花溪區土地利用/覆被變化對生態系統服務價值的影響分析

楊家芳，蘭良鴻，周文龍

(1.貴州省山地資源研究所，貴州 貴陽 550001；2.貴州省山地資源研究所有限公司，貴州 貴陽 550001)

花溪區土地利用/覆被變化對生態系統服務價值的影響分析

楊家芳1，蘭良鴻2，周文龍1

(1.貴州省山地資源研究所，貴州 貴陽 550001；2.貴州省山地資源研究所有限公司，貴州 貴陽 550001)

摘要：以花溪區遙感影像為數據源，通過影像解譯獲得了不同年份花溪區土地利用類型面積，對花溪區生態系統服務價值進行了估算。通過土地系統和生態系統二者的耦合變化關系，探討了LUCC對生態系統服務的影響過程。研究結果表明：①花溪區14年間林地、建設用地、其他用地均增加，耕地、草地、水域均減少；②生態系統服務總價值(ESV)增長了9 253.95萬元，主要原因是生態服務價值較高的林地面積的增加；③土地利用/覆蓋變化(LUCC)對生態系統服務影響具有差異性；④花溪區生態服務廢物處理項目和食物生產項目的ESV總體減少，主要原因是水域及耕地面積的減少，其中水域是具有廢物處理生態服務價值最高的土地類型，耕地是具有食物生產生態服務價值最高的土地類型；⑤敏感性分析表明花溪區內的ESV對VC是缺乏彈性的，林地敏感性系數最大。

關鍵詞：土地利用/覆被變化；生態系統服務價值；花溪區

收稿日期：2015-08-17

基金項目：國家自然科學基金(編號：41261038)資助

作者簡介：楊家芳(1987—)，女，貴州惠水人，布依族，研究實習員，主要從事土地利用數據分析與土地利用信息系統研究。

通訊作者：周文龍(1984—)，男，湖北鄂州人，助理研究員，主要從事遙感與生態治理等方面的研究。

中圖分類號：X171

文獻標識碼：A

文章編號：：1674-9944(2015)10-0008-05

1引言

土地利用/覆蓋變化(Land use and land cover change，簡稱LUCC)是全球環境研究的熱點和前沿問題，是人與自然交叉最為密切的環節。LUCC對大氣化學性質及過程、土壤、生態多樣性、人口承載力等產生重要的影響，能夠引起許多生態過程和自然現象的變化，對維持生態系統服務功能起著決定性的作用[1]。生態系統服務功能又稱生態系統服務(Ecosystem Services)，包括自然生態系統，也包括人類改造的生態系統[2]。生態系統服務功能是指生態系統與生態過程所形成及所維持的人類賴以生存的自然環境的條件與效用[3]。對于生態系統服務功能，國內外有許多不同的分類體系。Costanza等將全球生物圈分為16大類，26小類，將生態系統服務功能劃分為17種功能，并以此對全球生態系統的服務價值進行估算[2，3]。在Costanza的研究中存在對耕地的估算過高，濕地的估算過低等情況，基于上述原因，謝高地等學者結合我國土壤類型、地形特點，對Constanza的生態系統單價進行了修正得出的《我國不同生態系統單位面積生態服務價值表》(表1)[4，5]。

我國是世界上脆弱生態類型最多、生態脆弱區分布面積最大、生態脆弱性表現最明顯的國家之一。我國生態脆弱區主要分布在西南山區、青藏高原等地區[7，8]。本文研究區域花溪區位于我國西南山區，是喀斯特石灰巖巖溶山地區域，該區域生態環境脆弱性表現為全年降水量大，融水侵蝕嚴重，而且巖溶山地土層薄，成土過程緩慢，所以該區域生態環境一旦遭到破壞而形成大面積的巖石裸地，將很難再進行恢復。綜上可見，對花溪區LUCC動態度和生態價值評估意義重大。本文采用土地利用動態度分析花溪區的LUCC，通過土地系統和生態系統二者的耦合變化關系探討LUCC對生態系統服務的影響過程。根據《我國不同生態系統單位面積生態服務價值表》[4]，對花溪區生態系統服務價值進行估算。本研究可以為花溪區相關部門開展生態環境保護工作提供決策支持，對確保花溪區持續為貴陽市提供安全水源供應及喀斯特地貌的土地源可持續利用發展具有一定的意義。

2基礎數據來源與研究方法簡介

2.1　研究區概況

花溪區位于黔中腹地，距貴陽市市中心17 km。全區地貌以山地和丘陵為主，地處東經106°27′～106°52′，北緯26°11′～26°34′。區域土地總面積976.84 km2。森林覆蓋率達到41.53%。花溪區年均氣溫14.9℃。平均年降雨量1 100～1 200 mm。花溪區處于長江、珠江分水嶺和南明河上游，有大小河流55條、總長390 km。擁有松柏山水庫、花溪水庫兩座中型水庫，總庫容達7 140萬m3。

