花溪區(qū)土地利用/覆被變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響分析

楊家芳，蘭良鴻，周文龍

(1.貴州省山地資源研究所，貴州 貴陽 550001；2.貴州省山地資源研究所有限公司，貴州 貴陽 550001)

花溪區(qū)土地利用/覆被變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響分析

楊家芳1，蘭良鴻2，周文龍1

(1.貴州省山地資源研究所，貴州 貴陽 550001；2.貴州省山地資源研究所有限公司，貴州 貴陽 550001)

摘要：以花溪區(qū)遙感影像為數(shù)據(jù)源，通過影像解譯獲得了不同年份花溪區(qū)土地利用類型面積，對花溪區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進行了估算。通過土地系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)二者的耦合變化關(guān)系，探討了LUCC對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響過程。研究結(jié)果表明：①花溪區(qū)14年間林地、建設(shè)用地、其他用地均增加，耕地、草地、水域均減少；②生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值(ESV)增長了9 253.95萬元，主要原因是生態(tài)服務(wù)價值較高的林地面積的增加；③土地利用/覆蓋變化(LUCC)對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)影響具有差異性；④花溪區(qū)生態(tài)服務(wù)廢物處理項目和食物生產(chǎn)項目的ESV總體減少，主要原因是水域及耕地面積的減少，其中水域是具有廢物處理生態(tài)服務(wù)價值最高的土地類型，耕地是具有食物生產(chǎn)生態(tài)服務(wù)價值最高的土地類型；⑤敏感性分析表明花溪區(qū)內(nèi)的ESV對VC是缺乏彈性的，林地敏感性系數(shù)最大。

關(guān)鍵詞：土地利用/覆被變化；生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值；花溪區(qū)

收稿日期：2015-08-17

基金項目：國家自然科學基金(編號：41261038)資助

作者簡介：楊家芳(1987—)，女，貴州惠水人，布依族，研究實習員，主要從事土地利用數(shù)據(jù)分析與土地利用信息系統(tǒng)研究。

通訊作者：周文龍(1984—)，男，湖北鄂州人，助理研究員，主要從事遙感與生態(tài)治理等方面的研究。

中圖分類號：X171

文獻標識碼：A

文章編號：：1674-9944(2015)10-0008-05

1引言

土地利用/覆蓋變化(Land use and land cover change，簡稱LUCC)是全球環(huán)境研究的熱點和前沿問題，是人與自然交叉最為密切的環(huán)節(jié)。LUCC對大氣化學性質(zhì)及過程、土壤、生態(tài)多樣性、人口承載力等產(chǎn)生重要的影響，能夠引起許多生態(tài)過程和自然現(xiàn)象的變化，對維持生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能起著決定性的作用[1]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能又稱生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(Ecosystem Services)，包括自然生態(tài)系統(tǒng)，也包括人類改造的生態(tài)系統(tǒng)[2]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能是指生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過程所形成及所維持的人類賴以生存的自然環(huán)境的條件與效用[3]。對于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，國內(nèi)外有許多不同的分類體系。Costanza等將全球生物圈分為16大類，26小類，將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能劃分為17種功能，并以此對全球生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價值進行估算[2，3]。在Costanza的研究中存在對耕地的估算過高，濕地的估算過低等情況，基于上述原因，謝高地等學者結(jié)合我國土壤類型、地形特點，對Constanza的生態(tài)系統(tǒng)單價進行了修正得出的《我國不同生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值表》(表1)[4，5]。

我國是世界上脆弱生態(tài)類型最多、生態(tài)脆弱區(qū)分布面積最大、生態(tài)脆弱性表現(xiàn)最明顯的國家之一。我國生態(tài)脆弱區(qū)主要分布在西南山區(qū)、青藏高原等地區(qū)[7，8]。本文研究區(qū)域花溪區(qū)位于我國西南山區(qū)，是喀斯特石灰?guī)r巖溶山地區(qū)域，該區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱性表現(xiàn)為全年降水量大，融水侵蝕嚴重，而且?guī)r溶山地土層薄，成土過程緩慢，所以該區(qū)域生態(tài)環(huán)境一旦遭到破壞而形成大面積的巖石裸地，將很難再進行恢復。綜上可見，對花溪區(qū)LUCC動態(tài)度和生態(tài)價值評估意義重大。本文采用土地利用動態(tài)度分析花溪區(qū)的LUCC，通過土地系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)二者的耦合變化關(guān)系探討LUCC對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響過程。根據(jù)《我國不同生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值表》[4]，對花溪區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進行估算。本研究可以為花溪區(qū)相關(guān)部門開展生態(tài)環(huán)境保護工作提供決策支持，對確?；ㄏ獏^(qū)持續(xù)為貴陽市提供安全水源供應及喀斯特地貌的土地源可持續(xù)利用發(fā)展具有一定的意義。

