沙坡頭國家級自然保護區(qū)土地利用格局及生態(tài)服務價值變化評估

高操 邢麗珠 張方敏

摘要：基于遙感數(shù)據(jù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)，結(jié)合土地利用變化情況，評估2000—2017年寧夏回族自治區(qū)沙坡頭國家級自然保護區(qū)生態(tài)服務價值變化情況。結(jié)果表明，2000—2017年研究區(qū)土地利用變化明顯，林地，城鄉(xiāng)、工礦、居民用地，水域面積分別增加9 137.30、7 958.41、795.56 hm2，其他類型土地面積呈減少趨勢，未利用土地變幅最大，達27.16%。研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值呈增加趨勢，水域和林地面積的增加起到了主導作用，林地、草地、水域的服務價值之和占比達85%～89%，其中林地和水域服務價值增幅高達203.69%、119.33%。水源涵養(yǎng)、土壤形成與保護、廢物處理和生物多樣性保護是沙坡頭區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值的主要來源，占生態(tài)系統(tǒng)服務價值的68%以上。

關鍵詞：生態(tài)系統(tǒng)服務價值;遙感;土地利用變化;沙坡頭國家級自然保護區(qū)

中圖分類號： P931.3;TP79? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2020）20-0276-06

生態(tài)系統(tǒng)服務是指生態(tài)系統(tǒng)通過生態(tài)結(jié)構(gòu)、功能和過程為人類維持生存提供的必要的生命支持產(chǎn)品和服務[1-2]。在自然原因和人類活動等共同作用下，生態(tài)服務功能受土地利用類型等因素的影響不斷發(fā)生變化，生態(tài)服務價值也隨之變化[3]。隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，人類活動對生態(tài)系統(tǒng)的影響在范圍和強度上迅速變大[4]，在改變土地利用結(jié)構(gòu)和模式的同時，嚴重影響生態(tài)環(huán)境和自然生態(tài)系統(tǒng)的功能和服務[5]，環(huán)境污染和生態(tài)破壞使得生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)、供應、文化等方面的服務價值持續(xù)下降[6-7]，對社會經(jīng)濟發(fā)展的支撐能力逐步降低[8]，成為可持續(xù)發(fā)展的重要制約因素，因此評估生態(tài)系統(tǒng)服務價值動態(tài)變化對改善生態(tài)質(zhì)量有一定的指導意義。

國內(nèi)外眾多學者采用多種方法評估不同區(qū)域、不同生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)服務價值，結(jié)果能夠直接反映生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀及其變化[9]，這些方法被廣泛應用于土地利用優(yōu)化[10-13]和生態(tài)修復[14-17]等多個方面。Costanza等闡述了生態(tài)系統(tǒng)服務價值和自然資本的概念和核算體系，將生態(tài)系統(tǒng)服務明確劃分為17類服務功能[18]，在此基礎上，Boyd等把生態(tài)系統(tǒng)服務價值歸入經(jīng)濟核算體系[19]，生態(tài)系統(tǒng)服務價值研究逐漸成為學術(shù)界關注的熱點[20]。目前，生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估方法主要可歸納為功能價值評估法和當量因子評估法[21]。當量因子評估法基于可量化標準，考慮生態(tài)系統(tǒng)的分布面積，構(gòu)造生態(tài)系統(tǒng)的不同種類服務功能對應的價值當量[22]，所需數(shù)據(jù)少且易計算，多應用于評估區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務價值[23]。Snyder在能源成本分析中納入生態(tài)系統(tǒng)服務價值，分析熱帶人工濕地的生物能源供應和廢水處理2個生態(tài)系統(tǒng)服務功能[24]。Xie等基于Costanza理論，結(jié)合中國的實際情況，通過能量替代法[25]和問卷調(diào)查法[26]提高生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估模型在中國區(qū)域的精確度，并估算了中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務價值[21]。我國眾多學者在此基礎上展開了一系列研究，熊善高等采用價值系數(shù)法結(jié)合土地利用變化，估算湖北省宜昌市生態(tài)系統(tǒng)服務價值[27]。魏慧等基于土地利用動態(tài)度指標和修正后的單位面積上生態(tài)服務價值當量表，分析山東省德州市生態(tài)系統(tǒng)服務價值時空變化趨勢[28]。Yan等基于多源數(shù)據(jù)調(diào)查20世紀50年代中期以來三江平原自然生態(tài)系統(tǒng)的濕地損失并定量估算生態(tài)系統(tǒng)服務價值對濕地損失的響應變化[29]。

