屈雯, 陳英, 謝保鵬, 裴婷婷, 任璽錦, 賀瑩

榆中縣土地利用轉(zhuǎn)型與生態(tài)系統(tǒng)服務價值的時空演變研究

屈雯, 陳英, 謝保鵬*, 裴婷婷, 任璽錦, 賀瑩

甘肅農(nóng)業(yè)大學管理學院, 蘭州 730070

生態(tài)系統(tǒng)服務價值(ESV)是區(qū)域生態(tài)安全的重要表征, 識別土地利用轉(zhuǎn)型引起的生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化, 對區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護具有重大意義?；?008年和2018年榆中縣土地利用數(shù)據(jù), 借助ArcGIS 軟件, 運用價值當量因子法、生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化指數(shù)、空間統(tǒng)計分析等方法, 分析了榆中縣土地利用轉(zhuǎn)型對生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化的影響。結(jié)果表明: (1)2008—2018年, 榆中縣耕地、草地面積減少, 建設用地面積增加, 耕地—建設用地、草地—耕地、草地—建設用地是榆中縣土地轉(zhuǎn)型的主要模式。(2)研究期間, 榆中縣生態(tài)系統(tǒng)服務價值總體呈下降趨勢, 其中草地ESV占比最大, 占比達54%, 單項ESV以水文調(diào)節(jié)和氣候調(diào)節(jié)為主, 二者累計占比接近ESV總量的50%。(3)榆中縣ESV空間分布具有明顯的空間正相關(guān)性, ESV的熱點區(qū)位于榆中縣南部, 冷點區(qū)位于榆中縣中部, ESV空間分布呈現(xiàn)南部高, 中部低, 北部較高的特征, 且ESV低值區(qū)在榆中縣中部進一步擴散。研究結(jié)果可以為區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護和土地管理提供科學參考。

土地轉(zhuǎn)型; 生態(tài)系統(tǒng)服務價值; 空間自相關(guān); 熱點分析; 榆中縣

0 前言

土地利用轉(zhuǎn)型是指區(qū)域土地利用形態(tài)在時序上發(fā)生轉(zhuǎn)變的過程, 其通常會受社會經(jīng)濟的驅(qū)動而發(fā)生改變[1]。作為全球變化研究的重要內(nèi)容, 土地利用轉(zhuǎn)型不僅影響景觀格局中土壤、水體、大氣、生物等環(huán)境要素的生態(tài)過程使地表自然景觀發(fā)生改變[2-3], 同時也造成水土流失、土壤污染、生態(tài)退化等一系列問題[4], 進而導致生態(tài)系統(tǒng)服務功能發(fā)生顯著的變化。生態(tài)系統(tǒng)服務是指直接或間接獲得的人類生活必需品以及人類生活質(zhì)量保證的生命支持產(chǎn)品及服務[5]。對生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行定量評估是衡量生態(tài)系統(tǒng)服務功能好壞的關(guān)鍵[6-7], 是研究人類活動對生態(tài)系統(tǒng)影響程度的重要手段[4]。近年來, 隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市化進程的不斷推進, 土地利用轉(zhuǎn)型過程發(fā)生了顯著的變化, 使得土地利用結(jié)構(gòu)和功能快速轉(zhuǎn)變[8-10], 進而影響各類生態(tài)系統(tǒng)的類型、面積以及空間分布[11], 是生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化的重要驅(qū)動力。因此, 加強區(qū)域土地利用轉(zhuǎn)型和生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化的研究, 對促進區(qū)域的協(xié)調(diào)發(fā)展有重大的意義。

Cosatanza[5]等學者, 最早建立了定量評估生態(tài)系統(tǒng)服務價值的方法。我國學者歐陽志云[12]等最先引進生態(tài)系統(tǒng)服務的概念。謝高地[13]等基于對Cosatanza評價模型的改進制定了中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積服務價值表, 并在2015年對該表進行了進一步的修正[14]。劉永強[15]等基于土地利用轉(zhuǎn)型對湖南省的生態(tài)系統(tǒng)服務價值效應進行了分析, 并提出了土地利用優(yōu)化的配置建議。王權(quán)[8]等分析了土地利用轉(zhuǎn)型對喀斯特槽谷區(qū)ESV的影響。戴文遠[16]等從“三生空間”的角度出發(fā), 分析了土地利用轉(zhuǎn)型對福州新區(qū)ESV的影響。從已有的研究來看, 大多數(shù)研究分析了土地利用變化引起的生態(tài)系統(tǒng)服務價值轉(zhuǎn)變[17-21], 以土地利用轉(zhuǎn)型為視角分析生態(tài)系統(tǒng)服務價值的研究較少, 研究尺度主要為省、市、城市群、流域, 對微觀尺度網(wǎng)格單元的關(guān)注較少, 且研究側(cè)重于分析ESV數(shù)量上的變化, 對ESV空間格局上的研究較少。因此, 本研究嘗試以網(wǎng)格單元為研究視角, 從數(shù)量和空間兩方面對ESV進行分析。

