王友生，余新曉，王多堯，李慶云

(1.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院，北京 100083； 2.定西市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，甘肅 定西 743000；3.中國林業(yè)科學(xué)研究院 荒漠化研究所，北京 100091)

基于土地利用變化的藉河流域生態(tài)服務(wù)價值研究

王友生1,2，余新曉1，王多堯3，李慶云1

(1.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院，北京 100083； 2.定西市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，甘肅 定西 743000；3.中國林業(yè)科學(xué)研究院 荒漠化研究所，北京 100091)

生態(tài)服務(wù)價值；土地利用變化；馬爾科夫模型；藉河流域

為了實現(xiàn)土地的可持續(xù)利用和生態(tài)的可持續(xù)維護(hù)，以藉河流域5期土地利用數(shù)據(jù)和構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價模型為基礎(chǔ)，運用馬爾科夫模型對藉河流域的土地利用及生態(tài)服務(wù)價值變化進(jìn)行評估，結(jié)果表明：研究時段內(nèi)坡耕地、梯田、林地和草地的總面積占流域面積的90%以上，坡耕地面積逐期減少，梯田和林地面積增加；1975—2030年流域總的生態(tài)服務(wù)價值呈增加趨勢，草地和林地占總價值比例達(dá)到70%以上；預(yù)測2020年和2030年流域的生態(tài)服務(wù)價值分別增加到5.499億元和5.633億元，1975—2030年間單項生態(tài)服務(wù)價值中土壤形成與保持、維持生物多樣性、氣候調(diào)節(jié)和氣體調(diào)節(jié)4項占總價值的60%左右。

生態(tài)服務(wù)價值的定量評估能為人類社會的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)，具有重要的科學(xué)價值和現(xiàn)實意義。近年來，國內(nèi)外眾多學(xué)者開展了不同尺度生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的評估研究工作[1-4]，并取得了一系列成果。本研究旨在通過量化土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響，為研究區(qū)土地資源可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)[5]。藉河(曾稱耤河)流域生態(tài)環(huán)境脆弱，是黃土高原地區(qū)水土流失較嚴(yán)重的區(qū)域之一，近年來水土保持活動強度大，土地利用變化明顯[6]。為此，本研究利用遙感與地理信息等技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)有調(diào)查數(shù)據(jù)，在流域土地利用變化研究的基礎(chǔ)上，綜合運用生態(tài)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)理論定量分析和評估該區(qū)域的生態(tài)服務(wù)價值對土地利用變化的響應(yīng)，以期為該流域生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

藉河流域位于東經(jīng)105°07′50″～106°00′45″、北緯34°20′19″～34°38′59之間，屬黃土丘陵溝壑區(qū)第三副區(qū)。本研究選取藉河水文控制站以上集水面積為研究對象，面積為1 019 km2，海拔1 069～2 700 m。研究區(qū)屬于天水市秦州區(qū)，東至麥積區(qū)馬跑泉鎮(zhèn)，西與隴南禮縣毗鄰，包括秦州區(qū)太京、藉口、關(guān)子、天水、平南、皂郊、汪川、牡丹等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，共涉及300個行政村20多萬人[7-8]。研究區(qū)屬于暖溫帶半濕潤半干旱過渡地帶，年均氣溫10.8 ℃，氣溫日變化較大但季節(jié)波動較小；多年平均降水量為556 mm，夏、秋為降水旺季，6—9月份的降水量占全年的60%以上。流域地貌類型主要為黃土丘陵地貌、紅土丘陵地貌、土石山區(qū)侵蝕地貌和河谷階地地貌，土壤類型比較復(fù)雜，共有褐土、黃綿土、棕壤、棕壤性土、黑壚土、紅黏土、淋溶褐土、山地草甸土和粗骨土9種[9]，海拔由高至低依次分布的土類是褐土、黑壚土、黃綿土、紅黏土、淋溶褐土[10]。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)處理和解譯

以研究區(qū)1 ∶1萬地形圖為基礎(chǔ)，利用ERDAS IMAGINE遙感圖像處理軟件，選擇高斯-克里格投影(TMGKN22)，采用二次多項式和三次卷積插值法對藉河流域1975年的Landsat MSS影像、1990和1995年的Landsat TM遙感影像、2000年的ETM遙感影像、2008年的SPOT衛(wèi)星影像進(jìn)行幾何校正(誤差不超過0.5個像元)和裁剪。最后運用ERDAS IMAGINE軟件采取人機(jī)交互式解譯，結(jié)合實測資料和實地考察，運用ArcGIS的空間分析功能，建立5期土地利用數(shù)據(jù)庫。結(jié)合《中國土地分類系統(tǒng)》、黃土丘陵溝壑區(qū)景觀類型和遙感影像特點，將土地利用類型劃分為林地、坡耕地、梯田、草地、水域、居民用地和未利用地共7種類型。