本試驗以寧夏沙坡頭國家級自然保護區(qū)為研究對象，以2000、2007、2017年土地利用情況為數(shù)據(jù)源，采用當量因子評估法，研究沙坡頭區(qū)土地利用變化格局及生態(tài)系統(tǒng)服務價值的時空變化規(guī)律，以期為未來自然保護區(qū)生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展提供指導意見。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

沙坡頭國家級自然保護區(qū)地處寧夏回族自治區(qū)西部騰格里沙漠的東南緣，研究區(qū)域為包含沙坡頭國家級自然保護區(qū)的長方形區(qū)域（后稱沙坡頭區(qū)），其中紅線包含區(qū)域為沙坡頭保護區(qū)（圖1）。研究區(qū)地形由南向北、由西向東分為沙漠、沖積平原、臺地、山地和盆地五大地貌單元，平均海拔在 2 000 m 左右。沙坡頭區(qū)屬溫帶大陸性氣候，是典型的溫帶干旱氣候區(qū)，具有干旱少雨、冷熱溫差大、蒸發(fā)強烈、氣象災害多等特點。研究區(qū)年降水量179.6 mm，年蒸發(fā)量達1 829.6 mm，約是降水量的102倍，年平均氣溫8.8 ℃。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究基于2000、2007、2017年陸地衛(wèi)星（Landsat）TM/ETM+的遙感影像數(shù)據(jù)（http：//glovis.usgs.gov），結(jié)合已有研究區(qū)的土地利用現(xiàn)狀特點，按照全國土地資源分類系統(tǒng)，采用監(jiān)督分類法將研究區(qū)分為耕地，草地，林地，水域，城鄉(xiāng)、工礦、居民用地和未利用土地6類土地利用類型。本研究用于計算生態(tài)系統(tǒng)服務價值的數(shù)據(jù)為中分辨率成像光譜儀MODIS（moderate-resolution imaging spectroradiometer）2000—2017年的植被凈初級生產(chǎn)力（NPP）和歸一化植被指數(shù)（NDVI）數(shù)據(jù)（https：//modis.gsfc.nasa.gov），DEM高程數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心（http：//www.resdc.cn），其他數(shù)據(jù)來源于統(tǒng)計年鑒、生態(tài)資產(chǎn)價值相關文獻等。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用變化 土地利用/覆蓋變化（LUCC）是人類活動對地球生態(tài)系統(tǒng)影響的最直接反映形式[3，30]，土地利用變化數(shù)量指數(shù)同時涵蓋了土地利用的變化幅度和變化率，可用以衡量區(qū)域土地利用變化，計算公式如下：

式中：P為研究時段土地利用變化幅度;K為研究時段土地利用變化率;Sa、Sb分別為某一類型土地在研究時段初期及末期的面積;T為研究時段長度。

1.3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估 謝高地等在Costanza等研究[1]的基礎上，結(jié)合中國實際，依據(jù)問卷調(diào)查結(jié)果將生態(tài)系統(tǒng)服務功能分為9項，提出以單位面積價值當量因子為基礎，來估算不同生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)服務價值量[26，31-32]。將全國1 hm2耕地上的平均產(chǎn)量作為食物生產(chǎn)生態(tài)功能的衡量指標并將其權(quán)重定義為1，在此前的土地利用分類基礎上，通過層次分析法對評價指標分類進行統(tǒng)計分析，計算得到其他土地類型的某一生態(tài)系統(tǒng)服務功能與耕地生態(tài)系統(tǒng)食物生產(chǎn)生態(tài)功能的權(quán)重比[33-34]。

