黃土丘陵區(qū)土地利用/覆被變化與生態(tài)環(huán)境響應(yīng)

郝仕龍, 徐建昭, 田穎超

(1.華北水利水電大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 鄭州450011; 2.河南水土保持監(jiān)督監(jiān)測總站, 鄭州 450003)

黃土丘陵區(qū)土地利用/覆被變化與生態(tài)環(huán)境響應(yīng)

郝仕龍1, 徐建昭2, 田穎超2

(1.華北水利水電大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 鄭州450011; 2.河南水土保持監(jiān)督監(jiān)測總站, 鄭州 450003)

以生態(tài)綠當(dāng)量作為土地利用變化環(huán)境影響評價的度量指標(biāo)，引用生態(tài)綠當(dāng)量數(shù)學(xué)模型，以固原市上黃試區(qū)為例，利用1982年、2000年及2010年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，測算上黃試區(qū)不同時期各種用地類型的綠當(dāng)量和總綠當(dāng)量，用以衡量生態(tài)環(huán)境狀況。結(jié)果表明：1982年，上黃試區(qū)生態(tài)綠當(dāng)量為0.88，說明該時段生態(tài)服務(wù)功能差，沒有達(dá)到應(yīng)有的生態(tài)標(biāo)準(zhǔn)；1982—2000年，這時期為治理期，經(jīng)過近20 a的生態(tài)綜合治理，到2000年該試區(qū)生態(tài)綠當(dāng)量達(dá)到1.266，說明該試區(qū)生態(tài)環(huán)境達(dá)標(biāo)，生態(tài)服務(wù)功能良好；2000—2010年，在國家退耕還林還草政策條件下，坡耕地進(jìn)行了深度地退耕，至2010年，該試區(qū)生態(tài)綠當(dāng)量達(dá)到1.479，說明生態(tài)服務(wù)功能進(jìn)一步加強(qiáng)。生態(tài)綠當(dāng)量作為評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境指標(biāo)具有涵義明確、計算方便等優(yōu)點。

土地利用/覆被變化; 環(huán)境影響評價; 生態(tài)服務(wù)功能; 綠當(dāng)量; 上黃試區(qū)

進(jìn)入20世紀(jì)以來，隨著全球人口、資源與環(huán)境問題的日益突出，土地利用/土地覆被變化(LUCC)研究已成為國際上全球變化研究的前沿與熱點課題[1-3]，而區(qū)域性土地利用/覆被變化研究是全球環(huán)境問題研究的重要方面，黃土高原是中國土地利用/覆被變化最劇烈的地區(qū)之一，同時也是生態(tài)環(huán)境的脆弱區(qū)[4-5]，因此，土地利用/覆被變化對這一地區(qū)生態(tài)環(huán)境有著深刻的影響，長期以來，廣大學(xué)者從不同的角度，采用不同的方法來描述土地利用變化及其對環(huán)境的影響[6-11]，這些研究將有助于闡明土地利用變化過程及其對環(huán)境產(chǎn)生的影響，也為區(qū)域土地可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境改善提供了科學(xué)依據(jù)。

本文從生態(tài)服務(wù)價值的角度來評價土地利用/覆被變化對環(huán)境的影響，采用綠當(dāng)量這一可以度量指標(biāo)，定量測算研究區(qū)不同時期土地利用/覆被變化對環(huán)境的影響，為區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 生態(tài)綠當(dāng)量原理與測算方法

1.1 綠當(dāng)量的概念

“綠當(dāng)量”是指具有和森林基本相同的生態(tài)功能當(dāng)量，它包括：涵養(yǎng)水源、保持水土、改善氣候、維持景觀和凈化環(huán)境污染等眾多環(huán)境功能，即森林的生態(tài)效益，其主體可以是其他綠色植被[12]。綠當(dāng)量需要以一種生態(tài)系統(tǒng)類型作為度量標(biāo)準(zhǔn),通常以森林的生態(tài)功能作為標(biāo)準(zhǔn),其他綠色植被的綠量相對于等量森林面積的綠量的率。具有綠當(dāng)量的用地主要包括林地、耕地、草地。城鎮(zhèn)及工礦、交通用地及部分未利用地，則為不具備綠當(dāng)量的用地。水域具有景觀、調(diào)節(jié)大氣組成及凈化空氣等功能，是隱含綠當(dāng)量的用量，難以量化。

