基于土地利用变化的藉河流域生态服务价值研究

2015-03-23王友生余新晓王多尧李庆云

中国水土保持 2015年10期

关键词：土地利用流域面积

王友生，余新晓，王多尧，李庆云

(1.北京林业大学水土保持学院，北京 100083； 2.定西市农业技术推广站，甘肃定西 743000；3.中国林业科学研究院荒漠化研究所，北京 100091)

基于土地利用变化的藉河流域生态服务价值研究

王友生1,2，余新晓1，王多尧3，李庆云1

(1.北京林业大学水土保持学院，北京 100083； 2.定西市农业技术推广站，甘肃定西 743000；3.中国林业科学研究院荒漠化研究所，北京 100091)

生态服务价值；土地利用变化；马尔科夫模型；藉河流域

为了实现土地的可持续利用和生态的可持续维护，以藉河流域5期土地利用数据和构建生态系统服务评价模型为基础，运用马尔科夫模型对藉河流域的土地利用及生态服务价值变化进行评估，结果表明：研究时段内坡耕地、梯田、林地和草地的总面积占流域面积的90%以上，坡耕地面积逐期减少，梯田和林地面积增加；1975—2030年流域总的生态服务价值呈增加趋势，草地和林地占总价值比例达到70%以上；预测2020年和2030年流域的生态服务价值分别增加到5.499亿元和5.633亿元，1975—2030年间单项生态服务价值中土壤形成与保持、维持生物多样性、气候调节和气体调节4项占总价值的60%左右。

生态服务价值的定量评估能为人类社会的可持续发展提供科学依据，具有重要的科学价值和现实意义。近年来，国内外众多学者开展了不同尺度生态系统服务价值的评估研究工作[1-4]，并取得了一系列成果。本研究旨在通过量化土地利用变化对生态系统服务价值的影响，为研究区土地资源可持续利用和生态环境保护提供科学依据[5]。藉河(曾称耤河)流域生态环境脆弱，是黄土高原地区水土流失较严重的区域之一，近年来水土保持活动强度大，土地利用变化明显[6]。为此，本研究利用遥感与地理信息等技术，结合现有调查数据，在流域土地利用变化研究的基础上，综合运用生态学、经济学理论定量分析和评估该区域的生态服务价值对土地利用变化的响应，以期为该流域生态系统可持续发展提供科学依据。

1 研究区概况

藉河流域位于东经105°07′50″～106°00′45″、北纬34°20′19″～34°38′59之间，属黄土丘陵沟壑区第三副区。本研究选取藉河水文控制站以上集水面积为研究对象，面积为1 019 km2，海拔1 069～2 700 m。研究区属于天水市秦州区，东至麦积区马跑泉镇，西与陇南礼县毗邻，包括秦州区太京、藉口、关子、天水、平南、皂郊、汪川、牡丹等乡镇，共涉及300个行政村20多万人[7-8]。研究区属于暖温带半湿润半干旱过渡地带，年均气温10.8 ℃，气温日变化较大但季节波动较小；多年平均降水量为556 mm，夏、秋为降水旺季，6—9月份的降水量占全年的60%以上。流域地貌类型主要为黄土丘陵地貌、红土丘陵地貌、土石山区侵蚀地貌和河谷阶地地貌，土壤类型比较复杂，共有褐土、黄绵土、棕壤、棕壤性土、黑垆土、红黏土、淋溶褐土、山地草甸土和粗骨土9种[9]，海拔由高至低依次分布的土类是褐土、黑垆土、黄绵土、红黏土、淋溶褐土[10]。

2 研究方法

2.1 数据处理和解译

以研究区1 ∶1万地形图为基础，利用ERDAS IMAGINE遥感图像处理软件，选择高斯-克里格投影(TMGKN22)，采用二次多项式和三次卷积插值法对藉河流域1975年的Landsat MSS影像、1990和1995年的Landsat TM遥感影像、2000年的ETM遥感影像、2008年的SPOT卫星影像进行几何校正(误差不超过0.5个像元)和裁剪。最后运用ERDAS IMAGINE软件采取人机交互式解译，结合实测资料和实地考察，运用ArcGIS的空间分析功能，建立5期土地利用数据库。结合《中国土地分类系统》、黄土丘陵沟壑区景观类型和遥感影像特点，将土地利用类型划分为林地、坡耕地、梯田、草地、水域、居民用地和未利用地共7种类型。

