烏蘭布和沙漠生態系統服務價值時空動態

宋 潔,溫 璐,王鳳歌,李 寬,吳 程,張宏偉,張雪峰,*

1 內蒙古大學生態與環境學院,呼和浩特 010021 2 內蒙古科技大學包頭師范學院資源與環境學院,包頭 014030

生態系統服務(Ecosystem Services, ES)是指人類從生態系統獲得的所有惠益[1],是生態系統向人類提供的環境和商品服務。2005年聯合國千年生態系統評估表明全球約有60%的生態系統正在退化或處于不可持續狀態[2],將嚴重威脅全球的生態安全格局[3]。生態系統服務價值(Ecosystem Services Value, ESV)評估是用貨幣的形式評估生態系統的能力,能直觀反映生態系統服務效益的變化[4-5]。研究區域ESV時空動態能定量描述生態系統服務演化特征[6],對區域生態保護及生態安全穩定具有重要意義。

沙漠生態系統是分布最廣泛的荒漠生態系統類型,是陸地生態系統的重要組成部分,具有防風固沙、氣候調節、水源涵養、旅游觀光以及生物多樣性保育等重要生態系統服務[7- 9]。同時沙漠生態系統極為脆弱,水資源貧乏、植被稀疏、生物量和生物多樣性相對較低[10],且社會經濟發展緩慢。國內外學者已對城市[11-12]、森林[13]、草地[14-15]、濕地[16-17]等不同生態系統的ESV進行大量深入研究,但針對沙漠ESV的研究相對較少,因此近年來相關研究內容逐漸受到關注。現有沙(荒)漠的ESV評估以環境經濟學方法(直接市場法、間接市場法、模擬市場法)為主,如任鴻昌等評估西部荒漠3種生態系統服務的價值為537.24億元/a[18],美國奇瓦瓦沙漠ESV達16.1億美元[8],2010年寧夏沙坡頭保護區ESV為1.94億元[19],塔里木河干流胡楊林荒漠ESV為402.75億元[20]；也有部分研究采用“當量因子法”進行評估,如楊春利等計算了民勤綠洲1994—2007年間的ESV變化[21],庫布齊沙漠杭錦旗ESV為360.18億元[22]；極少數研究采用物質流計算方法[23]或能量價值法[24]進行評價。這些研究在一定程度上彌補了沙漠地區ESV評估的空白,但現有研究時間尺度較短,缺乏時空分異特征的分析。

本研究基于謝高地等[25]提出的“當量因子法”,利用網格分析、熱點分析及相關分析法客觀評價烏蘭布和沙漠ESV時空動態及生態系統服務間權衡協同關系。研究結果旨在明確該區ESV時空演化特征,為科學開展沙漠區域ESV時空格局研究提供可借鑒的方法,為該區生態環境保護政策實施和生態安全建設提供科學參考。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

圖1 研究區示意圖(土地利用類型為2018年數據)Fig.1 Location of the study area (land use type data is 2018)

烏蘭布和沙漠(39°41′07″—40°31′14″N,105°59′45″—106°41′53″E)位于內蒙古自治區阿拉善盟和巴彥淖爾市境內,海拔為1030—1474 m,面積約為14000 km2(圖1)。該地區屬典型中溫帶大陸性干旱季風氣候區[26],干旱少雨,日照充足,蒸發強烈；年均氣溫7.8℃,年日照時間為3229.9 h,晝夜溫差大,年均降雨量151 mm,年均蒸發量2372 mm,平均風速約3.7 m/s,多年平均大風日數10—32 d,四季均有風沙天氣。烏蘭布和沙漠地勢中間低、邊緣高,內部地勢平坦；地貌類型主要包括沙漠、山地、戈壁,地貌形態以流動沙丘、半流動沙丘、半固定沙丘、固定沙丘為主。

1.2 數據來源及處理

土地利用數據源于1990年、2000年、2010年和2018年4期Landsat TM和OLI影像,依據2018年8月上旬野外調查采集的60個樣點,利用面向對象的分類方法結合目視解譯獲得,總體分類精度和Kappa系數分別為85.13%和0.80[27],土地利用分為耕地、林地、草地、水體、鹽堿地、城鄉工礦居民地、流動沙丘、半流動沙丘、半固定沙丘、固定沙丘、戈壁11類(圖1)。社會經濟統計數據來源于《內蒙古統計年鑒》、“內蒙古自治區國民經濟和社會發展統計公報”和《中國糧食年鑒》等。根據研究區范圍,參考相關研究[28-29],利用ArcGIS 10.4軟件生成2 km×2 km網格,基于網格計算烏蘭布和沙漠不同時期空間的ESV。

