瑪曲縣土地利用/覆蓋變化對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響

李晉昌,王文麗,胡光印,魏振海 (1.山西大學(xué)黃土高原研究所,山西 太原 00006；.中國(guó)地震局蘭州地震研究所,甘肅 蘭州 70000；.中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所,甘肅 蘭州 70000)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指通過(guò)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過(guò)程和功能直接或間接得到的生命支持產(chǎn)品和服務(wù)[1],或是對(duì)人類生存及生活質(zhì)量有貢獻(xiàn)的生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)品和生態(tài)系統(tǒng)功能[2],對(duì)其價(jià)值進(jìn)行定量評(píng)估是高效、合理配置競(jìng)爭(zhēng)性需要的環(huán)境資源的基礎(chǔ)[1,3-4],也是制定生態(tài)環(huán)境建設(shè)補(bǔ)償政策的必要前提[5].近年來(lái),國(guó)內(nèi)外對(duì)不同空間尺度的和不同類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估研究已取得了較大進(jìn)展,比如 Martínez等[6]研究了墨西哥熱帶山區(qū)云霧林的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,熊鷹等[7]評(píng)價(jià)了喀斯特地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化,張曉云等[8]對(duì)若爾蓋高原濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行了動(dòng)態(tài)評(píng)估.土地利用/覆蓋變化是全球環(huán)境變化的重要組成部分和主要原因之一.人類通過(guò)土地利用活動(dòng)改變地表覆被狀況,引起生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的改變,從而引起生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化[9-11].因此,研究土地利用/覆蓋變化背景下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化具有重要意義[12-13].

瑪曲縣位于青藏高原東南部,總面積9460km2,海拔在3300～4806m之間,年均氣溫1.1℃,年降水量615mm,屬于高寒草原,是我國(guó)一級(jí)環(huán)境敏感帶的組成部分,也是若爾蓋濕地的組成部分和黃河上游地區(qū)的主要水源涵養(yǎng)區(qū).由于氣候變化和人類活動(dòng)的影響,該地區(qū)出現(xiàn)了草地覆蓋度下降,林地面積減少,沙化程度加劇,地表徑流減少,地下水位下降等一系列環(huán)境問(wèn)題[14-19].隨著環(huán)境退化,瑪曲縣土地利用/覆蓋也發(fā)生了明顯變化變化.因此,本研究借鑒已有研究成果,運(yùn)用GIS和遙感技術(shù)分析1975～2005年間瑪曲縣土地利用/覆蓋變化對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響,為研究區(qū)土地持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)建設(shè)提供參考.

1 研究方法

1.1 土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)的來(lái)源

研究所用資料為12張1:10萬(wàn)地形圖,以及1975年的MSS數(shù)據(jù),1990年和2005年的TM數(shù)據(jù)和2000年的ETM數(shù)據(jù),影像時(shí)相均在6～10月份.對(duì)遙感影像采用標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成,將近紅外波段、紅色波段和綠色波段進(jìn)行合成.前期工作已對(duì)瑪曲縣1975～2005年間土地利用/覆蓋變化過(guò)程、特征及成因進(jìn)行過(guò)分析,包括圖像處理方法、解譯標(biāo)志的建立和土地利用遙感分類系統(tǒng)[17].本研究選擇間隔均為15a的1975、1990和2005年的三期數(shù)據(jù),對(duì)瑪曲縣土地利用/覆蓋變化對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響做進(jìn)一步分析.

1.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)價(jià)方法

Costanza等人提出的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)價(jià)方法在某些數(shù)據(jù)上存在較大偏差,爭(zhēng)議較多[20-21].謝高地等[22]針對(duì)其不足,根據(jù)中國(guó)實(shí)際情況,制定了中國(guó)不同陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值表.結(jié)合瑪曲縣土地利用特征,為反映不同覆蓋度草地和不同類型林地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的不同,本研究對(duì)其進(jìn)行了二級(jí)分類.粟曉玲等[23]采用專家打分法修正了不同覆蓋度草地和不同類型林地的價(jià)值系數(shù),其確定的有林地、灌木林、疏林地和其他林地的修正系數(shù)分別為1.5、1.1、0.7和0.7,由于本研究中將疏林地和其他林地合二為一,因此基于比例對(duì)原修正系數(shù)進(jìn)行重新確定,其他類型土地的修正系數(shù)與粟曉玲等[25]的相同,且將建筑用地單位面積的價(jià)值視為與荒漠相同[24],結(jié)果如表1所示.

