奈曼旗土地利用動態及其生態系統服務功能

烏義漢,秦富倉,郭月峰,李 龍,劉艷琦

(1.內蒙古農業大學 沙漠治理學院,內蒙古 呼和浩特 010019;2.內蒙古農業大學 林學院,內蒙古 呼和浩特 010018)

土地利用方式將直接影響生態系統的服務功能與價值，合理的土地利用會提高服務功能，改善生境質量；不合理的土地利用會使生態系統失去平衡，降低服務功能與服務價值。自1993年對土地利用與生態系統的研究被列入“全球地圈與生物圈計劃和全球環境變化人文計劃”[1-3]之后，一直作為全球環境領域的核心內容被國內外眾多學者所研究，國外包括Yan等[4]人以中國三江平原地區為研究區，分析60年間土地覆被變化對生態系統服務的影響發現，濕地轉為耕地后服務價值也產生變動。Wang等[5-6]對中國橫斷山區近10 a的研究也發現還林還草政策會使生態系統服務價值明顯提高。國內對土地利用及生態系統的研究始于20世紀90年代，包括運用遙感技術對土地利用/覆被進行監測、建立模型、數據庫，分析土地利用對生態系統服務和生態效應的影響。因生態系統服務是人類從生態環境中獲得的直接和間接利益，對生態系統的研究有助于推進當地的可持續發展[7]，對制定生態治理政策[8]、合理配置資源等[9]工作提供科學依據。而目前對于生態系統服務的研究主要以Costanza等國外學者[10]及謝高地[11]等國內學者為主，前者研究了生態系統服務價值的計算方法，后者則基于前期研究成果展開調查并修訂了中國陸地生態系統單位面積ESV當量表并廣泛應用于中國各個區域。本文基于國內外相關研究，分析中國北方農牧交錯帶典型脆弱區[12]的土地利用及生態系統，因該區存在生態系統失衡、環境退化明顯等生態特征，不合理的土地利用會促使當地荒漠化、鹽堿化等土地退化問題[13]。而地處北方農牧交錯帶的內蒙古自治區奈曼旗作為典型的生態環境脆弱區，常年遭受科爾沁沙地等自然因素和不合理的土地利用等人為因素的雙重危害，是亟需解決的生態治理區域[14-15]。因此基于以上理念選取奈曼旗為研究區，利用2000，2010與2018年的土地利用變更數據，運用ArcGIS，Envi Classic計算土地利用動態度與土地利用轉移矩陣，分析土地利用變化及生態系統服務的演變特征。結合研究區土地利用方式及生態環境質量對制定土地利用總體規劃、荒漠化防治政策、生態治理工程提供科學意見。

1 研究區概況

奈曼旗地處內蒙古自治區通遼市遼西山地北部和西遼河平原南端(120°19′40″—121°35′40″E，42°14′40″—43°32′20″N)，東西寬68 km，南北長140 km，全境總面積8 137.6 km2。奈曼旗是一個由蒙古族與漢族形成的44萬人口的旗縣，轄14個蘇木鄉鎮和355個嘎查村。位于“西北—東南”方向的出海地理走廊，屬西部大開發、振興東北老工業基地及環渤海經濟圈疊交區域，因地緣優勢擁有豐富的礦產、林業等資源。2018年奈曼旗生產總值達79.16億元，其中三產分別達到33.61億元，15.81億元和29.74億元。受地理位置的影響，研究區屬北溫帶大陸性季風干旱氣候，年平均降水量366.3 mm；最高氣溫39.2 ℃最低氣溫-31.6 ℃，平均氣溫6.4 ℃；年平均蒸發量1 935 mm，降水量的5.28倍，蒸發量遠高于降水量。又因位于北方典型的農牧交錯帶地區呈由南向北“山地—剝蝕風積傾斜平原—風積沖積波狀平原與風積沖積河谷平原”的地貌特征，加上長期的過度放牧和開墾草場等不合理的土地利用行為導致土地退化嚴重，至2018年土地沙化面積達到了8.011 35 hm2。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源與處理