榆中縣屬典型的西北干旱區(qū), 位于三大自然帶的過渡區(qū)域[22], 其土地利用具有明顯的地域性特征, 縣域內(nèi)具有興隆山國家級自然保護區(qū), 是蘭州市乃至黃河上游區(qū)域重要的生態(tài)屏障區(qū)。上位規(guī)劃將榆中縣作為蘭州市發(fā)展的承接區(qū), 縣域人為活動不斷強化, 如何協(xié)調(diào)土地利用與生態(tài)保護并推進建設發(fā)展是該區(qū)面臨的重大問題。以榆中縣為研究區(qū), 探討快速城鎮(zhèn)化背景下的土地利用轉(zhuǎn)型與生態(tài)系統(tǒng)服務價值的變化, 以期為榆中縣的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明建設提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

榆中縣(103°49′15″—104°34′40″E, 35°34′20″—36°26′30″N)位于甘肅省中部地區(qū), 隸屬蘭州市管轄, 地處黃土高原西部, 同時也是西北干旱區(qū)、青藏高寒區(qū)和東部季風區(qū)的交匯地帶[22], 地勢南高北低, 中部平坦, 呈馬鞍形分布, 南北長97 km, 東西寬66 km, 現(xiàn)轄11鎮(zhèn)9鄉(xiāng)。榆中縣地形復雜, 土地利用方式多種多樣, 中部為川塬河谷平原區(qū), 地勢平坦, 土壤肥沃, 人民出行方便, 是榆中縣主要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū), 北部系干旱山區(qū), 氣候干旱, 降水稀少, 植被稀疏, 是榆中縣水土流失山最為嚴重的區(qū)域, 南部為二陰黑土層和高寒陰濕區(qū), 馬銜山和興隆山從西北向東南橫列整個縣域的南部, 森林資源豐富, 是榆中縣主要的生態(tài)保障區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究包括的基本數(shù)據(jù)有: (1)榆中縣糧食平均單產(chǎn)數(shù)據(jù)來源于2008—2018年《蘭州市統(tǒng)計年鑒》和2008—2018年榆中縣國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報; (2)中國1個生態(tài)系統(tǒng)價值當量的經(jīng)濟價值數(shù)據(jù)來源于前人研究; (3)榆中縣2008年和2018年土地利用數(shù)據(jù)來源于榆中縣土地利用變更數(shù)據(jù)庫。參照全國土地利用覆蓋分類體系和謝高地學者的研究, 并結(jié)合研究區(qū)的土地利用特征, 利用ArcGIS 10.2軟件平臺對變更數(shù)據(jù)中的用地類型進行進一步劃分, 為耕地、林地、草地、水域、濕地、建設用地和未利用地7大類。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用結(jié)構(gòu)變化分析方法

土地利用結(jié)構(gòu)變化選用土地利用動態(tài)度和土地利用變化重要性指數(shù)進行分析。其中土地利用動態(tài)度可以直觀的反映某一種土地利用類型面積的增加或減少[23], 計算方法如下:

式中:為研究期內(nèi)第類土地利用類型的動態(tài)度,為某一種土地利用類型的變化年份,為研究初期第種土地利用類型的面積,為研究末期第種土地利用類型的面積。

土地利用變化重要性指數(shù)用來反映研究區(qū)主要的土地利用變化類型[24], 計算方法如下:

式中:為第種土地利用類型的土地利用變化重要性指數(shù),為第類土地利用類型變化了的面積,為研究區(qū)各土地利用類型變化了的面積之和。

1.3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值測算方法

根據(jù)謝高地學者2015年修正的價值當量表, 結(jié)合研究區(qū)實際情況, 選取榆中縣2000—2018年主要糧食作物的單位面積產(chǎn)量與同期全國單位面積糧食產(chǎn)量的比值作為修正系數(shù), 確定榆中縣的生態(tài)系統(tǒng)服務當量價值的修正系數(shù)為0.66, 得到榆中縣1個標準當量因子的生態(tài)系統(tǒng)服務價值量為2260.63(元·hm-2)?？紤]到榆中縣水澆地面積較大, 結(jié)合趙鴻雁[25]對甘肅省水澆地生態(tài)系統(tǒng)服務價值的研究, 對榆中縣耕地的生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行修正, 其他土地利用類型對應的生態(tài)系統(tǒng)服務價值的確定參照謝高地2015年修訂的當量因子表。在確定單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量的基礎上, 結(jié)合各土地利用類型的面積得到榆中縣生態(tài)系統(tǒng)服務價值, 計算公式為:

式中:為研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務總價值,為第類生態(tài)系統(tǒng)的面積,VC為第類生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù),為研究區(qū)第項生態(tài)系統(tǒng)服務功能的價值,為第類第項生態(tài)服務價值功能系數(shù)。

生態(tài)系統(tǒng)服務變化指數(shù)(ESCI), 可以用來表征每項生態(tài)系統(tǒng)服務的相對增益或損失[26]。計算方法如下:

值為0時, 說明生態(tài)系統(tǒng)服務價值沒有變化[27], 即指生態(tài)系統(tǒng)服務價值既沒有增益也沒有減損; 當?shù)闹敌∮?時, 說明生態(tài)系統(tǒng)服務價值有減損; 當ESCI的值大于0時, 說明生態(tài)系統(tǒng)服務價值有增益。