1.2 生態(tài)綠當(dāng)量測算方法

將具有生服務(wù)功能的不同土地類型作為生態(tài)系統(tǒng)，量化各類用地的生態(tài)服務(wù)功能，以林地為標(biāo)準(zhǔn)，計算各類生態(tài)功能用地的生態(tài)功能服務(wù)總分值，進(jìn)而得到各類生態(tài)的綠當(dāng)量。

(1) 指標(biāo)選取及其量化分值。各類生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境功能是有差異的，所以指標(biāo)選取必須具有典型性、代表性和系統(tǒng)性[12]。指標(biāo)選取從土壤、生物、水、大氣和空間5個方面考慮，本文采用文獻(xiàn)[13]及日本專家通過調(diào)查法做出的評價分值表。

(2) 計算各類生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)服務(wù)分值。文獻(xiàn)[13]中各類地表綠色覆被生態(tài)系統(tǒng)的功能分值已經(jīng)考慮了各項環(huán)境子功能的權(quán)重，其生態(tài)服務(wù)總分值即將各子功能的分值累加求和：

(1)

式中：P——生態(tài)服務(wù)總分值；F——指標(biāo)量值；i——指標(biāo)體系的指標(biāo)數(shù)。由此得出林地的生態(tài)功能服務(wù)價值分值為169.1，相同面積及全年滿種情況下，基本農(nóng)田為132.26，普通旱田為113.55，牧草地為121.84，自然草地為132.26，園地為124.53。

(3) 計算各類生態(tài)系統(tǒng)的平均生態(tài)綠當(dāng)量。根據(jù)上述生態(tài)服務(wù)價值的計算，在全年滿種的前提條件下，假定林地的綠當(dāng)量為1，則耕地(基本農(nóng)田)為0.782，普通旱田的綠當(dāng)量為0.671，牧草地為0.721，自然草地為0.782，水田為0.754，園地為0.736。在實際條件下，由于地區(qū)間的氣候差異，同一時間各個地區(qū)以及同一地區(qū)不同時間各種用地的綠當(dāng)量是不同的。考慮到各地區(qū)作物的不同生長期與熟制，以上所要計算的各生態(tài)系統(tǒng)的綠當(dāng)量結(jié)果還需要乘以一個相對于全年滿種的生長期系數(shù)，根據(jù)專家建議值，黃土丘陵溫帶一年一熟的地區(qū)，相對于全年滿種的生長期系數(shù)取0.46，則相應(yīng)耕地(基本農(nóng)田)、普通旱耕地、人工牧草地、自然草地、水田及園地的全年平均綠當(dāng)量為0.360，0.309，0.332，0.360，0.347，0.339。

(4) 區(qū)域生態(tài)綠當(dāng)量的計算。在一定的區(qū)域內(nèi)，區(qū)域面積為S總，區(qū)域最佳森林覆蓋率為C，按最佳森林覆蓋率要求的區(qū)域林地面積為S林，而區(qū)域?qū)嶋H林地面積為S實，i類用地的面積為Si，綠當(dāng)量為gi，i代表具有生態(tài)服務(wù)功能的用地類型(i=1,2,…)，則：

1) 確定區(qū)域內(nèi)最佳的森林覆蓋率。一日或一次性暴雨至特大暴雨過程是造成土壤侵蝕的主要原動力[14]，為了防止這種大暴雨過程引發(fā)水土流失，應(yīng)用降水量與土壤飽和蓄水量之間的水量平衡原理，即陸地面積范圍內(nèi)產(chǎn)生的一日或一次性大暴雨至特大暴雨量與一定森林面積范圍內(nèi)森林土壤的飽和蓄水量之間保持水量平衡的原理進(jìn)行最佳防護(hù)效益森林覆蓋率的定量研究。公式如下：

S林=P·S陸/W

(2)

式中：S林——最佳林地面積(hm2)；S陸——陸地總面積(hm2)；P——一日最大降水量(mm)；W——森林土壤飽和蓄水量(mm)。

相應(yīng)的森林覆蓋率(%)采用原國家林業(yè)部門1996年頒發(fā)的《森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查主要技術(shù)規(guī)定》提出的計算公式：

F=(S林/S陸)×100%

(3)

