基于土地利用变化的和田地区生态系统服务价值分析

2021-10-09郭亚红阿布都热合曼哈力克魏天宝木卡达斯阿不都热合曼

生态学报 2021年16期

郭亚红,阿布都热合曼·哈力克,*,魏天宝,木卡达斯·阿不都热合曼

1 新疆大学资源与环境科学学院, 乌鲁木齐 830046 2 新疆大学绿洲生态教育部重点实验室, 乌鲁木齐 830046

生态系统服务是指通过生态系统结构、功能和过程而获得产品和服务,包括供给、调节、支持和文化四种功能[1- 3]。生态系统为人类福祉提供了众多服务,例如提供食物、淡水以及清洁空气等[1]。土地合理利用和有效配置直接关系社会经济可持续发展[4]。土地利用变化是人类活动与自然环境相互作用的直接体现[5]。土地利用与生态系统服务相互影响,相互制约[6]。土地利用类型、格局和强度直接影响生态系统结构、功能和过程[7],是影响生态系统服务功能的重要动力[8]。生态系统服务的丧失和退化不仅影响土地利用结构和效率[9],也会威胁到人类福祉。众多学者已对生态系统服务价值进行评估[10-12]。Costanza在总结先前研究基础上实现了对生态系统服务价值的货币表达[13-14]。谢高地等参考Costanza等人研究成果,制定出适合我国生态现状的生态系统服务价值当量因子表[15]。目前,国内学者相关研究多以谢高地修订与补充的生态系统服务价值当量因子表为基础[3,16],结合研究区单位生态系统服务的经济价值来估算区域的生态系统服务价值[17-20]。随着社会经济发展,生态环境质量的提高[21],人们开始愿意为保护生态环境付出相应的费用。将支付意愿和支付能力纳入生态系统服务价值评估体系,这对于建立生态补偿机制和实现绿色社会经济发展已十分重要。

和田地区处于塔克拉玛干沙漠的南缘,气候干旱与风沙天气导致生态环境十分脆弱[22],加之过度垦荒,水资源匮乏,盐碱地与沙地的增加,加剧了生态环境的不稳定性[23]。以和田地区为研究对象,对该区域土地利用及生态系统服务价值进行评估,为当地土地资源可持续利用以及环境保护提供决策支持。

1 研究区概况

和田地区位于新疆南部,北部与阿克苏地区的沙雅和阿瓦提相接,深入塔克拉玛干沙漠腹地。地处35.7°N—39.4°N,78.7°E—83.4°E之间,包括7县1市。该区年平均气温13.4℃,年均降水量88.4mm,年均蒸发量2504.6mm,属暖温带极干旱荒漠气候。和田地区山地、戈壁沙漠、绿洲分别占到全疆33.3%、63%和3.7%,其中绿洲面积9.730×105hm2,耕地面积为1.827×105hm2,占绿洲面积的17.95%。

图1 研究区位置图Fig.1 Location of the study area

2 研究方法

2.1 数据来源

研究中采用的2010—2018年土地利用数据来源于和田地区自然资源局土地利用变更数据调查,土地利用类型包括:耕地、园地、林地、草地、城镇村及工矿用地、交通用地、水域及未利用地；经济数据来源于《中国统计年鉴》和《中国年度统计公报》,《新疆统计年鉴》和《和田年鉴》；气候数据来源于国家气象科学数据中心(http://data.cma.cn)中的地面气候资料日值数据集(V3.0),和田地区的年均气温与年均降水量由4个站点的均值得到。以上经济数据与气象数据均以和田地区为研究单位。

