基于土地利用变化的生态系统服务价值动态研究——以祁连山自然保护区为例

蔡 蔚，刘学录，宋 洁，于 航

（甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃兰州730070）

引言

生态系统服务是人类直接或间接从生态系统得到的利益[1]，当前，生态系统服务价值已经成为生态学以及其他学科领域内的研究热点[2]。前期对生态系统服务价值侧重与静态价值的计算，前人学者在研究理论和研究方法上已经取得了一定的研究成果，但大量的计算结果并未能发挥出实际的意义，生态系统服务功能价值也进入了相应的瓶颈期[3-6]。在这一背景下，生态系统服务功能价值的动态估算应运而出，通过生态系统服务功能价值的变化，了解土地利用类型的变化以及人类活动对生态系统的影响，从而为生态环境管理和政策决策提供参考[7-9]。

祁连山自然保护区生物多样性丰富，自然资源充足，是生态系统服务的集大成者[10]。随着人类活动的影响，生态环境恶化和生物多样性锐减的趋势在不断加剧，祁连山自然保护区作为西北干旱地区重要的生态屏障，其受影响状况如何应该备受关注。土地利用是人与自然关系的重要体现[11]，人类活动改变地表覆盖状况，引起生态系统结构和功能的变化，从而引起生态服务功能价值的变化[12]。目前，对自然保护区土地利用变化下生态服务功能价值变化的研究不多，此类研究中多集中在单一类型的自然保护区的计算，缺乏区域尺度、多类型综合自然保护区生态服务价值变化的综合研究[13]。本文以祁连山自然保护区为研究对象，在运用3S技术对1990年～2018年的土地利用变化进行分析的基础上，结合生态服务功能价值系数计算该时期内生态系统服务功能价值的变化规律，通过定量评估的方法探讨土地利用变化与生态系统服务功能价值两者间的关系，以期为研究区内的合理管理、自然资源开发和可持续发展、保护生物多样性提供科学依据。

1 研究区概况

祁连山是我国青藏高原东北部最大的边缘山系，选取祁连山国家级自然保护区为研究区，其位于我国西北内陆祁连山北坡的甘肃省和青海省的交界处。北到河西走廊，南以青海和甘肃省界为限，西达当金山口，东至乌鞘岭松山。研究区狭长分布，横跨东经97°23′～103°46′，约 800km，北纬 36°30′～39°41′，约200～400km，总土地面积为 24917.5km2。海拔落差大，跨度为1595～5573m[14-16]（图1）。

2 研究方法

2.1 数据源选取

本文以祁连山自然保护区为研究区域，时间跨度为30年，为了更好、准确的分析此区域的土地资源变化特征，选取 1990年、1995年、2000年、2005年和2018年五期L an d sat T M卫星遥感数据为基本数据源，五期影像分别选取同一时期且影像质量较好。因论文需要，借鉴《甘肃省统计年鉴》、《青海省统计年鉴》和祁连山保护区规划数据等资料作为本文的数据源。

图1 祁连山研究区地理范围

2.2 土地利用变化分析方法

土地利用动态度是用来定量描述土地利用变化速率，通过模型对研究区土地利用变化过程进行动态分析[17]。

单一土地利用变化幅度：

式中：K为研究区某一种土地利用类型动态度，Ua、Ub为研究期初、研究期末某一种土地利用类型的数量，T为研究期时段长，设定为年。

综合土地利用动态度：

式中，L A(i,t1)-U L Ai表示在监测时间段内的转移面积总和，L A(i,t1)表示检测初期第i类土地利用类型的面积，U L Ai表示监测期间第i类土地利用类型未变化部分的面积，t1和t2分别为研究初期、末期的时间。

2.3 生态服务价值评估体系与模型

2.3.1 生态系统服务价值评估体系的构建。1977年，W estman等人提出了“自然服务”的概念，先后进行了全球环境功能、自然服务功能的研究并指出物种多样性的锐减直接影响着生态系统服务功能[18]。在Daily主编的专著中比较系统的介绍生态系统服务功能的概念、研究简史、服务价值评估、不同生物系统的服务功能及区域生态系统服务功能等专题研究[19]。C osan z a等人对全球生态系统服务功能进行划分和评估，他们将生态系统服务功能归纳为17种类型，并按10种生物群系货币形式进行估算。本文将生态服务功能类型分为供给服务、调节、文化和支持四大功能[20-22]，见表1。

2.3.2 价值评估模型的建立。根据研究区的实际情况和国内外的研究进展，参照中国陆地生态系统单位面积价值计算祁连山区域生态服务价值[23]。

式中：E SV表示研究区生态系统服务价值，AK代表第k类土地利用类型的面积，VK表示土地利用类型单位面积的生态功能总服务价值，n表示土地利用类型的数目。

式中：VK表示第k类土地类型单位面积的生态功能总服务价值系数，Ccrop表示单位生态系统提供的服务功能的经济价值，fij为第i类土地利用类型第j种生态服务价值的当量因子表，n为土地利用类型数目。

