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。
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
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。
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。
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
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。
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。