楊家芳，蘭良鴻，周文龍

(1.貴州省山地資源研究所，貴州 貴陽 550001；2.貴州省山地資源研究所有限公司，貴州 貴陽 550001)

花溪區(qū)土地利用/覆被變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響分析

楊家芳1，蘭良鴻2，周文龍1

(1.貴州省山地資源研究所，貴州 貴陽 550001；2.貴州省山地資源研究所有限公司，貴州 貴陽 550001)

摘要：以花溪區(qū)遙感影像為數(shù)據(jù)源，通過影像解譯獲得了不同年份花溪區(qū)土地利用類型面積，對(duì)花溪區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行了估算。通過土地系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)二者的耦合變化關(guān)系，探討了LUCC對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響過程。研究結(jié)果表明：①花溪區(qū)14年間林地、建設(shè)用地、其他用地均增加，耕地、草地、水域均減少；②生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值(ESV)增長了9 253.95萬元，主要原因是生態(tài)服務(wù)價(jià)值較高的林地面積的增加；③土地利用/覆蓋變化(LUCC)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)影響具有差異性；④花溪區(qū)生態(tài)服務(wù)廢物處理項(xiàng)目和食物生產(chǎn)項(xiàng)目的ESV總體減少，主要原因是水域及耕地面積的減少，其中水域是具有廢物處理生態(tài)服務(wù)價(jià)值最高的土地類型，耕地是具有食物生產(chǎn)生態(tài)服務(wù)價(jià)值最高的土地類型；⑤敏感性分析表明花溪區(qū)內(nèi)的ESV對(duì)VC是缺乏彈性的，林地敏感性系數(shù)最大。

關(guān)鍵詞：土地利用/覆被變化；生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值；花溪區(qū)

收稿日期：2015-08-17

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(編號(hào)：41261038)資助

作者簡介：楊家芳(1987—)，女，貴州惠水人，布依族，研究實(shí)習(xí)員，主要從事土地利用數(shù)據(jù)分析與土地利用信息系統(tǒng)研究。

通訊作者：周文龍(1984—)，男，湖北鄂州人，助理研究員，主要從事遙感與生態(tài)治理等方面的研究。

中圖分類號(hào)：X171

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：：1674-9944(2015)10-0008-05

1引言

土地利用/覆蓋變化(Land use and land cover change，簡稱LUCC)是全球環(huán)境研究的熱點(diǎn)和前沿問題，是人與自然交叉最為密切的環(huán)節(jié)。LUCC對(duì)大氣化學(xué)性質(zhì)及過程、土壤、生態(tài)多樣性、人口承載力等產(chǎn)生重要的影響，能夠引起許多生態(tài)過程和自然現(xiàn)象的變化，對(duì)維持生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能起著決定性的作用[1]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能又稱生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(Ecosystem Services)，包括自然生態(tài)系統(tǒng)，也包括人類改造的生態(tài)系統(tǒng)[2]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能是指生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過程所形成及所維持的人類賴以生存的自然環(huán)境的條件與效用[3]。對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，國內(nèi)外有許多不同的分類體系。Costanza等將全球生物圈分為16大類，26小類，將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能劃分為17種功能，并以此對(duì)全球生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價(jià)值進(jìn)行估算[2，3]。在Costanza的研究中存在對(duì)耕地的估算過高，濕地的估算過低等情況，基于上述原因，謝高地等學(xué)者結(jié)合我國土壤類型、地形特點(diǎn)，對(duì)Constanza的生態(tài)系統(tǒng)單價(jià)進(jìn)行了修正得出的《我國不同生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值表》(表1)[4，5]。

我國是世界上脆弱生態(tài)類型最多、生態(tài)脆弱區(qū)分布面積最大、生態(tài)脆弱性表現(xiàn)最明顯的國家之一。我國生態(tài)脆弱區(qū)主要分布在西南山區(qū)、青藏高原等地區(qū)[7，8]。本文研究區(qū)域花溪區(qū)位于我國西南山區(qū)，是喀斯特石灰?guī)r巖溶山地區(qū)域，該區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱性表現(xiàn)為全年降水量大，融水侵蝕嚴(yán)重，而且?guī)r溶山地土層薄，成土過程緩慢，所以該區(qū)域生態(tài)環(huán)境一旦遭到破壞而形成大面積的巖石裸地，將很難再進(jìn)行恢復(fù)。綜上可見，對(duì)花溪區(qū)LUCC動(dòng)態(tài)度和生態(tài)價(jià)值評(píng)估意義重大。本文采用土地利用動(dòng)態(tài)度分析花溪區(qū)的LUCC，通過土地系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)二者的耦合變化關(guān)系探討LUCC對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響過程。根據(jù)《我國不同生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值表》[4]，對(duì)花溪區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行估算。本研究可以為花溪區(qū)相關(guān)部門開展生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作提供決策支持，對(duì)確?；ㄏ獏^(qū)持續(xù)為貴陽市提供安全水源供應(yīng)及喀斯特地貌的土地源可持續(xù)利用發(fā)展具有一定的意義。

