周景博 薛 婕 吳 良 王 曉 夏 瑞

(1.中國人民大學環(huán)境學院，北京 100872；2.中國環(huán)境科學研究院，北京 100012；3.中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101)

土地利用受自然和人為因素雙重驅(qū)動，是人類-環(huán)境耦合系統(tǒng)演變的綜合體現(xiàn)[1]，也是一定時期政策作用的結(jié)果。土地利用變化直接改變了生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，具有廣泛的生態(tài)效應(yīng)[2],[3]20,[4-5]。在區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能長期實地監(jiān)測不可行的情況下，土地利用類型是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的重要代理指標[6]，可以此估算其價值變化[7],[8]1431，反映其生態(tài)效應(yīng)，對靜態(tài)評價區(qū)域土地利用具有現(xiàn)實意義[9-10]。土地利用變化具有漸變性、持續(xù)性和規(guī)律性，長期來看，土地利用類型轉(zhuǎn)換體現(xiàn)了生態(tài)格局從一種均衡逐漸達到另一種均衡的過程，符合馬爾科夫過程特征[11-15]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值是評價土地利用政策的重要指標，土地調(diào)控不僅應(yīng)參考既有土地利用格局的生態(tài)影響，更應(yīng)關(guān)注其長期影響[16]。應(yīng)用馬爾科夫模型預測土地利用變化，可以動態(tài)評價土地利用的長期生態(tài)影響，為指導區(qū)域土地規(guī)劃提供量化依據(jù)。

已有相關(guān)研究從內(nèi)容看多聚焦于東部發(fā)達地區(qū)和城市生態(tài)系統(tǒng)[8]1427,[17-19]，對典型生態(tài)脆弱區(qū)的研究相對較少[20]，更缺少對半干旱地區(qū)農(nóng)牧交錯帶的研究；從方法看或側(cè)重于土地利用的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的靜態(tài)計算[21]，或側(cè)重于土地利用的動態(tài)預測，少有結(jié)合靜態(tài)和動態(tài)分析的綜合評價；預測方法多采用指標體系或情景構(gòu)建的方法[3]17,[22-24]，重視人為因素的調(diào)控作用，但忽視了土地利用的自然漸變和持續(xù)特征。本研究以達里諾爾湖流域為研究對象，采用1980、1990、2000、2010、2019年5期土地利用數(shù)據(jù)，計算了流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，討論了不同時期土地利用變化的生態(tài)影響；構(gòu)建了土地利用轉(zhuǎn)換概率矩陣，應(yīng)用馬爾科夫模型預測了未來40年的土地利用特征和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化趨勢，評價了不同時期流域土地利用和轉(zhuǎn)換格局的中長期生態(tài)影響，為流域生態(tài)-經(jīng)濟-社會系統(tǒng)的長期協(xié)調(diào)發(fā)展提供決策參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

達里諾爾湖流域位于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市西北部克什克騰旗境內(nèi)，地處大興安嶺山地、蒙古高原、渾善達克沙地三大地貌結(jié)合部，屬于森林草原交錯帶，包括森林、草原、沙地疏林和濕地等多種植被類型，流域面積4 963 km2。達里諾爾湖是流域中最大的水體，湖區(qū)面積228 km2。流域?qū)儆跍貛О敫珊荡箨懶约撅L氣候，冬季漫長寒冷降水少，夏季短促溫熱降水多，年降水量在300 mm左右。流域海拔高，大氣透明度強，日照時數(shù)長，蒸發(fā)旺盛，年均蒸發(fā)量為1 300～1 900 mm，蒸發(fā)量遠高于降水量。達里諾爾自然保護區(qū)始建于1987年，1997年升級為國家級自然保護區(qū)，主要保護對象為珍稀鳥類及其生境，是我國東部重要的鳥類繁殖地和候鳥遷徙驛站[25-27]。達里諾爾湖鹽堿度較高，水質(zhì)獨特，主產(chǎn)瓦氏雅羅魚和鯽魚，經(jīng)濟價值較高。進入21世紀后，受產(chǎn)卵條件惡化以及病害等因素影響，漁業(yè)產(chǎn)量整體下降[28]。

流域經(jīng)濟總量較低，工業(yè)化和城市化水平不高。2000年之前，農(nóng)牧業(yè)為流域主導產(chǎn)業(yè)，之后礦業(yè)發(fā)展壯大，2005年后旅游業(yè)日漸興起，近年來，隨著保護區(qū)生態(tài)保護政策力度加大，畜牧業(yè)、礦業(yè)和旅游業(yè)的發(fā)展都受到一定限制。

