基于RS与GIS的沙坡头区生态系统服务价值研究

2018-06-15王亚娟刘小鹏孔福星

水土保持研究 2018年4期

王鹏, 王亚娟, 刘小鹏,2, 陈晓, 孔福星

(1.宁夏大学资源环境学院, 银川 750021; 2.宁夏(中阿)旱区资源评价与环境调控重点实验室, 银川 750021)

生态系统是自然界在一定的地域时空范围内，生物和环境相互作用、相互影响而形成的统一整体，是人类生存和发展的重要基石，同时也是无法替代的自然资源和自然资产[1-2]。而生态系统服务是通过生态系统结构、过程和功能直接或间接得到的生命支持产品(如食物、原材料)和服务(如废弃物同化)，具有巨大的间接和直接的经济价值，是生态资产的重要组成部分，也是人类赖以生存的物质基础和环境条件[3-4]。但近300年来，人类在财富利益的驱使下，世界各国把工业化为主流的经济发展模式作为社会经济发展的主要发展道路，并加速推进工业化进程，不断征服和改造自然。加之全球范围内人口数量的极速增长，城市化水平的不断提高，使得生态系统不断受到侵占和破坏，生态系统多样性锐减，其服务功能逐步下降，人与自然的矛盾恶化，全球性和区域性的生态危机不断加剧。在这一背景下，如何保护生态系统及其多样性、提高生态系统服务供给功能以及对生态系统服务价值进行合理评价成为生态学、经济学以及地理学等相关学科研究的热点话题。

土地利用是人与自然联系最为密切的环节[5]。土地利用变化及其空间分布格局对生态系统的结构和功能产生巨大影响，直接导致生态系统服务价值的变化。而生态系统服务功能的下降和丧失影响着土地利用的结构和效率，严重影响人类安全和健康，直接威胁着区域乃至全球的生态安全[6]，扩大其生态风险程度。因此，研究土地利用变化对生态系统服务价值的影响，有利于优化区域土地利用结构、降低区域生态风险、促进区域生态—经济—社会系统的全面协调可持续发展。

生态系统服务价值评价是量化和分析生态系统服务功能强弱，是制定区域生态补偿政策的第一步[7]。目前，国内外众多学者对区域生态系统服务价值进行分析研究，进一步丰富和发展了生态系统服务价值的理论和方法。自Costanza等[8]提出生态系统服务价值的估算原理和方法，并对全球生态系统服务价值进行估算后，Rönnbäck[9]、Bolund等[10]利用生态系统服务价值理论和方法对农业和城市的生态系统服务价值进行了评价；Polasky[11]，Kozak[12]等则基于土地利用变化对区域生态系统服务价值响应进行了实证分析。我国学者谢高地等[13]在参照Costanza等[8]提出生态系统服务价值的估算原理和方法的基础上，结合我国实际情况，提出了“中国生态系统服务单位面积生态服务价值当量”表，为我国开展生态系统服务价值核算、评价提供了重要的理论基础和技术手段。陈阳[14]、刘桂林[15]、涂小松[16]、魏慧[17]、李全[18]等基于土地利用变化状况分别对三江平原北部、长三角地区、鄱阳湖地区、山东省德州市、武汉市的生态系统服务价值进行估算。但大多研究主要集中在东中部发达地区和平原地区[19-20]，对于西部干旱地区的研究较少。本文以宁夏沙坡头区为例，以2000年、2007年、2013年遥感数据为基础，对沙坡头区生态系统服务价值进行估算评价，以期为研究区土地利用总体规划、土地利用结构优化调整以及区域生态安全及其可持续发展提供科学依据。

