阿拉善干旱荒漠區土地利用變化對生態系統服務的影響

盧周揚帆, 許端陽, 張緒教, 趙志榮, 張曉宇

(1.中國地質大學(北京), 北京 100083; 2.中國科學院 地理科學與資源研究所, 北京 100101)

生態系統服務是生態系統及其生態過程所形成或維持的人類賴以生存的自然環境條件與功能[1]；它不僅為人類的生產和生活提供必須的生態產品，還創造和維持了地球生命支持系統，形成了人類生存所必需的環境條件。荒漠生態系統是發育在降水稀少、蒸發強烈、極端干旱環境下，植物群落稀疏的生態系統類型，是陸地生態系統的重要組成部分，具有獨特的結構和功能[2]，如土壤保持、防風固沙、碳匯、生物多樣性維持等，對于維持干旱—半干旱地區經濟社會可持續發展、改善農牧民生計以及減貧等具有重要影響。因此，科學評估荒漠生態系統服務已成為當前生態系統服務研究以及可持續發展領域的重要議題。

荒漠生態系統極其脆弱，其核心生態系統服務功能對氣候變化和人類活動極為敏感；有研究表明，我國西北干旱荒漠生態系統總體處于中—重度脆弱狀態，極易受到干擾，氣溫、降水及人類活動對其影響顯著[3-4]。氣候變化和人類活動以不同的方式影響著荒漠生態系統，如降雨、溫度、風速、太陽輻射等氣候因子通過強度、格局的變化極易影響荒漠生態系統一年生植物以及多年生灌木的生物量，并對生態系統服務產生影響[5-6]；而人類活動則更為復雜，多在宏觀經濟、政策以及微觀市場影響下，通過土地利用方式的改變來影響荒漠生態系統服務，特別是以重大生態工程、城鎮化擴展為主要特征的土地利用變化對生態系統服務功能產生重要影響，而這也成為近年來國內外學者關注與研究的重點。例如，趙振勇等[7]以塔里木河下游荒漠生態系統為例，探討荒漠生態系統退化的干擾驅動力，闡述了人為干擾是系統退化的重要驅動力；孔君洽等[8]在基于土地利用變化對荒漠綠洲碳儲量動態評估中進一步深化人類活動對荒漠綠洲生態系統影響的認識；陳淑青[9]在探究鹽池縣北部風沙區生態安全指數中指出區域土地利用方式對區域生態安全具有重要影響。然而，與森林、農田、草地等生態系統相比[10-16]，土地利用變化對干旱區荒漠生態系統服務研究相對薄弱，特別是從土地利用變化過程入手分析其對荒漠生態系統影響的空間差異以及熱點區域變化歸因識別方面的研究較少，對于干旱半干旱地區經濟社會發展以及生態治理政策制定的支撐作用不足[17]。

近年來，為改善干旱地區生態環境、防治土地荒漠化，我國相繼啟動了“三北”防護林建設、天然林保護、退耕還林、京津風沙源治理、沙化土地封禁保護補助試點等一批重點生態工程；在這些生態工程以及城鎮化等因素共同作用下，我國干旱荒漠區土地利用發生了重大變化，并對荒漠生態系統服務產生了顯著影響[18]。本研究選擇內蒙古干旱荒漠區相對完整的自然地理與行政單元—阿拉善盟為研究對象，在識別2000—2015年該區域土地利用變化格局基礎上，分析其對荒漠生態系統服務的影響及熱點區域，旨在為阿拉善地區的生態治理政策及實現可持續發展提供科技支撐。

