基于覆被變化的貴州草海自然保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值研究

郝新朝,安裕倫*,朱啟雄，伍 顯,陳啟英,安宏鋒，夏 林

(1 貴州師范大學地理與環(huán)境科學學院，貴陽 550001；2貴州省山地資源與環(huán)境遙感應用重點實驗室，貴陽 550001；3貴州省第一測繪院，貴陽550001；4貴州省環(huán)境監(jiān)測中心站，貴陽550001)

覆被變化即土地利用變化，是自然因素和人為活動共同作用的結果，是人地關系作用的直觀體現(xiàn)。林地、草地和耕地等類型的土地利用均被人們所熟知，相關研究也是數(shù)不勝數(shù)[1-2]。近些年，隨著生態(tài)文明建設的發(fā)展，有“地球之腎”美譽的濕地也漸漸成為人們討論研究的焦點。最早定義濕地的是美國魚類和野生保護局提出的“39號通報”，指被淺水和有時被暫時性或間歇性積水所覆蓋的低地。濕地包括草本沼澤、木本沼澤、蘚類沼澤、濕草甸、塘沼、淤泥沼澤以及濱河泛濫地等等，是水陸相互作用形成的獨特的生態(tài)系統(tǒng)，在保持生物多樣性和珍惜物種資源、蓄洪防旱、降解污染、調(diào)節(jié)氣候和控制土壤侵蝕等方面具有重要功能[3]。草海是貴州省最大的淡水天然濕地湖泊，也是典型的高原喀斯特濕地生態(tài)系統(tǒng)，更是我國一級保護鳥類黑頸鶴的主要越冬棲息地[4]。生態(tài)系統(tǒng)服務功能是指生態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)過程所形成的及所維持的人類生存所必需的環(huán)境條件和效用[5]。生態(tài)服務功能是環(huán)境對人類的反饋和潛在回報，生態(tài)服務價值是生態(tài)服務功能的直接經(jīng)濟體現(xiàn)。土地利用變化將直接影響到生態(tài)系統(tǒng)服務功能和服務價值。

自Costanza等[6]在1997年發(fā)表文章以來，國內(nèi)外很多學者從不同的角度對濕地生態(tài)系統(tǒng)服務價值展開了探討和研究[7-13]。然而，針對喀斯特地區(qū)高原湖泊生態(tài)系統(tǒng)的研究尚不全面。前人研究大都集中在草海地區(qū)的植被[14-15]、水質(zhì)[16-17]以及土壤[18-19]，對其生態(tài)系統(tǒng)服務價值的評估研究[20-21]較少，并且只是對草海單一年份的生態(tài)服務價值作了量化評估，缺乏多時空的研究和對比分析，不能體現(xiàn)其生態(tài)變化情況。本研究以草海自然保護區(qū)土地利用變化為依據(jù)，采用轉移矩陣，結合修正的生態(tài)服務價值系數(shù)，對其近20年的生態(tài)系統(tǒng)服務價值以及時空演變進行量化評估和對比分析，進一步揭示生態(tài)系統(tǒng)服務價值的時空演化特征機制。開展草海自然保護區(qū)的覆被變化和濕地生態(tài)服務價值研究，對其生態(tài)環(huán)境和生物多樣性的保護具有一定的參考價值。

圖1 草海自然保護區(qū)區(qū)位示意Fig.1 Schematic diagram of the location of Caohai Nature Reserve

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

從20世紀50 年代開始治理草海生態(tài)問題，但成效甚微，1982年又重新蓄水，恢復生態(tài)，1985年，草海自然保護區(qū)成立。1992年經(jīng)國務院批準，晉升為國家級自然保護區(qū)[22]。草海國家級自然保護區(qū)，位于貴州省西部威寧縣城西南面，地理坐標為東經(jīng)104°09′—104°21′，北緯26°47′—26°54′，面積約100 km2；屬亞熱帶高海拔濕潤季風氣候，夏無酷暑，全年溫度偏低，年均氣溫約為10.4℃，無霜期195 d，年均降水量約為 801.5 mm，是一個典型的高原濕地生態(tài)系統(tǒng)[21]。草海水體面積約為46.5km2，四周水系呈放射狀分布，海拔2 171.7 m，保護有黑頸鶴等鳥類170多種，魚類10余種。

