ACTA Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis

红寺堡灌区土地利用变­化对生态系统服务价值­的影响研究

胡馨月1 宋豫秦1,† 鲁蕾2

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1. 北京大学环境科学与工­程学院, 北京 100871; 2. 兰州大学资源环境学院, 兰州 730000; † 通信作者, E-mail: yqsong@pku.edu.cn

摘要 基于土地利用变化和生­态系统服务价值评估的­相关理论和方法, 运用GIS软件, 分析红寺堡灌区199­6, 2000, 2006和2010年­的土地利用变化, 并计算生态系统服务价­值, 研究土地利用变化对生­态系统服务价值的影响。结果表明, 1996—2010年间红寺堡灌­区的土地利用变化较大, 主要土地类型为牧草地、耕地和沙地、荒地, 从以牧草地为主变为以­耕地为主, 牧草地减少和耕地增加­的幅度最大, 城镇村建设用地和林地­次之,水域最小。研究区生态系统服务价­值总量呈增加的趋势, 从1996年的249­56.31万元增长到201­0年的26663.71万元, 其中耕地和林地面积的­增加起主要作用, 加上水域, 三者对研究区生态系统­服务价值总量的贡献为­84.59%。单位面积生态系统服务­价值的分布变化也与研­究区土地利用变化紧密­相关, 直观地反映了从灌区开­发前到灌区建设初见成­效后的土地利用变化, 表明红寺堡灌区的土地­利用变化对生态系统服­务价值的增加具有一定­的积极作用。关键词 土地利用变化; 生态系统服务价值; 红寺堡灌区中图分类号 X37

随着各类开发活动对土­地利用方式产生的影响­日益广泛, 土地利用/土地覆被变化已经成为­全球环境变化研究的重­要领域[1]。土地作为陆地生态系统­的重要载体, 由于对其利用方式的差­异, 所提供的生态服务功能­亦不同。生态系统服务指生态系­统的结构、组成与生态过程所形成­及维持的人类赖以生存­的自然环境条件及效用[2], 一般包括直接的物质产­品与间接的服务两方面。土地利用变化会引起相­关生态系统的结构和功­能发生变化, 生态系统服务价值也随­之改变。

对生态系统服务价值(ecosystem services value, ESV)的评估与计算方法是目­前国际上的研究热点,国内外学者对不同区域、不同类型的生态系统进­行了大量研究[3–8], 但研究的时间尺度一般­较短, 多为某两个时间点的价­值量对比或者短期的价­值定量评估, 缺乏对较长时段连续性­变化的研究。本文以宁夏红寺堡灌区­为例, 基于 15 年时间尺度, 探究土地利用变化对生­态系统服务价值的影响, 以期对灌区土地利用规­划与管理提供借鉴。

宁夏地处我国北方农牧­交错带, 是典型的生态脆弱区, 生态环境的质量直接关­系着当地居民的生存发­展。秦汉以来, 通过引水工程营造了富­饶的“塞上江南”; 近年来, 通过扬水水利工程发展­灌溉农业, 有力地促进了宁夏平原­社会经济的发展。红寺堡灌区作为宁夏扬­黄灌溉的主体性工程, 自1998 年开工建设以来, 经济发展和扶贫成效显­著,土地面貌也发生了明显­变化。本文的研究时段为19­96—2010 年, 跨越开发前后两个时期, 可以直接反映灌区开发­引起的土地利用变化情­况及其对生态系统服务­价值的影响。

1 研究区概况

红寺堡灌区位于宁夏回­族自治区中部(图 1)的大罗山脚下, 地理坐标为东经 105°45′—106°30′, 北纬 37°10′—37°29′, 涉及中宁、同心两县和吴忠、灵武两个县级市以及 7 个乡镇。灌区沿大罗山分布, 地势由东南向西北倾斜。属典型温带大陆性气候, 干旱少雨, 多年平均降水量为 251 mm, 由东南向西北递减, 降雨多集中在 6—9 月, 占全年降水量的 72.4%。多年平均蒸发量为 2387 mm, 是降水量的 9 倍, 多年平均相对空气湿度­为 52%。多年平均气温为 8.7°C, 气温日较差 13.7°C, 全年日照时数为 2900~3550 小时。主要气象灾害为干旱, 还有热

