基于RS和GIS的寧夏鹽池縣土地利用變化對生態系統服務價值的影響

楊 越, 哈 斯, 杜會石, 孫保平, 趙 巖, 趙 瑞, 孫百生

(1.北京師范大學 資源學院, 北京 100875; 2.北京林業大學 水土保持學院, 北京 100083; 3.河北民族師范學院, 河北 承德 067000)

基于RS和GIS的寧夏鹽池縣土地利用變化對生態系統服務價值的影響

楊 越1,3, 哈 斯1, 杜會石1, 孫保平2, 趙 巖2, 趙 瑞2, 孫百生3

(1.北京師范大學 資源學院, 北京 100875; 2.北京林業大學 水土保持學院, 北京 100083; 3.河北民族師范學院, 河北 承德 067000)

以寧夏鹽池縣1989年、1995年、1999年、2003年、2006年和2009年6期TM影像為基礎，運用GIS方法提取各年土地利用數據，分析鹽池縣土地利用動態變化；采用中國陸地生態系統的服務價值測算方法，分析土地利用變化引起的生態系統服務價值變化。結果表明，1989—2009年間鹽池縣土地利用變化顯著，林地和建設用地面積持續增加，草地面積先減少后增加，耕地和未利用地面積先增加后減少，水域面積小幅波動變化；研究期內鹽池縣生態系統服務價值總體呈增加趨勢，林地面積的增加起到主導作用；鹽池縣生態系統服務價值構成中，草地居于主導地位，貢獻率為49.8%～60.4%，林地的貢獻比例持續增加，致使鹽池縣生態系統服務價值結構格局發生良性轉變；各土地利用類型生態系統服務價值敏感性指數都小于1，表明鹽池縣生態系統服務價值對生態服務功能價值系數缺乏彈性，研究結果可信。

生態系統服務價值; 土地利用變化; 寧夏鹽池縣

生態系統服務(ecosystem services)是指通過生態系統的結構、過程和功能直接或間接得到的生命支持產品和服務[1]，是人類生存和發展的物質基礎和基本條件。生態系統服務價值(ecosystem services value, ESV)的定量評估是國內外生態學研究的熱點之一，其在理論、評價和核算方法等方面取得了很大的研究進展[2-8]。土地利用變化能通過改變生態系統的結構和功能，對生態系統維持其服務功能起決定性的作用[9]。因此，研究土地利用變化背景下的生態系統服務價值變化，對于實現土地資源的可持續利用、促進經濟與環境的協調發展具有重要意義。近年來，很多學者對流域[10-12]、城市[13-16]、干熱河谷[17]、綠洲等[18-20]區域土地利用變化引起的生態系統服務價值變化進行了定量研究；但是這些研究的時間尺度有限，多側重于兩個時期的比較，而且對縣域尺度的研究相對薄弱[21-22]。

寧夏鹽池縣位于我國北方農牧交錯帶，獨特的地理位置造成該地區自然資源的多樣性和生態環境的脆弱性，也使該地區成為我國荒漠化的主要發生區域，其生態環境的優劣關系到周邊地區的發展。在氣候變化、人類活動及政策調控等自然和人為因素驅動下，寧夏鹽池縣的土地利用變化顯著，進而影響著區域生態系統服務功能。保護生態環境、維持生態平衡，對于保障該地區生態安全和可持續發展具有至關重要的意義。鹽池縣已有的研究多集中于土地利用變化[23-24]、荒漠化動態[25-26]以及荒漠化治理效果[27-28]等方面，尚未見生態系統服務價值的研究報道。因此，本文在分析鹽池縣6期土地利用動態變化的基礎上，揭示土地利用變化引起的生態系統服務價值的演變規律，為區域土地資源可持續利用和生態環境建設提供決策參考。

