申海建
(湖南省測(cè)繪科技研究所, 長(zhǎng)沙 410004)
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石門縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值對(duì)LUCC的響應(yīng)分析
申海建
(湖南省測(cè)繪科技研究所, 長(zhǎng)沙 410004)
LUCC對(duì)維持生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能起決定性的作用,是全球環(huán)境研究的熱點(diǎn)和前沿問(wèn)題。采用Costanza生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值計(jì)算方法,在對(duì)石門縣生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)進(jìn)行修正的基礎(chǔ)上,探討了石門縣2001—2013年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值對(duì)LUCC的響應(yīng)情況,并構(gòu)建灰色模型對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。結(jié)果表明:(1) 研究期內(nèi),石門縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化分兩個(gè)階段:第一階段是上升階段,從2001年的6.500 7×109元增加到2004年的6.519 9×109元,第二階段是下降階段,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值從2004年的6.519 9×109元持續(xù)下降到2013年的6.507 6×109元。(2) 根據(jù)預(yù)測(cè)出的石門縣2016—2025年各類土地利用數(shù)量情況,得到2025年石門縣ESV將減少到6.464 1×109元。同時(shí)生態(tài)系統(tǒng)單項(xiàng)服務(wù)價(jià)值出現(xiàn)有增有減的趨勢(shì),其中氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、土壤形成與保護(hù)、原材料價(jià)值出現(xiàn)下降趨勢(shì),而水源涵養(yǎng)、廢物處理、生物多樣性保護(hù)、食物生產(chǎn)、娛樂(lè)文化價(jià)值出現(xiàn)上升趨勢(shì)。該文為石門縣土地利用與環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。
LUCC; 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值; GM(1,1)模型; 石門縣
隨著全球變化研究工作的深入,土地利用/土地覆蓋的變化(Land-use and land-cover change,LUCC)研究逐漸成為全球環(huán)境變化研究的重要領(lǐng)域,是全球環(huán)境研究的熱點(diǎn)和前沿問(wèn)題[1]。土地利用/土地覆蓋變化影響到氣候、土壤、植被、水文與生物多樣性等方面,與全球生態(tài)環(huán)境演變以及人類與環(huán)境之間相互作用的可持續(xù)性等密切相關(guān),是所有與可持續(xù)發(fā)展相關(guān)問(wèn)題的核心。近年來(lái)各個(gè)國(guó)家、組織、研究團(tuán)體乃至個(gè)人都根據(jù)自己面對(duì)的研究對(duì)象、問(wèn)題和區(qū)域特點(diǎn)進(jìn)行了大量的研究,其中一個(gè)重要的方面就是研究LUCC時(shí)空變化、動(dòng)力機(jī)制和環(huán)境效應(yīng),同時(shí)開展了許多案例研究,包括全球尺度上開展的LUCC對(duì)全球氣候變化的影響,區(qū)域尺度上的研究土地退化、水文過(guò)程、土壤環(huán)境、生物多樣性等效應(yīng)方面,局地尺度上進(jìn)行的地方生態(tài)環(huán)境變化的研究。而且土地利用與土地覆蓋作為一種人類的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng),也是人類對(duì)全球變化所做出的反映的一種方式,其通過(guò)改變生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,對(duì)維持生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能起決定性的作用[2]。
國(guó)外學(xué)者在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值對(duì)LUCC的響應(yīng)分析方面做了大量的理論研究和實(shí)證分析[3-7],國(guó)內(nèi)研究者也從不同尺度進(jìn)行了積極探討,如彭建、伍星等[8-9]探討了喀斯特山區(qū)和長(zhǎng)江上游地區(qū)的土地利用/覆被變化情況,謝高地、何浩等[10-13]則重點(diǎn)研究了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值測(cè)量的方法,鄭江坤、徐庭慎、李偲、湯潔、劉永強(qiáng)、郭榮中等[14-19]都從不同角度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值對(duì)LUCC的響應(yīng)進(jìn)行了分析,取得了較豐富的研究成果。但是較多學(xué)者都是著眼于國(guó)家、區(qū)域、省域、單一生態(tài)系統(tǒng)等大尺度開展研究的,而較少?gòu)目h域尺度開展研究。因此,本文選取武陵山區(qū)的湖南省石門縣為研究對(duì)象,研究2001—2013年13 a間石門縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值對(duì)土地利用變化的響應(yīng),并采用灰色預(yù)測(cè)模型對(duì)2016—2025年的土地利用變化進(jìn)行模擬預(yù)測(cè),進(jìn)而對(duì)同期的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行預(yù)測(cè),可為石門縣進(jìn)行土地資源空間優(yōu)化布局與合理調(diào)整提供參考依據(jù)。
