楊永菊等
摘要:基于1990、2000、2008年3個(gè)時(shí)期遙感影像數(shù)據(jù),估算了渭干河流域不同時(shí)期的土地利用程度與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,并利用ArcGIS空間分析功能對(duì)其空間特征與動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行分析,探討二者的相互關(guān)系。結(jié)果表明,①流域未利用地面積較大導(dǎo)致土地利用程度較低。1990~2008年流域平均土地利用程度綜合指數(shù)為0.331 5,上、中、下游依次升高,該指數(shù)總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì),年均增長(zhǎng)0.23%,變化動(dòng)態(tài)度由大到小依次為下游、中游和上游。②1990、2000和2008年流域總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值分別為2 722 484萬(wàn)、2 709 389萬(wàn)和2 662 851萬(wàn)元,總體有所下降,林地、草地、沼澤面積的減少是其主要原因。下游未利用地面積小、林地比重較大,其單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值為流域最高。研究期間上游生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值略有增加,下游降幅較大。③生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值隨土地利用程度的加劇先增后減,增長(zhǎng)期主要由于未利用地比重減小,減少期則表現(xiàn)為建設(shè)用地比重的增大,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值增加區(qū)域主要分布在流域上、中游,減少區(qū)域則中游略多于上游和下游。
關(guān)鍵詞:土地利用程度;生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值;時(shí)空變化;動(dòng)態(tài)度;渭干河流域
中圖分類號(hào):X37;F301.24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):0439-8114(2014)02-0277-06
Relationships between Land Use Degree and Ecosystem Service Values
in the Weigan River Basin
YANG Yong-ju1,QIAO Xu-ning1,2,TANG Hong3,QIAO Xu-ming4,NIE Xiao-jun1,WANG Rui1
(1.School of Surveying and Land Information Engineering, Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454003,Henan, China; 2. Xinjiang Institute of Ecology and Geography, CAS, Urumqi 830011,China; 3. Rural Development Research Center of Sichuan Province,Sichuan Agricultural University,Chengdu 611130,China; 4.Center of Survey, Henan Bureau of Statistics,Zhengzhou 450008,China)
Abstract: Based on the remote sensing images of 1990, 2000 and 2008, the land use degree and ecosystem services value of the Weigan River Basin was calculated, and the temporal and spatial variation and relationship in 1990-2008 was analyzed by the module of spatial analysis in ArcGIS. The results showed that the average composite index of land use degree in 1990~2008 was 0.331 5, increasing from 1990 to 2008 with an average growth rate of 0.23%. The lower index was because of the larger area of unused land. The average composite index was higher in downstream and lower in upper stream. Dynamic degree index was on the same trend. The total value of ecosystem services of area studied in 1990, 2000 and 2008 were 272.248 4×108 yuan, 270.938 9×108 yuan and 266.285 1×108 yuan which showed a trend of decline. The main reasons were the reducing of forest land, meadowland and wetland area. The value of ecosystem services per unit area in downstream was more than that of upper stream and middle reaches because of the larger forest land area and smaller unused land area. The ecosystem services value in upper stream increased slightly and downstream showed a larger decline. With the increase of land use degree, the ecosystem services value increased first and then decreased. The growth period was mainly due to the decline in proportion of unused land area, and the increasing in proportion of construction land area was the main reason in decline period. The spatial difference in change of land use degree was insignificant. The regions with increasing ecosystem services value were mainly located at upper stream and middle reaches, while the regions with reducing ecosystem services value in middle reaches was more than that of upper stream and downstream.
