沙坡头国家级自然保护区土地利用格局及生态服务价值变化评估

高操 邢丽珠 张方敏

摘要：基于遥感数据和统计数据，结合土地利用变化情况，评估2000—2017年宁夏回族自治区沙坡头国家级自然保护区生态服务价值变化情况。结果表明，2000—2017年研究区土地利用变化明显，林地，城鄉、工矿、居民用地，水域面积分别增加9 137.30、7 958.41、795.56 hm2，其他类型土地面积呈减少趋势，未利用土地变幅最大，达27.16%。研究区生态系统服务价值呈增加趋势，水域和林地面积的增加起到了主导作用，林地、草地、水域的服务价值之和占比达85%～89%，其中林地和水域服务价值增幅高达203.69%、119.33%。水源涵养、土壤形成与保护、废物处理和生物多样性保护是沙坡头区生态系统服务功能价值的主要来源，占生态系统服务价值的68%以上。

关键词：生态系统服务价值;遥感;土地利用变化;沙坡头国家级自然保护区

中图分类号： P931.3;TP79  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2020）20-0276-06

生态系统服务是指生态系统通过生态结构、功能和过程为人类维持生存提供的必要的生命支持产品和服务[1-2]。在自然原因和人类活动等共同作用下，生态服务功能受土地利用类型等因素的影响不断发生变化，生态服务价值也随之变化[3]。随着经济的高速发展，人类活动对生态系统的影响在范围和强度上迅速变大[4]，在改变土地利用结构和模式的同时，严重影响生态环境和自然生态系统的功能和服务[5]，环境污染和生态破坏使得生态系统调节、供应、文化等方面的服务价值持续下降[6-7]，对社会经济发展的支撑能力逐步降低[8]，成为可持续发展的重要制约因素，因此评估生态系统服务价值动态变化对改善生态质量有一定的指导意义。

国内外众多学者采用多种方法评估不同区域、不同生态系统的生态服务价值，结果能够直接反映生态系统现状及其变化[9]，这些方法被广泛应用于土地利用优化[10-13]和生态修复[14-17]等多个方面。Costanza等阐述了生态系统服务价值和自然资本的概念和核算体系，将生态系统服务明确划分为17类服务功能[18]，在此基础上，Boyd等把生态系统服务价值归入经济核算体系[19]，生态系统服务价值研究逐渐成为学术界关注的热点[20]。目前，生态系统服务价值评估方法主要可归纳为功能价值评估法和当量因子评估法[21]。当量因子评估法基于可量化标准，考虑生态系统的分布面积，构造生态系统的不同种类服务功能对应的价值当量[22]，所需数据少且易计算，多应用于评估区域生态系统服务价值[23]。Snyder在能源成本分析中纳入生态系统服务价值，分析热带人工湿地的生物能源供应和废水处理2个生态系统服务功能[24]。Xie等基于Costanza理论，结合中国的实际情况，通过能量替代法[25]和问卷调查法[26]提高生态系统服务价值评估模型在中国区域的精确度，并估算了中国陆地生态系统服务价值[21]。我国众多学者在此基础上展开了一系列研究，熊善高等采用价值系数法结合土地利用变化，估算湖北省宜昌市生态系统服务价值[27]。魏慧等基于土地利用动态度指标和修正后的单位面积上生态服务价值当量表，分析山东省德州市生态系统服务价值时空变化趋势[28]。Yan等基于多源数据调查20世纪50年代中期以来三江平原自然生态系统的湿地损失并定量估算生态系统服务价值对湿地损失的响应变化[29]。

本试验以宁夏沙坡头国家级自然保护区为研究对象，以2000、2007、2017年土地利用情况为数据源，采用当量因子评估法，研究沙坡头区土地利用变化格局及生态系统服务价值的时空变化规律，以期为未来自然保护区生态环境和社会经济的可持续发展提供指导意见。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

沙坡头国家级自然保护区地处宁夏回族自治区西部腾格里沙漠的东南缘，研究区域为包含沙坡头国家级自然保护区的长方形区域（后称沙坡头区），其中红线包含区域为沙坡头保护区（图1）。研究区地形由南向北、由西向东分为沙漠、冲积平原、台地、山地和盆地五大地貌单元，平均海拔在 2 000 m 左右。沙坡头区属温带大陆性气候，是典型的温带干旱气候区，具有干旱少雨、冷热温差大、蒸发强烈、气象灾害多等特点。研究区年降水量179.6 mm，年蒸发量达1 829.6 mm，约是降水量的102倍，年平均气温8.8 ℃。

