李晋昌,王文丽,胡光印,魏振海 (1.山西大学黄土高原研究所,山西 太原 00006；.中国地震局兰州地震研究所,甘肃 兰州 70000；.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,甘肃 兰州 70000)

生态系统服务是指通过生态系统的结构、过程和功能直接或间接得到的生命支持产品和服务[1],或是对人类生存及生活质量有贡献的生态系统产品和生态系统功能[2],对其价值进行定量评估是高效、合理配置竞争性需要的环境资源的基础[1,3-4],也是制定生态环境建设补偿政策的必要前提[5].近年来,国内外对不同空间尺度的和不同类型的生态系统服务价值评估研究已取得了较大进展,比如 Martínez等[6]研究了墨西哥热带山区云雾林的生态系统服务价值,熊鹰等[7]评价了喀斯特地区生态系统服务价值的变化,张晓云等[8]对若尔盖高原湿地生态系统服务价值进行了动态评估.土地利用/覆盖变化是全球环境变化的重要组成部分和主要原因之一.人类通过土地利用活动改变地表覆被状况,引起生态系统结构和功能的改变,从而引起生态系统服务价值的变化[9-11].因此,研究土地利用/覆盖变化背景下的生态系统服务价值的变化具有重要意义[12-13].

玛曲县位于青藏高原东南部,总面积9460km2,海拔在3300～4806m之间,年均气温1.1℃,年降水量615mm,属于高寒草原,是我国一级环境敏感带的组成部分,也是若尔盖湿地的组成部分和黄河上游地区的主要水源涵养区.由于气候变化和人类活动的影响,该地区出现了草地覆盖度下降,林地面积减少,沙化程度加剧,地表径流减少,地下水位下降等一系列环境问题[14-19].随着环境退化,玛曲县土地利用/覆盖也发生了明显变化变化.因此,本研究借鉴已有研究成果,运用GIS和遥感技术分析1975～2005年间玛曲县土地利用/覆盖变化对区域生态系统服务价值的影响,为研究区土地持续利用和生态环境保护建设提供参考.

1 研究方法

1.1 土地利用/覆盖数据的来源

研究所用资料为12张1:10万地形图,以及1975年的MSS数据,1990年和2005年的TM数据和2000年的ETM数据,影像时相均在6～10月份.对遥感影像采用标准假彩色合成,将近红外波段、红色波段和绿色波段进行合成.前期工作已对玛曲县1975～2005年间土地利用/覆盖变化过程、特征及成因进行过分析,包括图像处理方法、解译标志的建立和土地利用遥感分类系统[17].本研究选择间隔均为15a的1975、1990和2005年的三期数据,对玛曲县土地利用/覆盖变化对区域生态系统服务价值的影响做进一步分析.

1.2 生态系统服务价值评价方法

Costanza等人提出的生态系统服务价值评价方法在某些数据上存在较大偏差,争议较多[20-21].谢高地等[22]针对其不足,根据中国实际情况,制定了中国不同陆地生态系统单位面积生态服务价值表.结合玛曲县土地利用特征,为反映不同覆盖度草地和不同类型林地生态系统服务价值的不同,本研究对其进行了二级分类.粟晓玲等[23]采用专家打分法修正了不同覆盖度草地和不同类型林地的价值系数,其确定的有林地、灌木林、疏林地和其他林地的修正系数分别为1.5、1.1、0.7和0.7,由于本研究中将疏林地和其他林地合二为一,因此基于比例对原修正系数进行重新确定,其他类型土地的修正系数与粟晓玲等[25]的相同,且将建筑用地单位面积的价值视为与荒漠相同[24],结果如表1所示.

表1 玛曲县土地利用类型及其单位生态价值Table 1 Modify coefficient of static services value of different land-use types in Maqu County

以修正后的价值系数为基础,对玛曲县生态系统服务价值进行评估,计算公式为:

式中:ESV为生态系统服务价值;Ak为土地利用类型k的分布面积;Ck为该类型土地单位面积的生态系统服务价值系数.本研究引用敏感性指数(CS)来确定区域生态系统服务价值随时间的变情况对Ck值的依赖程度,其计算公式如下:

式中: i、j分别表示初始的生态系统服务价值和生态服务价值指数调整后的价值.CS值的计算过程及计算结果的含义见文献[12].

