基于土地利用變化下的河南省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化與模擬

范欽棟, 馬順興

(1.華北水利水電大學(xué)建筑學(xué)院，河南 鄭州 450011； 2.河南投資集團有限公司，河南 鄭州 450008)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值是指通過生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過程和功能直接或間接提供的生命支持產(chǎn)品(如原材料和食物等)和服務(wù)(如棲息地提供等)，不僅為人類提供了生產(chǎn)生活原料，還創(chuàng)造和維持了地球生命支持系統(tǒng)，形成了人類生存所必需的環(huán)境條件[1].土地利用作為人類最基本的實踐活動，對維持和改變生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能起著決定性的作用[2,3].土地利用變化/覆被變化引起各類生態(tài)系統(tǒng)面積、空間分布格局等的變化，直接導(dǎo)致到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的存在和強度變化[4]，進而對人類生存環(huán)境和健康與否產(chǎn)生影響.目前，全球環(huán)境惡化日趨，土地利用/覆被變化背景下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(LUCC)已經(jīng)成為全球環(huán)境變化的核心研究領(lǐng)域之一，研究土地利用/覆蓋背景下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化對維持人類環(huán)境健康，促進區(qū)域生態(tài)建設(shè)，研究區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[5，6]. 前期的一些研究集中在定性分析土地利用變化和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的關(guān)系，近期在 3S技術(shù)的支持下，國內(nèi)外研究逐步開始采用數(shù)學(xué)模型對土地利用覆蓋變化和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化進行具體的計算和模擬[7，8].長期以來，政策制定者在制定土地相關(guān)政策時，由于對土地利用覆蓋背景下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化缺乏有效的評估和預(yù)測方法，在經(jīng)濟效益和環(huán)境價值的比選中常常無法得到科學(xué)的權(quán)衡方案.政策的經(jīng)濟價值的預(yù)測相對成熟，而生態(tài)服務(wù)價值的評估仍處于探討階段[9].隨著土地利用方式的改變，景觀異質(zhì)性也發(fā)生了重大改變，景觀生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的功能和穩(wěn)定性產(chǎn)生了巨大的影響[10]，研究其土地利用背景下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響有著代表性的意義.本研究以河南省為例，結(jié)合土地利用等數(shù)據(jù)，采用數(shù)學(xué)模型對土地利用變化/覆被變化背景下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化進行分析，并對其模擬預(yù)測，以期提高公眾的生態(tài)保護意識，同時為區(qū)域土地資源的可持續(xù)利用、生態(tài)環(huán)境健康與經(jīng)濟建設(shè)的政府決策權(quán)衡提供依據(jù).

1 研究區(qū)概況

河南位于中國中東部，北緯31°23′～ 36°22′，東經(jīng)110°21′～ 116°39′.地勢西高東低，北、西、南3面千里太行山脈、伏牛山脈、桐柏山脈、大別山脈沿省界呈半環(huán)形分布；中、東部為華北平原南部；西南部為南陽盆地，跨越黃河、淮河、海河、長江4大水系，山水相連.國土面積16.7萬km2，居全國省區(qū)市第17位，約占全國總面積的1.73%.在全省面積中，山地丘陵面積7.4萬km2，占全省總面積的44.3%；平原和盆地面積9.3萬km2，占全省總面積的55.7%.復(fù)雜多樣的土地類型為農(nóng)、林、牧、漁業(yè)的綜合發(fā)展提供了有利的條件.

2 研究方法

2.1數(shù)據(jù)來源和數(shù)據(jù)處理

河南省2000年地圖數(shù)據(jù)采用當(dāng)時土地利用圖。2010年地圖采用1∶10 000的地形圖為幾何校正的主控圖件，采用控制點校正方式對TM影像數(shù)據(jù)進行幾何校正，精度控制在0.5個像元以內(nèi)，然后實地進行重采樣對比，吻合度達到87%以上.結(jié)合中國土地利用現(xiàn)狀分類標準，本研究將河南省土地分為：耕地、林地、草地、水域、居民工礦用地和未利用地6類.

2.2生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值計算方法及模型

研究區(qū)不同土地利用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)參照COSTANZA等[1]的文獻，分為氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)、土壤形成與保護、廢物處理、生物多樣性保護、食物生產(chǎn)、原材料和娛樂文化9類.河南省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量因子參考文獻[11]的中國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量因子表，同時根據(jù)生態(tài)服務(wù)價值的區(qū)域修正系數(shù)(河南省為 1.39)[11，12]，制定河南省不同土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)單位價值表(表1).

表1 河南省不同土地利用類型單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值

利用公式(1)～(3)計算各個土地利用類型的服務(wù)價值、各項服務(wù)功能的價值和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的總價值[1].

(1)

(2)

(3)

2.3土地利用類型及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化預(yù)測模型

目前土地利用變化和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估多集中于對以往或當(dāng)前的變化進行描述，缺乏對未來土地利用及生態(tài)價值變化的評估，馬爾柯夫過程可以預(yù)測在未來土地利用類型以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化[13].假設(shè)保持當(dāng)前人為影響不變的情況下，土地利用變化滿足平穩(wěn)的馬爾可夫鏈，未來土地利用類型變化即相互轉(zhuǎn)換的面積數(shù)量或比例即可通過馬爾柯夫轉(zhuǎn)移概率進行描述，具體公式如(4)，(5).