石門縣隸屬于湖南省常德市,屬于武陵山區(qū),澧水中游,地處武陵山區(qū)向洞庭湖平原過(guò)渡地帶,地形呈現(xiàn)彎把葫蘆狀,地勢(shì)自西向東傾斜,西北部群山疊翠,東南部為丘陵平原。地處東經(jīng)110°29′—111°33′,北緯29°16′—30°08′。下轄43個(gè)居委會(huì),8個(gè)鄉(xiāng),11個(gè)鎮(zhèn)。東連澧縣、臨澧縣,南接慈利縣、桃源縣,西抵桑植縣、湖北省鶴峰縣,北毗湖北省五峰縣、松滋市。2013年末,土地總面積3 970.13 km2;總?cè)丝?6.64萬(wàn)人,其中城鎮(zhèn)人口9.90萬(wàn)人,農(nóng)村人口56.74萬(wàn)人;地區(qū)生產(chǎn)總值180.56億元,其中第一產(chǎn)業(yè)33.26億元,第二產(chǎn)業(yè)78.18億元,第三產(chǎn)業(yè)69.12億元,第一、二、三產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比例為18.42∶43.30∶38.28,人均GDP為30 054元;屬中亞熱帶向亞熱帶過(guò)渡的季風(fēng)氣候區(qū),境內(nèi)年平均氣溫16.70℃,最冷的一月平均氣溫5℃,最熱的七月,平均氣溫28.6℃,全年無(wú)霜期282 d,日照1 646.9 h,年平均降雨量1 540 mm。
2.1研究方法
2.1.1土地利用變化分析土地利用動(dòng)態(tài)變化度可定量描述區(qū)域內(nèi)各類型土地利用變化的速度[20]。單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度(K)的表達(dá)式為:
(1)
式中:Ua和Ub代表研究期初和期末某種土地利用類型的數(shù)量;T代表研究時(shí)段長(zhǎng),一般設(shè)定為年。
2.1.2生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)價(jià)方法根據(jù)Costanza[10]和謝高地等[11]的研究成果可知,湖南省生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)修正為1.95。根據(jù)石門縣2001—2013年平均糧食產(chǎn)量為4 900.71 kg/hm2,為同期湖南省平均糧食產(chǎn)量5 717.42 kg/hm2的0.857 7倍,由此將石門縣農(nóng)田生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)進(jìn)一步修正為1.672 5。糧食單價(jià)取2013年常德市域范圍糧食平均價(jià)格2.09元/kg,根據(jù)1個(gè)生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量經(jīng)濟(jì)價(jià)值等于同期石門縣平均糧食單產(chǎn)市場(chǎng)價(jià)值的1/7為計(jì)算依據(jù),得出石門縣農(nóng)田自然糧食產(chǎn)量的經(jīng)濟(jì)價(jià)值約為1 460.83元/hm2。由此計(jì)算出石門縣不同生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值(表1)。
2.1.3生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值計(jì)算方法在土地利用類型與生態(tài)系統(tǒng)類型及價(jià)值的對(duì)應(yīng)原則如下:耕地與農(nóng)田對(duì)應(yīng);園地取森林和草地的平均值(園地主要包括果園、桑園、茶園、其他園地);林地與森林對(duì)應(yīng);未利用土地對(duì)應(yīng)荒漠(原未利用土地包括荒草地、鹽堿地、沼澤地、沙地、裸土地、裸巖石礫地、田坎、其他。本文對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理時(shí),將荒草地計(jì)入草地;沼澤地計(jì)入濕地;田坎計(jì)入耕地。扣除上述三種地類后剩下的鹽堿地、沙地、裸土地、裸巖石礫地、其他之和為未利用土地面積);居民點(diǎn)及工礦用地、交通用地對(duì)應(yīng)建設(shè)用地,建設(shè)用地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值取為0。并據(jù)此測(cè)算出各類土地利用類型單位面積年度生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值(VCk)。則生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(ESV)和生態(tài)系統(tǒng)單項(xiàng)服務(wù)價(jià)值(ESVf)的計(jì)算公式為:
(2)
(3)
式中:Ak代表研究區(qū)域k種土地利用類型的面積(hm2);VCk代表單位面積上土地利用類型k的生態(tài)系統(tǒng)單項(xiàng)服務(wù)價(jià)值(元/hm2)。
表1 石門縣生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值表 元/hm2