1 研究區域

阿拉善盟(以下簡稱“阿拉善”)位于37°24′—42°47′N，97°10′—106°53′E(圖1)，地處內蒙古自治區最西部，東與巴彥淖爾市、烏海市、鄂爾多斯市相連，南與寧夏毗鄰，西與甘肅接壤，北與蒙古國交界，下轄3個旗(阿拉善左旗、阿拉善右旗、額濟納旗)，4個自治區級開發區，共有30個蘇木鎮，198個嘎查村，總面積為27萬km2，總人口24.57萬人。氣候以溫帶大陸性氣候為主，年均氣溫6～8.5℃，降水主要集中在7—9月，年降水量一般在200 mm以下，蒸發量2 000～4 000 mm，屬于典型干旱區域。巴丹吉林、騰格里、烏蘭布和三大沙漠分布其中，地表植被稀疏，覆蓋度低，土壤為棕鈣土，淋溶作用微弱，土質松散、瘠薄，含有較多的可溶性鹽。鑒于阿拉善的特殊區位與自然條件，2000年以來我國政府陸續啟動了系列生態治理工程,如在賀蘭山周邊地區實施了退牧還林(草)、移民搬遷工程，在額濟納黑河流域開展了黑河治理工程，在三大沙漠邊緣采取了退牧還林(草)及飛播造林等生態治理工程措施。

圖1 研究區范圍及土地利用基本情況

2 材料與方法

2.1 數據來源

本文所使用的數據主要包括數字高程模型(DEM)、氣候、土壤以及土地利用分類圖等。30 m×30 m分辨率的DEM和分辨率為1 km×1 km的3期(2000年、2010年、2015年)土地利用數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心。2000—2015年研究區的降雨、溫度、日照時數、風速等氣候要素數據來源于國家氣象信息中心，土壤質地及深度數據來源于“黑河計劃數據管理中心”(http:∥westdc.westgis.ac.cn)。為便于分析，本研究將所有柵格數據統一重采樣為1 km×1 km，投影使用Krasovsky_1940_Albers。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用變化 通過計算不同時期不同土地利用類型的面積變化量和單一土地利用類型動態度指數來定量描述研究區土地利用類型變化的幅度與速度。單一土地利用類型動態度指數計算公式如下：

(1)

式中：Ua，Ub分別為研究初期和末期某一種土地類型的面積；T為研究時段，以年計；K值表示研究時段內某種土地類型的年際變化率，反映了該類土地變化的劇烈程度。

土地利用轉移矩陣是土地利用類型間相互轉化的數量和方向定量研究的主要方法，它能夠具體反映土地利用變化的結構特征和各類型間的轉移方向。利用ArcGIS的intersect模塊和Excel的數據透視表，將土地利用分類圖在ArcGIS中進行疊加分析，得到2000—2015年土地利用轉移矩陣，同時引入土地類型轉入/轉出貢獻率以充分體現出土地空間格局變化的總體特征和內在驅動機制[19]。土地類型轉入/轉出貢獻率計算公式如下：

(2)

(3)

式中：Li+為除第i類外的其他土地類型向第i類土地類型轉入的面積占土地總轉移面積的比例；Sji為第j種土地類型向第i種土地類型轉移的面積；St為土地類型轉移的總面積；n為土地利用類型數量；Li-為第i類向除第i類外的其他土地類型轉移的面積占土地總轉移發生量的比例；Sij為第i種土地類型的第j種土地類型轉移的面積。

2.2.2 生態系統服務評估 鑒于阿拉善地處干旱荒漠區、草地面積占到總面積的10%以上、綠洲與荒漠并存等客觀條件[20-21]，本研究選取土壤保持、水源涵養和碳儲存3類關鍵生態系統服務，利用InVEST模型對阿拉善的生態系統服務功能進行核算。在此基礎上，依據生態服務功能特點，采用影子工程法、生產成本法，替代市場價格法將3類評估指標貨幣化[22-23]，統一核算為生態系統服務價值(Ecosystem Services Value,以下簡稱“ESV”)；評估過程中涉及相關生產建設成本、費用主要數據采用侯元兆等[24]測定的固碳成本和2008年國家林業局頒布的《森林生態系統服務功能評估規范》(LY/T1721—2008)社會公共數據推薦使用價格[25]。InVEST模型公式如下：

土壤保持采用通用土壤流失方程USLE對區域土壤侵蝕量進行估算。計算公式如下:

USLE=R×K×LS×C×P

(4)

RKLS=R×K×LS

(5)

SD=RKLS-USLE

(6)

