熊侶英, 師學(xué)義

(中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院, 北京 100083)

土地是人類生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是陸地生態(tài)系統(tǒng)的必不可少的組成部分[1]，而土地利用是人類最基本的經(jīng)濟(jì)活動，在各種驅(qū)動因素的影響下土地利用類型不斷發(fā)生變化，隨著城市化進(jìn)程的加快，人們對有限土地資源的利用和開發(fā)越來越不合理，導(dǎo)致土地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生變化，進(jìn)而改變生態(tài)系統(tǒng)原有的生態(tài)服務(wù)價值[2]。深入研究土地利用類型變化及其對生態(tài)服務(wù)價值的影響可揭示人類活動對生態(tài)系統(tǒng)的影響，對協(xié)調(diào)人與自然之間的關(guān)系具有重要意義。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指通過生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過程和功能直接或間接得到的生命支持產(chǎn)品和服務(wù)，主要包括兩個方面：即提供人類生存的必需產(chǎn)品和保證生活質(zhì)量的生態(tài)功能[3-4]。自從1997年Costanza等[3]提出了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值估算的原理和方法，通過對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的估算來探索其生態(tài)效應(yīng)，揭示人類活動影響的生態(tài)環(huán)境變化，合理規(guī)劃生態(tài)發(fā)展方向等研究逐漸成為生態(tài)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)及環(huán)境科學(xué)的研究熱點(diǎn)和前沿領(lǐng)域[5]。因此，近年來，國內(nèi)許多學(xué)者對洋河流域[2]、江蘇省沿海地區(qū)[6]、黃土高塬溝壑區(qū)小流域[7]等進(jìn)行了土地利用變化的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化研究。

長河流域西部分布著大量的煤炭資源，近年來由于煤炭資源的開采，土地不合理開發(fā)等活動引發(fā)了長河流域土地塌陷、植被退化等一系列問題，不利于生態(tài)環(huán)境建設(shè)，使得長河流域生態(tài)環(huán)境更加脆弱。因此，探討長河流域土地利用變化及其對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值影響十分重要，以期為長河流域土地的合理利用，生態(tài)可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1　研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1　研究區(qū)概況

長河流域位于山西省晉城市西北部，其地理位置為北緯35°30′10″—35°38′06″,東經(jīng)112°37′40″—112°46′04″，該區(qū)東臨晉城市城區(qū)，西與沁水縣毗鄰，南與澤州縣周村鎮(zhèn)為界，北與澤州縣下村鎮(zhèn)接壤。長河兩側(cè)地勢高中間低，其地貌類型單元為山地和丘陵；地處溫帶大陸性季風(fēng)氣候類型，四季分明，氣候溫和，雨熱同季，年均降雨量628.3 mm，年平均氣溫10.9℃，多年平均日照時數(shù)為2 392.8 h，屬于北方長日照地區(qū)；全區(qū)總面積113.224 km2，包含下村鎮(zhèn)、大東溝鎮(zhèn)和川底鄉(xiāng)(鎮(zhèn))，共47個行政村。

1.2　數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)來源于2005年、2010年、2015年3期TM影像，通過對遙感影像的預(yù)處理及解譯得到長河流域2005年、2010年、2015年的土地利用類型分布圖(附圖9)，遙感解譯數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云，其解譯精度為0.78～0.80。本文根據(jù)研究區(qū)的實際情況并在保證遙感解譯數(shù)據(jù)的精度可以進(jìn)行土地利用變化的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值分析的基礎(chǔ)上，將土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地5大地類。

2　研究方法

2.1　土地利用類型變化特征

本研究采用土地利用變化幅度(ΔU)、單一土地利用動態(tài)度(K)兩個指標(biāo)，定量評估土地利用類型變化特征，揭示土地利用變化數(shù)量和速率。計算公式[8]如下：

ΔU=Ub-Ua

(1)

K=[(Ub-Ua)/Ua×T]×100%

(2)

式中：Ua，Ub為研究期初和期末某一土地利用類型的面積；T為研究時長。

2.2　生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的估算

以長河流域2005年、2010年、2015年遙感解譯數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計算不同時期各土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值。本文根據(jù)長河流域的實際情況并結(jié)合謝高地等[9]制定的中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值及以往學(xué)者對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的研究對其生態(tài)服務(wù)價值系數(shù)進(jìn)行修訂，全國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生物量因子為1.00，本研究取山西省的均值0.46作為農(nóng)田生物量因子。草地則根據(jù)謝高地等對華北暖溫帶半濕潤半干旱區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值的估算得出[10]。建設(shè)用地參考Costanza等專家的思路，其生態(tài)服務(wù)功能價值不參與計算[11]。從而建立了長河流域土地利用類型生態(tài)服務(wù)價值系數(shù)表[12-13](表1)。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值估算公式：

