馬曉帆 張海峰,2,3,4#

(1.青海師范大學地理科學學院,青海 西寧 810001;2.青藏高原地表過程與生態(tài)保育教育部重點實驗室,青海 西寧 810001;3.青海省自然地理與環(huán)境過程重點實驗室,青海 西寧 810001;4.高原科學與可持續(xù)發(fā)展研究院,青海 西寧 810001)

土地利用變化會對生態(tài)系統服務產生重大影響[1],通過改變生態(tài)系統結構、分布和生態(tài)系統過程,從而影響生態(tài)系統服務的提供能力[2-3]。生態(tài)系統服務是直接或間接促進人類社會可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)特性、功能及過程[4],包括與人類切實相關的供給服務、調節(jié)服務和文化服務,以及維持其他服務的支持服務[5-6]。已有研究表明,人類活動帶來的土地利用變化導致生態(tài)系統服務供應下降60%,退化的生態(tài)系統會產生水土流失、鹽漬化、荒漠化等一系列環(huán)境問題[7-8],這些環(huán)境問題反過來又會限制人類活動,對人類生命財產和安全健康造成危害。因此,土地利用結構與生態(tài)系統服務供給之間應是相互影響、相互制約的關系[9]。

人類對生態(tài)系統服務的需求偏好賦予其經濟價值。COSTANZA等[10]對生態(tài)系統服務功能的經濟價值進行了評估,謝高地等[11-12]向國內生態(tài)學家發(fā)放700余份問卷,提出適合中國實際情況的生態(tài)系統單位面積生態(tài)服務價值(ESV)當量,對我國ESV研究具有奠基意義。隨后國內眾多學者以此為基礎對全國、省市、城市群和典型區(qū)域等尺度展開ESV評估研究,包括ESV對土地利用變化的響應[13-14],[15]705-709,[16]、不同土地利用類型的ESV差異[17]、典型區(qū)域土地利用變化與ESV的關系[18]、城市化驅動下土地利用變化引起的ESV變化[19-22]、土地利用變化對個別服務類型的影響[23-26]、從生態(tài)系統服務平衡的角度優(yōu)化土地利用結構等[27]。SONG等[15]717-718發(fā)現1988—2008年中國每1%的土地類型變化就會導致ESV發(fā)生0.10%～0.15%的變化,YANG等[28]認為1980—2015年中國北方農牧交錯帶ESV下降是由耕地和建成區(qū)的擴張占用了大量草地造成的,WANG等[29]計算橫斷山區(qū)土地利用變化對ESV的影響,發(fā)現林地對于橫斷山區(qū)生態(tài)系統服務至關重要,并提出沿著海拔梯度采取不同的發(fā)展策略。

青藏高原是亞洲眾多河流的發(fā)源地,高原河谷流域不僅是許多珍稀動植物的棲息地,也是人類活動的聚集地,因此河谷流域生態(tài)保護對整個青藏高原生態(tài)系統至關重要。研究青藏高原東北部的湟水河流域土地利用變化對ESV的影響,有助于了解湟水河流域生態(tài)系統變化規(guī)律,為流域生態(tài)文明建設、生態(tài)補償機制和綠色發(fā)展提供科學的決策支持,促進生態(tài)系統安全穩(wěn)定,對維護高原河谷流域生態(tài)環(huán)境和解決生態(tài)環(huán)境問題具有重要的參考價值。

1 研究區(qū)概況和數據來源

1.1 研究區(qū)概況

湟水河是黃河的一級支流,發(fā)源于青海省海晏縣達坂山,于甘肅省永靖縣匯入黃河,其干流的89.68%位于青海省境內。湟水河流域位于青海省東北部,地勢西北高東南低,自北向南三面環(huán)山,形似一個倒置的口袋。流域包括海晏縣、西寧市全境和海東市(循化縣除外),流域面積占青海省總面積的2.3%[30],2020年湟水河流域耕地面積占青海省的45.89%,建成區(qū)面積占青海省的34.5%,流域內人口占青海省的62.96%,區(qū)域生產總值占青海省的62.13%。研究區(qū)概況見圖1。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Schematic diagram of study area

