黃土高原生態(tài)脆弱區(qū)土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響
——以汾河流域?yàn)槔?/h1>

2019-09-05 08:47:16伍博煒楊勝天邵南方彭瑞文管亞兵

水土保持研究訂閱 2019年5期 收藏

關(guān)鍵詞：汾河土地利用草地

伍博煒, 楊勝天, 邵南方, 彭瑞文, 管亞兵

(1.北京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)部, 北京 100875;2.北京師范大學(xué) 水科學(xué)研究院, 北京 100875; 3.貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 貴陽 550001)

土地利用時(shí)空變化過程的研究是未來可持續(xù)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的重要內(nèi)容，是代表人類活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境影響的直接表現(xiàn)形式，是影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的重要因素[1-3]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是通過生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過程和功能直接或間接獲得的產(chǎn)品和服務(wù)[4]。因此，土地利用變化主導(dǎo)下的經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境相互協(xié)調(diào)是區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要途徑[5]。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(Ecosystem Services Values，ESV)評(píng)價(jià)是表示土地利用的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展相互影響關(guān)系的主要方法[6-8]。1997年Costanza 最先通過17種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能計(jì)算了全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值[4]。國(guó)外學(xué)者主要集中在理論方法的創(chuàng)新[9]、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的定量化估算[10-11]、土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響等[12-13]。國(guó)內(nèi)學(xué)者研究主要集中在評(píng)估體系的研究[14]和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與土地利用相結(jié)合的相關(guān)研究等[15-18]。

本文通過汾河流域土地利用變化研究其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響，結(jié)合汾河流域?qū)嶋H情況，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值表進(jìn)行了修正，采用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值模型(ESV)定量解釋了1980—2016年汾河流域土地利用變化影響下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化，為汾河流域未來可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和區(qū)域管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

汾河流域介于35°20′—39°00′N和110°30′—113°32′E，汾河干流全長(zhǎng)694 km，流域面積約39 471 km2，流經(jīng)太原、晉中、臨汾3個(gè)地級(jí)市，主要涉及30個(gè)縣。汾河是黃河的一級(jí)支流、黃土高原生態(tài)脆弱區(qū)獨(dú)立的流域、山西省重要的水源地和供水區(qū)。流域內(nèi)人口總數(shù)為1 390多萬人，占山西省總?cè)丝诘?9%；流域內(nèi)主要市縣GDP占全省GDP總量的44%。汾河流域是山西省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要地區(qū)，農(nóng)作物以小麥、玉米等為主；且流域內(nèi)煤炭、鐵等礦產(chǎn)資源豐富，是山西省能源化工基地的重要組成部分。

1.2 數(shù)據(jù)來源

土地利用數(shù)據(jù)主要來源于1980年、2000年、2010年和2016年四期Landsat TM，Landsat8OLI等遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m(下載地址：http:∥www.gscloud.cn/)。通過構(gòu)建衛(wèi)星影像—高分辨率遙感影像(無人機(jī))—地面調(diào)查為一體的技術(shù)體系，結(jié)合目視解譯，獲得4期汾河流域土地利用矢量圖(圖1)，進(jìn)而建立1980年、2000年、2010年和2016年汾河流域土地利用數(shù)據(jù)庫；社會(huì)與經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于《山西省統(tǒng)計(jì)年鑒》。

圖1 汾河流域土地利用

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用動(dòng)態(tài)度 土地利用動(dòng)態(tài)度是表示土地利用類型數(shù)量變化、土地利用程度變化及土地利用變化的區(qū)域差異指標(biāo)，按照研究對(duì)象又可以分為綜合土地利用動(dòng)態(tài)度與單一土地利用動(dòng)態(tài)度[19]。

(1) 綜合土地利用態(tài)度。綜合土地利用動(dòng)態(tài)度[20]表達(dá)式為：

(1)

式中：LUi為研究起始時(shí)第i類土地利用類型的面積；ΔLUi-j為研究時(shí)段內(nèi)第i類土地利用類型轉(zhuǎn)為非i類土地利用類型面積的絕對(duì)值；T為研究時(shí)段長(zhǎng)度。土地利用動(dòng)態(tài)度LC解釋了與T時(shí)段對(duì)應(yīng)的研究區(qū)某類土地利用類型年變化率。

