基于土地利用變化的興縣生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估

郝 亮

(長安大學地球科學與資源學院，陜西 西安 710064)

生態(tài)系統(tǒng)服務(Ecosystem services)是指人類通過生態(tài)系統(tǒng)的結構、過程和功能直接或間接得到的生命支持產品和服務[1]，其價值評估是生態(tài)環(huán)境保護的重要依據(jù)和基礎[2]，人類在土地上的開發(fā)帶來了地表覆被的改變，驅動著生態(tài)系統(tǒng)服務的價值變化[3]。1997年，Costanza等[1]對全球生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行了評估，對生態(tài)系統(tǒng)服務的研究產生了深遠影響[4]。國內學者謝高地[5]、歐陽志云[6,7]等在生態(tài)系統(tǒng)服務領域開展了大量研究[8]，計算出了中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務價值當量表[9]。對于山西省而言，主要研究集中在森林、草地等生態(tài)系統(tǒng)的服務價值評估，如對汾河上游[10]、山西省森林[11]、五臺山地區(qū)[12]等生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估。由此可見，當前對山西縣域、市域等尺度的微觀層面研究不夠深入。

本文基于縣域尺度，選擇位于山西省西北部的興縣作為研究區(qū)域[13]，基于遙感影像解譯獲取土地利用數(shù)據(jù)，在分析土地利用面積及變化的基礎上，采用中國生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量因子表對興縣2005—2015年生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行評估，以對比得出10a間興縣生態(tài)系統(tǒng)服務價值的變化，為決策者更有效、更科學地生態(tài)管理和政策制定提供參考。

1 研究區(qū)概況

興縣(N38°5′40″～38°43′50″，E110°33′00″～111°28′55″)位于呂梁市北部，屬晉西北地區(qū)，全縣總面積為3168km2(圖1)。地勢整體西低東高，屬晉西北丘陵地區(qū)，西部黃河流經(jīng)。屬大陸性季風氣候，降水量相對偏少?？h域內已發(fā)現(xiàn)煤炭、含鉀巖石、鋁土礦等23種礦產資源，工業(yè)結構以第二產業(yè)的工業(yè)初級產品與能源加工工業(yè)為主，2019年完成地區(qū)生產總值113.17億元[13,14]。

圖1 興縣位置圖

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本文以中國資源衛(wèi)星應用中心陸地觀測衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務平臺(http://www.radi.cas.cn/)的Landsat衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)為基礎，選用2005年與2015年相近月份的30m分辨率影像，利用ENVI軟件進行地形校正、輻射定標、圖像融合、大氣校正等，以行政區(qū)劃為范圍，分別進行分幅矢量化得到土地利用數(shù)據(jù)。然后采用分層與分類隨機抽取方法進行精度驗證，經(jīng)檢驗該影像數(shù)據(jù)解譯精度達到80%以上，滿足本研究需要。最后根據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T 21010—2005)，在ArcGIS 10.2中進行合并土地利用類型并進行分類統(tǒng)計后，得到土地利用類型并將其分為了耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用土地6類，為了方便計算研究，本文將空間數(shù)據(jù)投影統(tǒng)一到UTM投影系下，空間分辨率統(tǒng)一為100m。

2.2 研究方法

本文以Costanza[1]對全球生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估的成果為參考，在謝高地等[5]建立的中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積服務價值表的基礎上，得出興縣的生態(tài)系統(tǒng)服務單位面積價值，將生態(tài)系統(tǒng)服務價值表述為ESV，構成了估算公式：

ESV=∑Pk×Ak

(1)

式中，ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務價值，元；Pk為第k類土地利用類型單位面積的生態(tài)功能總服務價值，元·hm-2；Ak為研究區(qū)內第k類土地利用類型的面積，hm2。

本文基于謝高地等[5]的研究結果，對農田生態(tài)系統(tǒng)當量因子的經(jīng)濟價值進行了調整。計算公式為：

(2)

式中，Et為單位面積糧食產量的經(jīng)濟價值，元·hm-2；Tt為研究區(qū)每年的糧食總價值，元；Xt為研究區(qū)每年糧食播種面積，hm2。

結合山西省統(tǒng)計年鑒[15]中的興縣糧食作物播種面積，得出興縣單位生態(tài)服務價值當量因子的經(jīng)濟價值量為2653.97元·hm-2，完成了興縣生態(tài)系統(tǒng)服務的當量修正。