1.2 數據來源

土地利用數據來自中國科學院資源環(huán)境科學與數據中心(http://www.resdc.cn),空間分辨率30 m。農業(yè)統計數據來自相應年份的青海省、西寧市和海東市的統計年鑒,國民經濟與社會發(fā)展統計公報及全國農產品成本收益資料匯編。

2 研究方法

2.1 景觀指數選取

根據不同景觀指數的生態(tài)意義,選取斑塊數量(NP)、平均斑塊面積(AREA_MN)、香農多樣性指數(SHDI)、香農均勻性指數(SHEI)、蔓延度(CONTAG)、聚集度指數(AI)衡量研究區(qū)景觀水平及其變化;選取斑塊密度(PD)、AREA_MN、最大斑塊密度(LPI)、景觀形狀指數(LSI)、散布與并列指數(IJI)衡量研究區(qū)各景觀類型及其變化。

2.2 ESV計算

生態(tài)系統服務是人類社會從生態(tài)系統中獲得直接或間接的獲益,使用文獻[10]的ESV評估方法,結合文獻[11]與文獻[12]提出的生態(tài)系統服務評估單價體系與生態(tài)系數修正方法計算。采用當量因子法,選取湟水河流域2020年主要農作物小麥、雜糧(玉米+青稞+豆類)和馬鈴薯的播種面積、單位產量和平均價格數據,通過式(1)計算,得到湟水河流域糧食生產的單位面積ESV為1 342.09元/hm2。以此類推,根據中國生態(tài)系統不同功能的單位面積ESV當量計算得出湟水河流域單位面積ESV(見表1),進而計算研究區(qū)ESV(考慮到建筑用地對生態(tài)系統的影響主要為負面效應,未納入ESV計算過程)。

表1 湟水河流域生態(tài)系統單位面積ESVTable 1 ESV per unit area of Huangshui River Basin 元/hm2

圖2 1980—2020年湟水河流域土地利用變化Fig.2 Land use variation of Huangshui River Basin in the period from 1980 to 2020

(1)

式中:VC為湟水河流域糧食生產的單位面積ESV,元/hm2;oi為第i種糧食作物的種植面積,hm2;pi為第i種糧食作物的產量,kg/hm2;qi為第i種糧食作物的全國平均價格,元/kg;M為3種糧食作物的種植總面積,hm2。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化

湟水河流域土地利用類型以草地、林地和耕地為主,1980年草地覆蓋面積12 736.95 km2,占54.94%,其次是耕地和林地,分別占17.14%和17.00%,未利用地、水體和建設用地相對較少,分別占6.19%、3.00%和1.74%。1980—2020年湟水河流域土地利用變化顯著,未利用地減少最突出,共減少125.29 km2,平均每年減少0.22%;草地減少69.88 km2,平均每年減少0.01%;耕地減少25.95 km2,平均每年減少0.02%;由于西寧市和海東市社會經濟快速發(fā)展,建設用地增長最快,共增長152.19 km2,平均每年增長0.94%;水體增長66.4 km2,平均每年增長0.24%。從空間分布來看,建設用地主要沿湟水河及其支流北川河兩岸分布,耕地主要分布在建成區(qū)周邊,草地分布在西北部青海湖周邊與中部地區(qū),林地則分布在海拔較高的地區(qū)(見圖2)。圖3展示了湟水河流域1980—2020年土地利用轉移矩陣。1980—2020年間,湟水河流域的耕地面積增長主要依靠占用草地實現,共計370.92 km2的草地被開墾為耕地。建設用地的擴張主要依靠占用耕地實現,40年間共計175.99 km2的耕地轉換為建設用地。草地向耕地、林地和未利用地的轉變是導致草地減少的主要原因。