1.2 数据来源

本研究基于2000、2007、2017年陆地卫星（Landsat）TM/ETM+的遥感影像数据（http：//glovis.usgs.gov），结合已有研究区的土地利用现状特点，按照全国土地资源分类系统，采用监督分类法将研究区分为耕地，草地，林地，水域，城乡、工矿、居民用地和未利用土地6类土地利用类型。本研究用于计算生态系统服务价值的数据为中分辨率成像光谱仪MODIS（moderate-resolution imaging spectroradiometer）2000—2017年的植被净初级生产力（NPP）和归一化植被指数（NDVI）数据（https：//modis.gsfc.nasa.gov），DEM高程数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心（http：//www.resdc.cn），其他数据来源于统计年鉴、生态资产价值相关文献等。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用变化 土地利用/覆盖变化（LUCC）是人类活动对地球生态系统影响的最直接反映形式[3，30]，土地利用变化数量指数同时涵盖了土地利用的变化幅度和变化率，可用以衡量区域土地利用变化，计算公式如下：

式中：P为研究时段土地利用变化幅度;K为研究时段土地利用变化率;Sa、Sb分别为某一类型土地在研究时段初期及末期的面积;T为研究时段长度。

1.3.2 生态系统服务价值评估 谢高地等在Costanza等研究[1]的基础上，结合中国实际，依据问卷调查结果将生态系统服务功能分为9项，提出以单位面积价值当量因子为基础，来估算不同生态系统的生态服务价值量[26，31-32]。将全国1 hm2耕地上的平均产量作为食物生产生态功能的衡量指标并将其权重定义为1，在此前的土地利用分类基础上，通过层次分析法对评价指标分类进行统计分析，计算得到其他土地类型的某一生态系统服务功能与耕地生态系统食物生产生态功能的权重比[33-34]。

单位面积农田系统提供的生产服务经济价值的计算公式如下[17]：

式中：ESV表示生态系统服务价值，元/年;ESVf表示研究区第f类生态服务功能价值，元/年;ESVk表示第k类生态系统服务价值，元/年;Ak为第k类土地利用类型面积，hm2;VCkf表示第f类生态系统的第k类服务功能的价值，元/（hm2·年）[35]。

城乡、工矿、居民用地作为人工生态系统，人类活动强度大，在一定程度上表现为消耗生态服务功能价值，因此，本研究不考虑其生态服务功能价值。

2 结果与分析

2.1 土地利用动态变化分析

2000、2007、2017年草地和未利用土地为沙坡头区的主要土地利用类型，草地占研究区比例分别为2986%、28.30%、28.93%，主要分布于研究区的西北部和南部，是沙坡头区最重要的生态系统类型;林地主要分布于自然保护区东北部的水域附近，其面积占比呈迅速增加趋势;城乡、工矿、居民用地与耕地间错分布于东部地区，后期在中部地区城乡、工矿、居民用地明显增加（图1和图2）。在2000—2017年沙坡头区土地利用发生了明显的变化，其中2000—2007年耕地、未利用土地明显减小，而林地面积明显增大;2007—2017年未利用土地面积急剧减小，耕地面积减小趋势放缓，而林地和城乡、工矿、居民用地面积迅速增大，同时水域面积也逐渐增大。总体上来看，2000—2017年林地，水域，城乡、工矿、居民用地面积明显增大，其中林地面积增加了9 137.30 hm2，增幅最大，为41407%，年变化率达到10.11%;其次为城乡、工矿、居民用地，在17年间其面积增加了 7 958.41 hm2，增幅为22653%，年变化率达到721%;水域面积增加了795.56 hm2，增幅为3345%;耕地、草地、未利用土地面积呈减小趋势，其中耕地在17年间减少了 1 324.72 hm2，减少幅度为12.92%，未利用土地面积减少了15 220.10 hm2，减少幅度为27.16%，但其面积所占研究区总面积的比例依然最大;草地面积减幅为3.12%，在该生态系统中其面积排第2位（表1）。

