国土地利用变化的空间格局与驱动力分析［J］．地理学报，2009，64（12）：1411－1420．

［5］陈利顶，傅伯杰，王军．黄土丘陵区典型小流域土地利用变化研究：以陕西延安地区大南沟流域为例［J］．地理科学，2001，21（1）：46－51．

［6］陈雅琳，高吉喜，常学礼，等．矿区土地利用及生态服务价值动态评估：以山西省朔州市为例［J］．干旱区资源与环境，2011，25（1）：44－48．

［7］吕昌河，程量．土地利用变化与生态服务功能冲突：以安塞县为例［J］．干旱区研究，2007，24（3）：301－305．

［8］冯异星，罗格平，鲁蕾，等．土地利用变化对干旱区典型流域生态系统服务价值的影响［J］．水土保持学报，2009，23（6）：246－250．

［9］杨春利，白永平．干旱地区绿洲生态系统服务价值功能的评估：以石羊河下游民勤绿洲为例［J］．干旱区农业研究，2009，27（5）：230－234．

［10］谢余初，巩杰，赵彩霞，等．干旱区绿洲土地利用变化的生态系统服务价值响应：以甘肃省金塔县为例［J］．水土保持研究，2012，19（2）：165－170．

［11］田耀武，黄志霖，肖文发，等．基于RS和GIS的退耕还林模式对三峡库区黑沟小流域生态服务价值的影响［J］．水土保持研究，2010，17（3）：97－100．

［12］陈颖，石培基，潘竟虎，等．高原生态城土地利用变化对生态系统服务价值的影响研究：以甘肃省民乐县为例［J］．水土保持研究，2012，19（2）：154－159．