阿拉善土地利用变化及其对生态系统服务价值的影响

2022-10-31张睿姝高永陈宏芳高苗苗魏健民李晓惠杨焱尧

农业与技术 2022年20期

张睿姝高永陈宏芳高苗苗魏健民李晓惠杨焱尧

(1.内蒙古农业大学沙漠治理学院，内蒙古呼和浩特 010000；2.阿拉善左旗林业工作站，内蒙古阿拉善 750300)

引言

土地是人类生存发展的基础，也是生态系统服务价值和功能的保障。土地利用变化是自然环境影响和人类活动驱动的直接体现，土地资源的合理开发和有效利用直接或间接关系到生态系统服务价值和功能的可持续发展[1-3]。由此，基于土地利用变化视角，定量评价分析生态系统服务价值变化已逐渐成为生态环境领域的研究热点。人类社会赖以生存和发展的物质基础是生态系统直接或间接提供的生态系统服务，包括供给、调节、支持和文化等各类服务价值，生态系统服务价值对于维持生命存续和发展有着不可替代的作用[4,5]。学者针对生态系统服务功能及其价值开展了大量研究，Costanza等首先从科学意义上将生态学和经济学相结合，明确了生态系统服务价值估算的原理及方法，并对生态系统服务价值进行量化[6]；谢高地等在Costanza等的研究基础上，制定出中国生态系统服务价值当量因子和价值转化系数[7]；目前，国内外学者的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，结合研究区单位生态系统服务的经济价值来估算区域生态系统服务价值[8,9]。同时，学者基于上述理论，开展了针对城市、森林、湿地和流域等不同生态系统的服务价值的研究[10-14]，取得了大量的研究成果，但是却鲜有针对荒漠生态系统服务价值功能的评估，荒漠地区在我国分布范围较广，其发育在高蒸发、低降水的极端脆弱环境下，是陆地生态系统的重要组成部分。因此，开展荒漠生态系统服务价值在长期的土地利用变化下的响应特征，对于深刻理解陆地生态系统服务价值以及可持续发展有着重要的意义。

阿拉善盟地处内蒙古西部，该地区是由草原化荒漠向典型荒漠至极旱荒漠的过渡地区，属于典型的荒漠生态系统[15]。自20世纪80年代以来，该地区为改善生态环境、防治土地沙漠化，先后开展了飞播造林、人工造林和封沙育林等生态工程，在增加土地利用类型的基础上，有效地改善了当地的生态环境质量。因此，为了明确荒漠地区土地利用变化与生态系统服务价值之间的关系，并进一步分析荒漠地区土地利用类型对生态系统的影响程度，本研究以1980年、2000年、2020年3期的阿拉善盟遥感监测数据为基础，选择土地利用动态度、转移矩阵以及谢高地等提出的当量因子法等对以阿拉善荒漠区为代表的1980—2020年土地利用现状、土地利用变化以及生态系统服务价值进行研究，以期为干旱荒漠区的土地资源优化、生态环境治理及实现可持续发展提供理论支撑。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

阿拉善盟位于内蒙古自治区的最西部，地理位置介于N37°24′～42°47′，E97°10′～106°53′。下辖阿拉善左旗、阿拉善右旗、额济纳旗，有4个自治区级开发区，30个苏木镇，198个嘎查村，总面积为27万km2，总人口27.57万人。气候干旱少雨，年平均气温6～8℃，年降水量200mm以下，属于典型的干旱区域。阿拉善盟内有巴丹吉林、腾格里、乌兰布和3大沙漠，使得阿拉善主要的土地利用类型为沙地和未利用地，区域内地表植被覆盖度低。

图1 研究区地理位置

1.2 数据来源

本文所使用的土地利用数据、数字高程模型(DEM)及阿拉善盟矢量数据来源于资源环境数据云平台(www.resdc.cn)，分别获取阿拉善盟1980年、2000年和2020年土地利用数据，结合《土地利用现状分类》标准以及阿拉善盟土地利用特点，利用ArcGIS 10.6将地类进行重分类，其中疏林地、灌木林、有林地统归为林地，高、中、低覆盖度草地统归为草地，沙地、荒漠、戈壁等统归为未利用地，最终得到耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地6个地类。