表1 瑪曲縣土地利用類型及其單位生態(tài)價(jià)值Table 1 Modify coefficient of static services value of different land-use types in Maqu County

以修正后的價(jià)值系數(shù)為基礎(chǔ),對(duì)瑪曲縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行評(píng)估,計(jì)算公式為:

式中:ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值;Ak為土地利用類型k的分布面積;Ck為該類型土地單位面積的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù).本研究引用敏感性指數(shù)(CS)來(lái)確定區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值隨時(shí)間的變情況對(duì)Ck值的依賴程度,其計(jì)算公式如下:

式中: i、j分別表示初始的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值和生態(tài)服務(wù)價(jià)值指數(shù)調(diào)整后的價(jià)值.CS值的計(jì)算過(guò)程及計(jì)算結(jié)果的含義見(jiàn)文獻(xiàn)[12].

2 結(jié)果與討論

2.1 土地利用/覆蓋變化

分析表明(表2),從多年平均來(lái)看,瑪曲縣土地類型以草地為主,達(dá)75%左右,其次為濕地,約12%,耕地最少,僅占 0.02%,建筑用地僅 0.05%左右.1975～2005年間,瑪曲縣有林地、灌木林、高覆蓋度草地、濕地和水體面積持續(xù)減少,其中有林地減幅最大(45%),高覆蓋度草地次之(16%),水體最小(3%);其他類型土地面積呈持續(xù)增加趨勢(shì),其中建筑用地增幅最大(114%),荒漠次之(20%),其他林地最小(3%).除水體外,其他類型土地的面積在1990～2005的變化幅度均大于1975～1990年.

表2 瑪曲縣1975、1990、2005年土地利用/覆蓋變化特征Table2 Land use and land cover change of Maqu county in 1975,1990 and 2005

參照文獻(xiàn)[25]研究結(jié)果并結(jié)合瑪曲縣自然地理概況,對(duì)研究區(qū)不同類型土地進(jìn)行利用程度分級(jí)(表2).瑪曲縣經(jīng)濟(jì)活動(dòng)以牧業(yè)為主,并且1975～2005年間,該區(qū)中、低覆蓋度草地的擴(kuò)展主要是由于過(guò)度放牧導(dǎo)致高覆蓋度草地退化所致[17],因此覆蓋度不同的草地其土地利用程度指數(shù)也不相同,覆蓋度越低,表明利用程度越高,指數(shù)也越大.土地利用程度綜合指數(shù)計(jì)算公式如下:

式中:D表示土地利用程度綜合指數(shù),該值越大,表明土地利用綜合程度越高;Ak為第k種類型土地利用程度分級(jí)指數(shù);CCk為第k種類型土地的面積;HJ為土地利用評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)土地總面積.

經(jīng)式(3)計(jì)算表明,瑪曲縣1975、1990和2005年土地利用程度綜合指數(shù)分別為2.35、2.36和2.42,且 1990～2005年間的差值明顯大于 1975～1990年間,表明該區(qū)土地利用綜合程度和人類活動(dòng)強(qiáng)度均呈增大趨勢(shì).

2.2 區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化

由于瑪曲縣耕地和建筑用地比例極小(＜0.10%),且生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值系數(shù)偏低,因此在計(jì)算研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)將其忽略.基于式(1),瑪曲縣1975、1990和2005年區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值分別為129.71、128.39元和123.96億元,單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值分別為13711.42、13571.88、13103.59元/hm2.即30年間,該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值共損失5.75億元,年均損失0.19億元,損失幅度為4.44%;1990～2005年年均損失量和損失幅度分別為1975～1990前15年的3.34倍和3.38倍,表明該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值呈持續(xù)減小趨勢(shì),且損失量和損失幅度在持續(xù)加大.與謝高地等[22]的結(jié)果相比,瑪曲縣單位面積的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值約為青藏高原平均值(3661.9元/hm2)的3.68倍,表明瑪曲是青藏高原生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的高值區(qū),與牛叔文等[26]的結(jié)論一致,這是由于荒漠占青藏高原面積的38%,在瑪曲只占6%.由于瑪曲縣生態(tài)地位特殊且具有不可替代性,因此維護(hù)其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的可持續(xù)利用對(duì)整個(gè)黃河流域的生態(tài)安全意義重大.