1 研究區概況

鹽池縣位于寧夏回族自治區東部，北緯37°04′—38°10′，東經106°30′—107°41′。地勢南高北低，平均海拔為1 600 m，南部為黃土丘陵區，中北部為鄂爾多斯緩坡丘陵區。屬于中溫帶大陸性氣候，年均氣溫8.1℃，極端最高氣溫為34.9℃，極端最低氣溫為-24.2℃，年均無霜期為165 d，年降水量僅250～350 mm，年蒸發量為降水量的5倍，年平均風速2.8 m/s，年平均大風日24.2 d，沙暴日數20.6 d。土壤類型以灰鈣土為主，其次是黑壚土和風沙土，此外有黃土，少量的鹽土、白漿土等。植被類型有灌叢、草原、草甸、沙地植被和荒漠化草原植被。鹽池縣現有4鄉4鎮，總人口16.5萬人。

鹽池縣北與毛烏素沙漠相連，南靠黃土高原，屬于一個典型的過渡地帶，即：地形上自南向北是從黃土高原向鄂爾多斯臺地(沙地)過渡地帶，氣候上是從半干旱區向干旱區的過渡地帶，植被上是從干草原向荒漠的過渡地帶，資源利用上是從農區向牧區過渡地帶[27]。這種地理上的過渡性造成鹽池縣自然資源的多樣性和生態環境的脆弱性。

2 數據來源與研究方法

2.1 土地利用變化數據獲取

以寧夏鹽池縣1989年、1995年、1999年、2003年、2006年和2009年6期遙感影像為基礎，輔以該區地形圖、地質地貌、土壤植被分布圖以及野外實地調查數據。根據全國農業區劃委員會1984年頒發的《土地利用現狀調查技術規程》和鹽池縣土地資源特點，將其土地利用類型劃分6類，即耕地、林地、草地、建設用地(城鎮、工礦、居民用地)、水域、未利用地。在ArcGIS 9.2支持下按照土地利用分類系統建立解譯標志，通過進行監督分類和目視解譯相結合，獲取6期土地利用數據。結合野外調查采樣點的數據，在ENVI 4.6軟件下對遙感影像分類結果進行精度檢驗后，得到6個年份的總精確度和Kappa指數等均接近或大于0.8(表1)，其分類精度滿足研究要求[29]。

表1 鹽池縣土地利用分類精度評估

土地利用動態度可定量描述區域土地利用變化的速度，它對比較土地利用變化的區域差異和預測未來土地利用變化趨勢都具有積極的作用[30]。單一土地利用動態度(K)是指某研究區一定時間范圍內某種土地利用類型的數量變化情況，其公式為：

(1)

式中：K——研究時段內某一種土地利用類型動態度；Ua，Ub——研究初期、研究末期某一種土地利用類型的數量；T——研究時段長，當T的時段設定為年時，K的值就是該研究區某一種土地利用類型年變化率。

2.2 生態系統服務價值的評估

國內外眾多學者已開展了對全球尺度、區域尺度以及單個生態系統和生態系統單項服務的價值評估研究。謝高地等[8]根據中國的實際情況，將生態服務劃分為9項，得出了中國生態系統服務價值當量因子表，并確定1個生態服務價值當量因子的經濟價值量等于當年全國平均糧食單產市場價值的1/7。本文根據研究區實際情況，參考謝高地生態系統服務價值表，并對其進行修正，獲得適合研究區的生態系統服務價值表(表2)。即以寧夏鹽池縣1989—2009年年均糧食產量(1 324 kg/hm2)以及1989—2009年糧食平均價格(2.7元/kg)確定寧夏鹽池縣1個生態服務價值當量因子的經濟價值為513元。

參考已有的研究成果，結合寧夏鹽池縣的具體情況，將土地利用類型與最接近的生態系統相聯系(耕地對應農田，林地對應森林，草地對應草地，水域對應水體，未利用地對應荒漠，建設用地暫不估算其生態系統服務功能的經濟價值)，據此測算出研究區土地利用類型對應于Costanza等[1]所劃分生態系統類型

的生態服務功能價值系數(表2)。運用Costanza等[1]的計算公式確定各土地利用類型的生態系統服務價值，其公式為：

ESV=∑(Ak×VCk)

(2)

