宋 潔,溫 璐,王鳳歌,李 寬,吳 程,張宏偉,張雪峰,*
1 內(nèi)蒙古大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院,呼和浩特 010021 2 內(nèi)蒙古科技大學(xué)包頭師范學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院,包頭 014030
生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(Ecosystem Services, ES)是指人類從生態(tài)系統(tǒng)獲得的所有惠益[1],是生態(tài)系統(tǒng)向人類提供的環(huán)境和商品服務(wù)。2005年聯(lián)合國(guó)千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估表明全球約有60%的生態(tài)系統(tǒng)正在退化或處于不可持續(xù)狀態(tài)[2],將嚴(yán)重威脅全球的生態(tài)安全格局[3]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(Ecosystem Services Value, ESV)評(píng)估是用貨幣的形式評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)的能力,能直觀反映生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)效益的變化[4-5]。研究區(qū)域ESV時(shí)空動(dòng)態(tài)能定量描述生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)演化特征[6],對(duì)區(qū)域生態(tài)保護(hù)及生態(tài)安全穩(wěn)定具有重要意義。
沙漠生態(tài)系統(tǒng)是分布最廣泛的荒漠生態(tài)系統(tǒng)類型,是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,具有防風(fēng)固沙、氣候調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)、旅游觀光以及生物多樣性保育等重要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[7- 9]。同時(shí)沙漠生態(tài)系統(tǒng)極為脆弱,水資源貧乏、植被稀疏、生物量和生物多樣性相對(duì)較低[10],且社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展緩慢。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)城市[11-12]、森林[13]、草地[14-15]、濕地[16-17]等不同生態(tài)系統(tǒng)的ESV進(jìn)行大量深入研究,但針對(duì)沙漠ESV的研究相對(duì)較少,因此近年來(lái)相關(guān)研究?jī)?nèi)容逐漸受到關(guān)注。現(xiàn)有沙(荒)漠的ESV評(píng)估以環(huán)境經(jīng)濟(jì)學(xué)方法(直接市場(chǎng)法、間接市場(chǎng)法、模擬市場(chǎng)法)為主,如任鴻昌等評(píng)估西部荒漠3種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的價(jià)值為537.24億元/a[18],美國(guó)奇瓦瓦沙漠ESV達(dá)16.1億美元[8],2010年寧夏沙坡頭保護(hù)區(qū)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(dāng)量因子法”進(jìn)行評(píng)估,如楊春利等計(jì)算了民勤綠洲1994—2007年間的ESV變化[21],庫(kù)布齊沙漠杭錦旗ESV為360.18億元[22];極少數(shù)研究采用物質(zhì)流計(jì)算方法[23]或能量?jī)r(jià)值法[24]進(jìn)行評(píng)價(jià)。這些研究在一定程度上彌補(bǔ)了沙漠地區(qū)ESV評(píng)估的空白,但現(xiàn)有研究時(shí)間尺度較短,缺乏時(shí)空分異特征的分析。
本研究基于謝高地等[25]提出的“當(dāng)量因子法”,利用網(wǎng)格分析、熱點(diǎn)分析及相關(guān)分析法客觀評(píng)價(jià)烏蘭布和沙漠ESV時(shí)空動(dòng)態(tài)及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間權(quán)衡協(xié)同關(guān)系。研究結(jié)果旨在明確該區(qū)ESV時(shí)空演化特征,為科學(xué)開(kāi)展沙漠區(qū)域ESV時(shí)空格局研究提供可借鑒的方法,為該區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策實(shí)施和生態(tài)安全建設(shè)提供科學(xué)參考。