表3 瑪曲縣1975、1990和2005年區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化Table 3 Change in values of ecosystem services of Maqu county in 1975,1990 and 2005

分析表明(表3),從多年平均來(lái)看,濕地和高覆蓋度草地對(duì)研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的貢獻(xiàn)最大,分別約為49%和26%,有林地最低,僅為0.11%.30年間,瑪曲縣有林地、灌木林、高覆蓋度草地、濕地和水體生態(tài)價(jià)值持續(xù)減少,其中有林地減幅最大(45%),高覆蓋度草地次之(16%),水體最小(3%);其他類型土地生態(tài)價(jià)值呈持續(xù)增加趨勢(shì),其中荒漠增幅最大(20%),其他林地最小(3%),中、低覆蓋度草地分別為14%和15%.研究區(qū)30年間生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值損失量中,高覆蓋度草地?fù)p失價(jià)值最多,占63%,濕地次之,占28%.面積增多的土地類型彌補(bǔ)的損失量?jī)H占 31%,其中中覆蓋度草地增多彌補(bǔ)了損失量的22%,但其主要由高覆蓋度草地退化而來(lái).除水體外,其他類型土地的生態(tài)價(jià)值在 1990～2005年的變化幅度均大于1975～1990年.

以上分析表明,在1975～2005年間,瑪曲縣土地利用變化損害了區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價(jià)值,該損失主要是由草地和濕地退化所導(dǎo)致.

2.3 生態(tài)系統(tǒng)各服務(wù)類型價(jià)值的變化

謝高地等[22]將生態(tài)服務(wù)劃分為9個(gè)功能,依據(jù)表1中的修正系數(shù),將不同類型土地9個(gè)生態(tài)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行修正,基于修正后的價(jià)值和各類型土地的面積,計(jì)算得到瑪曲縣1975、1990、2005年生態(tài)系統(tǒng)各服務(wù)類型價(jià)值變化如表 4所示.分析可知,瑪曲縣廢物處理價(jià)值比例最高,達(dá)23%,對(duì)該價(jià)值貢獻(xiàn)最大的3類型土地分別為濕地(50%)、高覆蓋地草地(21%)和水體(16%);水源涵養(yǎng)價(jià)值僅次于廢物處理,對(duì)該價(jià)值貢獻(xiàn)最大的3類型土地分別為濕地(61%)、高覆蓋度草地(21%)和中覆蓋度草地(8%);瑪曲縣原材料價(jià)值最低,僅為1%左右,灌木林對(duì)該價(jià)值貢獻(xiàn)最大, 達(dá)71%.30年間,瑪曲縣生態(tài)系統(tǒng)各服務(wù)類型價(jià)值比例變化很小,但總值均呈持續(xù)減小趨勢(shì),減幅均在4%～6%之間;從價(jià)值總額來(lái)看,廢物處理?yè)p失最大(1.257億元),水源涵養(yǎng)次之(1.015億元),其損失均主要由濕地和高覆蓋地草地退化所致,因此保持瑪曲縣生態(tài)系統(tǒng)高水平的服務(wù)達(dá)71%.30年間,瑪曲縣生態(tài)系統(tǒng)各服務(wù)類型價(jià)值比例變化很小,但總值均呈持續(xù)減小趨勢(shì),減幅均在4%～6%之間;從價(jià)值總額來(lái)看,廢物處理?yè)p失最大(1.257億元),水源涵養(yǎng)次之(1.015億元),其損失均主要由濕地和高覆蓋地草地退化所致,因此保持瑪曲縣生態(tài)系統(tǒng)高水平的服務(wù)價(jià)值,使其能夠長(zhǎng)期可持續(xù)地為人類服務(wù),就要維護(hù)好濕地和草地的生態(tài)環(huán)境,提高各級(jí)相關(guān)部門對(duì)濕地和草地功能和價(jià)值的認(rèn)識(shí),合理限制載畜數(shù)量,優(yōu)化牲畜結(jié)構(gòu),積極應(yīng)對(duì)氣候變化,恢復(fù)濕地和草地的面積和功能.