式中：USLE，RKLS，SD分別為柵格單元x的實際土壤流失量(t)、潛在土壤流失量(t)和土壤保持量(t)；R為降水侵蝕性因子[(MJ·mm)/(hm2·h·a)]；K為土壤可蝕性因子[(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)]；LS，C，P分別為坡長坡度因子、植被覆蓋因子、水土保持措施因子。

水源涵養基于水量平衡原理，通過降雨量與實際蒸散量的差值計算出產水量，表征研究區的水源涵養量。計算公式如下:

(7)

式中：Yxj為柵格單元x中土地利用類型j的年水源涵養量(mm)；Px為柵格單元x的年均降雨量(mm)；AETxj為土地利用類型j上柵格單元x的實際年平均蒸散發量(mm)。

碳儲存InVEST碳儲量服務功能評價包括地上物質、地下物質、枯枝落葉和土壤碳儲量，以上4部分碳儲量求和獲得總碳儲量。計算公式如下：

Cstored=Cabove+Cbelow+Csoil+Cdead

(8)

式中：Cstored為總碳儲量(t/hm2)；Cabove為地上物質碳儲量；Cbelow為地下物質碳儲量；Csoil為土壤碳儲量；Cdead為枯枝落葉碳儲量。

生態系統服務價值計算公式如下：

(9)

式中：ESV為生態系統服務功能總價值；i為生態系統服務類型；n為生態系統服務類型總數；Ai為i類生態系統功能產生的服務量；VAi為i類服務功能的單位價格。

2.2.3 土地利用對生態系統服務影響分析 本研究采用分區統計和冷熱點分析方法來研究土地利用變化對生態系統服務影響。其中，分區統計通過疊加土地利用變化圖與生態系統服務價值圖，分析不同土地利用類型下生態系統服務價值變化；同時，借助ArcGIS空間聚類中的冷熱點分析工具對阿拉善生態系統服務的冷熱點區域進行識別，旨在對一些熱點區域詳細分析，進一步驗證土地利用變化對生態系統服務功能的影響。

3 結果與分析

3.1 2000-2015年阿拉善土地利用變化

由表1可知，2000—2015年，未利用土地始終是阿拉善最主要的土地利用類型，占全區總面積的80%以上；其次是草地，占全區總面積的10%以上。從各地類面積變化來看，2000—2015年，草地和未利用土地的面積變化明顯，其中，草地面積持續增加，16 a共增加394 km2；未利用土地和林地面積持續減少，2010—2015年減速明顯加快，其中未利用土地面積在2000—2010年，2010—2015年分別減少102，630 km2。從土地動態度來看，2000—2010年，各地類動態度趨緩，水域動態度最高，為0.82%；2010—2015年，建設用地和耕地面積變化劇烈，動態度分別為40.75%，3.73%，研究區土地利用開發程度逐漸加大。

從土地利用轉移矩陣的分析來看(表2)，2000—2015年，轉入貢獻率最高的土地利用類型是草地，土地轉入面積為2 301 km2，轉入貢獻率為45.55%，其主要轉入來源是未利用土地(占草地總轉入量的91%)。從轉出貢獻率來看，建設用地轉換的幾率很小，僅為0.51%，耕地和水域轉出貢獻率所占比重同樣較小。研究區轉出貢獻率最高的土地利用類型是未利用土地，土地轉出面積為2 615 km2，轉出貢獻率為51.76%，其主要流向為草地和建設用地。由此可見，未利用土地是草地和建設用地的主要轉入來源，隨著研究區生態恢復治理工程的實施和城市化進程的加快，未利用土地會持續減少，研究區ESV總量有望持續增加。