1.2 數(shù)據(jù)來源

1990年、1995年、2010年以及2015年土地利用數(shù)據(jù)由LandsatTM影像獲得，利用ENVI和ArcGIS軟件進行大氣校正、波段組合以及裁剪等數(shù)據(jù)預處理，以1∶10 000地形圖校正，在ArcGIS中進行人機交互式判讀解譯，根據(jù)貴州地區(qū)實際土地利用特點和影像解譯標準，將土地類型分為林地(針葉林、闊葉林、疏林地、灌木林)、耕地(山區(qū)旱地、水田)、草地(灌草叢)、水體(湖泊、水庫坑塘)、濕地(草本沼澤、灘地)、建設用地(城鄉(xiāng)居民點建設用地、區(qū)域交通設施用地)6個一級類別以及13個二級類別。其中研究區(qū)2010年土地利用數(shù)據(jù)對比于全國生態(tài)環(huán)境十年變化(2000—2010年)遙感調(diào)查與評估貴州省專題項目的數(shù)據(jù)，2015年的矢量數(shù)據(jù)參考該年貴州省環(huán)境監(jiān)測項目數(shù)據(jù)，分類結果精度均在93%以上。由于全國生態(tài)環(huán)境十年變化(2000—2010年)遙感調(diào)查與評估貴州省專題項目已對貴州省地區(qū)做了調(diào)查和評估，且兩者選用方法、選取指標和當量因子各異，得出的價值量結果也就不盡相同，但總體趨勢還是一致的。為避免重復，本研究比較研究保護區(qū)成立初期的五年和近五年來的變化情況。

圖2 草海自然保護區(qū)各時期土地利用情況Fig.2 Land use map of Caohai Nature Reserve in each period

2 研究方法

2.1 土地覆被變化計算

為反映土地利用變化對其生態(tài)服務價值產(chǎn)生的影響，選取土地利用變化量、變化幅度和變化速率作為重要指標進行研究。土地利用變化計算方法如下：

土地利用變化幅度[23](Pi)：Pi=(Ub-Ua)Ua×100%

(1)

(2)

式中，Ua、Ub為研究初期和末期某一土地類型的面積，T為研究時段長。

土地利用轉移矩陣是研究土地利用類型之間相互轉化方向和數(shù)量的主要方法。它能具體反映土地利用變化的結構特征和各類型間的轉化方向[25]，其表達式為：

(3)

其中，Sij表示研究期內(nèi)第i類土地向第j類轉化的面積，i為初期土地類型，j為后期土地類型，n為土地類型數(shù)量。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值計算

對生態(tài)服務功能的研究和分類層出不窮，目前得到較大認可的是聯(lián)合國千年生態(tài)系統(tǒng)評估(簡稱MA)的分類方法，MA將生態(tài)系統(tǒng)服務功能分為供給服務、調(diào)節(jié)服務、支持服務和文化服務四類[26]。生態(tài)系統(tǒng)服務價值簡單來說就是服務功能的經(jīng)濟體現(xiàn)。根據(jù)謝高地等[27]提出的全國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務價值當量(表1)，以及周傳艷等[28]結合貴州省實際情況，得到修正后的貴州省各類生態(tài)系統(tǒng)及其生態(tài)價值服務單價，對其服務功能進行價值量評估。

表1 我國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務價值量

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，物品單價在不斷的變化，單價的升高和降低都會使得計算結果產(chǎn)生偏差。前人的研究大都是以同年的價值單價乘以該年的面積，但這樣計算出該年的生態(tài)服務經(jīng)濟價值量，缺少多時空的研究分析，不能準確反映生態(tài)質(zhì)量的變化情況。為了便于比較分析，統(tǒng)一選取2005年的生態(tài)價值服務單價(表2)。

表2 貴州省各類生態(tài)系統(tǒng)及其生態(tài)價值服務單價

根據(jù)各土地利用類型的面積和單位面積的生態(tài)系統(tǒng)服務價值量，計算自然保護區(qū)生態(tài)服務總價值為：

(4)

式中：ET為每年生態(tài)系統(tǒng)服務總價值(元)；Si為i類土地利用類型面積(hm2)；Cij為每年單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值(元hm2)[27]。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化與分析

借助ArcGIS軟件對四期矢量數(shù)據(jù)的土地利用類型進行統(tǒng)計，由公式(1)、(2)得出表3結果。

從表3可以看出，(1)1990—1995年，水體面積的變化幅度最大，次之為濕地和耕地，林地和建設用地的變化最小。(2)2010—2015年，建設用地變化最為明顯，其次為林地和草地，耕地、濕地和水體變化最小。(3)1990—1995年，水體增加面積最多，耕地面積減少。1992年草海國家級自然保護區(qū)成立，政府部門加大對草海保護區(qū)的保護和生態(tài)修復措施，退耕還草使得草地面積略有增加；退耕還湖、蓄水等使得草海水位上升，湖面增大，導致周圍耕地、灘涂濕地被水淹沒，水體增大，周圍耕地和濕地面積減少。(4)2010—2015年，草地面積急劇減少，建設用地和林地面積明顯增多。城鎮(zhèn)化建設使得城鎮(zhèn)面積增大；隨著生態(tài)文明、生態(tài)建設不斷深入人心，環(huán)境保護意識不斷提高，人們對周圍環(huán)境的破壞逐漸減少，林地面積增加，但圍湖造田現(xiàn)象仍然存在。

