張睿姝高永陳宏芳高苗苗魏健民李曉惠楊焱堯

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000；2.阿拉善左旗林業(yè)工作站，內(nèi)蒙古 阿拉善 750300)

引言

土地是人類(lèi)生存發(fā)展的基礎(chǔ)，也是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值和功能的保障。土地利用變化是自然環(huán)境影響和人類(lèi)活動(dòng)驅(qū)動(dòng)的直接體現(xiàn)，土地資源的合理開(kāi)發(fā)和有效利用直接或間接關(guān)系到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值和功能的可持續(xù)發(fā)展[1-3]。由此，基于土地利用變化視角，定量評(píng)價(jià)分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化已逐漸成為生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。人類(lèi)社會(huì)賴(lài)以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)是生態(tài)系統(tǒng)直接或間接提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，包括供給、調(diào)節(jié)、支持和文化等各類(lèi)服務(wù)價(jià)值，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值對(duì)于維持生命存續(xù)和發(fā)展有著不可替代的作用[4,5]。學(xué)者針對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及其價(jià)值開(kāi)展了大量研究，Costanza等首先從科學(xué)意義上將生態(tài)學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)相結(jié)合，明確了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值估算的原理及方法，并對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行量化[6]；謝高地等在Costanza等的研究基礎(chǔ)上，制定出中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子和價(jià)值轉(zhuǎn)化系數(shù)[7]；目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究多以謝高地修訂與補(bǔ)充的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子表為基礎(chǔ)，結(jié)合研究區(qū)單位生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值來(lái)估算區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值[8,9]。同時(shí)，學(xué)者基于上述理論，開(kāi)展了針對(duì)城市、森林、濕地和流域等不同生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價(jià)值的研究[10-14]，取得了大量的研究成果，但是卻鮮有針對(duì)荒漠生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值功能的評(píng)估，荒漠地區(qū)在我國(guó)分布范圍較廣，其發(fā)育在高蒸發(fā)、低降水的極端脆弱環(huán)境下，是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。因此，開(kāi)展荒漠生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在長(zhǎng)期的土地利用變化下的響應(yīng)特征，對(duì)于深刻理解陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值以及可持續(xù)發(fā)展有著重要的意義。

阿拉善盟地處內(nèi)蒙古西部，該地區(qū)是由草原化荒漠向典型荒漠至極旱荒漠的過(guò)渡地區(qū)，屬于典型的荒漠生態(tài)系統(tǒng)[15]。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，該地區(qū)為改善生態(tài)環(huán)境、防治土地沙漠化，先后開(kāi)展了飛播造林、人工造林和封沙育林等生態(tài)工程，在增加土地利用類(lèi)型的基礎(chǔ)上，有效地改善了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境質(zhì)量。因此，為了明確荒漠地區(qū)土地利用變化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值之間的關(guān)系，并進(jìn)一步分析荒漠地區(qū)土地利用類(lèi)型對(duì)生態(tài)系統(tǒng)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(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，選擇土地利用動(dòng)態(tài)度、轉(zhuǎn)移矩陣以及謝高地等提出的當(dāng)量因子法等對(duì)以阿拉善荒漠區(qū)為代表的1980—2020年土地利用現(xiàn)狀、土地利用變化以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行研究，以期為干旱荒漠區(qū)的土地資源優(yōu)化、生態(tài)環(huán)境治理及實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展提供理論支撐。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

阿拉善盟位于內(nèi)蒙古自治區(qū)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(jì)納旗，有4個(gè)自治區(qū)級(jí)開(kāi)發(fā)區(qū)，30個(gè)蘇木鎮(zhèn)，198個(gè)嘎查村，總面積為27萬(wàn)km2，總?cè)丝?7.57萬(wàn)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(qū)域。阿拉善盟內(nèi)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(lèi)型為沙地和未利用地，區(qū)域內(nèi)地表植被覆蓋度低。

圖1 研究區(qū)地理位置

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文所使用的土地利用數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型(DEM)及阿拉善盟矢量數(shù)據(jù)來(lái)源于資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)(www.resdc.cn)，分別獲取阿拉善盟1980年、2000年和2020年土地利用數(shù)據(jù)，結(jié)合《土地利用現(xiàn)狀分類(lèi)》標(biāo)準(zhǔn)以及阿拉善盟土地利用特點(diǎn)，利用ArcGIS 10.6將地類(lèi)進(jìn)行重分類(lèi)，其中疏林地、灌木林、有林地統(tǒng)歸為林地，高、中、低覆蓋度草地統(tǒng)歸為草地，沙地、荒漠、戈壁等統(tǒng)歸為未利用地，最終得到耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地6個(gè)地類(lèi)。