圖1 研究區(qū)示意圖(土地利用類型為2018年數(shù)據(jù))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(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善盟和巴彥淖爾市境內(nèi),海拔為1030—1474 m,面積約為14000 km2(圖1)。該地區(qū)屬典型中溫帶大陸性干旱季風(fēng)氣候區(qū)[26],干旱少雨,日照充足,蒸發(fā)強(qiáng)烈;年均氣溫7.8℃,年日照時(shí)間為3229.9 h,晝夜溫差大,年均降雨量151 mm,年均蒸發(fā)量2372 mm,平均風(fēng)速約3.7 m/s,多年平均大風(fēng)日數(shù)10—32 d,四季均有風(fēng)沙天氣。烏蘭布和沙漠地勢(shì)中間低、邊緣高,內(nèi)部地勢(shì)平坦;地貌類型主要包括沙漠、山地、戈壁,地貌形態(tài)以流動(dòng)沙丘、半流動(dòng)沙丘、半固定沙丘、固定沙丘為主。
土地利用數(shù)據(jù)源于1990年、2000年、2010年和2018年4期Landsat TM和OLI影像,依據(jù)2018年8月上旬野外調(diào)查采集的60個(gè)樣點(diǎn),利用面向?qū)ο蟮姆诸惙椒ńY(jié)合目視解譯獲得,總體分類精度和Kappa系數(shù)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(xiāng)工礦居民地、流動(dòng)沙丘、半流動(dòng)沙丘、半固定沙丘、固定沙丘、戈壁11類(圖1)。社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于《內(nèi)蒙古統(tǒng)計(jì)年鑒》、“內(nèi)蒙古自治區(qū)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)”和《中國(guó)糧食年鑒》等。根據(jù)研究區(qū)范圍,參考相關(guān)研究[28-29],利用ArcGIS 10.4軟件生成2 km×2 km網(wǎng)格,基于網(wǎng)格計(jì)算烏蘭布和沙漠不同時(shí)期空間的ESV。
本研究參考謝高地等[25, 30]提出的“單位面積價(jià)值當(dāng)量因子法”對(duì)烏蘭布和沙漠ESV進(jìn)行估算。基于內(nèi)蒙古自治區(qū)1990—2018年相應(yīng)統(tǒng)計(jì)資料,計(jì)算不同時(shí)期“1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量因子的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量(Ea)”,并對(duì)其進(jìn)行支付意愿系數(shù)修正,取4期均值作為最終Ea值,即578.12元/hm2。Ea的計(jì)算公式如下:
(1)
(2)
式中,Eat為t年1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量因子的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量;Rt為t年支付意愿系數(shù),計(jì)算方法參考林棟等[31];i表示作物種類(內(nèi)蒙古自治區(qū)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(jià)格(元/kg),q為t年糧食作物單產(chǎn)(kg/hm2),M為t年三種糧食作物總種植面積(hm2);1/7指沒(méi)有人力投入的自然生態(tài)系統(tǒng)提供的經(jīng)濟(jì)價(jià)值占現(xiàn)有單位面積耕地提供的食物生產(chǎn)服務(wù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的1/7。
以研究區(qū)4期土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)計(jì)算ESV??紤]研究區(qū)土地利用類型,結(jié)合謝高地等制定的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的基礎(chǔ)當(dāng)量表對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)進(jìn)行修正,其中本文的耕地、林地、草地、鹽堿地、水體分別對(duì)應(yīng)二級(jí)生態(tài)系統(tǒng)分類中的旱地、闊葉林、草甸、裸地、水系,城鄉(xiāng)工礦居民地歸為裸地[32],固定沙丘、半固定沙丘、流動(dòng)沙丘、半流動(dòng)沙丘、戈壁一并歸為荒漠,基于此獲得研究區(qū)單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量表(表1)。計(jì)算研究區(qū)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(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量(表1)。
表1 烏蘭布和沙漠地區(qū)單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量
