內(nèi)蒙古鄂爾多斯市達拉特旗土地利用結(jié)構(gòu)變化對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響

鐘莉娜，郭旭東,趙文武，劉世梁，吳 全

（1.中國土地勘測規(guī)劃院 國土資源部土地利用重點實驗室，北京 100035；2.北京師范大學資源學院 地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室，北京 100875；3.北京師范大學環(huán)境學院 水環(huán)境模擬國家重點實驗室，北京 100875；4.內(nèi)蒙古自治區(qū)土地調(diào)查規(guī)劃院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022）

內(nèi)蒙古鄂爾多斯市達拉特旗土地利用結(jié)構(gòu)變化對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響

鐘莉娜1,2，郭旭東1,趙文武2，劉世梁3，吳 全4

（1.中國土地勘測規(guī)劃院 國土資源部土地利用重點實驗室，北京 100035；2.北京師范大學資源學院 地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室，北京 100875；3.北京師范大學環(huán)境學院 水環(huán)境模擬國家重點實驗室，北京 100875；4.內(nèi)蒙古自治區(qū)土地調(diào)查規(guī)劃院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022）

研究目的：在土地利用變化背景下，探討內(nèi)蒙古鄂爾多斯市達拉特旗生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化。研究方法：數(shù)理統(tǒng)計、遙感與GIS、模型模擬。研究結(jié)果：基于1985年、2000年、2008年和2011年的土地利用數(shù)據(jù)分析達拉特旗的土地利用結(jié)構(gòu)變化，并在此基礎上對生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化進行定量評價。研究結(jié)論：達拉特旗的主要土地利用類型是草地、農(nóng)田和森林，1985年以來土地利用類型的分配趨向均衡化；研究期間達拉特旗生態(tài)系統(tǒng)服務價值總體上呈現(xiàn)先升后降的趨勢；達拉特旗的主要生態(tài)服務功能是廢物處理、水源涵養(yǎng)、土壤形成與保護、生態(tài)多樣性保護和氣候調(diào)節(jié)，主要生態(tài)服務功能年際變化不大。

土地利用； 生態(tài)系統(tǒng)服務；價值；功能；模型

生態(tài)系統(tǒng)服務是指生態(tài)系統(tǒng)為維護人類社會的生產(chǎn)、消費、流通、還原和調(diào)控活動而提供的有形或無形的自然產(chǎn)品、環(huán)境資源和生態(tài)公益能力，是生態(tài)系統(tǒng)的一種產(chǎn)出和功效[1-4]。隨著科技進步、社會發(fā)展和人口迅速增長，自然生態(tài)系統(tǒng)承受的壓力越來越大，長期以來不合理的人類活動使生態(tài)系統(tǒng)服務價值不斷降低[5]。土地利用是人類最基本的實踐活動之一，與生態(tài)系統(tǒng)的服務功能及其價值密切相關[6]。在土地利用變化背景下，探討生態(tài)系統(tǒng)服務功能對促進區(qū)域可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護具有重要的科學意義[7-9]。近年來，土地利用變化背景下生態(tài)系統(tǒng)服務價值的研究成為生態(tài)學研究領域的熱點，國內(nèi)外學者做了許多積極的探索[10-13]。國外對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的研究大多數(shù)在全球或區(qū)域尺度上展開，流域尺度、單個生態(tài)系統(tǒng)服務價值的估算也是研究的熱點領域；中國對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的研究中，西部對干旱區(qū)和半干旱區(qū)的主要生態(tài)系統(tǒng)類型都有涉及，中部和東部的研究主要涉及森林、濕地、城市等生態(tài)系統(tǒng)。資源型城市是中國重要的能源資源戰(zhàn)略保障基地，資源型城市土地利用結(jié)構(gòu)變化較大，生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱，但目前針對資源型城市土地利用結(jié)構(gòu)變化對生態(tài)系統(tǒng)服務價值影響的研究較少，研究資源型城市土地利用結(jié)構(gòu)變化對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響對促進資源型城市土地的可持續(xù)利用及生態(tài)系統(tǒng)服務價值的提高具有重要意義。

