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    基于GIS的黃土高原生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值對土地利用變化的響應(yīng)及生態(tài)補(bǔ)償

    2013-12-16 08:14:28王飛高建恩邵輝張通張元星許秀泉趙春紅王宏杰
    中國水土保持科學(xué) 2013年1期
    關(guān)鍵詞:黃土高原地區(qū)黃土高原農(nóng)地

    王飛,高建恩,,?,邵輝,張通,張元星,許秀泉,趙春紅,王宏杰

    (1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,712100,陜西楊凌;2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院,712100,陜西楊凌;3.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所,712100,陜西楊凌)

    黃土高原作為中國乃至世界上水土流失最為嚴(yán)重的地區(qū),其日益惡化的生態(tài)環(huán)境成為世界研究的焦點問題。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是利用生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和過程,得到生命支持產(chǎn)品和服務(wù),而這些服務(wù)和產(chǎn)品是人類生存和發(fā)展的必需品和生活質(zhì)量的保證[1]。通過對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的定量評估來探索地區(qū)生態(tài)環(huán)境變化,進(jìn)行環(huán)境質(zhì)量評價,合理規(guī)劃生態(tài)發(fā)展方向等研究,已成為國際生態(tài)學(xué)和生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)的熱點和前沿領(lǐng)域[2-4]。土地利用變化作為《國際地圈與生物圈計劃》(IGBP)和《全球變化的人文領(lǐng)域計劃》(IHDP)的重大研究計劃之一[5],通過對生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能的改變,對生態(tài)系統(tǒng)維持其服務(wù)功能起決定性作用[1];然而,目前的研究多是某一局部地區(qū)的土地利用變化或景觀格局變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響[6-10],而對整個黃土高原的土地利用/覆被變化及其造成生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化的研究很少,對生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)和機(jī)制的研究更是少之又少。筆者以整個黃土高原地區(qū)為研究對象,根據(jù)DEM數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)等,基于GIS技術(shù),結(jié)合土地利用動態(tài)度理論,研究黃土高原地區(qū)土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值造成的影響,并依據(jù)黃土高原實際情況,制定出符合當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境健康發(fā)展的生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn),從而為黃土高原植被恢復(fù)重建、土地利用調(diào)整、生態(tài)環(huán)境評價和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

    1 研究區(qū)概況

    黃土高原東起太行山,西至青海日月山,南達(dá)秦嶺,北抵陰山,跨山西、陜西、甘肅、青海、寧夏、內(nèi)蒙古及河南7個省區(qū)[11]。該地區(qū)土地總面積約64萬km2,約占全國土地總面積的1/15。黃土高原屬季風(fēng)氣候區(qū),因距海洋較遠(yuǎn)(東距海洋600~1 400 km),大陸性氣候明顯,四季分明,冬季在強(qiáng)盛的極低干冷氣團(tuán)控制下,雨雪稀少,夏季蒙古高壓北移,受西太平洋副熱帶高壓和印度洋低壓影響,盛行東南、西南季風(fēng),雨水增多,干濕差異大,溫度變化劇烈,年平均氣溫為6~14℃。該區(qū)域多年平均降雨量300~700 mm,由東南向西北遞減,7—9月降雨量占年降雨總量的60% ~70%,降雨集中且多暴雨,導(dǎo)致土壤侵蝕強(qiáng)烈。黃土高原的植被與氣候區(qū)域變化相適應(yīng),由東南向西北大體可劃分為森林帶、森林草原帶、草原帶和荒漠草原帶。自然植被破壞比較嚴(yán)重。森林僅在山地有連片分布,以次生林為主,多山楊(Populus davidiana)、樺木(Betula spp)林,個別保存較好的天然林有油松(Pinus tabuliformis)林或華山松(Pinus armandi Franch)林、遼東棟(Quercus liaotungensis)林及樺木(Betula spp)林。草原植被分布廣泛,主要植物群系有茭蒿(Artemisia giraldii Pamp)、鐵桿蒿(Artemisia sacrorum Ledeb)、冷蒿(Artemisia frigida Willd.Sp.Pl.)、百里香(Thymus mongolicus)等[12-13]。