由于建設用地屬于城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)，受到人為活動與社會經(jīng)濟影響強烈，因此有必要正確核算出城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)的價值損失值[16]。本文在參考宗躍光等[17]相關研究成果的基礎上，從食物生產、氣體調節(jié)、涵養(yǎng)水源和廢物處理4個功能上對城鎮(zhèn)用地生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量因子進行測算，由于人為的干擾使得城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)在生態(tài)系統(tǒng)服務中具有負效益，因此其當量因子全部為負值。此外，本文還結合湯峰等[18]的研究計算了氣體調節(jié)、氣候調節(jié)、水源涵養(yǎng)等9項生態(tài)系統(tǒng)服務類型的價值。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化分析

從土地利用的空間分布來看，興縣東部為呂梁山地，多林地，且呈現(xiàn)出片狀分布；南部林地與草地相間分布，且有耕地零星分布；耕地主要分布于河流兩岸的河谷地帶，因此耕地呈現(xiàn)出連續(xù)帶狀分布的特征；北部與中部沿河零星分布有建設用地，面積較為狹窄(圖2)。

圖2 興縣2005年(左)與2015年(右)土地利用對比

2015年興縣土地總面積為316800hm2，興縣土地利用類型以耕地和林地為主，草地次之；水域、建設用地、未利用土地占比較少。耕地占比最大，占全縣總土地面積的40.41%；居于次位的是林地，占全縣總土地面積的35%；相比而言，建設用地在全縣土地面積中占比極少，僅為0.2%。由此可見，該縣土地利用類型以農用地為主，注重農業(yè)發(fā)展，城市化水平極低，除縣城中心區(qū)外，其它建設用地均分布零星，并未形成實質性的城鎮(zhèn)。

在2005—2015年間，縣域內耕地與建設用地面積略有增加，而水域面積減少最多，減少幅度達到14.69%；未利用地、林地與草地面積變化較小，呈小范圍波動態(tài)勢。

表1 興縣2005—2015年土地利用變化

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值動態(tài)變化分析

基于土地利用的變化，采用單位生態(tài)系統(tǒng)服務價值表對興縣生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行計算，得到2005年與2015年興縣生態(tài)系統(tǒng)服務價值(表2)。興縣的生態(tài)系統(tǒng)服務價值呈不斷減少的態(tài)勢，共減少0.18×108元，變化率為0.7%。其中，林地和耕地對ESV的貢獻均遞增，分別增加了0.013×108元和0.005×108元；草地、水域、建設用地的ESV則呈遞減的趨勢，而建設用地的面積增加對生態(tài)系統(tǒng)產生負影響；未利用地的ESV呈基本穩(wěn)定態(tài)勢，其對總體的ESV變化影響微乎其微。從變化率來看，水域變化率最大，達到-14.69%；其次是建設用地，為14.66%；然后是耕地、草地和林地，分別為0.25%、-0.08%和0.07%。在所有地類中，林地對ESV貢獻最大，比重達到了71.3%，森林和草地2種服務價值量所占比重高達89%以上，由此可見森林和草地對當?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)起著重要的作用；面積占比高達40%的農田，在生態(tài)系統(tǒng)服務價值量中僅僅占比7.25%；未利用地貢獻較小，僅為0.01%，建設用地貢獻為負，為-0.52%。