2.2 生態(tài)服務(wù)價值評價模型

本研究利用Costanza等[1]的ESV計算公式，參照謝高地等[4]建立的中國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)單位面積生態(tài)服務(wù)價值表[11]計算了藉河流域生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價值。計算各土地利用類型的服務(wù)價值、各項服務(wù)功能的價值、生態(tài)服務(wù)總價值[1-2]時采用的公式分別為

(1)

(2)

(3)

上三式中：ESVk、ESVf和ESV分別為第k類土地利用類型的服務(wù)價值、第f項服務(wù)功能的價值和生態(tài)服務(wù)總價值；Ak為第k類土地利用類型的土地面積；VCkf為第k類土地利用類型第f項服務(wù)單位面積的服務(wù)價值。

計算不同土地利用變化對流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化的影響時用貢獻(xiàn)率來表示，其公式為[2]

(4)

式中：SkT為第k類土地利用類型在T時段內(nèi)發(fā)生的變化所產(chǎn)生的生態(tài)服務(wù)價值變化量的絕對值占各類生態(tài)服務(wù)價值變化量絕對值之和的比例；ΔESVkT為第k類土地利用類型在T時段內(nèi)發(fā)生的變化引起的生態(tài)服務(wù)價值的變化量。

表1 藉河流域不同土地利用類型單位面積生態(tài)服務(wù)價值 元/(hm2·a)

2.3 馬爾科夫模型

本研究采用馬爾科夫(Markov)模型對藉河流域未來的土地利用進(jìn)行預(yù)測，初始狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣的時間步長為一年，然后再根據(jù)下式對土地利用變化進(jìn)行檢驗：

(5)

(6)

式中：APE為相對誤差絕對值；Y和Y′為實際值和預(yù)測值；χ2為卡方檢驗統(tǒng)計量[12-13]。

以1995年的土地利用狀況作為初始狀態(tài)矩陣，根據(jù)1995—2000年的轉(zhuǎn)移概率矩陣分別對2000年和2008年的土地利用狀況進(jìn)行預(yù)測和卡方檢驗，再以2008年為初始狀態(tài)矩陣，預(yù)測2020年和2030年的土地利用狀況。相關(guān)計算均在Matlab-R2008a上完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用動態(tài)演變分析

對藉河流域5期土地利用數(shù)據(jù)(表2)分析得出，流域坡耕地面積逐期減少，梯田和林地面積總體增加。坡耕地、梯田、林地和草地是流域的土地利用主體，占到整個流域面積的90%以上；而居民用地、水域和未利用地所占的面積相對較小，且變化不明顯。1975—1995年間，由于持續(xù)開展流域水土保持生態(tài)建設(shè)，梯田面積增加了272.9 km2，林地面積也在增加，植被覆蓋率有所提高。1995—2000年間，由于退耕還林(草)

表2 藉河流域不同時期土地利用類型面積及其比例

政策的實施，流域的林、草地面積不斷增加。到2008年，坡耕地面積僅占整個流域的9.1%，梯田面積達(dá)到34.0%，林、草地面積分別占13.9%和39.9%。與此同時，隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，居民用地出現(xiàn)了一定程度的增長，從1975年的25.3 km2增加到2008年的26.6 km2；而受氣候變化和人類活動等因素影響，流域的水資源越來越缺乏，水域面積由1975年的2.6 km2下降到2008年的2.0 km2。

3.2 土地利用預(yù)測及檢驗

運用馬爾科夫模型預(yù)測2000年和2008年的流域土地利用結(jié)構(gòu)，并與實際值比較計算出相對誤差絕對值(APE)，結(jié)果見表3。由表3可知，2000年和2008年各土地利用類型APE的平均值分別為0.121和0.210。根據(jù)公式(6)對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行卡方檢驗，χ2值分別為3.04和8.75，均小于0.05顯著性水平的臨界值(12.594)，這說明運用馬爾科夫模型預(yù)測流域?qū)硗恋乩米兓强尚械?。因此，根?jù)此方法預(yù)測2020年和2030年各土地利用類型的面積，結(jié)果顯示2020年和2030年的坡耕地和居民用地面積在減少，林草地和梯田的面積在增加，未利用地和水域面積變化不大。這與近年來藉河示范區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)工程的推進(jìn)有很大的關(guān)系，示范區(qū)修梯田、封山育林、種植經(jīng)濟(jì)林和人工草地等工程措施和生物措施已見成效。

