基于土地利用變化的興縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評估

郝 亮

(長安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，陜西 西安 710064)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(Ecosystem services)是指人類通過生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過程和功能直接或間接得到的生命支持產(chǎn)品和服務(wù)[1]，其價(jià)值評估是生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要依據(jù)和基礎(chǔ)[2]，人類在土地上的開發(fā)帶來了地表覆被的改變，驅(qū)動著生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的價(jià)值變化[3]。1997年，Costanza等[1]對全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行了評估，對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的研究產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響[4]。國內(nèi)學(xué)者謝高地[5]、歐陽志云[6,7]等在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)領(lǐng)域開展了大量研究[8]，計(jì)算出了中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量表[9]。對于山西省而言，主要研究集中在森林、草地等生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價(jià)值評估，如對汾河上游[10]、山西省森林[11]、五臺山地區(qū)[12]等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評估。由此可見，當(dāng)前對山西縣域、市域等尺度的微觀層面研究不夠深入。

本文基于縣域尺度，選擇位于山西省西北部的興縣作為研究區(qū)域[13]，基于遙感影像解譯獲取土地利用數(shù)據(jù)，在分析土地利用面積及變化的基礎(chǔ)上，采用中國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子表對興縣2005—2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行評估，以對比得出10a間興縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化，為決策者更有效、更科學(xué)地生態(tài)管理和政策制定提供參考。

1 研究區(qū)概況

興縣(N38°5′40″～38°43′50″，E110°33′00″～111°28′55″)位于呂梁市北部，屬晉西北地區(qū)，全縣總面積為3168km2(圖1)。地勢整體西低東高，屬晉西北丘陵地區(qū)，西部黃河流經(jīng)。屬大陸性季風(fēng)氣候，降水量相對偏少。縣域內(nèi)已發(fā)現(xiàn)煤炭、含鉀巖石、鋁土礦等23種礦產(chǎn)資源，工業(yè)結(jié)構(gòu)以第二產(chǎn)業(yè)的工業(yè)初級產(chǎn)品與能源加工工業(yè)為主，2019年完成地區(qū)生產(chǎn)總值113.17億元[13,14]。

圖1 興縣位置圖

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本文以中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心陸地觀測衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(http://www.radi.cas.cn/)的Landsat衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，選用2005年與2015年相近月份的30m分辨率影像，利用ENVI軟件進(jìn)行地形校正、輻射定標(biāo)、圖像融合、大氣校正等，以行政區(qū)劃為范圍，分別進(jìn)行分幅矢量化得到土地利用數(shù)據(jù)。然后采用分層與分類隨機(jī)抽取方法進(jìn)行精度驗(yàn)證，經(jīng)檢驗(yàn)該影像數(shù)據(jù)解譯精度達(dá)到80%以上，滿足本研究需要。最后根據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T 21010—2005)，在ArcGIS 10.2中進(jìn)行合并土地利用類型并進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)后，得到土地利用類型并將其分為了耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用土地6類，為了方便計(jì)算研究，本文將空間數(shù)據(jù)投影統(tǒng)一到UTM投影系下，空間分辨率統(tǒng)一為100m。

2.2 研究方法

本文以Costanza[1]對全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評估的成果為參考，在謝高地等[5]建立的中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積服務(wù)價(jià)值表的基礎(chǔ)上，得出興縣的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)單位面積價(jià)值，將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值表述為ESV，構(gòu)成了估算公式：

ESV=∑Pk×Ak

(1)

式中，ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，元；Pk為第k類土地利用類型單位面積的生態(tài)功能總服務(wù)價(jià)值，元·hm-2；Ak為研究區(qū)內(nèi)第k類土地利用類型的面積，hm2。

本文基于謝高地等[5]的研究結(jié)果，對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)當(dāng)量因子的經(jīng)濟(jì)價(jià)值進(jìn)行了調(diào)整。計(jì)算公式為：

(2)

式中，Et為單位面積糧食產(chǎn)量的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，元·hm-2；Tt為研究區(qū)每年的糧食總價(jià)值，元；Xt為研究區(qū)每年糧食播種面積，hm2。

結(jié)合山西省統(tǒng)計(jì)年鑒[15]中的興縣糧食作物播種面積，得出興縣單位生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子的經(jīng)濟(jì)價(jià)值量為2653.97元·hm-2，完成了興縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的當(dāng)量修正。

