黃土丘陵區土地利用格局與生態系統服務價值分析——以中莊流域為例

李 娜，董立國，劉長寧，李生寶

（1．寧夏農林科學院 荒漠化治理研究所，銀川750002；2．寧夏遙感測繪勘查院，銀川750021）

土地是人類社會生存、發展的基礎和保障，土地利用變化是人類和自然相互作用、相互影響的結果。土地利用變化最直接的結果是導致系統結構和功能的變化，從而導致生態系統服務功能的變化。生態系統服務是指生態系統形成和所維持的人類賴以生存和發展的環境條件與效用［1］。土地利用變化和生態系統服務價值作為科學研究的熱點問題，直接關系著區域人口、資源、環境、經濟和社會系統的可持續發展。因此開展區域土地利用和生態系統服務功能變化的研究，對區域生態安全和資源環境的可持續發展具有重要意義。

近年來土地利用變化和生態系統服務價值的評估得到了國內外學者的廣泛關注，周德成等［2］研究了安塞縣退耕還林工程對黃土高原土地利用／覆被變化的影響。劉紀遠等［3－4］研究了中國土地利用變化，揭示了土地利用變化的空間格局與驅動因素。陳利頂等［5］研究了陜北黃土丘陵區大南溝流域土地利用結構的特點和變化。陳雅琳等［6］對礦區土地利用及生態服務價值進行了分析。呂昌河等［7］從土地利用和生態服務功能變化與沖突的角度，分析了安塞縣農業、環境與生態保護的變化過程與相互作用。馮異星［8］運用遙感和GIS技術借用謝高地等人提出的生態系統服務價值系數，分析了瑪納斯河流域土地利用變化對生態系統服務價值的影響。楊春利等［9］對石羊河下游民勤綠洲生態系統服務的價值進行了估算和對比分析。謝余初等［10］以甘肅省金塔縣為例研究了土地利用變化對生態系統服務價值的響應。眾多學者利用Costanza等提出的生態系統服務價值估算的原理和方法，參考謝高地等建立的中國陸地生態系統單位面積服務價值表對退耕還林工程實施土地利用和生態系統服務功能進行了研究，得出退耕還林工程的實施在一定程度上增加了系統的生態服務功能［11－14］。上述研究均針對特定區域進行了土地利用和生態系統服務功能分析，為區域土地利用格局和生態環境建設提供了研究基礎。

中莊小流域是國家“十五”、“十一五”生態領域科技支撐計劃項目建立的主要示范區之一，兩期項目以及國家退耕還林草等項目的實施，使區域土地利用發生了較大的變化，同時該流域可以作為黃土丘陵區的典型區域近年來生態建設成果的縮影。本研究利用“3S”技術，以2000年、2005年、2011年為界限，利用Costanza等提出的生態系統服務價值估算的原理和方法，參考謝高地等［15］建立的中國陸地生態系統單位面積服務價值表對中莊小流域進行土地利用格局和生態系統服務價值的動態變化進行研究分析，以期為區域生態環境建設和生態規劃提供參考依據。

1 研究區概況與研究方法

1．1 研究區概況

研究區位于彭陽縣城東北21km處的中莊村，屬于典型的溫帶大陸性氣候，地貌類型屬黃土高原腹部梁峁丘陵地，年平均降水量433．6mm（22a）左右，分明顯的旱季和雨季，其中50%～75%的降水集中在6—9月。3—5月的降水量，只有全年降水量的10%～20%。年平均氣溫7．4℃，≥10℃的積溫為2 200～2 750℃，地面平均氣溫8～9℃，7月最高，平均為22～23℃；1月最低，平均為－8℃左右。一般11月中下旬土壤結凍，至翌年3月初開始解凍。最大凍土深度一般超過100cm。日照時數為2 200～2 700h，日照百分率為50%～65%，一年之中，6月日照時數最多，9月日照時數最少。近10a的干燥度為1．40～3．04（可能蒸散量／降雨量），無霜期140～160d。主要氣象災害有干旱、霜凍、冰雹等。干旱是這一地區發生次數多、影響面廣、危害最嚴重的農業氣象災害。中莊村全村總面積17．62km2，390戶農戶、1 838口人，人均收入為3 651元。農田種植以糧食作物為主，主要有玉米、冬麥、豌豆、馬鈴薯等，油料作物主要以胡麻為主，飼料作物主要以紫花苜蓿為主。