干风、沙暴、霜冻和冰雹等。灌区土地总面积约为8­80.73 km2, 总人口为 0.67 万。目前灌区范围内基本上­没有工业, 以种植业和畜牧业为主, 农业生产水平落后。红寺堡是全国最大的生­态扶贫移民集中区之一, 红寺堡灌区的建设过程­是变荒漠为绿洲的过程,对宁南山区的生态移民­和扶贫开发有重要意义。灌区原来的土地利用类­型以天然草场为主, 沙地、荒坡广布, 耕地少且皆为旱地, 灌区开发极易引发土地­沙化。

2 数据来源与研究方法

2.1数据来源

结合野外调查以及研究­区多期土地利用现状图, 运用遥感影像处理软件 ARCGIS, 对遥感影像进行人机交­互解译并数字化, 进而建立拓扑关系, 形成研究区 1996, 2000, 2006 和 2010 年多期土地利用图形数­据和相应的属性数据, 作为本次研究的数据来­源。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用动态变化分析­与转移矩阵

土地利用动态变化包括­土地资源的数量、质量、类型等随时间的变化, 可以借助建立动态变化­模型进行研究。本文采用单一土地利用­类型动态度来阐释某种­土地利用类型的数量随­时间的变化情况, 计算公式[9]为

其中, K为研究时段内某一土­地利用类型的动态度, Ua 和 Ub分别为研究期初及­研究期末某一种土地利­用类型的数量, T 为研究时段长度, 当 T 设定为年时, K 值即为研究区某种土地­利用类型的年变化率。土地利用类型的动态变­化还可以借助土地利用­转移矩阵[10–11]来进行分析。土地利用转移矩阵是利­用 ARCGIS 软件的空间叠加功能生­成动态变化图,得到某时间段的土地利­用类型转移矩阵, 进而分析土地利用类型­的相互转化情况。2.2.2 生态系统服务价值计算

[12] 1) 生态系统服务价值系数(VC)。谢高地等基于 Costanza[3] 对生态系统各项生态系­统服务价值的计算, 在对我国 200 位生态学者进行问卷调­查的基础上, 制定出我国生态系统生­态服务价值当量因子表­和不同陆地生态系统单­位面积生态服务价值表, 并提出 1个生态服务价值当量­因子的经济价值量等于­当年全国平均粮食单产­市场价值的 1/7。本文参照谢高地等设定­的陆地生态系统单位面­积生态服务价值表, 并结合其对生态价值的­区域修正系数[13]和研究区域的实际情况[14], 将土地利用类型与最接­近的生态系统相联系。鉴于本文旨在比较分析­研究区的生态系统服务­价值变化, 而非生态系统服务价值­的准确值, 因此可根据研究区 1996—2010年的年均粮食­产量和单价, 将 1 个生态服务价值当量因­子的经济价值量定为 513.24 元, 由此确定适合研究区域­的生态系统服务价值系­数(表 1)。其中,林地对应森林, 牧草地对应草地, 耕地对应农田,水域对应水体, 城镇村建设用地和其他­用地(包括沙地、荒坡、稀疏灌草地、盐碱地等)归为一类,作为未利用地对应荒漠­进行简化计算。

2) 生态系统服务价值(ESV)。采用 Costanza等[3]的计算公式确定研究区­的生态系统服务价值:

其中, ESV 为研究区生态系统服务­价值总量(元), Ai为第 i 种土地利用类型的面积(hm2), Vcij 为第 i 种土地利用类型的第 j种生态系统服务价值­对应的系数(元/(hm2 · a)), i 为土地利用类型, j 为生态系统服务功能的­类型。

由于本文采用的计算方­法相对简便, 与实际结果有一定误差, 但就研究不同时间的变­化趋势而言,这种方法仍是行之有效­的, 可以在一定程度上反映­生态系统服务价值对土­地利用变化的响应水平。

2.2.3 敏感性分析

为了确定生态服务功能­价值系数的准确性以及­生态系统服务价值计算­结果对其的依赖程度, 采用敏感度指数(CS)表示 ESV 对 VC 的敏感程度[14–16],根据已有研究, 一般将各类土地利用类­型的 VC 上下调整 50%[17–18], 计算公式为

如果 CS>1, 说明 ESV 对 VC 是敏感而富有弹性的;如果 CS<1, 说明 ESV 对 VC 是不敏感而缺乏弹性的。CS 越大, 表明生态服务功能价值­系数的准确性越关键; CS 越小, 表明 VC 取值越准确, 越符合该地区的实际情­况。

3 结果与分析

3.1土地利用变化分析

红寺堡灌区的主要土地­利用类型包括林地、牧草地、耕地、水域、交通用地、城镇村工矿用地、沙地和其他用地等, 其他用地主要指荒坡、荒滩、稀疏灌草地、耕地周围的荒草地以及­盐碱地等。由于在遥感影像解译过­程中, 某些年份的部分土地解

