基于GIS的黃土高原生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值對土地利用變化的響應(yīng)及生態(tài)補(bǔ)償

王飛，高建恩，，?，邵輝，張通，張元星，許秀泉，趙春紅，王宏杰

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，712100，陜西楊凌;2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，712100，陜西楊凌;3.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，712100，陜西楊凌)

黃土高原作為中國乃至世界上水土流失最為嚴(yán)重的地區(qū)，其日益惡化的生態(tài)環(huán)境成為世界研究的焦點問題。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是利用生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和過程，得到生命支持產(chǎn)品和服務(wù)，而這些服務(wù)和產(chǎn)品是人類生存和發(fā)展的必需品和生活質(zhì)量的保證［1］。通過對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的定量評估來探索地區(qū)生態(tài)環(huán)境變化，進(jìn)行環(huán)境質(zhì)量評價，合理規(guī)劃生態(tài)發(fā)展方向等研究，已成為國際生態(tài)學(xué)和生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)的熱點和前沿領(lǐng)域［2-4］。土地利用變化作為《國際地圈與生物圈計劃》(IGBP)和《全球變化的人文領(lǐng)域計劃》(IHDP)的重大研究計劃之一［5］，通過對生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能的改變，對生態(tài)系統(tǒng)維持其服務(wù)功能起決定性作用［1］;然而，目前的研究多是某一局部地區(qū)的土地利用變化或景觀格局變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響［6-10］，而對整個黃土高原的土地利用/覆被變化及其造成生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化的研究很少，對生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)和機(jī)制的研究更是少之又少。筆者以整個黃土高原地區(qū)為研究對象，根據(jù)DEM數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)等，基于GIS技術(shù)，結(jié)合土地利用動態(tài)度理論，研究黃土高原地區(qū)土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值造成的影響，并依據(jù)黃土高原實際情況，制定出符合當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境健康發(fā)展的生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)，從而為黃土高原植被恢復(fù)重建、土地利用調(diào)整、生態(tài)環(huán)境評價和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

黃土高原東起太行山，西至青海日月山，南達(dá)秦嶺，北抵陰山，跨山西、陜西、甘肅、青海、寧夏、內(nèi)蒙古及河南7個省區(qū)［11］。該地區(qū)土地總面積約64萬km2，約占全國土地總面積的1/15。黃土高原屬季風(fēng)氣候區(qū)，因距海洋較遠(yuǎn)(東距海洋600～1 400 km)，大陸性氣候明顯，四季分明，冬季在強(qiáng)盛的極低干冷氣團(tuán)控制下，雨雪稀少，夏季蒙古高壓北移，受西太平洋副熱帶高壓和印度洋低壓影響，盛行東南、西南季風(fēng)，雨水增多，干濕差異大，溫度變化劇烈，年平均氣溫為6～14℃。該區(qū)域多年平均降雨量300～700 mm，由東南向西北遞減，7—9月降雨量占年降雨總量的60% ～70%，降雨集中且多暴雨，導(dǎo)致土壤侵蝕強(qiáng)烈。黃土高原的植被與氣候區(qū)域變化相適應(yīng)，由東南向西北大體可劃分為森林帶、森林草原帶、草原帶和荒漠草原帶。自然植被破壞比較嚴(yán)重。森林僅在山地有連片分布，以次生林為主，多山楊(Populus davidiana)、樺木(Betula spp)林，個別保存較好的天然林有油松(Pinus tabuliformis)林或華山松(Pinus armandi Franch)林、遼東棟(Quercus liaotungensis)林及樺木(Betula spp)林。草原植被分布廣泛，主要植物群系有茭蒿(Artemisia giraldii Pamp)、鐵桿蒿(Artemisia sacrorum Ledeb)、冷蒿(Artemisia frigida Willd.Sp.Pl.)、百里香(Thymus mongolicus)等［12-13］。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

使用空間分辨率為30 m的數(shù)字高程數(shù)據(jù)(DEM)，該數(shù)據(jù)源自中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站。土地利用數(shù)據(jù)源自中國1∶25萬土地覆蓋遙感調(diào)查與監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，分別為1985和2005年2期土地利用數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合陸地生態(tài)系統(tǒng)特點的遙感土地覆蓋分類系統(tǒng)，將土地利用類型分為森林、草地、農(nóng)田、荒漠、聚落和濕地+水體6種一級類型［14］。

