黃河三角洲季節(jié)性干旱區(qū)土地利用變化及生態(tài)效應(yīng)

李俊翰， 高明秀

(土肥資源高效利用國家工程實驗室/山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東泰安 271018)

土地利用變化既是對經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展所施加作用的映射，又是氣候和生態(tài)環(huán)境變化的重要影響因素，因而成為人類活動與生態(tài)系統(tǒng)相互作用機制研究的橋梁和紐帶[1-2]。土地利用變化的生態(tài)效應(yīng)表現(xiàn)為土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化，可進(jìn)行定量評估[3-6]。隨著全球氣候和環(huán)境變化日益劇烈，土地利用變化及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)愈加引發(fā)關(guān)注，國內(nèi)外學(xué)者從不同時間和空間尺度對土地利用變化及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進(jìn)行研究[5-8]。黃河三角洲是我國重點開發(fā)的河口三角洲之一，經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展，土地利用/覆蓋變化迅速[9]。黃河三角洲是典型的生態(tài)脆弱區(qū)[10]，季節(jié)性干旱特征明顯，在氣候持續(xù)干旱、黃河時常斷流等影響下，人為土地利用變化對該區(qū)生態(tài)的影響更加強烈。本研究旨在針對經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展過程中季節(jié)性干旱區(qū)土地利用變化特征及其引致的生態(tài)效應(yīng)間的關(guān)系問題，以黃河三角洲山東省無棣縣為研究區(qū)，借助RS、GIS技術(shù)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值測算方法，定量分析近20年來研究區(qū)土地利用變化與其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值演變的特征和關(guān)系，探索引致區(qū)域生態(tài)變化的土地利用根源，為協(xié)調(diào)土地利用、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)保護(hù)的關(guān)系提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

無棣縣地處山東省最北部，渤海西南岸，地理坐標(biāo) 117°31′～118°12′E、37°41′～38°18′N，是京津冀和山東半島兩大經(jīng)濟(jì)區(qū)的交匯點，國家和山東省黃河三角洲開發(fā)等多項戰(zhàn)略規(guī)劃疊加區(qū)，縣域土地總面積1 998.12 km2?？h域處于陸海緩沖地帶，地貌以平原為主，自西南向東北依次為黃泛平原、濱海平原和海岸、灘涂，海拔0～8 m，自然坡降 1 ∶10 000。無棣縣屬北溫帶半濕潤大陸性氣候區(qū)，年均氣溫12 ℃左右，年均降水量570.1 mm，年均蒸發(fā)量1 285.5 mm，蒸降比2.3，降水80%集中在夏季，秋冬春3季干旱。淡水資源匱乏，全縣工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活主要依靠引黃供水。地下水水位淺、礦化度高，鹽堿地遍布全境，是黃河三角洲生態(tài)脆弱區(qū)的典型區(qū)域。

1.2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.2.1 土地利用類型劃分 參考全國遙感監(jiān)測土地利用/覆蓋分類體系和土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 21010—2007)，結(jié)合無棣縣自然環(huán)境與土地利用特征，劃分研究區(qū)土地利用類型(表1)。

1.2.2 數(shù)據(jù)來源及處理 遙感影像(1995年8月24日和2005年5月15日TM影像、2015年4月25日OLI影像)數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http：//www.gscloud.cn)。運用ENVI 5.1軟件，參考無棣縣行政區(qū)劃圖和土地利用現(xiàn)狀圖，進(jìn)行影像輻射定標(biāo)、大氣校正、裁剪和鑲嵌，通過Kappa精度檢驗，運用監(jiān)督分類、分類后處理等功能進(jìn)行遙感影像信息提取，形成3期土地利用類型圖，在ArcGIS 10.1中進(jìn)行數(shù)據(jù)提取和分類統(tǒng)計。社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于濱州市統(tǒng)計年鑒(1996、2006、2016)和2015年無棣縣國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計公報(http：//www.wudi.gov.cn)。

表1 無棣縣土地利用類型

1.2.3 研究方法

1.2.3.1 土地利用變化分析 土地利用變化，采用土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣分析土地利用類型結(jié)構(gòu)變化，描述各種土地利用類型間的轉(zhuǎn)化關(guān)系[11]；采用土地利用轉(zhuǎn)移概率矩陣研究土地利用結(jié)構(gòu)變化趨勢[12]。設(shè)Pij為土地利用轉(zhuǎn)移概率矩陣：

(1)

式中：pij是t時期的第i種土地利用類型轉(zhuǎn)變?yōu)閠+1時期的第j種土地利用類型的概率。

采用土地利用動態(tài)度分析土地利用類型在時間上的變化情況[13]。其中，單項地類動態(tài)度反映某一土地利用類型在時間上的數(shù)量變化，鑒于傳統(tǒng)模型僅考慮轉(zhuǎn)出而忽略轉(zhuǎn)入的缺陷，本研究采用其改進(jìn)的計算模型：