1 研究区概况

沙坡头区隶属于宁夏回族自治区中卫市，位于宁夏自治区中西部，位于北纬36°58′—37°42′，东经104°17′—105°34′，东邻中宁县，南邻同心县、海原县，西面与甘肃省景泰县相接，北部与内蒙古自治区阿拉善左旗相邻。沙坡头区东西长115.3 km，南北宽81.4 km，区域总面积为5 922.4 km2，总人口约40万人。其地形由西向东、由南向北倾斜，分为沙漠、黄河冲积平原、台地、山地和盆地五大地貌单元，平均海拔在2 000 m左右。沙坡头区深居内陆，远离海洋，靠近沙漠，属半干旱气候，具有典型的大陆性季风气候的特点。年平均气温在8.5℃左右，年均降水量186.2 mm，年蒸发量为1 829.6 mm，降水量主要集中在6—8月，占全年降水量的60%，全年无霜期平均167 d，全年日照时数2 870 h。2015年全区GDP为146.2亿元，其中第一、二、三产业占GDP的比重分别为15.9%，38.3%和45.8%，人均GDP约为36 394元。

2 研究方法

2.1 数据来源与处理

本研究所使用的2000年、2007年、2013年3期遥感数据是在美国http:∥glovis.usgs.gov/网站下载获得的landsat-5 TM影像，无云层覆盖，影像质量良好。将获取的影像在ENVI 5.0软件支持下进行图像配准、几何矫正等图像预处理，然后利用5，4，3波段合成沙坡头区图像，依据研究区行政边界区范围对经过处理的遥感影像进行裁剪，提取研究区影像数据。依据全国土地资源分类系统，再结合研究区的土地利用现状特点，按照区分差异性、归纳共同性的方法[21-22]，将研究区分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地6类土地利用类型。然后进行监督分类，而后对监督分类结果进行后期处理。最后经过处理得到研究区三期土地利用数据。结合实地调查采样点数据，对分类结果进行精度检验后发现总精确度和Kappa指数等均接近或大于0.82，达到研究所需要求。

2.2 土地利用变化动态度

区域土地利用的变化速度可用土地利用动态度来描述，对比较土地利用的区域差异和预测未来土地利用变化趋势具有重要作用[23-24]。单一土地利用动态度(K)表示研究区在一定时间范围内某种土地利用类型的变化状况，其计算公式为：

(1)

式中：K为研究区研究时段内某一种土地利用类型变化动态度；Ua和Ub分别为研究区研究初期和研究末期某一种土地利用类型的面积；T为研究区某种土地利用类型变化年份。

2.3 生态系统服务价值评价方法

2.3.1 生态系统服务价值系数修正 Costanza等[8]在1997年对全球的生态系统服务价值进行了评估，并在《自然》杂志上发表了“全球生态系统服务价值和自然资本”一文，使生态系统服务价值估算的原理和方法得到了科学的明确。谢高地等[13]在Costanza等提出的评价模型基础上，对我国200位生态学者进行了生态问卷调查，根据中国的实际情况，结合问卷调查结果将生态系统服务划分为9项，建立了中国陆地生态系统服务价值当量因子表，并确定了1个生态系统服务价值当量因子的经济价值量等于当年全国平均粮食单产市场价值的1/7。本文根据沙坡头区的实际情况，参考谢高地等的研究成果，利用公式(2)计算研究区单位面积农田系统提供的食物生产服务的经济价值，进而对研究区不同生态系统服务功能价值系数进行修正，得到适合研究区的生态系统服务价值系数表(表1)。

(2)

式中：E为单位面积农田生态系统提供的食物生产服务功能的经济价值(元/hm2)；i农作物种类；mi为第i中粮食作物的面积；pi为第i种作物的全国平均价格(元/t)；qi为第i种粮食作物单产(t/hm2)；M为粮食作物总面积；1/7为在没有人力投入的自然生态系统提供的经济价值是现有单位面积农田提供的粮食生产服务价值的1/7。

表1 沙坡头区土地利用类型生态服务功能价值系数

2.3.2 生态系统服务价值计算利用Costanza等提出的生态系统服务价值分析模型计算沙坡头区的生态系统服务价值和生态系统单项服务价值，其计算公式为：

ESV=∑Ak×VCk

(3)

ESVf=∑Ak×VCfk

(4)

