田耀武,黃志霖,肖文發(fā),趙連江,趙赴鈞,艾曉影

(1.河南科技大學(xué)林學(xué)院,河南洛陽(yáng)471003;2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所,國(guó)家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100091;3.河南省禹州市水利局,河南許昌461000)

生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價(jià)值是指人們能夠直接或者間接從生態(tài)系統(tǒng)功能中獲取的產(chǎn)品和服務(wù)[1]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估已成為當(dāng)前生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[2]。我國(guó)退耕還林工程于1999年試點(diǎn)實(shí)施、2002年全面啟動(dòng),生態(tài)脆弱地區(qū)水土流失得到緩解,生態(tài)環(huán)境得以改善,發(fā)揮出明顯的生態(tài)效益。近年來(lái),有關(guān)學(xué)者參照Costanza提出的全球不同地類的平均生態(tài)服務(wù)價(jià)值對(duì)草地、濕地、灘涂、林地等不同生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價(jià)值進(jìn)行了貨幣化估算[3-6]。特別是隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展,許多學(xué)者又研究了遙感技術(shù)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)、修復(fù)中的應(yīng)用[7-9]。也有學(xué)者利用土地利用方面的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)對(duì)研究區(qū)內(nèi)不同時(shí)期的生態(tài)服務(wù)價(jià)值的變化進(jìn)行了研究[10-12]。我國(guó)政府規(guī)定山區(qū)＞25°坡地必須實(shí)行退耕還林,條件成熟后,進(jìn)一步推廣退耕還林面積。基于RS和GIS手段,對(duì)農(nóng)林復(fù)合流域?qū)嵤┎煌Ｊ?＞25°,＞15°坡地)退耕還林后引起的生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值流動(dòng)的研究尚不多見(jiàn)。本研究以三峽庫(kù)區(qū)黑溝流域?yàn)檠芯繉?duì)象,評(píng)價(jià)在不同退耕還林模式下流域尺度生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化,旨在為三峽庫(kù)區(qū)土地資源可持續(xù)利用、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、維持生態(tài)平衡,促進(jìn)區(qū)域資源與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

黑溝流域位于湖北省秭歸縣中東部,東經(jīng)110°53′27″-110°54′50″,北緯 30°51′21″-30°51′34″,屬蘭陵溪支流,面積1 023.7 hm2,毗鄰三峽水庫(kù)。流域地處中緯度,屬亞熱帶大陸性季風(fēng)區(qū),多年平均降雨量1 439 mm,年際差異大,年內(nèi)降雨分布為單峰型(5-8月占全年68%)。土壤為花崗巖母質(zhì)出露發(fā)育的石英砂土,保水保肥性較差,植被覆蓋率為72.5%。流域西高東低,西部最高海拔1 400 m,植被覆蓋低,荒草出露巖石分布;中部低山區(qū)為柑桔、板栗、毛竹、馬尾松等人工次生林帶,農(nóng)林、農(nóng)茶間作帶;東部緩坡臺(tái)地以植茶為主,間作水稻、玉米、花生等。

1.2 不同土地利用景觀單元面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值確定

以Costanza等[1]提出的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值估算的原理和方法為基礎(chǔ),參考謝高地等[13]建立的“中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積服務(wù)價(jià)值表”,綜合段瑞娟[14]、萬(wàn)利[15]、田耀武[16]等研究成果得到流域單位生態(tài)價(jià)值服務(wù)數(shù)據(jù)(表1)。全流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值計(jì)算公式為

式中:E——研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值;Sa——研究區(qū)內(nèi)土地利用類型a的面積;Pa——單位面積上土地利用類型a的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)。

1.3 退耕還林模式的確立

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為流域2002年退耕還林前Quickbird遙感影像(分辨率為0.6 m),1∶10 000地形圖,1∶10 000土壤類型圖和1∶10 000植被分布圖。參照相關(guān)文獻(xiàn),將土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地等9類。

表1 研究流域單位土地利用面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值 元/(hm2?a)

土地利用圖的獲取是采用ERDAS IMAGINE 8.7軟件對(duì)影像進(jìn)行波段合成、幾何糾正、圖像增強(qiáng)等處理。根據(jù)建立的解譯標(biāo)志,在A rc In fo Workstation 9.2的A rcedit中進(jìn)行人機(jī)交互式判讀解譯;運(yùn)用GPS進(jìn)行外業(yè)精度調(diào)查驗(yàn)證,并將所得數(shù)據(jù)在A rcIn fo Workstation環(huán)境下進(jìn)行編輯和修改,得到流域2002年土地利用類型圖,作為流域未實(shí)施退耕還林時(shí)的模式A。

流域2002年開(kāi)始對(duì)＞25°坡地全部實(shí)施封山育林和退耕還林,截止目前已發(fā)揮出巨大的生態(tài)效益。流域＞25°退耕還林坡地面積的確定采用A rc Info Workstation 9.2坡度分析。數(shù)字高程模型(DEM)采用流域5.0m等高距1∶10 000地形圖件作為基本地形信息源,按照國(guó)家地形圖數(shù)字化技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)矢量化等高線,利用A rcV iew GIS 3.2雙線性內(nèi)插重采樣[17]方法生成 5.0 m[18]水平格網(wǎng)尺度DEM。在地形圖上隨機(jī)選擇50個(gè)點(diǎn)作為高程控制點(diǎn),視其高程值作為準(zhǔn)值,檢驗(yàn)對(duì)應(yīng)DEM 柵格點(diǎn)的高程采樣精度;在流域內(nèi)隨機(jī)布設(shè)300個(gè)點(diǎn),GPS定位并量測(cè)地面實(shí)際坡度,計(jì)算并控制DEM提取地面坡度的中誤差[19]。在A rcIn fo Workstation 9.2中選擇表面分析坡度工具(slope),生成并計(jì)算＞25°坡地面積,作為當(dāng)前實(shí)施退耕還林模式B。模式B與模式A下的土地利用圖相比,計(jì)算各土地利用類型面積的變化;同法生成并計(jì)算＞15°坡地面積,作為實(shí)施退耕還林模式C,模式C與模式A下的土地利用圖相比,計(jì)算各土地利用類型面積的變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用變化分析