(2) 單一土地利用動(dòng)態(tài)度。單一土地利用動(dòng)態(tài)度是指在研究區(qū)一定時(shí)間范圍內(nèi)某一土地利用類型的數(shù)量變化情況，用來表示該土地利用類型在一定時(shí)間內(nèi)的變化速度[20]，其表達(dá)式為：

(2)

式中：K為研究時(shí)段內(nèi)某一土地利用類型動(dòng)態(tài)度；Ua，Ub分別為研究期初及研究期末某一土地利用類型的數(shù)量。

1.3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值估算 為了估算汾河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，本文參考謝高地等人獲取的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量系數(shù)，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子等于每年每公頃糧食價(jià)值的1/7[21]。1980—2016年，汾河流域的平均糧食產(chǎn)量為2 408.10 kg/hm2，且2016年的平均糧食價(jià)格為2.85元/kg，因此汾河流域一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)當(dāng)量因子為980.44元/hm2，進(jìn)而得到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)(表1)。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值的評(píng)估公式為[21]：

(3)

(4)

式中：ESV表示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值；Ai表示第i中土地利用類型的面積(hm2)；VCi表示第i種土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)；ESVf表示生態(tài)系統(tǒng)第f項(xiàng)服務(wù)功能的價(jià)值；VCfi表示第i種土地利用類型的第f項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。

表1 汾河流域土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 汾河流域土地利用變化分析

2.1.1 土地利用類型變化 1980—2016年汾河流域土地利用類型變化方式主要以耕地轉(zhuǎn)化為草地和林地，共有2 668.79 km2，且耕地是所有土地利用類型轉(zhuǎn)移面積最大的。其次，汾河流域土地利用變化方式以建設(shè)用地?cái)U(kuò)張為主，共有300.64 km2耕地、26.05 km2林地和22.01 km2草地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地；水域和未利用土地總面積變化趨勢(shì)不明顯(表2)?？臻g上，1980—2016年耕地的減少在太原盆地內(nèi)表現(xiàn)尤為明顯，主要在于盆地內(nèi)大面積的退耕還林(草)和城鎮(zhèn)建設(shè)用地的擴(kuò)張；其次呂梁山、太行山脈和盆地邊緣的一部分耕地轉(zhuǎn)化為草地、林地。建設(shè)用地的變化主要表現(xiàn)在太原、晉中、臨汾、呂梁、忻州、運(yùn)城6個(gè)地級(jí)市發(fā)展導(dǎo)致耕地、林地、草地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地。

表2 1980-2016年汾河流域各類土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣 km2

2.1.2 動(dòng)態(tài)度分析 從綜合土地利用動(dòng)態(tài)度看(表3)，1980—2000年、2000—2010年和2010—2016年這3個(gè)階段綜合土地利用動(dòng)態(tài)度分別為0.27%，0.32%，0.46%，綜合土地利用動(dòng)態(tài)度隨著年份增加而增大，表明汾河流域土地利用變化受人類活動(dòng)的影響更顯著，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)土地利用格局的影響更強(qiáng)烈。

單一土地利用動(dòng)態(tài)度一定程度上體現(xiàn)當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)汾河流域不同土地利用類型變化的影響?？傮w上，1980—2016年內(nèi)汾河流域耕地持續(xù)減少，減少速度分別為0.46%，0.56%和0.51%，是所有土地利用類型中減少速度最快的。草地與建設(shè)用地在這3個(gè)時(shí)期內(nèi)的變化趨勢(shì)呈一種穩(wěn)定增長(zhǎng)的情況，其中草地的增長(zhǎng)速度分別為0.74%，0.90%和0.57%；相對(duì)于其他土地利用類型草地增長(zhǎng)最穩(wěn)定且維持較高的增長(zhǎng)速度。林地和水域變化趨勢(shì)較為穩(wěn)定，而2010—2016年未利用土地是所有土地利用類型增加速度最快的為2.53%。