2基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源與研究方法簡介

2.1　研究區(qū)概況

花溪區(qū)位于黔中腹地，距貴陽市市中心17 km。全區(qū)地貌以山地和丘陵為主，地處東經(jīng)106°27′～106°52′，北緯26°11′～26°34′。區(qū)域土地總面積976.84 km2。森林覆蓋率達(dá)到41.53%。花溪區(qū)年均氣溫14.9℃。平均年降雨量1 100～1 200 mm?；ㄏ獏^(qū)處于長江、珠江分水嶺和南明河上游，有大小河流55條、總長390 km。擁有松柏山水庫、花溪水庫兩座中型水庫，總庫容達(dá)7 140萬m3。

2.2　基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源

本文以遙感數(shù)據(jù)為主要來源，遙感數(shù)據(jù)包括1993年11月的TM影像(分別率30 m)，2001年4月(分辨率30 m)、2007年6月的是中巴資源衛(wèi)星影像(分辨率19.5 m)。在進(jìn)行幾何糾正，大氣校正，配準(zhǔn)和圖像增強(qiáng)，研究區(qū)域剪切等處理后，采用機(jī)助目視判讀的方法，提取出土地利用/覆被信息。以《貴陽市花溪區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒》為參考，校對(duì)提取出的土地利用數(shù)據(jù)。根據(jù)花溪區(qū)影像解譯情況，參照國家土地利用分類系統(tǒng)，將花溪區(qū)的土地利用類型劃分為耕地、草地、林地、建設(shè)用地、水域、其他用地六種類型[9]。

2.3　土地利用/覆被變化動(dòng)態(tài)表達(dá)

土地利用動(dòng)態(tài)變化包括土地利用類型的數(shù)量、質(zhì)量、組合方式隨時(shí)間的變化等[10]。土地利用動(dòng)態(tài)度定量地描述了土地利用的變化速度，即研究區(qū)一定時(shí)間范圍內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量的變化情況。計(jì)算公式[10]為：

(1)

式(1)中：K為某土地利用類型的年變化率；T為研究時(shí)段，單位為年；Ua、Ub分別為研究初期、末期某一種土地利用類型的面積。

為了反映各類土地變化對(duì)區(qū)域土地利用變化影響的大小，采用研究區(qū)各類土地變化值占所有土地利用類型變化總絕對(duì)值的比例進(jìn)行分析, 計(jì)算公式[10]為:

(2)

式(2)中：KiT為研究區(qū)在T時(shí)段內(nèi)，第i類土地類型的面積變化值占所有土地利用類型面積變化絕對(duì)值之和的比例；n為土地利用類型數(shù)量；i為某土地利用類型(i=1,2,…,n)；△UiT為某類土地在T時(shí)段內(nèi)的面化量。

2.4　生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值評(píng)估方法

根據(jù)花溪區(qū)的實(shí)際情況，將花溪區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能分為氣候調(diào)節(jié)、氣體調(diào)節(jié)、土壤形成與保護(hù)、水源涵養(yǎng)、廢物處理、食物生產(chǎn)、生物多樣性保護(hù)、原材料、娛樂休閑9項(xiàng)[4]。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的計(jì)算公式[7，8]為:

ESV=∑VCk×Ak

(3)

ESVf=∑VCfk×Ak

(4)

式(3)、(4)中：ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值(元)，ESVf為生態(tài)系統(tǒng)單項(xiàng)服務(wù)總價(jià)值(元)，VCk為生態(tài)價(jià)值系數(shù)(元/hm2·a)，VCfk為單項(xiàng)服務(wù)功能價(jià)值系數(shù)(元/hm2·a)；Ak則為研究區(qū)域內(nèi)K種土地利用類型的分布面積(hm2)。

2.5　敏感性分析方法

敏感性指數(shù)(coefficient of sensitivity，簡稱CS)是指生態(tài)價(jià)值系數(shù)(VC)變動(dòng)1%引起ESV的變化情況[10，11]。如果CS<1，說明ESV對(duì)VC缺乏彈性，反之CS>1，則說明ESV對(duì)VC是富有彈性的。計(jì)算公式[5]如下：

(5)