1．2 研究方法與數據分析

本研究以2000年、2005年、2010年為界限，搜集2005年、2011年研究區的2．5m遙感影像、土地利用規劃圖、森林資源現狀調查圖等資料，結合對2000年、2005年和2010年土地利用現狀的實地走訪調查，借助GIS等技術對區域進行土地利用分類，由于未利用土地和建設用地變化較小，所以將土地利用類型最后統計為4個大類（表1）。生態系統服務價值計算方法利用Costanza等提出的生態系統服務價值估算的原理和方法以及謝高地等中國生態系統單位面積生態服務價值［15］進行計算統計。

表1 中莊村土地利用類型劃分

2 結果與分析

2．1 土地利用格局變化

經過統計計算，中莊小流域總土地面積1 762 hm2，林地、草地、農田、水域的面積共占區域總面積的94．3%。對中莊小流域不同時段土地利用類型進行統計分析（附圖4）結果顯示，2005年和2010年土地利用類型變化較小，2000年和2010年土地利用類型變化明顯，主要體現在林地和草地面積的增加和農田、水域面積的減少。林地由2000年的53hm2增加到2005年的291hm2再增加到2010年的294hm2；草地由2000年的399．9hm2增加到2005年的429．7 hm2又略微減少到2010年的429．5hm2；農田由2000年的1 196．9hm2減少到2005年的941．0hm2再減少至2010年的941．0hm2；水域由2000年的12．32 hm2減少到2005年的0hm2增加至2010年的0hm2。2000—2010年，研究區域土地利用類型發生了較大的變化。主要表現在農地比2000年減少了27．2%，且坡耕地大面積地減少，95%以上轉化為高標準水平梯田（梯田由2000年的153．87hm2增加到2005年的728．80hm2再增加到2010年的730．27hm2）；水域減少為0，水土保持工程措施的實施，減少了徑流，致使水庫干枯；林地比2000年增加了454．7%，草地比2000年增加了7．4%，主要是因為退耕還林草等工程的實施增加了灌木林、人工草地的面積。

2．2 生態系統服務價值變化

根據表2中的數據可以看出，利用不同時期研究區域4種典型土地利用類型的面積，計算研究區域不同土地利用類型生態系統服務價值，結果見圖1。在2000—2010年，4種典型土地利用類型生態系統服務價值均發生了較大的改變，林地生態系統服務價值從2000年的66．5萬元／（hm2·a）增加到2005年的367．7萬元／（hm2·a）和2010年的371．7萬元／（hm2·a）；草地生態系統服務價值從2000年的209．6萬元／（hm2·a）分別增加到2010年的223．5萬元／（hm2·a）；農田生態系統服務價值從2000年的424．7萬元／（hm2·a）下降到2010年的333．8萬元／（hm2·a）；水域生態系統服務價值從2000年的25．1萬元／（hm2·a）下降到2010年的0萬元／（hm2·a）。研究區域的總生態系統服務價值從2000年的725．8萬元／（hm2·a）分別增加到2005年的926．7萬元／（hm2·a）和2010年的929．1萬元／（hm2·a），分別增加了27．7%，28．0%。在綜合生態系統服務功能中除食物生產和廢物處理價值有所下降以外，其他各項生態系統服務功能都有所提高。由于各項生態系統服務價值變化主要與土地面積有直接的關系，食物生產價值主要由農田生態系統提供，因此，農田面積的減少必然使生態系統食物生產價值減少。廢物處理價值中以水域價值為最大，林地、草地和農田較為接近，水域和農田的減少必然致使廢物處理能力下降。

表2 中國生態系統單位面積生態系統服務價值［15］（元／hm2·a）

圖1 不同土地利用類型生態系統服務價值

3 結論與詩論

（1）研究區域近10a來土地利用變化表現為2000—2005年快速變化階段和2005—2010年穩定變化階段，整體表現為“兩減兩增”，即農田、水域面積的減少，草地、林地面積的增加。土地利用類型變化是人類活動對區域生態系統最直接的表現形式，近10a來，土地利用類型發生的較大變化，主要得益于退耕還林工程和國家“十五”、“十一五”項目的實施。退耕還林作為國家生態建設的重大工程，始于1999年，研究區域從2001年開始進行坡耕地造林種草和土地整理，區域土地利用格局發生了重大變化，2005年基本形成現在的土地利用格局，退耕還林進入建設成果鞏固階段。