(2)

即以某地類的總變化量與總變化量和未變化量的和之比計量單項地類動態(tài)度。式中：LUDDi為研究期內(nèi)某一土地利用類型的動態(tài)度；TCi是某一地類的總變化量；Sii為該地類未發(fā)生轉(zhuǎn)移的量。

綜合土地利用動態(tài)度反映研究期內(nèi)所有土地利用類型的總體變化，其計算模型：

(3)

式中：TLUDD為綜合土地利用類型動態(tài)度；D總(I總)為研究期區(qū)域內(nèi)各地類土地利用總減少量(或總增加量)；S總為區(qū)域土地總面積。

1.2.3.2 土地利用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值測算方法 采用Costanza等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評價方法[4]測算各時期生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值量，評價模型為：

(4)

式中：ESV為研究區(qū)年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值；Ap為研究區(qū)第p種土地利用類型的面積(p=1，2，…，7，為生態(tài)類型)；VCp為第p種土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量。

各土地利用類型的貢獻(xiàn)率模型為：

(5)

式中：ESVCp為第p種土地利用類型在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值中的貢獻(xiàn)率；ESVp為第p個土地利用類型的年生態(tài)服務(wù)價值。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值計算以謝高地等的研究成果[14]為基礎(chǔ)?？紤]到無棣縣位于冀魯交界處的特殊情況，以2省區(qū)域修正系數(shù)平均值1.20作為無棣縣價值當(dāng)量修正系數(shù)[15]。同時，確定無棣縣單個生態(tài)當(dāng)量的價值為476.18元/hm，適當(dāng)調(diào)整無棣縣土地利用類型與陸地生態(tài)系統(tǒng)的對應(yīng)關(guān)系[14-16]，使耕地與農(nóng)田對應(yīng)，林地取森林和草地的平均值，建設(shè)用地生態(tài)服務(wù)價值為零，未利用地參照荒漠計算，水域與河流湖泊對應(yīng)，鹽田及養(yǎng)殖用地取河流湖泊和荒漠的平均值，計算出無棣縣生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值(表2)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用變化特征

2.1.1 土地利用結(jié)構(gòu)變化 從圖1、圖2可以看出，無棣縣土地利用類型在空間上呈階梯狀分布， 耕地和林地主要分布在縣域西南部，水域和鹽田及養(yǎng)殖用地主要分布在東北部，未利用地和草地主要分布在二者的過渡地帶。1995—2005年，各土地利用類型變化幅度較大。其中，鹽田及養(yǎng)殖用地增幅最大，達(dá)37.53%，也是面積增加最大的地類；林地、建設(shè)用地和耕地也各有增加。水域減少面積和減少幅度均最大，為46.63%；草地、未利用地也有減少。說明此期間無棣縣土地利用已進(jìn)入活躍期，地類結(jié)構(gòu)變化明顯。2005—2015年，建設(shè)用地增幅最大，達(dá)43.35%，反映出此階段城鄉(xiāng)建設(shè)、工業(yè)發(fā)展占地迅速增長，農(nóng)業(yè)開發(fā)、建設(shè)占用使未利用地迅速減少，減幅高達(dá)36.97%；林地減少4.76%，反映出冬棗過度發(fā)展、效益下降，部分開始還棗為耕；農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和建設(shè)占用使草地面積也大量減少，達(dá)25.84%。綜合來看，1995—2015年，無棣縣土地利用類型結(jié)構(gòu)發(fā)生非常顯著的變化，呈現(xiàn)出“四增三減”的變化特征：建設(shè)用地、鹽田及養(yǎng)殖用地、林地、耕地面積增加，分別增加6 606.18、16 735.86、660.96、4 039.83 hm2，增幅分別為61.35%、51.31%、16.63%、5.11%；水域、未利用地、草地大幅減少，分別減少11 732.85、7 429.59、8 880.39 hm2，減幅分別為42.70%、38.13%、35.65%。土地利用類型結(jié)構(gòu)的大幅度和頻繁變化，反映出人類活動對生態(tài)環(huán)境的干擾不斷加劇。

表2 無棣縣各土地利用類型單位面積生態(tài)服務(wù)價值

2.1.2 土地利用流轉(zhuǎn)分析 1995—2015年無棣縣土地利用類型間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系。從表3可以看出，各地類間流轉(zhuǎn)量較大且關(guān)系復(fù)雜。20年來，各地類間均有相互流轉(zhuǎn)關(guān)系，轉(zhuǎn)出面積從大到小排序依次為草地>耕地>水域>未利用地>建設(shè)用地>林地>鹽田及養(yǎng)殖用地，而轉(zhuǎn)入面積從大到小排序依次為耕地>鹽田及養(yǎng)殖用地>草地>未利用地>建設(shè)用地>水域>林地。