(4)

st=s0×P

(5)

式中：P為轉(zhuǎn)移概率矩陣,pij為第i類土地類型轉(zhuǎn)化為第j類土地類型的概率；n為土地利用類型數(shù)，st預(yù)測t時間段后的土地利用類型面積矩陣，s0為初始狀態(tài)面積矩陣.根據(jù)面積轉(zhuǎn)移的變化，可以預(yù)測若干時間段后土地利用類型的面積變化.

3 結(jié)果與分析

3.1土地利用類型變化

利用2期的土地利用類型圖，在地理信息技術(shù)平臺支持下對2000年及2010年的河南省土地利用類型變化進行統(tǒng)計，結(jié)合表1和公式(1),(2),(3)得出河南省土地利用類型變化(表2).由表2看出，2000—2010年間，各種土地利用類型變化不大.自然發(fā)展為主的土地利用類型(草地、林地、水域、未利用地)除林地外均在減少，即自然資源比例逐漸降低，但降低速率較低，林地的增加與同時期林業(yè)的重視和植樹造林活動相關(guān).居民工礦用地和耕地2種人工干涉較多的土地類型比例均在增加，居民工礦用地增加最快，增加面積約1 195.7 km2.未利用地變化最大，且為負值，說明土地利用強度增大，未利用土地持續(xù)被開發(fā).

3.2不同土地類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化與分析

單項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化如表3所示.自2000—2010年，各單項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值整體處于下降趨勢，反映了河南省整體生態(tài)環(huán)境的退化，其中原材料和土壤形成與保護的價值基本維持不變，原材料價值在河南省主要以糧食生產(chǎn)價值為主，雖然表3所示耕地面積有所增加，但河南省整體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力的退化導(dǎo)致其生產(chǎn)能力的降低使其總值基本維持不變.單項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值中變化最大的是廢物處理，即環(huán)境的凈化能力降低最多，與河南省此時間段內(nèi)環(huán)境質(zhì)量下降的現(xiàn)狀吻合.

表2 河南省2000—2010年土地利用/覆蓋變化

表3 河南省2000—2010年不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值構(gòu)成及變化

3.32020年土地利用類型及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化預(yù)測

在地理信息系統(tǒng)技術(shù)平臺的支持下，對2000—2010年的影像進行處理，得出此時間段內(nèi)各種土地利用類型之間的相互轉(zhuǎn)換變化如表4所示.據(jù)表4求出各個土地類型之間的轉(zhuǎn)化概率.在人為影響不變的情況下，根據(jù)其轉(zhuǎn)化概率采用馬爾柯夫原理對2020年的土地利用類型面積進行預(yù)測，結(jié)果如表5所示.對2020年的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化進行預(yù)測并與2000年和2010年的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進行比較，結(jié)果如表6所示.

據(jù)馬爾柯夫原理預(yù)測結(jié)果2020年耕地、未利用地的面積略為減少，草地、水域面積持續(xù)降低，林地面積變化不大.隨著土地利用強度的加大，未利用土地面積持續(xù)減小，但是由于其所占比例過低，可開發(fā)利用余地不大，因此面積減小不大.林地和草地之間的面積轉(zhuǎn)化相對較大，居民工礦用地小幅增加，均為其他類型土地轉(zhuǎn)化而來，本身并未轉(zhuǎn)化為其他用地.水域的減小主要受耕地的侵占為主，側(cè)面反映了干旱情況的加劇和耕地面積的擴大.

表4 河南省2000—2010年土地類型轉(zhuǎn)化面積

表5 河南省2000,2010,2020年土地利用類型面積

由表6可以看出，河南省總體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值呈下降趨勢，從2000年的15.6×1010元到2020年的14.6×1010降低了約7%，其中水域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值降低最多.結(jié)合表6，水域的面積占河南省面積比值較低，對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的價值貢獻較高.其他各項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值基本不變或略有下降.

表6 河南省2000,2010,2020生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值

4 結(jié)論與討論

1)河南省在2000，2010和2020年間隨著社會的發(fā)展，土地利用強度持續(xù)增大，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值逐年降低.

2)單位以及總體水域面積的減小帶來的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值降低值在所有土地類型中最高，反映了水域面積在維持河南省2000—2020年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值中的重要性和敏感性.同時，根據(jù)馬爾柯夫面積轉(zhuǎn)移矩陣分析，水域面積的減小部分大多轉(zhuǎn)化為耕地面積，這側(cè)面反映了河南省干旱程度的加劇即低水位地區(qū)轉(zhuǎn)化為水田，水田轉(zhuǎn)化為旱地的趨勢.

3)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標的整體降低中，廢物處理價值降低值最高，這與環(huán)境對社會提供的生態(tài)效益的不堪重負現(xiàn)狀吻合.隨著河南省人口的增加和經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，人類社會對環(huán)境凈化能力的要求逐漸增強，環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能逐年降低，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和社會發(fā)展的矛盾日益尖銳.政府在進行經(jīng)濟建設(shè)的同時必須對經(jīng)濟效益值和生態(tài)服務(wù)價值進行權(quán)衡，保證環(huán)境和經(jīng)濟健康發(fā)展.

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