陳永春, 鄧國(guó)志
土地是人類賴以生存的基礎(chǔ),土地利用作為人類最基本的實(shí)踐活動(dòng),人類發(fā)展的歷史就是不斷對(duì)土地加以開(kāi)發(fā)利用和對(duì)土地覆蓋進(jìn)行改造的歷史[1]。隨著各類開(kāi)發(fā)活動(dòng)對(duì)土地利用方式產(chǎn)生的影響日益廣泛,土地利用/土地覆被變化(LUCC)不僅帶來(lái)了地表結(jié)構(gòu)的巨大變化,而且對(duì)生態(tài)服務(wù)造成重要的影響。全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化等問(wèn)題越來(lái)越被人們關(guān)注,并且逐漸成為全球研究的熱點(diǎn)之一[2]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組成與生態(tài)過(guò)程所形成及維持的人類賴以生存的自然環(huán)境條件及效用[3-4]。土地利用變化會(huì)引起相關(guān)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生變化,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(ecosystem service values, ESV)也隨之改變。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的喪失和退化影響著土地利用結(jié)構(gòu)和效率,嚴(yán)重影響著人類安全與健康,直接威脅著區(qū)域乃至全球的生態(tài)安全[5]。因此,在資源開(kāi)發(fā)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的大背景下,研究土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響,對(duì)于識(shí)別區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化趨勢(shì)、指導(dǎo)土地利用格局優(yōu)化調(diào)整、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)—社會(huì)—生態(tài)三者之間的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[6-8]。自20世紀(jì)70年代起,國(guó)外眾多學(xué)者[9-14]對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的理論、評(píng)價(jià)、估算和應(yīng)用進(jìn)行了大量的探索和研究,其中Costanza[9]研究提出的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的核算方法為定量評(píng)估土地利用/覆蓋變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響提供了有效途徑。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的研究進(jìn)程相對(duì)較晚,從20個(gè)世紀(jì)90年代開(kāi)始,國(guó)內(nèi)學(xué)者借鑒了國(guó)外的研究成果和經(jīng)驗(yàn),并取得了一定的成就國(guó)內(nèi)學(xué)者[15-22]也開(kāi)展了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)價(jià)模型和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)等研究。謝高地等[15-18]在參照美國(guó)科學(xué)家Costanza部分成果的基礎(chǔ)上.制定出符合中國(guó)實(shí)際的生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)。近些年來(lái),學(xué)者們開(kāi)始研究土地利用變化過(guò)程中的生態(tài)環(huán)境效應(yīng).但其中大多局限于對(duì)生態(tài)效益的定性分析.對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行定量分析的鮮見(jiàn)報(bào)道,尤其對(duì)受人類干預(yù)較大,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)單一,典型資源型城市土地利用變化過(guò)程中的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)綜合研究更少?;茨鲜惺且粋€(gè)典型以煤炭為支柱產(chǎn)業(yè)的資源型城市,煤炭資源極為豐富,擁有中國(guó)東南地區(qū)資源條件最好、規(guī)模最大的煤田,是中國(guó)6大煤電基地之一。與此同時(shí),淮南市地處淮河平原,是我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地。由于淮南地區(qū)煤層埋藏較深,且潛水位較高,煤炭長(zhǎng)期持續(xù)開(kāi)采,導(dǎo)致地表沉陷,區(qū)域土地利用類型發(fā)生變化,生態(tài)系統(tǒng)類型發(fā)生轉(zhuǎn)變(由陸地生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)樗懮鷳B(tài)系統(tǒng)),導(dǎo)致地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能發(fā)生變化,進(jìn)而影響整個(gè)地區(qū)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。本研究以淮南市為研究區(qū)域,以土地利用遙感解譯數(shù)據(jù)為信息源,以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值為量化指標(biāo),通過(guò)測(cè)算出淮南市10 a間的生態(tài)服務(wù)價(jià)值的變化量,揭示該區(qū)的自然生態(tài)環(huán)境的變化情況,為淮南市生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù),同時(shí)也對(duì)淮南市今后進(jìn)行城市開(kāi)發(fā)建設(shè)和農(nóng)業(yè)發(fā)展提供參考。
