李進(jìn)鵬,王 飛,2,穆興民,2,李 銳,2,楊勤科,2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,陜西楊陵712100;2.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所,陜西楊陵712100)

生態(tài)服務(wù)價(jià)值是目前人們普遍關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一[1-2]。土地是陸地生態(tài)系統(tǒng)的載體,生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型在土地利用中表現(xiàn)為土地利用類(lèi)型,土地利用的變化可以導(dǎo)致自然景觀格局和物質(zhì)循環(huán)與能量分配的變化,并對(duì)區(qū)域氣候、土壤、水量和水質(zhì)產(chǎn)生深刻影響。開(kāi)展土地利用變化對(duì)生態(tài)服務(wù)價(jià)值影響的研究,對(duì)客觀認(rèn)識(shí)土地利用變化的綜合影響有重要意義[2-3]。延河流域是黃土高原地區(qū)水土流失最嚴(yán)重的區(qū)域之一,水土保持活動(dòng)強(qiáng)度大,土地利用變化明顯,該文是在目前流域土地利用變化研究的基礎(chǔ)上[4],著重分析土地利用變化對(duì)其生態(tài)服務(wù)價(jià)值的影響。

1 資料來(lái)源與研究方法

1.1 土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源

數(shù)據(jù)來(lái)源于延河流域1990年、2000年、2006年三個(gè)時(shí)段LandsatTM圖像解譯數(shù)據(jù)。本解譯數(shù)據(jù)延河流域面積為7 723 km2,與實(shí)際面積7 725 km2相差0.026%,數(shù)據(jù)精度符合計(jì)算分析要求。

參照國(guó)家通用的土地利用分類(lèi)系統(tǒng)和研究區(qū)的具體情況,將延河流域劃分成建設(shè)用地、農(nóng)田、林地、草地、水體等5種主要土地利用類(lèi)型和地表覆蓋景觀,運(yùn)用A rcGIS軟件得到研究區(qū)各種土地利用類(lèi)型的面積。

1.2 土地利用變化分析

土地利用變化主要體現(xiàn)在土地利用類(lèi)型變化、土地利用類(lèi)型數(shù)量變化、土地資源生態(tài)質(zhì)量變化、土地利用程度變化等方面[4]。所以將采用土地利用類(lèi)型面積變化、土地利用變化率、土地利用類(lèi)型動(dòng)態(tài)度對(duì)延河流域的土地利用變化進(jìn)行分析。

(1)土地利用類(lèi)型面積變化和土地利用變化率首先反映在不同土地利用類(lèi)型的總量變化上,通過(guò)分析土地利用類(lèi)型的總量變化,可以了解土地利用變化總態(tài)勢(shì)和土地利用結(jié)構(gòu)的變化。

(2)土地利用類(lèi)型動(dòng)態(tài)度(K)描述該區(qū)各種類(lèi)型土地的變化情況,它是指研究區(qū)一定時(shí)間范圍內(nèi)某種土地利用類(lèi)型數(shù)量的變化情況,其公式為

式中:Ua,Ub——研究期初及研究期末某一種土地利用類(lèi)型的數(shù)量;T——研究時(shí)段長(zhǎng)。當(dāng)T設(shè)定為年時(shí),K為研究時(shí)段內(nèi)某一土地利用類(lèi)型的年變化率。

1.3 生態(tài)服務(wù)價(jià)值評(píng)價(jià)方法

以延河流域不同年份土地利用變化為基礎(chǔ),計(jì)算不同時(shí)期流域的生態(tài)服務(wù)價(jià)值。生態(tài)服務(wù)價(jià)值是氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)、土壤形成與保護(hù)、廢物處理、生物多樣性保護(hù)、食物生產(chǎn)、原材料供給和文化娛樂(lè)等多方面生態(tài)服務(wù)價(jià)值的總和。由于水土保持建設(shè)在延河流域綜合治理中的重要性,對(duì)研究流域生態(tài)系統(tǒng)的氣體調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)、土壤形成與保護(hù)、食物生產(chǎn)和原材料供給服務(wù)價(jià)值單獨(dú)計(jì)算,其它服務(wù)價(jià)值借鑒謝高地[5]等確定的中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量表,并依據(jù)流域的實(shí)際情況修正后進(jìn)行估算。