Getis—Ord Gi*指數(shù)用于識(shí)別具有統(tǒng)計(jì)顯著性的高值(熱點(diǎn))和低值(冷點(diǎn))的空間聚類,能夠識(shí)別ESV空間變化是否具有高值聚集區(qū)(熱點(diǎn)區(qū))和低值聚集區(qū)(冷點(diǎn)區(qū)),以及確定高值區(qū)和低值區(qū)空間聚集的位置,相關(guān)公式參考涂小松等[28]。
采用皮爾遜相關(guān)分析法對(duì)1990—2018年4期的11種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行時(shí)間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系測(cè)度。該方法用相關(guān)系數(shù)定量描述兩變量之間的線性相關(guān)程度,相關(guān)系數(shù)為正值,兩變量具有協(xié)同(同增或同減)關(guān)系;若為負(fù)值,則兩變量為權(quán)衡(此消彼長(zhǎng))關(guān)系;其數(shù)值大小反映變量之間相關(guān)性的強(qiáng)弱。
為使不同時(shí)期ESV變化具有可比性,將研究區(qū)內(nèi)ESV變化量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,得到ESV變化指數(shù):
(4)
式中,γ為ESV變化指數(shù),t1、t2分別為不同時(shí)期的年份,Vt1、Vt2分別為t1、t2年份的ESV。
3.1.1ESV時(shí)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(shì),2000—2018年呈上升趨勢(shì),2010—2018年增幅最大。從一級(jí)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)來(lái)看,調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)和文化服務(wù)的ESV隨時(shí)間變化趨勢(shì)與總價(jià)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(wù)呈逐年上升趨勢(shì),增幅最大,達(dá)85.04%,增加量為1.08億元。二級(jí)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中,食物生產(chǎn)、原料生產(chǎn)、氣體調(diào)節(jié)、土壤保持、維持養(yǎng)分循環(huán)的ESV呈逐期上升趨勢(shì),其余生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與總價(jià)值變化趨勢(shì)一致;水文調(diào)節(jié)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(tài)系統(tǒng)服務(wù)依次為食物生產(chǎn)、水文調(diào)節(jié)、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(lái)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(xiāng)工礦居民地、固定沙丘、半固定沙丘逐年增加,流動(dòng)沙丘逐年下降,鹽堿地呈波動(dòng)上升,半流動(dòng)沙丘呈波動(dòng)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(wǎng)格單元在空間上統(tǒng)計(jì)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(qū)集中于東部和東北部,低值區(qū)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(zhèn)東北緣低值區(qū)范圍增大。2000—2010年沙金套海蘇木西南側(cè)低值區(qū)范圍減小,烏斯太鎮(zhèn)東部出現(xiàn)低值區(qū)。2010—2018年黃河沿岸高值區(qū)范圍明顯增大,價(jià)值增高,巴彥木仁蘇木北部出現(xiàn)一條高值帶延伸至敖倫布拉格鎮(zhèn)內(nèi)部;北部高值區(qū)范圍擴(kuò)大;敖倫布拉格鎮(zhèn)北緣由低值區(qū)變?yōu)楦咧祬^(qū);中部和西南部的低值區(qū)范圍明顯擴(kuò)大。
表2 1990—2018年烏蘭布和沙漠地區(qū)ESV/億元
圖2 1990—2018年不同土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)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(qū)ESV空間分布Fig.3 Spatial distribution of ecosystem services value in Ulan Buh Desert from 1990 to 2018
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(xiàn),基于網(wǎng)格單元計(jì)算1990—2000年、2000—2010年、2010—2018年3個(gè)時(shí)期ESV變化指數(shù),利用ArcGIS熱點(diǎn)分析(Getis—Ord Gi*)工具,識(shí)別ESV年際變化的冷、熱點(diǎn)區(qū)。