3 结果分析

3.1 土地利用变化动态分析

本文以遥感解译数据为基础，以与土地分类系统相协调为原则，结合本文研究目的，确定研究区土地利用类别为林地、草地、裸地、灌木、水域、冰雪，共6个类型[24]。

土地利用现状的对比及单一土地利用类型动态度。根据对1990年、2000年、2005年、2010和2018年五年的研究区T M影像的解译结果得出祁连山自然保护区1990年、2000年、2005年、2010年和2018年五个年份的土地利用面积对比图（图2），可以看出从1990年至2018年以来研究区各土地利用类型总面积的变化趋势。

表1 生态系统服务功能指标体系

图2 1990～2018年祁连山土地利用面积对比图

考虑到研究区面积较大，各种土地利用类型的相对面积较大，具有明显变化，因此利用上述5个年份的T M遥感影像数据，计算了研究区的各个土地利用类型的土地变化动态度，从而得出各土地利用类型的总体变化速率，当动态度值为正值时，该土地利用类型的土地面积正在减少，负值时则表明面积正在逐渐增加，其相对值越大则表明转变为其他土地的速度就越快[25]。

从图2、表2和表3中可以看出，近30年时间里，研究区土地利用变化的总体趋势为灌木与冰雪的面积在减少，林地、草地、裸地、水域的面积在增加，其中裸地、水域、林地的面积增加幅度比较大，灌木与冰雪的面积明显减少。生态环境整体上在持续变好，局部出现退化，主要表现在林地、裸地、灌木、水域等类型上，具体如下：

近30年以来，研究区的林地面积呈现出先减少后增加的趋势。林地的面积从1990年的34158.15公顷增加到2018年的36907.71公顷，但在1990～2005年的十五年期间，林地的面积呈现出下降趋势，2005年较1990年，林地的面积减少了2145.79公顷，2005年后林地的面积开始呈现上升趋势，2018年林地总面积相较于2005年增加了4895.34公顷，造成林地呈现先减少后增加趋势的原因可能是由于早期祁连山大面积的乱砍滥伐现象严重，后期增加的原因可能在于祁连山自然保护区加强林地管理与保护的同时，大面积种植人工林也可能是造成这一现象的主要原因[26]。研究区内草地面积从1990年的14174.10公顷增加到14530.52公顷，30年间增加了356.42公顷，草地相较于其他土地利用类型变化的幅度并不大，草地的动态度只有-3%，裸地的面积变化幅度较大且呈现出逐年递增的趋势，30年间裸地的总面积从1990年的41801.76公顷增加到52900.97公顷，增加了11099.23公顷，变化幅度是各类土地利用类型中最高的，其变化度达到-27%。灌木的总面积从1990年的14792.69公顷减少到2018年的10742.89公顷，共减少了4049.80公顷，灌木的总体趋势呈逐年下降的趋势。研究区的水域主要是河流与湖泊，但研究区的水域面积相较于其他土地利用类型来说很小。但水域的总体趋势是在逐年增加。冰雪地类是研究区内总面积最大的土地利用类型，作为祁连山自然保护区内最重要的土地资源，雪地的面积却在逐年减少。雪地的总面积从1990年的53745.75公顷减少到2018年的49472.38公顷，30年的时间内祁连山自然保护区的雪地面积减少了4273.37公顷，变化幅度为18%，变化幅度仅次于裸地和灌木，远高于其他土地利用类型。造成雪地呈逐年直线减少趋势的原因除人为因素外，气候的变化是主要原因。

表2 1990～2018年祁连山土地利用面积单位：公顷

表3 祁连山自然保护区土地利用动态度

3.2 祁连山自然保护区土地利用类型转移特征分析

为了更清楚的了解各种土地利用类型之间的相互转化结果，把握土地利用类型变化主要特征，本文求的1990年至2018年不同土地利用类型之间的转化率，并运用A rcGIS软件对祁连山不同时期土地利用类型图进行分析[27]，可以得到研究时段内土地利用类型的转移矩阵（表4）。

表4 1990～2018年祁连山土地利用类型转移矩阵 单位：公顷

在1990年～2018年期间，裸地的转移量占主导地位，在向裸地转变的各土地利用类型中灌木、草地占主导地位，分别是186.482公顷、127.457公顷；其次是水域，转移面积为123.536公顷；森林与雪地向裸地的转移面积为115.153公顷、117.517公顷。雪地的转移面积仅次于裸地的土地利用类型，其中向雪地转移的土地利用类型中水域占主导地位，为57.603公顷，其余土地利用类型的转移面积不大。其中林地为4.083公顷，草地为0.666公顷，裸地的转移面积为3.081公顷，灌木为1.467公顷。林地的增加面积不大，其主要转移来自于灌木，为8.733公顷，是其主要的转移土地利用类型。草地面积的转移来源主要是灌木，林地与裸地，分别为12.125公顷、3.761公顷与3.647公顷。1990年至2018年期间，灌木地土地利用转移类型主要来源于草地为23.15公顷，水域地转移面积最小为0.543公顷，在祁连山自然保护区水域地总面积是最小的，这也导致了水域转移来源较少，所以在研究区中水域地转移面积是最小的，水域地主要转移类型来源于雪地，为4.954公顷。