2.2 生态系统服务价值变化

2.2.1 各项生态服务功能的价值变化 结合土地利用数据（图2、表1）可知，2000—2017年沙坡头区各项生态服务功能价值均呈上升趋势（图3、表2），其中气体调节、废物处理、气候调节、水源涵养、土壤形成与保护、生物多样性保护的生态服务功能价值之和占总价值的88.1%～89.1%，是总价值的主要来源;而食物生产、原材料生产、娱乐文化的生态服务功能价值之和仅占总价值的10.9%～11.9%。对各单项生态服务功能所产生的价值占总价值的比例在17年间的变化进行分析，结果发现，气体调节、气候调节、水源涵养、原材料生产、娱乐文化的生态服务功能价值占生态系统服务功能总价值的比例有所上升，主要是由于林地、草地以及水域的气候调节、水源涵养、原材料生产、娱乐文化的生态服务价值当量因子大，研究期间虽草地面积略减小，但林地、水域面积增幅大，使得相应的生态服务功能价值呈增加趋势;而土壤形成与保护、废物处理、生物多样性保护、食物生产的生态服务功能价值占生态系统服务功能总价值的比例呈下降趋势，这主要是由耕地和未利用土地急剧减少且相应的生态价值当量因子较低所造成的。

2.2.2 各类生态系统的价值变化评估 沙坡头区2000—2017年各类生态系统的价值总体呈上升趋势（图4、表3），林地、草地和水域的生态服务价值是总价值的主要组成部分。其中，林地生态服务价值增长幅度最大，所占总价值的比例从2000年的第2位上升到2017年的第1位，增加了2.58亿元，增幅为203.69%，年变化率达到6.75%;增幅排在第2位的为水域，由2000年的1.03亿元增加到2017年的2.26亿元，增幅为119.33%，年变化率达到473%;未利用土地所产生的生态服务价值最低，2000—2017年期间略有增加，由0.17亿元增加到0.27亿元。

总体来说，沙坡头区2000—2017年生态服务价值变化呈上升趋势，在2000年研究区生态系统服务价值为4.68亿元，2017年研究区生态系统服务价值为10.76亿元，17年净增加6.08亿元，增幅12987%，年变化率为5.02%。

3 结论与讨论

2000—2017年研究区土地利用结构发生了明显动态变化，林地和城乡、工矿、居民用地面积呈现出逐年明顯递增趋势;水域面积变化较小，呈波动增大趋势;未利用土地面积迅速减小，耕地面积也呈逐年减小的趋势;草地面积变化波动复杂。沙坡头区在经济快速发展下城镇化建设速度加快，导致城乡、工矿、居民用地面积不断增大，旅游产业等的大力发展和提倡生态保护的政策支持，促使林地面积不断增大;在水利工程及林地生态系统防沙固沙的作用下，水域面积也有所增大。土地利用结构的明显变化受自然因素和人为因素的共同影响，尤其是在相关政策的支持下各项生态保护措施的实施对土地利用结构的改变起举足轻重的作用。

2000—2017年研究区生态系统服务价值呈增加趋势，土地利用结构变化包括其转变过程对沙坡头区的生态系统服务价值变化具有决定性作用。2000—2007年沙坡头区生态系统服务价值增加缓慢，而2007—2017年增加迅速，主要是由2007—2017年该区域土地利用结构显著变化、林地面积快速增加导致的。从各土地利用类型对生态系统服务总价值的贡献率来看，林地、草地和水域是生态系统服务价值构成的主体部分，三者生态系统服务价值之和占比高于85%，不仅补偿了由于耕地面积减小而带来的生态系统服务价值损失，还能够促使沙坡头区域生态系统服务总价值不断上升，从而推动沙坡头国家级自然保护区生态系统服务价值结构和发展方向呈良性循环。从各项生态功能服务价值来看，土壤形成与保护、废物处理、水源涵养和生物多样性保护是沙坡头区生态系统服务价值的主要来源，四者之和占生态系统服务总价值的68%以上，沙坡头区生态系统的服务性功能高于生产性功能。2000—2017年各项生态功能服务价值均处于持续增加的态势，其中原材料生产、娱乐文化、气体调节和气候调节是各项生态功能服务价值增长速度最迅猛的、贡献最多的，表明随着政策和经济发展的需要，森林生态系统带来的供应功能和调节功能在整个区域生态服务价值增加中起重要的促进作用。沙坡头区应考虑以森林生态系统为核心，构造生态系统服务格局，同时应明确城市规划格局，注意在发展旅游业文化性能力与构建纸浆原料林等经济发展项目时，维护生态系统供应性能力和生态系统调节性能力间的平衡，须要处理好发展与生态环境建设之间的矛盾。

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