2.2 研究方法

2.2.1土地利用动态度

土地利用动态变化研究是基于土地利用动态变化模型,分析了土地利用类型数量、程度及土地利用变化的区域差异[24]。单一土地利用动态度公式为：

式中,K为在a—b时段内特定土地利用类型的单一动态指数,Ua、Ub分别表示在时间a、b处某种土地利用类型的面积,T为a—b时段,在文中以a为单位。

2.2.2生态系统服务价值评估

以谢高地[16]等人在2007年提出的“中国生态系统单位面积生态服务价值当量表”为基础,针对和田地区社会经济发展状况,对单位面积农田每年自然粮食产量的经济价值进行修正,可获得和田地区各土地利用类型的生态系统服务价值系数(VC)表。具体修正过程为：和田地区2010—2018年粮食平均单产为6415.76kg hm-2a-1,2010年全国粮食平均收购价格为2.23元/kg,根据“一个标准生态系统服务经济价值等效系数是单位面积农田提供的食物生产经济价值的1/7”[3,16],得到和田地区一个生态系统服务价值当量因子为2045.344元 hm-2a-1,最终得出和田地区生态系统服务价值系数(表1)。

表1 和田地区各地类生态系统单位面积服务价值系数/(元 hm-2 a-1)

表2 和田地区生态系统服务经济价值修正系数

同时,结合生物量因子调整系数来反映研究区的实际情况。考虑到研究区的实际情况和数据收集的便利性,可以根据植被净初级生产力(NPP)来计算(表2)。生态系统服务价值公式为：

ESV=(VCk×Ak×PI×Si)

式中,ESV为生态系统服务总价值(元)；VCk为生态系统服务价值系数(元 hm-2a-1)；Ak为第k类土地利用类型的面积；Si为对生物量因子调整系数；PI为社会经济因子调整系数；对Si、PI的详细计算可通过Su等[25]的研究得到。

2.2.3敏感性分析

为确定生态系统服务价值评价是否准确,需引入敏感性指数(CS)来衡量。公式如下：

式中,CS为敏感性指数,VC为生态价值系数,i和j分别为ESV、VC调整前后的值,k为土地利用类型。文中将各土地利用类型的VC±50%,对ESV的变化进行分析。

图2 各土地利用动态度与变化率Fig.2 Land use dynamic and rate of different types

3 结果分析

3.1 和田地区土地利用类型变化特征

和田地区不同土地利用类型中,未利用地为研究区的主要土地利用类型,其次为草地,分别占总面积的81.21%—81.27%,12.09%—12.13%,两者面积之和占总面积的93.31%—93.40%,在土地利用类型中占主体地位。交通用地所占比例最小,为0.09%—0.1%。各土地利用类型所占总面积比例依次为：未利用地>草地>水域>林地>耕地>城镇村及工矿用地>园地>交通用地。

根据土地利用动态评估结果(图2)可知,2010—2018年和田地区土地利用变化率与动态度基本一致。表现为：耕地、城镇村及工矿用地、交通用地均有所增加,其中城镇村及工矿用地的变化幅度最大,其次为交通用地,分别为13.48%、7.52%,说明在研究期间,和田地区城建化速度较快。园地、林地、草地、水域及未利用地有所减少,其中园地面积减少速度最明显,其次为林地,变化率分别为-2.43%、-0.11%。水域的变化幅度最小,仅为0.05%,变化较为稳定。

3.2 和田地区生态系统服务价值变化特征

3.2.1生态系统服务价值总体变化特征

2010—2018年和田地区生态系统服务价值呈下降趋势,生态系统服务价值减少了5.89×108元,价值变化率为-59.47%。

从图3来看,水体与草地对生态系统服务总价值贡献最大,两者占总价值比例为65.93%—66.08%。耕地的生态系统服务价值所占比例最小,为1.40%—1.48%,未利用地的生态系统服务价值所占比例高于耕地与林地主要是和田地区大部分区域被沙漠与戈壁所覆盖,未利用地面积远多于其他土地利用类型的面积。总体来说,各地类生态系统服务价值均有所减少,主要是由于城镇村及工矿用地,交通用地等建设用地的快速扩张所致。建设用地的扩张导致园地、林地、草地、水域及未利用地有所减少。耕地面积有所增加,但耕地的生态系统服务价值有所降低,主要是不仅考虑到土地面积对生态系统服务价值的影响,同时也考虑到气温与降水对生态系统服务价值的影响。