2.1.4敏感性分析方法本文引入敏感性指數(shù)(Coefficient of Sensitivity,CS)來(lái)反映ESV對(duì)VC變化的依賴程度。敏感性指數(shù)(CS)計(jì)算方法如下:
(4)
式中:i和j代表初始價(jià)值和生態(tài)價(jià)值系數(shù)調(diào)整后的價(jià)值;當(dāng)CS<1,表明ESV對(duì)于VC是缺乏彈性的,反之當(dāng)CS>1,表明ESV對(duì)于VC是富有彈性的。
2.1.5土地利用對(duì)生態(tài)服務(wù)價(jià)值影響預(yù)測(cè)灰色GM(1,1)模型是通過(guò)獨(dú)特的數(shù)據(jù)處理即數(shù)據(jù)累加生成方法建立一階線性微分方程模型進(jìn)行單因素預(yù)測(cè),可以取得較好的預(yù)測(cè)結(jié)果[21]。推導(dǎo)出的模型如下:
(5)
(6)
式中:a和u為常數(shù)。本文為了預(yù)測(cè)在未來(lái)研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值對(duì)LUCC的響應(yīng)情況,首先利用灰色GM(1,1)模型對(duì)石門縣各類土地利用類型面積在2016—2025年期間的變化進(jìn)行預(yù)測(cè),并計(jì)算出2016—2025年石門縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值;同時(shí)對(duì)石門縣生態(tài)系統(tǒng)單項(xiàng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行了預(yù)測(cè)。
2.2數(shù)據(jù)來(lái)源
本研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源于湖南省國(guó)土資源廳關(guān)于石門縣的2001—2013年土地變更調(diào)查和第二次土地調(diào)查成果。一級(jí)地類9個(gè),分別是耕地、園地、林地、草地、濕地、居民點(diǎn)及工礦用地、交通用地、水域、未利用土地。社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于同期湖南統(tǒng)計(jì)年鑒[22]。
3.1土地利用動(dòng)態(tài)變化
石門縣土地利用類型面積變化見表2,2001—2013年,在土地面積增減方面:石門縣內(nèi)除水域外,其余各類土地利用均發(fā)生了較大的變化。園地、林地、居民點(diǎn)及工礦用地、交通用地面積是增加的,分別增加了354.28,1 093.69,486.20,162.79 hm2;其中林地增加居首位。耕地、草地、濕地、水域、未利用土地面積凈減,分別減少了710.92,1 247.20,60.61,1.83,76.40 hm2;其中草地減少最多,其次是耕地。在變化幅度方面:草地變化幅度最大,高達(dá)-7.41%;其次是交通用地和濕地,分別為4.47%和-4.42%;最小的是水域,僅為-0.011 3%。石門縣耕地、草地、濕地、水域用地持續(xù)減少,建設(shè)用地不斷增加,這與縣域經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展,城市化水平不斷提高,居民點(diǎn)及工礦用地、交通用地不斷占用其他土地;以及園地和林地面積凈增加與退耕還林政策、大力推廣優(yōu)質(zhì)石門蜜桔產(chǎn)業(yè)化的宏觀背景密切相關(guān)。
3.2生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值和生態(tài)系統(tǒng)單項(xiàng)服務(wù)價(jià)值變化
運(yùn)用表1和表2,根據(jù)式(2),估算了2001—2013年石門縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值(表3)。從表3可知:研究期間石門縣的ESV呈先上升后下降的趨勢(shì)。從2001年的6.500 7×109元增加到2004年的6.519 9×109元,之后持續(xù)減少到2013年的6.507 6×109元,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值凈增加6.889×106元。其中耕地、草地、濕地、水域、未利用土地ESV減少,其減少量分別是7.176×106元、7.887×106元、3.320×106元、7.3×104元、2.8×104元。園地、林地ESV增加,其增加量為4.501×106元、2.087 3×107元。
根據(jù)式(3),計(jì)算出2001—2013年石門縣生態(tài)系統(tǒng)單項(xiàng)服務(wù)價(jià)值(表4)。從表4可知:在研究期間氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)、土壤形成與保護(hù)、生物多樣性保護(hù)、原材料、娛樂(lè)文化等七項(xiàng)功能價(jià)值有所增加,其中原材料價(jià)值增加最多,其次是氣體條件和生物多樣性保護(hù)。廢物處理、食物生產(chǎn)功能價(jià)值凈減少,減少量分別為2.5×106元和1.2×106元,分別少總量的66.81%和33.19%。
表2 石門縣土地利用類型面積變化和動(dòng)態(tài)度
表3 石門縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化
表4 石門縣生態(tài)系統(tǒng)單項(xiàng)服務(wù)功能價(jià)值變化
3.3生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的敏感性分析
