黃河源區瑪多縣土地利用和生態系統服務價值的演變

肖建設,喬 斌,陳國茜,史飛飛,曹曉云,祝存兄

1. 青海省氣象科學研究所, 西寧 810001 2. 青海省防災減災重點實驗室, 西寧 810001

土地利用變化被認為是全球環境變化的核心議題和關鍵因素之一[1- 2],直接影響著生態系統的質量和過程演變,進而驅使生態系統的結構和服務功能發生相應改變[3- 4],最終通過生態系統服務價值(ESV,Ecosystem Services Value)來反映和表征[5]。關于生態系統服務價值估算則以Constanza等[6]和謝高地等[7]提出的價值量估算模型應用最為廣泛。土地是生態系統服務的核心和媒介,土地利用類型、方式的作用過程影響著區域生態環境質量的改善、生態系統服務的穩定供給乃至人類福祉的有序提升[8]。伴隨著社會經濟變化革新的驅動[9],土地類型和利用方式正在發生快速轉變[10- 12],土地利用變化及生態系統服務功能量化評價研究受到熱捧[5, 13],成為全球變化研究的時代命題。

目前,在土地利用變化及相關研究方面,土地利用變化時空格局[2, 4, 14-15]及其驅動機制[16- 18]的研究頗為詳實,已成為土地利用變化研究的顯學。關于土地利用變化與生態系統服務價值研究,學術界從不同角度開展了研究工作,部分學者針對土地利用類型及生態系統服務價值時空演變[19- 22]開展了富有成效的探討；少數學者從土地利用變化對生態系統服務價值影響維度[11, 23-24]切入開展了探索性實證研究。值得注意的是,近期發表的部分研究成果很有啟示意義。其中,雷金睿等[25]、徐煖銀等[26]應用空間自相關理論定量分析了土地利用與生態系統服務價值的關聯模式、聚集規律、空間溢出效應等空間自相關性,是土地利用與生態系統服務價值研究的一次大膽嘗試；戴文遠等[27]引入“三生空間”概念分析了福州新區土地利用功能轉型與生態系統服務價值時空演變也很有代表性。梳理文獻不難發現,目前在土地利用變化及其生態系統服務價值研究中,主要聚焦在城市化步伐快速且土地類型變化劇烈的東部發達地區,研究對象多為城市生態系統[28-29]。在西北干旱地區、青藏高原等典型生態脆弱區、國家重點生態功能區開展的相關研究鮮有報道。特別是,有地球第三級之稱的青藏高原作為我國重要的戰略資源儲備基地和生態安全屏障[30],其核心腹地黃河源區高寒生態系統更是“世界的一方凈土”,這里地理位置特殊,氣候條件獨特,密切關注這一區域土地利用變化與生態系統服務價值演變特征對于支撐服務“一路一帶”重大倡議具有啟示作用。

近年來,青海省在“生態立省”理念的指導下,加大了三江源地區的生態保育與恢復力度,2005年以來大力實施的三江源生態保護和建設工程從根本上扭轉了三江源地區生態退化的僵局?，敹嗫h位于三江源地區的黃河源區,是黃河的發源地,生態戰略地位至關重要。2005年三江源生態保護和建設工程實施以來,作為典型生態環境脆弱區的瑪多縣土地利用類型結構發生了那些變化？其生態系統服務價值演變表現在哪些方面？這一科學問題還沒有做出精準回答。因此,本研究以黃河源區瑪多縣為例,統計了2005—2015年瑪多縣土地利用類型轉移矩陣、土地利用變化動態度,計量了2005—2015年瑪多縣生態系統服務價值演變特征,以期在區域治理過程中為科學規劃管理土地資源、有序制定生態補償政策、精準實施生態恢復與保育工程項目等提供決策依據和智庫咨詢。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

