延河流域土地利用變化對其生態服務價值的影響*

李進鵬,王 飛,2,穆興民,2,李 銳,2,楊勤科,2

(1.西北農林科技大學資源環境學院,陜西楊陵712100;2.中國科學院水利部水土保持研究所,陜西楊陵712100)

生態服務價值是目前人們普遍關注的熱點問題之一[1-2]。土地是陸地生態系統的載體,生態系統類型在土地利用中表現為土地利用類型,土地利用的變化可以導致自然景觀格局和物質循環與能量分配的變化,并對區域氣候、土壤、水量和水質產生深刻影響。開展土地利用變化對生態服務價值影響的研究,對客觀認識土地利用變化的綜合影響有重要意義[2-3]。延河流域是黃土高原地區水土流失最嚴重的區域之一,水土保持活動強度大,土地利用變化明顯,該文是在目前流域土地利用變化研究的基礎上[4],著重分析土地利用變化對其生態服務價值的影響。

1 資料來源與研究方法

1.1 土地利用數據來源

數據來源于延河流域1990年、2000年、2006年三個時段LandsatTM圖像解譯數據。本解譯數據延河流域面積為7 723 km2,與實際面積7 725 km2相差0.026%,數據精度符合計算分析要求。

參照國家通用的土地利用分類系統和研究區的具體情況,將延河流域劃分成建設用地、農田、林地、草地、水體等5種主要土地利用類型和地表覆蓋景觀,運用A rcGIS軟件得到研究區各種土地利用類型的面積。

1.2 土地利用變化分析

土地利用變化主要體現在土地利用類型變化、土地利用類型數量變化、土地資源生態質量變化、土地利用程度變化等方面[4]。所以將采用土地利用類型面積變化、土地利用變化率、土地利用類型動態度對延河流域的土地利用變化進行分析。

(1)土地利用類型面積變化和土地利用變化率首先反映在不同土地利用類型的總量變化上,通過分析土地利用類型的總量變化,可以了解土地利用變化總態勢和土地利用結構的變化。

(2)土地利用類型動態度(K)描述該區各種類型土地的變化情況,它是指研究區一定時間范圍內某種土地利用類型數量的變化情況,其公式為

式中:Ua,Ub——研究期初及研究期末某一種土地利用類型的數量;T——研究時段長。當T設定為年時,K為研究時段內某一土地利用類型的年變化率。

1.3 生態服務價值評價方法

以延河流域不同年份土地利用變化為基礎,計算不同時期流域的生態服務價值。生態服務價值是氣體調節、氣候調節、水源涵養、土壤形成與保護、廢物處理、生物多樣性保護、食物生產、原材料供給和文化娛樂等多方面生態服務價值的總和。由于水土保持建設在延河流域綜合治理中的重要性,對研究流域生態系統的氣體調節、水源涵養、土壤形成與保護、食物生產和原材料供給服務價值單獨計算,其它服務價值借鑒謝高地[5]等確定的中國陸地生態系統單位面積生態服務價值當量表,并依據流域的實際情況修正后進行估算。

1.3.1 氣體調節價值 以其固碳供氧的價值進行估算。固碳價值計算公式為

式中:U碳——年固碳價值(元/a);B年——凈生產力[t/(hm2?a)];C碳——固碳價格(元/t);R碳——CO2中碳的含量,為27.27%;A——面積(hm2)。

釋氧價值計算公式為

式中:U氧——年釋氧價值(元/a);B年——凈生產力[t/(hm2?a)];C氧——氧氣價格(元/t);A——面積(hm2)。

1.3.2 水源涵養價值 其計算公式為

式中:U涵養——年水源涵養價值(元/a);C水 ——水的單價(元/m3);A——面積(hm2);P ——降水量(mm/a);E——蒸散量(mm/a);C——地表徑流量(mm/a)。

1.3.3 土壤形成與保護價值 以其保土價值和保肥價值進行估算。保土價值計算公式為

喬瞧說：“誰說女的不能踩藕？我就要踩給你瞧瞧！秀容月明，你跟我下去，我要在水里滑倒了，你把我拉起來?！?/p>

式中:U固土——年固土價值(元/a);A——面積(hm2);C土——挖取和運輸單位體積土方所需費用(元/m3);X2——無植被土壤侵蝕模數[t/(hm2?a)];X1——有植被土壤侵蝕模數[t/(hm2?a)];ρ——土壤容重(t/m3)。