Key words: land use degree; ecosystem service values; spatial-temporal change; dynamic degree index; Weigan river basin
生態(tài)系統(tǒng)是復(fù)雜的生命支持系統(tǒng),為人類提供了賴以生存的自然環(huán)境和多種生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)品與功能[1,2],生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其價(jià)值核算成為生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)研究的熱點(diǎn)。土地利用作為人類最基本的實(shí)踐活動(dòng),其變化改變了生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),影響著生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能[3-5]。Costanza等[6]提出了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的定量評(píng)價(jià)模型,國(guó)內(nèi)學(xué)者謝高地等[7]在此基礎(chǔ)上制定了“中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子表”,使得生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的估算更具操作性。大量學(xué)者采用該方法對(duì)不同區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行了估算[8-11],探討其與土地利用變化、城市化、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的關(guān)系[12-14],取得了豐富的研究成果;也有學(xué)者運(yùn)用相關(guān)分析方法探討了土地利用程度與生態(tài)安全[15]和生態(tài)效率[16]之間的關(guān)系,但針對(duì)土地利用程度與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值之間關(guān)系的研究相對(duì)較少。土地利用程度反映土地利用的經(jīng)濟(jì)效率,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值則是土地利用生態(tài)效率的一個(gè)反映,通過二者相互關(guān)系的研究,有助于全面分析區(qū)域土地利用變化所產(chǎn)生的多重效應(yīng),揭示由土地利用所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效應(yīng)的作用關(guān)系。渭干河流域是新疆重要的糧棉主產(chǎn)區(qū)[17],隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,流域的土地利用開發(fā)強(qiáng)度和利用程度加劇,對(duì)流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值產(chǎn)生了較大影響[18,19]。本研究在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上,以渭干河流域?yàn)檠芯繀^(qū),基于流域1990、2000、2008年3個(gè)時(shí)期的遙感影像數(shù)據(jù)分析了土地利用程度的變化過程,并估算了不同時(shí)期的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值及變化特征,以此為基礎(chǔ)分析土地利用程度與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的作用關(guān)系。研究有利于從流域尺度揭示多功能土地利用與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)形成與維持之間的關(guān)系,對(duì)理清土地類型轉(zhuǎn)換、影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的機(jī)理有著重要意義。
1 研究區(qū)概況
渭干河流域地處天山山脈中段南麓、塔里木盆地北部,行政區(qū)屬阿克蘇地區(qū),轄拜城縣、新和縣、庫(kù)車縣大部分、沙雅縣大部分及溫宿縣部分區(qū)域,流域總面積27 849 km2。地域廣闊,按地形地貌可分為北部山區(qū)、中部山間盆地和南部沖洪積平原三大地貌單元。流域冬冷夏涼,晝夜溫差和氣溫年內(nèi)變化大,多年平均氣溫7.5 ℃。降水時(shí)空分布不均,山區(qū)大于平原,降水量自北向南、自西向東遞減。流域水資源豐沛,但年內(nèi)季節(jié)分配極為不均,夏季水量多、變化大,冬季水量小但較為穩(wěn)定。根據(jù)渭干河流域水資源利用分區(qū),拜城縣、溫宿縣范圍為流域上游,庫(kù)車縣、新和縣范圍為中游,沙雅縣范圍為下游(圖1)。
2 數(shù)據(jù)來源與研究方法
2.1 數(shù)據(jù)來源
以新疆1990年土地利用本底數(shù)據(jù)庫(kù)、2000年TM影像(空間分辨率30 m)和2008年Quick Bird遙感影像(空間分辨率0.6 m)為基本數(shù)據(jù)源,利用新疆縣界矢量圖、新疆地形圖、渭干河流域分區(qū)圖等輔助數(shù)據(jù),經(jīng)過ArcGIS和Erdas等軟件的處理、判別與解譯,并結(jié)合統(tǒng)計(jì)年鑒等相關(guān)資料進(jìn)行校對(duì)修正。
2.2 研究方法
2.2.1 土地利用程度計(jì)算方法 土地利用程度變化可以反映不同區(qū)域的自然基礎(chǔ)對(duì)土地利用的制約,也可以反映人類對(duì)土地的開發(fā)利用程度,進(jìn)而表示人類對(duì)不同類型生態(tài)系統(tǒng)造成的影響。參照文獻(xiàn)[20-22]的土地利用程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級(jí)(表1),計(jì)算渭干河流域的土地利用程度綜合指數(shù),以量化土地利用程度的高低。計(jì)算公式如下:
式(1)中,D表示土地利用程度綜合指數(shù);Ai為第i級(jí)土地利用程度分級(jí)指數(shù);CCi為第i級(jí)土地利用面積;HJ為土地利用評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)土地的總面積。
2.2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值計(jì)算模型 根據(jù)流域土地資源特征,參照中國(guó)《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》和Costanza等[6]、謝高地等[7]采用的土地分類系統(tǒng),將流域土地利用類型劃分為林地、草地、耕地、沼澤、水域、未利用地和建設(shè)用地7個(gè)類別。采用Costanza等[6]提出的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估方法和謝高地等[7]2007年基于500份調(diào)查問卷修訂后的中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子表估算流域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料,渭干河流域1990~2008年平均糧食單產(chǎn)為
3 結(jié)果與分析
3.1 土地利用程度變化分析
渭干河流域土地利用類型以草地和未利用地為主,研究期間二者所占比重分別在34%和45%以上,在流域總面積中占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì),未利用地面積比重較大導(dǎo)致流域的土地利用程度較低。根據(jù)公式(1)算得流域1990、2000、2008年3個(gè)時(shí)期的土地利用程度綜合指數(shù)分別為0.422 6、0.423 8和0.440 5,流域平均土地利用程度綜合指數(shù)為0.331 5,上、中、下游土地利用程度綜合指數(shù)依次升高(表3)。上游地區(qū)土地面積占流域總面積的62.96%,其中林地、草地、水域等生態(tài)用地類型面積均較大,尤其是土地利用程度較低的未利用地比重遠(yuǎn)大于下游地區(qū),而建設(shè)用地、耕地等土地利用程度較高的地類所占比重則較低,導(dǎo)致其土地利用程度綜合指數(shù)較低,1990~2008年上游土地利用程度綜合指數(shù)平均值僅為0.266 3。下游地區(qū)主要是沙雅縣城及周邊人類活動(dòng)較多的區(qū)域,建設(shè)用地比重遠(yuǎn)大于中、上游,耕地面積比重在50%左右,未利用地和濕地比重則很小,分別低于4.25%和0.02%,故土地利用程度綜合指數(shù)較高,3個(gè)時(shí)期均值為0.618 2。中游地區(qū)未利用地比重較大導(dǎo)致其土地利用程度綜合指數(shù)也相對(duì)較低。
由于流域土地開發(fā)利用程度的加劇,近年來耕地與建設(shè)用地面積迅速增加,未利用地比重有所下降,土地利用程度綜合指數(shù)總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì),年均增長(zhǎng)0.23%。整個(gè)研究時(shí)段內(nèi),上、中游的土地利用程度綜合指數(shù)均呈增長(zhǎng)趨勢(shì),下游地區(qū)則前期略有降低,后期大幅增長(zhǎng),土地利用程度動(dòng)態(tài)度由大到小依次為下游、中游和上游地區(qū)。
3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值特征分析
3.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的動(dòng)態(tài)變化 草地、林地和耕地是流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的主要構(gòu)成部分,其中草地面積比重較大,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)較高,在總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值中占絕對(duì)比重,1990、2000、2008年草地所占比例分別為57.84%、57.48%和55.65%。沼澤、水域和林地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)遠(yuǎn)大于未利用地,3種土地類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值占流域總價(jià)值的比例遠(yuǎn)大于其面積所占比例,研究期間未利用地面積比例均大于45%,但其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值比例均小于9%。
1990、2000和2008年流域總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值分別為2 722 484萬(wàn)、2 709 389萬(wàn)和2 662 851萬(wàn)元,流域總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值呈現(xiàn)下降趨勢(shì),1990~2008年流域總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值減少了59 633萬(wàn)元,年均下降0.12%,流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值減幅最大的是沼澤,其次為林地,增幅較大的是耕地和水域。林地、草地、沼澤面積的減少是流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值損失的主要原因,耕地和水域面積的增加則在一定程度上補(bǔ)償了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的部分損失,流域整體的土地利用類型變化趨勢(shì)是其他類型土地向耕地轉(zhuǎn)變。
