湟水河流域景觀格局變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響研究*

馬曉帆 張海峰,2,3,4#

(1.青海師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,青海 西寧 810001;2.青藏高原地表過程與生態(tài)保育教育部重點(diǎn)實(shí)驗室,青海 西寧 810001;3.青海省自然地理與環(huán)境過程重點(diǎn)實(shí)驗室,青海 西寧 810001;4.高原科學(xué)與可持續(xù)發(fā)展研究院,青海 西寧 810001)

土地利用變化會對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生重大影響[1],通過改變生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、分布和生態(tài)系統(tǒng)過程,從而影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的提供能力[2-3]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是直接或間接促進(jìn)人類社會可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)特性、功能及過程[4],包括與人類切實(shí)相關(guān)的供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)和文化服務(wù),以及維持其他服務(wù)的支持服務(wù)[5-6]。已有研究表明,人類活動帶來的土地利用變化導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)下降60%,退化的生態(tài)系統(tǒng)會產(chǎn)生水土流失、鹽漬化、荒漠化等一系列環(huán)境問題[7-8],這些環(huán)境問題反過來又會限制人類活動,對人類生命財產(chǎn)和安全健康造成危害。因此,土地利用結(jié)構(gòu)與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給之間應(yīng)是相互影響、相互制約的關(guān)系[9]。

人類對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的需求偏好賦予其經(jīng)濟(jì)價值。COSTANZA等[10]對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的經(jīng)濟(jì)價值進(jìn)行了評估,謝高地等[11-12]向國內(nèi)生態(tài)學(xué)家發(fā)放700余份問卷,提出適合中國實(shí)際情況的生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值(ESV)當(dāng)量,對我國ESV研究具有奠基意義。隨后國內(nèi)眾多學(xué)者以此為基礎(chǔ)對全國、省市、城市群和典型區(qū)域等尺度展開ESV評估研究,包括ESV對土地利用變化的響應(yīng)[13-14],[15]705-709,[16]、不同土地利用類型的ESV差異[17]、典型區(qū)域土地利用變化與ESV的關(guān)系[18]、城市化驅(qū)動下土地利用變化引起的ESV變化[19-22]、土地利用變化對個別服務(wù)類型的影響[23-26]、從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)平衡的角度優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)等[27]。SONG等[15]717-718發(fā)現(xiàn)1988—2008年中國每1%的土地類型變化就會導(dǎo)致ESV發(fā)生0.10%～0.15%的變化,YANG等[28]認(rèn)為1980—2015年中國北方農(nóng)牧交錯帶ESV下降是由耕地和建成區(qū)的擴(kuò)張占用了大量草地造成的,WANG等[29]計算橫斷山區(qū)土地利用變化對ESV的影響,發(fā)現(xiàn)林地對于橫斷山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)至關(guān)重要,并提出沿著海拔梯度采取不同的發(fā)展策略。

青藏高原是亞洲眾多河流的發(fā)源地,高原河谷流域不僅是許多珍稀動植物的棲息地,也是人類活動的聚集地,因此河谷流域生態(tài)保護(hù)對整個青藏高原生態(tài)系統(tǒng)至關(guān)重要。研究青藏高原東北部的湟水河流域土地利用變化對ESV的影響,有助于了解湟水河流域生態(tài)系統(tǒng)變化規(guī)律,為流域生態(tài)文明建設(shè)、生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制和綠色發(fā)展提供科學(xué)的決策支持,促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)安全穩(wěn)定,對維護(hù)高原河谷流域生態(tài)環(huán)境和解決生態(tài)環(huán)境問題具有重要的參考價值。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