達拉特旗作為內(nèi)蒙古鄂爾多斯市下轄的一個旗，屬于典型的資源型城市，其土地利用結(jié)構(gòu)近年來發(fā)生了很大變化，對生態(tài)系統(tǒng)造成了顯著影響。本文在分析達拉特旗1985—2011年土地利用結(jié)構(gòu)變化的基礎上，對生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化進行了定量評價，以期為研究區(qū)土地的合理調(diào)控和管理提供一定的科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

達拉特旗位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西南部，黃河（河套）南岸，北與包頭市隔河相望，是鄂爾多斯市的北大門，地理坐標為39°48′—40°33′N，108°58′—110°43′E。全旗總面積8200 hm2，總?cè)丝?4萬。屬典型的溫帶大陸性氣候，四季分明，干燥少雨，年降水量僅為240—360 mm，主要集中在7—9月，年蒸發(fā)量卻可以達到2000—3000 mm。地處平緩沙間低地，位于黃土高原向沙漠（地）的過渡地帶，地形南高北低，海拔變化、坡位、坡向變化程度較小[14]。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

主要數(shù)據(jù)是鄂爾多斯市達拉特旗1985年、2000年、2008年和2011年的土地利用圖以及相應的植被覆蓋（NDVI）數(shù)據(jù)。1985年、2000年、2008年的土地利用數(shù)據(jù)來源于中國1∶25萬土地覆蓋遙感調(diào)查與監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，2011年土地利用數(shù)據(jù)為Sport5遙感影像解譯得到。NDVI數(shù)據(jù)采用由比利時弗萊芒技術(shù)研究所（Flemish Institutefor Technological Research，Vito）影像處理中心（VEGETATION Processing Centre，CTIV）基于法國SPOT-4衛(wèi)星拍攝的全球植被覆蓋處理成的數(shù)據(jù)，其分辨率為1 km。

2.2 信息熵、均衡度、優(yōu)勢度

信息熵可以反映一定地區(qū)土地利用類型的多少，不同土地利用類型面積分布的均勻程度，各土地利用類型的有序程度、動態(tài)變化以及轉(zhuǎn)換程度。一般情況下，信息熵越大說明土地利用越無序；信息熵越小，土地利用的結(jié)構(gòu)性越強，系統(tǒng)的健康程度越高，越有利于生產(chǎn)活動的開展。信息熵的研究對于區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)的優(yōu)化具有積極的指導意義[15]。其計算公式為：

式1中，S為一個地區(qū)的土地總面積，n是該區(qū)域土地利用類型數(shù)，各種土地利用類型的面積為Si（i = 1，2，…，n），Pi為各種土地利用類型的面積占區(qū)域土地總面積的比例，H為信息熵。當各土地利用類型的面積相等時信息熵最大，Hmax= ln n。

實際熵值與最大熵值的比值為研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)的均衡度（J），用于表征各種土地利用類型的分配均勻程度。優(yōu)勢度（I）用于衡量區(qū)域土地利用類型結(jié)構(gòu)中占支配地位的一個或幾個土地利用類型對研究區(qū)的控制程度[16]。均衡度越大，優(yōu)勢度越小，土地利用結(jié)構(gòu)的面積分配更趨向多樣化和平均化。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務價值估算

2.3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務價值估算模型 本文采用Costanza等[17]提出的生態(tài)系統(tǒng)服務價值分析模型估算研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務價值，其公式為：

式5中，ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務總價值，Ak為研究區(qū)第k種土地利用類型的面積，Ck為該土地利用類型單位面積的生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)。

2.3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值估算模型的修正 謝高地等[18]提供了一個全國平均狀態(tài)的生態(tài)系統(tǒng)服務價值的單價，在應用到不同區(qū)域時須進行修正。一般來說，生物量越大，生態(tài)系統(tǒng)服務功能越強。謝高地等同時提出了生態(tài)系統(tǒng)服務價值單價的修訂公式：