式中：ESV表示表示生态系统服务价值(元)；Ak表示表示研究区k种土地利用类型的面积(hm2)；VCk表示表示生态服务功能价值系数[元/(hm2·a)]；ESVf表示表示第f种类型生态系统服务功能的总价值(元)；VCfk表示表示第f种类型的第k种生态系统服务功能的价值[元/(hm2·a)]。

2.4 生态系统敏感性指数计算

为验证研究区生态系统类型对土地利用变化的代表性及生态价值系数的准确性，确定生态系统服务价值(ESV)随时间的变化对于生态系统服务价值指数(VC)的依赖程度[25-26]，在参考相关文献，选取经济学中的弹性系数概念来计算价值系数的敏感性指数(CS)。敏感性指数是指生态服务功能价值系数变动1%引起生态系统服务价值的变化情况，若CS>1，说明ESV相对于VC是富于弹性的；若<1，则说明不具有弹性，比值越大，说明生态服务功能价值系数的准确性就越大。其计算公式为：

(5)

式中：CS为生态服务价值敏感性指数；ESVi和ESVj分别为调整前后的生态系统服务价值；VCi和VCj分别为调整前后的生态价值系数。

3 结果与分析

3.1 土地利用动态变化分析

通过分析沙坡头区3期土地利用数据(表2)可以看出，研究期间，沙坡头区草地和未利用地面积最大，分布广泛，占总面积的80%以上；水域面积最小，仅为全区面积的1%左右；耕地与建设用地主要分布在中部地区；林地则呈零散状分布。

2000—2013年沙坡头区土地利用类型发生明显变化。耕地面积明显减少，2000—2007年减少了23 841.29 hm2，2007—2013年减少了16 110.61 hm2，研究期间耕地面积共减少了39 951.90 hm2，前一阶段主要是由于农业科技水平的提高和农村外出务工人口的增加，降低了对耕地的需求，同时国家实施退耕还林(草)政策，且效果显著。后一阶段主要是沙坡头区旅游产业的大力发展和生态保护措施的实施，使得耕地、未利用地面积减少，其他土地利用类型面积不断增加。林地面积在研究期间呈现出逐年增加的变化趋势，年变化率为2.15%，尤其是在2007—2013年增加速度最快，年变化率达到2.77%，这主要也得益于当地政府生态保护政策的实施。草地面积在研究区分布最为广泛，且增加速度也最快，年变化率达到10.58%，在13 a间共增加了241 674.95 hm2，但由于草地是沙坡头区的景观基质，因此草地面积变化较大，除此之外，沙坡头区大力发展旅游产业，开垦了大量的未利用地，并进行绿化建设，促使草地面积急剧增加。水域面积呈现出先减后增的波动变化趋势，虽然沙坡头区水域面积较小，但由于其位于宁夏北部沿黄灌区，卫宁水利工程、青铜峡水利工程等水利灌溉工程的建立，使得沙坡头区的水域面积不断扩大。建设用地面积由2000年的28 321.4 hm2增加至2013年的60 357.64 hm2，在13 a间共增加了32 036.24 hm2，主要是沙坡头区不断加快城镇化建设的原因。未利用地面积在2000—2013年不断减少，且在2007—2013年下降速度最快，减少173 734.49 hm2，年变化率达12.06%。这主要沙坡头区大力发展旅游业带来的影响，同时沙坡头历届政府能够始终立足于实际，把防沙治沙、做好沙区治理工程作为改善生态环境的重点工作，不仅巩固了沙区防沙治沙工程的建设，还促进了当地沙产业的发展。沙坡头北部地区形成的林纸一体化的产业经营模式及其建立的以生产纸浆原料林为主的速生林基地等林地建设项目的形成改变了沙坡头区土地利用的布局。