3.2 景觀格局時空演變分析

3.2.1 景觀水平分析

由表2看出:1980—2020年湟水河流域NP呈先上升后下降的趨勢,而AREA_MN與之相反,呈先下降后上升的趨勢;CONTAG和AI可描述景觀內部不同斑塊的集聚或延展程度,兩個指數在研究時段內均呈現下降趨勢,說明湟水河流域景觀空間格局具有多種要素分散特征,破碎程度加深;SHDI和SHEI用于描述景觀的多樣性變化,兩者在研究時段呈上升趨勢,說明景觀多樣性有所提升。

注:每組土地利用轉移共分為4個時段,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ分別代表1980—1990年、1990—2000年、2000—2010年和2010—2020年。方格顏色越深,代表該組土地利用類型之間的轉換面積越大。

表2 1980—2020年湟水河流域景觀指數變化Table 2 Changes in the landscape index of the Huangshui River Basin from 1980 to 2020

3.2.2 景觀類型水平分析

由圖4看出:1980—2020年湟水河流域各土地利用類型PD大體較為穩(wěn)定。建設用地PD呈下降趨勢,說明建設用地斑塊破碎程度加深;建設用地IJI呈上升趨勢,說明建設用地各斑塊之間彼此鄰近,但是建設用地擴張受限于河谷地形,持續(xù)地擴張導致斑塊破碎程度增大。LPI顯示草地在湟水河流域內景觀優(yōu)勢度最大,1980—1990年草地LPI急劇下降,這個時段正值改革開放初期,城鎮(zhèn)化發(fā)展及同期畜牧業(yè)養(yǎng)殖政策由限制向開放轉變,使得草地受到不同程度的破壞。LSI的升高能夠說明草地斑塊外圍形狀的復雜程度加大。水體PD減小,但是AREA_MN和LPI增大,LSI減小,說明水體斑塊的破碎程度在空間分布上存在顯著的差異,主要由于東部湟水河斑塊被分割為眾多小斑塊,而海晏縣西部青海湖水域面積的增加導致LPI增大。水體和建設用地IJI在研究時段內呈增長趨勢,說明與之鄰接的其他土地利用類型的多樣性有所增加。

3.3 ESV變化分析

1980—2020年湟水河流域ESV呈先減少后增加的趨勢,總體穩(wěn)定在435億元左右(見表3)。1980—2010年湟水河流域ESV減少1.32億元,該時段內水體減少強度較大,草地和未利用地分別減少59.62、48.09 km2,導致ESV持續(xù)減少。2010—2020年雖然耕地與未利用地減少強度較大,但由于青海湖面積增加,西寧市和海東市相繼建設北川、湟水和驛州等濕地公園,水體增加強度回升并大幅超過減少強度,導致ESV在這一時段增加3.85億元,彌補了2010年前土地利用變化造成的ESV損失。

表3 1980—2020年湟水河流域ESVTable 3 ESV of the Huangshui River Basin from 1980 to 2020 億元

由表4可知,支持服務與調節(jié)服務價值在ESV中占據主要地位,其中水文調節(jié)、保持土壤、維持生物多樣性和氣候調節(jié)在生態(tài)系統功能結構中占主要地位。1980—2020年湟水河流域單項生態(tài)系統功能ESV增加的服務類型有水文調節(jié)、廢物處理、提供美學景觀和維持生物多樣性,分別增長1.51億、1.11億、0.27億、0.05億元,水文調節(jié)增長最大,這與水體面積增加有很大的關系。湟水河流域作為青海省經濟政治中心,1980年以來社會經濟快速發(fā)展,城市建設用地以占用耕地和未利用地迅速擴張,導致保持土壤價值減少最多,食物生產價值也有所減少。

表4 1980—2020年湟水河流域單項生態(tài)系統功能ESVTable 4 Single ecosystem functions ESV in the Huangshui River Basin from 1980 to 2020 億元

3.4 景觀格局與ESV之間的關系

土地利用景觀格局與ESV之間的關系不是簡單的線性關系,本研究采用灰色關聯度模型,分析景觀格局與ESV之間關聯。由表5看出,SHDI與ESV的關聯度最大,AI與供給服務和部分調節(jié)服務價值有較大關聯,CONTAG與部分調節(jié)服務和支持服務價值存在較大的關聯度,SHDI、SHEI均與文化服務價值關聯度最大。因此,景觀格局的破碎度、聚散性和多樣性與ESV存在一定聯系,景觀格局的離散程度與蔓延程度會對氣體調節(jié)和氣候調節(jié)價值產生較大影響,景觀豐富程度會對文化服務價值產生較大的影響。