1.3.1 氣體調(diào)節(jié)價(jià)值 以其固碳供氧的價(jià)值進(jìn)行估算。固碳價(jià)值計(jì)算公式為

式中:U碳——年固碳價(jià)值(元/a);B年——凈生產(chǎn)力[t/(hm2?a)];C碳——固碳價(jià)格(元/t);R碳——CO2中碳的含量,為27.27%;A——面積(hm2)。

釋氧價(jià)值計(jì)算公式為

式中:U氧——年釋氧價(jià)值(元/a);B年——凈生產(chǎn)力[t/(hm2?a)];C氧——氧氣價(jià)格(元/t);A——面積(hm2)。

1.3.2 水源涵養(yǎng)價(jià)值 其計(jì)算公式為

式中:U涵養(yǎng)——年水源涵養(yǎng)價(jià)值(元/a);C水 ——水的單價(jià)(元/m3);A——面積(hm2);P ——降水量(mm/a);E——蒸散量(mm/a);C——地表徑流量(mm/a)。

1.3.3 土壤形成與保護(hù)價(jià)值 以其保土價(jià)值和保肥價(jià)值進(jìn)行估算。保土價(jià)值計(jì)算公式為

喬瞧說(shuō)：“誰(shuí)說(shuō)女的不能踩藕？我就要踩給你瞧瞧！秀容月明，你跟我下去，我要在水里滑倒了，你把我拉起來(lái)?！?/p>

式中:U固土——年固土價(jià)值(元/a);A——面積(hm2);C土——挖取和運(yùn)輸單位體積土方所需費(fèi)用(元/m3);X2——無(wú)植被土壤侵蝕模數(shù)[t/(hm2?a)];X1——有植被土壤侵蝕模數(shù)[t/(hm2?a)];ρ——土壤容重(t/m3)。

保肥價(jià)值計(jì)算公式為

式中:U肥——年保肥價(jià) 值(元/a);A——面積(hm2);X 2——無(wú)植被土壤侵蝕模數(shù)[t/(hm2?a)];X1——有植被土壤侵蝕模數(shù)[t/(hm2?a)];N——土壤平均含氮量(%);P——土壤平均含磷量(%);K——土壤平均含鉀量(%);M——土壤有機(jī)質(zhì)平均含量(%);R1——磷酸二銨化肥含氮量(%);R2——磷酸二銨化肥含磷量(%);R3——氯化鉀化肥含鉀量(%);C1——磷酸二銨化肥價(jià)格(元/t);C2——氯化鉀化肥價(jià)格(元/t);C3——有機(jī)質(zhì)價(jià)格(元/t)。

1.3.4 食物生產(chǎn)價(jià)值 計(jì)算公式為

式中:U生產(chǎn)——年生產(chǎn)產(chǎn)品價(jià)值(元/a);B年——年單產(chǎn)[t/(hm2? a)];C產(chǎn)品——產(chǎn)品價(jià)格(元/t);A——面積(hm2)。

1.3.5 原材料價(jià)值 植被生產(chǎn)的有機(jī)物折合成能量以后可以進(jìn)行相應(yīng)的替代,如煤炭、石油、天然氣等皆是自然界中存在的能量,具有一定的市場(chǎng)價(jià)格。因此,可以通過(guò)能量這個(gè)橋梁將兩者聯(lián)系起來(lái),就是說(shuō)植被生產(chǎn)原材料的價(jià)值,可以通過(guò)能源的價(jià)值加以體現(xiàn)。其計(jì)算公式為