2.1.1 數據來源 研究區土地利用變更數據源于地理空間數據云平臺30 m×30 m分辨率的遙感影像。為滿足數據的可比性分別選取Landsat 4-5TM數字產品的2000年9月15日、2010年8月10日無云影像和Landsat 8OLI_TIRS數字產品的2018年3月25日無云影像，并對影像元數據進行輻射定標和FLAASH大氣校正提高影像精度。生產經濟與社會資源數據來源于2000—2018年的《奈曼旗統計年鑒》。

2.1.2 數據處理 運用ArcGIS和Envi Classic對定標校正的影像進行拼接鑲嵌、波段組合、圖像增強等影像預處理工作，并通過目視解譯和監督分類法結合研究區實際情況分為林地、草地、水域、沙地和其他5種地類。因奈曼旗是科爾沁沙地主體部分，其土地類型以沙地為主，為此把沙地分為流動沙丘、半流動沙丘和固定沙丘3種類型。再根據土地利用類型在ArcGIS繪制土地利用專題圖制作土地利用動態表和土地利用轉移矩陣，分析土地利用時空變化。并基于土地利用專題圖對其屬性表獲取唯一值，運用字段計算器對生態服務賦值，進行各類土地的面積和對應的生態系統服務值相乘工作，分析地類面積變化產生的生態系統服務的變動。最終根據分值制作2000—2018年ESV空間分布圖，并根據演變的情況在Origin Lab 9.0軟件的spline connected功能模塊對服務功能的空間變化進行定量分析。

2.2 研究方法與內容

2.2.1 土地利用動態 土地利用動態是指一定時間段內發生的土地利用數量變化[16]，土地利用單一動態度可定量描述其變化的速度[17]，揭示土地利用結構在時間上的變化。

(1)

式中：L為土地利用動態度(%)；T為時間(a)；Ua，Ub為研究區初期與末期各類土地面積(hm2)。

2.2.2 土地利用轉移 土地利用轉移矩陣揭示人文/自然因素引起的土地利用類型轉移的內在規律，對空間變化進行定量描述[18]。

(2)

式中：A為轉移面積(hm2)；T為轉移時間(a)；T1為轉移前的時間(a)；T2為轉移后的時間(a)；i，j(i，j=1，2，…，n)為轉移前后土地利用類型；Aij為T1時點的土地類型i在T2時點轉變為土地類型j的面積(hm2)。

2.2.3 生態系統服務 通過生態系統服務計算公式進行系統的核算，可以量化土地利用結構對生態系統服務產生的影響。文中采用謝高地等人的生態系統服務系數[19]，對應研究區各類土地面積面算出生態系統服務價值。

(3)

式中：ESV為生態系統服務價值；Vj為j類土地面積(hm2)；Ej為j類土地生態系統服務系數〔元/(hm2·a)〕。

2.2.4 土地利用導致的生態系統服務變化 土地利用/覆被變化作為地球表層系統中最突出的景觀標志對自然現象和生態過程的各個方面都產生著顯著的影響，包括對氣候、水文、土壤、生物及整個生態系統。正面影響對區域的水土資源、生產經濟及人文社會的可持續發展起到促進作用，負面影響則會帶來沙漠化、鹽堿化等土地退化、自然災害、能源缺乏、經濟危機等一系列生態經濟問題。而降低土地利用變化對生態系統的不良影響，必須全面了解土地利用變化的驅動因素，研究土地利用變化的過程，產生的生態效應和土地利用變化的驅動機制，為區域土地利用結構優化和生境質量的改善提供科學依據(見圖1)。