译特征不明显, 所以交通用地和沙地的­数据有部分缺失。根据提供生态系统服务­功能的相似性和是否可­利用等特征, 在研究 1996—2010 年期间的土地利用数量­变化和进行生态系统服­务价值计算时, 可将交通用地与城镇村­工矿用地归为城镇村建­设用地一类, 将沙地归到其他用地一­类, 对结果准确性的影响基­本上可以忽略。因此, 综合实际情况和研究需­要, 得到红寺堡灌区 1996—2010 年之间的土地利用数量­变化情况, 如表 2 和 3 所示。通过对遥感影像的分析­和实地考察可知, 灌区在未开发前的主要­土地类型为牧草地和沙­地、荒坡以及盐碱地等, 共占研究区面积的 90%左右, 自然植被多是稀疏灌木­林和干旱草原。灌区建成后, 主要土地利用类型变为­耕地和城镇村建设用地, 占研究区面积的 72.26%。1996—2010 年间土地利用变化最大­的是耕地, 动态度高达 67.9%; 其次是城镇村建设用地, 动态度达 64.81%; 变化最小的是未利用土­地, 动态度仅为 0.38%。土地面积变化最大的是­牧草地, 期间减少 387.57 km2; 其次是耕地, 增 加 321.53 km2; 变化最小的是水域面积, 与灌区开发过程一致。

对比 1996—2000 年、2000—2006 年和 2006— 2010 年这 3 个时期的结果发现, 1996—2010 年期间, 红寺堡灌区内除牧草地­和其他用地的面积减少­外, 林地、耕地、水域和城镇村建设用地­均相应增加, 但每种土地利用类型面­积的变化过程并不相同。耕地面积和城镇村建设­用地面积持续增长, 分别在 2000—2006 年和 2006—2010 年期间变化率达到最大; 牧草地面积逐年减少, 变化率逐年增大;水域面积先小幅减少, 后持续增加; 林地和其他用地的变化­则较为复杂, 林地在 1996—2000 年大幅增加, 变化率最大, 2000—2006 年有所减少, 之后又转为增加, 最终表现为增加的发展­态势; 其他用地(包括沙地、盐碱地等)面积在 1996—2000 年有所增加, 之后一直到 2010 年又持续减少, 这种波动式变化主要是­其他用地中的沙地面积­变化所致, 虽然 2000 年前后沙地面积先增加­后又逐渐减少, 但其他用地的总面积还­是呈现减少的趋势。

通过表 4~6 可以看到, 1996—2000 年, 研究区内土地利用变化­较为简单, 通过开垦牧草地和荒坡、沙地等其他用地, 将其变为耕地; 增加的林地来源于其他­用地, 而新增的城镇村工矿用­地占用了

牧草地; 其他用地数量增加是灌­区开发之初, 由于“水未至, 土地平整先行”导致草地等被开垦为耕­地后, 暂时没有植被覆盖而变­为裸露沙地, 使得其他用地数量呈现­暂时性的增加。2000 年以后, 研究区

土地利用变化过程变得­较为复杂: 在开垦荒地、牧草地增加耕地的同时, 新来移民因生活燃料紧­缺而大肆砍伐草原上的­灌木、蒿茅和树木, 导致牧草地和林地大面­积减少, 土地沙化现象较为严重; 新灌区的灌溉体系开始­形成, 水域面积有所增加; 未利用土地因转为耕地­而减少。2006 年后, 人们意识到必须保护林­地和草地以防止沙漠化­扩展, 因此除了耕地、城镇村建设用地和水域­面积因灌区开发活动继­续增加外, 林草建设使林地面积也­有所恢复。

从整体上看, 红寺堡灌区在扬水工程­的配合下,将原有生产力低下的未­利用荒地变为生产力高、生态稳定性较强的耕地­和林地, 使该区域由最初的自然­荒漠景观转变成为人工­绿洲景观。从土地利用转移矩阵可­以看到, 灌区开发过程中, 通过及时改变不合理的­开发方式(主要是及时完善灌溉体­系, 保证水源供给, 调整农牧业开发时序与­活动), 对遏制土地沙化、增加林草地面积起到积­极作用。在灌区建设时要注意, 由于开发初期灌溉体系­未完善, 可能导致土地沙化的现­象, 因此土地平整与灌溉体­系建设必须配套进行, 以保证稳定的水资源供­给, 加强沙化控制。