圖1 瑪多縣地理位置Fig.1 Geographic location of Maduo County

瑪多縣地處青海省果洛藏族自治州西北部,總面積2.45萬km2,是國家級重點生態功能區縣。位于34°05′—35°30′ N,96°56′—99°16′ E之間,西南與四川省相鄰,東與瑪沁縣相依,東南與達日縣相接,西與曲麻萊縣、稱多縣毗鄰,北與都蘭縣接壤。瑪多縣屬高原大陸性半濕潤氣候,年平均氣溫-2.1—5.3℃,年降水量247.8—484.8 mm。瑪多縣轄瑪查理鎮、花石峽鎮、扎陵湖鄉、黃河鄉等2鎮2鄉,距西寧市497 km,人口約1.5萬人,其中藏族人口占85%以上。瑪多,藏語意為“黃河源頭”,地處黃河源頭,湖泊眾多,素有“百湖之縣”之稱。作為傳統的牧業縣,畜牧業在瑪多縣占主導地位(圖1)。

1.2 數據來源與處理

本研究中瑪多縣2005年、2010年、2015年土地利用數據以landsat- 5/TM、landsat- 8/OLI遙感影像數據為數據源。根據研究區土地資源特征和研究目標,結合野外實際考察,參照土地利用現狀分類標準(GB/T 21010- 2017)[31],把研究區的土地利用/覆被類型劃分為林地、高覆蓋度草地、中覆蓋度草地、低覆蓋度草地、水域、建設用地、未利用土地等7種類型(表1)。通過建立解譯標志采用人工目視解譯最終生成研究區土地利用類型。為保證土地利用類型解譯精度,以全國第二次土地利用調查數據(2009年)為參照,通過地物類型斑塊修改和圖層拼接,最終得到瑪多縣3期土地利用的圖形數據庫和相應屬性數據庫,經Kappa系數檢驗和野外實地考察驗證,精度達90%以上。研究區土地利用類型數據均采用Albers等面積圓錐投影,雙標準緯線為25°N和47°N,中央經線為110°E。

表1 瑪多縣土地利用分類系統

1.3 研究方法

1.3.1土地利用動態度模型

土地利用動態度模型是探究土地利用變化的經典范式,其表征的是研究區域內特定時間段不同土地利用類型的變化幅度和速度,反饋的是研究區土地利用變化特征,包括單一土地利用動態度和綜合土地利用動態度[4, 32-33]。

單一土地利用動態度(K)反映研究區某一土地利用類型在單位時間的面積變化情況,表示某種土地利用類型的年變化率。模型表達式為：

(1)

式中,i為第i類土地利用類型；Si、Sj分別為研究期末和研究期初某一土地利用類型的面積,單位km2；T為研究時段長度,單位為年。

綜合土地利用動態度(LC)反映某一研究時段研究區內所有土地資源的整體變化速度,表示研究區綜合土地利用變化的年變化率。模型表達式為：

(2)

式中,dSi為研究初期第i土地利用類型面積；△dSi-j表示研究時段第i土地利用類型轉為非i土地利用類型面積的絕對值,單位km2；n為土地利用類型的總數；T為研究時段長度,單位為年。

1.3.2土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣是研究土地利用類型之間轉移方向和數量變化的經典方法,揭示的是土地利用類型格局的演化過程。土地利用變化可以通過土地利用轉移矩陣表達,表2為土地利用類型轉移矩陣的具象表達形式。其中,Ai表示第i種土地利用類型,行元素之和表示該類土地轉移前面積,列元素之和表示該類土地轉移后面積,i、j代表轉移前后的土地類型,Sij表示由i類用地轉為j類用地的土地面積[2, 9, 15, 34]。

表2 土地利用轉移矩陣

本研究中,土地利用轉移矩陣利用ArcGIS 10.3軟件下Dissolve命令對土地利用矢量圖層進行數據合并,進一步采用Intersect命令對合并后的矢量圖層進行疊置分析,采用Excel數據透視表建立土地利用轉移矩陣。