流域主要土地利用類型為林地、農(nóng)田,果園以橘園為主,由于本研究是利用A rcGIS軟件對(duì)流域?qū)嵤┩烁€林后的土地利用變化的一種模擬,交通用地、河流濕地、建設(shè)用地、灘地、園地等均認(rèn)為沒(méi)有發(fā)生變化,流域內(nèi)僅林地、農(nóng)田、未利用地3類土地利用面積發(fā)生變化。流域＞25°土地退耕還林后時(shí),林地面積增加到298.4 hm2,林地面積占全流域面積的29.1%,流域＞15°土地退耕還林后,林地面積將增加到446.9 hm2,占全流域面積的43.6%;農(nóng)田面積分別減少到349.7 hm2和213.8 hm2,占流域面積的比重也由2005年的42.9%下降到34.1%和20.8%;未利用地面積也分別減少到了56.8 hm2和44.2 hm2,占流域面積的比重也由2005年的8.5%下降到5.5%和4.3%(表 2)。

表2 不同模式下流域土地利用面積變化 hm2

2.2 流域尺度生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化分析

運(yùn)用流域土地利用生態(tài)服務(wù)價(jià)值表(表1)和流域3種情景模式下土地利用數(shù)據(jù)(表2),計(jì)算出流域各土地利用方式和整個(gè)流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化情況(表3)。實(shí)施退耕還林前,流域年土壤侵蝕量較大[18]。2001年黑溝流域＞25°坡地全部實(shí)施退耕還林工程,至2005年流域生態(tài)敏感區(qū)水土流失得到極大程度的緩解,生態(tài)環(huán)境得以改善,發(fā)揮出明顯的生態(tài)效益。據(jù)長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)森林生態(tài)定位站監(jiān)測(cè),退耕還林前的2001年全流域土壤侵蝕量為22.3萬(wàn)t,2005年已下降到8.67萬(wàn) t。在各土地利用類型中,坡耕農(nóng)地是產(chǎn)生土壤侵蝕的重要部分,2001年玉米和花生間作觀測(cè)區(qū)內(nèi)土壤侵蝕模數(shù)高達(dá)899 t/hm2,為相同坡度條件下有林地平均土壤侵蝕量的198倍。生態(tài)服務(wù)價(jià)值發(fā)生變化的土地利用也為林地、農(nóng)田和未利用地。模式A下林地生態(tài)服務(wù)價(jià)值為466.2萬(wàn)元;模式B下其生態(tài)服務(wù)價(jià)值上升到778.1萬(wàn)元,模式C下其生態(tài)服務(wù)價(jià)值上升到1 165萬(wàn)元,為模式A的2.5倍。與林地相反,模式A下農(nóng)田生態(tài)服務(wù)價(jià)值為479.0萬(wàn)元,模式B下其生態(tài)服務(wù)價(jià)值下降到381.6萬(wàn)元,模式C下其生態(tài)服務(wù)價(jià)值下降到233.3萬(wàn)元,為模式A的48.6%。與農(nóng)田相似,模式A下未利用地生態(tài)服務(wù)價(jià)值為4.1萬(wàn)元,模式B下其生態(tài)服務(wù)價(jià)值下降到2.6萬(wàn)元,模式C下其生態(tài)服務(wù)價(jià)值下降到2.1萬(wàn)元,模式A下的45.6%。流域尺度上,模式A時(shí)流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值為1 164.5萬(wàn)元;模式B時(shí)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值上升到1 164.5萬(wàn)元,為退耕還林前的 1.18倍,模式C時(shí)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值增加到了1 615.5萬(wàn)元,為模式A生態(tài)服務(wù)價(jià)值的1.38倍。這主要是由于農(nóng)田和未利用地單位面積上產(chǎn)生的生態(tài)服務(wù)價(jià)值要小于林地生態(tài)服務(wù)價(jià)值。

表3 流域不同土地利用類型產(chǎn)生生態(tài)服務(wù)價(jià)值 元

3 結(jié)論與建議

流域在 A、B、C等3種退耕還林模式下,土地利用面積發(fā)生變化主要集中在林地、耕地之間,耕地減少的面積都轉(zhuǎn)化為林地,這反映了退耕還林還草后土地利用變化格局的總體趨勢(shì)。在土地利用結(jié)構(gòu)變化的過(guò)程中,流域總的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值是增加的,模式C為模式A的1.38倍。其中,單位面積上林地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值最大,因此流域的生態(tài)環(huán)境恢復(fù)與重建的主要措施以建設(shè)灌木林地為主,增加林草覆蓋率。所以在進(jìn)行土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整優(yōu)化時(shí),要以提高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值作為土地利用基本原則,貫徹退耕還林政策,調(diào)整優(yōu)化農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)與布局,轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)增長(zhǎng)方式,因地制宜,合理、適度利用土地,提高土地利用率和產(chǎn)出率,實(shí)現(xiàn)土地利用生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效應(yīng)的統(tǒng)一,以利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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