阿拉善土地利用變化及其對生態系統服務價值的影響

張睿姝高永陳宏芳高苗苗魏健民李曉惠楊焱堯

(1.內蒙古農業大學沙漠治理學院，內蒙古 呼和浩特 010000；2.阿拉善左旗林業工作站，內蒙古 阿拉善 750300)

引言

土地是人類生存發展的基礎，也是生態系統服務價值和功能的保障。土地利用變化是自然環境影響和人類活動驅動的直接體現，土地資源的合理開發和有效利用直接或間接關系到生態系統服務價值和功能的可持續發展[1-3]。由此，基于土地利用變化視角，定量評價分析生態系統服務價值變化已逐漸成為生態環境領域的研究熱點。人類社會賴以生存和發展的物質基礎是生態系統直接或間接提供的生態系統服務，包括供給、調節、支持和文化等各類服務價值，生態系統服務價值對于維持生命存續和發展有著不可替代的作用[4,5]。學者針對生態系統服務功能及其價值開展了大量研究，Costanza等首先從科學意義上將生態學和經濟學相結合，明確了生態系統服務價值估算的原理及方法，并對生態系統服務價值進行量化[6]；謝高地等在Costanza等的研究基礎上，制定出中國生態系統服務價值當量因子和價值轉化系數[7]；目前，國內外學者的研究多以謝高地修訂與補充的生態系統服務價值當量因子表為基礎，結合研究區單位生態系統服務的經濟價值來估算區域生態系統服務價值[8,9]。同時，學者基于上述理論，開展了針對城市、森林、濕地和流域等不同生態系統的服務價值的研究[10-14]，取得了大量的研究成果，但是卻鮮有針對荒漠生態系統服務價值功能的評估，荒漠地區在我國分布范圍較廣，其發育在高蒸發、低降水的極端脆弱環境下，是陸地生態系統的重要組成部分。因此，開展荒漠生態系統服務價值在長期的土地利用變化下的響應特征，對于深刻理解陸地生態系統服務價值以及可持續發展有著重要的意義。

阿拉善盟地處內蒙古西部，該地區是由草原化荒漠向典型荒漠至極旱荒漠的過渡地區，屬于典型的荒漠生態系統[15]。自20世紀80年代以來，該地區為改善生態環境、防治土地沙漠化，先后開展了飛播造林、人工造林和封沙育林等生態工程，在增加土地利用類型的基礎上，有效地改善了當地的生態環境質量。因此，為了明確荒漠地區土地利用變化與生態系統服務價值之間的關系，并進一步分析荒漠地區土地利用類型對生態系統的影響程度，本研究以1980年、2000年、2020年3期的阿拉善盟遙感監測數據為基礎，選擇土地利用動態度、轉移矩陣以及謝高地等提出的當量因子法等對以阿拉善荒漠區為代表的1980—2020年土地利用現狀、土地利用變化以及生態系統服務價值進行研究，以期為干旱荒漠區的土地資源優化、生態環境治理及實現可持續發展提供理論支撐。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

阿拉善盟位于內蒙古自治區的最西部，地理位置介于N37°24′～42°47′，E97°10′～106°53′。下轄阿拉善左旗、阿拉善右旗、額濟納旗，有4個自治區級開發區，30個蘇木鎮，198個嘎查村，總面積為27萬km2，總人口27.57萬人。氣候干旱少雨，年平均氣溫6～8℃，年降水量200mm以下，屬于典型的干旱區域。阿拉善盟內有巴丹吉林、騰格里、烏蘭布和3大沙漠，使得阿拉善主要的土地利用類型為沙地和未利用地，區域內地表植被覆蓋度低。

圖1 研究區地理位置

1.2 數據來源

本文所使用的土地利用數據、數字高程模型(DEM)及阿拉善盟矢量數據來源于資源環境數據云平臺(www.resdc.cn)，分別獲取阿拉善盟1980年、2000年和2020年土地利用數據，結合《土地利用現狀分類》標準以及阿拉善盟土地利用特點，利用ArcGIS 10.6將地類進行重分類，其中疏林地、灌木林、有林地統歸為林地，高、中、低覆蓋度草地統歸為草地，沙地、荒漠、戈壁等統歸為未利用地，最終得到耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地6個地類。

1.3 研究方法

1.3.1 單一土地利用動態度

單一土地利用動態度是不同土地利用類型在一定時間內的變化速度和幅度指標，描述單一地類動態性變化，在一定時間段內，土地利用類型資源數量的變化情況[16]。

式中，K為一定時間段內某種單一土地利用類型的動態性變化；Ua表示研究期初某一土地利用類型面積；Ub表示研究期末某一土地利用類型面積；T為本次研究時段長度。

1.3.2 綜合土地利用動態度

式中，LUi表示研究測量期開始時第i類土地利用類型的數量；LUi-j表示土地利用類型轉為非i類的土地數量絕對值；n為土地利用類型數量；T為研究時段長度[17]。

1.3.3 土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣是在一定的時間段內，土地利用類型間的相互轉化和轉移過程，能夠將土地利用類型結構特征、土地利用類型流入和流出量面積以及變化方向表征出來[18]。