由于建設(shè)用地屬于城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)，受到人為活動與社會經(jīng)濟(jì)影響強(qiáng)烈，因此有必要正確核算出城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)的價(jià)值損失值[16]。本文在參考宗躍光等[17]相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，從食物生產(chǎn)、氣體調(diào)節(jié)、涵養(yǎng)水源和廢物處理4個(gè)功能上對城鎮(zhèn)用地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子進(jìn)行測算，由于人為的干擾使得城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中具有負(fù)效益，因此其當(dāng)量因子全部為負(fù)值。此外，本文還結(jié)合湯峰等[18]的研究計(jì)算了氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)等9項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型的價(jià)值。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化分析

從土地利用的空間分布來看，興縣東部為呂梁山地，多林地，且呈現(xiàn)出片狀分布；南部林地與草地相間分布，且有耕地零星分布；耕地主要分布于河流兩岸的河谷地帶，因此耕地呈現(xiàn)出連續(xù)帶狀分布的特征；北部與中部沿河零星分布有建設(shè)用地，面積較為狹窄(圖2)。

圖2 興縣2005年(左)與2015年(右)土地利用對比

2015年興縣土地總面積為316800hm2，興縣土地利用類型以耕地和林地為主，草地次之；水域、建設(shè)用地、未利用土地占比較少。耕地占比最大，占全縣總土地面積的40.41%；居于次位的是林地，占全縣總土地面積的35%；相比而言，建設(shè)用地在全縣土地面積中占比極少，僅為0.2%。由此可見，該縣土地利用類型以農(nóng)用地為主，注重農(nóng)業(yè)發(fā)展，城市化水平極低，除縣城中心區(qū)外，其它建設(shè)用地均分布零星，并未形成實(shí)質(zhì)性的城鎮(zhèn)。

在2005—2015年間，縣域內(nèi)耕地與建設(shè)用地面積略有增加，而水域面積減少最多，減少幅度達(dá)到14.69%；未利用地、林地與草地面積變化較小，呈小范圍波動態(tài)勢。

表1 興縣2005—2015年土地利用變化

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值動態(tài)變化分析

基于土地利用的變化，采用單位生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值表對興縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行計(jì)算，得到2005年與2015年興縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(表2)。興縣的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值呈不斷減少的態(tài)勢，共減少0.18×108元，變化率為0.7%。其中，林地和耕地對ESV的貢獻(xiàn)均遞增，分別增加了0.013×108元和0.005×108元；草地、水域、建設(shè)用地的ESV則呈遞減的趨勢，而建設(shè)用地的面積增加對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)影響；未利用地的ESV呈基本穩(wěn)定態(tài)勢，其對總體的ESV變化影響微乎其微。從變化率來看，水域變化率最大，達(dá)到-14.69%；其次是建設(shè)用地，為14.66%；然后是耕地、草地和林地，分別為0.25%、-0.08%和0.07%。在所有地類中，林地對ESV貢獻(xiàn)最大，比重達(dá)到了71.3%，森林和草地2種服務(wù)價(jià)值量所占比重高達(dá)89%以上，由此可見森林和草地對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)起著重要的作用；面積占比高達(dá)40%的農(nóng)田，在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量中僅僅占比7.25%；未利用地貢獻(xiàn)較小，僅為0.01%，建設(shè)用地貢獻(xiàn)為負(fù)，為-0.52%。

表2 興縣2005—2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量變化

結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)功能占比與興縣土地利用實(shí)際情況，計(jì)算得到興縣2005年與2015年各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(表3)。在2005—2015年間，所有的9項(xiàng)單項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型的ESV均發(fā)生變化，除食物生產(chǎn)的價(jià)值增加0.013×108元以外，其余8項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型的ESV均不斷減少。其中，廢物處理功能出現(xiàn)大幅下降，是由于水域面積降低帶來的影響，使得水域生態(tài)系統(tǒng)對人類排放廢物的處理能力降低，也是由于城市化的進(jìn)程加快，帶來更多的廢物與垃圾，生態(tài)系統(tǒng)需要處理的人類生活所產(chǎn)生的廢物量增加，從而削弱了其處理能力，降低了其更新速度；水源涵養(yǎng)功能下降較為明顯，降低值達(dá)0.048×108元以上，主要原因是水域面積的降低，使得處于黃土高原地區(qū)脆弱的興縣生態(tài)系統(tǒng)更為脆弱，加之干旱的影響，導(dǎo)致當(dāng)?shù)厮春B(yǎng)功能降低明顯；生物多樣性保護(hù)功能的降低主要原因是草地和水域生態(tài)系統(tǒng)的萎縮，導(dǎo)致生物量降低，生態(tài)系統(tǒng)主要的生產(chǎn)者生存環(huán)境惡化，導(dǎo)致整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的多樣性遭到破壞。此外，提供娛樂文化服務(wù)功能在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值中的比例并不高，僅為8.02%，而且還出現(xiàn)了下降，因此發(fā)展旅游過程中應(yīng)加強(qiáng)保護(hù)生態(tài)環(huán)境，重點(diǎn)發(fā)掘當(dāng)?shù)氐娜宋穆糜钨Y源，積極鞏固脫貧成果，培育鄉(xiāng)鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境的旅游潛力。

