“山地-綠洲-荒漠”復合系統土地利用變化的生態系統服務權衡與協同效應
——以張掖市為例

姚禮堂,張學斌,2,3,*,周 亮,羅 君,王梓洋,雷 越,李意霞

1 西北師范大學地理與環境科學學院,蘭州 730070 2 甘肅省綠洲資源環境與可持續發展重點實驗室,蘭州 730070 3 甘肅省土地利用與綜合整治工程研究中心,蘭州 730070 4 蘭州交通大學測繪與地理信息學院,蘭州 730070 5 甘肅農業大學資源與環境學院,蘭州 730070

生態系統服務是指人類可從生態系統中直接或間接獲得的所有利益,是人類生存和發展的重要基礎[1—2]。土地利用變化指由土地自身特性變化及人類外力作用方式變化引發的土地利用方式、覆被類型和使用強度的變化,是人類活動與自然環境相互作用最集中的表現,受到自然環境與社會經濟活動的綜合作用,極大影響著生態系統的結構變化和生態系統服務功能的大小[3—4]。復合系統具有多系統耦合特性,在構成該系統的子系統的特征制約下[5],開展復合系統土地利用變化的生態系統服務效應研究,是加強生態系統管理的關鍵問題,也是國土空間格局優化的重要依據。

生態系統的復雜性和空間異質性構成了生態系統服務的多樣性[6—8]。當前國內外學者關注生態系統服務的同時[9—10],一方面側重研究生態系統服務之間復雜的、非線性關聯機制[10—12],將這種關聯抽象概括為此消彼長的權衡關系和相互促進的協同關系[13—14]。孫藝杰等[15]對漢中盆地和關中盆地進行了對比研究,發現位于半濕潤半干旱區的關中盆地權衡關系呈增強趨勢,且變化速度高于濕潤區的漢中盆地；王曉萌等[16]關注到河北省土地利用變化對農作物生產、碳儲量、生境質量和土壤保持等生態服務的影響,并從省域尺度和區域空間分異視角分析了生態系統服務間權衡/協同關系；方露露等[17]定量化研究了長江和黃河流域的NPP、產水服務、土壤保持等服務之間的權衡/協同關系。在土地利用變化的生態效應方面,相關研究多集中研究土地利用變化引發的生態環境效應[18—19]、土地利用變化對生態系統服務價值的影響[20—22]。黃美等[23]基于定量分析探究了黃河三角洲“三生”用地轉型的生態環境效應；歐陽曉等[24]基于FLUS模型分析了不同情境的土地利用變化模擬下生態系統服務價值的變化機制；謝余初等[25]研究了干旱區綠洲土地利用變化的生態系統服務價值響應。上述研究為了解生態系統服務相互之間的復雜聯系和約束效應做出了一定貢獻,但對復合系統土地利用變化的生態系統服務效應研究較少,尤其是土地利用變化的生態系統服務權衡/協同效應。

干旱區“山地-綠洲-荒漠”復合系統具有多系統的耦合特征,該特征受到構成復合系統的山地系統、綠洲系統和荒漠系統的特征約束,研究各子系統的特征對于揭示復合系統的耦合特征、客觀了解復合系統的異質性具有十分重要的意義[26—27]。張掖市是干旱區“山地-綠洲-荒漠”復合系統的典型區域,近年來隨著社會經濟發展和城鎮化進程不斷加快,系統內部土地利用變化劇烈,對生態系統的結構和功能產生了較大影響,同時人類活動對生態系統的消極影響持續增加,生態環境問題日益增多,生態保護和生態系統管理等面臨諸多挑戰。本文以張掖市為例,探究復合系統土地利用變化的生態系統服務權衡/協同效應,以期為干旱區國土空間格局優化和生態系統管理提供基礎依據。