2 结果与讨论

2.1 土地利用/覆盖变化

分析表明(表2),从多年平均来看,玛曲县土地类型以草地为主,达75%左右,其次为湿地,约12%,耕地最少,仅占 0.02%,建筑用地仅 0.05%左右.1975～2005年间,玛曲县有林地、灌木林、高覆盖度草地、湿地和水体面积持续减少,其中有林地减幅最大(45%),高覆盖度草地次之(16%),水体最小(3%);其他类型土地面积呈持续增加趋势,其中建筑用地增幅最大(114%),荒漠次之(20%),其他林地最小(3%).除水体外,其他类型土地的面积在1990～2005的变化幅度均大于1975～1990年.

表2 玛曲县1975、1990、2005年土地利用/覆盖变化特征Table2 Land use and land cover change of Maqu county in 1975,1990 and 2005

参照文献[25]研究结果并结合玛曲县自然地理概况,对研究区不同类型土地进行利用程度分级(表2).玛曲县经济活动以牧业为主,并且1975～2005年间,该区中、低覆盖度草地的扩展主要是由于过度放牧导致高覆盖度草地退化所致[17],因此覆盖度不同的草地其土地利用程度指数也不相同,覆盖度越低,表明利用程度越高,指数也越大.土地利用程度综合指数计算公式如下:

式中:D表示土地利用程度综合指数,该值越大,表明土地利用综合程度越高;Ak为第k种类型土地利用程度分级指数;CCk为第k种类型土地的面积;HJ为土地利用评价区域内土地总面积.

经式(3)计算表明,玛曲县1975、1990和2005年土地利用程度综合指数分别为2.35、2.36和2.42,且 1990～2005年间的差值明显大于 1975～1990年间,表明该区土地利用综合程度和人类活动强度均呈增大趋势.

2.2 区域生态系统服务价值变化

由于玛曲县耕地和建筑用地比例极小(＜0.10%),且生态系统价值系数偏低,因此在计算研究区生态系统服务价值时将其忽略.基于式(1),玛曲县1975、1990和2005年区域生态系统服务价值分别为129.71、128.39元和123.96亿元,单位面积生态系统服务价值分别为13711.42、13571.88、13103.59元/hm2.即30年间,该区域生态系统服务价值共损失5.75亿元,年均损失0.19亿元,损失幅度为4.44%;1990～2005年年均损失量和损失幅度分别为1975～1990前15年的3.34倍和3.38倍,表明该区域生态系统服务价值呈持续减小趋势,且损失量和损失幅度在持续加大.与谢高地等[22]的结果相比,玛曲县单位面积的生态系统服务价值约为青藏高原平均值(3661.9元/hm2)的3.68倍,表明玛曲是青藏高原生态系统服务价值的高值区,与牛叔文等[26]的结论一致,这是由于荒漠占青藏高原面积的38%,在玛曲只占6%.由于玛曲县生态地位特殊且具有不可替代性,因此维护其生态系统服务价值的可持续利用对整个黄河流域的生态安全意义重大.

表3 玛曲县1975、1990和2005年区域生态系统服务价值变化Table 3 Change in values of ecosystem services of Maqu county in 1975,1990 and 2005

分析表明(表3),从多年平均来看,湿地和高覆盖度草地对研究区生态系统服务价值的贡献最大,分别约为49%和26%,有林地最低,仅为0.11%.30年间,玛曲县有林地、灌木林、高覆盖度草地、湿地和水体生态价值持续减少,其中有林地减幅最大(45%),高覆盖度草地次之(16%),水体最小(3%);其他类型土地生态价值呈持续增加趋势,其中荒漠增幅最大(20%),其他林地最小(3%),中、低覆盖度草地分别为14%和15%.研究区30年间生态系统服务价值损失量中,高覆盖度草地损失价值最多,占63%,湿地次之,占28%.面积增多的土地类型弥补的损失量仅占 31%,其中中覆盖度草地增多弥补了损失量的22%,但其主要由高覆盖度草地退化而来.除水体外,其他类型土地的生态价值在 1990～2005年的变化幅度均大于1975～1990年.

以上分析表明,在1975～2005年间,玛曲县土地利用变化损害了区域生态系统的服务价值,该损失主要是由草地和湿地退化所导致.