2.2 空間分析

由于所獲得的數(shù)字高程數(shù)據(jù)包括研究區(qū)域且大于研究區(qū)域覆蓋面積，因此，先將得到的數(shù)字高程數(shù)據(jù)在GIS技術(shù)的支持下進(jìn)行拼接，再以黃土高原邊界圖為基礎(chǔ)進(jìn)行裁切。利用遙感圖像分析得到的1985和2005年的土地利用/覆被數(shù)據(jù)，運(yùn)用空間疊加分析的方法，得到黃土高原地區(qū)土地利用變化的變化信息，并生成專題圖［15］。

2.3 數(shù)據(jù)分析

2.3.1 單一土地利用類型動態(tài)度和空間動態(tài)度

1)單一土地利用類型動態(tài)度是對區(qū)域在一定的研究時段內(nèi)某一種土地利用類型數(shù)量的變化情況進(jìn)行分析的方法［16］，其表達(dá)式為

式中:Ki為研究時段內(nèi)第i類土地利用類型的單一土地利用動態(tài)度;A(i，t1)為研究初期階段第i類土地利用類型的面積，hm2;A(i，t2)為研究期末第i類土地利用類型的面積，hm2;t為研究時段長，a，即t2-t1。

2)空間動態(tài)度表示測算土地利用動態(tài)變化的空間過程和強(qiáng)烈程度［17］，可表示為

2.3.2 綜合土地利用動態(tài)度 綜合土地利用動態(tài)度是研究區(qū)內(nèi)土地利用類型變化劇烈程度的綜合表達(dá)［19］，可表示為

式中K為綜合土地利用動態(tài)度。

2.3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評價方法

1997年R.Costanza等的研究成果科學(xué)地明確了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估的原理與方法［20］，但在研究中，某些數(shù)據(jù)與實際還存在較大偏差，引發(fā)了國內(nèi)外學(xué)者廣泛的討論［21-22］。謝高地等［23］根據(jù)中國陸地生態(tài)系統(tǒng)的實際情況，制定出中國不同陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值表。筆者根據(jù)謝高地等［24］的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的區(qū)域修正系數(shù)，結(jié)合黃土高原地區(qū)的實際情況，確定了整個黃土高原的區(qū)域修正系數(shù)為0.60，制定了整個黃土高原土地利用方式的生態(tài)服務(wù)價值當(dāng)量表(表1);同時，運(yùn)用Costanza的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值公式，計算黃土高原地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值。其公式為

式中:V為研究區(qū)年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值，元/a;VCi為第i類土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量，元/(hm2·a);A2i為第i類土地利用類型的面積。

各種土地利用類型貢獻(xiàn)率為

式中:Ri為第i類土地利用類型在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值中的貢獻(xiàn)率;Vi為第i類土地利用類型的年生態(tài)服務(wù)價值，元/a。

表1 黃土高原單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值表Tab．1 Ecosystem services value per unit area of different ecosystem types in the Loess Plateau yuan/(hm2·a)

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用/覆被轉(zhuǎn)移變化過程分析

利用ArcGIS軟件對1985和2005年土地利用圖進(jìn)行疊加計算，得出研究時段內(nèi)土地利用類型之間的面積轉(zhuǎn)移矩陣(表2)。黃土高原地區(qū)1985和2005年土地利用見圖1。

從表2和圖2可以看出:研究時段內(nèi)，森林、聚落和濕地+水體的面積在增加，其他3個土地利用類型的面積不同程度地在減少。這6種土地利用類型各自流失的面積由大到小的順序依次為草地＞農(nóng)地＞荒漠＞森林＞濕地+水體＞聚落，6種土地利用類型各自流入的面積由大到小的順序依次為草地＞農(nóng)地＞森林＞聚落＞荒漠＞濕地+水體。森林和草地的轉(zhuǎn)入面積為9 690.02 km2，轉(zhuǎn)出面積為9 310.33 km2，農(nóng)地的轉(zhuǎn)入面積為 5 637.18 km2，轉(zhuǎn)出面積為7 651.22 km2;因此，林草地面積總體在增加，而農(nóng)地面積總體在減少。