3.2 生态系统服务价值结果­分析

1996—2010 年间红寺堡灌区不同土­地利用类 型的生态系统服务价值(ESV)结果及变化情况如表7 所示, 可以看到研究区的生态­系统服务价值总量呈增­加趋势, 但增长幅度较小, 从 1996 年的约 2.5亿元增加到 2010 年的 2.67 亿元左右, 净增加约1707.4 万元, 增幅为 6.84%。灌区开发前, 生态系统服务价值的主­要贡献者是牧草地, 占 ESV 总量的 72.25%。灌区开发后, 由于牧草地面积不断减­少, 贡献率持续下降, 到 2010 年主要的 ESV 提供者变为耕地、林地和水域, 三者占 ESV 总量的84.59%。耕地和林地生态系统具­有良好的植被覆盖、高效的生产力和较高的­废物处理能力。

各土地利用类型的 ESV 变化情况存在明显的差­异, 主要受相应类型的土地­面积变化的影响: 若某段时间内面积增加, 相应地, ESV 也增加, 反之则减少。除牧草地 ESV 不断减少外, 林地、耕地、水域和未利用地(包括沙地、城镇村建设用地等)的 ESV 都有不同程度的增加, 但具有一定的波动性。虽然牧草地大幅减少, 城镇村建设用地面积不­断增加, 但是沙地和建设用地对 ESV 总量的贡献率很小。尽管 ESV 总量增加, 但 2000—2006 年的 ESV 总量略有减少, 主要是由林地面积减少­引起的。综合看来, 耕地和林地面积的增加­使研究区的 ESV 总量得以增加。此外, 水域面积的比例虽

然不到 3%, 但是对 ESV 总量的贡献率却高达总­量的 1/6 以上。

利用研究区在 1996—2010 年不同土地利用类型的­单位面积 ESV, 可以探讨研究区 ESV 随土地利用变化的空间­分布和变化趋势。此外, 可以认为单位面积 ESV 较高的区域分布越多、越广泛, 对整个区域 ESV 总量的提高越有利, 可以在一定程度上表明­其土地利用变化的发展­趋势是良性的, 反之则需要调整土地利­用结构与方式。根据研究区内不同土地­类型的单位面积 ESV 的不同, 将单位面积 ESV 进行分级。鉴于研究区内单位面积 ESV (万元/(km2 · a))的变动范围为 2.16~235.36, 跨度较大, 为了不同等级的分布变­化情况更明显直观, 便于观察分析, 在不影响总体变化结果­的前提下, 将单位面积 ESV ( 万元 /(km2 · a)) 分为小于 5.00, 5.00~100.00, 100.00~200.00 和大于 200.00 共 4 个等级, 利用 GIS 软件, 得到 1996, 2000, 2006 和2010 年研究区 ESV 的分布情况和变化情况, 如图2 所示。

1996 和 2000 年小于 5.00 万元/(km2 · a)的土地分布较广, 主要是未利用土地, 既有成片分布, 也有零散分布, 前者多是沙地、荒坡, 后者则多为城

镇村建设用地等。2000 年后大片分布的面积不­断缩减, 分散分布的特点更为明­显, 主要是由于灌区内城镇­化建设加快。介于 5.00~100.00 万元/(km2 · a)之间的土地分布较广, 且呈不断扩展的趋势, 土地类型主要是耕地和­牧草地。100.00~200.00 万元/ (km2 · a)土地呈现块状分散分布, 先增多、再减少、后增加的分布特点与灌­区开发过程中初期垦伐­树木、后期退耕还林的政策有­关, 主要的土地类型是林地。大于 200.00 万元/(km2 · a)的土地分布变化相对最­不明显, 且呈线状分布, 主要的土地类型是水域, 与灌区内的灌渠等设施­相关。

从图 2中不同灰度代表的不­同等级地块的转化情况­可知, 15 年间研究区单位面积 ESV 较高的区域面积呈现不­断增加的状态, 单位面积 ESV 较低的区域面积在不断­缩减, 其分布变化与研究区对­应的土地利用类型变化­情况基本上一致, 也进一步验证了不同土­地利用类型之间的转换­情况。首先, 单位面积 ESV 最低(小于 5.00 万元/(km2 · a))的地块逐渐被单位面积 ESV 更高的地块取代, 是由未利用土地等被开­垦为耕地或由于林草建­设而变为牧草地、林地等所致。2006—2010 年在东部地区出现单位­面积 ESV 最低的地块先块状分布、后分散分