式中:為第項生態(tài)系統(tǒng)服務價值的變化指數(shù),CURx為最終狀態(tài)下的生態(tài)服務價值,HISx最初狀態(tài)下的生態(tài)服務價值。

表1 榆中縣單位面積生態(tài)服務價值當量

1.3.3 空間統(tǒng)計分析

空間自相關(guān)分析(Moran's)一般用來表示某一地理事物或現(xiàn)象在某一區(qū)域的不同位置上的空間相關(guān)程度[28], 可以衡量ESV的分布是否具有集聚性, 冷熱點分析Hot Spot Analysis(Getis-Ord Gi*)用以衡量ESV空間變化的聚集與分異特征, 探究ESV的空間變化是否具有高值集聚(熱點)和低值集聚(冷點)的現(xiàn)象[29], 通過熱點分析, 可以確定ESV高值區(qū)或低值區(qū)在空間上發(fā)生聚類的位置[30], 計算公式為:

式中:為研究區(qū)的空間網(wǎng)格單元數(shù)量,和分別為空間單元和空間單元的觀測值, (x-`)為第個空間單元上的觀測值與平均值的偏差,為空間單元和的權(quán)重矩陣。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用轉(zhuǎn)型分析

2.1.1 土地利用轉(zhuǎn)型時空特征

榆中縣土地利用以草地和耕地為主(圖1), 耕地分布在縣域中部平原區(qū)和北部山區(qū), 草地分布在縣域中部。研究期內(nèi), 榆中縣土地利用類型變化比較顯著(表2, 圖2)。從土地利用變化數(shù)量上看, 草地、耕地、林地、濕地、未利用地面積有所減少, 其中, 耕地面積減少最多, 減少1798.00 hm2, 占比從38.69%減少到38.14%, 其次是草地, 面積減少621.93 hm2, 占比從41.04%減少到40.85%, 林地、濕地、未利用地面積有小幅度減少, 分別減少88.46 hm2、60.48 hm2、4.62 hm2; 建設用地面積增加2566.90 hm2, 占比從4.43%增加到5.21%。從土地利用動態(tài)度來看, 耕地和濕地動態(tài)度分別為-0.141, -0.265, 說明耕地和濕地減少速度最快, 水域和建設用地的動態(tài)度分別為0.121、1.756, 說明建設用地和水域面積有所增加, 其中建設用地的動態(tài)度最大, 增速最快?？傮w來看, 榆中縣耕地、草地面積減少最多, 建設用地面積增加最多。從空間變化上看, 建設用地變化最為明顯, 主要是由于蘭州市城市“東擴”, 縣域人口持續(xù)增加, 建設用地需求不斷上漲, 從而導致境內(nèi)建設用地數(shù)量快速增加。

2.1.2 土地利用轉(zhuǎn)型模式

從表3可以看出, 2008—2018年, 榆中縣約有0.8799%的土地利用類型發(fā)生了轉(zhuǎn)變。其中, 耕地轉(zhuǎn)出面積最多, 共轉(zhuǎn)出2120.68 hm2, 主要轉(zhuǎn)為建設用地, 占耕地轉(zhuǎn)出總面積的99.80%, 耕地流失主要集中在榆中縣中部的和平鎮(zhèn)、定遠鎮(zhèn)、連搭鎮(zhèn)、城關(guān)鎮(zhèn)、金崖鎮(zhèn)、夏官營鎮(zhèn)、小康營鄉(xiāng)、清水驛鄉(xiāng)、甘草店鎮(zhèn)和高崖鎮(zhèn)(圖2)。其次是草地, 主要轉(zhuǎn)為耕地和建設用地, 分別占草地轉(zhuǎn)出面積的50.06%、49.79%, 草地轉(zhuǎn)為耕地主要集中在青城鎮(zhèn)、和平鎮(zhèn)、定遠鎮(zhèn)、金崖鎮(zhèn)、高崖鎮(zhèn), 在甘草店鎮(zhèn)、小康營鄉(xiāng)、馬坡鄉(xiāng)等其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)有零星的分布, 草地轉(zhuǎn)為建設用地分布在榆中縣的中部地區(qū), 和平鎮(zhèn)、定遠鎮(zhèn)、連搭鎮(zhèn)、城關(guān)鎮(zhèn)、夏官營鎮(zhèn)較為集中。林地、建設用地、濕地分別轉(zhuǎn)出87.55 hm2、5.48 hm2、57.96 hm2, 林地主要轉(zhuǎn)為建設用地, 占林地轉(zhuǎn)出面積的97.62%, 主要發(fā)生在和平鎮(zhèn)、定遠鎮(zhèn)、連搭鎮(zhèn)、城關(guān)鎮(zhèn)。建設用地轉(zhuǎn)為耕地, 主要發(fā)生在榆中縣中部和西北部(青城鎮(zhèn))的少數(shù)區(qū)域, 濕地主要轉(zhuǎn)為建設用地, 占濕地轉(zhuǎn)出面積的94.42%, 集中在榆中縣中部地區(qū), 未利用地轉(zhuǎn)為建設用地, 轉(zhuǎn)出面積為4.62 hm2, 分布比較零散, 水域主要轉(zhuǎn)為建設用地, 占水域轉(zhuǎn)出面積的94.22%?？傮w來看, 整個研究期內(nèi), 榆中縣土地利用類型均發(fā)生了變化, 耕地、草地、林地、建設用地和濕地的變化較為明顯。耕地—建設用地、草地—耕地、草地—建設用地是榆中縣土地轉(zhuǎn)型的主要類型, 重要性指數(shù)累計達94.43%(表4)。近年來榆中縣城鎮(zhèn)化速度不斷加快, 尤其是中部川地, 鄰近蘭州市主城區(qū), 人口不斷向該區(qū)集聚, 導致建設用地需求增加, 建設用地從城市近郊區(qū)不斷向外擴散, 占用了城市周圍的耕地和草地, 從而使得城區(qū)外圍的耕地和草地減少。此外, 由于中部地區(qū)地形平坦, 土壤肥沃, 所以部分耕地占補平衡的項目在該區(qū)進行了用地結(jié)構(gòu)調(diào)整, 導致部分草地轉(zhuǎn)為耕地。