表2 黃土高原土地利用面積轉(zhuǎn)移矩陣Tab．2 Cross tabulation matrix of land use area of Loess Plateau km2

圖1 黃土高原地區(qū)1985和2005年土地利用圖Fig．1 Land use map of Loess Plateau in 1985 and 2005

3.2 土地資源數(shù)量變化

根據(jù)式(1)、(2)和(3)計算得到黃土高原地區(qū)單一土地利用類型動態(tài)度、空間動態(tài)度和綜合動態(tài)度值(表3)。

表3 黃土高原1985—2005土地利用動態(tài)度Tab．3 Dynamic degrees of land use in Loess Plateau between 1985 and 2005 %

依據(jù)表3可知，黃土高原地區(qū)1985—2005年，土地利用類型中草地的單一動態(tài)度值最小，平均每年的轉(zhuǎn)移率為-0.023%。說明在研究時段內(nèi)草地向其他類型的轉(zhuǎn)移量很小，是最穩(wěn)定的土地利用類型。而最活躍的土地利用類型為聚落，平均年變化率為1.279%。

黃土高原地區(qū)1985—2005年的土地利用類型變化中，聚落的空間動態(tài)度值最大，濕地+水體次之，表明在研究時段內(nèi)，其他土地類型向聚落和濕地+水體的轉(zhuǎn)移程度劇烈，幅度很大，空間上呈現(xiàn)擴(kuò)張的發(fā)展趨勢。

3.3 黃土高原土地利用變化引起生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化

如表4所示，1985年黃土高原地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值為3 048億1 187萬元，2005年為3 053億863萬元，20年間增加4億9 676萬元，約0.01%。1985—2005年，草地、農(nóng)地、聚落和荒漠的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值均在減少，其中，農(nóng)地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值減少量最大，而森林和濕地+水體的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值在增加，其中森林的服務(wù)價值增加更多。森林和濕地+水體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的增加值不僅抵消了其他土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的減少值，還使總的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值增加。

在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值組成中，森林的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值最大，2005年為1 029億6 065萬元，其次是草地;但是，比較2005年森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值占總價值的比例和森林面積占總區(qū)域面積的比例可以看出，森林的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值約為總價值的34%，而森林的面積約占總面積的14%。雖然草地面積比例最大，約為43%，但其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值占總價值的比例僅約為33%。造成這種現(xiàn)象的原因在于不同土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)存在差異。雖然草地、農(nóng)地等利用類型的面積在減少;但由于森林、濕地+水體的生態(tài)價值系數(shù)較高，如濕地+水體生態(tài)價值系數(shù)是草地的近8倍(表2)，因此，森林和濕地+水體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的增加值抵消了草地、農(nóng)地等減少的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，使得總價值增加了。

表4 1985—2005年各土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總量及其貢獻(xiàn)率Tab．4 Ecosystem service values and contribution rates of land use types from 1985 to 2005

黃土高原地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能變化情況見表5。可以看出，1985—2005年，黃土高原地區(qū)除了在廢物處理和食物生產(chǎn)方面生態(tài)服務(wù)功能有所減少外，其余生態(tài)服務(wù)功能都有所增加，其中原材料增加最大，其次是水源涵養(yǎng)和氣體調(diào)節(jié)，分別占總變化量的41.66%、39.95%和39.11%。這是由于原材料、水源涵養(yǎng)和氣體調(diào)節(jié)功能的實現(xiàn)主要是由森林、草地和濕地+水體來提供的，雖然草地面積所占比例最大，且在減少;但由于其生態(tài)服務(wù)價值系數(shù)遠(yuǎn)小于森林和濕地+水體，從而抵消了草地減少造成原材料、氣體調(diào)節(jié)和水源涵養(yǎng)服務(wù)功能的下降，并且使這些類型的服務(wù)功能價值總體上呈現(xiàn)增加。土壤形成與保護(hù)、氣候調(diào)節(jié)、娛樂文化和生物多樣性保護(hù)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能均與森林和濕地+水體相關(guān)，因此，森林和濕地+水體面積的增加使與其相關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能值增加，進(jìn)而使生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能增加;然而，由于聚落面積的劇烈增加使廢物處理生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能大量減少，食物生產(chǎn)主要是由農(nóng)地提供的，研究時段內(nèi)，農(nóng)地面積在減少，因此，食物生產(chǎn)功能是減少的。

