黄河流域能源富集区土地利用与生态系统服务价值分析

郭 梅，刘文飞

(1.烟台职业学院，山东 烟台 264670；2.四川大学 水利水电学院，四川 成都 610065）

生态系统服务是指生态系统直接或间接提供给人类以维持其生存的产品和服务,与人类福祉密切相关［1］。土地是承载人类活动的空间载体,土地利用变化影响区域生态系统的结构和功能,进而引起生态系统服务价值的变化［2］。随着社会经济的快速发展和人口的增加,人类对土地过度开发等问题日益严重,这给区域生态系统服务的供给能力带来了严峻挑战［3］。因此,分析土地利用和生态系统服务价值的时空变化及两者之间的关联性,对于集约利用区域土地资源和维持生态系统安全具有重大意义。

1997 年Robert Costanza 等［1］对全球17 种生态系统服务的价值进行了核算,之后生态系统服务价值的研究得到了众多学者的关注。学术界针对生态系统服务价值的概念内涵、量化方法［4-6］等展开了广泛讨论,并从不同尺度评估了农田、森林、草地、湿地等生态系统服务［7-9］的经济价值。在此基础上,国内学者对土地利用与生态系统服务价值关系的研究取得了较为丰硕的成果,尤其是在谢高地等［5-6］结合中国实际对Robert Costanza 等［1］提出的生态系统服务价值量化方法进行改进后,学者们采用谢高地等的方法从城市［10］到城市群［11］和经济带［12］、从自然生态系统［13］到人工生态系统［14］等对生态系统服务价值进行了量化分析。然而,不同区域社会经济发展程度和生态系统结构存在差异［15］,基于其他区域的研究结果对某些区域来说可能不适用。黄河流域能源富集区作为中国重要的能源基地,长期不合理开采造成了严重的生态环境问题。笔者以黄河流域能源富集区为研究对象,采用土地利用动态度、土地利用转移矩阵和修正的生态系统服务价值评估方法,对该地区1990—2018 年土地利用和生态系统服务价值时空变化特征进行量化分析,并结合灰色关联法探讨两者之间的关系,以期为该地区土地利用规划和生态建设提供科学依据。

1 研究区概况

黄河流域能源富集区涵盖甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西5 个省(区)的19 个地级市,见图1。该地区2018 年GDP 约为2.58 万亿元,约占全国GDP 的2.81%；人口约4 134.78 万人,约占全国总人口的2.97%。据统计,2016 年黄河流域甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西5 个省(区)原煤产量23.1 亿t,占黄河流域的92.4%,占全国总产量的67.8%。黄河流域能源富集区是黄河流域乃至全国资源异常丰富的地区,尤其是煤炭和矿产资源［16］。黄河流域能源化工产业规模大,在消耗大量化石能源的同时,也排放了大量的二氧化碳等废气废液,造成该地区资源利用与生态环境保护的矛盾异常突出,这对整个黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略的顺利实施构成了严重威胁。因此,在黄河流域能源富集区社会经济发展长期依赖大量能源消耗的背景下,迫切需要厘清该地区生态资产的“本底”及变化特征,以促进该地区社会经济与生态环境良性发展。

图1 研究区范围及高程

2 研究方法及数据处理

2.1 数据来源与处理

研究选取1990 年、2000 年、2010 年和2018 年4个典型年份进行土地利用和生态系统服务价值变化特征分析。土地利用数据来源于资源环境科学与数据中心(http://www.resdc.cn),空间分辨率为100 m。将研究区土地利用类型在ArcGIS 10.4 中重分类为耕地、林地、草地、水体、湿地、建设用地和未利用地7 类。研究区主要粮食作物价格、种植面积和产量数据来源于《中国农产品价格调查年鉴》及研究区涉及地级市的统计年鉴等。用于修正当量因子的植被净初级生产力NPP数据来源于国家地球系统科学数据中心(http://geodata.cn),空间分辨率为500 m。

2.2 研究方法

为了全面揭示黄河流域能源富集区1990—2018年土地利用和生态系统服务价值的变化特征,并探讨两者之间的关系,采用土地利用动态度、土地利用转移矩阵等分析研究区土地利用变化特征,通过修正的生态系统服务价值评估方法计算并分析研究区生态系统服务价值的时空变化特征,利用灰色关联法探讨土地利用与生态系统服务之间的关联性。

2.2.1 土地利用变化

(1)土地利用动态度。采用单一土地利用动态度来描述研究区某一土地利用类型在一定时期内的变化情况,计算公式为［17］

式中:Ik为T1时刻到T2时刻k类土地利用动态度；SkT1、SkT2分别为T1、T2时刻k类用地的面积。

采用综合土地利用动态度描述研究区社会经济发展过程中所有土地利用类型的整体变化情况,计算公式为［10］

式中:I为T1时刻到T2时刻综合土地利用动态度。

(2)土地利用转移矩阵。土地利用转移矩阵可以反映不同土地利用类型之间的相互转换情况。采用马尔科夫矩阵对研究区T1时刻到T2时刻不同土地利用类型之间的转移方向和大小进行描述［10］。

2.2.2 生态系统服务价值

谢高地等［5-6］将生态系统服务功能划分为4 个一级类型和9 个二级类型,即供给服务(食物生产、原材料生产)、调节服务(气体调节、气候调节、水文调节、废物处理)、支持服务(保持土壤、生物多样性保护)和文化服务(美学景观),并获取了中国生态系统服务价值的当量因子,其成果得到了广泛认可和应用。因此,本研究采用谢高地等提出的生态系统服务价值量化方法对1990—2018 年黄河流域能源富集区生态系统服务价值进行量化。