表3 1980-2016年汾河流域土地利用變化動(dòng)態(tài)度 %

2.2 汾河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空變化

時(shí)間上(表4)，1980—2016年汾河流域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后減少的趨勢(shì)，從1980年的433.954億元增加到2010年的435.176億元，最后減少到2016年的434.557億元。1980—2016年汾河流域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值增長(zhǎng)率為0.14%。1980—2000年林地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值增加了1.30%，而2000—2010年與2010—2016年卻分別減少了0.04%和0.04%。草地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值呈逐漸增加的趨勢(shì)，1980—2000年、2000—2016年與2010—2016年分別增加14.83%，8.95%與3.41%。耕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值一直處于衰減的趨勢(shì)，1980—2000年、2000—2016年與2010—2016年分別減少9.12%，5.61%與3.05%，黃土高原退耕還林(草)政策的持續(xù)實(shí)施是導(dǎo)致耕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值持續(xù)減少的關(guān)鍵原因。水域和未利用土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值表現(xiàn)一直較平穩(wěn)，沒有較大變化。

表4 汾河流域1980-2016年各類用地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值及變化

空間上，本文對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值重新分級(jí)：極低(<5 000元/hm2)、低(5 000～10 000元/hm2)、中等(10 000～30 000元/hm2)、高(30 000～50 000元/hm2)。1980—2016年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值高的區(qū)域分布與水域分布相一致。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值中等的區(qū)域分布與林地的分布相一致，位于汾河流域的兩側(cè)區(qū)域，且主要分布在呂梁山與太行山等區(qū)域。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值低的區(qū)域與草地和耕地的空間分布相吻合，且主要分布在呂梁山東邊與太行山西邊。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值極低的區(qū)域主要分布于汾河流域內(nèi)各城市的建設(shè)用地內(nèi)，以太原市和晉中市最為顯著。極低區(qū)域隨著城市發(fā)展快速擴(kuò)張呈現(xiàn)擴(kuò)大的趨勢(shì)，并沿汾河兩岸擴(kuò)張(圖2)。

2.3 流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的差異分析

本文基于行政區(qū)域的單位面積平均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值來分析汾河流域各行政區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的差異性(表5)。汾河流域主要包括33個(gè)行政區(qū)，從平均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值上看，1980—2016年文水縣的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值最高，但總變化量較小，平均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值為15 749.08元/hm2；1980—2016年侯馬市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值最低，且處于持續(xù)減少的狀態(tài)。從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化量上，1980—2016年汾河流域共有13個(gè)行政區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值處于增長(zhǎng)的趨勢(shì)，婁煩縣變化量增加最多；20個(gè)行政區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值處于減少的趨勢(shì)，太原市變化量減少最多，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化量減少表明區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)生態(tài)環(huán)境的系統(tǒng)的影響劇烈。

圖2 1980-2016年汾河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間分布

表5 1980-2016年汾河流域主要行政區(qū)平均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值 元/hm2

3 結(jié) 論

(1) 1980—2016年汾河流域土地利用類型以耕地、草地和建設(shè)用地為主，占總面積的90%以上，林地變化較小，未利用土地和水域變化不顯著，整體土地利用程度高。土地利用類型轉(zhuǎn)化上，汾河流域1980—2016年土地利用變化以耕地向其他土地利用類型轉(zhuǎn)移的方式為主。汾河流域綜合土地利用動(dòng)態(tài)度呈逐漸增長(zhǎng)趨勢(shì)，表明土地利用變化受人類活動(dòng)的影響更顯著，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)土地利用格局的影響更強(qiáng)烈；單一土地利用動(dòng)態(tài)度上，耕地持續(xù)減少且減少速度最快；草地與建設(shè)用地在1980—2016年時(shí)間內(nèi)的變化趨勢(shì)呈一種穩(wěn)定增長(zhǎng)的情況。

(2) 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空變化方面，1980—2016年汾河流域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后減少的趨勢(shì)，從1980年的433.954億元增加到2010年的435.176億元，最后減少到2016年的434.557億元。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值極低的區(qū)域主要分布于汾河流域內(nèi)各城市的建設(shè)用地內(nèi)，以太原市和晉中市最為顯著。極低區(qū)域隨著城市發(fā)展快速擴(kuò)張呈現(xiàn)擴(kuò)大的趨勢(shì)，并沿汾河兩岸擴(kuò)張。

(3) 通過汾河流域主要行政區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值差異分析，發(fā)現(xiàn)1980—2016年汾河流域內(nèi)主要市縣平均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值文水縣最高，侯馬市最低。流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化上，1980—2016年汾河流域共有13個(gè)行政區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值處于增長(zhǎng)的趨勢(shì)；20個(gè)行政區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值處于減少的趨勢(shì)，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化量減少表明區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)生態(tài)環(huán)境的系統(tǒng)的影響劇烈。

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