內蒙古鄂爾多斯市達拉特旗土地利用結構變化對生態系統服務價值的影響

鐘莉娜，郭旭東,趙文武，劉世梁，吳 全

（1.中國土地勘測規劃院 國土資源部土地利用重點實驗室，北京 100035；2.北京師范大學資源學院 地表過程與資源生態國家重點實驗室，北京 100875；3.北京師范大學環境學院 水環境模擬國家重點實驗室，北京 100875；4.內蒙古自治區土地調查規劃院，內蒙古 呼和浩特 010022）

內蒙古鄂爾多斯市達拉特旗土地利用結構變化對生態系統服務價值的影響

鐘莉娜1,2，郭旭東1,趙文武2，劉世梁3，吳 全4

（1.中國土地勘測規劃院 國土資源部土地利用重點實驗室，北京 100035；2.北京師范大學資源學院 地表過程與資源生態國家重點實驗室，北京 100875；3.北京師范大學環境學院 水環境模擬國家重點實驗室，北京 100875；4.內蒙古自治區土地調查規劃院，內蒙古 呼和浩特 010022）

研究目的：在土地利用變化背景下，探討內蒙古鄂爾多斯市達拉特旗生態系統服務價值變化。研究方法：數理統計、遙感與GIS、模型模擬。研究結果：基于1985年、2000年、2008年和2011年的土地利用數據分析達拉特旗的土地利用結構變化，并在此基礎上對生態系統服務價值變化進行定量評價。研究結論：達拉特旗的主要土地利用類型是草地、農田和森林，1985年以來土地利用類型的分配趨向均衡化；研究期間達拉特旗生態系統服務價值總體上呈現先升后降的趨勢；達拉特旗的主要生態服務功能是廢物處理、水源涵養、土壤形成與保護、生態多樣性保護和氣候調節，主要生態服務功能年際變化不大。

土地利用； 生態系統服務；價值；功能；模型

生態系統服務是指生態系統為維護人類社會的生產、消費、流通、還原和調控活動而提供的有形或無形的自然產品、環境資源和生態公益能力，是生態系統的一種產出和功效[1-4]。隨著科技進步、社會發展和人口迅速增長，自然生態系統承受的壓力越來越大，長期以來不合理的人類活動使生態系統服務價值不斷降低[5]。土地利用是人類最基本的實踐活動之一，與生態系統的服務功能及其價值密切相關[6]。在土地利用變化背景下，探討生態系統服務功能對促進區域可持續發展和生態環境保護具有重要的科學意義[7-9]。近年來，土地利用變化背景下生態系統服務價值的研究成為生態學研究領域的熱點，國內外學者做了許多積極的探索[10-13]。國外對生態系統服務價值的研究大多數在全球或區域尺度上展開，流域尺度、單個生態系統服務價值的估算也是研究的熱點領域；中國對生態系統服務價值的研究中，西部對干旱區和半干旱區的主要生態系統類型都有涉及，中部和東部的研究主要涉及森林、濕地、城市等生態系統。資源型城市是中國重要的能源資源戰略保障基地，資源型城市土地利用結構變化較大，生態系統較為脆弱，但目前針對資源型城市土地利用結構變化對生態系統服務價值影響的研究較少，研究資源型城市土地利用結構變化對生態系統服務價值的影響對促進資源型城市土地的可持續利用及生態系統服務價值的提高具有重要意義。

達拉特旗作為內蒙古鄂爾多斯市下轄的一個旗，屬于典型的資源型城市，其土地利用結構近年來發生了很大變化，對生態系統造成了顯著影響。本文在分析達拉特旗1985—2011年土地利用結構變化的基礎上，對生態系統服務價值變化進行了定量評價，以期為研究區土地的合理調控和管理提供一定的科學依據。

1 研究區概況

達拉特旗位于內蒙古自治區西南部，黃河（河套）南岸，北與包頭市隔河相望，是鄂爾多斯市的北大門，地理坐標為39°48′—40°33′N，108°58′—110°43′E。全旗總面積8200 hm2，總人口34萬。屬典型的溫帶大陸性氣候，四季分明，干燥少雨，年降水量僅為240—360 mm，主要集中在7—9月，年蒸發量卻可以達到2000—3000 mm。地處平緩沙間低地，位于黃土高原向沙漠（地）的過渡地帶，地形南高北低，海拔變化、坡位、坡向變化程度較小[14]。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