式中：F——最佳森林覆蓋率(%)，其它同上。W的計算公式如下：

W=T·Pt

(4)

式中：T——土壤厚度(mm)；Pt——土壤總孔隙度(%)。

2) 計算最佳森林覆蓋率要求下的森林面積S林。按式F=(S林/S陸)×100%計算生態(tài)綠當(dāng)量，其對應(yīng)的綠當(dāng)量為1。

3) 區(qū)域?qū)嶋H林地的生態(tài)綠當(dāng)量和區(qū)域總生態(tài)綠當(dāng)量G總分別按式(5)和(6)來進(jìn)行計算。

G林=S實/S林

(5)

G總=G林+∑(Si×gi/S林)

(6)

若G總<1，說明研究區(qū)不滿足生態(tài)標(biāo)準(zhǔn)，若G總≥1，說明研究滿足生態(tài)標(biāo)準(zhǔn)，生態(tài)達(dá)到優(yōu)化。

2 研究區(qū)生態(tài)綠當(dāng)量測算

2.1 研究區(qū)概況

上黃試驗區(qū)位于寧夏南部黃土丘陵溝壑區(qū)的固原市河川鄉(xiāng)上黃村，地處黃土高原西部寬谷丘陵溝壑區(qū)，地理位置在東經(jīng)106°26′—106°30′，北緯35°59′—36°02′，國土總面積為7.61 km2，屬溫帶半干旱區(qū)。海拔1 534.3 ～1 822 m，年平均降水415.1 mm，年日照時數(shù)2 518 h，年總輻射量5 342.4 MJ/m2，年平均氣溫6.9℃，≥10℃積溫2 350℃，無霜期155 d，現(xiàn)有農(nóng)戶108戶，534人，2010年，上黃試區(qū)主要用地類型為耕地、草地及林地，其用地面積分別為79.4，336.1，238.3 hm2(表1)。

2.2 數(shù)據(jù)來源及處理

(1) 土地利用數(shù)據(jù)。1982年中科院水土保持研究所在上黃村建立生態(tài)示范區(qū)，1982年編制了試區(qū)土地利用基礎(chǔ)底圖，從“六五”至“十一五”，各時期都開展了土地利用的實地調(diào)查，形成了試區(qū)不同時期社會經(jīng)濟(jì)調(diào)查報告，2004年，該試區(qū)還進(jìn)行了土地資源的遙感調(diào)查，編制1∶5 000的正攝影像圖，此后，土地利用變化都以此圖為基準(zhǔn)進(jìn)行修編，形成不同時期土地利用圖件及相關(guān)數(shù)據(jù)。在研究時段方面，論文把1982年之前稱為治理前期，1982—2000年為治理期，2001—2010年為退耕期。

表1 2000-2008年上黃試區(qū)土地利用變化 hm2

(2) 研究區(qū)域30 a內(nèi)一日或一次最大降水量為98.1 mm[15]。 研究區(qū)為黃土丘陵溝壑區(qū)，土壤類型主要為黃綿土，根據(jù)文獻(xiàn)[14]，研究區(qū)土壤層厚度取50 cm，土壤孔隙度為56%。生態(tài)綠當(dāng)量計算結(jié)果見表2。

表2 上黃試區(qū)不同時期生態(tài)綠當(dāng)量 hm2

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)綠當(dāng)量分析

(1) 治理前期。1982年，上黃試區(qū)總的生態(tài)綠當(dāng)量為0.880，生態(tài)綠當(dāng)量小于1，說明上黃試區(qū)沒有滿足生態(tài)標(biāo)準(zhǔn)，生態(tài)環(huán)境較差。治理前，上黃試區(qū)林地面積少，僅為9.4 hm2，具有生態(tài)綠地服務(wù)功能的大部分為普通旱耕地和自然草地，面積為239.0 hm2和369.6 hm2，分別占試區(qū)總面積的31.41%和48.57%，兩者占試區(qū)總面積的79.98%。自然草地生態(tài)綠地當(dāng)量為0.503，占這期間總生態(tài)綠當(dāng)量的57.16%，普通旱耕地的生態(tài)綠當(dāng)量為0.279，占這期間總生態(tài)綠當(dāng)量的31.71%，自然草地和普通旱耕地總生態(tài)綠當(dāng)量為0.782，占這期間總生態(tài)綠當(dāng)量的88.86%，普通旱耕地基本為坡耕地，水土流失嚴(yán)重，侵蝕模數(shù)達(dá)5 000～6 000 t/(km2·a)。