表2 2008—2018年榆中縣土地利用及動態(tài)度變化

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值動態(tài)變化特征分析

2.2.1 不同土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化

2008—2018年榆中縣生態(tài)系統(tǒng)服務價值基本上保持平穩(wěn), 但有小幅度減少(表5), 生態(tài)系統(tǒng)服務價值由2008年的68.34億元減少到2018年的67.93億元, 減少0.41億元。從土地利用方式來看, 林地、草地構(gòu)成了榆中縣生態(tài)系統(tǒng)服務價值的主體, 2018年的貢獻率累計達到77.82%。研究期間草地和林地面積減少, 導致草地ESV減少0.17億元, 林地ESV減少0.04億元。耕地ESV減少0.15億元, 主要受到耕地面積變化的影響。濕地ESV減少0.07億元, 未利用地ESV減少0.00002億元, 減少幅度最小。縣域水庫修建使得水域面積增加, 從而導致水域ESV增加了0.02億元, 由此可見, 耕地和草地面積變化是造成榆中縣土地利用生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化的主要原因。

圖1 榆中縣土地利用類型圖

Figure 1 Land use types in Yuzhong County

表3 2008—2018年榆中縣土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣 (hm2)

表4 2008—2018年榆中縣土地利用變化重要性指數(shù)

圖2 2008—2018年榆中縣土地利用變化空間分布圖

Figure 2 Spatial distribution of land use change in Yuzhong County from 2008 to 2018

表5 2008—2018年榆中縣各類土地生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化

2.2.2 單項生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化

2008—2018年榆中縣單項生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化如表6所示。從單項生態(tài)系統(tǒng)一級服務功能來看, 對榆中縣生態(tài)系統(tǒng)服務價值貢獻率最大的是調(diào)節(jié)服務, 2018年的貢獻率達68.51%, 其次是支持服務, 2018年貢獻率為22.34%, 整個研究期內(nèi)榆中縣生態(tài)系統(tǒng)一級服務有所下降。從單項生態(tài)系統(tǒng)二級服務功能來看, 單項生態(tài)系統(tǒng)服務價值以氣候調(diào)節(jié)和水文調(diào)節(jié)為主, 二者的累計貢獻率達到49%以上, 占比接近榆中縣總ESV的一半。其次是氣體調(diào)節(jié)和土壤保持, 2008年占ESV總量的比例分別為11.61%、11.05%, 2018年占ESV總量的比例分別為11.60%、11.05%。整個研究期內(nèi), 單項二級服務功能中, 水資源供給的ESV出現(xiàn)了增加, 主要是受到水域面積增加的影響, 其他二級服務功能均出現(xiàn)降低的趨勢。ESV減少最多的是水文調(diào)節(jié)和氣候調(diào)節(jié), 分別由2008年的17.60億元、16.01億元減少到2018年的17.48億元、15.93億元, 其次是氣體調(diào)節(jié)和土壤保持, ESV分別減少了0.06億元和0.04億元, 食物生產(chǎn), 原料生產(chǎn)和維持養(yǎng)分循環(huán)的變化最小。

2.2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務變化指數(shù)空間分布

為查明榆中縣生態(tài)系統(tǒng)服務價值的空間分布特征, 研究借助ArcGIS 10.2軟件中的漁網(wǎng)工具, 對研究區(qū)進行了整體劃分, 在查閱相關(guān)文獻的基礎上[7, 31], 嘗試構(gòu)建了250 m×250 m、500 m×500 m、800 m×800 m、1000 m×1000 m的網(wǎng)格, 但考慮到研究區(qū)的自然地理特征以及數(shù)據(jù)處理效率等因素, 最終將確定為500 m×500 m的正方形網(wǎng)格, 并分別計算了每個網(wǎng)格單元中土地利用類型的面積及其所對應的生態(tài)系統(tǒng)服務價值(ESV)和生態(tài)系統(tǒng)服務變化指數(shù)(ESCI), 應用自然斷點法對ESV和ESCI分別制圖, 如圖3所示。

