基于RS和GIS的退耕還林模式對三峽庫區黑溝小流域生態服務價值的影響*

田耀武,黃志霖,肖文發,趙連江,趙赴鈞,艾曉影

(1.河南科技大學林學院,河南洛陽471003;2.中國林業科學研究院森林生態環境與保護研究所,國家林業局森林生態環境重點實驗室,北京100091;3.河南省禹州市水利局,河南許昌461000)

生態系統的服務價值是指人們能夠直接或者間接從生態系統功能中獲取的產品和服務[1]。生態系統服務價值評估已成為當前生態經濟學領域的研究熱點[2]。我國退耕還林工程于1999年試點實施、2002年全面啟動,生態脆弱地區水土流失得到緩解,生態環境得以改善,發揮出明顯的生態效益。近年來,有關學者參照Costanza提出的全球不同地類的平均生態服務價值對草地、濕地、灘涂、林地等不同生態系統的服務價值進行了貨幣化估算[3-6]。特別是隨著遙感技術的不斷發展,許多學者又研究了遙感技術在生態環境監測、評價、修復中的應用[7-9]。也有學者利用土地利用方面的統計數據和遙感數據對研究區內不同時期的生態服務價值的變化進行了研究[10-12]。我國政府規定山區＞25°坡地必須實行退耕還林,條件成熟后,進一步推廣退耕還林面積。基于RS和GIS手段,對農林復合流域實施不同模式(＞25°,＞15°坡地)退耕還林后引起的生態系統價值流動的研究尚不多見。本研究以三峽庫區黑溝流域為研究對象,評價在不同退耕還林模式下流域尺度生態系統服務價值變化,旨在為三峽庫區土地資源可持續利用、生態環境保護、維持生態平衡,促進區域資源與環境的協調發展提供科學依據。

1 研究區與研究方法

1.1 研究區概況

黑溝流域位于湖北省秭歸縣中東部,東經110°53′27″-110°54′50″,北緯 30°51′21″-30°51′34″,屬蘭陵溪支流,面積1 023.7 hm2,毗鄰三峽水庫。流域地處中緯度,屬亞熱帶大陸性季風區,多年平均降雨量1 439 mm,年際差異大,年內降雨分布為單峰型(5-8月占全年68%)。土壤為花崗巖母質出露發育的石英砂土,保水保肥性較差,植被覆蓋率為72.5%。流域西高東低,西部最高海拔1 400 m,植被覆蓋低,荒草出露巖石分布;中部低山區為柑桔、板栗、毛竹、馬尾松等人工次生林帶,農林、農茶間作帶;東部緩坡臺地以植茶為主,間作水稻、玉米、花生等。

1.2 不同土地利用景觀單元面積生態服務價值確定

以Costanza等[1]提出的生態系統服務價值估算的原理和方法為基礎,參考謝高地等[13]建立的“中國陸地生態系統單位面積服務價值表”,綜合段瑞娟[14]、萬利[15]、田耀武[16]等研究成果得到流域單位生態價值服務數據(表1)。全流域生態系統服務價值計算公式為

式中:E——研究區生態系統服務總價值;Sa——研究區內土地利用類型a的面積;Pa——單位面積上土地利用類型a的生態系統服務價值系數。

1.3 退耕還林模式的確立

基礎數據為流域2002年退耕還林前Quickbird遙感影像(分辨率為0.6 m),1∶10 000地形圖,1∶10 000土壤類型圖和1∶10 000植被分布圖。參照相關文獻,將土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地等9類。

表1 研究流域單位土地利用面積生態服務價值 元/(hm2?a)

土地利用圖的獲取是采用ERDAS IMAGINE 8.7軟件對影像進行波段合成、幾何糾正、圖像增強等處理。根據建立的解譯標志,在A rc In fo Workstation 9.2的A rcedit中進行人機交互式判讀解譯;運用GPS進行外業精度調查驗證,并將所得數據在A rcIn fo Workstation環境下進行編輯和修改,得到流域2002年土地利用類型圖,作為流域未實施退耕還林時的模式A。