不同時(shí)段流域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化速度不同。1990~2000年流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值減幅最大的是林地,其次是草地,這一時(shí)期耕地、沼澤和水域面積均有所增加,削弱了流域總的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的減少幅度,年均降幅為0.05%。2000~2008年,耕地、水域面積增加幅度大于前期,但林地、草地面積減少幅度也較大,且沼澤面積由前期的增加變?yōu)闇p少,流域總的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值有較大幅度的減少,年均降幅為0.22%。
3.2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的空間差異
3.3.2 土地利用程度與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的動(dòng)態(tài)關(guān)系
4 結(jié)論
基于1990、2000、2008年3個(gè)時(shí)期的遙感影像圖,分析渭干河流域土地利用程度與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的時(shí)空變化特征,并基于格網(wǎng)劃分探討二者的相互關(guān)系,得出以下結(jié)論。
1)流域未利用地面積較大導(dǎo)致土地利用程度較低,1990~2008年平均土地利用程度綜合指數(shù)為0.331 5,上、中、下游依次升高,分別為0.266 3、0.402 5、0.618 2。未利用地、林地、草地、水域面積比重較大導(dǎo)致上游土地利用程度較低,下游建設(shè)用地和耕地比重較大、未利用地面積小,故其土地利用程度較高。由于流域土地開發(fā)利用程度的加劇,耕地與建設(shè)用地面積迅速增加,未利用地比重有所下降,土地利用程度綜合指數(shù)總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì),年均增長(zhǎng)0.23%,變化動(dòng)態(tài)度由大到小依次為下游、中游和上游。
2)草地、林地和耕地是流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的主要構(gòu)成部分,1990、2000、2008年流域總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值分別為2 722 484萬(wàn)、2 709 389萬(wàn)和2 662 851萬(wàn)元,總體有所下降,其主要原因是林地、草地、沼澤面積的減少。上、中、下游的草地提供的生態(tài)服務(wù)價(jià)值均最多,下游未利用地面積小、林地比重較大,故其單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值為流域最高。1990~2008年上、中、下游的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值動(dòng)態(tài)度分別為0.03%、-0.23%和-0.76%,上游略有增加,下游降幅較大。
3)隨著土地利用程度的加劇,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值先增后減,波峰位于土地利用程度綜合指數(shù)為0.5左右,前期主要是未利用地比重減小,后期則表現(xiàn)為建設(shè)用地比重的增加。未利用地比重較大的區(qū)域其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與土地利用程度均較低,該類區(qū)域的比例最大,達(dá)40%以上。土地利用程度變化的空間差異不大,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值增加的區(qū)域主要分布在流域上、中游,減少區(qū)域的空間分布差異不大,中游略多于上游和下游。未利用地面積減少使得生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值增加,耕地增加、林地和草地減少導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值下降,耕地和建設(shè)用地面積增加則是土地利用程度加劇的主要原因。
4)流域應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)并重,依據(jù)流域生態(tài)服務(wù)功能及未來用地需求,制定嚴(yán)格的土地開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策,以保障流域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。不應(yīng)盲目開墾耕地,尤其要防止林地和草地向耕地的轉(zhuǎn)變;保護(hù)和恢復(fù)流域生態(tài)環(huán)境,使未利用地向草地和林地轉(zhuǎn)變。中下游地區(qū)應(yīng)注重林地的保護(hù),提高區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。
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[17] 滿蘇爾·沙比提,阿布拉江·蘇萊曼.渭干河—庫(kù)車河三角洲綠洲農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害及減災(zāi)對(duì)策分析[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào),2002, 11(4):90-95.