1.3 研究方法

1.3.1 單一土地利用動(dòng)態(tài)度

單一土地利用動(dòng)態(tài)度是不同土地利用類(lèi)型在一定時(shí)間內(nèi)的變化速度和幅度指標(biāo)，描述單一地類(lèi)動(dòng)態(tài)性變化，在一定時(shí)間段內(nèi)，土地利用類(lèi)型資源數(shù)量的變化情況[16]。

式中，K為一定時(shí)間段內(nèi)某種單一土地利用類(lèi)型的動(dòng)態(tài)性變化；Ua表示研究期初某一土地利用類(lèi)型面積；Ub表示研究期末某一土地利用類(lèi)型面積；T為本次研究時(shí)段長(zhǎng)度。

1.3.2 綜合土地利用動(dòng)態(tài)度

式中，LUi表示研究測(cè)量期開(kāi)始時(shí)第i類(lèi)土地利用類(lèi)型的數(shù)量；LUi-j表示土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)為非i類(lèi)的土地?cái)?shù)量絕對(duì)值；n為土地利用類(lèi)型數(shù)量；T為研究時(shí)段長(zhǎng)度[17]。

1.3.3 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是在一定的時(shí)間段內(nèi)，土地利用類(lèi)型間的相互轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過(guò)程，能夠?qū)⑼恋乩妙?lèi)型結(jié)構(gòu)特征、土地利用類(lèi)型流入和流出量面積以及變化方向表征出來(lái)[18]。

式中，Aij為某一時(shí)間段內(nèi)土地利用類(lèi)型由i類(lèi)轉(zhuǎn)為j類(lèi)的面積；n為土地利用類(lèi)型數(shù)量。

1.3.4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值

當(dāng)前生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值研究常用方法有能值分析法、物質(zhì)量評(píng)價(jià)法和價(jià)值量評(píng)價(jià)法。以往國(guó)內(nèi)學(xué)者多采用謝高地等的中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量表進(jìn)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(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值表對(duì)阿拉善生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行計(jì)算。按照生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值折算通用方法，先通過(guò)糧食產(chǎn)量比確定修正系數(shù)，再基于阿拉善地區(qū)當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)經(jīng)濟(jì)情況，以阿拉善地區(qū)主要糧食作物小麥和玉米的單產(chǎn)市場(chǎng)價(jià)值的1/7作為1個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的基礎(chǔ)當(dāng)量，用修正系數(shù)對(duì)各土地利用類(lèi)型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值基礎(chǔ)當(dāng)量因子進(jìn)行修正。得到阿拉善地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)如表1所示，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的計(jì)算公式：

式中，ESV為生態(tài)服務(wù)價(jià)值總量；i為土地利用類(lèi)型；Si為第i類(lèi)土地利用類(lèi)型面積；Vi為第i類(lèi)土地利用類(lèi)型單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。

表1 阿拉善地區(qū)不同土地類(lèi)型單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量表

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用結(jié)構(gòu)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(shí)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(xù)增加，林地、草地和水域面積減少，耕地面積持續(xù)增加，在這一時(shí)期人類(lèi)活動(dòng)急劇增加，畜牧業(yè)過(guò)度發(fā)展，是造成土地沙化面積增加的一大誘因，新轉(zhuǎn)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(nèi)部水域周?chē)恋厣郴?，且無(wú)明顯集聚性，還有則是原來(lái)的林地、草地轉(zhuǎn)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(qū)，而耕地、草地和水域面積增加，究其原因是這一時(shí)期在騰格里、巴丹吉林和烏蘭布和3大沙漠周邊陸續(xù)開(kāi)展了天然林保護(hù)工程、退耕還林工程、三北防護(hù)林工程和飛播造林等工程，并設(shè)立了森林生態(tài)效益補(bǔ)償制度及造林補(bǔ)貼試點(diǎn)項(xiàng)目等，因此導(dǎo)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(jìn)一步沙化的趨勢(shì)。

2.2 土地利用動(dòng)態(tài)度變化

根據(jù)土地利用動(dòng)態(tài)度模型，分別計(jì)算了1980—2000年、2000—2000年2個(gè)階段的土地利用動(dòng)態(tài)度，如表2所示。