2基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源與研究方法簡介

2.1　研究區(qū)概況

花溪區(qū)位于黔中腹地，距貴陽市市中心17 km。全區(qū)地貌以山地和丘陵為主，地處東經(jīng)106°27′～106°52′，北緯26°11′～26°34′。區(qū)域土地總面積976.84 km2。森林覆蓋率達到41.53%。花溪區(qū)年均氣溫14.9℃。平均年降雨量1 100～1 200 mm?；ㄏ獏^(qū)處于長江、珠江分水嶺和南明河上游，有大小河流55條、總長390 km。擁有松柏山水庫、花溪水庫兩座中型水庫，總庫容達7 140萬m3。

2.2　基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源

本文以遙感數(shù)據(jù)為主要來源，遙感數(shù)據(jù)包括1993年11月的TM影像(分別率30 m)，2001年4月(分辨率30 m)、2007年6月的是中巴資源衛(wèi)星影像(分辨率19.5 m)。在進行幾何糾正，大氣校正，配準和圖像增強，研究區(qū)域剪切等處理后，采用機助目視判讀的方法，提取出土地利用/覆被信息。以《貴陽市花溪區(qū)統(tǒng)計年鑒》為參考，校對提取出的土地利用數(shù)據(jù)。根據(jù)花溪區(qū)影像解譯情況，參照國家土地利用分類系統(tǒng)，將花溪區(qū)的土地利用類型劃分為耕地、草地、林地、建設(shè)用地、水域、其他用地六種類型[9]。

2.3　土地利用/覆被變化動態(tài)表達

土地利用動態(tài)變化包括土地利用類型的數(shù)量、質(zhì)量、組合方式隨時間的變化等[10]。土地利用動態(tài)度定量地描述了土地利用的變化速度，即研究區(qū)一定時間范圍內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量的變化情況。計算公式[10]為：

(1)

式(1)中：K為某土地利用類型的年變化率；T為研究時段，單位為年；Ua、Ub分別為研究初期、末期某一種土地利用類型的面積。

為了反映各類土地變化對區(qū)域土地利用變化影響的大小，采用研究區(qū)各類土地變化值占所有土地利用類型變化總絕對值的比例進行分析, 計算公式[10]為:

(2)

式(2)中：KiT為研究區(qū)在T時段內(nèi)，第i類土地類型的面積變化值占所有土地利用類型面積變化絕對值之和的比例；n為土地利用類型數(shù)量；i為某土地利用類型(i=1,2,…,n)；△UiT為某類土地在T時段內(nèi)的面化量。

2.4　生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值評估方法

根據(jù)花溪區(qū)的實際情況，將花溪區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能分為氣候調(diào)節(jié)、氣體調(diào)節(jié)、土壤形成與保護、水源涵養(yǎng)、廢物處理、食物生產(chǎn)、生物多樣性保護、原材料、娛樂休閑9項[4]。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的計算公式[7，8]為:

ESV=∑VCk×Ak

(3)

ESVf=∑VCfk×Ak

(4)

式(3)、(4)中：ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值(元)，ESVf為生態(tài)系統(tǒng)單項服務(wù)總價值(元)，VCk為生態(tài)價值系數(shù)(元/hm2·a)，VCfk為單項服務(wù)功能價值系數(shù)(元/hm2·a)；Ak則為研究區(qū)域內(nèi)K種土地利用類型的分布面積(hm2)。

2.5　敏感性分析方法

敏感性指數(shù)(coefficient of sensitivity，簡稱CS)是指生態(tài)價值系數(shù)(VC)變動1%引起ESV的變化情況[10，11]。如果CS<1，說明ESV對VC缺乏彈性，反之CS>1，則說明ESV對VC是富有彈性的。計算公式[5]如下：

(5)