從ESV的空間分布來看(圖3), 榆中縣ESV的空間差異明顯, 從南到北總體上呈現(xiàn)出“高—低—高”的格局, 榆中縣南部區(qū)域為興隆山, 林地和草地是該區(qū)主要的土地利用類型, ESV值較高; 中部區(qū)域, 土地利用以耕地和建設用地為主, ESV值偏低;北部區(qū)域, 氣候干燥, 地形破碎, 土地利用以草地為主, ESV值較高。從2008年和2018年ESV的損益變化(ESCI)來看(圖4), 榆中縣ESCI的變化主要集中在中部地區(qū), 和平鎮(zhèn)、定遠鎮(zhèn)、連搭鎮(zhèn)、金崖鎮(zhèn)、城關(guān)鎮(zhèn)和夏官營鎮(zhèn)的ESV變化明顯, 損失較大,且ESV低值區(qū)域分布明顯擴大。此外和平鎮(zhèn)、城關(guān)鎮(zhèn)、連搭鎮(zhèn)、清水驛鄉(xiāng)、夏官營鎮(zhèn)、貢井鎮(zhèn)、新營鎮(zhèn)等區(qū)域ESV有零星的增加, 其他區(qū)域ESV的變化總體上不是特別明顯。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務價值空間統(tǒng)計分析

由表7可知, 2008年和2018年榆中縣ESV的全局Moran's值均大于0,值均小于0.001, 說明榆中縣ESV的分布格局整體上呈較強的空間正向自相關(guān)關(guān)系, ESV網(wǎng)格之間具有顯著的聚集分布特征。2008年和2018年的全局Moran's值分別為0.5986、0.6046, 整個研究期間有了一定的增加, 說明榆中縣ESV的空間自相關(guān)性在逐漸增強?？偟膩砜?表8), 2008年林地ESV的全局Moran's值為0.8316, 其空間集聚性最強, 耕地、草地、未利用地的全局Moran's值依次次之, 值為0.7618、0.7385、0.6908, 說明耕地、草地、未利用地ESV的空間分布也具有集聚性, 濕地、水域的全局Moran's I值分別為0.3704、0.4167, 濕地和水域的分布未呈現(xiàn)出明顯的空間集聚性, 不同土地利用類型的全局值排序為: 林地>耕地>草地>未利用地>濕地>水域, 說明整個研究期間, 榆中縣ESV的空間分布總體上具有集聚性, 但集聚性是小范圍的、比較分散的。

表6 2008—2018年榆中縣土地生態(tài)系統(tǒng)單項服務價值變化

圖3 2008—2018年榆中縣生態(tài)系統(tǒng)服務價值空間分布圖

Figure 3 Spatial distribution of ecosystem service value in Yuzhong County from 2008 to 2018

圖4 2008—2018年榆中縣ESCI的空間分布圖

Figure 4 Spatial distribution of ESCI in Yuzhong County from 2008 to 2018

在分析ESV的空間格局的基礎上, 借助熱點分析, 選取具有統(tǒng)計意義的冷點和熱點, 得到2008年和2018年榆中縣生ESV變化的熱點圖, 從而進一步分析ESV空間上的差異性與集聚性。從圖5可知, 榆中縣生態(tài)系統(tǒng)服務價值總體上呈現(xiàn)“南熱中冷, 北無顯著”的分布特點, 其中增值熱點區(qū)域主要位于南部的興隆山自然保護區(qū), 該區(qū)林地和草地面積占比大, 生態(tài)系統(tǒng)服務價值高, 冷點主要位于中部的和平鎮(zhèn)、定遠鎮(zhèn)、連搭鎮(zhèn)、城關(guān)鎮(zhèn)、小康營鄉(xiāng)等, 是主要的城市建設區(qū), 建設用地面積大, 生態(tài)系統(tǒng)服務價值普遍偏低, 北部大部分區(qū)域變化不是特別明顯, 除此之外, 和平鎮(zhèn)北部、金崖鎮(zhèn)和夏官營鎮(zhèn)中部、貢井鎮(zhèn)南部、青城鎮(zhèn)中部和北部、園子岔鄉(xiāng)西部和北部也有小范圍的熱點、次熱點分布, 主要是由于草地、水域的影響。2008—2018年榆中縣ESV熱點分布格局基本上保持穩(wěn)定, 冷點在和平鎮(zhèn)、定遠鎮(zhèn)、城關(guān)鎮(zhèn)有所增加, 主要是建設用地增加的影響。

表7 2008—2018年榆中縣ESV及其變化的空間自相關(guān)性

3 討論

基于土地利用變更數(shù)據(jù), 運用當量因子法, 對榆中縣的生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行了測算, 榆中縣2018年的ESV為67.93億元, 這與周文霞[32]等對蘭州市生態(tài)系統(tǒng)服務價值(值為80.6億元)的研究, 以及吳翠霞等對白銀市生態(tài)系統(tǒng)服務價值[6](值為56.75億元)的研究結(jié)果接近, 說明本文的研究結(jié)果應該比較符合榆中縣的實際情況, 應該能反映近年來榆中縣土地利用轉(zhuǎn)型引起的生態(tài)系統(tǒng)服務功能的變化。生態(tài)系統(tǒng)具有復雜性, 生態(tài)系統(tǒng)服務功能會受到諸多因素的影響, 生態(tài)系統(tǒng)服務價值的定量化測算一直是學術(shù)界研究的熱點和難點問題, 已有研究雖然在不斷創(chuàng)新研究方法, 但生態(tài)系統(tǒng)服務價值的測算仍然存在許多現(xiàn)階段無法避免的主觀因素[33], 不同評價方法的測算結(jié)果可能會存在較大的差異[34-35][35][35]。因此, 基于當量法對榆中縣生態(tài)系統(tǒng)服務價值測算的結(jié)果和其他方法的測算結(jié)果可能會存在一定的誤差, 如潘翔[36]等應用InVEST模型和影子工程法計算了秦巴山(甘肅部分)25個集中連片特困區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務價值, 值為1525.05億元。

