烏蘭布和沙漠生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時空動態(tài)

宋 潔,溫 璐,王鳳歌,李 寬,吳 程,張宏偉,張雪峰,*

1 內(nèi)蒙古大學生態(tài)與環(huán)境學院,呼和浩特 010021 2 內(nèi)蒙古科技大學包頭師范學院資源與環(huán)境學院,包頭 014030

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(Ecosystem Services, ES)是指人類從生態(tài)系統(tǒng)獲得的所有惠益[1],是生態(tài)系統(tǒng)向人類提供的環(huán)境和商品服務(wù)。2005年聯(lián)合國千年生態(tài)系統(tǒng)評估表明全球約有60%的生態(tài)系統(tǒng)正在退化或處于不可持續(xù)狀態(tài)[2],將嚴重威脅全球的生態(tài)安全格局[3]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(Ecosystem Services Value, ESV)評估是用貨幣的形式評估生態(tài)系統(tǒng)的能力,能直觀反映生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)效益的變化[4-5]。研究區(qū)域ESV時空動態(tài)能定量描述生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)演化特征[6],對區(qū)域生態(tài)保護及生態(tài)安全穩(wěn)定具有重要意義。

沙漠生態(tài)系統(tǒng)是分布最廣泛的荒漠生態(tài)系統(tǒng)類型,是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,具有防風固沙、氣候調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)、旅游觀光以及生物多樣性保育等重要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[7- 9]。同時沙漠生態(tài)系統(tǒng)極為脆弱,水資源貧乏、植被稀疏、生物量和生物多樣性相對較低[10],且社會經(jīng)濟發(fā)展緩慢。國內(nèi)外學者已對城市[11-12]、森林[13]、草地[14-15]、濕地[16-17]等不同生態(tài)系統(tǒng)的ESV進行大量深入研究,但針對沙漠ESV的研究相對較少,因此近年來相關(guān)研究內(nèi)容逐漸受到關(guān)注?，F(xiàn)有沙(荒)漠的ESV評估以環(huán)境經(jīng)濟學方法(直接市場法、間接市場法、模擬市場法)為主,如任鴻昌等評估西部荒漠3種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的價值為537.24億元/a[18],美國奇瓦瓦沙漠ESV達16.1億美元[8],2010年寧夏沙坡頭保護區(qū)ESV為1.94億元[19],塔里木河干流胡楊林荒漠ESV為402.75億元[20]；也有部分研究采用“當量因子法”進行評估,如楊春利等計算了民勤綠洲1994—2007年間的ESV變化[21],庫布齊沙漠杭錦旗ESV為360.18億元[22]；極少數(shù)研究采用物質(zhì)流計算方法[23]或能量價值法[24]進行評價。這些研究在一定程度上彌補了沙漠地區(qū)ESV評估的空白,但現(xiàn)有研究時間尺度較短,缺乏時空分異特征的分析。

本研究基于謝高地等[25]提出的“當量因子法”,利用網(wǎng)格分析、熱點分析及相關(guān)分析法客觀評價烏蘭布和沙漠ESV時空動態(tài)及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間權(quán)衡協(xié)同關(guān)系。研究結(jié)果旨在明確該區(qū)ESV時空演化特征,為科學開展沙漠區(qū)域ESV時空格局研究提供可借鑒的方法,為該區(qū)生態(tài)環(huán)境保護政策實施和生態(tài)安全建設(shè)提供科學參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)示意圖(土地利用類型為2018年數(shù)據(jù))Fig.1 Location of the study area (land use type data is 2018)

烏蘭布和沙漠(39°41′07″—40°31′14″N,105°59′45″—106°41′53″E)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善盟和巴彥淖爾市境內(nèi),海拔為1030—1474 m,面積約為14000 km2(圖1)。該地區(qū)屬典型中溫帶大陸性干旱季風氣候區(qū)[26],干旱少雨,日照充足,蒸發(fā)強烈；年均氣溫7.8℃,年日照時間為3229.9 h,晝夜溫差大,年均降雨量151 mm,年均蒸發(fā)量2372 mm,平均風速約3.7 m/s,多年平均大風日數(shù)10—32 d,四季均有風沙天氣。烏蘭布和沙漠地勢中間低、邊緣高,內(nèi)部地勢平坦；地貌類型主要包括沙漠、山地、戈壁,地貌形態(tài)以流動沙丘、半流動沙丘、半固定沙丘、固定沙丘為主。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