表2 興縣2005—2015年生態(tài)系統(tǒng)服務價值量變化

結合生態(tài)系統(tǒng)功能占比與興縣土地利用實際情況，計算得到興縣2005年與2015年各項生態(tài)系統(tǒng)服務價值(表3)。在2005—2015年間，所有的9項單項生態(tài)系統(tǒng)服務類型的ESV均發(fā)生變化，除食物生產的價值增加0.013×108元以外，其余8項生態(tài)系統(tǒng)服務類型的ESV均不斷減少。其中，廢物處理功能出現(xiàn)大幅下降，是由于水域面積降低帶來的影響，使得水域生態(tài)系統(tǒng)對人類排放廢物的處理能力降低，也是由于城市化的進程加快，帶來更多的廢物與垃圾，生態(tài)系統(tǒng)需要處理的人類生活所產生的廢物量增加，從而削弱了其處理能力，降低了其更新速度；水源涵養(yǎng)功能下降較為明顯，降低值達0.048×108元以上，主要原因是水域面積的降低，使得處于黃土高原地區(qū)脆弱的興縣生態(tài)系統(tǒng)更為脆弱，加之干旱的影響，導致當?shù)厮春B(yǎng)功能降低明顯；生物多樣性保護功能的降低主要原因是草地和水域生態(tài)系統(tǒng)的萎縮，導致生物量降低，生態(tài)系統(tǒng)主要的生產者生存環(huán)境惡化，導致整個生態(tài)系統(tǒng)的多樣性遭到破壞。此外，提供娛樂文化服務功能在生態(tài)系統(tǒng)服務總價值中的比例并不高，僅為8.02%，而且還出現(xiàn)了下降，因此發(fā)展旅游過程中應加強保護生態(tài)環(huán)境，重點發(fā)掘當?shù)氐娜宋穆糜钨Y源，積極鞏固脫貧成果，培育鄉(xiāng)鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境的旅游潛力。

4 結論

本文在Landsat遙感影像基礎上，對興縣2005—2015年土地利用面積及變化情況進行了分析，并采用當量因子表對興縣生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行了分析，得到如下結論。

研究區(qū)內的土地利用結構在2005—2015年間未發(fā)生較大變化，土地利用類型以耕地和林地為主，草地次之；水域、建設用地、未利用土地占比較少。10a間耕地、林地和建設用地面積有所增加，草地和水域面積減少。這種變化規(guī)律是城市化發(fā)展與水域生態(tài)遭到破壞等綜合因素帶來的。

研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務價值在2005—2015年呈不斷減少的態(tài)勢，從2005年的26.54×108元減少到2015年的26.35×108元，共減少0.186×108元，變化率為0.7%。其中，耕地和林地對ESV的貢獻呈現(xiàn)遞增趨勢，草地、水域、建設用地的ESV則呈遞減的趨勢。在所有地類中，林地對ESV貢獻最大，比重達到了71.3%，其次是草地、耕地和水域，未利用地和建設用地貢獻最小。

從單項生態(tài)系統(tǒng)服務價值來看，除食物生產的價值增加外，其余均呈現(xiàn)不斷減少態(tài)勢。研究區(qū)主要的生態(tài)系統(tǒng)服務價值集中在廢物處理、水源涵養(yǎng)和生物多樣性的保護等功能，比重分別占到34.35%、25.71%和13.19%。

綜上，在2005—2015年間,研究區(qū)內的ESV減少，生態(tài)系統(tǒng)功能有所減弱，應重點警惕的是水域面積的不斷減少。水域面積的減少使得處于黃土高原地區(qū)脆弱的興縣生態(tài)系統(tǒng)更為脆弱，加之氣候干旱的影響，導致當?shù)厮春B(yǎng)功能降低明顯。雖然短期內未出現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)明顯破壞的證據(jù)，但是可能會進一步威脅到生態(tài)系統(tǒng)安全。而生態(tài)系統(tǒng)服務價值的損失往往是不可逆的，經(jīng)濟手段、法律手段或工程手段在短時間內無法彌補生態(tài)資產的損失，因此在生態(tài)恢復與城市建設時，應做好土地利用、水土保持和環(huán)境保護的規(guī)劃，堅持合理與適度開發(fā)，堅持耕地保護紅線不動搖，避免破壞當?shù)卮嗳醯纳鷳B(tài)系統(tǒng)，維持經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護的動態(tài)平衡，以求經(jīng)濟效益與生態(tài)效益的最大化。

本文對于興縣生態(tài)系統(tǒng)服務價值的研究結果與其他學者對于全國其它地區(qū)的研究基本一致，能夠較為準確地反映興縣生態(tài)系統(tǒng)服務價值在2005—2015年間的變化趨勢。但是，由于研究時間跨度較小，研究區(qū)內土地利用結構與面積變化不夠明顯，10a間興縣的生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化不夠顯著。在今后的研究中，應該注重長時間尺度以及空間動態(tài)的變化分析，建立適當?shù)奈锢怼?shù)學模型，應從實地調研入手，著重分析研究區(qū)具體地形單元與微觀尺度下的生態(tài)系統(tǒng)服務變化。