保肥價值計算公式為

式中:U肥——年保肥價 值(元/a);A——面積(hm2);X 2——無植被土壤侵蝕模數[t/(hm2?a)];X1——有植被土壤侵蝕模數[t/(hm2?a)];N——土壤平均含氮量(%);P——土壤平均含磷量(%);K——土壤平均含鉀量(%);M——土壤有機質平均含量(%);R1——磷酸二銨化肥含氮量(%);R2——磷酸二銨化肥含磷量(%);R3——氯化鉀化肥含鉀量(%);C1——磷酸二銨化肥價格(元/t);C2——氯化鉀化肥價格(元/t);C3——有機質價格(元/t)。

1.3.4 食物生產價值 計算公式為

式中:U生產——年生產產品價值(元/a);B年——年單產[t/(hm2? a)];C產品——產品價格(元/t);A——面積(hm2)。

1.3.5 原材料價值 植被生產的有機物折合成能量以后可以進行相應的替代,如煤炭、石油、天然氣等皆是自然界中存在的能量,具有一定的市場價格。因此,可以通過能量這個橋梁將兩者聯系起來,就是說植被生產原材料的價值,可以通過能源的價值加以體現。其計算公式為

式中:U材料 ——年原材料價值(元/a);A——面積(hm2);B1——各種生態系統生產有機質干重(t/hm2);B2——煤的質量系數,標煤B2=1t;P——標煤的市場價格,本文采用345.5元/t;Q1——干重生物量折合熱量,Q1=6.7 kJ/g;Q2——標煤的折合熱量,Q2=10 k J/g。

1.3.7 生態服務價值 估算公式為

式中:ESV——生態服務價值(元);Pk——研究區第i種土地利用類型的分布面積(hm2);Ak——研究區第k種土地利用類型的單位面積的生態服務價值,即生態服務價值指數[元/(hm2?a)]。

1.4 各參數值的確定

經過文獻整理獲得各參數的參考數值,并結合野外調查、試驗與分析文獻等方法和專家建議來確定本文的各參數值(表1)。

表1 延河流域生態服務價值參數值

固碳釋氧價值依據植被的年凈生物量進行計算。雖然農田年凈生產力逐年提高,但考慮到大部分地上生物量被收獲,最終以各種碳的形式排放出去,所以一般研究中都認為農田的生物量固碳為零,故本文計算中只考慮了林地和草地的固碳價值[13]。固定二氧化碳量和釋放氧氣量按照每生產1 g干物質需要1.63 g二氧化碳,并釋放出1.2 g氧氣計算,其價值量分別按照造林成本260.9元/t和352.93元/t計算[10,14]。農田平均糧食產量含水率按照谷物的14%計算[10,14-15],糧食單價按2002年陜西省的報價1元/kg[6],農田原材料價值中只計算其秸稈的價值,糧食產量那部分價值作為食物生產價值已計算。降水量、蒸散量和地表徑流量不考慮其年際差異,降水量按多年平均降水量520 mm計算[16]。水的價值用影子價格替代法,按照0.67元/m3的水庫庫容建設成本計算[14]。

研究表明:流域綜合治理前土壤侵蝕模數高達140 t/(hm2?a)[17],故將其作為本文研究的無植被土壤侵蝕模數;流域內土壤平均容重為1.23 t/m3;根據國家林業局2008年發布的《森林生態系統服務功能評估規范》,磷酸二銨化肥含氮量為14.0%,磷酸二銨化肥含磷量為15.01%,氯化鉀化肥含鉀量為50.0%,磷酸二銨化肥價格為2 400元/t,氯化鉀化肥價格為2 200元/t,有機質價格為320元/t,挖取和運輸單位體積土方所需費用為12.6元/m3。

1.5 敏感性分析方法

為了確定生態服務價值隨時間的變化對于生態服務價值指數的依賴程度,本文參照相關研究成果,選取經濟學中常用的彈性系數概念來計算生態服務價值指數的敏感性指數(CS)。文中將各類土地利用類型的生態服務價值指數分別調整50%,來衡量生態服務價值總量的變化。如果CS＞1,表明ESV相對于Ak是富有彈性的;如果CS＜1,ESV則被認為是缺乏彈性的;比值越大,表明生態服務價值指數的準確性對生態服務價值評估越重要[18]。敏感性指數的計算公式如下:

式中:ESV,A,k的含義同前;i,j——表示初始生態服務價值指數和調整后生態服務價值指數。

2 結果與分析

2.1 延河流域土地利用變化

通過對比1990年、2000年、2006年三期的LandsatTM圖像解譯的數據結果(表2)可以看出:1990-2006年間延河流域土地利用變化的總體趨勢是:農田、水體和建設用地減少,其中減少幅度最大的是農田;草地、林地增加幅度大,其變化率分別為24.30%,40.12%。1990-2006年間農田經歷了一個前期緩慢增加后期快速減少的過程,1990-2000年間增加了12 924.99 hm2,2000-2006年間減少了137 252.24 hm2;草地處于前期緩慢減少后期快速增長狀態,1990-2000年間減少了6 193.26 hm2,2000-2006年間增加了89 632.83 hm2;林地經歷了一個先減少后增加的過程,1990-2000年間減少了5 446.20 hm2,2000-2006年間增加了49 111.35 hm2;水體1990-2006年間則是一直處于減少狀態,1990-2006年間減少了2 623.40 hm2;建設用地1990-2000年間增加了929.14 hm2,2000-2006年間減少了1 083.21 hm2。延河流域1990-2006年間土地利用變化集中體現在農田向林地和草地的轉化,則明顯體現了退耕還林還草等措施的效果。

表2 延河流域各土地利用類型面積及其變化

從土地利用類型動態度看,1990-2006年間延河流域的總體情況是林地的增加速度最快,其次是草地,農田、水體的減少速度最快,其次是建設用地;1990-2000年,建設用地增加速度最快,其次是農田,水體減少速度最快,其次是林地、草地。2000-2006年,林地增加速度最快,其次是草地,農田減少速度最快,其次是建設用地、水體。

2.2 延河流域生態服務價值變化

本文以謝高地等人確定的中國陸地生態系統服務價值當量表[5]為基礎,并根據延河流域的具體情況進行修正,計算出延河流域各種土地利用類型生態服務價值指數,據此可測算出延河流域1990年、2000年、2006年的生態服務價值及其變化情況(表3)。

表3 1990-2006年延河流域生態服務價值變化

由表3可以看出,1990年延河流域生態服務價值總量為159.41億元,2000年為 158.59億元,2006年為164.69億元,1990-2006年間流域的生態服務價值總量隨著土地利用結構的變化而呈現前期緩慢下降后期快速增長的趨勢。1990-2000年間流域的生態服務價值總量呈緩慢減少趨勢,2000年比1990年減少了0.83億元,此期間土地利用變化態勢是草地、林地穩中有降,農田穩中有升,水體面積減少,建設用地面積增加,由此可見這期間主要是生態服務價值指數較高的生態系統向生態服務價值指數較低的生態系統變化,從而形成了整個流域生態服務價值總量減少;2000-2006年間流域的生態服務價值總量呈快速增加趨勢,2006年比2000年增加了6.1億元,增量主要來源于林地和草地,這是實施退耕還林還草等措施的效果。總體上看,在1990-2006年期間延河流域的土地利用變化,提高了其生態服務價值,2006年比1990年生態服務價值增加了5.72億元。

2.3 敏感性分析

根據敏感性指數的計算公式,本文把各種土地利用類型的生態服務價值指數分別調整50%,計算出流域1990年、2000年和2006年的敏感性指數。從表4來看,同一年份各土地利用類型生態服務價值指數的敏感性指數變動較大,但是不同年份之間差別較小,而且均小于1;農田、林地、草地及水體的敏感性指數介于0.005～0.511,這表明流域內生態服務價值對生態服務價值指數是缺乏彈性的,研究結果是可信的。林地、草地的敏感性指數增大,農田、水體的敏感性指數均減小,表明林地、草地的生態服務價值指數變化會對生態服務價值總量產生放大作用。由表4還可知,水體的敏感性指數很小,為0.005～0.008,表明水體的生態服務價值指數變化對延河流域生態服務價值總量的變化影響不大,也表明延河流域干旱缺水的現實。

表4 1990-2006年延河流域生態服務價值指數的敏感性指數

3 結論

1990-2006年的16 a間,延河流域土地利用發生了巨大的變化。林地增加最為顯著,增加幅度達到40.12%,其次是草地增加了24.30%,農田、水體減少最快,減少幅度分別為39.95%,39.55%,其次是建設用地減少了7.19%。反映了草地、林地增加,農田、建設用地、水體減少的總體趨勢,表現出近年延河流域水土流失綜合治理的顯著效果[19-20]。

在16 a間,延河流域生態服務價值前期緩慢下降后期快速增長的趨勢,是實施退耕還林還草工程的具體體現之一,研究表明,隨著各項措施的實施,生態服務功能將進一步增強,但由于建設用地也有一定的生態服務價值,因此對延河流域生態服務價值的計算是保守的。敏感性分析表明流域內生態服務價值對生態服務價值指數是缺乏彈性的,研究結果是可信的。

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