表3 基于馬爾科夫模型的藉河流域土地利用面積預(yù)測與檢驗

3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值動態(tài)演變

根據(jù)藉河流域不同時期土地利用面積和不同土地利用類型單位面積生態(tài)服務(wù)價值(表1)，分析了藉河流域1975—2030年間生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的動態(tài)變化，結(jié)果見表4。由表4可知，研究時段流域的生態(tài)服務(wù)價值總體呈增加趨勢，除1990年的生態(tài)服務(wù)價值較1975年減少了0.20%外，其他年份均在增加，到2030年將增加11.50%。其中：各期草地的生態(tài)服務(wù)價值占總生態(tài)服務(wù)價值比例最高，達(dá)到38%以上；其次是林地，所占比例從1975年的29.15%增加到2030年的36.61%；坡耕地呈現(xiàn)逐期減少趨勢，而梯田所占比例呈現(xiàn)逐期增加趨勢；另外，居民用地、水域和未利用地在1975—2030年間所占比例沒有明顯變化，該結(jié)果與這幾種土地利用類型在研究時段內(nèi)面積變化不大有關(guān)。

表4 藉河流域不同土地利用類型各年份生態(tài)服務(wù)價值

由表5可知，單項服務(wù)中，各年份一級生態(tài)服務(wù)價值中調(diào)節(jié)服務(wù)的價值最高，占總價值的47%以上，其次是支持服務(wù)、供給服務(wù)，分別占總價值的33%、12%，文化服務(wù)項所占的比例最低，占6.0%左右，各年間變化不大。各年份間二級生態(tài)服務(wù)價值所占比例差別不明顯，在調(diào)節(jié)服務(wù)價值中，氣體調(diào)節(jié)和氣候調(diào)節(jié)所占比例均在26%～29%之間，水文調(diào)節(jié)和廢物處理所占比例均在20%～23%之間；在支持服務(wù)價值項中，各年份土壤形成與保持與維持生物多樣性的比例約為54 ∶46；在供給服務(wù)項中，原材料生產(chǎn)與食物生產(chǎn)各占一半。綜觀各年份的二級類型服務(wù)項，9個單項生態(tài)服務(wù)價值占總體的比例從大到小的大致順序為土壤形成與保持、維持生物多樣性、氣候調(diào)節(jié)、氣體調(diào)節(jié)、廢物處理、水文調(diào)節(jié)、提供美學(xué)景觀、原材料生產(chǎn)和食物生產(chǎn)，前4項占總價值的60%左右，并且多數(shù)項的生態(tài)服務(wù)價值總體上呈逐年遞增趨勢。

表5 藉河流域不同年份各單項生態(tài)服務(wù)價值 萬元

4 討 論

藉河流域在1975—2030年間總的生態(tài)服務(wù)價值表現(xiàn)出遞增趨勢。流域生態(tài)服務(wù)價值的增加與流域的綜合治理有很大的關(guān)系，自1998年以來，黃河水利委員會立項實施的大型水土保持生態(tài)示范工程，創(chuàng)建出科技示范型、生態(tài)修復(fù)型、產(chǎn)業(yè)開發(fā)型、綜合開發(fā)型等各具特色的小流域治理開發(fā)模式，從幾期遙感影像數(shù)據(jù)得知，流域的林地和草地面積不斷增加。由于林地的生態(tài)服務(wù)價值較高，因此該流域生態(tài)服務(wù)價值呈現(xiàn)增加趨勢，這與田耀武等在《基于AnnAGNPS模型的三峽庫區(qū)黑溝小流域退耕還林生態(tài)服務(wù)價值》一文中關(guān)于林地面積增加使流域總的生態(tài)服務(wù)價值增大的結(jié)果一致[14]。這說明在短時間內(nèi)人為活動對區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響較大，所以有關(guān)部門在進(jìn)行土地利用規(guī)劃時要結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H，保持生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的穩(wěn)定和區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。本研究沒有考慮到生態(tài)服務(wù)價值評估中各林地之間的生態(tài)服務(wù)價值差異，這需要在下一步工作中予以完善，以便提高計算精度。另外，盡管本研究采用謝高地等學(xué)者制定的適用于中國陸地生態(tài)系統(tǒng)的單位面積生態(tài)服務(wù)價值表，但是適合本流域的價值系數(shù)和統(tǒng)一生態(tài)系統(tǒng)類型的質(zhì)量因素需在以后的研究中進(jìn)一步完善。

