吳起縣土地利用變化及其生態服務價值研究*

呂明權,王延平,王繼軍,2

（1.西北農林科技大學資源環境學院,陜西楊凌712100;2.中國科學院水利部水土保持研究所,陜西楊凌 712100）

20世紀70年代初,生態系統服務的科學概念得以提出[1],隨后得到了相關學者的關注,在生態系統服務功能的研究方面也取得一系列的進展,Daily主編的專著中比較系統地介紹了生態系統服務功能[2],Costanza等則對全球生態系統服務功能進行了劃分和評估[3]。繼Costanza等對全球生態系統服務價值評估之后,我國許多學者根據研究區域的生態系統特點和實際情況,對評估方法和參數進行了改進,并對不同類型的生態系統和不同尺度的生態系統服務價值進行了評估[4-8]。

近年來,隨著退耕還林還草力度的加大,人們關于退耕還林還草的效益評價研究越來越多,并取得了一定成果。焦峰等對黃土高原退耕還林還草的生態和社會效應給出了定性的分析[9],楊光等分析了退耕還林還草工程對植被恢復的影響進行了研究[10]。在研究方法上,綜合運用資源經濟學、生態經濟學的理論,應用等效益替代法、機會成本法、影子工程法等方法探討了退耕還林后所產生的生態經濟效益[10-12],也有學者運用了生態系統服務價值研究方法對退耕還林還草的生態效應進行了評價[13-14]。退耕還林工程實施以后,退耕區的土地利用、生態環境都發生了明顯的改善,但在黃土丘陵區土地利用變化引起的生態服務價值變化的研究相對較少。因此本文選取退耕還林第一縣——吳起縣為研究對象,對其土地利用變化的過程進行分析,并估算吳起縣的生態服務價值。

1 研究區概況與數據來源

吳起縣位于陜西省延安市的西北部,地處東經107°38′57″-108°32′49″,北緯 36°33′33″-37°24′27″,面積3 791.5 km2。屬黃土高原梁狀丘陵溝壑區,毛烏素沙地南緣的農牧過渡地帶,地貌以梁峁溝壑為主,水土流失嚴重,曾是黃河中上游水土流失最為嚴重的地區之一,海拔1 233～1 809 m。

1998年5月吳起縣率先啟動了退耕還林還草工程,實現了全縣整體封山禁牧;1999年一次性退耕10.37萬hm2,目前累計完成造林面積15.42萬hm2,成林面積達到7.1萬hm2,全縣林灌覆蓋率由重點林業工程啟動前的19.2%增加到2005年38.1%,土壤侵蝕模數由1.53萬t/(a?km2)下降到0.54萬 t/(a?km2)。在研究過程中,主要運用吳起縣1985年、1990年、2001年和 2007年的土地利用調查數據。

2 土地利用變化分析

2.1 土地利用類型數量變化分析

吳起縣1985-2007年土地利用總體變化是:園地和林地分別增加了51 099.8 hm2和148 337.74 hm2;園地在1985-1990年、2001-2007年減小微弱,而在1990-2001年期間增加了51 634.6 hm2;林地一直保持增加趨勢,其中1990-2001年增加了96 862.1 hm2,占增加量的65.3%。耕地、牧草地、建設用地和未利用地均減少,其中減少最多的是耕地和草地,減少了79.3%和42.7%,建設用地和未利用土地分別減少了2 586.33 hm2和 15 672.77 hm2,耕地的減少集中在1990-2001年(表1)。

表1 1985-2007年吳起縣土地利用類型面積變化

2.2 土地利用變化速度

單一類型的土地利用動態指數是研究區域在一定時間范圍內某種土地利用類型的數量變化情況的一種方法,通常用年變化率來表征,其表達式為[15]:

式中:Lc——研究時段某一土地利用類型動態度指數;Ua和Ub——分別表示研究初期和末期某類型土地的數量;T——研究時段。

根據公式(1)可以計算出吳起縣各土地利用類型在不同時期的動態指數(表2),可以看出,1985-2007年變化最明顯的就是園地和林地,其動態度分別是39.0%和25.8%,其中1990-2001年達到了89.0%,26.5%。耕地、牧草地、建設用地和未利用土地的動態度都相對較小,且均為負值,分別是-3.71%,-1.93%,-1.32%和-3.61%。各土地利用類型變化速率依次為園地＞林地＞耕地＞未利用土地＞牧草地＞建設用地。