流域2002年開始對＞25°坡地全部實施封山育林和退耕還林,截止目前已發揮出巨大的生態效益。流域＞25°退耕還林坡地面積的確定采用A rc Info Workstation 9.2坡度分析。數字高程模型(DEM)采用流域5.0m等高距1∶10 000地形圖件作為基本地形信息源,按照國家地形圖數字化技術規范標準矢量化等高線,利用A rcV iew GIS 3.2雙線性內插重采樣[17]方法生成 5.0 m[18]水平格網尺度DEM。在地形圖上隨機選擇50個點作為高程控制點,視其高程值作為準值,檢驗對應DEM 柵格點的高程采樣精度;在流域內隨機布設300個點,GPS定位并量測地面實際坡度,計算并控制DEM提取地面坡度的中誤差[19]。在A rcIn fo Workstation 9.2中選擇表面分析坡度工具(slope),生成并計算＞25°坡地面積,作為當前實施退耕還林模式B。模式B與模式A下的土地利用圖相比,計算各土地利用類型面積的變化;同法生成并計算＞15°坡地面積,作為實施退耕還林模式C,模式C與模式A下的土地利用圖相比,計算各土地利用類型面積的變化。

2 結果與分析

2.1 土地利用變化分析

流域主要土地利用類型為林地、農田,果園以橘園為主,由于本研究是利用A rcGIS軟件對流域實施退耕還林后的土地利用變化的一種模擬,交通用地、河流濕地、建設用地、灘地、園地等均認為沒有發生變化,流域內僅林地、農田、未利用地3類土地利用面積發生變化。流域＞25°土地退耕還林后時,林地面積增加到298.4 hm2,林地面積占全流域面積的29.1%,流域＞15°土地退耕還林后,林地面積將增加到446.9 hm2,占全流域面積的43.6%;農田面積分別減少到349.7 hm2和213.8 hm2,占流域面積的比重也由2005年的42.9%下降到34.1%和20.8%;未利用地面積也分別減少到了56.8 hm2和44.2 hm2,占流域面積的比重也由2005年的8.5%下降到5.5%和4.3%(表 2)。

表2 不同模式下流域土地利用面積變化 hm2

2.2 流域尺度生態系統服務價值變化分析

運用流域土地利用生態服務價值表(表1)和流域3種情景模式下土地利用數據(表2),計算出流域各土地利用方式和整個流域生態系統服務價值變化情況(表3)。實施退耕還林前,流域年土壤侵蝕量較大[18]。2001年黑溝流域＞25°坡地全部實施退耕還林工程,至2005年流域生態敏感區水土流失得到極大程度的緩解,生態環境得以改善,發揮出明顯的生態效益。據長江三峽庫區森林生態定位站監測,退耕還林前的2001年全流域土壤侵蝕量為22.3萬t,2005年已下降到8.67萬 t。在各土地利用類型中,坡耕農地是產生土壤侵蝕的重要部分,2001年玉米和花生間作觀測區內土壤侵蝕模數高達899 t/hm2,為相同坡度條件下有林地平均土壤侵蝕量的198倍。生態服務價值發生變化的土地利用也為林地、農田和未利用地。模式A下林地生態服務價值為466.2萬元;模式B下其生態服務價值上升到778.1萬元,模式C下其生態服務價值上升到1 165萬元,為模式A的2.5倍。與林地相反,模式A下農田生態服務價值為479.0萬元,模式B下其生態服務價值下降到381.6萬元,模式C下其生態服務價值下降到233.3萬元,為模式A的48.6%。與農田相似,模式A下未利用地生態服務價值為4.1萬元,模式B下其生態服務價值下降到2.6萬元,模式C下其生態服務價值下降到2.1萬元,模式A下的45.6%。流域尺度上,模式A時流域生態系統服務總價值為1 164.5萬元;模式B時生態系統服務總價值上升到1 164.5萬元,為退耕還林前的 1.18倍,模式C時生態系統服務總價值增加到了1 615.5萬元,為模式A生態服務價值的1.38倍。這主要是由于農田和未利用地單位面積上產生的生態服務價值要小于林地生態服務價值。

表3 流域不同土地利用類型產生生態服務價值 元

3 結論與建議

流域在 A、B、C等3種退耕還林模式下,土地利用面積發生變化主要集中在林地、耕地之間,耕地減少的面積都轉化為林地,這反映了退耕還林還草后土地利用變化格局的總體趨勢。在土地利用結構變化的過程中,流域總的生態系統服務價值是增加的,模式C為模式A的1.38倍。其中,單位面積上林地的生態系統服務價值最大,因此流域的生態環境恢復與重建的主要措施以建設灌木林地為主,增加林草覆蓋率。所以在進行土地利用結構調整優化時,要以提高生態系統服務價值作為土地利用基本原則,貫徹退耕還林政策,調整優化農業結構與布局,轉變農業增長方式,因地制宜,合理、適度利用土地,提高土地利用率和產出率,實現土地利用生態、經濟、社會效應的統一,以利于農業的可持續發展。

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