式6中，M為生態(tài)系統(tǒng)服務價值單價的修正系數(shù)；bj為研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的單位面積平均生物量；j = 1 , 2，…，m，為不同生態(tài)資產(chǎn)類型；B為全國生態(tài)系統(tǒng)的單位面積平均生物量。

2.3.3 生物量的遙感估算 基于ArcGIS 9.3空間數(shù)據(jù)分析軟件將1985年、2000年、2008年和2011年6—9月每月1日、11日、21日的NDVI數(shù)據(jù)進行最大合成（MVC），最終生成最大合成NDVI年數(shù)據(jù)。在最大合成NDVI年數(shù)據(jù)的基礎上計算全國和達拉特旗1985年、2000年、2008年和2011年的年NDVI平均值，根據(jù)馬文紅[19]在中國北方地區(qū)建立的NDVI與生物量之間的關系式估算全國和達拉特旗的生物量：

1) 報警擱置與抑制功能。報警擱置允許操作員暫時抑制造成干擾的滋擾報警。操作員能夠選擇1個或1組報警進行擱置，并輸入需要暫時抑制的原因。

式7—式8中，AGB為地上生物量（g·m-2），BGB為地下生物量（g·m-2），本文中采用的生物量為地上生物量與地下生物量之和。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用結(jié)構(gòu)變化

2011年達拉特旗土地總面積為8243 km2，草地、農(nóng)田、森林是主要利用類型，占總面積比例分別為39.28%、21.28%、18.60%，荒漠占總面積的12.82%，建設用地、水體和濕地的面積較小，分別占研究區(qū)總面積的3.44%、2.96%、1.62%。1985年達拉特旗土地利用結(jié)構(gòu)的信息熵為1.36，2000年下降到1.34，但2000年之后達拉特旗土地利用結(jié)構(gòu)的信息熵明顯上升，2008年和2011年分別達到1.45和1.56。1985—2011年信息熵總體呈上升趨勢，說明研究期間土地利用格局破碎程度增大，土地利用系統(tǒng)的無序度上升，生態(tài)系統(tǒng)的健康程度降低，紊亂度增加。均衡度由1985年的0.70上升到了2011年的0.80，優(yōu)勢度從0.30降至0.20，說明自1985年以來，達拉特旗土地利用類型結(jié)構(gòu)中占支配地位的幾種土地利用類型面積減少，各土地利用類型的面積分配更趨向多樣化和平均化。

近年來，達拉特旗經(jīng)濟發(fā)展迅速，人口增加，城鎮(zhèn)化進程加快。各種城鎮(zhèn)居住用地、工礦用地及交通運輸?shù)然A設施建設在很大程度上改變了原來的土地利用結(jié)構(gòu)，使土地利用結(jié)構(gòu)的無序度上升。同時，1985—2011年間，農(nóng)田由1985年的156.21 km2增加到2011年的1753.00 km2，草地由4092.37 km2減少到3237.09 km2，建設用地由208.40 km2增加到了283.56 km2，荒漠面積由1911.87 km2減少到了1056.93 km2，土地利用類型之間的面積分配更加均勻，使得達拉特旗草地、農(nóng)田、森林的優(yōu)勢度降低，土地利用的均衡度增加。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化

3.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務價值單價修正 基于最大合成NDVI年數(shù)據(jù)計算全國和達拉特旗1985年、2000年、2008年和2011年的年NDVI平均值分別為0.4576和0.2979，根據(jù)馬文紅在中國北方地區(qū)建立的NDVI與生物量之間的關系式估算達拉特旗和全國的生物量，達拉特旗生物量為532.9235 g·m-2，全國生物量為867.4577 g·m-2，進一步根據(jù)式8得到生態(tài)系統(tǒng)服務價值單價的修正系數(shù)M = 0.6144。利用修正系數(shù)M對謝高地等建立的中國不同陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值表[18]進行修正，得到達拉特旗不同生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值表（表1）。

表1 不同生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值表 單位：元/hm2Tab.1 Units area ecosystem service value in different ecosystems unit: yuan/hm2

表2 達拉特旗生態(tài)系統(tǒng)服務價值 單位：104元Tab.2 Ecosystem service value of Dalateqi unit: 104yuan