2.2　基礎數據來源

本文以遙感數據為主要來源，遙感數據包括1993年11月的TM影像(分別率30 m)，2001年4月(分辨率30 m)、2007年6月的是中巴資源衛星影像(分辨率19.5 m)。在進行幾何糾正，大氣校正，配準和圖像增強，研究區域剪切等處理后，采用機助目視判讀的方法，提取出土地利用/覆被信息。以《貴陽市花溪區統計年鑒》為參考，校對提取出的土地利用數據。根據花溪區影像解譯情況，參照國家土地利用分類系統，將花溪區的土地利用類型劃分為耕地、草地、林地、建設用地、水域、其他用地六種類型[9]。

2.3　土地利用/覆被變化動態表達

土地利用動態變化包括土地利用類型的數量、質量、組合方式隨時間的變化等[10]。土地利用動態度定量地描述了土地利用的變化速度，即研究區一定時間范圍內某種土地利用類型的數量的變化情況。計算公式[10]為：

(1)

式(1)中：K為某土地利用類型的年變化率；T為研究時段，單位為年；Ua、Ub分別為研究初期、末期某一種土地利用類型的面積。

為了反映各類土地變化對區域土地利用變化影響的大小，采用研究區各類土地變化值占所有土地利用類型變化總絕對值的比例進行分析, 計算公式[10]為:

(2)

式(2)中：KiT為研究區在T時段內，第i類土地類型的面積變化值占所有土地利用類型面積變化絕對值之和的比例；n為土地利用類型數量；i為某土地利用類型(i=1,2,…,n)；△UiT為某類土地在T時段內的面化量。

2.4　生態系統服務功能價值評估方法

根據花溪區的實際情況，將花溪區的生態系統的服務功能分為氣候調節、氣體調節、土壤形成與保護、水源涵養、廢物處理、食物生產、生物多樣性保護、原材料、娛樂休閑9項[4]。

生態系統服務價值的計算公式[7，8]為:

ESV=∑VCk×Ak

(3)

ESVf=∑VCfk×Ak

(4)

式(3)、(4)中：ESV為生態系統服務總價值(元)，ESVf為生態系統單項服務總價值(元)，VCk為生態價值系數(元/hm2·a)，VCfk為單項服務功能價值系數(元/hm2·a)；Ak則為研究區域內K種土地利用類型的分布面積(hm2)。

2.5　敏感性分析方法

敏感性指數(coefficient of sensitivity，簡稱CS)是指生態價值系數(VC)變動1%引起ESV的變化情況[10，11]。如果CS<1，說明ESV對VC缺乏彈性，反之CS>1，則說明ESV對VC是富有彈性的。計算公式[5]如下：

(5)

式(5)中：i表示調整前生態服務價值系數，j表示調整后生態服務價值系數。

3結果分析

3.1　土地利用/覆蓋變化

本文以2001年為界，將研究區分為兩個時期，即前一時期(1993～2001年)和后一時期(2001～2007年)。由表2及表3可以看出：在研究區間內花溪區各類土地利用面積隨時間推移呈不同程度的增減變化，耕地、草地、水域總體上有所減少，林地、建設用地、未利用地總體上有所增加。14年間各類土地利用類型變化情況具體如下：耕地持續減少了9.978×103hm2，后一時期的土地利用減少速率較前一時期土地利用的減少速度緩慢，K為-1.43%，KiT為-43.11%。林地呈持續增長了8.944×103hm2，K為1.74%，KiT為38.64%，三個研究時間點中林地面積占土地總面積比例均居35%以上。據國內外有關資料[11，12]，要使巖溶山區的生態環境處于良好循環，森林覆蓋率至少要達30%。由此可見，三個研究時間點中，花溪區生態系統處于良好循環狀態。草地則呈先增加后減少趨勢，減少了1.327×103hm2，前一時期草地土地利用的增加速度為2.33%，后一時期減少速率為3.65%，K為-1.14%，KiT為-5.73%。水域續減少了2.66×102hm2，后一時期土地利用減少速率較前一時期緩慢，K為-1.67%，KiT為-1.15%。建設用地持續增加了2.518×103hm2，動態度最大，為10.99 %，KiT為10.88%。

除此之外，花溪區在前一時期中耕地面積的減少，林地、草地面積的增加，與國家1998年頒布的實施“天然林保護工程”和“退耕還林還草”政策實施有關。

表2　花溪區各土地利用類型面積及結構變化

3.2　花溪區土地利用轉移矩陣

本文利用ArcGIS軟件中的空間疊加分析(Spacial Overlap Analysis)功能，對土地利用類型結構和演化規律做進一步分析，得出1993～2007年間花溪區土地利用類型轉移矩陣(表4)。