淮南市位于淮河中游,安徽省中部偏北,地處東經(jīng)116°21′—117°11′,北緯32°32′—32°56′。地形多樣,地勢(shì)南高北低。土地利用類型以耕地為主,水域和工礦用地面積達(dá)到土地總面積20%以上,而林地及草地相對(duì)較少。淮南屬大陸性暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,氣候溫和,雨量適中,日照充足,四季分明。2011年淮南市國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值達(dá)到709.54億元,同比增長(zhǎng)17%。人口為245.6萬(wàn),其中農(nóng)業(yè)人口為131.9萬(wàn)。
土地利用變化數(shù)據(jù)是以中國(guó)遙感衛(wèi)星地面站2000和2010年Landsat TM衛(wèi)星影像為數(shù)據(jù)源(分辨率為30 m)。以橫軸墨卡托投影建立地理坐標(biāo)系統(tǒng),將兩期TM衛(wèi)星影像與研究區(qū)地形圖進(jìn)行幾何精校正。
土地利用調(diào)查表明淮南地區(qū)的未利用土地?cái)?shù)量較少,且使用的Landsat遙感數(shù)據(jù)空間分辨率受限,無(wú)法將未利用土地單獨(dú)區(qū)分。因此,本研究在參照中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)的土地利用類型分類基礎(chǔ)上,將未利用土地納入到耕地,即將土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地5大類。
主要包括: ①根據(jù)遙感影像,參照研究區(qū)地形圖、野外GPS點(diǎn)位及其它輔助資料,建立五種不同地類解譯標(biāo)志。②在ERDAS軟件支持下,對(duì)影像進(jìn)行監(jiān)督分類及柵格矢量轉(zhuǎn)換,形成初步分級(jí)的coverage圖件。③借助ARC/INFO操作命令,將人工勾繪及拓?fù)涑蓞^(qū)后coverage圖件轉(zhuǎn)換成ARCGIS可編輯的shape文件。④在ARCGIS中,根據(jù)地類的解譯標(biāo)志,進(jìn)行人機(jī)交互式判讀解譯,對(duì)shape文件的土地利用類型代碼進(jìn)行屬性賦值,制作形成2000,2010年的土地利用/覆蓋分布圖(圖1)。
圖1 淮南市2000,2010年土地利用解譯結(jié)果
為了定量反映研究時(shí)段內(nèi),研究區(qū)域某種土地利用類型的數(shù)量變化,本研究引入土地利用類型動(dòng)態(tài)度(K)進(jìn)行描述,其計(jì)算公式為:
(1)
式中:K——研究時(shí)段內(nèi)某一土地利用類型動(dòng)態(tài)度,即該研究區(qū)某種土地利用類型年變化率;Ua,Ub——研究初期及研究末期某一種土地利用類型的數(shù)量;T——研究時(shí)段長(zhǎng)(a)。
自20世紀(jì)70年代起,人類就開(kāi)始對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其價(jià)值進(jìn)行研究,但由于地球生態(tài)系統(tǒng)提供的服務(wù)絕大部分價(jià)值難以準(zhǔn)確計(jì)量,以及缺乏相應(yīng)的價(jià)值評(píng)估理論與方法體系等原因,導(dǎo)致研究進(jìn)展緩慢。1997年Costanza等[9]的研究成果使生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估的原理與方法從科學(xué)意義上得以明確,將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究推向生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)研究的前沿。本文應(yīng)用Costanza等提出的估算方法來(lái)評(píng)估研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,具體計(jì)算公式為:
ESV=∑Ak·VCk
(2)
ESVf=∑Ak·VCfk
(3)
式中:ESV——研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值;Ak——研究區(qū)第k類土地利用類型的面積; VCk——第k種土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的價(jià)值系數(shù),即單位面積生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價(jià)值(元/hm2·a); ESVf——生態(tài)系統(tǒng)第f項(xiàng)服務(wù)功能價(jià)值; VCfk——研究區(qū)第k種土地利用類型的第f項(xiàng)服務(wù)功能價(jià)值系數(shù)。
早期,國(guó)內(nèi)外學(xué)者均采用Costanza給定的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)對(duì)不同類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行核算。隨著應(yīng)用日趨廣泛,發(fā)現(xiàn)Costanza所給定的耕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)偏低,而濕地偏高[23]。因此,謝高地等[15-17,24]根據(jù)中國(guó)實(shí)情,參考Costanza的研究成果,將不同類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能分為歸納為氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)、土壤形成與保護(hù)、廢物處理、生物多樣性、食物生產(chǎn)、原材料、娛樂(lè)文化9項(xiàng),制定了我國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值表(生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù))。為了盡量減少在中國(guó)應(yīng)用時(shí)的誤差,本研究采用價(jià)值量評(píng)價(jià)法,借鑒謝高地等[17]提出的中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值表和生態(tài)服務(wù)價(jià)值的區(qū)域修正系數(shù),確定淮南市不同土地利用類型相對(duì)應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)類型及生態(tài)價(jià)值系數(shù),其中建設(shè)用地不考慮在內(nèi)。