式(5)中：i表示調(diào)整前生態(tài)服務(wù)價值系數(shù)，j表示調(diào)整后生態(tài)服務(wù)價值系數(shù)。

3結(jié)果分析

3.1　土地利用/覆蓋變化

本文以2001年為界，將研究區(qū)分為兩個時期，即前一時期(1993～2001年)和后一時期(2001～2007年)。由表2及表3可以看出：在研究區(qū)間內(nèi)花溪區(qū)各類土地利用面積隨時間推移呈不同程度的增減變化，耕地、草地、水域總體上有所減少，林地、建設(shè)用地、未利用地總體上有所增加。14年間各類土地利用類型變化情況具體如下：耕地持續(xù)減少了9.978×103hm2，后一時期的土地利用減少速率較前一時期土地利用的減少速度緩慢，K為-1.43%，KiT為-43.11%。林地呈持續(xù)增長了8.944×103hm2，K為1.74%，KiT為38.64%，三個研究時間點中林地面積占土地總面積比例均居35%以上。據(jù)國內(nèi)外有關(guān)資料[11，12]，要使巖溶山區(qū)的生態(tài)環(huán)境處于良好循環(huán)，森林覆蓋率至少要達30%。由此可見，三個研究時間點中，花溪區(qū)生態(tài)系統(tǒng)處于良好循環(huán)狀態(tài)。草地則呈先增加后減少趨勢，減少了1.327×103hm2，前一時期草地土地利用的增加速度為2.33%，后一時期減少速率為3.65%，K為-1.14%，KiT為-5.73%。水域續(xù)減少了2.66×102hm2，后一時期土地利用減少速率較前一時期緩慢，K為-1.67%，KiT為-1.15%。建設(shè)用地持續(xù)增加了2.518×103hm2，動態(tài)度最大，為10.99 %，KiT為10.88%。

除此之外，花溪區(qū)在前一時期中耕地面積的減少，林地、草地面積的增加，與國家1998年頒布的實施“天然林保護工程”和“退耕還林還草”政策實施有關(guān)。

表2　花溪區(qū)各土地利用類型面積及結(jié)構(gòu)變化

3.2　花溪區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

本文利用ArcGIS軟件中的空間疊加分析(Spacial Overlap Analysis)功能，對土地利用類型結(jié)構(gòu)和演化規(guī)律做進一步分析，得出1993～2007年間花溪區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣(表4)。

表3　花溪區(qū)各土地利用類型動態(tài)度　%

表4　1993～2007年間花溪區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣　km2

表4可以得出：從1993～2007年，花溪區(qū)土地利用類型之間的相互轉(zhuǎn)化主要是：耕地、林地、草地和建設(shè)用地。耕地主要轉(zhuǎn)換為林地、草地和建設(shè)用地，其中耕地38.56%轉(zhuǎn)換為了林地，4.83%轉(zhuǎn)換成了草地，4.57%轉(zhuǎn)換成了建設(shè)用地；林地主要轉(zhuǎn)換為耕地、草地和建設(shè)用地，其中林地26.11%轉(zhuǎn)換成了耕地，9.79%轉(zhuǎn)換成了草地，1.77%轉(zhuǎn)換成了建設(shè)用地；上述分析得出：建設(shè)用地主要來源于耕地。

3.3　土地利用/覆被變化的空間體現(xiàn)

從圖1：1993年花溪區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖、圖2：2001年花溪區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖、圖3：2007年花溪區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖中分別可以直觀地看出各土地利用類型的空間分布狀態(tài)。與此同時，對圖1、圖2、圖3各地類土地利用/覆蓋狀況作對比分析，大體上可以直觀看出：花溪區(qū)西北、西南面林地有所增加，中部花溪鄉(xiāng)建設(shè)用地有所增加等。

表5　花溪區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值及其價值構(gòu)成變化

3.4　生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值變化

根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的計算公式(3)和表2研究區(qū)三個階段各土地利用類型的面積，計算土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值(表4)。從價值構(gòu)成來看，林地的生態(tài)價值最高，呈持續(xù)增長的狀態(tài)，比重一直處于60%以上。其次是耕地的生態(tài)價值，呈持續(xù)減少狀態(tài)，比重一直處于20%以上。三個階段中，林地和耕地的生態(tài)價值之和均占總價值比例的90%以上。綜上得出：林地和耕地是該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的主體。此外，從表4可以看出：1993年ESV為111 320.44萬元，2001年ESV為113 615.80萬元，2007年為120 574.39萬元，14年間ESV增長了9 253.95萬元，主要是因為生態(tài)服務(wù)價值較高的林地面積的增加所致。

3.5　區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)單項服務(wù)功能價值變化

從表6可知，生態(tài)服務(wù)項目中除了廢物處理和食物生產(chǎn)ESV總體上有所減少外，其他的ESV都有所增加。廢物處理ESV總體上有所減少的原因是具有廢物處理生態(tài)服務(wù)價值最高的水域面積總體上有所減少。食物生產(chǎn)ESV的減少主要原因是具有食物生產(chǎn)生態(tài)服務(wù)價值最高的耕地面積的減少。從生態(tài)服務(wù)項目所占生態(tài)服務(wù)價值比重看出：土壤形成與保護所占比重居首位占18%以上，其次是水源涵養(yǎng)占14%以上。