1.3.3生態系統服務價值估算

本研究選取基于貨幣量的價值量評價法,以謝高地等[7]制定的生態系統服務價值當量表為基礎,參考陳春陽等[35]的研究成果,結合研究區實際情況構建瑪多縣單位面積生態系統服務價值當量權重因子(表3)。具體來說,林地、水域分別選用灌木、水系的生態系統服務價值當量作為基準當量值[7]；未利用土地以濕地、裸地價值當量的平均值作為基準當量；建設用地則不考慮生態系統服務價值[23]；高覆蓋度草地則對應草原、草甸、灌草叢的平均值作為基準當量,中覆蓋度草地、低覆蓋度草地以高覆蓋度草地作為標準當量,按比例權重適當逐漸縮小,且進一步修正了低覆蓋度草地的基準當量[35]。生態系統服務價值計算引用Costanza等[6]的生態系統服務價值系數法,公式表達為：

ESV=∑(AkVCk)

式中,ESV為生態系統服務總價值,單位108元；Ak為第k種土地利用類型面積,單位hm2；VCk為第k種土地利用類型的生態價值系數。

單位當量的經濟價值量等于當年全國平均糧食價格的1/7,本研究選取2015年單位當量的經濟價值[27]作為基準數據來衡量不同土地利用類型的生態系統服務價值。

表3 瑪多縣單位面積生態服務價值當量權重因子

2 結果與分析

2.1 瑪多縣土地利用類型變化特征

2.1.1瑪多縣土地利用結構變化

圖2 2005—2015年瑪多縣土地利用類型分類Fig.2 Classification of land use types in Maduo County from 2005 to 2015

瑪多縣總面積約為2.45萬km2,土地利用包括林地、草地、水域、建設用地、未利用土地等類型。具體來看(圖2和表4),瑪多縣地處青南高原,受自然海拔、氣候因子的影響,草地是主要的土地利用類型,構成了高寒植被生態系統的主體。2005年、2010年和2015年草地面積均在1.90萬 km2上下波動,占瑪多縣面積比例在77.39%—77.65%之間。值得注意的是,不同覆蓋度草地植被的結構比例變化顯著,2005—2015年高覆蓋度草地增加了2259.66 km2,中覆蓋度草地增加了1404.27 km2,低覆蓋度草地減少了3600.01 km2。高覆蓋度草地占瑪多縣面積比例由2005年的24.04%上升至2015年的33.25%,低覆蓋度草地占瑪多縣面積比例由2005年的33.13%下降至2015年的18.46%；水域是研究區重要的土地利用類型,主要包括鄂陵湖、扎陵湖、冬給措納湖以及黃河水系瑪多段等,2005—2015年水域面積略有降低,占瑪多縣面積比例在8.21%—8.31%之間；瑪多縣林地主要包括灌木林和疏林地,2005年面積為97.30 km2,2010年面積減少至16.42 km2,下降了80.88 km2,2015年進一步下降至13.09 km2；未利用土地主要包括沙地、鹽堿地和沼澤地,2005—2015年面積在3402.50—3432.17 km2之間,面積變化幅度不顯著；2005—2015年瑪多縣建設用地的面積比例在0.04%—0.14%之間,2010年以后建設用地增加迅速,2010年面積為11.77 km2,2015年增加至33.29 km2,增加了21.52 km2。綜上,2005—2015年瑪多縣土地利用結構變化顯著,高覆蓋度草地、建設用地面積增加明顯,10年間(2005—2015年)分別增加了38.30%和3.85倍,低覆蓋度草地、林地面積減少顯著,10年間(2005—2015年)分別降低了44.29%和86.55%,水域、未利用土地面積變化幅度不大。

表4 2005—2015年瑪多縣土地利用面積統計

2.1.2瑪多縣土地利用變化動態度

根據瑪多縣土地利用遙感解譯數據計算土地利用變化動態度,結果見表5所示。從單一土地利用動態度(K)來看,10年間(2005—2015年)林地、低覆蓋度草地減少幅度較大,動態度分別為-8.65%、-4.43%,是高覆蓋度草地、中覆蓋度草地、建設用地得以擴張的來源。前期(2005—2010年)林地、低覆蓋度草地減少迅速,變化幅度分別為-16.62%、-8.88%,后期(2010—2015年)建設用地急速擴張,年變化率為36.57%, 10年間(2005—2015年)水域變化動態度為-0.12%,且前期(2005—2010年)水域變化動態度高出后期(2010—2015年)水域變化動態度0.11%。整體來看,10年間(2005—2015年)綜合土地利用動態度(LC)為2.73%,前期(2005—2010年)土地利用變化程度活躍,變化率為5.28%,后期(2010—2015年)土地利用類型變化較為平緩,綜合指數為2.28%。