1990—2000年研究區(qū)ESV變化以冷點(diǎn)區(qū)為主,占總面積的2.85%,分布在黃河沿岸和東北部;熱點(diǎn)區(qū)占0.22%。2000—2010年間冷、熱點(diǎn)區(qū)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(diǎn)區(qū)范圍明顯擴(kuò)大,面積占10.45%,分布在東部和東北部;冷點(diǎn)區(qū)面積占4.23%,主要分布在中部和西南部。3個(gè)時(shí)間段的冷熱點(diǎn)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(diǎn)區(qū)為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐詿狳c(diǎn)區(qū)為主,ESV空間變化劇烈(圖4)。
圖4 烏蘭布和沙漠地區(qū)1990—2018年ESV變化熱點(diǎn)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(diǎn)區(qū)表示ESV減少(增加)且聚集;極顯著冷(熱)點(diǎn)代表99%的置信水平;顯著冷(熱)點(diǎn)代表95%的置信水平;冷(熱)點(diǎn)代表90%的置信水平
1990—2000年11種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相關(guān)分析顯示,45組為正相關(guān)占81.82%,10組為負(fù)相關(guān)占18.18%,說(shuō)明此時(shí)間段內(nèi)協(xié)同關(guān)系是烏蘭布和沙漠地區(qū)的主導(dǎo)關(guān)系。在45組協(xié)同關(guān)系中有18組表現(xiàn)為強(qiáng)顯著正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)R>0.80,P<0.01);食物生產(chǎn)與氣候調(diào)節(jié)、凈化環(huán)境、生物多樣性、美學(xué)景觀呈權(quán)衡關(guān)系,原料生產(chǎn)和維持養(yǎng)分循環(huán)均與水資源供給、凈化環(huán)境、水文調(diào)節(jié)呈權(quán)衡關(guān)系(P<0.01)。2000—2010年間不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間均呈協(xié)同關(guān)系,在55組相關(guān)系數(shù)中,有1組無(wú)顯著性,4組在0.05水平上顯著相關(guān),其余均在0.01水平上顯著相關(guān),有18組為強(qiáng)協(xié)同關(guān)系(R>0.80)。2010—2018年11種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的55組相關(guān)系數(shù)均在0.01水平上呈顯著正相關(guān),有22組協(xié)同關(guān)系較強(qiáng)(R>0.80)(圖5)。
烏蘭布和沙漠ESV以調(diào)節(jié)和支持服務(wù)為主,供給服務(wù)和文化服務(wù)的價(jià)值相對(duì)較低,與我國(guó)干旱區(qū)其他研究的ESV組成結(jié)構(gòu)相比較為一致(表3)。但從時(shí)間變化來(lái)看,1990—2018年研究區(qū)ESV總量以2000年為拐點(diǎn)先下降后上升,這與王鳳歌[27]對(duì)烏蘭布和沙漠生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)物質(zhì)量的評(píng)估結(jié)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(qū)土地利用變化劇烈有關(guān)。
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(qū)。1990—2000年間主要是研究區(qū)東部水域面積減少和東北部草地轉(zhuǎn)變?yōu)楦貙?dǎo)致價(jià)值損失;2000—2010年ESV空間分布變化不大,但冷、熱點(diǎn)區(qū)均有所增加,熱點(diǎn)區(qū)是由沙漠和鹽堿地向耕地、林地、草地及水體等類型轉(zhuǎn)變形成,冷點(diǎn)區(qū)主要是由草地和水體向耕地和沙漠轉(zhuǎn)變導(dǎo)致。2010—2018年?yáng)|部ESV增加主要是沙漠轉(zhuǎn)變?yōu)樗w導(dǎo)致,其次是因?yàn)樯衬虚_(kāi)發(fā)大量耕地和草地。中部和西南部冷點(diǎn)區(qū)分別可能是自然鹽積過(guò)程使鹽堿地?cái)U(kuò)大[35]和草地及林地等變?yōu)辂}堿地導(dǎo)致。不同政策實(shí)施對(duì)當(dāng)?shù)谽SV變化有一定影響。1990—2000年間國(guó)家實(shí)行農(nóng)業(yè)綜合開(kāi)發(fā)政策,農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格上升,引起大規(guī)模林地和草地開(kāi)墾[36]導(dǎo)致ESV下降。