圖4 1980—2020年湟水河流域不同土地利用類型景觀指數變化Fig.4 Changes of landscape index by different land use types in the Huangshui River Basin from 1980 to 2020

制作耕地、林地、草地、水體、未利用地5類斑塊類型水平與單項生態(tài)系統功能ESV關聯。在選擇的5類景觀指數(AREA_MN、PD、LPI、LSI、IJI)中,水體的AREA_MN與水文調節(jié)和廢物處理價值有較大關聯(關聯度分別為0.85、0.84),建設用地AREA_MN與ESV、水文調節(jié)價值和廢物處理價值存在一定關聯(關聯度分別為0.76、0.79、0.79),未利用地AREA_MN與氣體調節(jié)價值和保持土壤價值存在一定關聯(關聯度均為0.75),表明這3類斑塊AREA_MN的變化會對部分調節(jié)服務價值產生一定影響。耕地PD與食物生產價值存在較大關聯(關聯度為0.82),建設用地PD與氣體調節(jié)價值和保持土壤價值存在一定關聯(關聯度分別為0.81和0.80),表明耕地斑塊破碎程度對供給服務價值產生影響,建設用地的破碎程度則會對部分調節(jié)和支持服務價值產生影響。水體LPI與ESV、水文調節(jié)價值和廢物處理價值存在最大關聯(關聯度分別為0.91、0.98、0.98),表明水體景觀的面積比例會對上述服務價值產生較大影響;耕地、林地LSI與水文調節(jié)價值和廢物處理價值存在較大關聯(關聯度均為0.80左右),表明這兩類斑塊的形狀復雜度會對上述價值產生一定影響;水體IJI與ESV、水文調節(jié)價值和廢物處理價值存在較大關聯(關聯度分別為0.80、0.85、0.84),建設用地IJI與ESV、水文調節(jié)價值、廢物處理價值和提供美學景觀價值存在較大關聯(關聯度分別為0.85、0.87、0.87、0.82)。總體上表明,1980—2020年湟水河流域土地利用景觀格局的多樣性、破碎程度與布局分散性會對ESV產生較大影響,特別是對供給服務價值和調節(jié)服務價值產生較大影響。

表5 景觀指數與ESV間關聯度Table 5 Correlation between landscape index and ESV

4 討 論

4.1 土地利用變化對ESV的影響

王穎慧等[31]發(fā)現伊犁河流域土地利用變化造成ESV增長0.49億元,且土地利用變化強度與ESV存在明顯的正相關關系;約日古麗卡斯木等[32]發(fā)現艾比湖流域土地利用變化導致當地的ESV減少8.59億元,調節(jié)服務是流域生態(tài)系統主要的服務功能;李文芳等[33]發(fā)現甕安縣喀斯特山區(qū)內耕地轉為林地對當地ESV增加的貢獻最大;張帥等[34]發(fā)現自生態(tài)輸水后塔里木河流域土地利用類型發(fā)生一定變化,導致ESV在20年間增長32億元,說明水體的增加對ESV起到了積極作用。不同區(qū)域自然環(huán)境差異和社會經濟發(fā)展模式不同,對ESV的關聯程度與影響也會存在差異。湟水河流域土地利用變化影響ESV可分為兩個階段:第一個階段為1980—2010年,湟水河流域ESV持續(xù)降低,主要原因為社會經濟快速發(fā)展,建設用地不斷占用耕地和未利用地進行擴張,而建設用地ESV低于被占用土地利用類型,建筑物、交通通道的快速擴張和蔓延也會加深景觀格局的破碎化程度,各景觀類型之間原有的能量物質交換平衡被打破,植被覆蓋降低、水文循環(huán)改變且恢復時間不足,導致供給服務、調節(jié)服務和支持服務的價值均呈下降趨勢;另外人口過度集聚帶來的糧食需求激增,使部分草地被開墾為耕地,對水資源需求上升導致湟水河徑流量不斷下降[35],草地開墾為耕地、水體斷流為未利用地均會使ESV降低,因此這個階段湟水河流域ESV呈下降趨勢。第二個階段為2010—2020年,湟水河流域ESV增加,由于青海湖面積擴張[36]和部分濕地公園的建設,以及政府對流域水資源管控力度的加強,水體面積增長78.56 km2,為這一階段中增長最快的土地利用類型,水體景觀最大面積的增加,促進調節(jié)服務價值提升,使得流域ESV總值增加。因此在湟水河流域未來發(fā)展中,應注重對流域內水體的保護政策,優(yōu)化土地利用結構,在城鎮(zhèn)周邊建立濕地公園,不僅能夠提高綠地覆蓋面積,還能避免建設用地斑塊的集聚化蔓延趨勢,并在合適的未利用地植樹造林植草,促進各類型用地均衡發(fā)展。