2.1.3瑪多縣土地利用類型轉移特征

根據瑪多縣土地利用變化轉移矩陣可知(表6),10年間(2005—2015年)土地利用類型變化主要是從林地、低覆蓋度草地向高覆蓋度草地、中覆蓋度草地的轉移。前期(2005—2010年)土地利用類型變化大致與十年間整體趨勢一致,后期(2010—2015年)土地利用變化主要表現為不同覆蓋度草地之間的轉移。具體來說,前期(2005—2010年)轉出面積表現為低覆蓋度草地>中覆蓋度草地大于>高覆蓋度草地>未利用土地>水域>林地>建設用地。低覆蓋度草地轉出面積最大,為5508.49 km2。轉入面積較大的有中覆蓋度草地和高覆蓋度草地,分別為4710.36 km2和4125.03 km2。其他土地利用類型間的轉化不明顯；后期(2010—2015年)土地利用轉移總面積為5587.48 km2,僅是前期的轉移總面積的43.16%,土地利用類型轉移幅度不顯著。轉出面積中高覆蓋度草地、中覆蓋度草地、低覆蓋度草地的轉出相對均衡,分別為1890.13 km2、1589.55 km2和1238.35 km2。轉入面積表現為高覆蓋度草地>中覆蓋度草地大于>低覆蓋度草地>未利用土地>水域>建設用地>林地,其中建設用地轉入明顯,為28.42 km2。

表5 2005—2015年瑪多縣土地利用變化動態度/%

2.2 生態系統服務價值估算

根據表7可知,2005—2010年瑪多縣生態系統服務價值(ESV)呈增長趨勢,ESV從2005年的911.24×108元增長到2010年940.97×108元,增長了3.26%。2010—2015年瑪多縣ESV略有減少,減少了2.10×108元；11種生態服務功能的ESV也表現為前期(2005—2010年)呈增長趨勢,后期(2010—2015年)維持不變或略有回落。11種單項生態服務功能價值中,水文調節價值貢獻率最大,其次是調節氣候、生物多樣性、凈化環境、水資源供給,上述5種單項生態服務功能價值構成了瑪多縣ESV的主體。此外,食物生產、養分循環的價值貢獻率較小。其中,2005年、2010年、2015年水文調節的ESV分別為503.37×108元、505.65×108元和504.13×108元, ESV貢獻率在53.70%—55.24%之間。氣候調節的ESV由2005年的104.14×108元增加到了2015年的110.78×108元。養分循環的ESV貢獻率在0.22%—0.25%之間。10年間(2005—2015年)瑪多縣ESV演變由前期(2005—2010年)顯著增加到后期(2010—2015年)趨于緩和,說明其土地利用內部結構和景觀格局趨向優化,提供的生態系統服務趨于穩定。

從土地利用類型來看(表1和表8),2005—2015年瑪多縣水域面積比例在8.21%—8.31%之間,但ESV貢獻最大。2005年、2010年、2015年水域ESV分別為452.19×108元、448.21×108元和446.59×108元,占生態系統服務價值比例分別是49.62%、47.63%和47.57%；未利用土地和高覆蓋度草地也是ESV的主要構成部分,ESV貢獻量分別為16.85%—17.26%和13.78%—18.50%。其中2005年未利用土地對ESV貢獻量排序第2,2010年、2015年ESV貢獻量排序第3,高覆蓋度草地的ESV貢獻量則從2005年的排序第3上升到2010年和2015年的排序第2；2005—2015年瑪多縣中覆蓋度草地ESV貢獻量的排序一直保持在第4,ESV則呈現增長趨勢,2005年為87.23×108元,2015年增長到111.92×108元,增加了24.69×108元；低覆蓋度草地ESV呈現減少趨勢,從2005年的86.38×108元減少到2015年的48.12×108元,減少了44.29%。