式中:U材料 ——年原材料價(jià)值(元/a);A——面積(hm2);B1——各種生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)有機(jī)質(zhì)干重(t/hm2);B2——煤的質(zhì)量系數(shù),標(biāo)煤B2=1t;P——標(biāo)煤的市場(chǎng)價(jià)格,本文采用345.5元/t;Q1——干重生物量折合熱量,Q1=6.7 kJ/g;Q2——標(biāo)煤的折合熱量,Q2=10 k J/g。

1.3.7 生態(tài)服務(wù)價(jià)值 估算公式為

式中:ESV——生態(tài)服務(wù)價(jià)值(元);Pk——研究區(qū)第i種土地利用類(lèi)型的分布面積(hm2);Ak——研究區(qū)第k種土地利用類(lèi)型的單位面積的生態(tài)服務(wù)價(jià)值,即生態(tài)服務(wù)價(jià)值指數(shù)[元/(hm2?a)]。

1.4 各參數(shù)值的確定

經(jīng)過(guò)文獻(xiàn)整理獲得各參數(shù)的參考數(shù)值,并結(jié)合野外調(diào)查、試驗(yàn)與分析文獻(xiàn)等方法和專(zhuān)家建議來(lái)確定本文的各參數(shù)值(表1)。

表1 延河流域生態(tài)服務(wù)價(jià)值參數(shù)值

固碳釋氧價(jià)值依據(jù)植被的年凈生物量進(jìn)行計(jì)算。雖然農(nóng)田年凈生產(chǎn)力逐年提高,但考慮到大部分地上生物量被收獲,最終以各種碳的形式排放出去,所以一般研究中都認(rèn)為農(nóng)田的生物量固碳為零,故本文計(jì)算中只考慮了林地和草地的固碳價(jià)值[13]。固定二氧化碳量和釋放氧氣量按照每生產(chǎn)1 g干物質(zhì)需要1.63 g二氧化碳,并釋放出1.2 g氧氣計(jì)算,其價(jià)值量分別按照造林成本260.9元/t和352.93元/t計(jì)算[10,14]。農(nóng)田平均糧食產(chǎn)量含水率按照谷物的14%計(jì)算[10,14-15],糧食單價(jià)按2002年陜西省的報(bào)價(jià)1元/kg[6],農(nóng)田原材料價(jià)值中只計(jì)算其秸稈的價(jià)值,糧食產(chǎn)量那部分價(jià)值作為食物生產(chǎn)價(jià)值已計(jì)算。降水量、蒸散量和地表徑流量不考慮其年際差異,降水量按多年平均降水量520 mm計(jì)算[16]。水的價(jià)值用影子價(jià)格替代法,按照0.67元/m3的水庫(kù)庫(kù)容建設(shè)成本計(jì)算[14]。

研究表明:流域綜合治理前土壤侵蝕模數(shù)高達(dá)140 t/(hm2?a)[17],故將其作為本文研究的無(wú)植被土壤侵蝕模數(shù);流域內(nèi)土壤平均容重為1.23 t/m3;根據(jù)國(guó)家林業(yè)局2008年發(fā)布的《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估規(guī)范》,磷酸二銨化肥含氮量為14.0%,磷酸二銨化肥含磷量為15.01%,氯化鉀化肥含鉀量為50.0%,磷酸二銨化肥價(jià)格為2 400元/t,氯化鉀化肥價(jià)格為2 200元/t,有機(jī)質(zhì)價(jià)格為320元/t,挖取和運(yùn)輸單位體積土方所需費(fèi)用為12.6元/m3。