1.2 數(shù)據(jù)來源

該研究基于達里諾爾湖流域1980、1990、2000、2010、2019年共5期土地利用類型及轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)由當?shù)刈匀毁Y源局提供。

1.3 研究方法

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值計算選擇可直接基于面積進行快速評估的當量因子法，主要依據(jù)謝高地等[29]1245修正Constanza的評估參數(shù)。達里諾爾湖流域土地利用類型多樣，一級生態(tài)系統(tǒng)類型包括農(nóng)地、林地、草地、濕地、水域、不透水面和裸地(見表1)。不同土地利用類型所提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值有差異，根據(jù)謝高地等[29]1245構(gòu)建的評價體系，結(jié)合達里諾爾湖流域半農(nóng)半牧、子生態(tài)系統(tǒng)多樣化的實際情況，二級生態(tài)系統(tǒng)分類構(gòu)成取均值，計算單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(以當量計，見表1)。由表1可見，水域和濕地單位面積的生態(tài)服務(wù)價值最高，其次是林地和草地，再次是農(nóng)地，不透水面和裸地單位面積的生態(tài)服務(wù)價值最低。

表1 達里諾爾湖流域各土地利用類型單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值Table 1 Ecological system service value per unit area of each landuse type of Dalinuoer Lake Basin

土地利用類型預測應(yīng)用馬爾科夫模型，利用狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換概率矩陣來分析狀態(tài)的變化趨勢和預測其未來的狀態(tài)分布。馬爾科夫過程是一種特殊的隨機運動過程，每次狀態(tài)的轉(zhuǎn)換都只與其上一刻的狀態(tài)有關(guān)，而與過去的狀態(tài)無關(guān)，土地利用類型的轉(zhuǎn)換和動態(tài)變化具有類似馬爾科夫過程的特征[30]。本研究中，狀態(tài)指土地利用類型分布，狀態(tài)轉(zhuǎn)換指從一種土地利用類型轉(zhuǎn)換為另一種類型。馬爾科夫模型的關(guān)鍵是確定狀態(tài)轉(zhuǎn)換概率矩陣。設(shè)共有n個土地利用類型，狀態(tài)概率P(t)表示t時刻土地利用類型i的占比，則有：

(1)

式中：Sit表示t時刻土地利用類型i的面積，km2；St表示t時刻土地總面積，km2。

根據(jù)馬爾科夫過程的特征，事物在時刻t的狀態(tài)概率P(t)僅取決于其上一時刻的狀態(tài)概率P(t-1)和轉(zhuǎn)換概率Pij，即P(t)=P(t-1)×Pij，以此預測t時刻的土地利用類型。

2 結(jié)果與討論

2.1 土地利用與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化

1980—2019年，達里諾爾湖流域土地利用類型變化的總體趨勢利于生態(tài)保護。盡管有波動，但總體來看，草地和濕地占比有所上升，農(nóng)地占比明顯下降，裸地顯著減少，林地、水域和不透水面略有縮減(見表2)。即生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值較低的土地利用類型占比都有下降，價值較高的濕地、草地等占比則上升或只是略減。

表2 達里諾爾湖流域土地利用類型占比Table 2 Proportion of landuse type in Dalinuoer Lake Basin %

從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的總體變化趨勢來看(見表3)，大致可分為2個階段：1980—2010年為增長階段，并在2010年達到峰值；2010年之后為減少階段，但仍基本高于2000年以前。各一級服務(wù)分類價值的峰值均出現(xiàn)于2010年，到2019年，供給服務(wù)價值大致降至低于2000年，調(diào)節(jié)、支持和文化服務(wù)價值大體高于2000年。從二級服務(wù)類型看，食物生產(chǎn)服務(wù)價值峰值出現(xiàn)于2000年，氣候調(diào)節(jié)價值從1980年至今持續(xù)增加；其余二級服務(wù)類型的價值峰值均出現(xiàn)于2010年。

表3 達里諾爾湖流域單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值Table 3 Ecosystem service value per unit area of Dalinuoer Lake Basin