(2) 治理期。1982—2000年，這期間為上黃試區(qū)的治理期，這一時期的主要任務(wù)是進(jìn)行生態(tài)經(jīng)濟(jì)的綜合治理，改變這一區(qū)域經(jīng)濟(jì)貧困和生態(tài)環(huán)境惡化的面貌，至2010年，該試區(qū)總的生態(tài)綠當(dāng)量達(dá)到1.266，生態(tài)綠地當(dāng)量大于1，說明上黃試區(qū)這期間生態(tài)環(huán)境綜合滿足生態(tài)標(biāo)準(zhǔn)，生態(tài)環(huán)境較好。這期間林地的生態(tài)綠當(dāng)量最高，達(dá)到0.604，占總生態(tài)綠當(dāng)量的47.71%，其次是自然草地，生態(tài)綠當(dāng)量為0.314，占總生態(tài)綠當(dāng)量的24.80%，基本農(nóng)田、人工牧草地及園地的生態(tài)綠當(dāng)量都有不同程度的增長。普通旱耕地的生態(tài)綠當(dāng)量有所減少，從治理前的0.279減少至治理末期的0.183。

(3) 退耕期。2000—2010年，上黃試區(qū)這一時期土地利用變化的特征主要是響應(yīng)國家退耕還林還草政策，在這一時期內(nèi)，土地利用/覆蓋變化對生態(tài)環(huán)境的影響較為顯著，2010年，該試區(qū)總的生態(tài)綠地當(dāng)量達(dá)到1.479，較治理末期1.266提高0.213，生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步改善。這期間林地的生態(tài)綠當(dāng)量最高，達(dá)到0.909，占總生態(tài)綠當(dāng)量的61.46%，其次是自然草地，生態(tài)綠當(dāng)量達(dá)0.301，人工牧草地及園地的生態(tài)綠當(dāng)量也有不同程度的增長，而基本農(nóng)田、普通旱耕地及自然草地的生態(tài)綠當(dāng)量呈現(xiàn)下降趨勢。

整個研究期間，上黃試區(qū)生態(tài)綠當(dāng)量由治理前的0.880增長至2010年的1.479，相對治理前，生態(tài)綠當(dāng)量增長0.68倍，土壤侵蝕模數(shù)由治理前的5 000～6 000 t/(km2·a)下降到2010年的2 000 t/(km2·a)，生態(tài)環(huán)境由不滿足生態(tài)標(biāo)準(zhǔn)到生態(tài)環(huán)境優(yōu)良。

3.2 土地結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)控措施

根據(jù)上黃試區(qū)生態(tài)經(jīng)濟(jì)綜合治理的主要任務(wù)和措施及其對土地利用結(jié)構(gòu)的影響，本文把上黃試區(qū)生態(tài)經(jīng)濟(jì)綜合治理劃分為兩個不同的時期，即1982-2000年為生態(tài)經(jīng)濟(jì)綜合治理期，2000—2010年為退耕期。

(1) 治理期。1982—2000年，這期間，土地結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施主要為大力開展基本農(nóng)田建設(shè)，通過坡改梯建設(shè)基本農(nóng)田，基本農(nóng)田面積由治理前的40.7 hm2，達(dá)到治理末期的72.8 hm2，坡耕地的治理主要是對部分陡坡耕地進(jìn)行退耕還林，這期間共有39 hm2的坡耕地進(jìn)行了梯田的改造，因退耕種草新增了41.3 hm2的人工草地，在對荒山的改造過程中有148.9 hm2的荒山轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?圖1)。到治理期末，水土流失得到有效控制，土壤侵蝕模數(shù)從治理前的6 000 t/(km2·a)降至2000年的2 000 t/(km2·a)，生態(tài)環(huán)境得到有效的改善。

圖1 上黃試區(qū)1982-2000年土地利用變化

(2) 退耕期。2000—2003年，這 3 a是上黃試區(qū)的退耕年，之后為退耕穩(wěn)定年，這期間生態(tài)環(huán)境治理主要是響應(yīng)國家退耕還林(草)政策，坡耕地面積大量的減少，整個期間共有142.3 hm2的坡耕地在利用方式上進(jìn)行了改變，140.8 hm2的坡耕地進(jìn)行了退耕還林還草，其中有60.8 hm2的坡耕地轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸兀蔀槿斯つ敛莸兀?0 hm2的坡耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值兀蔀槲闯闪衷炝值?圖2)。