1.5 敏感性分析方法

為了確定生態(tài)服務(wù)價(jià)值隨時(shí)間的變化對(duì)于生態(tài)服務(wù)價(jià)值指數(shù)的依賴(lài)程度,本文參照相關(guān)研究成果,選取經(jīng)濟(jì)學(xué)中常用的彈性系數(shù)概念來(lái)計(jì)算生態(tài)服務(wù)價(jià)值指數(shù)的敏感性指數(shù)(CS)。文中將各類(lèi)土地利用類(lèi)型的生態(tài)服務(wù)價(jià)值指數(shù)分別調(diào)整50%,來(lái)衡量生態(tài)服務(wù)價(jià)值總量的變化。如果CS＞1,表明ESV相對(duì)于Ak是富有彈性的;如果CS＜1,ESV則被認(rèn)為是缺乏彈性的;比值越大,表明生態(tài)服務(wù)價(jià)值指數(shù)的準(zhǔn)確性對(duì)生態(tài)服務(wù)價(jià)值評(píng)估越重要[18]。敏感性指數(shù)的計(jì)算公式如下:

式中:ESV,A,k的含義同前;i,j——表示初始生態(tài)服務(wù)價(jià)值指數(shù)和調(diào)整后生態(tài)服務(wù)價(jià)值指數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 延河流域土地利用變化

通過(guò)對(duì)比1990年、2000年、2006年三期的LandsatTM圖像解譯的數(shù)據(jù)結(jié)果(表2)可以看出:1990-2006年間延河流域土地利用變化的總體趨勢(shì)是:農(nóng)田、水體和建設(shè)用地減少,其中減少幅度最大的是農(nóng)田;草地、林地增加幅度大,其變化率分別為24.30%,40.12%。1990-2006年間農(nóng)田經(jīng)歷了一個(gè)前期緩慢增加后期快速減少的過(guò)程,1990-2000年間增加了12 924.99 hm2,2000-2006年間減少了137 252.24 hm2;草地處于前期緩慢減少后期快速增長(zhǎng)狀態(tài),1990-2000年間減少了6 193.26 hm2,2000-2006年間增加了89 632.83 hm2;林地經(jīng)歷了一個(gè)先減少后增加的過(guò)程,1990-2000年間減少了5 446.20 hm2,2000-2006年間增加了49 111.35 hm2;水體1990-2006年間則是一直處于減少狀態(tài),1990-2006年間減少了2 623.40 hm2;建設(shè)用地1990-2000年間增加了929.14 hm2,2000-2006年間減少了1 083.21 hm2。延河流域1990-2006年間土地利用變化集中體現(xiàn)在農(nóng)田向林地和草地的轉(zhuǎn)化,則明顯體現(xiàn)了退耕還林還草等措施的效果。

表2 延河流域各土地利用類(lèi)型面積及其變化

從土地利用類(lèi)型動(dòng)態(tài)度看,1990-2006年間延河流域的總體情況是林地的增加速度最快,其次是草地,農(nóng)田、水體的減少速度最快,其次是建設(shè)用地;1990-2000年,建設(shè)用地增加速度最快,其次是農(nóng)田,水體減少速度最快,其次是林地、草地。2000-2006年,林地增加速度最快,其次是草地,農(nóng)田減少速度最快,其次是建設(shè)用地、水體。

2.2 延河流域生態(tài)服務(wù)價(jià)值變化

本文以謝高地等人確定的中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量表[5]為基礎(chǔ),并根據(jù)延河流域的具體情況進(jìn)行修正,計(jì)算出延河流域各種土地利用類(lèi)型生態(tài)服務(wù)價(jià)值指數(shù),據(jù)此可測(cè)算出延河流域1990年、2000年、2006年的生態(tài)服務(wù)價(jià)值及其變化情況(表3)。