湟水河是黃河的一級支流,發(fā)源于青海省海晏縣達(dá)坂山,于甘肅省永靖縣匯入黃河,其干流的89.68%位于青海省境內(nèi)。湟水河流域位于青海省東北部,地勢西北高東南低,自北向南三面環(huán)山,形似一個倒置的口袋。流域包括海晏縣、西寧市全境和海東市(循化縣除外),流域面積占青海省總面積的2.3%[30],2020年湟水河流域耕地面積占青海省的45.89%,建成區(qū)面積占青海省的34.5%,流域內(nèi)人口占青海省的62.96%,區(qū)域生產(chǎn)總值占青海省的62.13%。研究區(qū)概況見圖1。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Schematic diagram of study area

1.2 數(shù)據(jù)來源

土地利用數(shù)據(jù)來自中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn),空間分辨率30 m。農(nóng)業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)來自相應(yīng)年份的青海省、西寧市和海東市的統(tǒng)計年鑒,國民經(jīng)濟(jì)與社會發(fā)展統(tǒng)計公報及全國農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編。

2 研究方法

2.1 景觀指數(shù)選取

根據(jù)不同景觀指數(shù)的生態(tài)意義,選取斑塊數(shù)量(NP)、平均斑塊面積(AREA_MN)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)、香農(nóng)均勻性指數(shù)(SHEI)、蔓延度(CONTAG)、聚集度指數(shù)(AI)衡量研究區(qū)景觀水平及其變化;選取斑塊密度(PD)、AREA_MN、最大斑塊密度(LPI)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、散布與并列指數(shù)(IJI)衡量研究區(qū)各景觀類型及其變化。

2.2 ESV計算

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是人類社會從生態(tài)系統(tǒng)中獲得直接或間接的獲益,使用文獻(xiàn)[10]的ESV評估方法,結(jié)合文獻(xiàn)[11]與文獻(xiàn)[12]提出的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估單價體系與生態(tài)系數(shù)修正方法計算。采用當(dāng)量因子法,選取湟水河流域2020年主要農(nóng)作物小麥、雜糧(玉米+青稞+豆類)和馬鈴薯的播種面積、單位產(chǎn)量和平均價格數(shù)據(jù),通過式(1)計算,得到湟水河流域糧食生產(chǎn)的單位面積ESV為1 342.09元/hm2。以此類推,根據(jù)中國生態(tài)系統(tǒng)不同功能的單位面積ESV當(dāng)量計算得出湟水河流域單位面積ESV(見表1),進(jìn)而計算研究區(qū)ESV(考慮到建筑用地對生態(tài)系統(tǒng)的影響主要為負(fù)面效應(yīng),未納入ESV計算過程)。

表1 湟水河流域生態(tài)系統(tǒng)單位面積ESVTable 1 ESV per unit area of Huangshui River Basin 元/hm2

圖2 1980—2020年湟水河流域土地利用變化Fig.2 Land use variation of Huangshui River Basin in the period from 1980 to 2020

(1)

式中:VC為湟水河流域糧食生產(chǎn)的單位面積ESV,元/hm2;oi為第i種糧食作物的種植面積,hm2;pi為第i種糧食作物的產(chǎn)量,kg/hm2;qi為第i種糧食作物的全國平均價格,元/kg;M為3種糧食作物的種植總面積,hm2。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化

湟水河流域土地利用類型以草地、林地和耕地為主,1980年草地覆蓋面積12 736.95 km2,占54.94%,其次是耕地和林地,分別占17.14%和17.00%,未利用地、水體和建設(shè)用地相對較少,分別占6.19%、3.00%和1.74%。1980—2020年湟水河流域土地利用變化顯著,未利用地減少最突出,共減少125.29 km2,平均每年減少0.22%;草地減少69.88 km2,平均每年減少0.01%;耕地減少25.95 km2,平均每年減少0.02%;由于西寧市和海東市社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,建設(shè)用地增長最快,共增長152.19 km2,平均每年增長0.94%;水體增長66.4 km2,平均每年增長0.24%。從空間分布來看,建設(shè)用地主要沿湟水河及其支流北川河兩岸分布,耕地主要分布在建成區(qū)周邊,草地分布在西北部青海湖周邊與中部地區(qū),林地則分布在海拔較高的地區(qū)(見圖2)。圖3展示了湟水河流域1980—2020年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣。1980—2020年間,湟水河流域的耕地面積增長主要依靠占用草地實(shí)現(xiàn),共計370.92 km2的草地被開墾為耕地。建設(shè)用地的擴(kuò)張主要依靠占用耕地實(shí)現(xiàn),40年間共計175.99 km2的耕地轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地。草地向耕地、林地和未利用地的轉(zhuǎn)變是導(dǎo)致草地減少的主要原因。