式中：ESV——生態系統服務價值(元)；Ak——研究區k種土地利用類型的面積(hm2)；VCk——生態服務功能價值系數[元/(hm2·a)]。

目前受時間、地點、研究尺度等眾多因素的影響和制約，生態系統服務價值評估方法還不完善，評估的結果也不夠準確；但是將這些方法和結果應用到實際工作中也是有意義的[3]。例如對于一個地區的生態系統服務價值進行連續評估，雖然結果不甚準確，但采用相同的方法研究其不同時間的變化趨勢是具有可比性的，這在一定程度上能反映該地區生態系統服務價值的變化狀況以及存在的問題，從而為生態建設、環境保護、土地持續利用等提供參考[10-22]。

表2 鹽池縣各土地利用類型生態服務功能價值系數 元/(hm2·a)

2.3 敏感性指數的計算

為了確定生態系統服務價值隨時間的變化對于生態服務功能價值系數的依賴程度，相關研究[12-13,15]選取經濟學中的彈性系數概念來計算價值系數的敏感性指數(coefficientof sensitive，CS)。敏感性指數是指生態服務功能價值系數變動1%引起生態系統服務價值的變化情況，如果CS>1，表明ESV相對于VC是富有彈性的；如果CS<1，ESV則被認為是缺乏彈性的，比值越大，表明生態服務功能價值系數的準確性越關鍵。

本文將各類土地利用類型的價值系數分別上下調整50%，衡量總生態系統服務價值變化。敏感性指數的計算公式如下：

(3)

式(3)中，ESV，VC，k的含義同式(2)，i，j分別表示初始的生態系統服務價值和生態服務功能價值系數調整后的價值。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化

研究期內，鹽池縣草地面積最大，分布廣泛；水域面積最小；耕地主要分布在北部和南部；林地分布較為零散；未利用地主要分布在中北部，并且面積明顯減少(表3)。

1989—2009年間鹽池縣土地利用變化顯著。耕地面積1989—1999年呈逐年增加趨勢，年變化率相對較低；1999—2009年呈逐年減少趨勢，年變化率相對提高。前一個階段主要是由于人口的快速增長，加之落后的農業生產力，使得人類對耕地的需求逐年加大；后一個階段主要是由于國家實行退耕還林(草)政策、農業科技的快速發展及大量農民外出務工，減小了對耕地的需求，而且效果明顯。林地面積1989—2009年呈逐年增加趨勢，年變化率相對較高，尤其是在1995—1999年間變化速度最快，年變化率達到68.50%。林地面積的變化主要是由于近些年的生態環境建設(“三北”防護林工程、天然林保護工程、退耕還林工程、防沙治沙造林工程)及封育禁牧政策，植被得到快速恢復所至。草地面積的變化與耕地恰好相反，1989—1999年逐年減少，1999—2009年逐年增加，年變化率相對較低，但由于草地是鹽池縣的基質，其變化面積較大。水域面積的變化呈上下波動趨勢，年變化率相對中等，但由于鹽池縣水域面積較小，其變化較為平穩，而且主要受降雨、蒸發等氣候因素影響。建設用地面積比例逐年增大，由1989年占全縣面積的0.93%增加到2009年的4.20%，20 a間翻了4倍，年變化率相對較高，在三個不同時段內(1989—1995年、1999—2003年、2003—2006年)是變化速度最快的土地類型。建設用地的變化主要是由于鹽池縣不斷推進的城鎮化步伐。未利用地面積1995年以前不斷增加，年變化率相對較低；1995年以后開始大幅度減少，年變化率相對較高，且在2006—2009年變化速度最快，年變化率為-52.96%。未利用地的增加階段主要是由于鹽池縣受自然因素和人為因素的共同影響，導致部分草地轉變為流動沙地；其減少階段主要是由于鹽池縣近年來以土地沙漠化治理為核心的生態建設，沙化土地得以逆轉，流動沙地大幅度減少。