2.2 生态服务价值评价模型

本研究利用Costanza等[1]的ESV计算公式，参照谢高地等[4]建立的中国生态系统服务单位面积生态服务价值表[11]计算了藉河流域生态系统的服务价值。计算各土地利用类型的服务价值、各项服务功能的价值、生态服务总价值[1-2]时采用的公式分别为

(1)

(2)

(3)

上三式中：ESVk、ESVf和ESV分别为第k类土地利用类型的服务价值、第f项服务功能的价值和生态服务总价值；Ak为第k类土地利用类型的土地面积；VCkf为第k类土地利用类型第f项服务单位面积的服务价值。

计算不同土地利用变化对流域生态系统服务价值变化的影响时用贡献率来表示，其公式为[2]

(4)

式中：SkT为第k类土地利用类型在T时段内发生的变化所产生的生态服务价值变化量的绝对值占各类生态服务价值变化量绝对值之和的比例；ΔESVkT为第k类土地利用类型在T时段内发生的变化引起的生态服务价值的变化量。

表1 藉河流域不同土地利用类型单位面积生态服务价值元/(hm2·a)

2.3 马尔科夫模型

本研究采用马尔科夫(Markov)模型对藉河流域未来的土地利用进行预测，初始状态转移概率矩阵的时间步长为一年，然后再根据下式对土地利用变化进行检验：

(5)

(6)

式中：APE为相对误差绝对值；Y和Y′为实际值和预测值；χ2为卡方检验统计量[12-13]。

以1995年的土地利用状况作为初始状态矩阵，根据1995—2000年的转移概率矩阵分别对2000年和2008年的土地利用状况进行预测和卡方检验，再以2008年为初始状态矩阵，预测2020年和2030年的土地利用状况。相关计算均在Matlab-R2008a上完成。

3 结果与分析

3.1 土地利用动态演变分析

对藉河流域5期土地利用数据(表2)分析得出，流域坡耕地面积逐期减少，梯田和林地面积总体增加。坡耕地、梯田、林地和草地是流域的土地利用主体，占到整个流域面积的90%以上；而居民用地、水域和未利用地所占的面积相对较小，且变化不明显。1975—1995年间，由于持续开展流域水土保持生态建设，梯田面积增加了272.9 km2，林地面积也在增加，植被覆盖率有所提高。1995—2000年间，由于退耕还林(草)

表2 藉河流域不同时期土地利用类型面积及其比例

政策的实施，流域的林、草地面积不断增加。到2008年，坡耕地面积仅占整个流域的9.1%，梯田面积达到34.0%，林、草地面积分别占13.9%和39.9%。与此同时，随着区域经济的发展，居民用地出现了一定程度的增长，从1975年的25.3 km2增加到2008年的26.6 km2；而受气候变化和人类活动等因素影响，流域的水资源越来越缺乏，水域面积由1975年的2.6 km2下降到2008年的2.0 km2。

3.2 土地利用预测及检验

运用马尔科夫模型预测2000年和2008年的流域土地利用结构，并与实际值比较计算出相对误差绝对值(APE)，结果见表3。由表3可知，2000年和2008年各土地利用类型APE的平均值分别为0.121和0.210。根据公式(6)对预测结果进行卡方检验，χ2值分别为3.04和8.75，均小于0.05显著性水平的临界值(12.594)，这说明运用马尔科夫模型预测流域将来土地利用变化是可行的。因此，根据此方法预测2020年和2030年各土地利用类型的面积，结果显示2020年和2030年的坡耕地和居民用地面积在减少，林草地和梯田的面积在增加，未利用地和水域面积变化不大。这与近年来藉河示范区生态环境建设工程的推进有很大的关系，示范区修梯田、封山育林、种植经济林和人工草地等工程措施和生物措施已见成效。