圖1 生態(tài)系統(tǒng)服務總價值年際變化Fig.1 Interannual variability of ecosystem service values

圖2 不同生態(tài)系統(tǒng)服務功能生態(tài)系統(tǒng)服務價值年際變化Fig.2 Interannual variability of ecosystem service values of different ecosystem services function

另外，對達拉特旗的不同生態(tài)服務功能的生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行核算（圖2），可以看出達拉特旗的主要生態(tài)服務功能是廢物處理、水源涵養(yǎng)、土壤形成與保護、生態(tài)多樣性保護和氣候調(diào)節(jié)，而提供原材料、娛樂文化和食物生產(chǎn)方面的生態(tài)系統(tǒng)服務價值較低。各生態(tài)服務功能的生態(tài)系統(tǒng)服務價值年際變化不大，但2011年氣候調(diào)節(jié)的生態(tài)系統(tǒng)服務價值明顯降低，食物生產(chǎn)的生態(tài)系統(tǒng)服務價值卻有所增加。

濕地面積減少是2011年氣候調(diào)節(jié)生態(tài)服務功能價值降低的主要原因。濕地被稱為“地球之腎”，具有保持水源、調(diào)節(jié)氣候、蓄洪防旱、凈化水質(zhì)和維護生物多樣性等重要生態(tài)功能。在氣候、地形、煤礦塌陷等因素的共同影響下，達拉特旗發(fā)育形成了類型多樣的濕地。目前濕地保護工作已取得了初步成效，但仍未建立濕地保護的長效機制，科技支撐薄弱，濕地保護意識仍有待于提高。

2011年耕地面積的增加以及耕地質(zhì)量的提高使達拉特旗食物生產(chǎn)的生態(tài)系統(tǒng)服務價值有所升高。達拉特旗地區(qū)耕地基礎條件較差，耕地節(jié)約利用水平較低，農(nóng)業(yè)基礎設施投入不足，耕地質(zhì)量較差，保護耕地和提高耕地質(zhì)量的任務艱巨。2010年起，鄂爾多斯市投入大量資金相繼實施了農(nóng)村土地整治示范工程和自治區(qū)農(nóng)村土地整治重點工程、高標準基本農(nóng)田及土地集約高效利用示范等項目，加大農(nóng)業(yè)的綜合開發(fā)力度，發(fā)展節(jié)水高效農(nóng)業(yè)，增加了耕地面積，提高了耕地的糧食生產(chǎn)能力。

3.2.3 土地利用結(jié)構(gòu)信息熵與生態(tài)系統(tǒng)服務價值關系分析 將達拉特旗生態(tài)系統(tǒng)服務價值與土地利用結(jié)構(gòu)的信息熵進行相關分析得到圖3。從圖3可以清楚的看出信息熵越大，生態(tài)系統(tǒng)的服務價值越低，二者的相關性為0.75。研究期間城鎮(zhèn)、工礦用地的迅速擴張以及交通運輸?shù)然A設施的建設使得達拉特旗土地利用結(jié)構(gòu)的無序度升高，最終導致生態(tài)系統(tǒng)健康程度的降低和服務價值的降低。合理增加林地、草地、耕地等生態(tài)用地的面積，優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)可以在一定程度上提高生態(tài)系統(tǒng)健康程度及生態(tài)系統(tǒng)服務價值。

圖3 信息熵與生態(tài)系統(tǒng)服務價值相關性分析Fig.3 Correlation analysis of information entropy and value of ecosystem services

4 結(jié)論

土地利用結(jié)構(gòu)的變化會引起生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和格局的變化，進而影響生物地球化學循環(huán)、土壤更新、水循環(huán)等生態(tài)過程，最終引起生態(tài)系統(tǒng)服務價值的改變[20-24]。達拉特旗作為鄂爾多斯的能源開發(fā)區(qū)，分析其土地利用結(jié)構(gòu)變化對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響可以為研究區(qū)的土地資源可持續(xù)利用和生態(tài)社會經(jīng)濟的協(xié)調(diào)持續(xù)發(fā)展提供科學支撐。通過分析達拉特旗土地利用結(jié)構(gòu)變化及其對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響得到的主要結(jié)論如下：