在整個研究期間，上黃試區(qū)土地利用變化較為顯著(圖2)，特別是耕地及林地變化尤為突出，耕地變化主要表現(xiàn)為坡耕地的減少，1982—2010年，坡耕地共減少200.3 hm2，主要轉(zhuǎn)變?yōu)榱值睾湍敛莸兀值刈兓饕憩F(xiàn)為林地的增加，整個研究期間，林地面積共增加229.0 hm2，耕地和林地的變化是上黃試區(qū)生態(tài)綠當(dāng)量變化的主要原因，其中，林地的增加使該試區(qū)生態(tài)綠當(dāng)量增加0.873。

圖2 上黃試區(qū)2000-2010年土地利用變化

4 結(jié) 論

(1) 本文將生態(tài)綠當(dāng)量的概念引入土地利用結(jié)構(gòu)的生態(tài)優(yōu)化，提出了基于生態(tài)綠當(dāng)量的森林覆蓋率，充分挖掘各類用地尤其是耕地與園地的生態(tài)服務(wù)功能，突破了原有只重視其產(chǎn)出功能的局限。

(2) 根據(jù)生態(tài)綠當(dāng)量的概念，以上黃試區(qū)為例，分析了其不同時期土地利用/覆蓋變化及其對生態(tài)綠當(dāng)量的影響，表明整個研究期間上黃試區(qū)生態(tài)綠當(dāng)量增長明顯，生態(tài)環(huán)境穩(wěn)步改善，土地利用結(jié)構(gòu)的調(diào)整是區(qū)域生態(tài)環(huán)境改善的關(guān)鍵，整個研究期間，耕地變化較大，共減少200.3 hm2，林地面積在大力建設(shè)生態(tài)水保林的措施下，林地面積由治理前期的9.3 hm2，增長至2010年的238.3 hm2。

(3) 利用生態(tài)學(xué)原理提出了基于生態(tài)綠當(dāng)?shù)淖罴焉指采w率，分析了其它具有生態(tài)報務(wù)功能的用地類型的生態(tài)綠當(dāng)量，定量地衡量了研究區(qū)生態(tài)服務(wù)功能的變化過程，由于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的復(fù)雜性和時空上的動態(tài)異質(zhì)性，這種測算方法還有待進(jìn)一步的研究和探討。

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LandUse/CoverChangeandEcologicalResponsetoEco-EnvironmentinLoessHillyArea

HAO Shi-long1, XU Jian-zhao2, TIAN Ying-chao2

(1.SchoolofResourcesandEnvironment,NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,Zhengzhou450011,China; 2.He′nanProvincialGeneralStationofSoilandWaterConservationSupervisingandMonitoring,Zhengzhou450003,China)

This paper took Shanghuang experimental area as an example, and took the ecological green equivalent as the measure index of the environmental impact assessment, to establish the ecology green equivalent mathematical model and surveyed the value of region green equivalent, then assessed the ecology environment situation based on the data of land use in 1982, 2000 and 2010. The result showed that the green equivalent was 0.88 in 1982, which meant that the ecosystem service function was not up to the standard; while in 2000, after about 20 years comprehensive ecological management in this area, the green equivalent reached up to 1.266, which indicated that the ecological environment had been improved in Shanghuang experimental area; after returning the farmland to forestland and grassland from 2000 to 2010, the green equivalent was 1.479 in 2010, which showed that the ecological service functions became more powerful. It is clear meaning and simple calculation to use the ecological green equivalent as the indicators of the regional evaluation of ecological environment.

land use/cover change; environmental impact assessment; ecosystem service function; green equivalent; Shanghuang experimental area

2013-12-10

：2014-01-02

水利部黃土高原水土流失過程與控制重點實驗室開放課題基金“寧南山區(qū)土地利用/覆蓋變化研究”(201305)

郝仕龍(1972—),男,江西永修人,博士,副教授,主要研究方向:土地利用/土地覆蓋變化。E-mail:haoshilong@ncwu.edu.cn

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：A

：1005-3409(2014)05-0024-04