表3 1990-2006年延河流域生態(tài)服務(wù)價(jià)值變化

由表3可以看出,1990年延河流域生態(tài)服務(wù)價(jià)值總量為159.41億元,2000年為 158.59億元,2006年為164.69億元,1990-2006年間流域的生態(tài)服務(wù)價(jià)值總量隨著土地利用結(jié)構(gòu)的變化而呈現(xiàn)前期緩慢下降后期快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。1990-2000年間流域的生態(tài)服務(wù)價(jià)值總量呈緩慢減少趨勢(shì),2000年比1990年減少了0.83億元,此期間土地利用變化態(tài)勢(shì)是草地、林地穩(wěn)中有降,農(nóng)田穩(wěn)中有升,水體面積減少,建設(shè)用地面積增加,由此可見(jiàn)這期間主要是生態(tài)服務(wù)價(jià)值指數(shù)較高的生態(tài)系統(tǒng)向生態(tài)服務(wù)價(jià)值指數(shù)較低的生態(tài)系統(tǒng)變化,從而形成了整個(gè)流域生態(tài)服務(wù)價(jià)值總量減少;2000-2006年間流域的生態(tài)服務(wù)價(jià)值總量呈快速增加趨勢(shì),2006年比2000年增加了6.1億元,增量主要來(lái)源于林地和草地,這是實(shí)施退耕還林還草等措施的效果。總體上看,在1990-2006年期間延河流域的土地利用變化,提高了其生態(tài)服務(wù)價(jià)值,2006年比1990年生態(tài)服務(wù)價(jià)值增加了5.72億元。

2.3 敏感性分析

根據(jù)敏感性指數(shù)的計(jì)算公式,本文把各種土地利用類(lèi)型的生態(tài)服務(wù)價(jià)值指數(shù)分別調(diào)整50%,計(jì)算出流域1990年、2000年和2006年的敏感性指數(shù)。從表4來(lái)看,同一年份各土地利用類(lèi)型生態(tài)服務(wù)價(jià)值指數(shù)的敏感性指數(shù)變動(dòng)較大,但是不同年份之間差別較小,而且均小于1;農(nóng)田、林地、草地及水體的敏感性指數(shù)介于0.005～0.511,這表明流域內(nèi)生態(tài)服務(wù)價(jià)值對(duì)生態(tài)服務(wù)價(jià)值指數(shù)是缺乏彈性的,研究結(jié)果是可信的。林地、草地的敏感性指數(shù)增大,農(nóng)田、水體的敏感性指數(shù)均減小,表明林地、草地的生態(tài)服務(wù)價(jià)值指數(shù)變化會(huì)對(duì)生態(tài)服務(wù)價(jià)值總量產(chǎn)生放大作用。由表4還可知,水體的敏感性指數(shù)很小,為0.005～0.008,表明水體的生態(tài)服務(wù)價(jià)值指數(shù)變化對(duì)延河流域生態(tài)服務(wù)價(jià)值總量的變化影響不大,也表明延河流域干旱缺水的現(xiàn)實(shí)。

表4 1990-2006年延河流域生態(tài)服務(wù)價(jià)值指數(shù)的敏感性指數(shù)

3 結(jié)論

1990-2006年的16 a間,延河流域土地利用發(fā)生了巨大的變化。林地增加最為顯著,增加幅度達(dá)到40.12%,其次是草地增加了24.30%,農(nóng)田、水體減少最快,減少幅度分別為39.95%,39.55%,其次是建設(shè)用地減少了7.19%。反映了草地、林地增加,農(nóng)田、建設(shè)用地、水體減少的總體趨勢(shì),表現(xiàn)出近年延河流域水土流失綜合治理的顯著效果[19-20]。

在16 a間,延河流域生態(tài)服務(wù)價(jià)值前期緩慢下降后期快速增長(zhǎng)的趨勢(shì),是實(shí)施退耕還林還草工程的具體體現(xiàn)之一,研究表明,隨著各項(xiàng)措施的實(shí)施,生態(tài)服務(wù)功能將進(jìn)一步增強(qiáng),但由于建設(shè)用地也有一定的生態(tài)服務(wù)價(jià)值,因此對(duì)延河流域生態(tài)服務(wù)價(jià)值的計(jì)算是保守的。敏感性分析表明流域內(nèi)生態(tài)服務(wù)價(jià)值對(duì)生態(tài)服務(wù)價(jià)值指數(shù)是缺乏彈性的,研究結(jié)果是可信的。

[1] 孫剛,盛連喜,周道瑋.生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其保護(hù)策略[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),1999,10(3):365-368.