表2 不同時(shí)段土地利用動(dòng)態(tài)度

從1980—2000年的單一土地利用動(dòng)態(tài)度來(lái)看，由于人類(lèi)活動(dòng)頻繁，耕地和建筑用地的面積增加，動(dòng)態(tài)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(dòng)態(tài)度為0.08%，林地、草地和水域的面積均呈現(xiàn)不同程度的減小，其動(dòng)態(tài)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(dòng)態(tài)度達(dá)到0.37%和1.69%，同時(shí)，林地、草地和水域在這一時(shí)期面積也開(kāi)始呈增加趨勢(shì)，動(dòng)態(tài)度分別為0.15%、0.32%和0.08%，這一時(shí)期的沙地、戈壁和荒漠等未利用地面積也呈減小趨勢(shì)，動(dòng)態(tài)度為-0.27%。阿拉善盟綜合土地利用動(dòng)態(tài)度在2個(gè)階段內(nèi)分別為0.038%和0.052%，表明阿拉善土地類(lèi)型在2000—2020年的變化程度比1980—2000年更為強(qiáng)烈，另外2個(gè)時(shí)期的綜合土地利用動(dòng)態(tài)度均不到1%，也反映了阿拉善土地利用在不斷發(fā)生變化，但仍屬于極緩慢變化型。

2.3 土地利用轉(zhuǎn)移特征

利用ArcGIS 10.6中的轉(zhuǎn)換工具和分析工具，對(duì)阿拉善土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，構(gòu)建出1980—2020年的土地利用轉(zhuǎn)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(nèi)，耕地的轉(zhuǎn)出變化為轉(zhuǎn)為林地14.69km2，轉(zhuǎn)為草地14.50km2，轉(zhuǎn)為水域3.88km2，轉(zhuǎn)為建設(shè)用地1.81km2，轉(zhuǎn)為未利用地58.90km2，共轉(zhuǎn)出93.78km2；耕地的轉(zhuǎn)入變化為林地轉(zhuǎn)為耕地25.10km2，草地轉(zhuǎn)為耕地78.29km2，水域轉(zhuǎn)為耕地21.47km2，建設(shè)用地轉(zhuǎn)為耕地2.68km2，未利用地轉(zhuǎn)耕地179.11km2，共轉(zhuǎn)入343.62km2；綜合轉(zhuǎn)出和轉(zhuǎn)入來(lái)看，耕地凈轉(zhuǎn)入212.89km2，面積增加。林地的轉(zhuǎn)出變化為轉(zhuǎn)為耕地25.10km2，轉(zhuǎn)為草地329.30km2，轉(zhuǎn)為水域14.18km2，轉(zhuǎn)為建設(shè)用地5.98km2，轉(zhuǎn)為未利用地292.58km2，共轉(zhuǎn)出667.14km2；林地的轉(zhuǎn)入變化為耕地轉(zhuǎn)為林地14.69km2，草地轉(zhuǎn)為林地336.25km2，水域轉(zhuǎn)為林地18.07km2，建設(shè)用地轉(zhuǎn)為林地1.08km2，未利用地轉(zhuǎn)為林地286.11km2，共轉(zhuǎn)入656.21km2；綜合轉(zhuǎn)出和轉(zhuǎn)入來(lái)看，林地凈轉(zhuǎn)入-10.93km2，面積減少。草地的轉(zhuǎn)出變化為轉(zhuǎn)為耕地78.29km2，轉(zhuǎn)為林地336.25km2，轉(zhuǎn)為水域91.61km2，轉(zhuǎn)為建設(shè)用地88.82km2，轉(zhuǎn)為未利用地3983.85km2，共轉(zhuǎn)出6578.83km2；草地的轉(zhuǎn)入變化為耕地轉(zhuǎn)為草地14.50km2，林地轉(zhuǎn)為草地329.30km2，水域轉(zhuǎn)為草地87.68km2，建設(shè)用地轉(zhuǎn)為草地8.75km2，未利用地轉(zhuǎn)為草地6914.40km2，共轉(zhuǎn)入7354.63km2；綜合轉(zhuǎn)出和轉(zhuǎn)入來(lái)看，草地凈轉(zhuǎn)入775.83km2，面積增加。水域的轉(zhuǎn)出變化為轉(zhuǎn)為耕地21.47km2，轉(zhuǎn)為林地18.07km2，轉(zhuǎn)為草地87.68km2，轉(zhuǎn)為建設(shè)用地7.98km2，轉(zhuǎn)為未利用地224.21km2，共轉(zhuǎn)出359.42km2；水域的轉(zhuǎn)入變化為耕地轉(zhuǎn)為水域3.88km2，林地轉(zhuǎn)為水域14.18km2，草地轉(zhuǎn)為水域91.61km2，建設(shè)用地轉(zhuǎn)為水域0.75km2，未利用地轉(zhuǎn)為水域255.43km2，共轉(zhuǎn)入365.85km2；綜合轉(zhuǎn)出和轉(zhuǎn)入來(lái)看，水域凈轉(zhuǎn)入6.43km2，面積增加。建設(shè)用地的轉(zhuǎn)出變化為轉(zhuǎn)為耕地2.68km2，轉(zhuǎn)為林地1.08km2，轉(zhuǎn)為草地8.75km2，轉(zhuǎn)為水域0.75km2，轉(zhuǎn)為未利用地62.25km2，共轉(zhuǎn)出75.53km2；建設(shè)用地的轉(zhuǎn)入變化為耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地1.81km2，林地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地5.98km2，草地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地88.82km2，水域轉(zhuǎn)為建設(shè)用地7.98km2，未利用地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地239.03km2，共轉(zhuǎn)入343.62km2；綜合轉(zhuǎn)出和轉(zhuǎn)入來(lái)看，建設(shè)用地凈轉(zhuǎn)入268.10km2，面積增加。未利用地的轉(zhuǎn)出變化轉(zhuǎn)為耕地179.11km2，轉(zhuǎn)為林地286.11km2，轉(zhuǎn)為草地6914.40km2，轉(zhuǎn)為水域255.43km2，轉(zhuǎn)為建設(shè)用地239.03km2，共轉(zhuǎn)出5874.09km2；未利用地的轉(zhuǎn)入變化耕地轉(zhuǎn)為未利用地58.90km2，林地轉(zhuǎn)為未利用地292.58km2，草地轉(zhuǎn)為未利用地3983.85km2，水域轉(zhuǎn)為未利用地224.21km2，建設(shè)用地轉(zhuǎn)為未利用地62.25km2，共轉(zhuǎn)入4621.80km2；綜合轉(zhuǎn)出和轉(zhuǎn)入來(lái)看，未利用地凈轉(zhuǎn)入-1252.29km2，面積減少。