表3 基于马尔科夫模型的藉河流域土地利用面积预测与检验

3.3 生态系统服务价值动态演变

根据藉河流域不同时期土地利用面积和不同土地利用类型单位面积生态服务价值(表1)，分析了藉河流域1975—2030年间生态系统服务价值的动态变化，结果见表4。由表4可知，研究时段流域的生态服务价值总体呈增加趋势，除1990年的生态服务价值较1975年减少了0.20%外，其他年份均在增加，到2030年将增加11.50%。其中：各期草地的生态服务价值占总生态服务价值比例最高，达到38%以上；其次是林地，所占比例从1975年的29.15%增加到2030年的36.61%；坡耕地呈现逐期减少趋势，而梯田所占比例呈现逐期增加趋势；另外，居民用地、水域和未利用地在1975—2030年间所占比例没有明显变化，该结果与这几种土地利用类型在研究时段内面积变化不大有关。

表4 藉河流域不同土地利用类型各年份生态服务价值

由表5可知，单项服务中，各年份一级生态服务价值中调节服务的价值最高，占总价值的47%以上，其次是支持服务、供给服务，分别占总价值的33%、12%，文化服务项所占的比例最低，占6.0%左右，各年间变化不大。各年份间二级生态服务价值所占比例差别不明显，在调节服务价值中，气体调节和气候调节所占比例均在26%～29%之间，水文调节和废物处理所占比例均在20%～23%之间；在支持服务价值项中，各年份土壤形成与保持与维持生物多样性的比例约为54 ∶46；在供给服务项中，原材料生产与食物生产各占一半。综观各年份的二级类型服务项，9个单项生态服务价值占总体的比例从大到小的大致顺序为土壤形成与保持、维持生物多样性、气候调节、气体调节、废物处理、水文调节、提供美学景观、原材料生产和食物生产，前4项占总价值的60%左右，并且多数项的生态服务价值总体上呈逐年递增趋势。

表5 藉河流域不同年份各单项生态服务价值万元

4 讨论

藉河流域在1975—2030年间总的生态服务价值表现出递增趋势。流域生态服务价值的增加与流域的综合治理有很大的关系，自1998年以来，黄河水利委员会立项实施的大型水土保持生态示范工程，创建出科技示范型、生态修复型、产业开发型、综合开发型等各具特色的小流域治理开发模式，从几期遥感影像数据得知，流域的林地和草地面积不断增加。由于林地的生态服务价值较高，因此该流域生态服务价值呈现增加趋势，这与田耀武等在《基于AnnAGNPS模型的三峡库区黑沟小流域退耕还林生态服务价值》一文中关于林地面积增加使流域总的生态服务价值增大的结果一致[14]。这说明在短时间内人为活动对区域的生态系统服务价值的影响较大，所以有关部门在进行土地利用规划时要结合当地实际，保持生态系统服务功能的稳定和区域的可持续发展。本研究没有考虑到生态服务价值评估中各林地之间的生态服务价值差异，这需要在下一步工作中予以完善，以便提高计算精度。另外，尽管本研究采用谢高地等学者制定的适用于中国陆地生态系统的单位面积生态服务价值表，但是适合本流域的价值系数和统一生态系统类型的质量因素需在以后的研究中进一步完善。

5 结论

(1)近30年来坡耕地面积逐渐减少，梯田和林地面积增加；居民用地、水域和未利用地所占面积较小，且近期变化不明显。采用马尔科夫模型预测显示，2020年和2030年的坡耕地和居民用地面积在减少，而林草地和梯田的面积在增加，未利用地和水域面积变化不大。

(2)1975—2030年间，流域生态服务价值与土地利用变化密切相关，流域总的生态系统服务价值表现出递增的趋势，到2030年较1975年将增加11.50%；各期草地的生态服务价值占总生态服务价值比例最高，达到38%以上，其次是林地，而居民用地、水域和未利用地所占比例没有明显变化。林草地面积的增加对生态服务价值有着积极影响，对整个流域生态系统服务价值的增加起着决定性作用。

(3)1975—2030年藉河流域生态系统单项生态服务价值中，一级类型服务项中调节服务的生态服务价值最大，占总价值的47%以上，其次是支持服务，供给服务和文化服务项所占比例较低。二级类型服务项生态服务价值占总价值的比例从大到小的大致顺序为土壤形成与保持、维持生物多样性、气候调节、气体调节、废物处理、水文调节、提供美学景观、原材料生产和食物生产，多数项的生态服务价值总体上呈逐年递增趋势。

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