3 討論與結論

3.1 討論

土地利用變化是表征生態環境演化的指示器。本研究表明草地作為瑪多縣高寒植被系統的典型地帶性植被,是當地主體的土地利用類型和重要的生態資產。2005—2015年瑪多縣土地利用結構變化顯著,10年間高覆蓋度草地、建設用地面積增加顯著,低覆蓋度草地大幅度減少,表明瑪多縣土地利用結構逐漸優化,區域生態環境趨于改善。邵全琴等[36]研究表明2005—2013年三江源生態保護和建設一期工程的實施有效改善了三江源地區生態系統結構,與本研究結果相互印證。需要指出的是,本研究進一步發現前期(2005—2010年)土地利用變化程度活躍,后期(2010—2015年)土地利用類型變化較為平緩,表現出非勻速變化特征。根據徐劍波等[37]的研究可知2001—2009年瑪多縣草地退化面積下降較多,退化速度有了較大緩和,與本研究瑪多縣土地利用結構演化趨于優化的結果相得益彰。

表6 不同時期瑪多縣土地利用變化轉移矩陣/km2

表7 2005—2015年瑪多縣生態系統服務價值變化

表8 2005—2015年瑪多縣不同土地利用類型生態系統服務價值及變化

通過文獻資料得知[38]1977—2003年瑪多縣不同覆蓋度草地的面積及水域面積基本維持穩定。本研究發現2005年與歷史時期(1977—2003年)相比土地利用結構變化不大,其中水域面積略有回落,說明20世紀70年代以來瑪多縣草地退化的格局已經基本形成,2005年以后土地利用類型中不同覆蓋度草地之間發生了明顯的轉化。2005—2015年瑪多縣建設用地從8.65 km2增長到33.29 km2,建設用地持續增加,但占研究區面積比例不到1%,土地利用開發強度不高,其帶來的溢出效應對生態系統造成的負面效應微弱[25],與東部發達地區建設用地變化劇烈形成強烈反差。10年間(2005—2015年)瑪多縣土地利用類型中林地、低覆蓋度草地向高覆蓋度草地、中覆蓋度草地的轉移,說明瑪多縣生態保護取得了階段性成果,生態效益有所提高,與宋昌素等[39]從生態資產視角分析青海省生態保護成效的結果一致。整體來說,瑪多縣作為傳統牧區縣,草地生態系統是主體生態系統,其生態本底脆弱,生態環境承載力壓力較大[40]。同時當地牧民的生計來源主要依賴于草地資源,生計能力脆弱,致富能力嚴重不足[41-42],扶貧攻堅任務艱巨。牧戶存在過度放牧破壞草地資源的可能,是黃河源區生態安全的潛在風險源。因此,有序整合生態保護與牧民生計的沖突,科學優化土地利用結構,才能保障黃河源區生態系統朝著良性方向演化。

從國家生態功能區劃格局來看,瑪多縣地處青藏高原生態屏障核心腹地,維護國家生態安全和提供公共生態產品是其主要生態服務功能。因此,通過有效估算其生態系統服務價值可為制定可視化、易操作的生態補償制度提供依據。本研究表明2005—2015年瑪多縣生態系統服務價值呈增長趨勢,其中水文調節、氣候調節、生物多樣性是主要的生態服務功能,占總生態系統服務價值在70%以上。水域的生態系統價值最高,約占總服務價值的50%,進一步詮釋了瑪多縣是黃河流域的主要產流區和水源涵養區[43],重視水域生態系統保護、提升水源涵養能力功在千秋。未利用土地的生態系統服務價值貢獻量較大,原因之一是相當一部分未利用土地為沼澤地構成的濕地生態系統,水域、沼澤等濕地資源生態功能豐富、生態價值潛力大是學界公認的事實[44]。高覆蓋度草地的生態系統服務價值10年間(2005—2015年)增加了48.1×108元,主要是因為不同覆蓋度草地之間存在轉化,即高覆蓋度草地面積增加,低覆蓋度草地面積減小。這折射出瑪多縣草地質量穩步提高、草地結構趨于優化、草地生態治理初見成效[45]。因此,今后在土地資源利用過程中,嚴格禁止鄂陵湖、扎陵湖等水域及沼澤化草甸等生態用地的開發,合理布局和適度利用草地資源等生產生活用地,適時建立和劃定建設用地生態紅線,是瑪多縣優化土地利用方式的科學之路。