4 結(jié)論

本文在Landsat遙感影像基礎(chǔ)上，對興縣2005—2015年土地利用面積及變化情況進(jìn)行了分析，并采用當(dāng)量因子表對興縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行了分析，得到如下結(jié)論。

研究區(qū)內(nèi)的土地利用結(jié)構(gòu)在2005—2015年間未發(fā)生較大變化，土地利用類型以耕地和林地為主，草地次之；水域、建設(shè)用地、未利用土地占比較少。10a間耕地、林地和建設(shè)用地面積有所增加，草地和水域面積減少。這種變化規(guī)律是城市化發(fā)展與水域生態(tài)遭到破壞等綜合因素帶來的。

研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在2005—2015年呈不斷減少的態(tài)勢，從2005年的26.54×108元減少到2015年的26.35×108元，共減少0.186×108元，變化率為0.7%。其中，耕地和林地對ESV的貢獻(xiàn)呈現(xiàn)遞增趨勢，草地、水域、建設(shè)用地的ESV則呈遞減的趨勢。在所有地類中，林地對ESV貢獻(xiàn)最大，比重達(dá)到了71.3%，其次是草地、耕地和水域，未利用地和建設(shè)用地貢獻(xiàn)最小。

從單項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值來看，除食物生產(chǎn)的價(jià)值增加外，其余均呈現(xiàn)不斷減少態(tài)勢。研究區(qū)主要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值集中在廢物處理、水源涵養(yǎng)和生物多樣性的保護(hù)等功能，比重分別占到34.35%、25.71%和13.19%。

綜上，在2005—2015年間,研究區(qū)內(nèi)的ESV減少，生態(tài)系統(tǒng)功能有所減弱，應(yīng)重點(diǎn)警惕的是水域面積的不斷減少。水域面積的減少使得處于黃土高原地區(qū)脆弱的興縣生態(tài)系統(tǒng)更為脆弱，加之氣候干旱的影響，導(dǎo)致當(dāng)?shù)厮春B(yǎng)功能降低明顯。雖然短期內(nèi)未出現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)明顯破壞的證據(jù)，但是可能會進(jìn)一步威脅到生態(tài)系統(tǒng)安全。而生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的損失往往是不可逆的，經(jīng)濟(jì)手段、法律手段或工程手段在短時(shí)間內(nèi)無法彌補(bǔ)生態(tài)資產(chǎn)的損失，因此在生態(tài)恢復(fù)與城市建設(shè)時(shí)，應(yīng)做好土地利用、水土保持和環(huán)境保護(hù)的規(guī)劃，堅(jiān)持合理與適度開發(fā)，堅(jiān)持耕地保護(hù)紅線不動搖，避免破壞當(dāng)?shù)卮嗳醯纳鷳B(tài)系統(tǒng)，維持經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的動態(tài)平衡，以求經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益的最大化。

本文對于興縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的研究結(jié)果與其他學(xué)者對于全國其它地區(qū)的研究基本一致，能夠較為準(zhǔn)確地反映興縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在2005—2015年間的變化趨勢。但是，由于研究時(shí)間跨度較小，研究區(qū)內(nèi)土地利用結(jié)構(gòu)與面積變化不夠明顯，10a間興縣的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化不夠顯著。在今后的研究中，應(yīng)該注重長時(shí)間尺度以及空間動態(tài)的變化分析，建立適當(dāng)?shù)奈锢?、?shù)學(xué)模型，應(yīng)從實(shí)地調(diào)研入手，著重分析研究區(qū)具體地形單元與微觀尺度下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化。