[2] 歐陽(yáng)志云,王如松,趙景柱.生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及其生態(tài)經(jīng)濟(jì)價(jià)值評(píng)價(jià)[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),1999,10(5):635-640.

[3] 梁欣,臧淑英,張思沖.基于土地利用變化的生態(tài)服務(wù)價(jià)值損益估算:以大慶市為例[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào),2006,15(2):68-72.

[4] 劉建飛,楊勤科,梁偉,等.近 30年來(lái)陜北黃土高原土地利用動(dòng)態(tài)變化分析[J].水土保持研究,2009,16(2):112-116.

[5] 謝高地,魯春霞,冷允法,等.青藏高原生態(tài)資產(chǎn)的價(jià)值評(píng)估[J].自然資源學(xué)報(bào),2003,18(2):189-196.

[6] 莫宏偉,任志遠(yuǎn),謝紅霞.延安市城郊區(qū)土地利用動(dòng)態(tài)與生態(tài)效應(yīng)變化[J].水土保持學(xué)報(bào),2004,18(4):130-133.

[7] 鄭劍英,吳瑞俊,翟連寧.黃土丘陵溝壑區(qū)小流域土壤養(yǎng)分的分布特征[J].水土保持通報(bào),1996,16(4):26-30.

[8] 陳云明,侯喜祿,劉文兆.黃土丘陵半干旱區(qū)不同類(lèi)型植被水保生態(tài)效益研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2000,14(3):57-61.

[9] 李代瓊,姜峻,梁一民,等.安塞黃土丘陵區(qū)人工草地水分有效利用研究[J].水土保持研究,1996,3(2):66-74.

[10] 董孝斌,高旺盛.黃土高原丘陵溝壑區(qū)典型流域農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力研究:以紙坊溝為例[J].草業(yè)學(xué)報(bào),2003,12(4):14-19.

[11] 楊文治.黃土高原土壤水資源與植物造林[J].自然資源學(xué)報(bào),2001,16(5):433-438.

[12] 趙護(hù)兵,劉國(guó)彬,曹清玉,等.黃土丘陵區(qū)不同土地利用方式水土流失及養(yǎng)分保蓄效應(yīng)研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2006,20(1):20-24.

[13] 方精云,郭兆迪,樸世龍,等.1981-2000年中國(guó)陸地植被碳匯的估算[J].中國(guó)科學(xué)(D輯),2007,37(6):804-812.

[14] 張彩霞,謝高地,楊勤科,等.人類(lèi)活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響:以紙坊溝流域?yàn)槔齕J].資源科學(xué),2008,30(12):1910-1915.

[15] 溫仲明,焦峰,赫曉慧,等.紙坊溝流域黃土丘陵區(qū)土地生產(chǎn)力變化與生態(tài)環(huán)境改善[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2006,22(8):91-95.

[16] 汪邦穩(wěn),楊勤科,劉志紅,等.延河流域退耕前后土壤侵蝕強(qiáng)度的變化[J].中國(guó)水土保持科學(xué),2007,5(4):27-33.

[17] 黃良,李靖.水土保持型生態(tài)農(nóng)業(yè)可持續(xù)性評(píng)價(jià):以陜西省安塞縣紙坊溝為例[J].中國(guó)水土保持科學(xué),2007,5(3):94-99.

[18] 岳書(shū)平,張樹(shù)文,閆業(yè)超.東北樣帶土地利用變化對(duì)生態(tài)服務(wù)價(jià)值的影響[J].地理學(xué)報(bào),2007,62(8):879-886.

[19] 王飛,李銳,溫仲明.退耕工程生態(tài)環(huán)境效益發(fā)揮的影響因素調(diào)查研究:以安塞縣退耕還林(草)試點(diǎn)為例[J].水土保持通報(bào),2002,22(3):1-4.

[20] 溫仲明,楊勤科.基于農(nóng)戶參與的退耕還林(草)動(dòng)態(tài)研究:以安塞縣大南溝流域?yàn)槔齕J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2002,20(2):90-94.