[18] 張 飛,塔西甫拉提·特依拜,丁建麗,等.塔里木盆地北緣綠洲土地利用與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的時(shí)空變化研究——以渭干河-庫(kù)車河三角洲綠洲為例[J].中國(guó)沙漠,2009,29(5):933-941.
[19] 滿蘇爾·沙比提,楚新正.新疆渭干河—庫(kù)車河三角洲綠洲土地利用時(shí)空變化特征分析[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2007,25(4):12-18.
[20] 劉紀(jì)遠(yuǎn).中國(guó)資源環(huán)境遙感宏觀調(diào)查與動(dòng)態(tài)研究[M].北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社,1996.
[21] 周德成,羅格平,尹昌應(yīng),等.近50 a阿克蘇河流域土地利用/覆被變化過程[J].冰川凍土,2010,32(2):275-284.
[22] 葉敏婷,王仰麟,彭 建,等.基于SOFM網(wǎng)絡(luò)的云南省土地利用程度類型劃分研究[J].地理科學(xué)進(jìn)展,2007,26(2):97-105.
[23] 王宗明,張 柏,張樹清.吉林省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化研究[J].自然資源學(xué)報(bào),2004,19(1):55-61.
[24] 李傳哲,于福亮,劉 佳,等.近20年來黑河干流中游地區(qū)土地利用/覆被變化及驅(qū)動(dòng)力定量研究[J].自然資源學(xué)報(bào),2011, 26(3):353-363.
(責(zé)任編輯 呂海霞)
[8] 趙景柱,徐亞駿,肖 寒,等.基于可持續(xù)發(fā)展綜合國(guó)力的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)價(jià)研究——13個(gè)國(guó)家生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的測(cè)算[J].系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐,2003(1):121-127.
[9] 岳書平,張樹文,閆業(yè)超.東北樣帶土地利用變化對(duì)生態(tài)服務(wù)價(jià)值的影響[J].地理學(xué)報(bào),2007,62(8):879-886.
[10] 肖 玉,謝高地,安 凱.莽措湖流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能經(jīng)濟(jì)價(jià)值變化研究[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2003,14(5):676-680.
[11] 周德成,羅格平,許文強(qiáng),等.1960—2008年阿克蘇河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值動(dòng)態(tài)[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2010,21(2):399-408.
[12] 孫慧蘭,李衛(wèi)紅,陳亞鵬,等.新疆伊犁河流域生態(tài)服務(wù)價(jià)值對(duì)土地利用變化的響應(yīng)[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2010,30(4):887-894.
[13] 胡和兵,劉紅玉,郝敬鋒,等.城市化對(duì)流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間異質(zhì)性的影響——以南京市九鄉(xiāng)河流域?yàn)槔齕J].自然資源學(xué)報(bào),2011,26(10):1715-1725.
[14] 蘇 飛,張平宇.基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化的環(huán)境與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展評(píng)價(jià)——以大慶市為例[J].地理科學(xué)進(jìn)展,2009,28(3):471-477.
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[18] 張 飛,塔西甫拉提·特依拜,丁建麗,等.塔里木盆地北緣綠洲土地利用與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的時(shí)空變化研究——以渭干河-庫(kù)車河三角洲綠洲為例[J].中國(guó)沙漠,2009,29(5):933-941.
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(責(zé)任編輯 呂海霞)
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[20] 劉紀(jì)遠(yuǎn).中國(guó)資源環(huán)境遙感宏觀調(diào)查與動(dòng)態(tài)研究[M].北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社,1996.
[21] 周德成,羅格平,尹昌應(yīng),等.近50 a阿克蘇河流域土地利用/覆被變化過程[J].冰川凍土,2010,32(2):275-284.
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(責(zé)任編輯 呂海霞)