1 研究區與研究方法

1.1 研究區概況

張掖市位于甘肅省西北部,處于河西走廊中段,東與金昌市和武威市相接,西至嘉峪關市和酒泉市,南與青海省接壤,北鄰內蒙古自治區,東西長210—465 km,南北寬30—148 km,地理位置介于37°28′—39°57′N, 97°20′—102°12′ E(圖1),地形狹長,形似“奔馬”,海拔高度1235—5573 m。境內大體分為三大地形區,南部為祁連山地,北部為合黎山—龍首山,中部為走廊平原,全國第二大內陸河——黑河貫穿全境。張掖市轄甘州區、高臺縣、臨澤縣、民樂縣、山丹縣和肅南裕固族自治縣1區5縣,共62個鄉(鎮、街道),總面積3.85×104km2,占河西走廊面積的14.82%,占甘肅省總面積的9.05%。

圖1 研究區概況Fig.1 Survey of the Study area

1.2 數據來源及處理

本研究采用的土地利用數據來源于地理空間數據云Landsat TM和ETM遙感影像,分辨率30 m,數據采集于6月至8月影像質量較好時段。研究選取1987年、2000年、2018年數據,借助ENVI、ArcGIS 10.4等軟件進行人工目視解譯,解譯精度為85.72%。土地利用分類主要參考甘肅省《生態十年環境監測土地覆蓋分類體系(2013年版)》,并結合張掖市實際,將土地利用類型分為耕地、林地、草地、濕地、水域、未利用地和建設用地。糧食價格、產量和糧食播種面積來源于《中國糧食年鑒2018》和《張掖市統計年鑒》。

1.3 研究方法

1.3.1復合系統類型劃分

以鄉鎮為基本單元,引入相對優勢度指數(Dominance Index,D),用于反映某鄉鎮土地利用類型相對于整個張掖市的重要性[28],進而識別其所屬的生態系統類型。其計算公式如下：

(1)

式中,Aik為k鄉鎮第i類功能用地面積,Air為張掖市第i類功能用地面積,Ak為k鄉鎮面積,Ar為張掖市總面積。相對優勢度指數最大,表明鄉鎮的該類功能用地相對于整個張掖市的該類功能用地具有優勢,據此將張掖市鄉鎮劃歸為不同生態系統。

1.3.2土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣[29]能夠揭示一定時期內土地利用類型變化的方向和面積大小,反映不同土地利用類型之間的相互轉換關系,進一步可以了解不同地類轉移前后的結構特征,其計算公式如下：

(2)

式中,S為面積,n為地類數量,i、j分別為研究期始、末的土地利用類型。矩陣中行元素表示i種地類轉出到其他地類的面積,列元素表示其他地類轉入到j種地類的面積。

1.3.3生態系統服務價值

借助謝高地等[30]修訂的中國陸地生態系統服務價值當量表,依據糧食產量及價格進行修正：1987—2018年張掖市平均糧食產量為6681 kg/hm2,2018年張掖市平均糧食價格為2.2元/kg,自然條件下生態系統提供的經濟價值為現有單位面積耕地提供的糧食價值的1/7[31],計算可得張掖市生態系統服務的當量因子為2100元/hm2(表1)。為深入研究生態系統服務價值的變化特征,以張掖市鄉級行政區為基本單元,分別核算每個鄉鎮的生態系統服務價值,其計算公式如下：

(3)

式中,ESVxz表示每個鄉鎮的生態系統服務價值；Aj為鄉鎮中第j類生態系統的面積；Eij為第j類生態系統中第i類生態系統服務功能的單位當量。

1.3.4生態系統服務權衡與協同

相關研究[32]表明,生態系統服務權衡協同度(Ecosystem Services Trade-off Degree, ESTD)能夠從方向和程度兩方面較好反映各生態系統服務功能之間的相互關系,其計算公式如下：

(4)

式中,ESTDij代表第i種生態系統服務和第j種生態系統服務的權衡協同度；ESCia和ESCib分別表示在a、b時刻第i種生態系統服務自身的變化量；ESCja和ESCjb分別表示在a、b時刻第j種生態系統服務自身的變化量。當ESTDij<0時,表示i和j為權衡關系；當ESTDij>0時,表示i和j為協同關系；當ESTDij=0時無關。