表8 2008—2018年榆中縣各土地利用類型ESV的空間自相關(guān)性

圖5 2008—2018年榆中縣ESV變化冷點和熱點的空間分布

Figure 5 Spatial distribution of cold spots and hot spots of ESV changes in Yuzhong County from 2008 to 2018

土地利用轉(zhuǎn)型包括顯性和隱性土地利用形態(tài)的變化。顯性形態(tài)變化指土地利用結(jié)構(gòu)和功能的變化[8] [9][10], 隱性形態(tài)變化包括權(quán)屬、質(zhì)量、經(jīng)營方式等引起的土地利用形態(tài)的轉(zhuǎn)變。本文僅對對顯性形態(tài)的土地利變化做了分析, 對顯性形態(tài)的質(zhì)量、等級、強度等其他變化未做分析, 但實際上這些變化必然會影響到各類生態(tài)系統(tǒng)的數(shù)量、空間分布、結(jié)構(gòu)以及功能的改變[11]。所以僅從不同土地利用類型的數(shù)量角度出發(fā)對生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行測算, 可能會存在一定的誤差。本文在測算生態(tài)系統(tǒng)服務價值時沒有考慮土地質(zhì)量、土地等級等其他因素, 這在今后的研究中還需要進一步改進, 并且Cosatanza[5]等學者認為, 建設用地也具有大氣調(diào)節(jié)、水分調(diào)節(jié)等生態(tài)功能, 在研究時應該考慮建設用地的生態(tài)系統(tǒng)服務價值, 本研究中未對建設用地的生態(tài)系統(tǒng)服務價值做相應的分析, 后續(xù)研究中還要進行修正。

4 結(jié)論

(1)草地和耕地是榆中縣最主要的生態(tài)系統(tǒng), 占比將近約80%。研究期間, 榆中縣耕地、草地、林地、濕地和未利用地面積均有所減少, 但總體而言, 土地利用轉(zhuǎn)型時空變化較為平穩(wěn), 僅有0.8834%的土地利用發(fā)生了變化。其中耕地面積損失最多, 主要轉(zhuǎn)換為建設用地, 其次是草地, 主要轉(zhuǎn)為耕地和建設用地。相反, 建設用地和水域面積有所增加, 建設用地面積增加都主要來源于耕地和草地, 由于榆中縣城鎮(zhèn)化的發(fā)展, 使得縣域建設用地需求快速增加; 水域面積增加主要來源于耕地, 主要受到縣域水庫建設增加的影響?？偟膩砜? 榆中縣土地利用轉(zhuǎn)化最為活躍的區(qū)域為縣域中部平原區(qū)域的和平鎮(zhèn)、定遠鎮(zhèn)、連搭鎮(zhèn)、城關(guān)鎮(zhèn)、金崖鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn), 該區(qū)域城鎮(zhèn)化進程和經(jīng)濟發(fā)展速度較快, 是蘭州市城市“東擴”的重要方向。

(2)2008—2018年榆中縣生態(tài)系統(tǒng)服務價值總體上保持穩(wěn)定的狀態(tài), 有小幅度的下降趨勢, 生態(tài)系統(tǒng)服務價值凈減少了0.41億元。從土地利用類型來看, 耕地、林地、草地、濕地、未利用地的ESV均有所減少, 但水域的ESV有所增加。草地和耕地生態(tài)系統(tǒng)服務價值減少是造成榆中縣生態(tài)系統(tǒng)服務價值下降的主要原因。從生態(tài)系統(tǒng)服務功能來看, 水資源供給功能的服務價值有所增加, 除此之外, 其他各功能的生態(tài)系統(tǒng)服務價值均呈下降趨勢, 單項ESV以水文調(diào)節(jié)和氣候調(diào)節(jié)為主。近10年來, 榆中縣生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化不大, 說明區(qū)域生態(tài)保護總體而言比較好。

(3)榆中縣ESV的空間分布總體上呈現(xiàn)南部高, 中部低, 北部較高的特征, 從ESCI的分布來看, ESV低值區(qū)域在和平鎮(zhèn)、定遠鎮(zhèn)、城關(guān)鎮(zhèn)有比較明顯的擴大, 這主要是由于這些區(qū)域城鎮(zhèn)化的加快, 導致區(qū)域建設用地數(shù)量的增加。2008年和2018年ESV的全局Moran's指均大于0, 說明兩個時期ESV的空間分布具有明顯的空間正相關(guān)性, 熱點分析表明ESV的高值區(qū)主要位于縣域南部, 低值區(qū)主要位于縣域中部, 這與榆中縣中部側(cè)重生產(chǎn)、生活以及南部側(cè)重生態(tài)保護的現(xiàn)狀相吻合。

[1] 龍花樓. 論土地利用轉(zhuǎn)型與鄉(xiāng)村轉(zhuǎn)型發(fā)展[J]. 地理科學進展, 2012, 31(2): 131–138.