1.3 研究方法

1.3.1 单一土地利用动态度

单一土地利用动态度是不同土地利用类型在一定时间内的变化速度和幅度指标，描述单一地类动态性变化，在一定时间段内，土地利用类型资源数量的变化情况[16]。

式中，K为一定时间段内某种单一土地利用类型的动态性变化；Ua表示研究期初某一土地利用类型面积；Ub表示研究期末某一土地利用类型面积；T为本次研究时段长度。

1.3.2 综合土地利用动态度

式中，LUi表示研究测量期开始时第i类土地利用类型的数量；LUi-j表示土地利用类型转为非i类的土地数量绝对值；n为土地利用类型数量；T为研究时段长度[17]。

1.3.3 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵是在一定的时间段内，土地利用类型间的相互转化和转移过程，能够将土地利用类型结构特征、土地利用类型流入和流出量面积以及变化方向表征出来[18]。

式中，Aij为某一时间段内土地利用类型由i类转为j类的面积；n为土地利用类型数量。

1.3.4 生态系统服务价值

当前生态系统服务价值研究常用方法有能值分析法、物质量评价法和价值量评价法。以往国内学者多采用谢高地等的中国陆地生态系统单位面积生态服务价值当量表进行研究[19-21]。因此本研究同样采用谢高地等于2003年修订后的生态系统服务价值表对阿拉善生态系统服务价值进行计算。按照生态系统服务价值折算通用方法，先通过粮食产量比确定修正系数，再基于阿拉善地区当地的社会经济情况，以阿拉善地区主要粮食作物小麦和玉米的单产市场价值的1/7作为1个生态系统服务的基础当量，用修正系数对各土地利用类型的生态系统服务价值基础当量因子进行修正。得到阿拉善地区生态系统服务价值系数如表1所示，生态系统服务价值的计算公式：

式中，ESV为生态服务价值总量；i为土地利用类型；Si为第i类土地利用类型面积；Vi为第i类土地利用类型单位面积生态系统服务价值。

表1 阿拉善地区不同土地类型单位面积生态服务价值当量表

2 结果与分析

2.1 土地利用结构变化

图2 1980—2020年阿拉善土地利用演变

由图2可知，阿拉善盟土地利用在1980—2020年的变化可以分为2大时期，即1980—2000年的土地沙化程度加重期和2000—2020年的土地沙化程度减弱期。1980—2000年，阿拉善盟沙地、戈壁和荒漠等未利用地持续增加，林地、草地和水域面积减少，耕地面积持续增加，在这一时期人类活动急剧增加，畜牧业过度发展，是造成土地沙化面积增加的一大诱因，新转入的沙地主要是阿拉善盟东南部腾格里沙漠和巴丹吉林沙漠内部水域周围土地沙化，且无明显集聚性，还有则是原来的林地、草地转为了沙地。2000—2020年，沙地、戈壁和荒漠等未利用地面积减少，主要集中在巴丹吉林、腾格里、乌兰布和沙漠边缘地区，而耕地、草地和水域面积增加，究其原因是这一时期在腾格里、巴丹吉林和乌兰布和3大沙漠周边陆续开展了天然林保护工程、退耕还林工程、三北防护林工程和飞播造林等工程，并设立了森林生态效益补偿制度及造林补贴试点项目等，因此导致未利用地面积不断减少，草地、林地面积增加有效阻碍了土地进一步沙化的趋势。

2.2 土地利用动态度变化

根据土地利用动态度模型，分别计算了1980—2000年、2000—2000年2个阶段的土地利用动态度，如表2所示。

表2 不同时段土地利用动态度

从1980—2000年的单一土地利用动态度来看，由于人类活动频繁，耕地和建筑用地的面积增加，动态度分别为0.09%和0.37%，沙地、戈壁和荒漠等未利用地面积也增加，其动态度为0.08%，林地、草地和水域的面积均呈现不同程度的减小，其动态度分别为-0.23%、-0.16%和-0.03%；2000—2020年，耕地和建筑用地呈增加迅猛，动态度达到0.37%和1.69%，同时，林地、草地和水域在这一时期面积也开始呈增加趋势，动态度分别为0.15%、0.32%和0.08%，这一时期的沙地、戈壁和荒漠等未利用地面积也呈减小趋势，动态度为-0.27%。阿拉善盟综合土地利用动态度在2个阶段内分别为0.038%和0.052%，表明阿拉善土地类型在2000—2020年的变化程度比1980—2000年更为强烈，另外2个时期的综合土地利用动态度均不到1%，也反映了阿拉善土地利用在不断发生变化，但仍属于极缓慢变化型。