5 結(jié) 論

(1)近30年來坡耕地面積逐漸減少，梯田和林地面積增加；居民用地、水域和未利用地所占面積較小，且近期變化不明顯。采用馬爾科夫模型預(yù)測顯示，2020年和2030年的坡耕地和居民用地面積在減少，而林草地和梯田的面積在增加，未利用地和水域面積變化不大。

(2)1975—2030年間，流域生態(tài)服務(wù)價值與土地利用變化密切相關(guān)，流域總的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值表現(xiàn)出遞增的趨勢，到2030年較1975年將增加11.50%；各期草地的生態(tài)服務(wù)價值占總生態(tài)服務(wù)價值比例最高，達(dá)到38%以上，其次是林地，而居民用地、水域和未利用地所占比例沒有明顯變化。林草地面積的增加對生態(tài)服務(wù)價值有著積極影響，對整個流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的增加起著決定性作用。

(3)1975—2030年藉河流域生態(tài)系統(tǒng)單項生態(tài)服務(wù)價值中，一級類型服務(wù)項中調(diào)節(jié)服務(wù)的生態(tài)服務(wù)價值最大，占總價值的47%以上，其次是支持服務(wù)，供給服務(wù)和文化服務(wù)項所占比例較低。二級類型服務(wù)項生態(tài)服務(wù)價值占總價值的比例從大到小的大致順序為土壤形成與保持、維持生物多樣性、氣候調(diào)節(jié)、氣體調(diào)節(jié)、廢物處理、水文調(diào)節(jié)、提供美學(xué)景觀、原材料生產(chǎn)和食物生產(chǎn)，多數(shù)項的生態(tài)服務(wù)價值總體上呈逐年遞增趨勢。

[1] Costanza R,Arge R,Groot R,et al.The total value of the world’s ecosystem services and natural capital[J].Nature,1997,387:253-260.

[2] 吳大千,劉建,賀同利,等.基于土地利用變化的黃河三角洲生態(tài)服務(wù)價值損益分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2009,25(8):256-261.

[3] 謝高地,肖玉,甄霖,等.我國糧食生產(chǎn)的生態(tài)服務(wù)價值研究[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報,2005,13(3):10-13.

[4] 謝高地,魯春霞,冷允法,等.青藏高原生態(tài)資產(chǎn)的價值評估[J].自然資源學(xué)報,2003,18(2):189-196.

[5] 宋宏利,張曉楠,倫更永.冀南土地利用變化對區(qū)域生態(tài)服務(wù)價值的影響分析[J].水土保持研究,2011,18(1):236-238.

[6] 楊蘭軍,唐瑞蕓.秦州區(qū)耤河流域水土保持生態(tài)建設(shè)調(diào)查[J].中國水土保持,2011(3):15-18.

[7] 任宗萍,楊勤科,胡志瑞,等.基于項目驅(qū)動的藉河流域土地利用時空變化動態(tài)分析[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2009,27(3): 239-244.

[8] 任宗萍.區(qū)域土壤侵蝕動態(tài)評價[D].楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué),2009：4-36.

[9] 李慶云.黃土區(qū)氣候變化和高強度人類活動下流域徑流泥沙響應(yīng)研究[D].北京:北京林業(yè)大學(xué),2011：10-34.

[10] 王友生,余新曉,賀康寧,等.基于CA-Markov模型的藉河流域土地利用變化動態(tài)模擬[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2011,27(12):330-336.

[11] 謝高地,甄霖,魯春霞,等.一個基于專家知識的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值化方法[J].自然資源學(xué)報,2008,23(5):911-919.

[12] 約翰遜·羅伯特,庫貝·帕特里夏.基礎(chǔ)統(tǒng)計學(xué)[M].8版.屠俊如,洪再吉,譯.北京:科學(xué)出版社,2003:636-647.

[13] 徐國祥.統(tǒng)計預(yù)測和決策[M].3版.上海:上海財經(jīng)大學(xué)出版社,2008:237-242.

[14] 田耀武,肖文發(fā),黃志霖.基于AnnAGNPS模型的三峽庫區(qū)黑溝小流域退耕還林生態(tài)服務(wù)價值[J].生態(tài)學(xué)雜志,2011,30(4):670-676.

(責(zé)任編輯 徐素霞)

林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(201104005)；“十二五”國家科技支撐計劃項目(2011BAD38B05)

S157

A

1000-0941(2015)10-0059-05

王友生(1981—)，女，甘肅定西市人，博士，主要從事生態(tài)水文和水土保持、農(nóng)業(yè)新技術(shù)引進(jìn)等方面的工作；通信作者余新曉(1961—)，男，甘肅平?jīng)鍪腥耍淌?，博士生?dǎo)師，主要從事森林水文、水土保持和景觀生態(tài)方面的研究。

2015-01-20