[2] 于倩茹, 徐煖銀, 孫思琦, 等. 鄂西北地區(qū)土地利用格局及其生態(tài)系統(tǒng)服務價值的時空變化[J]. 生態(tài)科學, 2019, 38(4): 119–128.

[3] 史慧慧, 程久苗, 費羅成, 等. 1990—2015年長三角城市群土地利用轉(zhuǎn)型與生態(tài)系統(tǒng)服務功能變化[J]. 水土保持研究, 2019, 26(1): 301–307.

[4] 路昌, 韓笑, 韓會芹. 山東省土地利用轉(zhuǎn)型與生態(tài)服務功能交叉敏感性研究[J].農(nóng)業(yè)機械學報, 2020, 51(10): 223-231.

[5] COSTANZA R, D'ARGE R, DE GROOT R, et al. The value of the world's ecosystem services and natural capital[J]. Nature, 1997, 387 (6630): 253–260.

[6] 吳翠霞, 馮永忠, 陶卓琳, 等. 白銀市土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響[J]. 中國農(nóng)學通報, 2020, 36(11): 74–81.

[7] 張學斌, 羅君, 石培基, 等. 格網(wǎng)尺度下張掖生態(tài)系統(tǒng)服務價值時空演變及地形梯度分異特征[J]. 應用生態(tài)學報, 2020, 31(2): 543–553.

[8] 王權(quán), 李陽兵, 黃娟, 等. 喀斯特槽谷區(qū)土地利用轉(zhuǎn)型過程對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響[J]. 水土保持研究, 2019, 26(3): 192–198.

[9] CHENG Jie, HAN Jichang, WANG Huanyuan, et al. Background of land development and opportunity of land use transition[J]. Asian Agricultural Research, 2015, 7(12): 45–48.

[10] LIU Zhaoxu, LIU Liming. Characteristics and driving factors of rural livelihood transition in the east coastal region of China: A case study of suburban Shanghai[J]. Journal of Rural Studies, 2016, 43: 145–158.

[11] 孫思琦, 郭濼, 薛達元. 重慶市巫山縣土地利用格局及其生態(tài)系統(tǒng)服務價值的時空變化[J]. 生態(tài)科學, 2019, 38(1): 176–185.

[12] 歐陽志云, 王效科, 苗鴻. 中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務功能及其生態(tài)經(jīng)濟價值的初步研究[J]. 生態(tài)學報, 1999, 19(5): 607–613.

[13] 謝高地, 魯春霞, 冷允法, 等. 青藏高原生態(tài)資產(chǎn)的價值評估[J]. 自然資源學報, 2003, 18(2): 189–196.

[14] 謝高地, 張彩霞, 張昌順, 等. 中國生態(tài)系統(tǒng)服務的價值[J]. 資源科學, 2015, 37(9): 1740–1746.

[15] 劉永強, 廖柳文, 龍花樓, 等. 土地利用轉(zhuǎn)型的生態(tài)系統(tǒng)服務價值效應分析——以湖南省為例[J]. 地理研究, 2015, 34(4): 691–700.

[16] 戴文遠, 江方奇, 黃萬里, 等. 基于“三生空間”的土地利用功能轉(zhuǎn)型及生態(tài)服務價值研究——以福州新區(qū)為例[J]. 自然資源學報, 2018, 33(12): 2098–2109.

[17] 朱治州, 鐘業(yè)喜. 長江三角洲城市群土地利用及其生態(tài)系統(tǒng)服務價值時空演變研究[J]. 長江流域資源與環(huán)境, 2019, 28(7): 1520–1530.

[18] 薛嵩嵩, 高凡, 何兵, 等. 近30年烏倫古河流域土地利用與生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化研究[J]. 水土保持通報, 2019, 39(6): 223–229.

[19] 傅伯杰, 張立偉. 土地利用變化與生態(tài)系統(tǒng)服務:概念、方法與進展[J]. 地理科學進展, 2014, 33(4): 441–446.

[20] 李濤, 甘德欣, 楊知建, 等. 土地利用變化影響下洞庭湖地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值的時空演變[J]. 應用生態(tài)學報, 2016, 27(12): 3787–3796.

[21] 郭榮中, 楊敏華. 長株潭地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值分析及趨勢預測[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報, 2014, 30(5): 238-246.

[22] 劉春芳, 王川, 劉立程. 三大自然區(qū)過渡帶生境質(zhì)量時空差異及形成機制——以榆中縣為例[J]. 地理研究, 2018, 37(2): 419–432.

[23] 王秀蘭, 包玉海. 土地利用動態(tài)變化研究方法探討[J]. 地理科學進展, 1999(1): 3–5.

[24] 羅婭, 楊勝天, 劉曉燕, 等. 黃河河口鎮(zhèn)—潼關(guān)區(qū)間1998-2010年土地利用變化特征[J]. 地理學報, 2014, 69(1): 42–53.