(3)

(4)

(5)

式中：Vj為長河流域第j類土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能總價值；Vi為長河流域生態(tài)系統(tǒng)中第i種生態(tài)服務(wù)功能的價值；V為長河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能總價值；Aj為第j類土地利用類型的面積；pij為校正后的單位面積的第j類生態(tài)系統(tǒng)第i種生態(tài)服務(wù)功能的價值系數(shù)。

2.3　敏感性指數(shù)

本文引入敏感性指數(shù)(CS)的目的是驗證土地利用類型生態(tài)服務(wù)價值系數(shù)的準(zhǔn)確性及確定隨著時間的推移生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值對生態(tài)服務(wù)價值系數(shù)的依賴程度[14-15]。敏感性指數(shù)是指價值系數(shù)變動1%將引起生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值變動1%，如果CS>1,說明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值對生態(tài)價值系數(shù)富有彈性，引用價值系數(shù)不準(zhǔn)確，結(jié)果不可信；如果CS<1，說明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值對生態(tài)價值系數(shù)缺乏彈性，價值系數(shù)引入合適，結(jié)果可信。敏感性指數(shù)的計算公式：

(6)

式中：ESVj，ESVi為調(diào)整后和初始的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值；VCj，VCi為調(diào)整后和初始的生態(tài)服務(wù)價值系數(shù)；k為某種土地利用類型。

表1　長河流域各土地利用類型生態(tài)服務(wù)價值系數(shù)　元/(hm2·a)

2.4　生態(tài)服務(wù)價值流向分析

本文利用各土地利用類型轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)來計算不同地類之間相互轉(zhuǎn)化所引起的生態(tài)服務(wù)價值的損益，分析人類活動對生態(tài)服務(wù)價值的影響[16]。生態(tài)服務(wù)價值損益計算公式為：

PLij=(VCj-VCi)Aij

(7)

式中：PLij為第i類土地利用類型轉(zhuǎn)化為第j類土地利用類型后的生態(tài)服務(wù)價值損益；VCi，VCj分別為第i類土地利用類型和第j類土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)；Aij為第i類土地利用類型轉(zhuǎn)化為第j類土地利用類型的面積．

3　結(jié)果與分析

3.1　土地利用類型變化特征分析

3.1.1土地利用類型數(shù)量變化從表2可以看出，耕地是長河流域最主要的土地利用類型，占全區(qū)總面積的57%以上。2005—2015年長河流域土地利用類型發(fā)生了不同程度的變化，主要表現(xiàn)在耕地減少，建設(shè)用地、草地、林地、水域增加。其中，耕地由2005年的6 863.99 hm2減少到2015年的6 464.85 hm2，減少了5.81%，年均減少0.58%；林地由2005年的893.25 hm2增加到2010年934.75 hm2，增加了4.65%，年均增加0.93%，2010—2015年林地基本不變，10 a期間年均增加了0.45%；草地由2005年的2 133.7 hm2增加到2010年的2 250.8 hm2，增加了5.49%，年均增加了1.1%，2010—2015年草地減少了2.41%，年均減少0.48%，10 a期間草地年均增加了0.3%；建設(shè)用地由2005年的1 320.89 hm2增加到2015年的1 597.46 hm2，增加了20.94%，年均增加2.09%；水域面積先增后減，2005—2010年增加了17.64%，2010—2015年減少了0.17%，10 a期間年均增加了1.74%。