2.2 土地利用與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值預測

土地利用變化是一個長期和持續(xù)的過程?；?980—1990年(記為1980s)、1991—2000年(記為1990s)、2001—2010年(記為2000s)和2011—2019年(記為2010s)共4期土地利用類型轉(zhuǎn)換矩陣，假設(shè)土地利用類型轉(zhuǎn)換在2019—2020年仍保持2011—2019年的平均轉(zhuǎn)換概率，以此推算2020年的土地利用類型和2011—2020年的轉(zhuǎn)換概率，從而將4個時期的轉(zhuǎn)換步長統(tǒng)一為10年。分別根據(jù)4個時期的轉(zhuǎn)換矩陣構(gòu)建馬爾科夫模型，預測了未來40年的土地利用類型構(gòu)成情況和單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(見表4)。

由表4可見，不同時期土地利用格局的長期影響具有一致性?；?000s土地利用格局的未來單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值最高，其次是1990s，最低的是1980s，近期(2010s)土地利用格局的長期生態(tài)效應(yīng)不是最優(yōu)狀態(tài)。對具體土地利用類型的影響則存在差異性，如：基于1980s土地利用格局預測的長期生態(tài)效應(yīng)表現(xiàn)為單位面積生態(tài)服務(wù)價值較高的林地占比預測值略高于其他預測值，而裸地占比預測值顯著高于其他預測值；基于1990s的預測表現(xiàn)為農(nóng)地占比顯著高，單位面積生態(tài)服務(wù)價值最高的水域占比略高；基于2000s的預測表現(xiàn)為濕地面積占比相對較高；基于2010s的預測則表現(xiàn)為草地占比較高。

表4 達里諾爾湖流域土地利用類型占比和單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值預測Table 4 Prediction of landuse type composition and ecosystem service value per unit area in Dalinuoer Lake Basin

根據(jù)不同時期土地利用類型轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)預測未來40年達里諾爾湖流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化趨勢(見表5)。從未來10年看，按2000s的土地利用類型轉(zhuǎn)換格局預測得到的總價值和各子類價值都是最高的，以最近期即2010s為基期的預測總價值甚至低于1990s為基期的預測總價值，但在支持和文化服務(wù)方面僅次于2000s為基期的預測值。從中長期(2040—2060年)來看，不同基期預測的價值靜態(tài)格局基本穩(wěn)定，以2000s為基期的中長期總價值、支持和文化服務(wù)價值預測值均為最高，1990s為基期的供給和調(diào)節(jié)服務(wù)價值預測值最高，1980s為基期的各項預測值均為最低。以最近期2010s為基期的各項中長期預測值均未達到最優(yōu)，支持服務(wù)和文化服務(wù)價值僅次于2000s為基期的預測值，而總價值、供給服務(wù)和調(diào)節(jié)服務(wù)價值僅高于1980s為基期的預測值，大致只相當于2019年的實際水平。

表5 達里諾爾湖流域單位面積生態(tài)系統(tǒng)各類服務(wù)價值預測Table 5 Prediction of various service value of ecosystem per unit area in Dalinuoer Lake Basin

不同時期土地利用類型轉(zhuǎn)換的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化的中長期趨勢有差異。因為預測時期較長，1980s土地利用類型轉(zhuǎn)換在2030—2060年的長期生態(tài)影響已經(jīng)基本趨于穩(wěn)定，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值穩(wěn)定在17左右，大致相當于1990年的實際水平。1990s土地利用類型轉(zhuǎn)換對應(yīng)的價值持續(xù)增加，在2040年接近2010年的實際水平，之后10年超過2010年的實際水平并繼續(xù)增長。2000s土地利用類型轉(zhuǎn)換的中長期價值表現(xiàn)為先增后降，是4期預測中最優(yōu)的結(jié)果。但近期的2010s土地利用類型轉(zhuǎn)換所對應(yīng)的價值只在2020—2030年有微小增長，之后均表現(xiàn)為持續(xù)下降趨勢。

2.3 討 論

對過去40年和未來40年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的靜態(tài)比較和動態(tài)預測表明，達里諾爾湖流域在2010年左右達到土地利用的相對最優(yōu)格局，反映了土地管理政策的成效；而近十年來表現(xiàn)出的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值減少趨勢，則是流域未來面臨的挑戰(zhàn)。