图3 各土地利用类型提供的生态系统服务价值所占比例Fig.3 Proportion of ecosystem services provided by various land use types

图4 和田地区生态系统服务价值变化Fig.4 Changes in the value of ecosystem services in Hotan area

从生态系统服务功能来看(图4),四大功能总体上呈下降趋势,调节服务>支持服务>文化服务>供给服务。

和田地区生态系统服务价值变化受诸多因素影响,但土地利用类型面积变化与生物量因子调整系数的修正起着主要的作用。和田地区生物量因子调整系数从2010年的0.1646下降到2015年的0.0309,之后又上升到2018年的0.0813,这表明在2015年该地的气温,降水,土地利用和土壤状况的变化对植被生产潜力产生作用较小,相反在2010年与2018年所起作用较大。尤其在2010年和田地区生态系统服务价值高于其他年份,主要是由于受生物量因子调整系数所影响,即气温和年降水量对该地的生态系统服务价值有重要影响。

3.2.2生态系统单项服务价值变化特征

和田地区不同类型生态系统服务价值估算(图5)可知,各单项生态系统服务功能均呈减少趋势。其中,水文调节功能减少最多,变化率为-59.48%。食物生产功能减少最少,相对于其他服务功能而言,变化幅度较为稳定。

在2010年、2015年和2018年各单项生态服务功能所占比例完全相同：水文调节>废物处理>维持生物多样性>提供美学景观>保持土壤>气候调节>气体调节>原材料生产>食物生产,服务性功能高于生产性功能。单项生态系统服务价值功能主要以水文调节、废物处理和维持生物多样性为主,三者之和占总价值比例超过57%,主要是由于水体、林地与草地的面积以及价值修正系数较大所造成的。

图5 和田地区单项生态系统服务价值变化Fig.5 Change of individual ecosystem service value in Hotan area

3.2.3生态系统服务价值空间分布

在研究期间,和田地区各县市生态系统服务价值均呈降低趋势(图6)。其中,民丰县生态系统服务价值最高,分别占和田地区生态系统服务总价值的26.27%和26.28%。和田市生态系统服务价值最低,占总价值的0.42%和0.51%。和田地区各县市生态系统服务价值变化率均高于-50%,表明该地区的生态系统服务价值大幅度减少,生态服务功能受到严重影响。

各县市单项生态系统服务价值均呈减少趋势(图7)。和田市各单项服务价值变化率均低于其他各县,其中水文调节变化幅度最大,为-52.71%,保持土壤变化幅度最小,为-46.82%。其他各县单项服务价值变化幅度比较相似,变化率均在-59%左右。和田县、墨玉县和策勒县气体调节功能下降幅度最大,变化率分别为-60.05%、-59.51%、-59.49%；皮山县、洛浦县和于田县提供美学景观功能下降幅度最为明显,变化率为-59.48%、-59.49%、-59.48%；民丰县原材料生产功能下降幅度最显著,变化率为-59.47%。除和田市与和田县外,其他各县下降幅度最小的单项服务功能均为食物生产。和田河与克里雅河径流量的变化对局部小气候的改善以及生态系统服务调节功能具有一定影响。

图6 和田地区各县市生态系统服务价值变化Fig.6 Changes in the value of ecological services in each county in Hotan area

民丰县除原材料生产与食物生产功能价值减少较少外,其他单项生态服务功能价值变化量均为较明显,尤其水文调节、废物处理、保持土壤和维持生物多样性功能下降最为显著。和田县与策勒县的水文调节与废物处理功能下降最为显著。

图7 和田地区各县市单项生态系统服务价值变化分析Fig.7 Change of ecosystem service value in every city of Hotan area

4 生态系统服务价值敏感性分析

按照敏感性指数计算方法,对各地类的生态价值系数在原始基础上增加(或减少)50%,获得和田地区各地类的敏感性指数(图8)。结果表明,各地类生态服务价值系数的敏感性指数均小于1,表明相对于价值系数而言,该地区的生态系统服务价值是缺少弹性、不敏感的,研究结果是相对可靠的,价值系数适用于计算该地区的生态系统服务价值。其中,敏感性指数最高的为水体,最低为耕地,说明水体对生态系统服务价值的贡献最大。