3.2 景觀格局時空演變分析

3.2.1 景觀水平分析

由表2看出:1980—2020年湟水河流域NP呈先上升后下降的趨勢,而AREA_MN與之相反,呈先下降后上升的趨勢;CONTAG和AI可描述景觀內(nèi)部不同斑塊的集聚或延展程度,兩個指數(shù)在研究時段內(nèi)均呈現(xiàn)下降趨勢,說明湟水河流域景觀空間格局具有多種要素分散特征,破碎程度加深;SHDI和SHEI用于描述景觀的多樣性變化,兩者在研究時段呈上升趨勢,說明景觀多樣性有所提升。

注:每組土地利用轉(zhuǎn)移共分為4個時段,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ分別代表1980—1990年、1990—2000年、2000—2010年和2010—2020年。方格顏色越深,代表該組土地利用類型之間的轉(zhuǎn)換面積越大。

表2 1980—2020年湟水河流域景觀指數(shù)變化Table 2 Changes in the landscape index of the Huangshui River Basin from 1980 to 2020

3.2.2 景觀類型水平分析

由圖4看出:1980—2020年湟水河流域各土地利用類型PD大體較為穩(wěn)定。建設(shè)用地PD呈下降趨勢,說明建設(shè)用地斑塊破碎程度加深;建設(shè)用地IJI呈上升趨勢,說明建設(shè)用地各斑塊之間彼此鄰近,但是建設(shè)用地擴(kuò)張受限于河谷地形,持續(xù)地擴(kuò)張導(dǎo)致斑塊破碎程度增大。LPI顯示草地在湟水河流域內(nèi)景觀優(yōu)勢度最大,1980—1990年草地LPI急劇下降,這個時段正值改革開放初期,城鎮(zhèn)化發(fā)展及同期畜牧業(yè)養(yǎng)殖政策由限制向開放轉(zhuǎn)變,使得草地受到不同程度的破壞。LSI的升高能夠說明草地斑塊外圍形狀的復(fù)雜程度加大。水體PD減小,但是AREA_MN和LPI增大,LSI減小,說明水體斑塊的破碎程度在空間分布上存在顯著的差異,主要由于東部湟水河斑塊被分割為眾多小斑塊,而海晏縣西部青海湖水域面積的增加導(dǎo)致LPI增大。水體和建設(shè)用地IJI在研究時段內(nèi)呈增長趨勢,說明與之鄰接的其他土地利用類型的多樣性有所增加。

3.3 ESV變化分析

1980—2020年湟水河流域ESV呈先減少后增加的趨勢,總體穩(wěn)定在435億元左右(見表3)。1980—2010年湟水河流域ESV減少1.32億元,該時段內(nèi)水體減少強(qiáng)度較大,草地和未利用地分別減少59.62、48.09 km2,導(dǎo)致ESV持續(xù)減少。2010—2020年雖然耕地與未利用地減少強(qiáng)度較大,但由于青海湖面積增加,西寧市和海東市相繼建設(shè)北川、湟水和驛州等濕地公園,水體增加強(qiáng)度回升并大幅超過減少強(qiáng)度,導(dǎo)致ESV在這一時段增加3.85億元,彌補(bǔ)了2010年前土地利用變化造成的ESV損失。