表1 2000-2015年阿拉善土地利用類型面積變化量及土地動態度

表2 2000-2015年阿拉善土地利用變化轉移矩陣

3.2 2000-2015年阿拉善生態系統服務價值變化

3.2.1 生態系統服務總價值變化 阿拉善2000年、2010年、2015年的ESV分別為1 025.26億元,1 109.09億元,1 237.70億元，16 a增加212.44億元，呈現逐年增長趨勢。從不同時段來看(圖2)，2000—2010年，阿拉善ESV增長區占研究區面積的67.16%，13.44%的地區ESV有所減弱，減弱區主要集中在阿拉善左旗東南大部分地區和阿拉善右旗南部邊緣地區，ESV保持不變的區域占研究區總面積的19.4%；2010—2015年，研究區ESV增強區域有所減少，僅占總面積的59.47%，ESV增加較大的區域集中在阿拉善左旗東部賀蘭山地區；21.22%的地區ESV呈減弱趨勢，主要分布在阿拉善右旗南部邊緣，ESV保持不變的區域與2000—2010年相比變化不大。

3.2.2 單項生態系統服務價值變化 由圖3可以看出，研究區生態系統各項服務功能產生的價值大小排序為：土壤保持>碳儲存>水源涵養。其中，研究區土壤保持功能呈自東向西高—低—中的帶狀分布特征，200萬元以下的低值區占主體，200萬元以上的區域鑲嵌其中，主要分布在阿拉善左旗烏蘭布和沙漠邊緣防風固沙區和東部賀蘭山保護區，與寧夏交界的賀蘭山地區土壤保持價值高達1 000萬元以上，且在16年間增值明顯。碳儲存功能的分布格局清晰，高值區主要分布在阿拉善左旗孿井灘生態移民示范區、賀蘭山保護區和額濟納旗的黑河下游居延海地區，單位碳儲存價值在100萬元以下的地區集中在額濟納旗西部和阿拉善右旗，2015年阿拉善左旗東北部邊緣和吉蘭泰附近地區的碳儲存價值與2000年相比增加明顯。水源涵養價值在空間上呈現由東南向西北逐漸減少的分布特征，單位水源涵養價值在20萬元以上的地區主要位于阿拉善左旗南部騰格里沙漠之中，這些高值區之間并未綿延連續，而是夾雜在水源涵養價值低至5萬元以下的地區；2010年的水源涵養價值與2000年相比有所下降，2010—2015年，研究區單位水源涵養價值整體上升，其中，阿拉善左旗西北部、孿井灘生態移民示范區以及額濟納旗東居延海地區的單位水源涵養價值增值明顯，達到(5～10)萬元。

圖2 2000-2015年阿拉善生態系統服務價值變化

圖3 阿拉善單項生態系統服務價值變化

3.3 土地利用變化對生態系統服務價值的影響分析

2000—2015年，在生態工程、政策以及城市化等因素的直接影響下，阿拉善土地利用結構發生顯著改變，并對區域ESV產生明顯影響(表3)。從各地類生態系統服務價值變化量來看，草地和未利用土地是導致研究區ESV發生變化的主要地類，二者ESV變化量合占變化總量的77.40%～95.99%，其中，草地2010—2015年的ESV變化量與2000—2010年相比增加近1倍，從占變化總量的48.38%上升到63.27%，未利用土地2010—2015年ESV變化量與2000—2010年相比減少一半以上，從占變化總量的46.00%下降到14.12%；2000—2010年受土壤保持和水源涵養功能下降的影響，耕地ESV損失0.6億元，成為唯一ESV總量減少的土地利用類型。從不同土地利用類型ESV對區域ESV的貢獻率來看，草地貢獻最大并呈持續增加趨勢，2015年貢獻率達到49.5%，其中土壤保持功能突出；未利用土地ESV逐年增加，但貢獻率呈現先增加后減少趨勢，2015年貢獻率減少至34.2%；林地2015年的貢獻率與2000年相比下降0.6%，與林地面積減少、碳儲存功能減弱有關；耕地和水域的ESV貢獻率變化不大，建設用地2015年的貢獻率與2000年相比增加0.5%，主要受2010—2015年建設用地面積快速增加的影響。