土地利用數(shù)據(jù)源于1990年、2000年、2010年和2018年4期Landsat TM和OLI影像,依據(jù)2018年8月上旬野外調(diào)查采集的60個樣點,利用面向?qū)ο蟮姆诸惙椒ńY(jié)合目視解譯獲得,總體分類精度和Kappa系數(shù)分別為85.13%和0.80[27],土地利用分為耕地、林地、草地、水體、鹽堿地、城鄉(xiāng)工礦居民地、流動沙丘、半流動沙丘、半固定沙丘、固定沙丘、戈壁11類(圖1)。社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于《內(nèi)蒙古統(tǒng)計年鑒》、“內(nèi)蒙古自治區(qū)國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報”和《中國糧食年鑒》等。根據(jù)研究區(qū)范圍,參考相關(guān)研究[28-29],利用ArcGIS 10.4軟件生成2 km×2 km網(wǎng)格,基于網(wǎng)格計算烏蘭布和沙漠不同時期空間的ESV。

2 研究方法

2.1 ESV估算模型

本研究參考謝高地等[25, 30]提出的“單位面積價值當量因子法”對烏蘭布和沙漠ESV進行估算?；趦?nèi)蒙古自治區(qū)1990—2018年相應(yīng)統(tǒng)計資料,計算不同時期“1個標準當量因子的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值量(Ea)”,并對其進行支付意愿系數(shù)修正,取4期均值作為最終Ea值,即578.12元/hm2。Ea的計算公式如下：

(1)

(2)

式中,Eat為t年1個標準當量因子的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值量；Rt為t年支付意愿系數(shù),計算方法參考林棟等[31]；i表示作物種類(內(nèi)蒙古自治區(qū)的主要糧食作物：小麥、玉米、大豆)；m為t年該糧食作物的種植面積(hm2),p為t年糧食作物價格(元/kg),q為t年糧食作物單產(chǎn)(kg/hm2),M為t年三種糧食作物總種植面積(hm2)；1/7指沒有人力投入的自然生態(tài)系統(tǒng)提供的經(jīng)濟價值占現(xiàn)有單位面積耕地提供的食物生產(chǎn)服務(wù)經(jīng)濟價值的1/7。

以研究區(qū)4期土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)計算ESV?？紤]研究區(qū)土地利用類型,結(jié)合謝高地等制定的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的基礎(chǔ)當量表對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)進行修正,其中本文的耕地、林地、草地、鹽堿地、水體分別對應(yīng)二級生態(tài)系統(tǒng)分類中的旱地、闊葉林、草甸、裸地、水系,城鄉(xiāng)工礦居民地歸為裸地[32],固定沙丘、半固定沙丘、流動沙丘、半流動沙丘、戈壁一并歸為荒漠,基于此獲得研究區(qū)單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當量表(表1)。計算研究區(qū)ESV的公式如下：

(3)

式中,Aj為第j類土地利用類型的面積(hm2)；Brj為第j類土地利用類型第r種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當量(表1)。

表1 烏蘭布和沙漠地區(qū)單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當量

2.2 熱點分析方法

Getis—Ord Gi*指數(shù)用于識別具有統(tǒng)計顯著性的高值(熱點)和低值(冷點)的空間聚類,能夠識別ESV空間變化是否具有高值聚集區(qū)(熱點區(qū))和低值聚集區(qū)(冷點區(qū)),以及確定高值區(qū)和低值區(qū)空間聚集的位置,相關(guān)公式參考涂小松等[28]。