    2 研究方法

    2.1 數(shù)據(jù)來源

    使用空間分辨率為30 m的數(shù)字高程數(shù)據(jù)(DEM),該數(shù)據(jù)源自中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站。土地利用數(shù)據(jù)源自中國1∶25萬土地覆蓋遙感調(diào)查與監(jiān)測數(shù)據(jù)庫,分別為1985和2005年2期土地利用數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合陸地生態(tài)系統(tǒng)特點的遙感土地覆蓋分類系統(tǒng),將土地利用類型分為森林、草地、農(nóng)田、荒漠、聚落和濕地+水體6種一級類型[14]。

    2.2 空間分析

    由于所獲得的數(shù)字高程數(shù)據(jù)包括研究區(qū)域且大于研究區(qū)域覆蓋面積,因此,先將得到的數(shù)字高程數(shù)據(jù)在GIS技術(shù)的支持下進(jìn)行拼接,再以黃土高原邊界圖為基礎(chǔ)進(jìn)行裁切。利用遙感圖像分析得到的1985和2005年的土地利用/覆被數(shù)據(jù),運(yùn)用空間疊加分析的方法,得到黃土高原地區(qū)土地利用變化的變化信息,并生成專題圖[15]。

    2.3 數(shù)據(jù)分析

    2.3.1 單一土地利用類型動態(tài)度和空間動態(tài)度

    1)單一土地利用類型動態(tài)度是對區(qū)域在一定的研究時段內(nèi)某一種土地利用類型數(shù)量的變化情況進(jìn)行分析的方法[16],其表達(dá)式為

    式中:Ki為研究時段內(nèi)第i類土地利用類型的單一土地利用動態(tài)度;A(i,t1)為研究初期階段第i類土地利用類型的面積,hm2;A(i,t2)為研究期末第i類土地利用類型的面積,hm2;t為研究時段長,a,即t2-t1。

    2)空間動態(tài)度表示測算土地利用動態(tài)變化的空間過程和強(qiáng)烈程度[17],可表示為

    2.3.2 綜合土地利用動態(tài)度 綜合土地利用動態(tài)度是研究區(qū)內(nèi)土地利用類型變化劇烈程度的綜合表達(dá)[19],可表示為

    式中K為綜合土地利用動態(tài)度。

    2.3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評價方法

    1997年R.Costanza等的研究成果科學(xué)地明確了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估的原理與方法[20],但在研究中,某些數(shù)據(jù)與實際還存在較大偏差,引發(fā)了國內(nèi)外學(xué)者廣泛的討論[21-22]。謝高地等[23]根據(jù)中國陸地生態(tài)系統(tǒng)的實際情況,制定出中國不同陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值表。筆者根據(jù)謝高地等[24]的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的區(qū)域修正系數(shù),結(jié)合黃土高原地區(qū)的實際情況,確定了整個黃土高原的區(qū)域修正系數(shù)為0.60,制定了整個黃土高原土地利用方式的生態(tài)服務(wù)價值當(dāng)量表(表1);同時,運(yùn)用Costanza的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值公式,計算黃土高原地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值。其公式為

    式中:V為研究區(qū)年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值,元/a;VCi為第i類土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量,元/(hm2·a);A2i為第i類土地利用類型的面積。

    各種土地利用類型貢獻(xiàn)率為

    式中:Ri為第i類土地利用類型在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值中的貢獻(xiàn)率;Vi為第i類土地利用類型的年生態(tài)服務(wù)價值,元/a。

    表1 黃土高原單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值表Tab.1 Ecosystem services value per unit area of different ecosystem types in the Loess Plateau yuan/(hm2·a)

    3 結(jié)果與分析

    3.1 土地利用/覆被轉(zhuǎn)移變化過程分析

    利用ArcGIS軟件對1985和2005年土地利用圖進(jìn)行疊加計算,得出研究時段內(nèi)土地利用類型之間的面積轉(zhuǎn)移矩陣(表2)。黃土高原地區(qū)1985和2005年土地利用見圖1。

    從表2和圖2可以看出:研究時段內(nèi),森林、聚落和濕地+水體的面積在增加,其他3個土地利用類型的面積不同程度地在減少。這6種土地利用類型各自流失的面積由大到小的順序依次為草地>農(nóng)地>荒漠>森林>濕地+水體>聚落,6種土地利用類型各自流入的面積由大到小的順序依次為草地>農(nóng)地>森林>聚落>荒漠>濕地+水體。森林和草地的轉(zhuǎn)入面積為9 690.02 km2,轉(zhuǎn)出面積為9 310.33 km2,農(nóng)地的轉(zhuǎn)入面積為 5 637.18 km2,轉(zhuǎn)出面積為7 651.22 km2;因此,林草地面積總體在增加,而農(nóng)地面積總體在減少。