表3 1980—2020年湟水河流域ESVTable 3 ESV of the Huangshui River Basin from 1980 to 2020 億元

由表4可知,支持服務(wù)與調(diào)節(jié)服務(wù)價值在ESV中占據(jù)主要地位,其中水文調(diào)節(jié)、保持土壤、維持生物多樣性和氣候調(diào)節(jié)在生態(tài)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)中占主要地位。1980—2020年湟水河流域單項生態(tài)系統(tǒng)功能ESV增加的服務(wù)類型有水文調(diào)節(jié)、廢物處理、提供美學(xué)景觀和維持生物多樣性,分別增長1.51億、1.11億、0.27億、0.05億元,水文調(diào)節(jié)增長最大,這與水體面積增加有很大的關(guān)系。湟水河流域作為青海省經(jīng)濟(jì)政治中心,1980年以來社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,城市建設(shè)用地以占用耕地和未利用地迅速擴(kuò)張,導(dǎo)致保持土壤價值減少最多,食物生產(chǎn)價值也有所減少。

表4 1980—2020年湟水河流域單項生態(tài)系統(tǒng)功能ESVTable 4 Single ecosystem functions ESV in the Huangshui River Basin from 1980 to 2020 億元

3.4 景觀格局與ESV之間的關(guān)系

土地利用景觀格局與ESV之間的關(guān)系不是簡單的線性關(guān)系,本研究采用灰色關(guān)聯(lián)度模型,分析景觀格局與ESV之間關(guān)聯(lián)。由表5看出,SHDI與ESV的關(guān)聯(lián)度最大,AI與供給服務(wù)和部分調(diào)節(jié)服務(wù)價值有較大關(guān)聯(lián),CONTAG與部分調(diào)節(jié)服務(wù)和支持服務(wù)價值存在較大的關(guān)聯(lián)度,SHDI、SHEI均與文化服務(wù)價值關(guān)聯(lián)度最大。因此,景觀格局的破碎度、聚散性和多樣性與ESV存在一定聯(lián)系,景觀格局的離散程度與蔓延程度會對氣體調(diào)節(jié)和氣候調(diào)節(jié)價值產(chǎn)生較大影響,景觀豐富程度會對文化服務(wù)價值產(chǎn)生較大的影響。

圖4 1980—2020年湟水河流域不同土地利用類型景觀指數(shù)變化Fig.4 Changes of landscape index by different land use types in the Huangshui River Basin from 1980 to 2020

制作耕地、林地、草地、水體、未利用地5類斑塊類型水平與單項生態(tài)系統(tǒng)功能ESV關(guān)聯(lián)。在選擇的5類景觀指數(shù)(AREA_MN、PD、LPI、LSI、IJI)中,水體的AREA_MN與水文調(diào)節(jié)和廢物處理價值有較大關(guān)聯(lián)(關(guān)聯(lián)度分別為0.85、0.84),建設(shè)用地AREA_MN與ESV、水文調(diào)節(jié)價值和廢物處理價值存在一定關(guān)聯(lián)(關(guān)聯(lián)度分別為0.76、0.79、0.79),未利用地AREA_MN與氣體調(diào)節(jié)價值和保持土壤價值存在一定關(guān)聯(lián)(關(guān)聯(lián)度均為0.75),表明這3類斑塊AREA_MN的變化會對部分調(diào)節(jié)服務(wù)價值產(chǎn)生一定影響。耕地PD與食物生產(chǎn)價值存在較大關(guān)聯(lián)(關(guān)聯(lián)度為0.82),建設(shè)用地PD與氣體調(diào)節(jié)價值和保持土壤價值存在一定關(guān)聯(lián)(關(guān)聯(lián)度分別為0.81和0.80),表明耕地斑塊破碎程度對供給服務(wù)價值產(chǎn)生影響,建設(shè)用地的破碎程度則會對部分調(diào)節(jié)和支持服務(wù)價值產(chǎn)生影響。水體LPI與ESV、水文調(diào)節(jié)價值和廢物處理價值存在最大關(guān)聯(lián)(關(guān)聯(lián)度分別為0.91、0.98、0.98),表明水體景觀的面積比例會對上述服務(wù)價值產(chǎn)生較大影響;耕地、林地LSI與水文調(diào)節(jié)價值和廢物處理價值存在較大關(guān)聯(lián)(關(guān)聯(lián)度均為0.80左右),表明這兩類斑塊的形狀復(fù)雜度會對上述價值產(chǎn)生一定影響;水體IJI與ESV、水文調(diào)節(jié)價值和廢物處理價值存在較大關(guān)聯(lián)(關(guān)聯(lián)度分別為0.80、0.85、0.84),建設(shè)用地IJI與ESV、水文調(diào)節(jié)價值、廢物處理價值和提供美學(xué)景觀價值存在較大關(guān)聯(lián)(關(guān)聯(lián)度分別為0.85、0.87、0.87、0.82)。總體上表明,1980—2020年湟水河流域土地利用景觀格局的多樣性、破碎程度與布局分散性會對ESV產(chǎn)生較大影響,特別是對供給服務(wù)價值和調(diào)節(jié)服務(wù)價值產(chǎn)生較大影響。