2.3 權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系分析方法

采用皮爾遜相關(guān)分析法對1990—2018年4期的11種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進行時間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系測度。該方法用相關(guān)系數(shù)定量描述兩變量之間的線性相關(guān)程度,相關(guān)系數(shù)為正值,兩變量具有協(xié)同(同增或同減)關(guān)系；若為負值,則兩變量為權(quán)衡(此消彼長)關(guān)系；其數(shù)值大小反映變量之間相關(guān)性的強弱。

2.4 ESV變化指數(shù)

為使不同時期ESV變化具有可比性,將研究區(qū)內(nèi)ESV變化量進行標準化處理,得到ESV變化指數(shù)：

(4)

式中,γ為ESV變化指數(shù),t1、t2分別為不同時期的年份,Vt1、Vt2分別為t1、t2年份的ESV。

3 結(jié)果與分析

3.1 ESV時空變化

3.1.1ESV時間變化

1990—2018年烏蘭布和沙漠ESV總量上升8.91億元,增幅52.32%,其中1990—2000年呈下降趨勢,2000—2018年呈上升趨勢,2010—2018年增幅最大。從一級生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)來看,調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)和文化服務(wù)的ESV隨時間變化趨勢與總價值一致,增加量依次為7.25億元、0.50億元和0.10億元；供給服務(wù)呈逐年上升趨勢,增幅最大,達85.04%,增加量為1.08億元。二級生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中,食物生產(chǎn)、原料生產(chǎn)、氣體調(diào)節(jié)、土壤保持、維持養(yǎng)分循環(huán)的ESV呈逐期上升趨勢,其余生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與總價值變化趨勢一致；水文調(diào)節(jié)和水源供給ESV增量較大分別是6.72億元、1.54億元,ESV增幅最大的3類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)依次為食物生產(chǎn)、水文調(diào)節(jié)、水源供給,均大于90.00%(表2)。

從1990—2018年4期不同土地利用類型的ESV來看：水體和草地先下降后又逐期上升,水體增加144.50%,草地降低37.41%；林地、耕地、城鄉(xiāng)工礦居民地、固定沙丘、半固定沙丘逐年增加,流動沙丘逐年下降,鹽堿地呈波動上升,半流動沙丘呈波動下降,沙漠及戈壁整體變化幅度不大(圖2)。

3.1.2ESV空間變化

基于網(wǎng)格單元在空間上統(tǒng)計烏蘭布和沙漠1990—2018年單位面積的ESV(圖3),4期ESV空間分布特征較為一致：高值區(qū)集中于東部和東北部,低值區(qū)集中于中部和西南部。1990—2000年黃河沿岸ESV有所下降,吉蘭泰鎮(zhèn)東北緣低值區(qū)范圍增大。2000—2010年沙金套海蘇木西南側(cè)低值區(qū)范圍減小,烏斯太鎮(zhèn)東部出現(xiàn)低值區(qū)。2010—2018年黃河沿岸高值區(qū)范圍明顯增大,價值增高,巴彥木仁蘇木北部出現(xiàn)一條高值帶延伸至敖倫布拉格鎮(zhèn)內(nèi)部；北部高值區(qū)范圍擴大；敖倫布拉格鎮(zhèn)北緣由低值區(qū)變?yōu)楦咧祬^(qū)；中部和西南部的低值區(qū)范圍明顯擴大。

表2 1990—2018年烏蘭布和沙漠地區(qū)ESV/億元

圖2 1990—2018年不同土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(ESV)Fig.2 Ecosystem service values of different land use types from 1990 to 2018

圖3 1990—2018年烏蘭布和沙漠地區(qū)ESV空間分布Fig.3 Spatial distribution of ecosystem services value in Ulan Buh Desert from 1990 to 2018

3.2 ESV變化的冷熱點分析

為更好地探索烏蘭布和沙漠ESV變化量在空間上的局部表現(xiàn),基于網(wǎng)格單元計算1990—2000年、2000—2010年、2010—2018年3個時期ESV變化指數(shù),利用ArcGIS熱點分析(Getis—Ord Gi*)工具,識別ESV年際變化的冷、熱點區(qū)。