表3 土地利用變化幅度和變化率

把1990年、1995年和2010年、2015年分別疊加分析，統(tǒng)計得到其土地利用轉移矩陣(表4、表5)。

表4 1990年和1995年土地利用轉移矩陣

表5 2010年和2015年土地利用轉移矩陣

從表4和表5得知，水體、濕地、建設用地、草地、耕地和林地之間相互轉化，各種土地利用類型之間轉換頻繁。1990—1995年，水體、草地和建設用地面積增加，耕地、林地和濕地面積減少。退耕還草使得耕地轉變?yōu)椴莸?，草地面積增加，耕地面積減??；草地和林地之間相互轉化，林地面積略有減少；濕地面積減小，主要是因為水位升高，水體面積增大。2010—2015年，草地減少，耕地面積增大，主要由部分圍湖現(xiàn)象和開墾草地造成；建設用地面積增大；林地面積增大主要來自于草地轉化；水體和濕地面積基本不變。

3.2 生態(tài)服務價值動態(tài)估量

將各個時期的土地利用類型面積，結合表2中各類型生態(tài)系統(tǒng)服務功能單價和公式(4)，運算可得出四期的生態(tài)系統(tǒng)服務價值(表6)。

表6 各類型土地利用面積和生態(tài)服務功能價值

保護區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務價值總量由1990年的16 696.57萬元(人民幣，下同)增加至2015年的20 766.52萬元，總體呈不斷增大的趨勢。1990—1995年，保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值增加較快，增長率為10%，年均增長率為2%；2010—2015年增長率較小，增長率為0.2%，年均增長率為0.04%。

建設用地生態(tài)系統(tǒng)服務價值占比最小，幾乎為零，但增長速度快，尤其在2010—2015年比1990—1995年增加更快，得益于近幾年的城鎮(zhèn)化發(fā)展；耕地生態(tài)系統(tǒng)服務價值在1990—1995年減少明顯，由2 033.27萬元減少至1 661.35萬元，在2010—2015年基本不變；林地生態(tài)系統(tǒng)服務價值先減小后增大，變化不明顯；而草地生態(tài)系統(tǒng)服務價值是先增大后減小，且2010—2015年的減少量大于1990—1995年的增加量；耕地減少和草地增多均是因為保護區(qū)剛成立時退耕還林還草，而草地和林地減少是由于城市發(fā)展建設，并且草地、林地和耕地之間相互轉換，其占比也是略有增減；水體和濕地生態(tài)系統(tǒng)服務價值量占比最大，并且四期均在65%以上(圖4)。水體和濕地生態(tài)系統(tǒng)服務價值量先從1990年的11 519.71萬元增加至1995年的13 652.55萬元，再由2010年的16 958.89萬元增加到2015年的16 962.48萬元，在1990—1995年增加較快，2010—2015年增加較慢，基本保持不變。

圖4 草海各類土地利用生態(tài)系統(tǒng)服務價值占比Fig.4 The proportion of land use ecosystem services in Caohai

4 結論與討論

從服務價值總量來看，1990年、1995年、2010年和2015年草海保護區(qū)的生態(tài)服務價值分別為16 696.57萬元、18 391.57萬元、20 724.93萬元和20 766.52萬元，呈逐漸增加的趨勢，表明草海保護區(qū)的生態(tài)環(huán)境總體上越來越好，草海自然保護區(qū)管理和保護成效較好。因此，威寧縣應該繼續(xù)落實和發(fā)展《威寧彝族回族苗族自治縣縣城總體規(guī)劃》，加強與黔中地區(qū)的交流與協(xié)作，發(fā)掘草海地方多民族文化的第三產(chǎn)業(yè)，建立更加美麗的人類與自然整合共生的復合生態(tài)系統(tǒng)。

草海國家級自然保護區(qū)在1990—1995年的生態(tài)服務價值增加量比在2010—2015年的增加量大，增加速度快。表明在保護區(qū)成立初期，人為影響較小，草海生態(tài)環(huán)境保護成效明顯，但近幾年，城鎮(zhèn)化建設較快，人類活動加劇，使得建設用地增加，人地矛盾突出，危害保護區(qū)的生態(tài)保護和治理。但隨著“南退北拓，西優(yōu)東控”策略的提出，威寧縣城市建設逐漸向北發(fā)展，極大程度緩解了人地矛盾。

在草海各個時期的土地利用類型中，濕地和水體的生態(tài)服務價值最高，占同年生態(tài)服務價值總量的比例均在65%以上，且有逐漸升高的趨勢；耕地、草地和林地生態(tài)服務價值逐漸減少，草地占比最小。這表明中心水體和濕地作為草海保護區(qū)的重要構成，生態(tài)服務價值由中心向四周逐漸減小，生態(tài)服務功能由中心向四周逐漸減弱。

各土地利用類型生態(tài)服務價值的變化與其面積的變化是一致的。1990—1995年，水體、建設用地和草地面積增加，耕地、林地和濕地面積減小，水體、建設用地和草地生態(tài)服務價值增加，耕地、林地和濕地生態(tài)服務價值減小；2010—2015年，草地和濕地面積減小，林地面積增大，耕地和水體面積基本不變，草地和濕地生態(tài)服務價值減小，林地生態(tài)服務價值增大，耕地和水體生態(tài)服務價值基本不變。