表2 沙坡头区土地利用面积变化

3.2 生态系统服务价值变化分析

通过利用上述公式(3)计算得到各不同土地利用类型在不同时期的生态系统服务价值表(表3)，由此可以看出，2000—2013年沙坡头区生态系统服务价值总体上呈不断上升趋势，特别是2007年后增加幅度开始变快，年变化率达1.904 4%。研究期间沙坡头区生态系统服务价值由2000年的7.010 2亿元增加到2007年的8.203 1亿元而后剧增至2013年的11.675 6亿元，净增加4.665 4亿元，年变化率为4.962 4%，变化较为显著。研究期间土地利用类型结构的变化对沙坡头区生态系统服务总价值具有较大影响，按价值大小排序依次为草地>林地>水域>耕地>未利用地>建设用地，其中草地和林地对研究区生态系统服务总价值产生的影响最为显著。而各类土地利用类型的生态系统服务价值变化存在明显的差异，草地的生态系统服务价值增加显著，由2000年的3.697 5亿元增加至2013年的8.784 2亿元，净增加5.086 7亿元，年变化率高达10.58%；林地的生态系统服务价值虽有增加，但幅度不大，2000—2013年净增0.330 2亿元；水域的生态系统服务价值先减少后增加，变化幅度较小；耕地与未利用地的生态系统服务价值整体呈现出下降的变化趋势。研究期间，沙坡头区耕地和未利用地面积不断下降，草地、林地、水域以及建设用地面积逐年增加，由于建设用地不会增加生态系统服务价值，因此草地、林地以及水域面积的增加是沙坡头区生态系统服务价值不断增加的主要原因。

从生态系统服务价值的构成及贡献率来看，草地在研究区生态系服务总价值中占据主导地位，其贡献率为52.74%～75.24%；其次是林地和耕地，二者的贡献率分别为12.96%～16.88%和2.83%～15.66%；水域面积最小，但其贡献率却接近10%；而未利用地的生态系统服务价值平均贡献率仅有3.2%。沙坡头区草地和林地生态系统服务价值不断增加，生态服务功能逐步增强，推动沙坡头区生态系统服务价值格局的良性转变。

3.3 沙坡头区各单项生态服务功能价值变化分析

通过计算得到2000年、2007年以及2013年各单项生态服务功能价值(表4)，分析不同时期各单项生态系统服务功能及其所占生态系统服务功能总价值的比重可知，气体调节、气候调节、水源涵养、土壤形成与保护、废物处理以及生物多样性保护的生态服务功能价值占生态系统服务功能总价值的90.29%～92.27%，而食物生产、原材料和娱乐文化的生态服务功能价值仅占生态系统服务功能总价值的7.73%～9.71%。2000—2007年生态系统服务价值增加了1.193亿元，从各单项生态服务功能价值来看，除气体调节、气候调节以及土壤形成与保护3项的生态系统服务价值占生态系统服务功能总价值的比重有所上升外，其余各项的生态服务功能价值的比重都呈现出下降的变化趋势，其中，下降最明显的是食物生产，主要是由于耕地面积减少，且其生态服务价值系数较低所带来的结果。2007—2013年在各单项生态服务功能价值中，除生物多样性保护、食物生产和原材料的生态服务功能价值下降外，其余各项均呈现增加态势。而这一期间的生态系统服务总价值迅速增加，净增加3.472 5亿元。主要是因为林地、草地以及水域的气候调节、气体调节、水源涵养、土壤形成与保护、废物处理各项生态功能价值系数较大，研究期间，林地、草地和水域面积逐年增加，相应的生态服务功能价值随之增加。耕地和未利用地的食物生产、原材料和娱乐文化的生态功能价值系数不大，但研究期间其面积急剧下降，是造成各单项生态服务功能价值下降的主要原因。