1990—2000年研究區(qū)ESV變化以冷點區(qū)為主,占總面積的2.85%,分布在黃河沿岸和東北部；熱點區(qū)占0.22%。2000—2010年間冷、熱點區(qū)面積占比分別為4.36%、3.88%,較均勻的分布在東北部和黃河沿岸。2010—2018年熱點區(qū)范圍明顯擴大,面積占10.45%,分布在東部和東北部；冷點區(qū)面積占4.23%,主要分布在中部和西南部。3個時間段的冷熱點分析表明,烏蘭布和沙漠ESV變化存在空間聚集性,東北部和東部從以冷點區(qū)為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐詿狳c區(qū)為主,ESV空間變化劇烈(圖4)。

圖4 烏蘭布和沙漠地區(qū)1990—2018年ESV變化熱點空間分布Fig.4 Spatial distribution of hot spots in changes of ecosystem service value in Ulan Buh Desert from 1990 to 2018冷(熱)點區(qū)表示ESV減少(增加)且聚集；極顯著冷(熱)點代表99%的置信水平；顯著冷(熱)點代表95%的置信水平；冷(熱)點代表90%的置信水平

3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系

1990—2000年11種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相關(guān)分析顯示,45組為正相關(guān)占81.82%,10組為負相關(guān)占18.18%,說明此時間段內(nèi)協(xié)同關(guān)系是烏蘭布和沙漠地區(qū)的主導關(guān)系。在45組協(xié)同關(guān)系中有18組表現(xiàn)為強顯著正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)R>0.80,P<0.01)；食物生產(chǎn)與氣候調(diào)節(jié)、凈化環(huán)境、生物多樣性、美學景觀呈權(quán)衡關(guān)系,原料生產(chǎn)和維持養(yǎng)分循環(huán)均與水資源供給、凈化環(huán)境、水文調(diào)節(jié)呈權(quán)衡關(guān)系(P<0.01)。2000—2010年間不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間均呈協(xié)同關(guān)系,在55組相關(guān)系數(shù)中,有1組無顯著性,4組在0.05水平上顯著相關(guān),其余均在0.01水平上顯著相關(guān),有18組為強協(xié)同關(guān)系(R>0.80)。2010—2018年11種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的55組相關(guān)系數(shù)均在0.01水平上呈顯著正相關(guān),有22組協(xié)同關(guān)系較強(R>0.80)(圖5)。

4 討論

4.1 烏蘭布和沙漠地區(qū)ESV時空變化及其驅(qū)動因素

烏蘭布和沙漠ESV以調(diào)節(jié)和支持服務(wù)為主,供給服務(wù)和文化服務(wù)的價值相對較低,與我國干旱區(qū)其他研究的ESV組成結(jié)構(gòu)相比較為一致(表3)。但從時間變化來看,1990—2018年研究區(qū)ESV總量以2000年為拐點先下降后上升,這與王鳳歌[27]對烏蘭布和沙漠生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)物質(zhì)量的評估結(jié)果相似；在空間上ESV呈東部和東北部高,中部和西南部低的分布特征,且ESV變化具有一定的空間聚集性,這可能與這些地區(qū)土地利用變化劇烈有關(guān)。