根據(jù)式(4),同時(shí)將各類型土地的生態(tài)價(jià)值系數(shù)分別上下調(diào)整50%,計(jì)算出石門縣2001—2013年各種土地利用類型的敏感性指數(shù)(表5)。由計(jì)算結(jié)果可知:各種情況下價(jià)值系數(shù)的敏感性指數(shù)都小于l,這說(shuō)明石門縣ESV對(duì)于VC是缺乏彈性的,價(jià)值系數(shù)適用于石門縣,分析結(jié)果是可信的。
3.4土地利用及其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值預(yù)測(cè)
3.4.1土地利用預(yù)測(cè)利用灰色GM(1,1)模型即式(5)、式(6),以2001—2013年石門縣土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),預(yù)測(cè)2016—2025年土地利用類型面積變化情況,并對(duì)2016—2025年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行分析,預(yù)測(cè)模型見表6。由表6可知,不同類型土地預(yù)測(cè)模型精確度均較高,其中耕地預(yù)測(cè)模型平均誤差最小,僅為0.05%,所有預(yù)測(cè)模型平均誤差都小于3%[21],這表明預(yù)測(cè)模型可信度高。
表5 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值敏感性指數(shù)變化
表6 石門縣不同類型土地的預(yù)測(cè)模型
注:式中e為常量,其值為2.718 28;t為各類土地變動(dòng)的預(yù)測(cè)時(shí)間,t=1,2,…,n,下同。
3.4.2生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值預(yù)測(cè)從表7的預(yù)測(cè)結(jié)果可以看出:園地、林地、草地、濕地面積出現(xiàn)不同程度減少,變化率分別達(dá)到-1.09%,-0.61%,-0.32%,-3.06%;耕地、居民點(diǎn)及工礦用地、交通用地、水域、未利用土地面積出現(xiàn)不同程度增加,變化率分別達(dá)到1.71%,3.43%,4.40%,0.44%,0.71%。同時(shí)可知:石門縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值由2016年的6.486 4×109元下降到2025年的6.464 1×109元,降幅達(dá)2.23%,與2013年相比,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值下降了4.35×107元,2013—2025年石門縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值年均下降3.3×106元。
從2016—2025年各種土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化可以看出:耕地、水域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值出現(xiàn)上升,分別為9.5×106元和2.9×106元。林地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量下降最大,達(dá)到3.00×107元,占土地生態(tài)服務(wù)價(jià)值下降量的86.10%;其次是園地和濕地,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值分別下降了2.3×106元和2.2×106元,占土地生態(tài)服務(wù)價(jià)值下降量的6.67%和6.28%;草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值下降了3.0×105元,所占土地生態(tài)服務(wù)價(jià)值下降量的比例為0.91%。
表7 石門縣不同類型土地面積及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值預(yù)測(cè)值
3.4.3生態(tài)系統(tǒng)單項(xiàng)服務(wù)價(jià)值預(yù)測(cè)利用灰色GM(1,1)模型即式(5)、式(6),預(yù)測(cè)2016—2025年生態(tài)系統(tǒng)單項(xiàng)服務(wù)價(jià)值。預(yù)測(cè)模型見表8,預(yù)測(cè)結(jié)果見表9。由表9可以看出,在2016—2025年,石門縣生態(tài)系統(tǒng)單項(xiàng)服務(wù)價(jià)值出現(xiàn)有增有減的趨勢(shì),其中氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、土壤形成與保護(hù)、原材料價(jià)值出現(xiàn)下降趨勢(shì),而水源涵養(yǎng)、廢物處理、生物多樣性保護(hù)、食物生產(chǎn)、娛樂(lè)文化價(jià)值出現(xiàn)上升趨勢(shì)。
表8 石門縣生態(tài)系統(tǒng)單項(xiàng)服務(wù)價(jià)值預(yù)測(cè)模型
表9 石門縣生態(tài)系統(tǒng)單項(xiàng)服務(wù)功能價(jià)值預(yù)測(cè)值
(1) 石門縣土地利用情況在2001—2013年發(fā)生了較大變化,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值呈先上升后持續(xù)下降的變化趨勢(shì):從2001年的6.500 7×109元增加到2004年的6.519 9×109元,之后持續(xù)下降到2013年的6.507 6×109元。