表2　2005-2015年長河流域不同土地利用類型面積變化

3.1.2土地利用類型動態(tài)轉(zhuǎn)化分析通過ArcGIS疊加得出2005—2010年、2010—2015年長河流域土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣表(表3—4)。首先從表3可以看出，2005—2010年，長河流域土地利用類型發(fā)生了不同程度的轉(zhuǎn)變，其中耕地主要轉(zhuǎn)向草地、建設(shè)用地、林地，轉(zhuǎn)化率分別為4.75%，3.17%，0.9%，耕地轉(zhuǎn)向草地主要是因為退耕還草的政策及采礦導(dǎo)致地面塌陷與損壞致使耕地質(zhì)量下降，滿足不了作物的種植要求，從而使得大量耕地撂荒，耕地轉(zhuǎn)向建設(shè)用地主要是因為城鎮(zhèn)擴(kuò)建及城鎮(zhèn)化快速發(fā)展使得加大了對煤炭資源的開采，從而使得建設(shè)用地占用耕地，耕地轉(zhuǎn)向林地主要原因是退耕還林的政策；林地、草地主要轉(zhuǎn)向耕地，轉(zhuǎn)化率分別為3.58%，7.52%，主要原因是農(nóng)業(yè)活動的需要及對耕地的補(bǔ)償；建設(shè)用地主要轉(zhuǎn)向耕地，轉(zhuǎn)化率為3.47%，而水域向其他地類轉(zhuǎn)移的很少，幾乎可以忽略不計。其次從表4可以看出，土地利用類型發(fā)生的轉(zhuǎn)移變化非常小，其中，耕地主要轉(zhuǎn)向建設(shè)用地，轉(zhuǎn)化率不到1%，說明耕地轉(zhuǎn)向建設(shè)用地有所控制，這是因為2010—2015年長河流域煤礦企業(yè)處于整合期；草地主要轉(zhuǎn)向耕地、建設(shè)用地，轉(zhuǎn)化率分別為1.96%，0.64%，其主要原因是建設(shè)用地對耕地的占用補(bǔ)償；其他地類之間的轉(zhuǎn)化非常小，可忽略不計，土地利用類型變化越來越趨于穩(wěn)定化。

表3　2005-2010年長河流域土地利用類型轉(zhuǎn)移矩

3.2　生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化分析

2005—2015年長河流域土地利用生態(tài)系統(tǒng)總服務(wù)價值分別為3.509×107，3.506×107，3.485×107元，呈現(xiàn)持續(xù)減少的趨勢，共減少了2.4×105元(表5)。除了耕地，長河流域其他幾類土地利用類型的生態(tài)服務(wù)價值增加。

從不同時期各土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化來看，2005—2010年耕地面積是減少最多，其生態(tài)服務(wù)價值損失了1.08×106元，林地、草地和水域面積都增加了,其生態(tài)服務(wù)價值分別增加了3.7×105，3.1×105，3.7×105元，此階段林地、草地、水域所增加的生態(tài)服務(wù)價值還不足以抵消耕地所減少的生態(tài)服務(wù)價值；2010—2015年各土地利用類型生態(tài)服務(wù)變化較小，其中草地生態(tài)服務(wù)價值減少最多，減少了1.4×105元。

表4　2005-2010年長河流域土地利用類型轉(zhuǎn)移矩

表5　2005-2015年長河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值及其變化

從各單項功能服務(wù)價值(表6)貢獻(xiàn)率高低排序來看，廢物處理>土壤形成與保護(hù)>生物多樣性保護(hù)>食物生產(chǎn)>水源涵養(yǎng)>氣候調(diào)節(jié)>氣體調(diào)節(jié)>原材料>水域，其中，廢物處理功能價值貢獻(xiàn)率最大，而原材料和娛樂文化的貢獻(xiàn)率最小，這說明長河流域生態(tài)系統(tǒng)的供給，文化功能價值遠(yuǎn)小于調(diào)節(jié)和支持功能價值。

從各項功能生態(tài)服務(wù)價值變化來看，2005—2015年，氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、土壤形成與保護(hù)、廢物處理、生物多樣性保護(hù)和食物生產(chǎn)功能價值呈減少趨勢，其中，土壤形成與保護(hù)和食物生產(chǎn)功能價值減少最多，分別減少了1.6×105，1.3×105元，這是因為采煤導(dǎo)致耕地質(zhì)量下降及面積持續(xù)減少從而影響土壤形成與保護(hù)和食物生產(chǎn)功能價值，其次是氣候調(diào)節(jié)與廢物處理，分別減少了8.0×104，5.0×104元；而水源涵養(yǎng)、娛樂文化、原材料單項功能價值有所增加，分別增加了1.3×105，6.0×104，3.0×104元。