生態(tài)環(huán)境敏感度是指區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)在人類活動(dòng)的影響下發(fā)生變化(退化或改善)的潛在可能性及其程度[25]。為了確定ESV隨時(shí)間變化對(duì)單項(xiàng)服務(wù)功能價(jià)值系數(shù)(VC)變化的依賴程度,本研究借用敏感性指數(shù)(coefficient of sensitivity, CS)對(duì)此進(jìn)行分析,CS的含義是指VC變動(dòng)引起ESV的變化情況,如果CS>1,說(shuō)明ESV對(duì)VC是富有彈性的,即1%的自變量變動(dòng)將引起應(yīng)變量大于1%的變動(dòng),這種情況準(zhǔn)確度差,可信度較低;如果CS<1,則說(shuō)明ESV對(duì)VC是缺乏彈性的,即1%的自變量變動(dòng)將引起應(yīng)變量小于1%的變動(dòng),這種情況是可信的。
本文通過(guò)分別調(diào)整50%的VC來(lái)計(jì)算CS,從而來(lái)說(shuō)明ESV對(duì)VC的敏感程度。敏感性指數(shù)(CS)計(jì)算公式為:
(4)
式中:ESV——估算的總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值; VC——單項(xiàng)服務(wù)功能價(jià)值系數(shù);i,j——初始總價(jià)值和生態(tài)價(jià)值系數(shù)調(diào)整以后的總價(jià)值;k——各土地利用類型。
由表1可知,2000及2010年淮南市土地利用類型以耕地、居民地及工礦用地和水域?yàn)橹?,三者面積占90%以上,林地和草地面積相對(duì)較小。其中耕地面積所占比例最大,2000及2010年分別占73.43%及62.16%,草地所占面積最小,分別占0.69%及0.93%??傮w上,從2000—2010年,淮南市耕地、林地面積呈下降趨勢(shì),其中下降百分比最大是是耕地,而草地、居民地及工礦用地、水域呈增加趨勢(shì),增加百分比最大的是居民地及工礦用地,其次是水域?;茨鲜袦p少的耕地主要轉(zhuǎn)化為居民地及工礦用地和水域,這與淮南市近年來(lái)煤礦開(kāi)采力度加大,相關(guān)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展密切相關(guān)。隨著煤礦開(kāi)采,導(dǎo)致大面積地表沉陷,形成積水水域,從而導(dǎo)致水域面積明顯增大。進(jìn)一步分析淮南市土地利用類型動(dòng)態(tài)度(K)發(fā)現(xiàn),在所有增加的地類中,居民地及工礦用地年變化率最大,每年增加4.90%;水域、草地的年增長(zhǎng)速率也較大,分別達(dá)到4.19%,3.57%,而林地的年減少速率為3.26%。但是,由于林地和草地的面積底數(shù)很小,故空間變化不顯著;雖然耕地的年變化速率最小,為1.53%,但因其基數(shù)最大,所以面積減少較多,空間變化明顯。
表1 淮南市典型年土地利用類型面積統(tǒng)計(jì)及動(dòng)態(tài)變化
土地利用類型及植被覆蓋變化,導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值發(fā)生變化。本研究利用謝高地制定的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的價(jià)值系數(shù),并根據(jù)Costanza提出的計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的計(jì)算公式(2),對(duì)淮南地區(qū)典型年2000及2010年的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果詳見(jiàn)表2。從表2可以看出,2010年淮南市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值為11.33億元,與2000年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值11.72億元相比,減少了0.39億元,減幅達(dá)3.33%。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的主要提供者是耕地和水域;2000年這兩類生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價(jià)值分別占總服務(wù)價(jià)值的62.55%和33.94%,2010年占總服務(wù)價(jià)值的50.97%,46.35%。從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值動(dòng)態(tài)變化來(lái)看,10 a間耕地、林地和居民地及工礦用地所提供的生態(tài)服務(wù)價(jià)值呈明顯下降趨勢(shì),其中耕地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值減少了1.30億元,減幅達(dá)15.31%;林地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值減少了0.12億元,減幅達(dá)30.77%。
由于居民地及工礦用地土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價(jià)值為負(fù)值,因此即使該類型土地面積增加,總的服務(wù)價(jià)值反而減少,10 a間減少了0.91億元,減幅達(dá)48.66%。10 a間,水域和草地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值呈明顯增加趨勢(shì),其中水域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值增加了1.93億元,增幅達(dá)41.87%;草地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值增加了0.03億元,增幅達(dá)37.50%??傮w上,水域增加的難以彌補(bǔ)耕地減少和居民地及工礦地增加所造成的生態(tài)價(jià)值損失,從而導(dǎo)致10 a間總體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值下降。
表2 淮南市各類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值及其變化
采用公式(3)計(jì)算得出淮南市生態(tài)系統(tǒng)單項(xiàng)服務(wù)功能價(jià)值(ESVf),結(jié)果詳見(jiàn)表3。由表3可知,廢物處理、土壤形成于保護(hù)、氣候調(diào)節(jié)、食物生產(chǎn)和生物多樣性是其主要的生態(tài)服務(wù)功能。2000—2010年淮南市生態(tài)系統(tǒng)單項(xiàng)服務(wù)功能價(jià)值變化的總體趨勢(shì)是:土壤形成與保護(hù)、廢物處理、休閑娛樂(lè)在增加,氣候調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)、生物多樣性保護(hù)、原材料和食物生產(chǎn)在減少。