基于2000—2015年阿拉善土地利用類型及生態系統服務價值，運用ArcGIS的冷熱點分析工具將阿拉善劃分為5個熱點地區(圖4)，分別為阿拉善左旗東部邊緣、阿拉善左旗西北部、阿拉善右旗南部邊緣、額濟納旗黑河下游及其西部邊緣地區。阿拉善左旗東部邊緣有黃河過境，且賀蘭山保護區生態恢復成效顯著，是烏蘭布和生態沙產業示范區和孿井灘生態移民示范區所在地，該地區近年來聚集了綠色養殖、沙生林草產業，土地利用類型以林地、草地和水域為主，導致ESV高值集聚；阿拉善左旗西北部位于烏蘭布和沙漠邊緣，是國家重點生態恢復地區，隨著梭梭—肉蓯蓉等沙生資源植物產業示范基地的建立，大部分未利用土地轉化為草地，導致ESV持續增加；阿拉善右旗以未利用土地為主，中北部巴丹吉林沙漠廣布，沙漠擴張以及草地轉化為沙漠導致南部邊緣ESV熱點區面積縮小，冷點區呈現向東南擴張趨勢；額濟納旗黑河下游及西部邊緣地區在綠洲搶救與生態保護工程實施下，胡楊林及天然灌草綠色植被開始恢復，ESV熱點區土地利用類型主要為林地和草地，值得注意的是西居延海熱點逐漸消失，表明西居延海的生態系統服務功能持續下降，價值持續降低。這些熱點區域是阿拉善重點生態恢復區域，相對自然因素，人類活動改變土地利用類型是導致ESV快速集中變化的原因。

表3 2000-2015年阿拉善各地類生態系統服務價值變化

圖4 2000-2015年阿拉善生態系統服務價值熱點空間分布

4 結論與討論

2000—2015年，受生態恢復治理工程和城市化進程的影響，阿拉善土地利用變化明顯，表現為草地面積顯著增長，未利用土地面積大幅減少，建設用地和耕地面積變化劇烈。這種變化，特別是退牧還草和飛播造林工程的實施將未利用土地轉化為草地，有效阻止了人類活動對生態系統的破壞，生態移民政策的實施將未利用土地轉化為耕地、水渠和建設用地，使生態系統服務功能逐漸恢復和增強，有利于實現區域的可持續發展。

2000—2015年，研究區生態系統服務總價值增加212.44億元，東部地區增加尤為顯著，其中，草地對ESV的貢獻最大，2015年貢獻率達到49.5%；除耕地ESV在2000—2010年有所減少外，其他土地利用類型ESV均呈現上漲趨勢；研究區單項ESV中除水源涵養價值在2000—2010年減少0.2億元外，土壤保持和碳儲存價值均呈現增加趨勢，阿拉善左旗騰格里沙漠零星分布有草地和沼澤，是水源涵養服務功能的高值聚集區，水源涵養價值的下降與騰格里沙漠地區沼澤地的減少有關；阿拉善3個旗縣的ESV在空間上呈現自東至西高—低—中分布格局，阿拉善左旗近些年受沙生林草產業發展以及生態移民示范區建設的影響，土地利用方式變化較大，未利用土地面積減少，草地和耕地面積增多以及水渠的修建促使阿拉善左旗的ESV持續增加；阿拉善右旗東鄰騰格里沙漠與烏蘭布和沙漠，區域內巴丹吉林沙漠廣布，受此影響該地區生態系統服務價值極低，生態恢復任務艱巨；位于黑河下游的額濟納綠洲的土地利用類型以林地和草地為主，是碳儲存價值高值聚集區，其中，居延海地區的單位碳儲存價值為250～428萬元，是研究區社會經濟發展的重要碳儲存功能服務區，因此西居延海熱點區的消失需要得到足夠重視，在今后的生態恢復過程中應該優先保護。

本文采用一級土地利用分類標準，運用InVEST以量化的方式空間化的展現生態環境問題，可以較好地解釋土地利用變化與生態系統服務價值變動的內在聯系。但受數據獲取等因素影響，本研究選取的生態系統服務范圍相對有限，文化旅游、防風固沙、生境質量等生態系統服務將在未來研究中做進一步深入分析；同時，精細尺度的土地利用變化影響以及氣候變化影響分離問題仍需進一步考慮和完善，進而為深入理解區域土地利用變化對干旱荒漠區生態系統服務影響提供更有力的支撐。