2 研究方法

2.1 ESV估算模型

本研究參考謝高地等[25, 30]提出的“單位面積價值當量因子法”對烏蘭布和沙漠ESV進行估算。基于內蒙古自治區1990—2018年相應統計資料,計算不同時期“1個標準當量因子的生態系統服務價值量(Ea)”,并對其進行支付意愿系數修正,取4期均值作為最終Ea值,即578.12元/hm2。Ea的計算公式如下：

(1)

(2)

式中,Eat為t年1個標準當量因子的生態系統服務價值量；Rt為t年支付意愿系數,計算方法參考林棟等[31]；i表示作物種類(內蒙古自治區的主要糧食作物：小麥、玉米、大豆)；m為t年該糧食作物的種植面積(hm2),p為t年糧食作物價格(元/kg),q為t年糧食作物單產(kg/hm2),M為t年三種糧食作物總種植面積(hm2)；1/7指沒有人力投入的自然生態系統提供的經濟價值占現有單位面積耕地提供的食物生產服務經濟價值的1/7。

以研究區4期土地利用數據為基礎計算ESV。考慮研究區土地利用類型,結合謝高地等制定的單位面積生態系統服務價值的基礎當量表對生態系統服務價值系數進行修正,其中本文的耕地、林地、草地、鹽堿地、水體分別對應二級生態系統分類中的旱地、闊葉林、草甸、裸地、水系,城鄉工礦居民地歸為裸地[32],固定沙丘、半固定沙丘、流動沙丘、半流動沙丘、戈壁一并歸為荒漠,基于此獲得研究區單位面積生態系統服務價值當量表(表1)。計算研究區ESV的公式如下：

(3)

式中,Aj為第j類土地利用類型的面積(hm2)；Brj為第j類土地利用類型第r種生態系統服務類型單位面積生態系統服務價值當量(表1)。

表1 烏蘭布和沙漠地區單位面積生態系統服務價值當量

2.2 熱點分析方法

Getis—Ord Gi*指數用于識別具有統計顯著性的高值(熱點)和低值(冷點)的空間聚類,能夠識別ESV空間變化是否具有高值聚集區(熱點區)和低值聚集區(冷點區),以及確定高值區和低值區空間聚集的位置,相關公式參考涂小松等[28]。

2.3 權衡與協同關系分析方法

采用皮爾遜相關分析法對1990—2018年4期的11種生態系統服務進行時間的權衡與協同關系測度。該方法用相關系數定量描述兩變量之間的線性相關程度,相關系數為正值,兩變量具有協同(同增或同減)關系；若為負值,則兩變量為權衡(此消彼長)關系；其數值大小反映變量之間相關性的強弱。

2.4 ESV變化指數

為使不同時期ESV變化具有可比性,將研究區內ESV變化量進行標準化處理,得到ESV變化指數：

(4)

式中,γ為ESV變化指數,t1、t2分別為不同時期的年份,Vt1、Vt2分別為t1、t2年份的ESV。

3 結果與分析

3.1 ESV時空變化

3.1.1ESV時間變化

1990—2018年烏蘭布和沙漠ESV總量上升8.91億元,增幅52.32%,其中1990—2000年呈下降趨勢,2000—2018年呈上升趨勢,2010—2018年增幅最大。從一級生態系統服務來看,調節服務、支持服務和文化服務的ESV隨時間變化趨勢與總價值一致,增加量依次為7.25億元、0.50億元和0.10億元；供給服務呈逐年上升趨勢,增幅最大,達85.04%,增加量為1.08億元。二級生態系統服務中,食物生產、原料生產、氣體調節、土壤保持、維持養分循環的ESV呈逐期上升趨勢,其余生態系統服務與總價值變化趨勢一致；水文調節和水源供給ESV增量較大分別是6.72億元、1.54億元,ESV增幅最大的3類生態系統服務依次為食物生產、水文調節、水源供給,均大于90.00%(表2)。