近10a來，研究區域林草間作林地面積的大量增加，對區域生態環境具有極大的影響，合理的造林措施、空間配置對區域生態環境的改善具有明顯的促進作用，不合理的造林措施、造林密度必然造成區域生態環境的惡性循環。研究區域梯田面積的增加對減少水土流失、提高降雨利用效率、提高土壤肥力、實現農業現代化、機械化生產具有重要意義，是一種較好的土地整理措施。

（2）研究區域近10a生態系統服務價值明顯增加，主要得益于林地和草地面積的增加，不同土地利用類型生態系統服務價值與土地面積具有顯著的正相關關系。生態服務功能對人類社會的發展具有重要意義，對中莊小流域不同土地利用類型的生態系統服務價值計算結果顯示，農田、水域的生態系統服務價值減少和草地、林地的生態系統服務價值增加，研究結果與眾多研究相似［11－14］，黃土丘陵區林地和草地面積的增加對區域生態系統服務價值的增加具有明顯的促進作用，不同土地利用類型生態系統服務價值隨土地利用面積的變化而發生相應的變化。

本研究中生態系統服務價值未考慮坡耕地梯田化、林草建設等措施對生物量影響造成的生態系統服務價值的變化，只是從整體上對近年來區域生態系統價值的變化進行了闡述。研究結果基本能反映區域生態系統變化狀況，但生態系統服務價值是眾多因子共同作用的結果，在今后的研究中需要結合區域實際才能更好反映區域生態系統服務價值。

［1］ 歐陽志云，王效科，苗鴻．中國陸地生態系統服務及其生態經濟價值的初步研究［J］．生態學報，1999，19（5）：607－613．

［2］ 周德成，趙淑清，朱超．退耕還林工程對黃土高原土地利用／覆被變化的影響：以陜西省安塞縣為例［J］．自然資源學報，2011，26（7）：1866－1875．

［3］ 劉紀遠，劉明亮，莊大方，等．中國近期土地利用變化的空間格局分析［J］．中國科學：地球科學，2002，31（12）：1031－1043．

［4］ 劉紀遠，張增祥，徐新良，等．21世紀初中國土地利用變化的空間格局與驅動力分析［J］．地理學報，2009，64（12）：1411－1420．

［5］ 陳利頂，傅伯杰，王軍．黃土丘陵區典型小流域土地利用變化研究：以陜西延安地區大南溝流域為例［J］．地理科學，2001，21（1）：46－51．

［6］ 陳雅琳，高吉喜，常學禮，等．礦區土地利用及生態服務價值動態評估：以山西省朔州市為例［J］．干旱區資源與環境，2011，25（1）：44－48．

［7］ 呂昌河，程量．土地利用變化與生態服務功能沖突：以安塞縣為例［J］．干旱區研究，2007，24（3）：301－305．

［8］ 馮異星，羅格平，魯蕾，等．土地利用變化對干旱區典型流域生態系統服務價值的影響［J］．水土保持學報，2009，23（6）：246－250．

［9］ 楊春利，白永平．干旱地區綠洲生態系統服務價值功能的評估：以石羊河下游民勤綠洲為例［J］．干旱區農業研究，2009，27（5）：230－234．

［10］ 謝余初，鞏杰，趙彩霞，等．干旱區綠洲土地利用變化的生態系統服務價值響應：以甘肅省金塔縣為例［J］．水土保持研究，2012，19（2）：165－170．

［11］ 田耀武，黃志霖，肖文發，等．基于RS和GIS的退耕還林模式對三峽庫區黑溝小流域生態服務價值的影響［J］．水土保持研究，2010，17（3）：97－100．

［12］ 陳穎，石培基，潘竟虎，等．高原生態城土地利用變化對生態系統服務價值的影響研究：以甘肅省民樂縣為例［J］．水土保持研究，2012，19（2）：154－159．

［13］ 趙麗，張蓬濤，朱永明．退耕還林對河北順平縣土地利用變化及生態系統服務價值的影響［J］．水土保持研究，2010，17（6）：74－77．

［14］ 呂明權，王延平，王繼軍．吳起縣土地利用變化及其生態服務價值研究［J］．水土保持研究，2010，17（1）：144－148．

［15］ 謝高地，甄霖，魯春霞，等．一個基于專家知識的生態系統服務價值化方法［J］．自然資源學報，2008，23（5）：911－919．