4.2 景觀格局與ESV的關聯

景觀格局通過影響生態(tài)系統循環(huán)過程改變區(qū)域ESV,大多數研究旨在分析各種景觀指數與ESV之間的相關性,但是本研究選取的研究時段共5個年份,景觀指數與ESV之間的相關性分析并不適合,因此參考岑曉騰[37]的研究,利用灰色關聯度模型,分析景觀格局與ESV之間的關聯度。受地形影響,湟水河流域各類景觀均集聚在河谷沿河兩岸地區(qū),對各類景觀的聚散性有較強的影響,所以在今后的發(fā)展中更應注重限制建設用地斑塊過度分散,防止因建設用地擴張造成的景觀格局的破碎程度加深,防止沿河兩岸景觀類型的過度單一化,保護流域水資源,合理開發(fā)流域內旅游資源,優(yōu)化土地利用結構提升湟水河流域ESV。

研究結果可以為湟水河流域生態(tài)環(huán)境保護、生態(tài)文明建設和提升ESV提供科學的參考。但本研究缺乏多維度跨尺度考慮,如湟水河流域生態(tài)系統的調節(jié)服務與支持服務的變化,對其周邊地區(qū)、青海省或者更大區(qū)域生態(tài)系統功能的影響,對區(qū)域生態(tài)系統服務類型之間的權衡/協同問題,今后的研究中應加強對以上內容的深入分析。

5 結 論

以土地利用數據為基礎,通過土地利用變化、景觀格局、ESV計算和灰色關聯度模型,分析了湟水河流域1980—2020年土地利用景觀格局變化模式和過程,ESV變化及其與土地利用景觀格局的關聯程度,得到以下結論:

(1) 1980—2020年湟水河流域建設用地增長最快,40年間增長152.19 km2,年均增速達到0.94%,主要依靠占用耕地進行擴張;水體先減后增,年均增速為0.24%;草地年均減少0.01%,草地向耕地、林地和未利用地的轉變是其減少的主要原因。

(2) 景觀格局分析表明,1980—2020年間湟水河流域景觀格局整體呈現破碎程度加深,斑塊分布更為分散,多樣性有所提升。

(3) 1980、1990、2000、2010和2020年湟水河流域ESV分別為435.01億、434.07億、433.96億、433.69億、437.54億元,呈現先減少后增長的趨勢,40年增加2.53億元,增加0.58%,但ESV總體穩(wěn)定在435億元左右。其中2010年前由于草地、林地和水體面積的減少導致ESV減少1.32億元,2010年后水體和林地的增加使ESV增加3.85億元。

(4) 土地利用變化會對湟水河流域ESV產生影響。景觀格局的破碎程度、聚散性和多樣性與ESV存在一定聯系,不同類型景觀的破碎程度、多樣性與集散的變化,會影響到不同的生態(tài)系統服務類型,導致ESV發(fā)生變化,水體和建設用地景觀斑塊的破碎化程度、優(yōu)勢斑塊面積與分散程度與流域的調節(jié)服務和支持服務價值關聯度較強。