[25] 趙鴻雁, 陳英, 楊潔, 等. 基于改進當量的甘肅省耕地生態(tài)系統(tǒng)服務價值及其與區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的空間關(guān)系研究[J]. 干旱區(qū)地理, 2018, 41(4): 851–858.

[26] 李晶, 李紅艷, 張良. 關(guān)中—天水經(jīng)濟區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系[J]. 生態(tài)學報, 2016, 36(10): 3053–3062.

[27] 錢彩云, 鞏杰, 張金茜, 等. 甘肅白龍江流域生態(tài)系統(tǒng)服務變化及權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系[J]. 地理學報, 2018, 73(5): 868–879.

[28] 公云龍, 張紹良, 章蘭蘭. 城市地價空間自相關(guān)分析——以宿州市為例[J]. 經(jīng)濟地理, 2011, 31(11): 1906– 1911.

[29] Getis A, ORD J K. The analysis of spatial association by use of distance statistics[J]. Geographic Analysis, 1992, 24: 189–206.

[30] 王蓓, 趙軍, 胡秀芳. 基于InVEST模型的黑河流域生態(tài)系統(tǒng)服務空間格局分析[J]. 生態(tài)學雜志, 2016, 35(10): 2783–2792.

[31] 雷金睿, 陳宗鑄, 陳小花, 等.1980—2018年海南島土地利用與生態(tài)系統(tǒng)服務價值時空動態(tài)變化[J]. 生態(tài)學報, 2020, 40(14): 4760–4773.

[32] 周文霞, 石培基, 王永男, 等. 河谷型城市生態(tài)系統(tǒng)服務價值效應——以蘭州為例[J]. 干旱區(qū)研究, 2017, 34(1): 232–241.

[33] 徐麗芬, 許學工, 羅濤, 等. 基于土地利用的生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量修訂方法——以渤海灣沿岸為例[J]. 地理研究, 2012, 31(10): 1775–1784.

[34] 萬利, 陳佑啟, 譚靖, 等. 土地利用變化對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響——以北京市為例[J]. 地域研究與開發(fā), 2009, 28(4): 94–99.

[35]鄧楚雄, 鐘小龍, 謝炳庚, 等. 洞庭湖區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)的服務價值時空變化[J]. 地理研究, 2019, 38(4): 844–855.

[36] 潘翔, 吳娜, 徐中民, 等. 精準扶貧視角下生態(tài)系統(tǒng)服務與多維貧困耦合協(xié)調(diào)差異:以甘肅秦巴山貧困核心區(qū)為例[J]. 生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學報, 2020, 36(7): 879–889.

Spatio-temporal dynamics of land use transition and ecosystem service value in Yuzhong County

Qu Wen, CHEN Ying,XIE Baopeng*, PEI Tingting, REN Xijin, He Ying

College of Management, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China

Ecosystem service value is an important representation of regional ecological security. It aimed to identify dynamics of ecosystem services value caused by land use transformation, which had great significance for regional ecological environmental protection. Based on land use data in Yuzhong County of 2008 and 2018, this study applied ArcGIS software, value equivalence factor method, ecosystem service value change index, and spatial statistical analysis method to research the impact of land use transition on ecosystem service value dynamics in Yuzhong County. The results showed that during the period from 2008 to 2018, the area of cropland and grassland decreased, but the area of build-up land increased; the main modes of land transformation in Yuzhong County were cropland and grassland to build-up land, grassland to cropland. In this period, overall ESV in Yuzhong County showed a downward trend. Among them the ESV of grassland accounted for the largest proportion with 54%. The single ESV was dominated by hydrological regulation and climate regulation, which accounted for nearly 50% of the total ESV. The spatial distribution of ESV in Yuzhong County had obvious positive spatial correlation. The hot spot area of ESV was located in the south of Yuzhong County, and the cold spot area was located in the middle of Yuzhong County. The spatial distribution of ESV was characterized by high in the south and north, low in the middle. The low-value area of ESV was further spread in the middle of Yuzhong County. At last, the research results would provide scientific reference for regional ecological environment protection and land management.

land use transition; ecosystem service value; spatial autocorrelation; hotspot analysis; Yuzhong County

屈雯, 陳英, 謝保鵬, 等. 榆中縣土地利用轉(zhuǎn)型與生態(tài)系統(tǒng)服務價值的時空演變研究[J]. 生態(tài)科學, 2022, 41(5): 197–207.

Qu Wen, CHEN Ying,XIE Baopeng, et al. Spatio-temporal dynamics of land use transition and ecosystem service value in Yuzhong County[J]. Ecological Science, 2022, 41(5): 197–207.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.05.024

S157.2

A

1008-8873(2022)05-197-11

2020-09-07;

2020-11-01

甘肅農(nóng)業(yè)大學公招博士科研啟動基金(GAU- KYQD-2017-34); 甘肅省高等學?？蒲许椖?2019A-46)

屈雯(1995—), 女, 甘肅天水人, 碩士研究生, 主要從事土地資源管理研究, E-mail: 1914687138@qq.com

謝保鵬, 男, 講師, 主要從事土地資源管理研究, E-mail: xiebp@gsau.edu.cn