式(5)中：i表示調(diào)整前生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)，j表示調(diào)整后生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)。

3結(jié)果分析

3.1　土地利用/覆蓋變化

本文以2001年為界，將研究區(qū)分為兩個(gè)時(shí)期，即前一時(shí)期(1993～2001年)和后一時(shí)期(2001～2007年)。由表2及表3可以看出：在研究區(qū)間內(nèi)花溪區(qū)各類土地利用面積隨時(shí)間推移呈不同程度的增減變化，耕地、草地、水域總體上有所減少，林地、建設(shè)用地、未利用地總體上有所增加。14年間各類土地利用類型變化情況具體如下：耕地持續(xù)減少了9.978×103hm2，后一時(shí)期的土地利用減少速率較前一時(shí)期土地利用的減少速度緩慢，K為-1.43%，KiT為-43.11%。林地呈持續(xù)增長了8.944×103hm2，K為1.74%，KiT為38.64%，三個(gè)研究時(shí)間點(diǎn)中林地面積占土地總面積比例均居35%以上。據(jù)國內(nèi)外有關(guān)資料[11，12]，要使巖溶山區(qū)的生態(tài)環(huán)境處于良好循環(huán)，森林覆蓋率至少要達(dá)30%。由此可見，三個(gè)研究時(shí)間點(diǎn)中，花溪區(qū)生態(tài)系統(tǒng)處于良好循環(huán)狀態(tài)。草地則呈先增加后減少趨勢，減少了1.327×103hm2，前一時(shí)期草地土地利用的增加速度為2.33%，后一時(shí)期減少速率為3.65%，K為-1.14%，KiT為-5.73%。水域續(xù)減少了2.66×102hm2，后一時(shí)期土地利用減少速率較前一時(shí)期緩慢，K為-1.67%，KiT為-1.15%。建設(shè)用地持續(xù)增加了2.518×103hm2，動(dòng)態(tài)度最大，為10.99 %，KiT為10.88%。

除此之外，花溪區(qū)在前一時(shí)期中耕地面積的減少，林地、草地面積的增加，與國家1998年頒布的實(shí)施“天然林保護(hù)工程”和“退耕還林還草”政策實(shí)施有關(guān)。

表2　花溪區(qū)各土地利用類型面積及結(jié)構(gòu)變化

3.2　花溪區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

本文利用ArcGIS軟件中的空間疊加分析(Spacial Overlap Analysis)功能，對(duì)土地利用類型結(jié)構(gòu)和演化規(guī)律做進(jìn)一步分析，得出1993～2007年間花溪區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣(表4)。

表3　花溪區(qū)各土地利用類型動(dòng)態(tài)度　%

表4　1993～2007年間花溪區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣　km2

表4可以得出：從1993～2007年，花溪區(qū)土地利用類型之間的相互轉(zhuǎn)化主要是：耕地、林地、草地和建設(shè)用地。耕地主要轉(zhuǎn)換為林地、草地和建設(shè)用地，其中耕地38.56%轉(zhuǎn)換為了林地，4.83%轉(zhuǎn)換成了草地，4.57%轉(zhuǎn)換成了建設(shè)用地；林地主要轉(zhuǎn)換為耕地、草地和建設(shè)用地，其中林地26.11%轉(zhuǎn)換成了耕地，9.79%轉(zhuǎn)換成了草地，1.77%轉(zhuǎn)換成了建設(shè)用地；上述分析得出：建設(shè)用地主要來源于耕地。

3.3　土地利用/覆被變化的空間體現(xiàn)

從圖1：1993年花溪區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖、圖2：2001年花溪區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖、圖3：2007年花溪區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖中分別可以直觀地看出各土地利用類型的空間分布狀態(tài)。與此同時(shí)，對(duì)圖1、圖2、圖3各地類土地利用/覆蓋狀況作對(duì)比分析，大體上可以直觀看出：花溪區(qū)西北、西南面林地有所增加，中部花溪鄉(xiāng)建設(shè)用地有所增加等。

表5　花溪區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值及其價(jià)值構(gòu)成變化

3.4　生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值變化

根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的計(jì)算公式(3)和表2研究區(qū)三個(gè)階段各土地利用類型的面積，計(jì)算土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值(表4)。從價(jià)值構(gòu)成來看，林地的生態(tài)價(jià)值最高，呈持續(xù)增長的狀態(tài)，比重一直處于60%以上。其次是耕地的生態(tài)價(jià)值，呈持續(xù)減少狀態(tài)，比重一直處于20%以上。三個(gè)階段中，林地和耕地的生態(tài)價(jià)值之和均占總價(jià)值比例的90%以上。綜上得出：林地和耕地是該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的主體。此外，從表4可以看出：1993年ESV為111 320.44萬元，2001年ESV為113 615.80萬元，2007年為120 574.39萬元，14年間ESV增長了9 253.95萬元，主要是因?yàn)樯鷳B(tài)服務(wù)價(jià)值較高的林地面積的增加所致。