表6　花溪區(qū)單項服務(wù)功能生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化

3.6　敏感性分析

本文借用敏感性指數(shù)是為了驗證生態(tài)價值系數(shù)的準確性及花溪區(qū)ESV隨時間變化對VC變化的依賴程度。為了計算方便，本文將土地利用類型的生態(tài)價值系數(shù)VC分別上下調(diào)整50%，并結(jié)合公式(5)分析某類土地利用類型生態(tài)價值系數(shù)VC的變化對整體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化的重要程度，從而來分析ESV對VC的敏感程度。計算出各類土地的生態(tài)價值敏感指數(shù)見表7。計算結(jié)果表明：研究區(qū)內(nèi)的ESV對VC的敏感性系數(shù)小于1，說明ESV對VC是缺乏彈性的，研究結(jié)果可信。敏感性系數(shù)從大到小依次為林地、耕地、草地、水域，最大值為 0.64～0.73。

表7　各土地類型的生態(tài)價值敏感指數(shù)

4結(jié)論

(1)花溪區(qū)14年間林地、建設(shè)用地、其他用地均增加，耕地、草地、水域均減少，LUCC的變化引起生態(tài)服務(wù)總價值(ESV)增長了9253.95萬元，主要是因為生態(tài)服務(wù)價值較低的土地利用類型轉(zhuǎn)向了生態(tài)服務(wù)價值較高的林地。

(2)花溪區(qū)生態(tài)服務(wù)廢物處理項目和食物生產(chǎn)項目的ESV總體減少，主要原因是水域及耕地面積的減少，其中水域是具有廢物處理生態(tài)服務(wù)價值最高的土地類型，耕地是具有食物生產(chǎn)生態(tài)服務(wù)價值最高的土地類型。

(3)敏感性分析說明研究區(qū)內(nèi)的ESV對VC缺乏彈性。

綜上研究結(jié)果得出，花溪區(qū)LUCC的變化雖然引起總生態(tài)價值(ESV)增長，與此同時也導致耕地、草地及水域面積的減少?；ㄏ獏^(qū)是國家級生態(tài)示范區(qū), 也是貴陽市重要的水源保護區(qū)。針對水域面積減少的情況，花溪區(qū)相關(guān)部門應實施相應措施加強水域的保護，以確?；ㄏ獏^(qū)持續(xù)為貴陽市提供安全水源供應及喀斯特地貌的土地資源可持續(xù)利用發(fā)展。

本研究也存在以下兩點不足，需要進一步完善：

(1)本文未對建設(shè)用地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值作估算，原因是目前還沒有更科學更準確的方法來評價建設(shè)用地生態(tài)服務(wù)價值，故本文花溪區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的存在一定的誤差。

(2)本文根據(jù)《我國不同生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值表》[4]對花溪區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進行評估，對生態(tài)系統(tǒng)空間差異性等因素考慮不夠，不能完全客觀地反映特定區(qū)域的生態(tài)服務(wù)價值，有待開展進一步深入的研究。

參考文獻：

[1]樊宏,張建平.岷江上游半干旱河谷土地利用/土地覆蓋研究[J].中國沙漠,2002,22(3)：273～278.

[2]李文華.生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值評估的理論、方法與應用[M].北京：中國人民大學出版社,2008.

[3]Costanza R, D’Arge R, De Groot R,et a1. The Value of the World’s Ecosystem Services and Natural Capital[J].Nature,1997,38(7)：253～260.

[4]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):180～196.

[5]喻建華,高中貴,張露,等.昆山市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化研究[J].長江流域資源與環(huán)境,2005,14(2):213～217.

[6]孫東琪,張京祥,朱傳耿,等.在中國生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化態(tài)勢及其空間分異分析[J].地理學報,2012，62(12):1 599～1 610.

[7]環(huán)境保護部.全國生態(tài)脆弱區(qū)保護規(guī)劃綱要 環(huán)發(fā)[2008]92號[R]北京：環(huán)境保護部，2008.

[8]覃小群，蔣忠誠．廣西巖溶縣的生態(tài)環(huán)境脆弱性評價[J].地球與環(huán)境，2005，33(2)：45～51．

[9]朱會義,李秀彬.關(guān)于區(qū)域土地利用變化指數(shù)模型方法的討論[J].地理學報,2003,58(5)：643～650.

[10]王亞娟,劉小鵬,趙大磊.基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的固原市市轄區(qū)土地利用規(guī)劃環(huán)境影響評價[J].水土保持研究,2010,17(3).

[11]羅俊,王克林,陳洪松.喀斯特地區(qū)土地利用變化的生態(tài)服務(wù)功能價值響應[J].水土保持通報,2008,28(1)：19～24.

[12]廣西壯族自治區(qū)地方志編纂委員會.廣西通志.巖溶志[M].桂林：廣西人民出版社，2000