3 結果與分析

3.1 土地利用動態

自20世紀90年代土地覆被相關的研究被列入“全球地圈與生物圈計劃和全球環境變化人文計劃”之后關于土地覆被—生態系統—驅動因素的研究一直是全球環境領域的熱點研究內容。因作為生態環境脆弱區的奈曼旗是展開生態治理研究的典型區域，為此結合國內外相關研究以及實施的生態治理政策《奈曼旗規劃區原有生態環境總體情況及保護措施(2010—2020年)》和兩期《奈曼旗土地利用總體規劃(2000—2010年，2010—2020年)》將其分為上期規劃(2000—2010年)和最新規劃(2010—2018年)兩階段對土地覆被演變情況進行對比分析。統計結果顯示(見表1)奈曼旗土地利用覆被變化總體趨勢為“兩增四減”，即林草地增加，流動、半流動、固定沙丘的減少。2000—2010年的土地覆被結構則主要以草地和沙地為主，占比分別為26.88%和24.47%，水域和林地的占比則為3.88%所占比分為沙地的1/6，且相比2000年，2010年的林草地和水域面積減少了1.41×105hm2；說明生態治理效果欠佳。相比前10 a，2010—2018年土地覆被結構已明顯優化，林草地面積有所增加、沙地則大幅減少。其中林地增加4.34×105hm2，占總土地的32.86%；沙地占比降至5.46%，近2/3的沙地被綠化特別是半流動沙丘和固定沙丘分別減少6.47×104hm2，5.75×104hm2。其他地類如濕地、耕地、城鄉居民用地、鹽堿地、未利用地等在總體上持平衡的狀態。土地覆被信息顯示相比前10 a，2010—2018年植被覆蓋度顯著提升、沙地面積及比例大幅減少、生態系統和生態環境質量顯著提升，說明人們的土地利用方式、土地利用規劃及生態治理等工作具有科學性和合理性，達到了優化土地利用結構的目的。

3.2 土地利用轉移

為探究土地利用結構在空間上的變化，以2000—2018年土地覆被信息為數據源借助Envi Classic計算土地利用動態與轉移矩陣，數據化表達土地利用變化特征(見封3，附圖7)。

基于土地利用空間變化和轉移矩陣計算的統計結果顯示(見表2)，草地和林地面積顯著提升、沙地面積大幅減少，而林草地的增幅是由沙地轉化而來。2000—2018年草地凈增278 182.08 hm2，而134 864.37 hm2量的草地維持不變，其中固定、半流動及流動沙丘的轉入面積分別為18 599.04，2 226.33和158.76 hm2，即20 984.13 hm2沙地已被草地覆蓋。林地面積增加47 066.31 hm2，通過封沙育林，打造經濟林等活動在沙地進行大型種植工作使林地替代了固定沙丘、半流動沙丘和流動沙丘，其轉換量分別為4 674.78，376.38和21.15 hm2。水域是研究區相對穩定的土地利用類型，草地和林地是水域減少的主要原因，其中3 825.18 hm2面積量的水源轉為林地，1 504.98 hm2轉為草地，轉出面積共計5 330.16 hm2。而沙地呈“固定沙丘向半流動沙丘，半流動沙丘向流動沙丘轉換”的趨勢，2000—2018年15 127.29 hm2固定沙丘轉為半流動沙丘，8 483.22 hm2半流動沙丘則轉為流動沙丘。即2000—2018年采取的《內蒙古自治區林地保護利用規劃大綱(2010—2020年)》《內蒙古自治區主體功能區規劃(2009—2020年)》《奈曼旗土地利用總體規劃(2006—2020年)》等生態治理政策以及土地利用方式、土地利用總體規劃導致沙地面積大量減少，沙化問題得到一定的控制。除此之外林草地的增加，植被覆蓋度的提高導致了生態系統服務質量提升，降低了生態環境的脆弱程度。