表3 鹽池縣土地利用面積變化和年變化率

3.2 生態系統服務價值變化

由表4可知，1989—2009年鹽池縣生態系統服務價值總體上呈增加趨勢，尤其是從1999年開始增幅明顯。生態系統服務價值由1989年的26.678 9億元增加到2009年的30.986 8億元，凈增加4.307 9億元，增幅16.15%，變化顯著。研究期內各類土地生態系統服務價值的變化存在明顯差異：林地的生態系統服務價值增加顯著，由1989年的4.077 5億元增加到2009年的9.895 0億元，增幅翻倍；草地的生態系統服務價值先減少后增加，變化幅度不大；耕地、水域和未利用地的生態系統服務價值整體上呈減少趨勢，但又表現出一定的波動性。1989—2009年鹽池縣生態系統服務價值的變化源自同期土地利用結構的變化。研究期內鹽池縣耕地和未利用地面積減少，林地和建設用地面積增加，由于建設用地面積的增長不會增加生態系統服務價值，因此林地面積的增加是鹽池縣生態系統服務價值持續增長的主要原因。

研究期內鹽池縣生態系統服務價值構成中，草地居于主導地位，貢獻率49.8%～60.4%；林地和耕地次之，而且二者發生從研究期初耕地高于林地到研究期末林地高于耕地的地位轉換；再次是水域，雖然比例不足5%，但其生態服務功能不容忽視；而未利用地對生態系統服務總價值的貢獻較小，不到1%。研究期內鹽池縣林地生態系統服務價值增加顯著，生態服務功能進一步增強，致使鹽池縣生態系統服務價值結構格局發生良性轉變。

3.3 敏感性分析

應用式(3)將各類生態服務功能價值系數(VC)分別上下調整50%，計算得到各年份各類VC的敏感性指數(CS)。

由表5可知，1989—2009年間林地的CS呈增長趨勢，耕地和草地的CS呈減少趨勢，表明林地的VC變化對鹽池縣的生態系統服務價值(ESV)產生放大作用，耕地和草地的VC變化對鹽池縣的ESV產生縮小作用。CS值由高到低的順序是：草地、耕地或林地、水域和未利用地。CS值相對較高的為草地，在0.5～0.6之間，表明草地的VC變化對鹽池縣的ESV影響較大，即當草地的VC增加1%時，ESV將增加0.5%～0.6%。水域和未利用地的CS很小，位于0～0.05之間，表明二者的CS變化對鹽池縣的ESV影響不大。計算結果顯示各類VC的CS均小于1；這表明研究區生態系統服務總價值對生態服務功能價值系數缺乏彈性，所采用的生態服務功能價值系數較為適宜，研究結果可信。

表4 1989-2009年鹽池縣生態系統服務價值

表5 鹽池縣生態系統服價值的敏感性

4 結論與討論

(1) 1989—2009年間鹽池縣林地和建設用地面積持續增加，耕地和未利用地面積先增加后減少，草地面積先減少后增加，水域面積呈小幅波動變化。這表明在研究期內鹽池縣土地利用變化首先由草地向耕地、未利用地、林地和建設用地發展，隨后由耕地和未利用地向林地、草地和建設用地發展。這種顯著的土地利用變化主要受自然和人為因素的雙重影響，尤其以人為干擾為重；相關環境保護政策和生態治理工程的實施對土地利用結構的調整也起到至關重要的作用。

(2) 土地利用變化是生態系統服務價值變化的決定性因素。1989—2009年間鹽池縣土地利用變化引起生態系統服務功能及其價值的改變，生態系統服務價值總體上以年均0.8%的速度持續增長。鹽池縣生態系統服務價值主要是由耕地、林地和草地支撐構成，各時段中三者的生態系統服務價值之和所占比例均在90%以上。期間隨著“三北”防護林工程、天然林保護工程、退耕還林工程、防沙治沙造林工程等生態建設的相繼實施，退化草地得以恢復，林地面積顯著增加，土地利用變化的生態效益十分明顯。尤其是林地面積的顯著增加，不僅平衡了因耕地、未利用地等面積減少而缺失的生態系統服務價值，而且保持生態系統服務總價值繼續增長，使鹽池縣生態系統服務價值結構格局發生良性轉變。因此，鹽池縣在經濟建設和土地開發的過程中，應采取積極的措施保護林地和草地，以維護生態系統的服務功能，實現區域生態系統的持續健康發展。