    表2 黃土高原土地利用面積轉(zhuǎn)移矩陣Tab.2 Cross tabulation matrix of land use area of Loess Plateau km2

    圖1 黃土高原地區(qū)1985和2005年土地利用圖Fig.1 Land use map of Loess Plateau in 1985 and 2005

    3.2 土地資源數(shù)量變化

    根據(jù)式(1)、(2)和(3)計算得到黃土高原地區(qū)單一土地利用類型動態(tài)度、空間動態(tài)度和綜合動態(tài)度值(表3)。

    表3 黃土高原1985—2005土地利用動態(tài)度Tab.3 Dynamic degrees of land use in Loess Plateau between 1985 and 2005 %

    依據(jù)表3可知,黃土高原地區(qū)1985—2005年,土地利用類型中草地的單一動態(tài)度值最小,平均每年的轉(zhuǎn)移率為-0.023%。說明在研究時段內(nèi)草地向其他類型的轉(zhuǎn)移量很小,是最穩(wěn)定的土地利用類型。而最活躍的土地利用類型為聚落,平均年變化率為1.279%。

    黃土高原地區(qū)1985—2005年的土地利用類型變化中,聚落的空間動態(tài)度值最大,濕地+水體次之,表明在研究時段內(nèi),其他土地類型向聚落和濕地+水體的轉(zhuǎn)移程度劇烈,幅度很大,空間上呈現(xiàn)擴(kuò)張的發(fā)展趨勢。

    3.3 黃土高原土地利用變化引起生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化

    如表4所示,1985年黃土高原地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值為3 048億1 187萬元,2005年為3 053億863萬元,20年間增加4億9 676萬元,約0.01%。1985—2005年,草地、農(nóng)地、聚落和荒漠的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值均在減少,其中,農(nóng)地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值減少量最大,而森林和濕地+水體的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值在增加,其中森林的服務(wù)價值增加更多。森林和濕地+水體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的增加值不僅抵消了其他土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的減少值,還使總的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值增加。

    在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值組成中,森林的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值最大,2005年為1 029億6 065萬元,其次是草地;但是,比較2005年森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值占總價值的比例和森林面積占總區(qū)域面積的比例可以看出,森林的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值約為總價值的34%,而森林的面積約占總面積的14%。雖然草地面積比例最大,約為43%,但其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值占總價值的比例僅約為33%。造成這種現(xiàn)象的原因在于不同土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)存在差異。雖然草地、農(nóng)地等利用類型的面積在減少;但由于森林、濕地+水體的生態(tài)價值系數(shù)較高,如濕地+水體生態(tài)價值系數(shù)是草地的近8倍(表2),因此,森林和濕地+水體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的增加值抵消了草地、農(nóng)地等減少的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值,使得總價值增加了。

    表4 1985—2005年各土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總量及其貢獻(xiàn)率Tab.4 Ecosystem service values and contribution rates of land use types from 1985 to 2005

    黃土高原地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能變化情況見表5。可以看出,1985—2005年,黃土高原地區(qū)除了在廢物處理和食物生產(chǎn)方面生態(tài)服務(wù)功能有所減少外,其余生態(tài)服務(wù)功能都有所增加,其中原材料增加最大,其次是水源涵養(yǎng)和氣體調(diào)節(jié),分別占總變化量的41.66%、39.95%和39.11%。這是由于原材料、水源涵養(yǎng)和氣體調(diào)節(jié)功能的實現(xiàn)主要是由森林、草地和濕地+水體來提供的,雖然草地面積所占比例最大,且在減少;但由于其生態(tài)服務(wù)價值系數(shù)遠(yuǎn)小于森林和濕地+水體,從而抵消了草地減少造成原材料、氣體調(diào)節(jié)和水源涵養(yǎng)服務(wù)功能的下降,并且使這些類型的服務(wù)功能價值總體上呈現(xiàn)增加。土壤形成與保護(hù)、氣候調(diào)節(jié)、娛樂文化和生物多樣性保護(hù)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能均與森林和濕地+水體相關(guān),因此,森林和濕地+水體面積的增加使與其相關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能值增加,進(jìn)而使生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能增加;然而,由于聚落面積的劇烈增加使廢物處理生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能大量減少,食物生產(chǎn)主要是由農(nóng)地提供的,研究時段內(nèi),農(nóng)地面積在減少,因此,食物生產(chǎn)功能是減少的。