表2 奈曼旗2000-2018年土地利用轉移矩陣 hm2

3.3 生態系統服務

3.3.1 生態系統服務價值 奈曼旗因地理特征及人文/自然因素的影響，目前已屬典型的生態環境脆弱區，即生態系統失調，荒漠化嚴重，生態服務價值減少等問題。而位于科爾沁沙地腹地的奈曼旗正是國家三北防護林體系建設工程重點項目區。為此在研究過程中參考有關部門之間制定的《奈曼旗規劃區原有生態環境總體情況及保護措施(2010—2020年)》和“四期(2001—2010年)和五期(2011—2020年)三北防護林建設工程”將研究數據分為2000—2010年和2010—2018年兩階段，對應每期的治理工程和治理政策，并利用謝高地等人的研究成果制作研究區生態系統服務價值數據運用Origin Lab處理平臺對不同時期的區域總體生態服務價值進行對比。因生態系統是指對人文社會帶來的效益，其價值的高低直接決定產生的效益程度，對典型脆弱環境而言區域生態安全的底線，科學評估價值變化是合理規劃區域土地利用、構建生態安全格局的重要基礎。研究顯示(見圖2)，2000—2018年奈曼旗生態服務價值變化呈“一減一增”的趨勢，即從2000—2010年服務值由最初的3 050.7萬元減少至1 991.58萬元再增至2018年的4 728.55萬元服務值。結合2000—2018年各類土地覆被與生態系統服務價值變化數據得知，2010—2018年林地面積的增加促進了林地生態系統服務價值，使奈曼旗在2018年生態服務最佳，2010年林地和水域面積的減少則導致生態服務價值減少、生態環境達不到理想的狀態。

圖2 奈曼旗2000-2018年生態系統服務價值變化

明晰生態系統服務價值的演變特征，有助于針對性的提出區域生態系統服務提升決策，對于維持和改善人類福祉以及生態環境質量具有重要意義。本文基于2000—2018年生態系統服務變化數據在ArcGIS遙感系統上對生態系統服務總值進行重分類，將研究區分為高值區、中值區和低值區。而生態系統服務價值空間分布3期影像顯示(見圖3)，相比最初的低值區占大比例，到2018年的高值區占最大比例，且中值區已被高值區替代，而數量上也是高值區大幅增長，其變化緣由則為不同土地覆被結構的生態服務值上升導致。研究結果顯示，2000—2018年林地和水域生態指數明顯上升，特別是林地從413.53萬元增至3835.71萬元，相比2010年總體生態服務中的比值增加60.36%，導致2018年林地的生態系統服務價值達到最高值并使總體生態服務最佳；而草地與荒漠的生態價值呈輕微幅度的下降趨勢，共計752.99萬元。即土地覆被結構的轉變對生態環境以及產生的服務價值起到正面作用。結果說明，實施生態保護措施、實行退耕還林政策，擴大林草面積等生態治理工作是提高生態質量及服務價值的關鍵。

圖3 奈曼旗2000-2018年生態系統服務價值分區變化

為此本文基于生態系統服務總值及不同分值區的分布特征，建立了不同的人文/自然—土地—生態系統協調發展模式。①模式A：生態系統服務低值區。即服務價值與服務功能較弱，生態環境質量較差，是沙化土地集中分布區域；此類地區以環境保護為先，適合發展種植業打造生態效益。②模式B：生態系統服務中值區。即服務功能與價值適中，生態系統基本維持協調功能，環境承載力較高，為此可以發展保護式—開發式兩類模式，一方面發展沙區特色產業，使其在發展過程中打造經濟效益；一方面發展種植業，保護生態環境，平衡生態系統。③模式C：生態系統服務高值區。即生態服務價值最高服務功能最強，環境承載力最大，生態環境質量最高地區。結合建立的協調發展模式及土地覆被、生態系統數據得出此類地區在維持生態環境的基礎上可發展部分開發式生態治理模式，即發展養殖業、種植業、沙區產業等產業打造經濟效益。

3.3.2 生態系統服務功能 由生態系統所形成的維持人類賴以生存和發展的自然環境條件及效用即為生態服務功能，是產生服務價值的前提。其功能歸納為以下4個方面。①供給服務功能：包括食物供給、原料生產與水資源供給；②調節服務功能：氣體調節、氣候調節、水文調節以及凈化環境；③支持服務功能：土壤保持、維持養分循環及生物多樣性；④文化服務功能即美學景觀。而土地覆被的變化導致生態環境的每項功能會發生相應的變化。

圖4為基于生態系統服務價值功能變化數據在Origin Lab9.0軟件上通過spline connected功能模塊繪制的4類服務功能不同時期的變化情況，總體上各類服務功能變化情況呈“先減后增”的趨勢，11類服務功能均在2018年達到最理想的狀態。而氣候調節、水文調節和土壤保持的生態系統服務價值超過600萬元，特別是氣候調節功能價值近1 400萬元；相對與其他服務功能維持養分循環功能的偏幅不大呈穩中增長的趨勢。