生態系統服務價值估算具有相當大的復雜性[46-47]。一方面,必須明確評估生態系統服務價值不是給瑪多縣一個絕對準確的價格標簽,重要的是探究土地利用演變過程中生態系統服務價值的邊際變化[48]。生態系統服務價值評估結果和價值邊際變化映射的土地利用格局演化同等重要。另一方面,黃河源區瑪多縣承擔著為黃河中下游地區乃至全國提供生態產品的艱巨重任,如若其生態系統服務退化和喪失將直影響土地利用結構優化配置[49]和人類福祉。可喜的是,2005年以來,瑪多縣生態系統服務價值呈增加趨勢,生態系統朝著有序方向演化。同時,對于當地已解決溫飽問題的牧戶來說,脫貧致富的訴求和追求高品質生活的愿望極為強烈,然而當地牧民生計主要依賴于高寒草地資源,放牧是牧民利用草地資源的主要方式。牧民有生產、生活等生計之需,當地政府有生態保育草地資源之責。尋求土地資源生態服務價值優化提升和牧民致富奔小康愿望之間存在著“剝離現象”,亟待解決。因此,在“頂層設計”和“基層匹配”土地資源利用本地化模式時,明確“生態優先”發展定位的主攻方向,找準經濟發展與草地、湖泊、河流等生態資產保護的契合點,統籌生態、生活、生產要素,配套建立并發揮生態補貼政策的聯動效能,是謀求瑪多縣可持續發展的根本路徑。

此外,本研究針對2005年三江源生態保護和建設工程實施以來瑪多縣土地利用演變進行了分析,未就土地利用變化的驅動機制、氣候變化響應等進行深入探討,也將是下一步工作的重點。同時,本研究嘗試厘清了2005年以來瑪多縣土地利用變化和生態系統服務價值演化趨勢。鑒于此,適時開展基于格網方法[50]的土地利用與生態系統服務價值研究或許可以更好的揭示二者的內在關聯機制。

3.2 結論

本研究基于瑪多縣在黃河流域乃至全國的生態地位,探討了2005—2015年瑪多縣土地利用變化與生態系統服務價值演變過程,結論如下：(1)草地是瑪多縣的主體土地利用類型,10年間瑪多縣土地利用結構變化顯著,高覆蓋度草地、建設用地面積增加明顯,分別增加了38.30%和3.85倍,低覆蓋度草地、林地分別降低了44.29%和86.55%,水域、未利用土地變化幅度不大。(2)10年間(2005—2015年)林地、低覆蓋度草地的單一土地利用動態度分別為-8.65%、-4.43%,高覆蓋度草地、中覆蓋度草地的單一土地利用動態度分別為3.83%、2.83%,土地利用類型變化表現為由林地、低覆蓋度草地向高覆蓋度草地、中覆蓋度草地轉移；前期(2005—2010年)林地、低覆蓋度草地減少迅速,后期(2010—2015年)建設用地急速擴張,后期土地利用轉移總面積僅是前期轉移總面積的43.16%。(3)10年間瑪多縣生態系統服務價值(ESV)呈增長趨勢,ESV從2005年的911.24×108元增長到2010年940.97×108元,增長了3.26%,2010—2015年瑪多縣ESV略有減少,減少了2.10×108元；11種單項生態系統服務價值中,水文調節、調節氣候、生物多樣性、凈化環境、水資源供給是瑪多縣ESV貢獻量的主要構成部分,其中水文調節的ESV貢獻量維持在53.70%—55.24%。(4)10年間水域面積比例在8.21%—8.31%之間波動,但是ESV貢獻比例一直保持在50%左右,2005年、2010年、2015年水域ESV分別為452.19×108元、448.21×108元和446.59×108元；未利用土地和高覆蓋度草地ESV貢獻量分別為16.85%—17.26%和13.78%—18.50%,低覆蓋度草地ESV呈現減少趨勢,10年間減少了44.29%。