單位面積農(nóng)田系統(tǒng)提供的生產(chǎn)服務經(jīng)濟價值的計算公式如下[17]：

式中：ESV表示生態(tài)系統(tǒng)服務價值，元/年;ESVf表示研究區(qū)第f類生態(tài)服務功能價值，元/年;ESVk表示第k類生態(tài)系統(tǒng)服務價值，元/年;Ak為第k類土地利用類型面積，hm2;VCkf表示第f類生態(tài)系統(tǒng)的第k類服務功能的價值，元/（hm2·年）[35]。

城鄉(xiāng)、工礦、居民用地作為人工生態(tài)系統(tǒng)，人類活動強度大，在一定程度上表現(xiàn)為消耗生態(tài)服務功能價值，因此，本研究不考慮其生態(tài)服務功能價值。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用動態(tài)變化分析

2000、2007、2017年草地和未利用土地為沙坡頭區(qū)的主要土地利用類型，草地占研究區(qū)比例分別為2986%、28.30%、28.93%，主要分布于研究區(qū)的西北部和南部，是沙坡頭區(qū)最重要的生態(tài)系統(tǒng)類型;林地主要分布于自然保護區(qū)東北部的水域附近，其面積占比呈迅速增加趨勢;城鄉(xiāng)、工礦、居民用地與耕地間錯分布于東部地區(qū)，后期在中部地區(qū)城鄉(xiāng)、工礦、居民用地明顯增加（圖1和圖2）。在2000—2017年沙坡頭區(qū)土地利用發(fā)生了明顯的變化，其中2000—2007年耕地、未利用土地明顯減小，而林地面積明顯增大;2007—2017年未利用土地面積急劇減小，耕地面積減小趨勢放緩，而林地和城鄉(xiāng)、工礦、居民用地面積迅速增大，同時水域面積也逐漸增大?？傮w上來看，2000—2017年林地，水域，城鄉(xiāng)、工礦、居民用地面積明顯增大，其中林地面積增加了9 137.30 hm2，增幅最大，為41407%，年變化率達到10.11%;其次為城鄉(xiāng)、工礦、居民用地，在17年間其面積增加了 7 958.41 hm2，增幅為22653%，年變化率達到721%;水域面積增加了795.56 hm2，增幅為3345%;耕地、草地、未利用土地面積呈減小趨勢，其中耕地在17年間減少了 1 324.72 hm2，減少幅度為12.92%，未利用土地面積減少了15 220.10 hm2，減少幅度為27.16%，但其面積所占研究區(qū)總面積的比例依然最大;草地面積減幅為3.12%，在該生態(tài)系統(tǒng)中其面積排第2位（表1）。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化

2.2.1 各項生態(tài)服務功能的價值變化 結(jié)合土地利用數(shù)據(jù)（圖2、表1）可知，2000—2017年沙坡頭區(qū)各項生態(tài)服務功能價值均呈上升趨勢（圖3、表2），其中氣體調(diào)節(jié)、廢物處理、氣候調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)、土壤形成與保護、生物多樣性保護的生態(tài)服務功能價值之和占總價值的88.1%～89.1%，是總價值的主要來源;而食物生產(chǎn)、原材料生產(chǎn)、娛樂文化的生態(tài)服務功能價值之和僅占總價值的10.9%～11.9%。對各單項生態(tài)服務功能所產(chǎn)生的價值占總價值的比例在17年間的變化進行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)、原材料生產(chǎn)、娛樂文化的生態(tài)服務功能價值占生態(tài)系統(tǒng)服務功能總價值的比例有所上升，主要是由于林地、草地以及水域的氣候調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)、原材料生產(chǎn)、娛樂文化的生態(tài)服務價值當量因子大，研究期間雖草地面積略減小，但林地、水域面積增幅大，使得相應的生態(tài)服務功能價值呈增加趨勢;而土壤形成與保護、廢物處理、生物多樣性保護、食物生產(chǎn)的生態(tài)服務功能價值占生態(tài)系統(tǒng)服務功能總價值的比例呈下降趨勢，這主要是由耕地和未利用土地急劇減少且相應的生態(tài)價值當量因子較低所造成的。