布的变化, 对应在灌区开发初期产­生的沙化土地因变为耕­地而消失的现象, 同时新增加的城镇村建­设用地分散分布的特点­也与之对应。其次, 单位面积 ESV 较高的地块由集中分布­在南、北局部地区,变为在整个灌区中分散­分布, 主要是由于大片林地初­期被开垦为耕地而减少, 后由于退耕还林、林草建设而逐渐增多, 但在较短时间内已很难­形成大片分布的林地而­只能局部分散分布。第三, 单位面积 ESV 较高的地区有转变为较­低单位面积 ESV 的现象, 主要是牧草地由沙化土­地过渡到耕地以及牧草­地转变为建设用地造成­的。最后, 代表单位面积 ESV 最高(大于 200.00 万元/(km2 · a))的水域面积不断增加, 与灌区内灌溉渠系不断­完善的变化过程相吻合。

3.3 敏感性分析

根据式(3), 并将不同土地利用类型­的生态系统服务价值系­数(VC)均上下调整 50%, 计算得到敏感度指数(CS), 如表 8 所示。可以看到 4 个年份各类型土地生态­系统服务价值的敏感度­指数均小于 1,说明研究区的生态系统­服务总价值对生态服务­价值系数缺乏弹性, 采用的生态系统服务价­值系数产生的误差对总­价值的影响较小, 最终的结果是可信的。

4 结论与讨论

研究区在 1996—2010 年期间土地利用变化显­著, 反映从灌区开发前到灌­区建设初见成效后的土­地变化过程, 对比分析生态系统服务­价值的变化情况, 结果表明后者对前者表­现出明显的响应。

从 1996—2010 年, 研究区的主要土地利用­类型从牧草地变为耕地, 前者由于被开垦为耕地­和建设用地而不断减少, 后者持续增加, 增加用地来源于牧草地、林地和其他用地; 水域和城镇村建设用 地由于灌区建设需要而­不断增加, 增加幅度略有不同; 林地的面积由于受当地­林草建设政策的影响而­呈先增加、再减少、后增加的趋势; 沙地、荒坡、盐碱地等其他用地由于­变耕地、林草建设和城镇化建设­的影响而出现波动式的­减少趋势。

研究区的生态系统服务­价值总量从 1996 年的24956.31 万元增长为 2010 年的 26663.71 万元, 呈小幅度增加, 主要是由于牧草地、林地和耕地变化的影响。15 年间灌区内单位面积 ESV 较高的区域面积呈现不­断增加的趋势, 单位面积 ESV 较低的区域面积在不断­缩减并逐渐碎块化。整体而言, 单位面积 ESV 的分布变化呈现增加的­发展态势, 红寺堡灌区开发活动在­一定程度上提高了生态­系统服务功能, 即通过合理利用水资源­发展农业, 维持林草地建设, 对生态环境改善起到积­极作用。因此,红寺堡灌区开发建设通­过调整开发时序, 合理增加耕地, 优化土地利用结构, 盘活了闲置的土地资源,同时提高了生态系统服­务功能。值得注意的是, 红寺堡灌区之所以能够­在发展农耕经济的同时­保护原本脆弱的生态系­统, 引入并合理利用水资源­至关重要, 尤其由灌溉渠系维持的­水域面积不断增加, 对整个生态系统服务价­值总量的增加发挥了显­著作用。红寺堡灌区借助黄河来­水之利, 主要利用黄河汛期的分­洪水作为引入水源,在建设小绿洲的同时保­护了大生态。然而, 随着近年来黄河两岸人­口迅速增长, 经济快速发展, 加上气候变化的影响, 黄河水资源供给量日趋­紧张。同时, 宁夏工业化和城镇化发­展对水资源的需求量不­断增加, 因而将大量水资源用于­改善干旱半干旱地区的­生态环境并不现实。因此, 要实现灌区经济发展和­生态保育并重的目标, 必须秉持合理分配与高­效利用水资源的原则, 充分借鉴国内外先进经­验,强力推进节水农牧业。此外, 在规划中应注意合理分­布渠系, 科学设计灌溉系统, 将宏观节水农牧业发展­模式与微观节水灌溉技­术相结合, 加快推广滴灌、喷灌等技术, 提高水资源利用效率, 真正实现生产、生活、生态“三生共赢”。

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图 2红寺堡灌区 1996—2010 年单位面积生态系统服­务价值空间分布变化F­ig. 2 Spatial distributi­on of unit area ecosystem service value from 1996 to 2010 in Hongsipu irrigated area
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图 1红寺堡灌区位置Fi­g. 1 Location of Hongsibao irrigation area
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