表4 沙坡头区各项生态服务功能价值变化

3.4 敏感性指数变化分析

本研究通过将各类生态服务功能价值系数(VC)分别上调和下调50%，从而计算得到各年份各类生态服务功能价值系数(VC)的敏感性指数(CS)(表5)。由此可知，研究期间，沙坡头区的生态系统服务总价值对生态价值系数的敏感性指数均小于1，说明研究区生态系统服务总价值对生态服务功能价值系数缺乏弹性，所使用的生态服务功能价值系数较为合适，同时也进一步说明本研究估算的生态系统服务价值结果是可靠的。CS值由高到低依次排列为草地>林地>耕地>水域>未利用地>建设用地，同时也反映了不同土地利用类型生态功能服务价值对研究区生态系统服务总价值的重要性。其中草地的敏感性指数最大(0.376 2)，说明当草地的生态价值系数增加1%时，生态系统服务总价值增加0.376 2%；这主要是草地面积不断增加和生态功能价值系数大造成的原因。而未利用地的敏感性指数最小(0.003 5)，说明当未利用地的生态价值系数增加1%时，生态系统服务总价值增加0.003 5%，这与未利用地面积的急剧下降密切相关。比较不同时期的敏感性指数发现，草地的敏感性指数逐年增加，而耕地和未利用地的敏感性指数在逐年减小，从而说明草地和耕地与林地对沙坡头区生态系统服务价值具有放大和缩小作用。

表5 生态系统服务价值敏感性指数

4 讨论与结论

2000—2013年沙坡头区土地利用结构发生巨大变化，耕地面积和未利用地面积呈现出逐年下降趋势，其他土地利用类型呈现出逐年增加的态势。2000—2007年耕地面积减少最大，而草地、林地面积增加较快，反映出沙坡头区退耕还林还草工程成果显著。2007—2013年，未利用地面积急剧下降，耕地面积也逐年减少，而草地面积和林地面积迅速上升，同时建设用地面积和水域面积也逐渐增加，主要是沙坡头区的城镇化速度加快，旅游产业的大力发展和生态保护措施的实施，促使草地、林地、建设用地和水域面积不断增加。土地利用结构的显著变化不仅受自然环境的作用，还受人为过程的干扰和影响，尤其是相关政策制度的颁布和生态环境工程的实施对土地利用结构格局的改变起到至关重要的作用。

研究区土地利用结构变化及其转变过程对研究区的生态系统服务价值具有决定性作用，研究期间，沙坡头区土地利用结构变化显著，其生态系统服务价值随之变化。2000—2007年沙坡头区生态系统服务价值增加缓慢，而2007—2013年其生态系统服务价值增加较快，主要是后期土地利用结构变化显著，草地和林地面积迅速增加带来的结果。从各土地利用类型对生态系统服务总价值的贡献率来看，草地和林地是生态系统服务总价值的主要构成部分，两者的生态系统服务价值占比67%～87%，在补偿由于耕地面积减少而带来的生态系统服务价值损失的同时，促使生态系统服务总价值的不断上升，从而推动沙坡头区生态系统服务价值结构格局发生良性转变。从研究区各单项生态功能服务价值来看，土壤形成与保护、废物处理和生物多样性保护占生态系统服务总价值的比重最大，三者之和占生态系统服务总价值的55%左右。2000—2013年废物处理处于先减后增的变化趋势，而除气体调节、气候调节、土壤形成与保护始终保持增加状态，其余各项均处于持续下降的态势。

不同时期各类土地利用类型的敏感性指数存在较大差异，说明土地利用结构的改变对生态系统服务价值产生影响，各类生态服务功能价值系数的敏感性指数均小于1，说明生态系统服务价值缺乏弹性，本研究结果可信。

本研究利用不同时期的土地利用变化对研究区生态系统服务价值进行估算具有一定的局限性。事实上，土地利用格局的变化受制于人类活动和政策向导的直接影响，人类通过自身的行为过程对生态系统的组成、结构和功能造成影响，甚至改变其原始的形态，进而影响生态系统服务价值。而在进行生态系统服务价值估算时，对每种土地利用类型采用相同的生态服务功能价值系数显然不太合理，不同土地利用类型都包括几种不同的生态系统类型，如草地就有高覆盖度草地、中覆盖度草地和低覆盖度草地，对于不同覆盖度的草地其生态系统服务价值不同。若能进一步细分，并赋予其生态功能相符合的生态服务功能价值系数，将会使研究结果更加接近实际情况。而在今后的研究中加强社会经济发展和人类活动过程中各要素对生态系统服务价值影响的探讨和进一步细分土地利用类型将更有利于生态系统服务价值评价研究，这也是本文需要进一步深入研究的部分。

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