图8 和田地区生态系统服务价值系数敏感性分析 Fig.8 Ecosystem service value and the coefficient of sensitivity in Hotan area

5 结论与讨论

5.1 讨论

生态系统服务价值变化是自然因素和人文因素共同作用的结果[26],根据前人研究[27-28]可知,生态系统服务价值在短时间内主要受人为因素干扰。以下对和田地区生态系统服务价值变化的驱动力因素予以讨论。

(1)气候变化

气温与降水作为最直接的因素在各种生态过程中起着重要作用[29]。已有研究[30]表明,在中国西北地区气候变湿的大背景下,从20世纪90年代到至今,和田地区气候总体呈现“暖湿化”趋势,为和田地区耕地的开垦提供了充足的水源,但耕地面积快速增加及对农田灌溉会过度占用其他土地利用的需水量,导致其他土地利用类型减少及次生盐渍化的出现[31],对水文调节和维持生物多样性等功能产生负面影响。耕地面积增加虽会促使生态系统服务价值的提高,但无法弥补草地与水体所缺失的生态系统服务价值,所以在整个研究期内,生态系统服务价值总体呈下降趋势。研究区总价值在2015年减少随后又增加不仅是因为各土地利用类型面积的变化,同时也是因为在制定生态系统服务价值系数时考虑了研究区的气候环境。Fu等[32]发现变暖和干燥的气候会导致生态系统服务下降和生态系统损害增加,导致绿洲地区降水减少。和田地区在2015年的年平均气温(13.7℃)最高,年均降水量最少(47.43mm),干燥的气候会造成研究区水文调节和维持生物多样性等功能的衰退。

(2)社会经济因素

参考相关研究[[26,33-35],并结合数据可获得性,以2010—2018年和田地区各县市为研究单位来选取人口、经济和旅游3个方面的人文因素指标,然后对各指标进行相关性分析筛选出对生态系统服务价值影响较大的因子,并进行逐步回归分析。

表3 和田地区生态系统服务价值回归模型

从表3可知,和田地区生态系统服务价值主要受总人口、城镇人口和农村人口的影响。和田地区总价值在2015年减少随后又增加,主要是因为在2015—2018年,总人口变化率与城镇人口变化率均低于2010—2015年,尤其是在2010—2015年城镇人口变化率为82.90%,城镇人口大幅度增加,城建化速度加快,加剧生态系统压力。在2015—2018年城镇人口变化率为-11.29%,利于生态系统恢复。农村人口在前期增加较缓,在后期增加幅度有所上升,变化率为16.18%。人口因素是环境退化的一个主要驱动力[36],人口增长导致食物生产与原材料生产等需求增加,造成生态系统服务价值减少[28]。城镇人口增加必然会致使建设用地扩张,造成其他土地面积损失,影响调节服务等功能价值。农村人口增加导致土地压力加剧,过度垦荒现象日益突出,灌溉、防洪等水利设施兴建改变了水资源的时空分布,致使水体的水文调节和维持生物多样性等功能出现较大的时空波动[31]。同时农业用水的增加加速了河水与地下水的开发和利用[37],是区域生态系统服务变化的主要因素[38-39]。

从研究结果来看,和田地区生态系统服务价值下降是受各土地面积、气温、降水和人口因素共同作用的结果。尤其在近年来,人口和社会经济发展导致人工平原绿洲区面积不断扩大,加剧了水资源短缺,使绿洲外围土地荒漠化程度有所加剧,区域生态系统进一步恶化[38]。

研究区在评估生态系统服务价值时首次考虑了当地居民支付意愿与支付能力修订生态价值系数,生态系统服务价值研究结果与前人研究[40]相符合。

不足之处在于未考虑建设用地对生态系统服务的影响。近年来,和田地区城建化速度加快,建设用地增加对生态系统服务价值如何影响,有待深入研究。