式中，Aij為某一時間段內土地利用類型由i類轉為j類的面積；n為土地利用類型數量。

1.3.4 生態系統服務價值

當前生態系統服務價值研究常用方法有能值分析法、物質量評價法和價值量評價法。以往國內學者多采用謝高地等的中國陸地生態系統單位面積生態服務價值當量表進行研究[19-21]。因此本研究同樣采用謝高地等于2003年修訂后的生態系統服務價值表對阿拉善生態系統服務價值進行計算。按照生態系統服務價值折算通用方法，先通過糧食產量比確定修正系數，再基于阿拉善地區當地的社會經濟情況，以阿拉善地區主要糧食作物小麥和玉米的單產市場價值的1/7作為1個生態系統服務的基礎當量，用修正系數對各土地利用類型的生態系統服務價值基礎當量因子進行修正。得到阿拉善地區生態系統服務價值系數如表1所示，生態系統服務價值的計算公式：

式中，ESV為生態服務價值總量；i為土地利用類型；Si為第i類土地利用類型面積；Vi為第i類土地利用類型單位面積生態系統服務價值。

表1 阿拉善地區不同土地類型單位面積生態服務價值當量表

2 結果與分析

2.1 土地利用結構變化

圖2 1980—2020年阿拉善土地利用演變

由圖2可知，阿拉善盟土地利用在1980—2020年的變化可以分為2大時期，即1980—2000年的土地沙化程度加重期和2000—2020年的土地沙化程度減弱期。1980—2000年，阿拉善盟沙地、戈壁和荒漠等未利用地持續增加，林地、草地和水域面積減少，耕地面積持續增加，在這一時期人類活動急劇增加，畜牧業過度發展，是造成土地沙化面積增加的一大誘因，新轉入的沙地主要是阿拉善盟東南部騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠內部水域周圍土地沙化，且無明顯集聚性，還有則是原來的林地、草地轉為了沙地。2000—2020年，沙地、戈壁和荒漠等未利用地面積減少，主要集中在巴丹吉林、騰格里、烏蘭布和沙漠邊緣地區，而耕地、草地和水域面積增加，究其原因是這一時期在騰格里、巴丹吉林和烏蘭布和3大沙漠周邊陸續開展了天然林保護工程、退耕還林工程、三北防護林工程和飛播造林等工程，并設立了森林生態效益補償制度及造林補貼試點項目等，因此導致未利用地面積不斷減少，草地、林地面積增加有效阻礙了土地進一步沙化的趨勢。

2.2 土地利用動態度變化

根據土地利用動態度模型，分別計算了1980—2000年、2000—2000年2個階段的土地利用動態度，如表2所示。

表2 不同時段土地利用動態度

從1980—2000年的單一土地利用動態度來看，由于人類活動頻繁，耕地和建筑用地的面積增加，動態度分別為0.09%和0.37%，沙地、戈壁和荒漠等未利用地面積也增加，其動態度為0.08%，林地、草地和水域的面積均呈現不同程度的減小，其動態度分別為-0.23%、-0.16%和-0.03%；2000—2020年，耕地和建筑用地呈增加迅猛，動態度達到0.37%和1.69%，同時，林地、草地和水域在這一時期面積也開始呈增加趨勢，動態度分別為0.15%、0.32%和0.08%，這一時期的沙地、戈壁和荒漠等未利用地面積也呈減小趨勢，動態度為-0.27%。阿拉善盟綜合土地利用動態度在2個階段內分別為0.038%和0.052%，表明阿拉善土地類型在2000—2020年的變化程度比1980—2000年更為強烈，另外2個時期的綜合土地利用動態度均不到1%，也反映了阿拉善土地利用在不斷發生變化，但仍屬于極緩慢變化型。