3.5　區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)單項(xiàng)服務(wù)功能價(jià)值變化

從表6可知，生態(tài)服務(wù)項(xiàng)目中除了廢物處理和食物生產(chǎn)ESV總體上有所減少外，其他的ESV都有所增加。廢物處理ESV總體上有所減少的原因是具有廢物處理生態(tài)服務(wù)價(jià)值最高的水域面積總體上有所減少。食物生產(chǎn)ESV的減少主要原因是具有食物生產(chǎn)生態(tài)服務(wù)價(jià)值最高的耕地面積的減少。從生態(tài)服務(wù)項(xiàng)目所占生態(tài)服務(wù)價(jià)值比重看出：土壤形成與保護(hù)所占比重居首位占18%以上，其次是水源涵養(yǎng)占14%以上。

表6　花溪區(qū)單項(xiàng)服務(wù)功能生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化

3.6　敏感性分析

本文借用敏感性指數(shù)是為了驗(yàn)證生態(tài)價(jià)值系數(shù)的準(zhǔn)確性及花溪區(qū)ESV隨時(shí)間變化對(duì)VC變化的依賴程度。為了計(jì)算方便，本文將土地利用類型的生態(tài)價(jià)值系數(shù)VC分別上下調(diào)整50%，并結(jié)合公式(5)分析某類土地利用類型生態(tài)價(jià)值系數(shù)VC的變化對(duì)整體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化的重要程度，從而來分析ESV對(duì)VC的敏感程度。計(jì)算出各類土地的生態(tài)價(jià)值敏感指數(shù)見表7。計(jì)算結(jié)果表明：研究區(qū)內(nèi)的ESV對(duì)VC的敏感性系數(shù)小于1，說明ESV對(duì)VC是缺乏彈性的，研究結(jié)果可信。敏感性系數(shù)從大到小依次為林地、耕地、草地、水域，最大值為 0.64～0.73。

表7　各土地類型的生態(tài)價(jià)值敏感指數(shù)

4結(jié)論

(1)花溪區(qū)14年間林地、建設(shè)用地、其他用地均增加，耕地、草地、水域均減少，LUCC的變化引起生態(tài)服務(wù)總價(jià)值(ESV)增長了9253.95萬元，主要是因?yàn)樯鷳B(tài)服務(wù)價(jià)值較低的土地利用類型轉(zhuǎn)向了生態(tài)服務(wù)價(jià)值較高的林地。

(2)花溪區(qū)生態(tài)服務(wù)廢物處理項(xiàng)目和食物生產(chǎn)項(xiàng)目的ESV總體減少，主要原因是水域及耕地面積的減少，其中水域是具有廢物處理生態(tài)服務(wù)價(jià)值最高的土地類型，耕地是具有食物生產(chǎn)生態(tài)服務(wù)價(jià)值最高的土地類型。

(3)敏感性分析說明研究區(qū)內(nèi)的ESV對(duì)VC缺乏彈性。

綜上研究結(jié)果得出，花溪區(qū)LUCC的變化雖然引起總生態(tài)價(jià)值(ESV)增長，與此同時(shí)也導(dǎo)致耕地、草地及水域面積的減少。花溪區(qū)是國家級(jí)生態(tài)示范區(qū), 也是貴陽市重要的水源保護(hù)區(qū)。針對(duì)水域面積減少的情況，花溪區(qū)相關(guān)部門應(yīng)實(shí)施相應(yīng)措施加強(qiáng)水域的保護(hù)，以確保花溪區(qū)持續(xù)為貴陽市提供安全水源供應(yīng)及喀斯特地貌的土地資源可持續(xù)利用發(fā)展。

本研究也存在以下兩點(diǎn)不足，需要進(jìn)一步完善：

(1)本文未對(duì)建設(shè)用地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值作估算，原因是目前還沒有更科學(xué)更準(zhǔn)確的方法來評(píng)價(jià)建設(shè)用地生態(tài)服務(wù)價(jià)值，故本文花溪區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的存在一定的誤差。

(2)本文根據(jù)《我國不同生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值表》[4]對(duì)花溪區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行評(píng)估，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)空間差異性等因素考慮不夠，不能完全客觀地反映特定區(qū)域的生態(tài)服務(wù)價(jià)值，有待開展進(jìn)一步深入的研究。

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