1.3.5生態系統服務價值貢獻值

參照相關研究[33],土地利用轉換的生態系統服務價值貢獻值能夠定量分析復合生態系統中各子系統不同土地利用變化所導致的生態系統服務價值的變化,具體公式如下：

(5)

表1 張掖市單位面積生態系統服務價值當量表/(×100元 hm-2 a-1)

式中,ESVc表示各系統中某中土地利用類型轉換的生態系統服務價值貢獻值； ESCt、ESVt+1分別表示某種土地利用類型研究初期和末期的生態系統服務價值,CA為轉換面積；TA為區域總面積。

2 結果分析

2.1 “山地-綠洲-荒漠”復合系統類型劃分

以鄉級行政區為基本單元,根據公式(1)計算2018年張掖市各鄉鎮土地利用類型的相對優勢度指數,依據指數大小,將張掖市“山地-綠洲-荒漠”復合系統劃分出山地、綠洲和荒漠3個子生態系統。由表2、圖2可知,山地系統包含11個鄉鎮,主要分布在張掖市南部,面積占張掖市總面積的55.46%；綠洲系統包含45個鄉鎮,主要分布在張掖市中部,面積占張掖市總面積的27.02%；荒漠系統包含6個鄉鎮,分布在張掖市北部,占張掖市總面積的17.52%。張掖市復合系統呈現地域分異特征,由南部山地系統、中部綠洲系統和北部荒漠系統構成；從面積占比來看,山地系統面積最大,綠洲系統面積次之,荒漠系統面積最??；從包含行政區數量來看,綠洲系統包含鄉鎮數量最多,山地系統次之,荒漠系統最少。山地系統以林地和草地為主,綠洲系統以耕地和建設用地為主,荒漠系統以未利用地為主。

表2 “山地-綠洲-荒漠”復合系統類型劃分

2.2 “山地-綠洲-荒漠”復合系統土地利用變化

整體來看,“山地-綠洲-荒漠”復合系統中各子系統的土地利用變化特征不同,隨著時間推移,部分土地類型的變化速度不斷加快(圖2、表3)。

圖2 1987—2018年張掖市土地利用空間變化及復合系統劃分Fig.2 Spatial change and complex system division of land use in Zhangye City from 1987 to 2018

整個研究期內,耕地、林地、濕地和建設用地面積增加,其中建設用地面積增幅最大,變化率為80.49%,其次為耕地,變化率為21.95%,濕地和林地面積小幅增加,變化率僅為5.84%和0.50%；草地、水域和未利用地面積小幅減少,變化率分別為-2.02%、-2.07%和-4.06%。1987—2000年,山地系統中耕地變化最顯著,變化率為19.40%；綠洲系統和荒漠系統中建設用地變化最顯著,變化率分別為12.23%和26.60%；2000—2018年,建設用地在3個系統中變化均最明顯,且在荒漠系統和綠洲系統中變化率高達78.23%和63.26%；這一時期山地系統中耕地面積有所減少,變化率為-0.11%,而荒漠系統中耕地面積增長顯著,變化率為70.81%。2000年以來,張掖市社會經濟進入高速發展期,城鎮化進程進一步加快,建設用地面積持續大幅增加,同時隨著退耕還林還草等一系列生態保護政策實施,部分坡耕地有序退耕。

研究期內,“山地-綠洲-荒漠”復合系統中土地類型之間相互轉換,各子系統的土地利用類型轉移模式有所不同(表4)。

山地系統土地利用類型轉移以草地轉耕地為主、耕地轉草地為副。從凈轉出方面來看,草地轉出面積最大,共轉出133.58 km2,其中轉為耕地面積126.62 km2,占草地轉出總面積的94.79%；耕地轉出面積次之,共轉出20.39 km2,其中耕地轉為草地面積16.11 km2,占耕地轉出總面積的79.01%。從凈轉入方面來看,耕地轉入面積最多,共轉入138.09 km2,主要來源為草地。山地系統主要包含山丹馬場在內的張掖市南部祁連山及其山前綠洲,張掖市實施退耕還林工程,工程區主要集中在祁連山地陡坡耕地和干枯河谷沙化耕地,但退耕還林面積相對較小,而山丹馬場經歷體制改革后,農業機械化和生產技術不斷發展,大面積草地開墾為耕地,耕地面積不斷擴大,農業生產逐漸走向現代化。