表5 1985—2005年黃土高原地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能變化情況Tab．5 Changes of ecosystem service function values in Loess Plateau from 1985 to 2005 108yuan

3.4 黃土高原生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)和機(jī)制探討

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值化是確定生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)和依據(jù)［25］?；谝陨蠈ι鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的分析，結(jié)合黃土高原實際情況，確定生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)。

由于國家在黃土高原地區(qū)施行退耕還林(草)等環(huán)境保護(hù)政策，該地區(qū)20年間，森林面積增加1 557.12 km2，引起生態(tài)服務(wù)價值增加18億5 535萬元，農(nóng)地面積減少2 258.64 km2，生態(tài)服務(wù)價值減少7億3 887萬元，總的生態(tài)服務(wù)價值增加了約5億元。

退耕還林(草)使研究區(qū)的生態(tài)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)建設(shè)得到了巨大的效益;因此，在進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)償時需要依據(jù)“誰污染誰治理，誰受益誰補(bǔ)償”的原則，從國家保護(hù)生態(tài)環(huán)境和促進(jìn)生態(tài)健康發(fā)展的角度進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)分析。糧食產(chǎn)量按15 000 kg/hm2計算，價格按每50 kg為102元［26］計算，黃土高原地區(qū)農(nóng)地面積減少2 258.64 km2，導(dǎo)致農(nóng)民損失69億1 144萬元;因此，經(jīng)濟(jì)效益轉(zhuǎn)移引起農(nóng)民直接經(jīng)濟(jì)效益減少，國家在確保糧食安全的前提下，為鼓勵農(nóng)民進(jìn)行退耕還林(草)，應(yīng)對農(nóng)民進(jìn)行一定的補(bǔ)償。按照20年計算，每年應(yīng)補(bǔ)償農(nóng)民3億4 557萬元。同時，為了使森林的生態(tài)效益功能得到保障，國家還需要給農(nóng)民進(jìn)行管護(hù)成本的補(bǔ)償，按照人工費(fèi)為7 500元/hm2，藥品費(fèi)為200元/hm2計算，得出20年增加的林地面積需要管護(hù)費(fèi)16億3 498萬元;因此，國家每年應(yīng)支付農(nóng)民生態(tài)補(bǔ)償費(fèi)8 175萬元。

4 結(jié)論與討論

1)1985—2005年，黃土高原地區(qū)的土地利用類型主要為草地和農(nóng)地，占土地利用方式的75%以上。在國家退耕還林(草)政策的指導(dǎo)下，該地區(qū)農(nóng)地面積總體在減少，森林面積在不斷增加。

2)草地是黃土高原地區(qū)最穩(wěn)定的土地利用類型，而聚落是最活躍的土地利用類型;聚落和濕地+水體這2種土地利用類型在空間上呈現(xiàn)擴(kuò)張的發(fā)展趨勢。

3)研究時段內(nèi)，黃土高原地區(qū)土地利用變化較快，森林和濕地+水體的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值在增加，草地、農(nóng)地、聚落和荒漠的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值均在減少，但生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總量在增加。除了與聚落、農(nóng)地和荒漠相關(guān)的廢物處理和食物生產(chǎn)服務(wù)功能下降外，其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值均表現(xiàn)為增加。

4)以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值為依據(jù)，初步確定黃土高原的生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)。國家對農(nóng)地減少造成的經(jīng)濟(jì)效益轉(zhuǎn)移，每年應(yīng)給農(nóng)民補(bǔ)償3億4 557萬元，同時，應(yīng)支付農(nóng)民對林地的管護(hù)費(fèi)用為8 175萬元/年。

在進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)的制定中，只考慮了土地利用中的主要利用方式，即對農(nóng)地減少和管護(hù)林地進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)的計算，而對于其他土地利用變化帶來的生態(tài)效益影響的補(bǔ)償還有待進(jìn)一步完善。

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