從1990—2018年4期不同土地利用類型的ESV來看：水體和草地先下降后又逐期上升,水體增加144.50%,草地降低37.41%；林地、耕地、城鄉工礦居民地、固定沙丘、半固定沙丘逐年增加,流動沙丘逐年下降,鹽堿地呈波動上升,半流動沙丘呈波動下降,沙漠及戈壁整體變化幅度不大(圖2)。

3.1.2ESV空間變化

基于網格單元在空間上統計烏蘭布和沙漠1990—2018年單位面積的ESV(圖3),4期ESV空間分布特征較為一致：高值區集中于東部和東北部,低值區集中于中部和西南部。1990—2000年黃河沿岸ESV有所下降,吉蘭泰鎮東北緣低值區范圍增大。2000—2010年沙金套海蘇木西南側低值區范圍減小,烏斯太鎮東部出現低值區。2010—2018年黃河沿岸高值區范圍明顯增大,價值增高,巴彥木仁蘇木北部出現一條高值帶延伸至敖倫布拉格鎮內部；北部高值區范圍擴大；敖倫布拉格鎮北緣由低值區變為高值區；中部和西南部的低值區范圍明顯擴大。

表2 1990—2018年烏蘭布和沙漠地區ESV/億元

圖2 1990—2018年不同土地利用類型的生態系統服務價值(ESV)Fig.2 Ecosystem service values of different land use types from 1990 to 2018

圖3 1990—2018年烏蘭布和沙漠地區ESV空間分布Fig.3 Spatial distribution of ecosystem services value in Ulan Buh Desert from 1990 to 2018

3.2 ESV變化的冷熱點分析

為更好地探索烏蘭布和沙漠ESV變化量在空間上的局部表現,基于網格單元計算1990—2000年、2000—2010年、2010—2018年3個時期ESV變化指數,利用ArcGIS熱點分析(Getis—Ord Gi*)工具,識別ESV年際變化的冷、熱點區。

1990—2000年研究區ESV變化以冷點區為主,占總面積的2.85%,分布在黃河沿岸和東北部；熱點區占0.22%。2000—2010年間冷、熱點區面積占比分別為4.36%、3.88%,較均勻的分布在東北部和黃河沿岸。2010—2018年熱點區范圍明顯擴大,面積占10.45%,分布在東部和東北部；冷點區面積占4.23%,主要分布在中部和西南部。3個時間段的冷熱點分析表明,烏蘭布和沙漠ESV變化存在空間聚集性,東北部和東部從以冷點區為主轉變為以熱點區為主,ESV空間變化劇烈(圖4)。

圖4 烏蘭布和沙漠地區1990—2018年ESV變化熱點空間分布Fig.4 Spatial distribution of hot spots in changes of ecosystem service value in Ulan Buh Desert from 1990 to 2018冷(熱)點區表示ESV減少(增加)且聚集；極顯著冷(熱)點代表99%的置信水平；顯著冷(熱)點代表95%的置信水平；冷(熱)點代表90%的置信水平

3.3 生態系統服務間的權衡協同關系

1990—2000年11種生態系統服務相關分析顯示,45組為正相關占81.82%,10組為負相關占18.18%,說明此時間段內協同關系是烏蘭布和沙漠地區的主導關系。在45組協同關系中有18組表現為強顯著正相關(相關系數R>0.80,P<0.01)；食物生產與氣候調節、凈化環境、生物多樣性、美學景觀呈權衡關系,原料生產和維持養分循環均與水資源供給、凈化環境、水文調節呈權衡關系(P<0.01)。2000—2010年間不同生態系統服務間均呈協同關系,在55組相關系數中,有1組無顯著性,4組在0.05水平上顯著相關,其余均在0.01水平上顯著相關,有18組為強協同關系(R>0.80)。2010—2018年11種生態系統服務的55組相關系數均在0.01水平上呈顯著正相關,有22組協同關系較強(R>0.80)(圖5)。