3.3 各土地利用类型生态系统服务功能价值的动态变化及分析

从 1990年、2000年、2005年、2010年、2018年的研究区生态系统服务功能价值估算表（表5至表9）可以看出1990年研究区总服务价值为15944.14万元，到2000年研究区总服务价值增加到16347.00万元，十年间增加了402.86万元，是研究区1990年总服务价值的3%，这十年时间研究区生态系统总服务价值呈现小幅增加的趋势，草地、水域和雪地的各项生态服务功能的总价值出现不同程度的增加，上述三种土地利用类型的服务功能价值的上升是导致总体上升的主要因素，林地的生态系统总服务价值出现下降趋势，林地2000年较1990年生态系统服务总价值下降了1212.16万元。2000年到2005年期间，生态系统服务功能价值呈现明显增加的趋势，5年间增加了2921.83万元，2005年各土地利用类型的生态服务功能价值均呈现出上升趋势。2005年到2010年期间，生态系统服务功能总价值呈现出增加趋势，上升幅度较低，五年期间生态系统服务功能价值增加了143.28万元。2010年至2018年期间，研究区生态系统服务功能价值增加了288.18万元。在1990年至2018年28年的研究区间，研究区生态系统服务功能总价值增加了3756.16万元。研究区的生态服务功能价值在研究区间总体上呈增加趋势[28]，就增加趋势来说在2005年增加幅度最大，2005年之后增加趋势开始呈现缓慢上升的趋势。导致这种变化的直接原因在于各土地利用类型的服务价值的变化。

自1990年以来，研究区各土地利用类型服务价值的变化幅度较大，草地生态系统服务功能价值，从1990年的3861.61万元增加到2018年的6002.78万元，增加了近2141.17万元，占研究区总服务价值增加的57%；水域与雪地的总服务价值自1995年至2018年分别增加了900.15万元、1132.87万元，而且两者均呈现出逐年增加的趋势，灌丛与裸地的服务价值变化不大。林地的生态系统服务功能价值从1990年的4530.87万元减少到2018年的4124.27万元，减少了406.60万元，其中1990年至2000年出现大幅度的减少，减少了1212.16万元。但自2000年后开始呈现逐年恢复的趋势。

表5 1990年祁连山不同土地利用类型的生态服务价值单位：万元

表6 2000年祁连山不同土地利用类型的生态服务价值单位：万元

表7 2005年祁连山不同土地利用类型的生态服务价值单位：万元

表8 2010年祁连山不同土地利用类型的生态服务价值单位：万元

4 结论与讨论

本文通过对祁连山自然保护区五期卫星遥感影像进行人工解译，研究了近28年间祁连山自然保护区的土地利用结构变化及其生态服务价值变化。通过有关数据分析，本文取得了一些成果，但依旧存在不足之处，主要结论如下。

4.1 通过近30年祁连山自然保护区土地利用类型面积变化趋势来看雪地与灌木地土地利用面积呈现逐年下降的趋势且下降幅度很大，林地与草地呈逐年上升趋势，但上升趋势不大，裸地的面积是所有土地利用类型中变化最大，上升幅度也是最大。结合祁连山自然保护区土地利用动态度总的来看，近30年来祁连山自然保护区土地利用变化速度较快，其中裸地、灌木与冰雪的动态度变化最大，分别为-27%、27%与18%。

4.2 在1990年至2018年期间，土地转移量占主导地位的草地与雪地向裸地的改变，分别为163.682公顷和117.577公顷，林地的增加主要来源于草地、水域以及裸地，其中水域的增加可能存在河流经过林地时，树木对河流的遮盖，导致遥感影像解译时将水域划分到林地类别中。

4.3 从土地利用时空变化趋势和速率来看，研究区生态系统服务功能价值的增加，与土地利用变化有很大的关系，但我们不能忽视的是气候变化对生态系统服务功能价值产生的影响[29-31]。

4.4 综合土地利用类型的生态系统服务价值评估结果，得出研究区1990年、2000年、2005年、2010年、2018年的生态系统服务总服务价值分别为15944.14万元、16347.00万元、19268.83万元、19412.11万元、19700.29万元，其中，各类服务功能价值的大小不同，2018年气体调节、气候调节、水源形成、土壤涵养、废物处理、维持生物多样性、遗传资源等间接使用价值占生态系统总服务价值的比例分别是6%、8%、26%、10%、15%、7%、17%，食物生产、原材料、科教文化、娱乐休闲等直接使用价值之和占生态系统总服务价值的比例是11%。间接使用价值是研究区直接使用价值的8倍，可见提高和保护研究区的间接使用价值要比直接使用价值更重要[32]。

表9 2018年祁连山不同土地利用类型的生态服务价值单位：万元