土地利用格局是一定時期自然生態(tài)和經(jīng)濟社會要素綜合作用的結(jié)果。2010年達里諾爾湖生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的相對最優(yōu)狀態(tài)，集中反映了流域在土地利用類型調(diào)整、生態(tài)環(huán)境管理方面所做出的長期努力，這些努力一方面體現(xiàn)在對不利自然條件的適應(yīng)上，另一方面體現(xiàn)為對日益加大的人類活動干擾的不斷調(diào)控。從自然條件看，達里諾爾湖流域?qū)儆趦?nèi)陸湖，主要水源補給來源于自然降水和入湖河流，近45年來，氣候暖干化進一步減少了自然降水和入湖水量，是水域面積萎縮的主要原因[31]。從人類活動干擾看，流域內(nèi)牧業(yè)、農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、礦業(yè)、旅游業(yè)等多種自然資源依賴型產(chǎn)業(yè)并存，這些產(chǎn)業(yè)在土地利用上存在一定的沖突。牧業(yè)是當?shù)貍鹘y(tǒng)產(chǎn)業(yè)，主要依賴于天然草地，隨著20世紀90年代“草畜雙承包”體制改革的實施，集體草場和牲畜已全部承包到戶，雖然起到了落實產(chǎn)權(quán)和激勵生產(chǎn)的作用，但客觀上也造成了土地分割和破碎化，對草場的利用強度加大，草畜矛盾突出。流域農(nóng)民多為外來人口，是在20世紀80年代之前的數(shù)次草原開墾行動中進來，在承載力較低的草原上，保證農(nóng)業(yè)種植和養(yǎng)畜效率的方式只能是不斷粗放性地蠶食草場。

對自然因素造成的湖面萎縮等威脅，克什克騰旗政府主要采取了以加強流域生態(tài)功能為目的的各類工程建設(shè)措施，如人工造林、封山育林、工程固沙等，保持土地利用格局在不利的自然條件下基本不變或有所改善。對人類活動的擾動，則主要采取各類政策措施促使相關(guān)行為主體減少活動范圍、降低活動強度，使土地利用類型朝向更有利于提高生態(tài)服務(wù)功能的方向轉(zhuǎn)換。特別是在2000年之后，克什克騰旗政府先后發(fā)布了5個禁牧令，劃定了多個常年禁牧區(qū)，使達里諾爾湖流域土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整在2000s發(fā)生了相對最大的變化，也使該時期生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值達到最優(yōu)。這些努力在近十年也仍在持續(xù)，但相較于之前的大型工程舉措，對土地利用格局的影響相對較小。與此同時，自然要素的影響力在2010s卻凸顯了出來，一定程度上也導致近十年來的人為努力難以得到體現(xiàn)。濕地和水域兩類單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值最高的土地利用類型的減少不僅導致近十年流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值的下降，也意味著未來40年的價值難以達到最優(yōu)水平。在未來的土地和生態(tài)管理中，達里諾爾湖流域需要直面這些威脅，在保持農(nóng)地和草地面積以維持當?shù)鼐用裆嫽静皇苡绊懙耐瑫r，考慮通過各類人工工程或措施減少自然因素所造成的水域和濕地衰減，采取合適方式利用礦權(quán)退出以及各種原因未利用的土地，或作為經(jīng)濟發(fā)展用地緩解生計困難，或作為生態(tài)用地提高其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，以此加大土地利用格局向更高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值方向轉(zhuǎn)變的力度，才有可能重新回到最優(yōu)狀態(tài)。

3 結(jié) 語

(1) 從土地利用格局與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值之間的關(guān)系看，與1980年相比，2019年達里諾爾湖土地利用格局的總體變化結(jié)果有利于生態(tài)保護，主要表現(xiàn)為單位面積生態(tài)服務(wù)價值相對較高的土地利用類型占比均有上升或只略有縮減，而單位面積生態(tài)服務(wù)價值相對較低的土地利用類型占比有所下降。但這個總體有利的變化結(jié)果包括了1980—2010年的改善階段和2011—2019年的下降階段，即2010年之前生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值持續(xù)上升，在2010年達到相對最優(yōu)，目前的土地利用狀態(tài)只是近40年來的次優(yōu)水平。

(2) 依據(jù)土地利用類型之間的轉(zhuǎn)換對未來土地利用以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的預測結(jié)果表明，短期看，未來10年，以2000s為基期的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總量和各子類價值預測值均為最高，而以近期2010s為基期的預測值均非最優(yōu)；中長期看，未來30年，不同基期的預測結(jié)果較為一致，表現(xiàn)為2000s的土地利用類型轉(zhuǎn)換的中長期生態(tài)服務(wù)價值總量、支持和文化服務(wù)價值均為最高，相對較優(yōu)，而以近期2010s為基期的各項中長期預測值均未達到最優(yōu)。