2.3 土地利用转移特征

利用ArcGIS 10.6中的转换工具和分析工具，对阿拉善土地利用数据进行处理，构建出1980—2020年的土地利用转移矩阵，如表3所示。

表3 1980—2020年阿拉善土地利用变化矩阵

从表3可知，在1980—2020年这一研究期内，耕地的转出变化为转为林地14.69km2，转为草地14.50km2，转为水域3.88km2，转为建设用地1.81km2，转为未利用地58.90km2，共转出93.78km2；耕地的转入变化为林地转为耕地25.10km2，草地转为耕地78.29km2，水域转为耕地21.47km2，建设用地转为耕地2.68km2，未利用地转耕地179.11km2，共转入343.62km2；综合转出和转入来看，耕地净转入212.89km2，面积增加。林地的转出变化为转为耕地25.10km2，转为草地329.30km2，转为水域14.18km2，转为建设用地5.98km2，转为未利用地292.58km2，共转出667.14km2；林地的转入变化为耕地转为林地14.69km2，草地转为林地336.25km2，水域转为林地18.07km2，建设用地转为林地1.08km2，未利用地转为林地286.11km2，共转入656.21km2；综合转出和转入来看，林地净转入-10.93km2，面积减少。草地的转出变化为转为耕地78.29km2，转为林地336.25km2，转为水域91.61km2，转为建设用地88.82km2，转为未利用地3983.85km2，共转出6578.83km2；草地的转入变化为耕地转为草地14.50km2，林地转为草地329.30km2，水域转为草地87.68km2，建设用地转为草地8.75km2，未利用地转为草地6914.40km2，共转入7354.63km2；综合转出和转入来看，草地净转入775.83km2，面积增加。水域的转出变化为转为耕地21.47km2，转为林地18.07km2，转为草地87.68km2，转为建设用地7.98km2，转为未利用地224.21km2，共转出359.42km2；水域的转入变化为耕地转为水域3.88km2，林地转为水域14.18km2，草地转为水域91.61km2，建设用地转为水域0.75km2，未利用地转为水域255.43km2，共转入365.85km2；综合转出和转入来看，水域净转入6.43km2，面积增加。建设用地的转出变化为转为耕地2.68km2，转为林地1.08km2，转为草地8.75km2，转为水域0.75km2，转为未利用地62.25km2，共转出75.53km2；建设用地的转入变化为耕地转为建设用地1.81km2，林地转为建设用地5.98km2，草地转为建设用地88.82km2，水域转为建设用地7.98km2，未利用地转为建设用地239.03km2，共转入343.62km2；综合转出和转入来看，建设用地净转入268.10km2，面积增加。未利用地的转出变化转为耕地179.11km2，转为林地286.11km2，转为草地6914.40km2，转为水域255.43km2，转为建设用地239.03km2，共转出5874.09km2；未利用地的转入变化耕地转为未利用地58.90km2，林地转为未利用地292.58km2，草地转为未利用地3983.85km2，水域转为未利用地224.21km2，建设用地转为未利用地62.25km2，共转入4621.80km2；综合转出和转入来看，未利用地净转入-1252.29km2，面积减少。

2.4 生态服务价值分析

将不同地类面积和各地类生态系统服务价值当量进行计算，得到各土地利用类型生态系统服务价值，如表4所示。

从表4可以看出，1980年阿拉善生态系统服务价值总量达到了108.86亿元，占比最大的是草地，提供了60.23亿元的价值量，占总价值量的55.32%，除去建筑用地的极小价值量外，占比最小的是耕地，提供了0.47亿元，仅占总价值量的0.42%。在2020年，阿拉善生态系统服务价值总量为119.69亿元，其中占比最大的仍然是草地，提供了70.75亿元的价值量，占总价值量的55.88%。2020年的阿拉善生态系统服务价值总量与1980年相比增加了10.83亿元。从增减率来看，这其中影响价值量变化的最大因素是草地面积的大幅增加和沙地等未利用地面积的大幅减小，耕地、水域的面积增加同样一定程度地贡献了价值量的增加。究其原因，近年来，阿拉善地区在飞播造林、禁牧还林还草和生态移民的工程的实施下，使沙地、荒漠和戈壁等未利用地面积减少，使其大量转化为草地和耕地；有效减弱了放牧活动对原生植被的啃食和破坏，使这些地区生态环境质量进一步得到提升，有效减少了土壤侵蚀和风沙蔓延，使得阿拉善地区生态环境在近年来得到明显改善。