表5 景觀指數(shù)與ESV間關(guān)聯(lián)度Table 5 Correlation between landscape index and ESV

4 討 論

4.1 土地利用變化對ESV的影響

王穎慧等[31]發(fā)現(xiàn)伊犁河流域土地利用變化造成ESV增長0.49億元,且土地利用變化強(qiáng)度與ESV存在明顯的正相關(guān)關(guān)系;約日古麗卡斯木等[32]發(fā)現(xiàn)艾比湖流域土地利用變化導(dǎo)致當(dāng)?shù)氐腅SV減少8.59億元,調(diào)節(jié)服務(wù)是流域生態(tài)系統(tǒng)主要的服務(wù)功能;李文芳等[33]發(fā)現(xiàn)甕安縣喀斯特山區(qū)內(nèi)耕地轉(zhuǎn)為林地對當(dāng)?shù)谽SV增加的貢獻(xiàn)最大;張帥等[34]發(fā)現(xiàn)自生態(tài)輸水后塔里木河流域土地利用類型發(fā)生一定變化,導(dǎo)致ESV在20年間增長32億元,說明水體的增加對ESV起到了積極作用。不同區(qū)域自然環(huán)境差異和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式不同,對ESV的關(guān)聯(lián)程度與影響也會存在差異。湟水河流域土地利用變化影響ESV可分為兩個階段:第一個階段為1980—2010年,湟水河流域ESV持續(xù)降低,主要原因為社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,建設(shè)用地不斷占用耕地和未利用地進(jìn)行擴(kuò)張,而建設(shè)用地ESV低于被占用土地利用類型,建筑物、交通通道的快速擴(kuò)張和蔓延也會加深景觀格局的破碎化程度,各景觀類型之間原有的能量物質(zhì)交換平衡被打破,植被覆蓋降低、水文循環(huán)改變且恢復(fù)時間不足,導(dǎo)致供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)和支持服務(wù)的價值均呈下降趨勢;另外人口過度集聚帶來的糧食需求激增,使部分草地被開墾為耕地,對水資源需求上升導(dǎo)致湟水河徑流量不斷下降[35],草地開墾為耕地、水體斷流為未利用地均會使ESV降低,因此這個階段湟水河流域ESV呈下降趨勢。第二個階段為2010—2020年,湟水河流域ESV增加,由于青海湖面積擴(kuò)張[36]和部分濕地公園的建設(shè),以及政府對流域水資源管控力度的加強(qiáng),水體面積增長78.56 km2,為這一階段中增長最快的土地利用類型,水體景觀最大面積的增加,促進(jìn)調(diào)節(jié)服務(wù)價值提升,使得流域ESV總值增加。因此在湟水河流域未來發(fā)展中,應(yīng)注重對流域內(nèi)水體的保護(hù)政策,優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu),在城鎮(zhèn)周邊建立濕地公園,不僅能夠提高綠地覆蓋面積,還能避免建設(shè)用地斑塊的集聚化蔓延趨勢,并在合適的未利用地植樹造林植草,促進(jìn)各類型用地均衡發(fā)展。