表3 1987—2018年“山地-綠洲-荒漠”復合系統土地利用變化

表4 1987—2018年“山地-綠洲-荒漠”復合系統土地利用轉移矩陣/km2

綠洲系統土地利用類型轉移以未利用地轉耕地為主、未利用地和耕地轉建設用地為副。從凈轉出方面來看,未利用地轉出面積最大,其次為耕地,轉出面積分別為799.59 km2和135.05 km2,其中耕地轉為建設用地面積100.51 km2；從凈轉入方面來看,耕地轉入總面積最多,為682.00 km2,主要來源為未利用地,其次建設用地轉入面積為206.60 km2。綠洲系統是人口集聚、人地關系矛盾最集中的地方,隨著生產技術改進和現代農業不斷發展,綠洲邊緣荒漠通過整治開墾為耕地,便利的灌溉條件更有利于提高農業生產效率；受到耕地保護政策的約束,部分未利用地邊緣的沙化耕地以及現有建設用地周邊荒漠地勢平坦,通過固沙平整成為新增建設用地,既滿足了城市發展的土地需求,又減少了城市擴張對耕地的侵占。

荒漠系統土地利用類型轉移以未利用地轉耕地為主、未利用地轉建設用地為副。從凈轉出方面來看,未利用地轉出面積最多,共轉出226.46 km2,其中轉為耕地面積為190.78 km2,占未利用地轉出總面積的84.24%, 其余主要轉出為草地和建設用地；從凈轉入方面來看,耕地轉入面積最多,共轉入195.26 km2,建設用地和草地轉入面積次之。張掖市未利用地面積占市域面積的60%以上, 2000年以來,人口增長與耕地資源短缺的矛盾凸顯,未利用地成為新增耕地主要來源,在荒漠與耕地交接處通過植草建立生態過渡區,有效阻止耕地荒漠化。

綜上,“山地-綠洲-荒漠”復合系統中綠洲系統土地利用變化程度最劇烈,變化面積為1028.53 km2；荒漠系統次之,變化面積為263.54 km2；山地系統變化最小,變化面積為189.62 km2。

2.3 土地利用變化的生態系統服務權衡/協同效應

2.3.1“山地-綠洲-荒漠”復合系統生態系統服務價值

2018年張掖市生態系統服務價值總值為419.11×108元,其中山地系統生態服務價值為315.05×108元,綠洲系統生態服務價值為82.62×108元,荒漠系統生態服務價值為21.44×108元,三個子系統生態服務價值的關系為山地系統>綠洲系統>荒漠系統。1987—2018年張掖市復合系統的生態系統服務價值整體呈現增加趨勢,其中山地系統生態服務價值呈現小幅減少,綠洲系統和荒漠系統的生態服務價值呈現增加趨勢(表5)。

山地系統中,1987—2000年耕地的生態系統服務價值增加較明顯,變化率為19.21%,草地的生態系統服務價值減少,變化率為-2.63%,其他土地利用類型的生態系統服務價值變化較小,這一時期耕地的生態系統服務價值貢獻值為正向,而草地的生態系統服務價值貢獻值為負向；2000—2018年山地系統中各地類的生態系統服務價值變化均較小。綠洲系統中,2000—2018年相較前一時期各地類的生態系統服務價值變化較為明顯,耕地生態系統服務價值變化率為11.34%,小于濕地的33.14%,但這一時期耕地的生態系統服務價值貢獻值為正向且為最大,為1253.85×104元,未利用地生態系統服務價值變化率為-8.13%,其生態系統服務價值貢獻值為負向且最小,為-542.85×104元。荒漠系統中,2000—2018年各土地類型的生態系統服務價值變化率均大于前一時期,其中耕地面積大幅增加,伴隨其生態系統服務價值變化率最大,為71.23%,同時耕地的生態系統服務價值貢獻值為正向且最大,為339.69×104元。在張掖市“山地-綠洲-荒漠”復合系統中,耕地面積變化引發的生態系統服務價值變化最大,研究期內耕地對各生態系統的生態系統服務價值貢獻值均為正向,其中,1987—2000年耕地對山地系統服務價值貢獻較大,2000—2018年耕地對綠洲系統和荒漠系統的生態系統服務價值貢獻較大。