主要數據是鄂爾多斯市達拉特旗1985年、2000年、2008年和2011年的土地利用圖以及相應的植被覆蓋（NDVI）數據。1985年、2000年、2008年的土地利用數據來源于中國1∶25萬土地覆蓋遙感調查與監測數據庫，2011年土地利用數據為Sport5遙感影像解譯得到。NDVI數據采用由比利時弗萊芒技術研究所（Flemish Institutefor Technological Research，Vito）影像處理中心（VEGETATION Processing Centre，CTIV）基于法國SPOT-4衛星拍攝的全球植被覆蓋處理成的數據，其分辨率為1 km。

2.2 信息熵、均衡度、優勢度

信息熵可以反映一定地區土地利用類型的多少，不同土地利用類型面積分布的均勻程度，各土地利用類型的有序程度、動態變化以及轉換程度。一般情況下，信息熵越大說明土地利用越無序；信息熵越小，土地利用的結構性越強，系統的健康程度越高，越有利于生產活動的開展。信息熵的研究對于區域土地利用結構的優化具有積極的指導意義[15]。其計算公式為：

式1中，S為一個地區的土地總面積，n是該區域土地利用類型數，各種土地利用類型的面積為Si（i = 1，2，…，n），Pi為各種土地利用類型的面積占區域土地總面積的比例，H為信息熵。當各土地利用類型的面積相等時信息熵最大，Hmax= ln n。

實際熵值與最大熵值的比值為研究區土地利用結構的均衡度（J），用于表征各種土地利用類型的分配均勻程度。優勢度（I）用于衡量區域土地利用類型結構中占支配地位的一個或幾個土地利用類型對研究區的控制程度[16]。均衡度越大，優勢度越小，土地利用結構的面積分配更趨向多樣化和平均化。

2.3 生態系統服務價值估算

2.3.1 生態系統服務價值估算模型 本文采用Costanza等[17]提出的生態系統服務價值分析模型估算研究區的生態系統服務價值，其公式為：

式5中，ESV為生態系統服務總價值，Ak為研究區第k種土地利用類型的面積，Ck為該土地利用類型單位面積的生態系統服務價值系數。

2.3.2 生態系統服務價值估算模型的修正 謝高地等[18]提供了一個全國平均狀態的生態系統服務價值的單價，在應用到不同區域時須進行修正。一般來說，生物量越大，生態系統服務功能越強。謝高地等同時提出了生態系統服務價值單價的修訂公式：

式6中，M為生態系統服務價值單價的修正系數；bj為研究區生態系統的單位面積平均生物量；j = 1 , 2，…，m，為不同生態資產類型；B為全國生態系統的單位面積平均生物量。

2.3.3 生物量的遙感估算 基于ArcGIS 9.3空間數據分析軟件將1985年、2000年、2008年和2011年6—9月每月1日、11日、21日的NDVI數據進行最大合成（MVC），最終生成最大合成NDVI年數據。在最大合成NDVI年數據的基礎上計算全國和達拉特旗1985年、2000年、2008年和2011年的年NDVI平均值，根據馬文紅[19]在中國北方地區建立的NDVI與生物量之間的關系式估算全國和達拉特旗的生物量：

1) 報警擱置與抑制功能。報警擱置允許操作員暫時抑制造成干擾的滋擾報警。操作員能夠選擇1個或1組報警進行擱置，并輸入需要暫時抑制的原因。

式7—式8中，AGB為地上生物量（g·m-2），BGB為地下生物量（g·m-2），本文中采用的生物量為地上生物量與地下生物量之和。

3 結果與分析

3.1 土地利用結構變化

2011年達拉特旗土地總面積為8243 km2，草地、農田、森林是主要利用類型，占總面積比例分別為39.28%、21.28%、18.60%，荒漠占總面積的12.82%，建設用地、水體和濕地的面積較小，分別占研究區總面積的3.44%、2.96%、1.62%。1985年達拉特旗土地利用結構的信息熵為1.36，2000年下降到1.34，但2000年之后達拉特旗土地利用結構的信息熵明顯上升，2008年和2011年分別達到1.45和1.56。1985—2011年信息熵總體呈上升趨勢，說明研究期間土地利用格局破碎程度增大，土地利用系統的無序度上升，生態系統的健康程度降低，紊亂度增加。均衡度由1985年的0.70上升到了2011年的0.80，優勢度從0.30降至0.20，說明自1985年以來，達拉特旗土地利用類型結構中占支配地位的幾種土地利用類型面積減少，各土地利用類型的面積分配更趨向多樣化和平均化。