表3　花溪區各土地利用類型動態度　%

表4　1993～2007年間花溪區土地利用類型轉移矩陣　km2

表4可以得出：從1993～2007年，花溪區土地利用類型之間的相互轉化主要是：耕地、林地、草地和建設用地。耕地主要轉換為林地、草地和建設用地，其中耕地38.56%轉換為了林地，4.83%轉換成了草地，4.57%轉換成了建設用地；林地主要轉換為耕地、草地和建設用地，其中林地26.11%轉換成了耕地，9.79%轉換成了草地，1.77%轉換成了建設用地；上述分析得出：建設用地主要來源于耕地。

3.3　土地利用/覆被變化的空間體現

從圖1：1993年花溪區土地利用現狀圖、圖2：2001年花溪區土地利用現狀圖、圖3：2007年花溪區土地利用現狀圖中分別可以直觀地看出各土地利用類型的空間分布狀態。與此同時，對圖1、圖2、圖3各地類土地利用/覆蓋狀況作對比分析，大體上可以直觀看出：花溪區西北、西南面林地有所增加，中部花溪鄉建設用地有所增加等。

表5　花溪區生態系統服務總價值及其價值構成變化

3.4　生態系統服務總價值變化

根據生態系統服務價值的計算公式(3)和表2研究區三個階段各土地利用類型的面積，計算土地生態系統服務總價值(表4)。從價值構成來看，林地的生態價值最高，呈持續增長的狀態，比重一直處于60%以上。其次是耕地的生態價值，呈持續減少狀態，比重一直處于20%以上。三個階段中，林地和耕地的生態價值之和均占總價值比例的90%以上。綜上得出：林地和耕地是該區域生態系統服務價值的主體。此外，從表4可以看出：1993年ESV為111 320.44萬元，2001年ESV為113 615.80萬元，2007年為120 574.39萬元，14年間ESV增長了9 253.95萬元，主要是因為生態服務價值較高的林地面積的增加所致。

3.5　區域生態系統單項服務功能價值變化

從表6可知，生態服務項目中除了廢物處理和食物生產ESV總體上有所減少外，其他的ESV都有所增加。廢物處理ESV總體上有所減少的原因是具有廢物處理生態服務價值最高的水域面積總體上有所減少。食物生產ESV的減少主要原因是具有食物生產生態服務價值最高的耕地面積的減少。從生態服務項目所占生態服務價值比重看出：土壤形成與保護所占比重居首位占18%以上，其次是水源涵養占14%以上。

表6　花溪區單項服務功能生態系統服務價值變化

3.6　敏感性分析

本文借用敏感性指數是為了驗證生態價值系數的準確性及花溪區ESV隨時間變化對VC變化的依賴程度。為了計算方便，本文將土地利用類型的生態價值系數VC分別上下調整50%，并結合公式(5)分析某類土地利用類型生態價值系數VC的變化對整體生態系統服務價值變化的重要程度，從而來分析ESV對VC的敏感程度。計算出各類土地的生態價值敏感指數見表7。計算結果表明：研究區內的ESV對VC的敏感性系數小于1，說明ESV對VC是缺乏彈性的，研究結果可信。敏感性系數從大到小依次為林地、耕地、草地、水域，最大值為 0.64～0.73。

表7　各土地類型的生態價值敏感指數

4結論

(1)花溪區14年間林地、建設用地、其他用地均增加，耕地、草地、水域均減少，LUCC的變化引起生態服務總價值(ESV)增長了9253.95萬元，主要是因為生態服務價值較低的土地利用類型轉向了生態服務價值較高的林地。

(2)花溪區生態服務廢物處理項目和食物生產項目的ESV總體減少，主要原因是水域及耕地面積的減少，其中水域是具有廢物處理生態服務價值最高的土地類型，耕地是具有食物生產生態服務價值最高的土地類型。

(3)敏感性分析說明研究區內的ESV對VC缺乏彈性。

綜上研究結果得出，花溪區LUCC的變化雖然引起總生態價值(ESV)增長，與此同時也導致耕地、草地及水域面積的減少。花溪區是國家級生態示范區, 也是貴陽市重要的水源保護區。針對水域面積減少的情況，花溪區相關部門應實施相應措施加強水域的保護，以確保花溪區持續為貴陽市提供安全水源供應及喀斯特地貌的土地資源可持續利用發展。

本研究也存在以下兩點不足，需要進一步完善：

(1)本文未對建設用地生態系統服務價值作估算，原因是目前還沒有更科學更準確的方法來評價建設用地生態服務價值，故本文花溪區生態系統服務價值的存在一定的誤差。

(2)本文根據《我國不同生態系統單位面積生態服務價值表》[4]對花溪區生態系統服務價值進行評估，對生態系統空間差異性等因素考慮不夠，不能完全客觀地反映特定區域的生態服務價值，有待開展進一步深入的研究。

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