2.3 生态系统各服务类型价值的变化

谢高地等[22]将生态服务划分为9个功能,依据表1中的修正系数,将不同类型土地9个生态服务价值进行修正,基于修正后的价值和各类型土地的面积,计算得到玛曲县1975、1990、2005年生态系统各服务类型价值变化如表 4所示.分析可知,玛曲县废物处理价值比例最高,达23%,对该价值贡献最大的3类型土地分别为湿地(50%)、高覆盖地草地(21%)和水体(16%);水源涵养价值仅次于废物处理,对该价值贡献最大的3类型土地分别为湿地(61%)、高覆盖度草地(21%)和中覆盖度草地(8%);玛曲县原材料价值最低,仅为1%左右,灌木林对该价值贡献最大, 达71%.30年间,玛曲县生态系统各服务类型价值比例变化很小,但总值均呈持续减小趋势,减幅均在4%～6%之间;从价值总额来看,废物处理损失最大(1.257亿元),水源涵养次之(1.015亿元),其损失均主要由湿地和高覆盖地草地退化所致,因此保持玛曲县生态系统高水平的服务达71%.30年间,玛曲县生态系统各服务类型价值比例变化很小,但总值均呈持续减小趋势,减幅均在4%～6%之间;从价值总额来看,废物处理损失最大(1.257亿元),水源涵养次之(1.015亿元),其损失均主要由湿地和高覆盖地草地退化所致,因此保持玛曲县生态系统高水平的服务价值,使其能够长期可持续地为人类服务,就要维护好湿地和草地的生态环境,提高各级相关部门对湿地和草地功能和价值的认识,合理限制载畜数量,优化牲畜结构,积极应对气候变化,恢复湿地和草地的面积和功能.

表4 玛曲县1975、1990、2005年生态系统各服务类型价值变化Table 4 Change in values of different ecosystem services of Maqu county in 1975,1990 and 2005

2.4 人均生态系统服务价值变化

李小燕[27]认为将人口与生态系统服务价值有机结合,可以更加直观有效地反映环境压力情况.其具体计算公式参见文献[27].

玛曲县1975、1990、2005年人口数量分别为2.2、3.0、4.2万,据此计算的3个时期人均生态系统服务价值分别为 58.96、42.80、29.51万元.即30年间,人均生态系统服务价值共损失29万元,年均损失0.98万元,减幅达50%,1990～2005年年均损失量和减小幅度分别为 1975～1990年的82%和1.13倍,表明玛曲县人均生态系统服务价值呈持续减小趋势,损失幅度呈增大趋势,即1975～2005年间,玛曲县由于人口的增长,环境压力呈持续增大趋势.

2.5 敏感性分析

表5 生态系统服务价值敏感度Table 5 The coefficients of sensitivity of ecosystem service value

根据敏感性指数的计算方法,把各类型土地的生态价值系数分别上下调整 50%,计算出研究区1975年和2005年的敏感性指数,结果如表5所示.各种情况下的 CS都小于 1,最低值为0.00117,即当有林地地的生态价值系数增加 1%时,总价值只增加 0.00117%;最高值为 0.49,即当湿地的生态价值系数增加 1%时,总价值只增加0.49%.这表明,相对于生态系统服务价值系数(C)来说,研究区生态系统服务价值是缺乏弹性的,研究结果是可信的.

3 结论

3.1 玛曲县土地类型以草地为主,湿地次之,耕地最少.1975～2005年间,玛曲县有林地、灌木林、高覆盖度草地、湿地和水体面积持续减少,其他类型土地呈持续增加趋势,且土地利用综合程度和人类活动强度均呈增大趋势.

3.2 玛曲县1975、1990、2005年区域生态系统服务价值分别为129.713、128.390和123.961亿元,表明该区域生态系统服务价值呈持续减小趋势,且损失量和损失幅度在持续加大,该损失主要是由气候变化和人类活动共同导致的草地和湿地退化引起.

3.3 玛曲县单位面积的生态系统服务价值约为青藏高原平均值的3.68倍,表明玛曲是青藏高原生态系统服务价值的高值区.

3.4 玛曲县生态系统服务价值中,废物处理价值最高,水源涵养价值次之,原材料价值最低;30年间,玛曲县生态系统各服务类型价值比例变化很小,但总值均呈持续减小趋势,废物处理价值损失最大,水源涵养次之,其损失均主要由湿地和高覆盖地草地退化所致.

3.5 玛曲县1975、1990和2005年人均生态系统服务价值分别为58.96、42.80、29.51万元,表明玛曲县环境压力呈持续增大趋势.

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