2.3.2“山地-綠洲-荒漠”復合系統權衡/協同效應

張掖市生態系統服務權衡與協同如圖3所示。計算生態系統服務權衡協同度,各系統均得到55組值,其中山地系統中37組為正值,18組為負值,協同關系占67.27%,權衡關系占32.73%；綠洲系統中45組為正值,10組為負值,協同關系占81.82%,權衡關系占18.18%；荒漠系統中55組均為正值,協同關系100.0%。張掖市復合系統中生態系統服務的協同關系占比大于權衡關系,即復合系統的協同效應大于權衡效應,其中荒漠系統的生態系統服務之間均為協同關系,山地系統中權衡關系體現在供給服務與其他服務之間,綠洲生態系統中權衡關系體現在調節服務與其他服務之間。

表5 1987—2018年“山地-綠洲-荒漠”復合系統生態系統服務價值變化及貢獻值

山地系統中,調節服務、支持服務和文化服務互為協同關系,而供給服務與三者之間表現為權衡關系,具體表現為糧食生產功能和原料生產功能與其他服務功能之間的權衡關系。這是由于草地轉出后,受其影響較大的氣候調節和氣體調節服務功能下降,草地轉為耕地等生產用地,提升了糧食生產功能和原料生產功能,其生態服務價值隨之增加,但土地類型轉為耕地之后,土壤結構和土壤質量發生較大變化,連續種植使土地土壤保持等支持服務功能下降,耕地的專業化生產和集約化經營,土地利用均質化,原有的生態系統被破壞,生物多樣性下降,維持生物多樣性和提供美學景觀等服務功能也呈現下降趨勢。綠洲系統中,調節服務與其他服務之間表現為權衡關系,具體表現為凈化環境功能與其他服務功能之間的權衡關系,這是由于未利用地轉為耕地,化肥、農藥、農用塑料薄膜的廣泛使用,給生態環境帶來較大壓力,凈化環境等調節服務功能呈現下降趨勢。荒漠系統中,各生態系統服務之間均呈現協同關系,這是因為未利用地轉為耕地之后,糧食生產、原料生產等服務功能提升,同時未利用地轉為草地等生態用地,氣體調節、土壤保持、維持生物多樣性等服務功能也隨之提升,各生態系統服務之間呈現正向的協同關系。

3 討論

關于“山地-綠洲-荒漠”復合系統子系統的劃分,任繼周等[34]研究了復合系統中不同子系統的景觀組分特征,即山地景觀系統中山地草原為基質,綠洲景觀系統中耕地為基質,荒漠景觀系統中礫漠為基質。本研究在劃分山地系統時除草地外還將林地的相對優勢度指數作為劃分依據,更加符合張掖市的自然生態特征,在劃分綠洲系統是除耕地外還將建設用地的相對優勢度指數作為劃分依據,主要是考慮到研究期內張掖市建設用地面積增加明顯,且主要集中在中部綠洲,只依據耕地的相對優勢度指數進行劃分可能會出現漏劃。