4.2 景觀格局與ESV的關(guān)聯(lián)

景觀格局通過影響生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)過程改變區(qū)域ESV,大多數(shù)研究旨在分析各種景觀指數(shù)與ESV之間的相關(guān)性,但是本研究選取的研究時段共5個年份,景觀指數(shù)與ESV之間的相關(guān)性分析并不適合,因此參考岑曉騰[37]的研究,利用灰色關(guān)聯(lián)度模型,分析景觀格局與ESV之間的關(guān)聯(lián)度。受地形影響,湟水河流域各類景觀均集聚在河谷沿河兩岸地區(qū),對各類景觀的聚散性有較強(qiáng)的影響,所以在今后的發(fā)展中更應(yīng)注重限制建設(shè)用地斑塊過度分散,防止因建設(shè)用地擴(kuò)張造成的景觀格局的破碎程度加深,防止沿河兩岸景觀類型的過度單一化,保護(hù)流域水資源,合理開發(fā)流域內(nèi)旅游資源,優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)提升湟水河流域ESV。

研究結(jié)果可以為湟水河流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)、生態(tài)文明建設(shè)和提升ESV提供科學(xué)的參考。但本研究缺乏多維度跨尺度考慮,如湟水河流域生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)服務(wù)與支持服務(wù)的變化,對其周邊地區(qū)、青海省或者更大區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能的影響,對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型之間的權(quán)衡/協(xié)同問題,今后的研究中應(yīng)加強(qiáng)對以上內(nèi)容的深入分析。

5 結(jié) 論

以土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過土地利用變化、景觀格局、ESV計算和灰色關(guān)聯(lián)度模型,分析了湟水河流域1980—2020年土地利用景觀格局變化模式和過程,ESV變化及其與土地利用景觀格局的關(guān)聯(lián)程度,得到以下結(jié)論:

(1) 1980—2020年湟水河流域建設(shè)用地增長最快,40年間增長152.19 km2,年均增速達(dá)到0.94%,主要依靠占用耕地進(jìn)行擴(kuò)張;水體先減后增,年均增速為0.24%;草地年均減少0.01%,草地向耕地、林地和未利用地的轉(zhuǎn)變是其減少的主要原因。

(2) 景觀格局分析表明,1980—2020年間湟水河流域景觀格局整體呈現(xiàn)破碎程度加深,斑塊分布更為分散,多樣性有所提升。

(3) 1980、1990、2000、2010和2020年湟水河流域ESV分別為435.01億、434.07億、433.96億、433.69億、437.54億元,呈現(xiàn)先減少后增長的趨勢,40年增加2.53億元,增加0.58%,但ESV總體穩(wěn)定在435億元左右。其中2010年前由于草地、林地和水體面積的減少導(dǎo)致ESV減少1.32億元,2010年后水體和林地的增加使ESV增加3.85億元。

(4) 土地利用變化會對湟水河流域ESV產(chǎn)生影響。景觀格局的破碎程度、聚散性和多樣性與ESV存在一定聯(lián)系,不同類型景觀的破碎程度、多樣性與集散的變化,會影響到不同的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型,導(dǎo)致ESV發(fā)生變化,水體和建設(shè)用地景觀斑塊的破碎化程度、優(yōu)勢斑塊面積與分散程度與流域的調(diào)節(jié)服務(wù)和支持服務(wù)價值關(guān)聯(lián)度較強(qiáng)。