(2) 利用灰色GM(1,1)模型,對(duì)2016—2025年石門縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值和生態(tài)系統(tǒng)單項(xiàng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行預(yù)測(cè)。結(jié)果表明:2016—2025年石門縣ESV呈持續(xù)小幅下降趨勢(shì);至2025年,將下降到6.464 1×109元;同時(shí)生態(tài)系統(tǒng)單項(xiàng)服務(wù)價(jià)值出現(xiàn)有增有減的趨勢(shì),其中氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、土壤形成與保護(hù)、原材料等四項(xiàng)單項(xiàng)服務(wù)價(jià)值出現(xiàn)下降趨勢(shì),而水源涵養(yǎng)等其他五項(xiàng)單項(xiàng)服務(wù)價(jià)值出現(xiàn)上升趨勢(shì)。呼吁石門縣人民政府必須加強(qiáng)落實(shí)最嚴(yán)格的耕地保護(hù)、節(jié)約用地和水資源保護(hù)制度,合理開發(fā)利用自然資源,促進(jìn)資源節(jié)約集約利用,真正落實(shí)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的各項(xiàng)建設(shè),走可持續(xù)發(fā)展的必由之路。
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Analysis of Response of Ecosystem Service Value to LUCC in Shimen County
SHEN Haijian
(InstituteofMappingofHu′nanProvince,Changsha410004,China)
Land use/cover change plays a decisive role in the ecosystem services function, which is a hot and frontier issue in the global environment. In the present study, the effects of land use change are discussed based on the obtained values of ecosystem services in Shimen County from 2001 to 2013, and the change trend of land use change is predicted by the methods that the values of ecosystem services proposed by Costanza (ESV) are calculated with regard to the value coefficients of ecosystem services per unit area in the Chinese terrestrial ecosystem, as well as the Gray Model (1,1). The results showed that: (1) during the studied period, the value of ecosystem services in Shimen County was divided into two stages: the first phase was the rising phase that the value increased from 6.500 7×109yuan in 2001 to 6.519 9×109yuan in 2004, the second stage was the declining stage that the value of ecosystem services declined from 6.519 9×109yuan in 2004 to 6.507 6×109yuan in 2013; (2) according to the forecast of the amount of land use in Shimen County 2016 to 2025, ESV of Shimen County in 2025 will be reduced to 6.464 1×109yuan. At the same time, the value of ecosystem services is sometimes increasing or decreasing, while the values of gas regulation, climate regulation, soil formation and protection, and raw materials are reduced, and the values of water conservation, waste treatment, biological diversity protection, food production, entertainment and culture appear to rise. This paper can provide scientific basis and technical support for land use and environmental protection in Shimen County.
LUCC; ecosystem service value; GM(1,1) model; Shimen County
2015-09-25
2015-10-07
湖南省教育廳科研項(xiàng)目“基于PSR模型的長(zhǎng)株潭城市群生態(tài)安全評(píng)價(jià)關(guān)鍵技術(shù)研究”(15C0014)
申海建(1978—),男(土家族),湖南石門人,高級(jí)工程師,主要從事土地利用與規(guī)劃研究。E-mail:78482490@qq.com
F301.24;X171.1
A
1005-3409(2016)04-0110-06