研究發現,復合系統中生態服務價值的關系為山地系統>綠洲系統>荒漠系統。張敏等[35]在開展博斯騰湖流域生態系統服務研究以及郝夢雅等[36]在開展關中盆地生態系統服務研究時均表明,盆地邊緣的山地生態系統服務價值高于盆地中部,高值區分布主要受林地、水域和草地等分布影響,低值區分布主要受耕地、建設用地和未利用地分布影響,這與本研究中生態系統服務價值評估結果基本吻合。同時本研究發現,山地系統中權衡關系主要體現在糧食生產和原料生產與其他服務功能之間,綠洲系統中權衡關系主要體現在凈化環境與其他服務功能之間,這是由于復合系統的土地利用空間格局以及各子系統中不同土地利用轉移模式共同影響的結果。余玉洋等[37]在秦巴山區生態系統服務研究中發現,全域尺度下在人口密集的漢江上游水資源供給與土壤保持權衡關系顯著,在平原和盆地區域由于耕地分布,糧食生產與土壤保持和NPP之間均為權衡關系,而在綜合分區和典型樣區尺度,隨著尺度縮小,生態系統服務之間的關系也發生了不同轉變；而冉鳳維等[38]在鄱陽湖生態系統服務研究中發現食物供給與產水量和土壤保持在不同地類之間均表現出權衡關系?？梢?生態系統服務受不同研究尺度、不同研究區域、以及不同的土地利用等影響,不同生態系統服務之間的權衡與協同關系不同。本研究僅基于系統尺度進行了探討,今后還應從多尺度視角出發,探究不同尺度下復合系統中生態系統服務的權衡與協同關系,并進行對比研究,從而得到復合系統中生態系統服務之間的關系變化規律。

“山地-綠洲-荒漠”復合系統由其子系統之間通過物質和能量的交流互動緊密聯系在一起。山地系統土地類型以林地和草地為主,承擔著干旱區水源涵養等重要的生態功能；綠洲系統土地類型以耕地和建設用地為主,作為干旱區人口集聚區,承擔著幾乎全部的生產生活功能；荒漠系統環境相對較為惡劣,脆弱的生態環境使其成為潛在的生態風險區。為維護現有復合系統格局,實現生態穩定與經濟發展“雙贏”,需進一步提升山地系統的水源涵養等生態功能,不斷滿足綠洲系統的水資源需求；協調好綠洲系統耕地、建設用地與其他生態性用地之間的關系,避免單純追求經濟發展而導致生態服務損失和生態功能下降,損害人類福祉；在保護好現有荒漠植被的前提下,通過人工綠化等方式進一步提高荒漠系統的抗風險能力,防止荒漠化加劇。全域把控、精準施策,構筑山地—綠洲、綠洲—荒漠生態過渡帶,既能穩定復合系統的生態格局,促進各子系統之間物質和能量的交流互動,又能減緩系統對相鄰系統的消極影響,實現復合系統可持續發展。

4 結論

(1)張掖市復合系統呈現地域分異特征,由南部山地系統、中部綠洲系統和北部荒漠系統構成；各子系統內部呈現不同的土地利用特征,山地系統以林地和草地為主,綠洲系統以耕地和建設用地為主,荒漠系統以未利用地為主。

(2)研究期內,2000—2018年各系統的土地利用變化較1987—2000年更為強烈。2000—2018年,綠洲系統中耕地和建設用地面積增加最多,分別為363.08 km2和174.12 km2,同時,荒漠系統中耕地和建設用地面積的增加幅度最大,分別為70.81%和78.23%。各子系統土地利用轉移模式為：山地系統以草地轉耕地為主、耕地轉草地為副,綠洲系統以未利用地轉耕地為主、未利用地和耕地轉建設用地為副,荒漠系統以未利用地轉耕地為主、未利用地轉建設用地為副。

(3)研究期內,張掖市復合系統的生態服務價值整體呈現增加趨勢,其中山地系統的生態服務價值小幅減少,綠洲系統和荒漠系統的生態服務價值呈現增加趨勢,各子系統的生態服務價值量關系為山地系統>綠洲系統>荒漠系統。各系統中生態服務價值貢獻最大的為耕地,尤其2000—2018年,耕地對綠洲系統的生態服務價值貢獻量最大,為1253.85×104元。

(4)張掖市土地利用變化的生態系統服務協同效應大于權衡效應,其中荒漠系統的生態系統服務之間均為協同關系,山地系統中權衡關系體現在供給服務與其他服務之間,關系占比32.73%,綠洲生態系統中權衡關系體現在調節服務與其他服務之間,關系占比18.18%。