(3) 各土地利用類型在不同年份之間的CS存在一定差異，反映出土地利用動態變化對生態系統服務價值產生的影響。草地的CS值相對較高，其VC變化對鹽池縣的ESV影響較大，體現出草地在鹽池縣的基質作用。這與結論(2)草地在鹽池縣生態系統服務價值構成中的絕對優勢相輔相成。各類VC的CS均小于1也表明本文所采用的生態服務功能價值系數較為適宜，研究結果可信。

(4) 本研究采用的生態系統服務價值計算方法簡單直觀，但存在一定的局限性。估算生態系統服務價值時，每種土地利用類型是采用相同的生態價值系數，但實際上每種土地利用類型都包含幾種相關的生態系統類型，如林地就有溫帶落葉闊葉林、亞熱帶常綠闊葉林等多種植被類型，其生態服務價值是不同的。如能給細分后的土地利用類型各賦予與其生態功能相符的生態價值系數，則會使估算結果更接近實際值，尚有待進一步研究。

[1] Costanza R, Arge R, Groot R, et al. The value of the world′s ecosystem services and natural capital[J]. Nature,1997,387:253-260.

[2] Daily G C, Matson P A, Vitousek P M. Ecosystem services supplied by soil[M]∥Daily D C. Nature′s Service: Societal Dependence on Natrual Ecosystems. Island Press, Washington,1997:113-132.

[3] 歐陽志云,王如松,趙景柱.生態系統服務功能及其生態經濟價值評價[J].應用生態學報,1999,10(5):635-640.

[4] 歐陽志云,王效科,苗鴻.中國陸地生態系統服務功能及其生態經濟價值的初步研究[J].生態學報,1999,19(5):607-613.

[5] 張仲新,張新時.中國生態系統效益的價值[J].科學通報,2000,45(1):17-22.

[6] 謝高地,魯春霞,成升魁,等.全球生態系統服務價值評估研究進展[J].資源科學,2001,23(6):5-9.

[7] 謝高地,張釔鋰,魯春霞,等.中國自然草地生態系統服務價值[J].自然資源學報,2001,16(1):47-53.

[8] 謝高地,魯春霞,冷允法,等.青藏高原生態資產的價值評估[J].自然資源學報,2003,18(2):189-196.

[9] Turner B L II, Skole D, Sanderson S, et al. Land-use and land-cover change: science/research plan [R]. IGBP Report No.35/HDP Report No.7. Stockholm: IGBP,1995.

[10] 向悟生,李先琨,丁濤,等.土地利用變化對漓江流域生態服務價值影響[J].水土保持研究,2009,16(6):46-50,55.

[11] 李進鵬,王飛,穆興民,等.延河流域土地利用變化對其生態服務價值的影響[J].水土保持研究,2010,17(3):110-114.

[12] 杜會石,南穎,朱衛紅.圖們江流域土地利用變化對生態系統服務價值的影響[J].吉林大學學報:地球科學版,2010,40(3):671-677.

[13] 吳后建,王學雷,寧龍梅,等.土地利用變化對生態系統服務價值的影響:以武漢市為例[J].長江流域資源與環境,2006,15(2):185-190.

[14] 彭文甫,周介銘,羅懷良,等.城市土地利用變化對生態系統服務價值損益估算:以成都市為例[J].水土保持研究,2011,18(4):43-51,277.

[15] 葉延瓊,章家恩.廣州市土地利用變化對生態系統服務價值的影響研究[J].生態科學,2008,27(2):119-123.

[16] 申海建,郭榮中,江藝明,等.基于RS和GIS的土地利用變化對生態系統服務價值的影響:以北京市為例[J].安徽農業科學,2008,36(11):4781-4783.

[17] 周紅藝,熊東紅,楊忠.元謀干熱河谷土地利用變化對生態系統服務價值的影響[J].農業工程學報,2008(3):135-138.

[18] 王洪亮,何秉宇.塔里木盆地南緣克里雅綠洲土地利用變化對生態系統服務價值的影響研究[J].環境科學導刊,2011,30(4):60-63.

[19] 葉長盛,董玉祥.珠江三角洲土地利用變化對生態系統服務價值的影響[J].熱帶地理,2010,30(6):603-608.