表6　2005-2015年長河流域各項生態(tài)系統(tǒng)功能變化

3.3　生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值敏感性分析

本文將長河流域各土地利用類型的生態(tài)服務(wù)價值系數(shù)分別增加或減少50%[17]，根據(jù)敏感性指數(shù)變化(表7)可以看出，長河流域土地利用類型的敏感系指數(shù)變化較小，其中2005—2015年耕地的敏感性指數(shù)最高，其敏感性指數(shù)為0.52～0.55，當(dāng)耕地生態(tài)服務(wù)價值系數(shù)增加或減少1%，其總生態(tài)服務(wù)價值增加或減少0.52%～0.55%；而水域的敏感性系數(shù)最低，其敏感性系數(shù)不超過0.1；其他土地利用類型的敏感性指數(shù)為0.15～0.25。

上述表明，不同時期不同土地利用類型的敏感性系數(shù)均小于1，說明長河流域所采用的價值系數(shù)缺乏彈性且適合長河流域的實際情況，其生態(tài)服務(wù)價值估算結(jié)果可信。

表7　2005-2015年長河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值敏感指數(shù)變化

3.4　生態(tài)服務(wù)價值流向分析

由表8和表9可知，2005—2015年長河流域土地利用類型變化帶來的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的持續(xù)減少，2005—2010年凈減少了6.28×104元，2010—2015年凈減少了1.938×105元，2005—2015年除林地轉(zhuǎn)化為水域會帶來生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的增加外，轉(zhuǎn)化為其他地類都會帶來生態(tài)服務(wù)價值的減少，耕地的生態(tài)服務(wù)價值主要流向林地、水域，減少了耕地轉(zhuǎn)化建設(shè)用地帶來的生態(tài)價值損失，由于耕地面積大量減少，造成了生態(tài)服務(wù)價值的大量流失，因此，為了使生態(tài)服務(wù)價值達(dá)到最優(yōu)化，因加強(qiáng)對耕地、林地的保護(hù)，盡量減少建設(shè)用地壓占耕地。

表8　2005-2010年長河流域生態(tài)服務(wù)價值流向損益　104元

表9　2010-2015年長河流域生態(tài)服務(wù)價值流向損益　104元

4　結(jié) 論

(1) 2005—2015年，長河流域土地利用類型發(fā)生了不同程度的變化，主要表現(xiàn)在耕地減少，建設(shè)用地、草地、林地、水域增加；耕地主要向草地、建設(shè)用地轉(zhuǎn)移，建設(shè)用地的增加主要來自耕地、草地的轉(zhuǎn)移，這主要?dú)w于當(dāng)?shù)氐恼呒安傻V導(dǎo)致地面塌陷與損壞致使耕地質(zhì)量下降，滿足不了作物的種植要求，從而使得大量耕地撂荒，耕地大量減少。

(2) 2005—2015年，長河流域總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值呈現(xiàn)持續(xù)減少的趨勢，減少了2.4×105元。除耕地外，其他幾類土地利用類型的生態(tài)服務(wù)價值增加；由于大量的耕地流向草地、建設(shè)用地，使得土壤形成與保護(hù)、食物生產(chǎn)、氣候調(diào)節(jié)單項功能價值降低，造成了一定的損失；不同時期不同土地利用類型的敏感性系數(shù)均小于1，說明長河流域所采用的價值系數(shù)缺乏彈性且適合長河流域的實際情況，其生態(tài)服務(wù)價值估算結(jié)果可信。

(3) 2005—2015年，林地除轉(zhuǎn)化為水域會帶來生態(tài)服務(wù)價值正向流動外，轉(zhuǎn)化為其他地類都會帶來生態(tài)服務(wù)價值負(fù)向流動，建設(shè)用地轉(zhuǎn)化為其他地類都會帶來生態(tài)服務(wù)價值正向流動，而水域化為其他地類都會帶來生態(tài)服務(wù)價值負(fù)向流動。

本文在研究長河流域土地利用變化的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值影響時存在一定的不足，在分析土地利用類型與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值的關(guān)系中，建設(shè)用地對水源涵養(yǎng)、廢物處理單項功能會產(chǎn)生一定的負(fù)效益，但本文未將建設(shè)用地納入生態(tài)服務(wù)功能價值的核算中，主要原因是有關(guān)建設(shè)用地的生態(tài)服務(wù)價值計算沒有統(tǒng)一的評價方法，因此關(guān)于建設(shè)用地的生態(tài)服務(wù)價值核算將是下一步的研究重點(diǎn)。

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