2.4 生態(tài)服務(wù)價(jià)值分析

將不同地類(lèi)面積和各地類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量進(jìn)行計(jì)算，得到各土地利用類(lèi)型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，如表4所示。

從表4可以看出，1980年阿拉善生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總量達(dá)到了108.86億元，占比最大的是草地，提供了60.23億元的價(jià)值量，占總價(jià)值量的55.32%，除去建筑用地的極小價(jià)值量外，占比最小的是耕地，提供了0.47億元，僅占總價(jià)值量的0.42%。在2020年，阿拉善生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)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(jià)值量，占總價(jià)值量的55.88%。2020年的阿拉善生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總量與1980年相比增加了10.83億元。從增減率來(lái)看，這其中影響價(jià)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(xiàn)了價(jià)值量的增加。究其原因，近年來(lái)，阿拉善地區(qū)在飛播造林、禁牧還林還草和生態(tài)移民的工程的實(shí)施下，使沙地、荒漠和戈壁等未利用地面積減少，使其大量轉(zhuǎn)化為草地和耕地；有效減弱了放牧活動(dòng)對(duì)原生植被的啃食和破壞，使這些地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)一步得到提升，有效減少了土壤侵蝕和風(fēng)沙蔓延，使得阿拉善地區(qū)生態(tài)環(huán)境在近年來(lái)得到明顯改善。

表4 1980—2020年阿拉善不同土地類(lèi)型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)

3 結(jié)論

本研究基于阿拉善1980年、2000年、2020年3期遙感影像，對(duì)阿拉善土地利用變化及其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下。

在研究時(shí)段內(nèi)，阿拉善土地利用變化分為2個(gè)階段，1980—2000年的土地沙化增強(qiáng)階段，2000—2020年的土地沙化減弱階段。

在研究時(shí)段內(nèi)，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(shí)段內(nèi)，阿拉善生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總量增加了10.83億元，其中草地貢獻(xiàn)的價(jià)值量最多，耕地貢獻(xiàn)的價(jià)值量最少，各類(lèi)生態(tài)服務(wù)類(lèi)型價(jià)值量均在增加。