近年來，達拉特旗經濟發展迅速，人口增加，城鎮化進程加快。各種城鎮居住用地、工礦用地及交通運輸等基礎設施建設在很大程度上改變了原來的土地利用結構，使土地利用結構的無序度上升。同時，1985—2011年間，農田由1985年的156.21 km2增加到2011年的1753.00 km2，草地由4092.37 km2減少到3237.09 km2，建設用地由208.40 km2增加到了283.56 km2，荒漠面積由1911.87 km2減少到了1056.93 km2，土地利用類型之間的面積分配更加均勻，使得達拉特旗草地、農田、森林的優勢度降低，土地利用的均衡度增加。

3.2 生態系統服務價值變化

3.2.1 生態系統服務價值單價修正 基于最大合成NDVI年數據計算全國和達拉特旗1985年、2000年、2008年和2011年的年NDVI平均值分別為0.4576和0.2979，根據馬文紅在中國北方地區建立的NDVI與生物量之間的關系式估算達拉特旗和全國的生物量，達拉特旗生物量為532.9235 g·m-2，全國生物量為867.4577 g·m-2，進一步根據式8得到生態系統服務價值單價的修正系數M = 0.6144。利用修正系數M對謝高地等建立的中國不同陸地生態系統單位面積生態系統服務價值表[18]進行修正，得到達拉特旗不同生態系統單位面積生態系統服務價值表（表1）。

表1 不同生態系統單位面積生態系統服務價值表 單位：元/hm2Tab.1 Units area ecosystem service value in different ecosystems unit: yuan/hm2

表2 達拉特旗生態系統服務價值 單位：104元Tab.2 Ecosystem service value of Dalateqi unit: 104yuan

圖1 生態系統服務總價值年際變化Fig.1 Interannual variability of ecosystem service values

圖2 不同生態系統服務功能生態系統服務價值年際變化Fig.2 Interannual variability of ecosystem service values of different ecosystem services function

另外，對達拉特旗的不同生態服務功能的生態系統服務價值進行核算（圖2），可以看出達拉特旗的主要生態服務功能是廢物處理、水源涵養、土壤形成與保護、生態多樣性保護和氣候調節，而提供原材料、娛樂文化和食物生產方面的生態系統服務價值較低。各生態服務功能的生態系統服務價值年際變化不大，但2011年氣候調節的生態系統服務價值明顯降低，食物生產的生態系統服務價值卻有所增加。

濕地面積減少是2011年氣候調節生態服務功能價值降低的主要原因。濕地被稱為“地球之腎”，具有保持水源、調節氣候、蓄洪防旱、凈化水質和維護生物多樣性等重要生態功能。在氣候、地形、煤礦塌陷等因素的共同影響下，達拉特旗發育形成了類型多樣的濕地。目前濕地保護工作已取得了初步成效，但仍未建立濕地保護的長效機制，科技支撐薄弱，濕地保護意識仍有待于提高。

2011年耕地面積的增加以及耕地質量的提高使達拉特旗食物生產的生態系統服務價值有所升高。達拉特旗地區耕地基礎條件較差，耕地節約利用水平較低，農業基礎設施投入不足，耕地質量較差，保護耕地和提高耕地質量的任務艱巨。2010年起，鄂爾多斯市投入大量資金相繼實施了農村土地整治示范工程和自治區農村土地整治重點工程、高標準基本農田及土地集約高效利用示范等項目，加大農業的綜合開發力度，發展節水高效農業，增加了耕地面積，提高了耕地的糧食生產能力。

3.2.3 土地利用結構信息熵與生態系統服務價值關系分析 將達拉特旗生態系統服務價值與土地利用結構的信息熵進行相關分析得到圖3。從圖3可以清楚的看出信息熵越大，生態系統的服務價值越低，二者的相關性為0.75。研究期間城鎮、工礦用地的迅速擴張以及交通運輸等基礎設施的建設使得達拉特旗土地利用結構的無序度升高，最終導致生態系統健康程度的降低和服務價值的降低。合理增加林地、草地、耕地等生態用地的面積，優化土地利用結構可以在一定程度上提高生態系統健康程度及生態系統服務價值。