（1）草地、農(nóng)田、森林是達拉特旗的主要土地利用類型。1985年以來，占支配地位的土地利用類型面積呈現(xiàn)減少趨勢，各土地利用類型的面積分配更趨向多樣化和平均化。

（2）1985—2011年，達拉特旗生態(tài)系統(tǒng)服務的總價值總體上呈現(xiàn)先升后降的趨勢，2000年達到生態(tài)系統(tǒng)服務價值的最大值，2011年出現(xiàn)了研究期間生態(tài)系統(tǒng)服務價值的最小值。退耕還林政策提升了研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務價值，然而城市的快速擴張以及煤炭資源的開采侵占了大量生態(tài)用地，使得研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值降低。

（3）達拉特旗的主要生態(tài)服務功能是廢物處理、水源涵養(yǎng)、土壤形成與保護、生態(tài)多樣性保護和氣候調(diào)節(jié)。2011年氣候調(diào)節(jié)的生態(tài)系統(tǒng)服務價值明顯降低的原因是濕地面積的減少，耕地面積的增加以及耕地質(zhì)量的提高是食物生產(chǎn)生態(tài)系統(tǒng)服務價值提高的重要原因。

（4）達拉特旗土地利用結(jié)構(gòu)信息熵增加與生態(tài)系統(tǒng)服務功能降低表現(xiàn)為線性相關關系。合理增加生態(tài)用地的面積、優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)可以提高生態(tài)系統(tǒng)服務價值。

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（本文責編：仲濟香）

Effects of Land Use Structure Changes on Ecosystem Service Value: A Case Study of Dalateqi, Erdos

ZHONG Li-na1,2,GUO Xu-dong1, ZHAO Wen-wu2, LIU Shi-liang3，WU Quan4
（1. China Land Surveying and Planning Institute, Key Laboratory of Land Use, MLR, Beijing 100035, China; 2. College of Resources and Technology, Beijing Normal University, State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource
Ecology, Beijing 100875, China; 3. School of Environment, Beijing Normal University, State Key Laboratory of Water Environment Simulation, Beijing 100875, China; 4. Inner Mongolia Autonomous Region Land Surveying and Planning Institute, Hohhot 010022, China）

The purpose of this paper is to analyze the impacts of land use structure changes on ecosystem service value under the background of land-use change. Research methods are statistics, remote sensing, GIS and model simulating. Based on the land use data in 1985, 2000, 2008 and 2011, respectively, the land use changes of Dalateqi were analyzed, and the value of ecosystem services was evaluated quantitatively. The research conclusions include that the main land use types in Dalateqiare grassland, farmland and forest. The distribution of land use types became more balanced since 1985. During the study period, the total value of ecosystem services in Dalateqi first increased and then decreased. Grain policies promoted the value of ecosystem services in the study area. However, the city's rapid expansion and exploitation of coal resources occupied a large part of ecological land, and caused the value of ecosystem services reduced. The main ecosystem services in Dalateqi were waste management, water conservation, soil formation and protection, biodiversity conservation and climate regulation. The interannual variability of main ecosystem services in Dalateqi was not significantly except climate regulation.The value of ecosystem services in climate regulation significantly reduced because of the wetland area reduction.

land use; ecosystem services; value; functions; model

F301.24

A

1001-8158（2014）10-0025-08

2014-08-30

2014-10-10

國土資源部公益性行業(yè)科研專項“典型區(qū)域土地資源數(shù)量-質(zhì)量-生態(tài)監(jiān)測及持續(xù)利用應用示范”（201211050）。

鐘莉娜（1989-），女，山東青島人，碩士研究生。主要研究方向為土地利用與生態(tài)過程。E-mail: zhong_lina@163.com

郭旭東（1972-），男，遼寧鐵嶺人，研究員。主要研究方向為土地生態(tài)學、土地利用變化與土地質(zhì)量。E-mail: sam9560@vip.sina.com.cn