2.3 土地利用轉移特征

利用ArcGIS 10.6中的轉換工具和分析工具，對阿拉善土地利用數據進行處理，構建出1980—2020年的土地利用轉移矩陣，如表3所示。

表3 1980—2020年阿拉善土地利用變化矩陣

從表3可知，在1980—2020年這一研究期內，耕地的轉出變化為轉為林地14.69km2，轉為草地14.50km2，轉為水域3.88km2，轉為建設用地1.81km2，轉為未利用地58.90km2，共轉出93.78km2；耕地的轉入變化為林地轉為耕地25.10km2，草地轉為耕地78.29km2，水域轉為耕地21.47km2，建設用地轉為耕地2.68km2，未利用地轉耕地179.11km2，共轉入343.62km2；綜合轉出和轉入來看，耕地凈轉入212.89km2，面積增加。林地的轉出變化為轉為耕地25.10km2，轉為草地329.30km2，轉為水域14.18km2，轉為建設用地5.98km2，轉為未利用地292.58km2，共轉出667.14km2；林地的轉入變化為耕地轉為林地14.69km2，草地轉為林地336.25km2，水域轉為林地18.07km2，建設用地轉為林地1.08km2，未利用地轉為林地286.11km2，共轉入656.21km2；綜合轉出和轉入來看，林地凈轉入-10.93km2，面積減少。草地的轉出變化為轉為耕地78.29km2，轉為林地336.25km2，轉為水域91.61km2，轉為建設用地88.82km2，轉為未利用地3983.85km2，共轉出6578.83km2；草地的轉入變化為耕地轉為草地14.50km2，林地轉為草地329.30km2，水域轉為草地87.68km2，建設用地轉為草地8.75km2，未利用地轉為草地6914.40km2，共轉入7354.63km2；綜合轉出和轉入來看，草地凈轉入775.83km2，面積增加。水域的轉出變化為轉為耕地21.47km2，轉為林地18.07km2，轉為草地87.68km2，轉為建設用地7.98km2，轉為未利用地224.21km2，共轉出359.42km2；水域的轉入變化為耕地轉為水域3.88km2，林地轉為水域14.18km2，草地轉為水域91.61km2，建設用地轉為水域0.75km2，未利用地轉為水域255.43km2，共轉入365.85km2；綜合轉出和轉入來看，水域凈轉入6.43km2，面積增加。建設用地的轉出變化為轉為耕地2.68km2，轉為林地1.08km2，轉為草地8.75km2，轉為水域0.75km2，轉為未利用地62.25km2，共轉出75.53km2；建設用地的轉入變化為耕地轉為建設用地1.81km2，林地轉為建設用地5.98km2，草地轉為建設用地88.82km2，水域轉為建設用地7.98km2，未利用地轉為建設用地239.03km2，共轉入343.62km2；綜合轉出和轉入來看，建設用地凈轉入268.10km2，面積增加。未利用地的轉出變化轉為耕地179.11km2，轉為林地286.11km2，轉為草地6914.40km2，轉為水域255.43km2，轉為建設用地239.03km2，共轉出5874.09km2；未利用地的轉入變化耕地轉為未利用地58.90km2，林地轉為未利用地292.58km2，草地轉為未利用地3983.85km2，水域轉為未利用地224.21km2，建設用地轉為未利用地62.25km2，共轉入4621.80km2；綜合轉出和轉入來看，未利用地凈轉入-1252.29km2，面積減少。

2.4 生態服務價值分析

將不同地類面積和各地類生態系統服務價值當量進行計算，得到各土地利用類型生態系統服務價值，如表4所示。

從表4可以看出，1980年阿拉善生態系統服務價值總量達到了108.86億元，占比最大的是草地，提供了60.23億元的價值量，占總價值量的55.32%，除去建筑用地的極小價值量外，占比最小的是耕地，提供了0.47億元，僅占總價值量的0.42%。在2020年，阿拉善生態系統服務價值總量為119.69億元，其中占比最大的仍然是草地，提供了70.75億元的價值量，占總價值量的55.88%。2020年的阿拉善生態系統服務價值總量與1980年相比增加了10.83億元。從增減率來看，這其中影響價值量變化的最大因素是草地面積的大幅增加和沙地等未利用地面積的大幅減小，耕地、水域的面積增加同樣一定程度地貢獻了價值量的增加。究其原因，近年來，阿拉善地區在飛播造林、禁牧還林還草和生態移民的工程的實施下，使沙地、荒漠和戈壁等未利用地面積減少，使其大量轉化為草地和耕地；有效減弱了放牧活動對原生植被的啃食和破壞，使這些地區生態環境質量進一步得到提升，有效減少了土壤侵蝕和風沙蔓延，使得阿拉善地區生態環境在近年來得到明顯改善。

表4 1980—2020年阿拉善不同土地類型生態系統服務

3 結論

本研究基于阿拉善1980年、2000年、2020年3期遙感影像，對阿拉善土地利用變化及其對生態系統服務價值的影響進行了分析，主要結論如下。

在研究時段內，阿拉善土地利用變化分為2個階段，1980—2000年的土地沙化增強階段，2000—2020年的土地沙化減弱階段。

在研究時段內，耕地面積增加212.89km2，林地面積減少10.93km2，草地面積增加775.83km2，水域面積增加6.43km2，建筑面積增加268.10km2，未利用地減少1252.29km2。

在研究時段內，阿拉善生態系統服務價值總量增加了10.83億元，其中草地貢獻的價值量最多，耕地貢獻的價值量最少，各類生態服務類型價值量均在增加。