圖3 信息熵與生態系統服務價值相關性分析Fig.3 Correlation analysis of information entropy and value of ecosystem services

4 結論

土地利用結構的變化會引起生態系統結構和格局的變化，進而影響生物地球化學循環、土壤更新、水循環等生態過程，最終引起生態系統服務價值的改變[20-24]。達拉特旗作為鄂爾多斯的能源開發區，分析其土地利用結構變化對生態系統服務價值的影響可以為研究區的土地資源可持續利用和生態社會經濟的協調持續發展提供科學支撐。通過分析達拉特旗土地利用結構變化及其對生態系統服務價值的影響得到的主要結論如下：

（1）草地、農田、森林是達拉特旗的主要土地利用類型。1985年以來，占支配地位的土地利用類型面積呈現減少趨勢，各土地利用類型的面積分配更趨向多樣化和平均化。

（2）1985—2011年，達拉特旗生態系統服務的總價值總體上呈現先升后降的趨勢，2000年達到生態系統服務價值的最大值，2011年出現了研究期間生態系統服務價值的最小值。退耕還林政策提升了研究區的生態系統服務價值，然而城市的快速擴張以及煤炭資源的開采侵占了大量生態用地，使得研究區生態系統服務價值降低。

（3）達拉特旗的主要生態服務功能是廢物處理、水源涵養、土壤形成與保護、生態多樣性保護和氣候調節。2011年氣候調節的生態系統服務價值明顯降低的原因是濕地面積的減少，耕地面積的增加以及耕地質量的提高是食物生產生態系統服務價值提高的重要原因。

（4）達拉特旗土地利用結構信息熵增加與生態系統服務功能降低表現為線性相關關系。合理增加生態用地的面積、優化土地利用結構可以提高生態系統服務價值。

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（本文責編：仲濟香）

Effects of Land Use Structure Changes on Ecosystem Service Value: A Case Study of Dalateqi, Erdos

ZHONG Li-na1,2,GUO Xu-dong1, ZHAO Wen-wu2, LIU Shi-liang3，WU Quan4
（1. China Land Surveying and Planning Institute, Key Laboratory of Land Use, MLR, Beijing 100035, China; 2. College of Resources and Technology, Beijing Normal University, State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource
Ecology, Beijing 100875, China; 3. School of Environment, Beijing Normal University, State Key Laboratory of Water Environment Simulation, Beijing 100875, China; 4. Inner Mongolia Autonomous Region Land Surveying and Planning Institute, Hohhot 010022, China）

The purpose of this paper is to analyze the impacts of land use structure changes on ecosystem service value under the background of land-use change. Research methods are statistics, remote sensing, GIS and model simulating. Based on the land use data in 1985, 2000, 2008 and 2011, respectively, the land use changes of Dalateqi were analyzed, and the value of ecosystem services was evaluated quantitatively. The research conclusions include that the main land use types in Dalateqiare grassland, farmland and forest. The distribution of land use types became more balanced since 1985. During the study period, the total value of ecosystem services in Dalateqi first increased and then decreased. Grain policies promoted the value of ecosystem services in the study area. However, the city's rapid expansion and exploitation of coal resources occupied a large part of ecological land, and caused the value of ecosystem services reduced. The main ecosystem services in Dalateqi were waste management, water conservation, soil formation and protection, biodiversity conservation and climate regulation. The interannual variability of main ecosystem services in Dalateqi was not significantly except climate regulation.The value of ecosystem services in climate regulation significantly reduced because of the wetland area reduction.

land use; ecosystem services; value; functions; model

F301.24

A

1001-8158（2014）10-0025-08

2014-08-30

2014-10-10

國土資源部公益性行業科研專項“典型區域土地資源數量-質量-生態監測及持續利用應用示范”（201211050）。

鐘莉娜（1989-），女，山東青島人，碩士研究生。主要研究方向為土地利用與生態過程。E-mail: zhong_lina@163.com

郭旭東（1972-），男，遼寧鐵嶺人，研究員。主要研究方向為土地生態學、土地利用變化與土地質量。E-mail: sam9560@vip.sina.com.cn