從表4可以看出，各地類間流轉(zhuǎn)變化趨勢明顯，耕地主要轉(zhuǎn)化為草地、建設(shè)用地、未利用地、林地，其轉(zhuǎn)移概率分別為7.07%、6.40%、5.18%、2.80%；林地主要轉(zhuǎn)化為耕地、建設(shè)用地，轉(zhuǎn)移概率為38.54%、11.67%；草地主要轉(zhuǎn)移為耕地、未利用地，轉(zhuǎn)移概率分別為42.15%、13.90%；水域主要轉(zhuǎn)化為鹽田及養(yǎng)殖用地，轉(zhuǎn)移概率為38.17%；建設(shè)用地主要轉(zhuǎn)化為耕地、草地，轉(zhuǎn)移概率分別為16.16%、4.65%；未利用地主要轉(zhuǎn)化為耕地、鹽田及養(yǎng)殖用地、草地，轉(zhuǎn)移概率分別為 32.61%、19.47%、15.94%。

綜合分析各地類間流轉(zhuǎn)變化的原因，耕地的減少主要是被建設(shè)占用、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整為林地、鹽堿退化為草地和未利用地，耕地增加主要來源于未利用地開發(fā)和農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整轉(zhuǎn)化；林地變化主要源于農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整冬棗種植的增減和城鄉(xiāng)綠化、植樹造林以及城鄉(xiāng)建設(shè)占用等；草地減少主要原因是墾為耕地、建設(shè)用地占用和鹽堿退化；建設(shè)用地增加的主要來源為占用耕地、林地、草地和開發(fā)未利用地等；水域減少的主要原因是氣候干旱部分河流干枯、建設(shè)占用、鹽田及養(yǎng)殖占用；鹽田及養(yǎng)殖用地增加主要來源于近海灘涂及淺水域利用；未利用地減少主要是因墾為耕地、草地、建設(shè)占用和鹽田及養(yǎng)殖利用。根據(jù)Markov預(yù)測原理，未來一段時期，無棣縣土地利用仍將面臨建設(shè)用地擴張和耕地、林地、草地及未利用地減少的風(fēng)險。

2.1.3 土地利用動態(tài)度變化 從圖3-A可以看出，1995—2005年，土地利用類型動態(tài)度變化最快的是未利用地和林地，總變化率分別為87.11%、78.03%；其次是草地、水域、建設(shè)用地、耕地，總變化率分別是75.79%、65.25%、47.49%、37.48%；鹽田及養(yǎng)殖用地變化最小，總變化率為33.94%。

表3 1995—2015年無棣縣土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣

表4 1995—2015年無棣縣土地利用類型轉(zhuǎn)移概率矩陣

2005—2015年，變化最快的是未利用地、草地，總變化率分別為87.37%、80.94%；其次是林地、建設(shè)用地、水域、耕地，總變化率分別為73.58%、56.06%、45.52%、37.61%；鹽田及養(yǎng)殖用地變化最小，僅為17.25%。1995—2015年，無棣縣7種用地類型動態(tài)度由大到小依次為未利用地>草地>林地>水域>建設(shè)用地>耕地>鹽田及養(yǎng)殖用地。

從圖3-B可以看出，無棣縣綜合土地利用動態(tài)度1995—2005年、2005—2015年分別為36.34%、31.00%，反映土地利用變化劇烈程度有逐漸緩和的趨勢；1995—2015年為39.00%，說明20年來無棣縣土地利用變化較為劇烈。

2.2 土地利用的生態(tài)效應(yīng)分析

2.2.1 土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總量變化 從表5可以看出，1995—2015年，無棣縣土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總量呈下降趨勢，總值從173 116.15萬元減少到161 124.26萬元，損失 11 991.89萬元，年均損失率達(dá)0.35%。從時間段來看，1995—2005年，無棣縣土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總量減少 17 172.80萬元，年均損失0.99%；2005—2015年無棣縣土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總量有所增加，10年間共增長5 180.91萬元，年均增長0.33%。說明前10年經(jīng)濟(jì)發(fā)展中對生態(tài)的重視嚴(yán)重不足，后10年隨著對生態(tài)環(huán)境問題重視而有所改善。

從用地類型來分析，1995—2015年，耕地、水域和鹽田及養(yǎng)殖用地始終對無棣縣土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值貢獻(xiàn)率最高，林地和未利用地貢獻(xiàn)率最小，建設(shè)用地貢獻(xiàn)為零。20年間，耕地、林地和鹽田及養(yǎng)殖用地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值有所增加，年均增長率分別為0.26%、0.83%、2.57%，草地、水域和未利用地生態(tài)服務(wù)價值有所減少，年均變化率分別為-1.78%、-2.14%、-1.91%。依據(jù)用地類型生態(tài)價值總量變化大小排序依次為水域>鹽田及養(yǎng)殖用地>草地>耕地>林地>未利用地，而年均變化率大小依次為鹽田及養(yǎng)殖用地>水域>未利用地>草地>林地>耕地。