2000—2018年研究區(qū)ESV逐漸增加,與盧周揚(yáng)帆等[37]對(duì)阿拉善干旱荒漠區(qū)的研究一致,這可能是2000年以來(lái)國(guó)家陸續(xù)實(shí)施天然林保護(hù)、“三北”防護(hù)林工程、“西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略”和“退耕還林還草戰(zhàn)略”等政策[22,35]使研究區(qū)耕地、林地和水體面積增加,促使其價(jià)值上升,如2012年烏蘭布和生態(tài)沙產(chǎn)業(yè)示范區(qū)[38]的建設(shè)和2010年以來(lái)實(shí)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(duì)區(qū)域ESV增加有所貢獻(xiàn)。同時(shí),分析烏蘭布和沙漠近30年降水量和氣溫發(fā)現(xiàn)氣候變化并不明顯(圖6),也間接表明人為因素是驅(qū)動(dòng)ESV變化的主要原因。
表3 干旱區(qū)其他區(qū)域ESV構(gòu)成/億元
圖6 烏蘭布和沙漠地區(qū)1990—2018年月均氣溫和降水變化趨勢(shì)Fig.6 Trend of monthly average temperature and precipitation in Ulan Buh Desert from 1990 to 2018
生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系對(duì)于制定區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)“雙贏”的政策措施,實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)可持續(xù)供給具有重要的支撐作用。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的關(guān)系可能隨時(shí)間變化而改變[40],若僅對(duì)某個(gè)時(shí)間點(diǎn)或時(shí)間段靜態(tài)研究可能會(huì)導(dǎo)致誤判,因此本文對(duì)長(zhǎng)時(shí)間尺度進(jìn)行分段研究。較多研究發(fā)現(xiàn)供給服務(wù)與其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)存在權(quán)衡關(guān)系[41-43],本文1990—2000年期間的結(jié)果與之一致,可能是食物及原料生產(chǎn)用地與其他用地(特別是草地、水體)存在一定競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系[43],導(dǎo)致了這種此消彼長(zhǎng)的權(quán)衡關(guān)系。而在2000—2018年的2個(gè)時(shí)期中,所有生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間均演變?yōu)閰f(xié)同關(guān)系,這與鄭德鳳等[44]研究結(jié)果相似,且不同類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間皆存在強(qiáng)協(xié)同關(guān)系,可能是生態(tài)恢復(fù)政策起了一定的積極作用[45],但生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同關(guān)系的驅(qū)動(dòng)機(jī)制復(fù)雜多樣,不可一概而論。今后應(yīng)對(duì)長(zhǎng)時(shí)間不同空間尺度的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間關(guān)系進(jìn)行深入研究和分析。
通過(guò)對(duì)烏蘭布和沙漠地區(qū)1990—2018年ESV時(shí)空動(dòng)態(tài)研究主要得出以下結(jié)論:
(1)1990—2018年烏蘭布和沙漠地區(qū)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(qū)域生態(tài)安全存在一定的不穩(wěn)定性。
(2)烏蘭布和沙漠地區(qū)不同時(shí)期ESV呈東部和東北部高,中部和西南部低的趨勢(shì);ESV熱點(diǎn)區(qū)分布在東部和東北部的部分生態(tài)恢復(fù)區(qū),但在吉蘭泰鹽湖附近存在冷點(diǎn)區(qū)擴(kuò)展現(xiàn)象。
(3)烏蘭布和沙漠地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間權(quán)衡協(xié)同關(guān)系具有時(shí)間動(dòng)態(tài)性,1990—2000年間協(xié)同關(guān)系占81.82%,權(quán)衡關(guān)系占18.18%,2000—2018年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間都變?yōu)閰f(xié)同關(guān)系,且協(xié)同度隨時(shí)間變化有所增強(qiáng)。