土地利用變化是烏蘭布和沙漠ESV變化的直接原因。其東北部和東部分別與河套平原和黃河相鄰,而中部和西南部則主要是沙漠和鹽堿地分布區(qū)。1990—2000年間主要是研究區(qū)東部水域面積減少和東北部草地轉(zhuǎn)變?yōu)楦貙е聝r值損失；2000—2010年ESV空間分布變化不大,但冷、熱點區(qū)均有所增加,熱點區(qū)是由沙漠和鹽堿地向耕地、林地、草地及水體等類型轉(zhuǎn)變形成,冷點區(qū)主要是由草地和水體向耕地和沙漠轉(zhuǎn)變導致。2010—2018年東部ESV增加主要是沙漠轉(zhuǎn)變?yōu)樗w導致,其次是因為沙漠中開發(fā)大量耕地和草地。中部和西南部冷點區(qū)分別可能是自然鹽積過程使鹽堿地擴大[35]和草地及林地等變?yōu)辂}堿地導致。不同政策實施對當?shù)谽SV變化有一定影響。1990—2000年間國家實行農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)政策,農(nóng)產(chǎn)品價格上升,引起大規(guī)模林地和草地開墾[36]導致ESV下降。2000—2018年研究區(qū)ESV逐漸增加,與盧周揚帆等[37]對阿拉善干旱荒漠區(qū)的研究一致,這可能是2000年以來國家陸續(xù)實施天然林保護、“三北”防護林工程、“西部大開發(fā)戰(zhàn)略”和“退耕還林還草戰(zhàn)略”等政策[22,35]使研究區(qū)耕地、林地和水體面積增加,促使其價值上升,如2012年烏蘭布和生態(tài)沙產(chǎn)業(yè)示范區(qū)[38]的建設(shè)和2010年以來實施治理黃河水利工程[39]中形成的科泊爾灘防凌分洪渠均對區(qū)域ESV增加有所貢獻。同時,分析烏蘭布和沙漠近30年降水量和氣溫發(fā)現(xiàn)氣候變化并不明顯(圖6),也間接表明人為因素是驅(qū)動ESV變化的主要原因。

表3 干旱區(qū)其他區(qū)域ESV構(gòu)成/億元

圖6 烏蘭布和沙漠地區(qū)1990—2018年月均氣溫和降水變化趨勢Fig.6 Trend of monthly average temperature and precipitation in Ulan Buh Desert from 1990 to 2018

4.2 烏蘭布和沙漠地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同關(guān)系變化分析

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系對于制定區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)保護“雙贏”的政策措施,實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)可持續(xù)供給具有重要的支撐作用。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的關(guān)系可能隨時間變化而改變[40],若僅對某個時間點或時間段靜態(tài)研究可能會導致誤判,因此本文對長時間尺度進行分段研究。較多研究發(fā)現(xiàn)供給服務(wù)與其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)存在權(quán)衡關(guān)系[41-43],本文1990—2000年期間的結(jié)果與之一致,可能是食物及原料生產(chǎn)用地與其他用地(特別是草地、水體)存在一定競爭關(guān)系[43],導致了這種此消彼長的權(quán)衡關(guān)系。而在2000—2018年的2個時期中,所有生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間均演變?yōu)閰f(xié)同關(guān)系,這與鄭德鳳等[44]研究結(jié)果相似,且不同類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間皆存在強協(xié)同關(guān)系,可能是生態(tài)恢復政策起了一定的積極作用[45],但生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同關(guān)系的驅(qū)動機制復雜多樣,不可一概而論。今后應(yīng)對長時間不同空間尺度的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間關(guān)系進行深入研究和分析。

5 結(jié)論

通過對烏蘭布和沙漠地區(qū)1990—2018年ESV時空動態(tài)研究主要得出以下結(jié)論：

(1)1990—2018年烏蘭布和沙漠地區(qū)ESV先下降后上升,由17.03億元增加至25.94億元；但目前ESV仍以水體、沙漠和耕地為主,區(qū)域生態(tài)安全存在一定的不穩(wěn)定性。

(2)烏蘭布和沙漠地區(qū)不同時期ESV呈東部和東北部高,中部和西南部低的趨勢；ESV熱點區(qū)分布在東部和東北部的部分生態(tài)恢復區(qū),但在吉蘭泰鹽湖附近存在冷點區(qū)擴展現(xiàn)象。

(3)烏蘭布和沙漠地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間權(quán)衡協(xié)同關(guān)系具有時間動態(tài)性,1990—2000年間協(xié)同關(guān)系占81.82%,權(quán)衡關(guān)系占18.18%,2000—2018年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間都變?yōu)閰f(xié)同關(guān)系,且協(xié)同度隨時間變化有所增強。