[20] 徐中春,謝永生,王恒俊.延安市城郊農村土地利用變化對生態系統服務價值的影響[J].水土保持通報,2009,29(3):50-55.

[21] 熊鷹,謝更新,曾光明,等.喀斯特區土地利用變化對生態系統服務價值的影響:以廣西環江縣為例[J].中國環境科學,2008,28(3):210-214.

[22] 蘇海霞,馬禮,郭萬翠.壩上沽源縣土地利用變化對生態系統服務價值的影響[J].干旱地區農業研究,2008,26(4):196-200.

[23] 周鐵軍,趙廷寧.寧夏鹽池縣土地利用變化分析研究[J].水土保持研究,2005,12(6):116-118.

[24] 張學儉.基于遙感和GIS的寧夏鹽池縣土地利用/覆被變化研究[D].北京:北京林業大學,2005.

[25] 祁元,王一謀,王建華,等.基于遙感和GIS技術的荒漠化動態分析:以寧夏鹽池為例[J].中國沙漠,2003,23(3):275-279.

[26] 楊光.基于3S的鹽池縣景觀格局及荒漠化動態研究[D].北京:北京林業大學,2008.

[27] 張克斌,李瑞,侯瑞萍,等.寧夏鹽池縣不同荒漠化治理措施植物多樣性研究[J].中國水土保持科學,2004,2(4):66-72.

[28] 沈彥,張克斌,杜林峰,等.人工封育區植物群落恢復演替系列種群生態位動態特征:以寧夏鹽池為例[J].生態環境,2007,16(4):1229-1234.

[29] Jensen J R.遙感數字影像處理導論[M].陳曉玲,龔威,李湘平,等,譯.北京:機械工業出版社,2007.

[30] 王秀蘭,包玉海.土地利用動態變化研究方法探討[J].地理科學進展,1999,18(1):81-87.

ImpactsofLandUseChangeonEcosystemServiceValueinYanchiCountyofNingxiaBasedonRSandGIS

YANG Yue1,3, HASI·Eerdun1, DU Hui-shi1, SUN Bao-ping2, ZHAO Yan2, ZHAO Rui2, SUN Bai-sheng3

(1.CollegeofResourcesScienceandTechnology,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China; 2.CollegeofSoilandWaterConversation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China; 3.HebeiNormalUniversityForNationalities,Chengde,Hebei067000,China)

Based on TM image data in 1989, 1995, 1999, 2003, 2006 and 2009 of Yanchi County of Ningxia, the land use data of Yanchi County in each year were extracted by support of RS and GIS technology, and were used to analyze the dynamic change of land use. The land use data were studied for estimating the change of ecosystem service value caused by the land use change of Yanchi County by using the evaluation method of China terrestrial ecosystem services value. The results showed that the changes of land use were obvious during 1989 to 2009. The areas of woodland and construction land had an increasing tendency, while grassland area reduced before and increased after; while cropland and unused land area increased before and reduced after, while water area fluctuated slightly. The ecosystem service value of Yanchi County had an increasing tendency during 1989 to 1995 because the increasing woodland area had played the major role in raising the total ecosystem service value. The grassland accounted for a large proportion of the total ecosystem service value of Yanchi County, with its contribution rate from 49.8% to 60.4%. And the composition of the ecosystem service value of Yanchi County happened benign change for the increasing contribution rate of woodland. The ecosystem service value sensitivity index of each land use type is less than 1, indicating that the ecosystem service value of Yanchi County lacks flexibility on its service value index, and the research results are reliable and believable.

ecosystem service value; land use change; Yanchi County of Ningxia Hui Autonomous Region

2013-12-11

：2014-01-02

國家“十二五”科技支撐計劃“毛烏素沙地南緣流沙固定與植被保育技術研究與示范”(2012BAD16B0202);國家林業公益性行業科研專項“中國南方退耕還林工程建設效益監測與評價研究”(201004018)

楊 越(1983—),男(滿族),河北承德人,北京師范大學資源學院,博士后,主要從事水土保持與荒漠化防治、干旱區生態恢復的研究。E-mail:yangyue131421@163.com

X171.4;X826

：A

：1005-3409(2014)05-0100-06