表2 1985-2007年吳起縣不同土地利用類型年變化率

2.3 土地利用結構變化

從圖14可以看出,吳起縣耕地、園地和林地的變化尤其明顯,耕地從1990年的32.8%急劇下降為2007年的5.3%。園地在1985年和1990年占總土地面積的比例不大,分別為1.6%,2.4%。林地在1985年和1990年占全縣土地面積的比例為6.9%和 8.8%,而后兩年所占比例急劇上升為34.3%和 46.02%。草地面積也由 1985年的53.8%變為2007年的30.9%。建設用地和未利用土地類型都基本呈逐年減少趨勢。

圖1 1985-2007年吳起縣土地利用結構變化

3 土地利用變化的生態服務價值

1997年Constanza等[3]人的研究成果使生態系統服務價值評估的原理與方法從科學意義上得以明確,將生態系統服務研究推向生態經濟學研究的前沿。本文基于Costanza提出的生態系統服務價值理論,結合謝高地等提出的生態服務價值系數計算方法,估算了吳起縣生態系統服務價值的變化,其估算公式為

式中:ESV——生態系統服務價值(元);LUi——吳起縣第i種土地利用類型的面積;VCi——第i種土地類型的單位面積生態系統服務價值(元/hm2);i=1,2,…,6,是土地利用類型。

為驗證生態服務價值系數的準確性,引入生態系統價值敏感性指數(the coefficient of sensitivity,CS[17-18,20],以反映生態系統服務價值對生態服務價值系數的依賴程度。文中將各土地覆蓋類型的生態價值系數分別調整50%[17-18,20],來衡量總生態系統服務價值的變化情況。CS＜1表明生態系統服務價值缺乏彈性,即1%的自變量變動會引起因變量小于1%的變動;CS＞1表明生態系統服務價值是有彈性的,即1%的自變量變動引起因變量大于1%的變動,CS越大也說明生態系統價值系數的準確性對生態系統服務價值評估越重要。敏感性指數(CS)的計算公式如下:

式中:ESV——估算的總生態系統服務價值;VC——生態價值系數;i和j——初始總價值和生態價值系數調整以后的總價值;k——各土地利用類型。

3.1 生態系統服務價值系數(VC)確定

吳起縣單位面積生態系統服務價值的確定可以根據謝高地等人的研究成果。謝高地等把生態服務功能分為9類,并對我國200位生態學者進行問卷調查,總結出“中國生態系統服務價值當量因子表”。生態服務價值當量因子[6]是指生態系統產生的生態服務的相對貢獻大小的潛在能力,其中1個當量因子的經濟價值等于該區域1 hm2農田的平均產量的市場價值的1/7。

以吳起縣近幾年的平均糧食產量 2 730 kg/hm2,糧食單價按吳起縣2007年各糧食的平均市場價格(1.4元/kg),最終可以確定1個生態服務價值當量因子的經濟價值量546元。謝高地等也提供了1個全國平均生態服務價值當量因子的經濟價值884.9元[6],但是生態系統的生態服務功能大小與該生態系統的生物量有密切關系。一般來說,生物量越大,生態服務功能越強[6]。陜西省農田生態系統生物量因子為0.51[19],對森林,草地也用這個生物量因子也進行校正,最后得出吳起縣1個生態服務價值當量因子的經濟價值量為451.30元。綜合以上兩種方法得出吳起縣1個當量因子的平均經濟價值為498.65元。

根據已有研究[20]和吳起縣的具體情況,把每種土地利用類型與最接近的生態系統類型聯系起來,其中耕地與農田對應,林地與森林對應,園地取森林和草地的平均值,未利用地取難利用地對應的值,建設用地取值為0。制定了吳起縣土地利用方式的生態服務價值當量因子表(表3)。

表3 吳起縣不同土地單位面積年度生態服務價值 元

3.2 生態服務價值

由公式(2)得出不同土地類型在不同年份的生態系統服務價值(表4)。可以看出生態服務價值變化最大的兩種土地類型是林地和園地,1990-2007年間分別以25.0%和55.62%速度增加。2001年林地的生態服務價值占吳起縣總服務價值的56.7%,而到2007年所占比例提高到67.44%。園地的生態服務價值也從最初的3 959萬元增加到41 391萬元,平均每年分別增加2 202萬元。生態服務價值減少的土地利用類型有草地、耕地和未利用土地,在這三種土地利用類型中耕地的服務價值變化最為顯著,從1990年的49 572萬元減少到了2007年的8 012萬元。吳起縣總的生態服務價值1990-2007年間從164 053萬元增加到2007年的281 877萬元,增加了71.8%,年均增加4.22%。