圖4 奈曼旗2000-2018年生態系統服務功能演變

通過分析生態系統服務功能發展趨勢得知奈曼旗生態系統服務功能均在2010年產生巨大的變化。2000—2010年：供給服務功能價值均下降，而供給服務功能的變化最為明顯，原料生產由84.59萬元降至45.31萬元，食物生產、水資源供給的下降共計33.18萬元。調節服務功能模塊的氣候、氣體、水文和凈化環境分別下降290.14，96.24，236.4，82.39萬元。支持服務和文化服務則降至468.26萬元及96.58萬元。而產生此類變化的原因主要為土地覆被結構的變動，因人為不合理的活動對生態系統帶來負面影響，包括2000—2010年草地和水域的減少與沙地的增加導致生態系統服務功能的價值降低。2010—2018年4種生態系統服務功能則均增加，以調節服務功能變化最為典型，其服務總值已達3 085.31萬元，相比2010年增加1 773.36萬元，所占比例高達65.25%，導致整個生態系統的服務功能也隨之增加，使生態環境質量得到改善。支持服務功能增至1 125.2萬元，凈增量達656.94萬元。而土壤保持服務功能和生物多樣性服務功能的提升也是服務價值提高的重要原因，兩者分別以每年21.78375萬元與16.55萬元的速率增至目前的289.06萬元和228.98萬元。對比2000—2018年4類生態系統服務功能的演變趨勢可知，人文活動會直接影響到土地覆被進而影響生態系統服務，而每一期的生態治理政策下產生的效果都有所不同，2010年后制定的《奈曼旗規劃區原有生態環境總體情況及保護措施(2010—2020年)》下產生的服務功能遠比2010年之前的效果好，4期三北防護林建設下的生態服務功能也比3期時顯著提升。為此人文因素是生態環境的服務功能產生變動的間接因素，是提高生態系統對人文社會的服務功能的前提條件。而服務功能變化結果則表示減少不合理的人為活動，控制產生的負面影響，加強人文化活動的合理性、科學性、有效性可達到生態服務功能穩增的結果。

4 討論與結論

奈曼旗作為中國北方農牧交錯帶典型生態環境脆弱地區是沙漠化最集中、擴散最快、生態問題最嚴重的區域。作為科爾沁沙地的核心區域，地表土質疏松且多沙質等自然因素加劇了該地區生態環境的脆弱程度，加上人為不合理的土地利用導致生態系統失去平衡，這與杜子濤、任海峰[20]等人的研究結果相一致。本文基于國內外相關研究，建立土地—生態系統—驅動因素響應流程，運用研究區2000—2018年遙感數據分析土地覆被結構與生態系統服務演變特征，結合人文因素建立了3種人文—土地—生態系統協調發展模式。研究結果表明，時間上(2000—2018年)土地利用呈“草地—林地—沙地”主導的地域演變特征，其占比高達54.65%，特別是林地，至2018年林地面積凈增312 100 hm2；沙地則減少了142 100 hm2。說明基于《奈曼旗土地利用總體規劃(2009—2020年)》的人為活動如發展沙區特色產業、種植沙生植物等土地利用方式，基于《奈曼旗規劃區原有生態環境總體情況及保護措施(2010—2020年)》實施的生態恢復治理工程對土地覆被結構的優化及土地利用效率、生態系統產生了正面作用。

生態系統服務數據顯示，ESV總值最初的3 050.7萬元增至2018年的4 728.55萬元，而氣候調節服務的變化是服務價值上升的主要原因，其價值由2000年的801.64萬元增至1349.85萬元。因此類功能的改善對于農林牧的發展起到決定性作用，對于長期受沙漠影響的干旱地區而言凈化環境功能的提升對減輕風沙危害以及整體生態環境的改善提供有力的條件。而生態環境的改善會提高生態系統服務價值。進而影響到農牧民以及整個地區的生產和生活。

本文建立的模型及體系將會為后期的土地利用總體規劃制定，生態治理政策編制，土地利用結構調整和生態環境質量的提高提供科學意見。