表4 瑪曲縣1975、1990、2005年生態(tài)系統(tǒng)各服務(wù)類型價(jià)值變化Table 4 Change in values of different ecosystem services of Maqu county in 1975,1990 and 2005

2.4 人均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化

李小燕[27]認(rèn)為將人口與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值有機(jī)結(jié)合,可以更加直觀有效地反映環(huán)境壓力情況.其具體計(jì)算公式參見(jiàn)文獻(xiàn)[27].

瑪曲縣1975、1990、2005年人口數(shù)量分別為2.2、3.0、4.2萬(wàn),據(jù)此計(jì)算的3個(gè)時(shí)期人均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值分別為 58.96、42.80、29.51萬(wàn)元.即30年間,人均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值共損失29萬(wàn)元,年均損失0.98萬(wàn)元,減幅達(dá)50%,1990～2005年年均損失量和減小幅度分別為 1975～1990年的82%和1.13倍,表明瑪曲縣人均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值呈持續(xù)減小趨勢(shì),損失幅度呈增大趨勢(shì),即1975～2005年間,瑪曲縣由于人口的增長(zhǎng),環(huán)境壓力呈持續(xù)增大趨勢(shì).

2.5 敏感性分析

表5 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值敏感度Table 5 The coefficients of sensitivity of ecosystem service value

根據(jù)敏感性指數(shù)的計(jì)算方法,把各類型土地的生態(tài)價(jià)值系數(shù)分別上下調(diào)整 50%,計(jì)算出研究區(qū)1975年和2005年的敏感性指數(shù),結(jié)果如表5所示.各種情況下的 CS都小于 1,最低值為0.00117,即當(dāng)有林地地的生態(tài)價(jià)值系數(shù)增加 1%時(shí),總價(jià)值只增加 0.00117%;最高值為 0.49,即當(dāng)濕地的生態(tài)價(jià)值系數(shù)增加 1%時(shí),總價(jià)值只增加0.49%.這表明,相對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)(C)來(lái)說(shuō),研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值是缺乏彈性的,研究結(jié)果是可信的.

3 結(jié)論

3.1 瑪曲縣土地類型以草地為主,濕地次之,耕地最少.1975～2005年間,瑪曲縣有林地、灌木林、高覆蓋度草地、濕地和水體面積持續(xù)減少,其他類型土地呈持續(xù)增加趨勢(shì),且土地利用綜合程度和人類活動(dòng)強(qiáng)度均呈增大趨勢(shì).

3.2 瑪曲縣1975、1990、2005年區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值分別為129.713、128.390和123.961億元,表明該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值呈持續(xù)減小趨勢(shì),且損失量和損失幅度在持續(xù)加大,該損失主要是由氣候變化和人類活動(dòng)共同導(dǎo)致的草地和濕地退化引起.

3.3 瑪曲縣單位面積的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值約為青藏高原平均值的3.68倍,表明瑪曲是青藏高原生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的高值區(qū).

3.4 瑪曲縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值中,廢物處理價(jià)值最高,水源涵養(yǎng)價(jià)值次之,原材料價(jià)值最低;30年間,瑪曲縣生態(tài)系統(tǒng)各服務(wù)類型價(jià)值比例變化很小,但總值均呈持續(xù)減小趨勢(shì),廢物處理價(jià)值損失最大,水源涵養(yǎng)次之,其損失均主要由濕地和高覆蓋地草地退化所致.

3.5 瑪曲縣1975、1990和2005年人均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值分別為58.96、42.80、29.51萬(wàn)元,表明瑪曲縣環(huán)境壓力呈持續(xù)增大趨勢(shì).

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