表4 吳起縣1990-2007年生態系統服務價值及其變化

1990-2007年吳起縣生態系統單項服務功能價值變化的總體趨勢由表5可以看出:氣體調節、氣候調節、水源涵養、土壤形成與保護、生物多樣性保護、原材料、娛樂文化都有明顯的增加,廢物處理和食物生產呈減少的趨勢,食物生產由原來的9 495萬元減少到4 196萬元,廢物處理功能產生的價值有微弱的減少,從26 165萬元減少到24 424萬元。這兩項服務功能產生價值的減少主要是因為耕地大量減少造成的。按照1990年吳起縣各服務價值大小排序依次為:土壤形成與保護＞生物多樣性保護＞廢物處理＞氣候調節＞氣體調節＞水源涵養＞食物生產＞原材料＞娛樂文化。而2007年演變為土壤形成與保護＞生物多樣性保護＞氣體調節＞水源涵養＞氣候調節＞原材料＞廢物處理＞娛樂文化＞食物生產。土壤形成與保護功能所占比例最大,均在20%左右,其服務價值也從36 294萬元,增加到55 113萬元,這對于土壤流失嚴重的吳起縣具有特殊的意義。

表5 吳起縣1990-2007年各項生態服務價值

3.3 敏感性分析

根據公式(3)給出的敏感性計算方法,為了計算簡便,將林地、牧草地、耕地、園地、未利用地的生態價值系數分別上下調整50%[17-18,20],應用調整后的生態價值系數對研究區1990年、2001年和2007年總服務價值進行了估算,最終得到研究區域服務價值在不同年份之間的變化情況和敏感性指數,具體結果見表6。

表6 價值系數調整后吳起縣總服務價值的百分比變化和價值系數的敏感性指數

可以看出,敏感性指數CS都小于1,未利用土地的敏感性指數最低為0,這表明即當未利用土地的生態服務價值系數上下調整50%時對吳起縣的生態服務價值幾乎沒有影響,林地、牧草地、耕地、園地的敏感性指數的變化幅度都較大。林地的敏感性指數從1990年的0.22增加到了2007年的0.67,即在1990年時林地的生態價值系數增加1%時,研究區域的總生態價值增加0.22%,而到了2007年研究區的總生態價值就會增加0.67%,表明林地的生態價值系數的準確性對研究區域生態價值的估算尤為重要。園地的敏感性指數也從1990年的0.02增加到2007年的0.15。相反,耕地和牧草地的敏感性指數都呈現減少的趨勢,耕地從1990年的0.30減少到2007年的0.03,牧草地從1990年的0.45減少到2007年的0.15。

4 結論與討論

(1)1985-2007年吳起縣的耕地減少了79.33%,牧草地和未利用土地分別減少了42.73%和79.43%,林地和園地分別增加了567.81%和856.17%。用單一土地利用動態度計算出的吳起縣各土地類型的變化速度表明,園地、林地增加最快分別達39%和25.8%,耕地減少最快為-3.71%。退耕還林前后時期的土地利用結構相差也很大。

(2)吳起縣的生態服務價值在 1990年為1 640.53×106元,在 2001年為 2 497.43×106元,而到了2007年就增加了2 818.77×106元,增幅達71.82%。其中林地、園地服務價值增加明顯,而耕地的服務價值發生了劇烈的減少。

(3)在各項服務功能中,除了食物生產和廢物處理功能,其它生態服務功能價值都在增加。1990-2007年,各項服務功能產生的價值結構組成有一定的變化。

(4)敏感性分析結果表明,不同研究時期ESV對生態服務功能價值指數的敏感性指數波動較大,但均小于1,這表明研究區內ESV對生態服務功能價值指數是缺乏彈性的,研究結果是可信的。

(5)本文用的計算生態服務價值的方法直觀簡捷,但也存在很大的局限性,使估算結果準確性受到質疑。本文采用的生態系統服務價值系數是為不同的土地利用類型賦予的一套系數,但是每一種土地利用類型都包含幾種相關的生態系統,如林地就是由不同植被群落,不同物種多樣性、物種均勻度和物種豐富度構成的,而統一的給林地賦予相同的生態系統服務價值系數,使結果的可信度下降。如果能為細分后的土地利用類型賦予生態服務價值系數,這樣會使估算結果離真實值更進一步,這也需要更進一步的研究。

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