4 討論

4.1 烏蘭布和沙漠地區ESV時空變化及其驅動因素

烏蘭布和沙漠ESV以調節和支持服務為主,供給服務和文化服務的價值相對較低,與我國干旱區其他研究的ESV組成結構相比較為一致(表3)。但從時間變化來看,1990—2018年研究區ESV總量以2000年為拐點先下降后上升,這與王鳳歌[27]對烏蘭布和沙漠生態系統服務物質量的評估結果相似；在空間上ESV呈東部和東北部高,中部和西南部低的分布特征,且ESV變化具有一定的空間聚集性,這可能與這些地區土地利用變化劇烈有關。

土地利用變化是烏蘭布和沙漠ESV變化的直接原因。其東北部和東部分別與河套平原和黃河相鄰,而中部和西南部則主要是沙漠和鹽堿地分布區。1990—2000年間主要是研究區東部水域面積減少和東北部草地轉變為耕地導致價值損失；2000—2010年ESV空間分布變化不大,但冷、熱點區均有所增加,熱點區是由沙漠和鹽堿地向耕地、林地、草地及水體等類型轉變形成,冷點區主要是由草地和水體向耕地和沙漠轉變導致。2010—2018年東部ESV增加主要是沙漠轉變為水體導致,其次是因為沙漠中開發大量耕地和草地。中部和西南部冷點區分別可能是自然鹽積過程使鹽堿地擴大[35]和草地及林地等變為鹽堿地導致。不同政策實施對當地ESV變化有一定影響。1990—2000年間國家實行農業綜合開發政策,農產品價格上升,引起大規模林地和草地開墾[36]導致ESV下降。2000—2018年研究區ESV逐漸增加,與盧周揚帆等[37]對阿拉善干旱荒漠區的研究一致,這可能是2000年以來國家陸續實施天然林保護、“三北”防護林工程、“西部大開發戰略”和“退耕還林還草戰略”等政策[22,35]使研究區耕地、林地和水體面積增加,促使其價值上升,如2012年烏蘭布和生態沙產業示范區[38]的建設和2010年以來實施治理黃河水利工程[39]中形成的科泊爾灘防凌分洪渠均對區域ESV增加有所貢獻。同時,分析烏蘭布和沙漠近30年降水量和氣溫發現氣候變化并不明顯(圖6),也間接表明人為因素是驅動ESV變化的主要原因。

表3 干旱區其他區域ESV構成/億元

圖6 烏蘭布和沙漠地區1990—2018年月均氣溫和降水變化趨勢Fig.6 Trend of monthly average temperature and precipitation in Ulan Buh Desert from 1990 to 2018

4.2 烏蘭布和沙漠地區生態系統服務權衡協同關系變化分析

生態系統服務權衡與協同關系對于制定區域經濟發展與生態保護“雙贏”的政策措施,實現生態系統服務可持續供給具有重要的支撐作用。生態系統服務間的關系可能隨時間變化而改變[40],若僅對某個時間點或時間段靜態研究可能會導致誤判,因此本文對長時間尺度進行分段研究。較多研究發現供給服務與其他生態系統服務存在權衡關系[41-43],本文1990—2000年期間的結果與之一致,可能是食物及原料生產用地與其他用地(特別是草地、水體)存在一定競爭關系[43],導致了這種此消彼長的權衡關系。而在2000—2018年的2個時期中,所有生態系統服務間均演變為協同關系,這與鄭德鳳等[44]研究結果相似,且不同類型的生態系統服務間皆存在強協同關系,可能是生態恢復政策起了一定的積極作用[45],但生態系統服務權衡協同關系的驅動機制復雜多樣,不可一概而論。今后應對長時間不同空間尺度的生態系統服務間關系進行深入研究和分析。

5 結論

通過對烏蘭布和沙漠地區1990—2018年ESV時空動態研究主要得出以下結論：

(1)1990—2018年烏蘭布和沙漠地區ESV先下降后上升,由17.03億元增加至25.94億元；但目前ESV仍以水體、沙漠和耕地為主,區域生態安全存在一定的不穩定性。

(2)烏蘭布和沙漠地區不同時期ESV呈東部和東北部高,中部和西南部低的趨勢；ESV熱點區分布在東部和東北部的部分生態恢復區,但在吉蘭泰鹽湖附近存在冷點區擴展現象。

(3)烏蘭布和沙漠地區生態系統服務間權衡協同關系具有時間動態性,1990—2000年間協同關系占81.82%,權衡關系占18.18%,2000—2018年生態系統服務間都變為協同關系,且協同度隨時間變化有所增強。