    表5 1985—2005年黃土高原地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能變化情況Tab.5 Changes of ecosystem service function values in Loess Plateau from 1985 to 2005 108yuan

    3.4 黃土高原生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)和機(jī)制探討

    生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值化是確定生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)和依據(jù)[25]?;谝陨蠈ι鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的分析,結(jié)合黃土高原實際情況,確定生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)。

    由于國家在黃土高原地區(qū)施行退耕還林(草)等環(huán)境保護(hù)政策,該地區(qū)20年間,森林面積增加1 557.12 km2,引起生態(tài)服務(wù)價值增加18億5 535萬元,農(nóng)地面積減少2 258.64 km2,生態(tài)服務(wù)價值減少7億3 887萬元,總的生態(tài)服務(wù)價值增加了約5億元。

    退耕還林(草)使研究區(qū)的生態(tài)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)建設(shè)得到了巨大的效益;因此,在進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)償時需要依據(jù)“誰污染誰治理,誰受益誰補(bǔ)償”的原則,從國家保護(hù)生態(tài)環(huán)境和促進(jìn)生態(tài)健康發(fā)展的角度進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)分析。糧食產(chǎn)量按15 000 kg/hm2計算,價格按每50 kg為102元[26]計算,黃土高原地區(qū)農(nóng)地面積減少2 258.64 km2,導(dǎo)致農(nóng)民損失69億1 144萬元;因此,經(jīng)濟(jì)效益轉(zhuǎn)移引起農(nóng)民直接經(jīng)濟(jì)效益減少,國家在確保糧食安全的前提下,為鼓勵農(nóng)民進(jìn)行退耕還林(草),應(yīng)對農(nóng)民進(jìn)行一定的補(bǔ)償。按照20年計算,每年應(yīng)補(bǔ)償農(nóng)民3億4 557萬元。同時,為了使森林的生態(tài)效益功能得到保障,國家還需要給農(nóng)民進(jìn)行管護(hù)成本的補(bǔ)償,按照人工費(fèi)為7 500元/hm2,藥品費(fèi)為200元/hm2計算,得出20年增加的林地面積需要管護(hù)費(fèi)16億3 498萬元;因此,國家每年應(yīng)支付農(nóng)民生態(tài)補(bǔ)償費(fèi)8 175萬元。

    4 結(jié)論與討論

    1)1985—2005年,黃土高原地區(qū)的土地利用類型主要為草地和農(nóng)地,占土地利用方式的75%以上。在國家退耕還林(草)政策的指導(dǎo)下,該地區(qū)農(nóng)地面積總體在減少,森林面積在不斷增加。

    2)草地是黃土高原地區(qū)最穩(wěn)定的土地利用類型,而聚落是最活躍的土地利用類型;聚落和濕地+水體這2種土地利用類型在空間上呈現(xiàn)擴(kuò)張的發(fā)展趨勢。

    3)研究時段內(nèi),黃土高原地區(qū)土地利用變化較快,森林和濕地+水體的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值在增加,草地、農(nóng)地、聚落和荒漠的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值均在減少,但生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總量在增加。除了與聚落、農(nóng)地和荒漠相關(guān)的廢物處理和食物生產(chǎn)服務(wù)功能下降外,其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值均表現(xiàn)為增加。

    4)以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值為依據(jù),初步確定黃土高原的生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)。國家對農(nóng)地減少造成的經(jīng)濟(jì)效益轉(zhuǎn)移,每年應(yīng)給農(nóng)民補(bǔ)償3億4 557萬元,同時,應(yīng)支付農(nóng)民對林地的管護(hù)費(fèi)用為8 175萬元/年。

    在進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)的制定中,只考慮了土地利用中的主要利用方式,即對農(nóng)地減少和管護(hù)林地進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)的計算,而對于其他土地利用變化帶來的生態(tài)效益影響的補(bǔ)償還有待進(jìn)一步完善。

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