2.2.2 各類生態(tài)系統(tǒng)的價值變化評估 沙坡頭區(qū)2000—2017年各類生態(tài)系統(tǒng)的價值總體呈上升趨勢（圖4、表3），林地、草地和水域的生態(tài)服務價值是總價值的主要組成部分。其中，林地生態(tài)服務價值增長幅度最大，所占總價值的比例從2000年的第2位上升到2017年的第1位，增加了2.58億元，增幅為203.69%，年變化率達到6.75%;增幅排在第2位的為水域，由2000年的1.03億元增加到2017年的2.26億元，增幅為119.33%，年變化率達到473%;未利用土地所產(chǎn)生的生態(tài)服務價值最低，2000—2017年期間略有增加，由0.17億元增加到0.27億元。

總體來說，沙坡頭區(qū)2000—2017年生態(tài)服務價值變化呈上升趨勢，在2000年研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值為4.68億元，2017年研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值為10.76億元，17年凈增加6.08億元，增幅12987%，年變化率為5.02%。

3 結(jié)論與討論

2000—2017年研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯動態(tài)變化，林地和城鄉(xiāng)、工礦、居民用地面積呈現(xiàn)出逐年明顯遞增趨勢;水域面積變化較小，呈波動增大趨勢;未利用土地面積迅速減小，耕地面積也呈逐年減小的趨勢;草地面積變化波動復雜。沙坡頭區(qū)在經(jīng)濟快速發(fā)展下城鎮(zhèn)化建設速度加快，導致城鄉(xiāng)、工礦、居民用地面積不斷增大，旅游產(chǎn)業(yè)等的大力發(fā)展和提倡生態(tài)保護的政策支持，促使林地面積不斷增大;在水利工程及林地生態(tài)系統(tǒng)防沙固沙的作用下，水域面積也有所增大。土地利用結(jié)構(gòu)的明顯變化受自然因素和人為因素的共同影響，尤其是在相關政策的支持下各項生態(tài)保護措施的實施對土地利用結(jié)構(gòu)的改變起舉足輕重的作用。

2000—2017年研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值呈增加趨勢，土地利用結(jié)構(gòu)變化包括其轉(zhuǎn)變過程對沙坡頭區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化具有決定性作用。2000—2007年沙坡頭區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值增加緩慢，而2007—2017年增加迅速，主要是由2007—2017年該區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)顯著變化、林地面積快速增加導致的。從各土地利用類型對生態(tài)系統(tǒng)服務總價值的貢獻率來看，林地、草地和水域是生態(tài)系統(tǒng)服務價值構(gòu)成的主體部分，三者生態(tài)系統(tǒng)服務價值之和占比高于85%，不僅補償了由于耕地面積減小而帶來的生態(tài)系統(tǒng)服務價值損失，還能夠促使沙坡頭區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務總價值不斷上升，從而推動沙坡頭國家級自然保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值結(jié)構(gòu)和發(fā)展方向呈良性循環(huán)。從各項生態(tài)功能服務價值來看，土壤形成與保護、廢物處理、水源涵養(yǎng)和生物多樣性保護是沙坡頭區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值的主要來源，四者之和占生態(tài)系統(tǒng)服務總價值的68%以上，沙坡頭區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的服務性功能高于生產(chǎn)性功能。2000—2017年各項生態(tài)功能服務價值均處于持續(xù)增加的態(tài)勢，其中原材料生產(chǎn)、娛樂文化、氣體調(diào)節(jié)和氣候調(diào)節(jié)是各項生態(tài)功能服務價值增長速度最迅猛的、貢獻最多的，表明隨著政策和經(jīng)濟發(fā)展的需要，森林生態(tài)系統(tǒng)帶來的供應功能和調(diào)節(jié)功能在整個區(qū)域生態(tài)服務價值增加中起重要的促進作用。沙坡頭區(qū)應考慮以森林生態(tài)系統(tǒng)為核心，構(gòu)造生態(tài)系統(tǒng)服務格局，同時應明確城市規(guī)劃格局，注意在發(fā)展旅游業(yè)文化性能力與構(gòu)建紙漿原料林等經(jīng)濟發(fā)展項目時，維護生態(tài)系統(tǒng)供應性能力和生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能力間的平衡，須要處理好發(fā)展與生態(tài)環(huán)境建設之間的矛盾。

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