其中,休閑娛樂(lè)增幅最大,變化率達(dá)37.7%,這主要是由休閑娛樂(lè)價(jià)值系數(shù)最高的水域的增加引起的;水源涵養(yǎng)減少最大,變化率為78.36%,主要是對(duì)水源涵養(yǎng)產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)的居民地及工礦用地增加造成的。
表3 淮南市生態(tài)系統(tǒng)各單項(xiàng)服務(wù)價(jià)值及其貢獻(xiàn)率
本文前述公式(4)給出了敏感性指數(shù)(CS)的計(jì)算方法,為了計(jì)算方便,本文將各土地利用類型的生態(tài)價(jià)值系數(shù)分別上下調(diào)整50%來(lái)計(jì)算淮南市2000,2010年的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(ESV)變化及CS值詳見(jiàn)表4,以此說(shuō)明ESV對(duì)單項(xiàng)服務(wù)功能價(jià)值系數(shù)(VC)的敏感程度。
表4 淮南市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值敏感度
從表4可以看出,在典型年2000,2010年不同土地利用類型之間價(jià)值系數(shù)的敏感性指數(shù)變動(dòng)較大,具體表現(xiàn)為:耕地>水域>居民及工礦用地>林地>草地,兩年之間差別較小,均小于1,由此表明研究區(qū)內(nèi)ESV對(duì)VC是缺乏彈性的,所采用的生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)是適合當(dāng)?shù)厍闆r的,區(qū)域研究結(jié)果是可信的。從計(jì)算的敏感性系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)林地、草地的敏感性指數(shù)都很小,在0.006 8~0.033 0之間,表明林地、草地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)變化對(duì)淮南市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化影響不大。而耕地的敏感性指數(shù)最高,在0.63~0.72之間,表明耕地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值產(chǎn)生放大作用,貢獻(xiàn)率很大。
(1) 2000—2010年淮南市耕地、林地面積呈下降趨勢(shì),其中下降率最大的是耕地,而草地、居民地及工礦用地、水域呈增加趨勢(shì),增加百分比最大的是居民地及工礦用地,其次是水域。
(2) 對(duì)淮南市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的分析表明,從2000—2010年淮南市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的價(jià)值總量呈下降趨勢(shì),減少0.39億元,減幅達(dá)3.33%,其中林地地生態(tài)服務(wù)價(jià)值的減幅最大,達(dá)到-30.7%,其次是耕地。居民及工礦用地生態(tài)服務(wù)價(jià)值的增幅最大,達(dá)到48.66%,其次是水域和草地。
(3) 對(duì)淮南市生態(tài)系統(tǒng)單項(xiàng)服務(wù)價(jià)值的分析表明,從2000—2010年淮南市生態(tài)系統(tǒng)單項(xiàng)服務(wù)功能價(jià)值中,娛樂(lè)休閑增加幅度最大,達(dá)37.70%,這主要是由于娛樂(lè)休閑價(jià)值系數(shù)最高的水域增加引起的。水源涵養(yǎng)減少最大達(dá)78.36%,這主要是由于對(duì)水源涵養(yǎng)產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)的居民地及工礦用地增加造成的。
(4) 敏感性指數(shù)表明,研究區(qū)耕地、水域、林地、草地和居民地及工礦用地的敏感性指數(shù)都小于1,表明研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值對(duì)于生態(tài)價(jià)值系數(shù)是缺乏彈性的。
(5) 土地利用變化改變著生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和過(guò)程,也影響著區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)向社會(huì)提供產(chǎn)品和服務(wù)能力的大小。人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的干擾和破壞,是導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能脆弱及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值降低的主要原因。
淮南作為一個(gè)資源型城市,煤炭資源的持續(xù)不斷開(kāi)發(fā),土地沉陷面積增加,水域和居民地及工礦用地增加造成的生態(tài)價(jià)值損失,從而導(dǎo)致2000—2010年總體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值下降。因此,當(dāng)?shù)卣芾聿块T(mén)應(yīng)高度重視土地利用變化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響,從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的角度,更加科學(xué)進(jìn)行土地利用規(guī)劃及生態(tài)環(huán)境保護(hù)等,優(yōu)化調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu),注重增加生態(tài)用地,穩(wěn)步提升區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。另外,多數(shù)學(xué)者僅開(kāi)展土地利用數(shù)量和結(jié)構(gòu)變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響進(jìn)行了研究,缺乏土地質(zhì)量變化和土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間差異的研究,下一步應(yīng)加強(qiáng)這方面的研究。