2.2.2 土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值結(jié)構(gòu)變化 1995—2015年，無棣縣土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值結(jié)構(gòu)也發(fā)生了明顯變化，從表6可以看出，水文調(diào)節(jié)和廢物處理對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總量的貢獻(xiàn)度較大，原材料生產(chǎn)、食物生產(chǎn)和氣體調(diào)節(jié)貢獻(xiàn)度較小。1995—2005年，各單項服務(wù)功能價值都在減少，其中水文調(diào)節(jié)減少最多，原材料生產(chǎn)減少最少。減少量由大到小依次為水文調(diào)節(jié)>廢物處理>氣候調(diào)節(jié)>提供美學(xué)景觀>維持生物多樣性>氣候調(diào)節(jié)>保持土壤>食物生產(chǎn)>原材料生產(chǎn)。2005—2015年，各單項服務(wù)功能價值有增有減。水文調(diào)節(jié)增加最多，維持生物多樣性增加最少，增加量由大到小依次為水文調(diào)節(jié)>廢物處理>提供美學(xué)景觀>食物生產(chǎn)>維持生物多樣性。保持土壤減少最多，原材料生產(chǎn)減少最少，減少量由大到小依次為保持土壤>氣體調(diào)節(jié)>氣候調(diào)節(jié)>原材料生產(chǎn)。1995—2015年，各單項服務(wù)功能價值都在減少。其中水文調(diào)節(jié)減少量最多，原材料生產(chǎn)減少量最少；減少速度最快的是提供美學(xué)景觀，年均減少0.43%，減少速度最慢的是食物生產(chǎn)，年均減少0.06%。

表5 1995—2015年無棣縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)經(jīng)濟(jì)價值總量及其變化

表6 1995—2015年無棣縣土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值構(gòu)成及變化

2.3 土地利用變化與生態(tài)服務(wù)價值變動的關(guān)系

對比1995—2015年無棣縣土地利用變化特征與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變動趨勢，可以發(fā)現(xiàn)，無棣縣土地利用結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化，二者之間聯(lián)系緊密，呈現(xiàn)相同的步調(diào)。而生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化則影響整個區(qū)域的生態(tài)效益，對區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)形成新的反饋。

結(jié)合無棣縣社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析(表7)發(fā)現(xiàn)，1995—2015年，無棣縣人口總體上呈不斷增長趨勢，人均生態(tài)價值呈現(xiàn)不斷減少但變化速度逐漸放緩趨勢，共減少 813.42元/人，年均負(fù)增長率為1.07%；全縣GDP保持快速增長，共增長236.12億元，年均增長率達(dá)14.45%，而萬元GDP生態(tài)價值持續(xù)減少，由1995年的10 177.32元/萬元減少至2015年的636.53元/萬元，年均負(fù)增長率達(dá)12.94%，僅低于GDP增長率1.51百分點?？梢娫诮?jīng)濟(jì)快速增長、土地利用狀態(tài)頻繁變動的同時，無棣縣付出了較高的生態(tài)代價。

3 結(jié)論與討論

1995—2015年，無棣縣土地利用類型變化較為劇烈，呈現(xiàn)“四增三減”的特征，即耕地、林地、建設(shè)用地、鹽田及養(yǎng)殖用地面積增加，草地、水域和未利用地面積減少。各地類間流轉(zhuǎn)量較大、關(guān)系復(fù)雜，且呈現(xiàn)較明顯的流轉(zhuǎn)變化趨勢，20年來無棣縣土地利用變化較為劇烈，綜合變動率為39.00%。

表7 1995—2015年無棣縣萬元GDP和人均生態(tài)服務(wù)價值

20年來，無棣縣土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總量呈先減少后增加、總體為減少趨勢：耕地、林地、鹽田及養(yǎng)殖用地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值增加，草地、水域和未利用地生態(tài)服務(wù)價值減少，各單項服務(wù)功能價值都在減少；萬元GDP生態(tài)價值和人均生態(tài)價值持續(xù)減少，經(jīng)濟(jì)的快速增長和土地利用的頻繁變化付出了較高的生態(tài)代價。

無棣縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能變動與土地利用變化密切相關(guān)，土地利用結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化影響區(qū)域生態(tài)效益。今后應(yīng)強化土地生態(tài)利用，嚴(yán)控建設(shè)用地擴張，加強農(nóng)地和水域保護(hù)，推進(jìn)未利用地生態(tài)開發(fā)，維護(hù)區(qū)域生態(tài)平衡。