(1)1 个标准单位生态系统服务价值当量因子经济价值的计算。研究表明1 个标准单位生态系统服务价值当量因子的经济价值为当年全国平均粮食单产市场价值的1/7［14,18］。因此,根据国家有关部门公布的研究区平均粮食价格、种植面积和产量,利用下式计算研究区单位面积生态系统服务价值当量。

式中:E为单位面积生态系统服务价值当量；pa为a种粮食作物的平均价格；qa为a种粮食作物单产；sa为a种粮食作物的种植面积；A为粮食作物种类数。

(2)单位面积生态系统服务价值系数的修正。为保证研究结果符合研究区实际情况,参考文献［6］对单位面积生态系统服务价值系数(VC)进行修正。

式中:VCik为修正后的k类用地提供的i项单位面积生态系统服务的价值系数；Eaik为k类用地提供的i项生态系统服务的当量因子；N为修正系数；NPPs、NPPt分别为研究区和全国的植被净初级生产力NPP。

(3)单项生态系统服务价值和总价值的计算。各项生态系统服务价值和总价值计算公式为

式中:ESV、ESVi分别为生态系统服务总价值和i项生态系统服务价值；Sk为k类用地的面积。

(4)敏感性分析。采用敏感性指数来反映生态系统服务价值对价值系数变化的敏感性,以衡量评价结果的可信度和合理性。敏感性指数小于1,表明研究区生态系统服务价值对价值系数不具有弹性,研究结果是可信和合理的；敏感性指数大于1,表明生态系统服务价值对价值系数富有弹性,研究结果的准确性较低。敏感性指数计算公式如下［19］:

式中:ESVp和ESVq分别为调整后和调整前的生态系统服务总价值,参考前人的研究成果［12］,将各种用地类型的生态系统服务价值系数调整50%计算调整后的状态；VCpk和VCqk分别为调整后和调整前k类用地类型的单位面积生态系统服务价值系数。

2.2.3 灰色关联度分析

采用灰色关联法计算黄河流域能源富集区土地利用变化与生态系统服务价值之间的关联度,以确定不同土地利用类型对生态系统服务价值的影响。灰色关联法在样本量小、信息贫乏的情况下同样适用且计算方便。灰色关联度计算公式如下:

式中:δot(k)为xo(k)针对子序列xt(k)的关联系数；xo(k)、xt(k)分别为研究期k类用地类型的价值量和面积；分别为xo(k)与xt(k)的两级最小差值和最大差值；ρ为分辨率,一般赋值0.5。

本文将其平均值作为土地利用变化与生态系统服务价值之间的关联度,计算公式为

3 结果与分析

3.1 土地利用变化分析

(1)土地利用动态。1990—2018 年黄河流域能源富集区土地利用类型空间分布及面积见图2、表1。研究区1990—2018 年以草地、未利用地和耕地为主,三者面积总和占研究区总面积比例在90%左右,其次依次为林地＞建设用地＞湿地＞水体。草地的空间分布比较广泛,未利用地主要分布在研究区西部,包括内蒙古的阿拉善盟、巴彦淖尔市和鄂尔多斯市,而耕地主要位于黄河沿岸以及研究区地势平坦地区。对比整个研究期各种土地利用类型的面积可以发现,研究区土地利用变化总体表现为耕地、草地、湿地面积减小,而林地、水体、建设用地和未利用地面积增大。需要注意的是,草地减少和建设用地增加面积均很大,今后应注重防治草地退化、防止城市盲目扩张。

表1 1990—2018 年研究区各种土地利用类型面积变化情况 km2

图2 研究区土地利用类型空间分布及面积变化

图3 1990—2018 年研究区生态系统服务价值空间分布及变化情况

从表2 可知,不同时期各种土地利用类型的变化情况存在明显差异,总体上2010—2018 年的综合土地利用动态度最大,为9.614%；其次为2000—2010 年,综合土地利用动态度为7.104%；1990—2000 年的综合土地利用动态度最小,仅为1.345%。近30 a 来综合土地利用动态度呈增大趋势,表明土地利用变化越来越活跃,即人类活动对自然生态系统的综合影响越来越大。具体来说,林地和建设用地的土地利用动态度在1990—2018 年均为正值,表明这两种土地利用类型的面积一直在增加。此外,在所有土地利用类型中,建设用地的土地利用动态度最大,且呈增大趋势,表明近30 a 研究区城市化发展和开发建设活动持续加快。其他土地利用类型在研究期内的变化方向均出现反转,其中耕地和湿地的土地利用动态度在1990—2000年为正值,2000—2018 年为负值,表明两者的面积均先增大后减小,且在2000—2010 年的减小速度最快；草地和水体的土地利用动态度1990—2010 年为负值,2010 年后为正值,即两者面积变化先减小后增大；未利用地土地利用动态度在1990—2010 年为正值,2010—2018 年为负值,说明前期存在其他用地类型退化为未利用地的现象,后期这种现象有所缓解,以未利用地开发为其他用地类型为主。

表2 1990—2018 年研究区土地利用动态度 %

(2)土地利用转移情况。采用土地利用转移矩阵进一步分析研究区不同土地利用类型之间的转移情况,结果见表3。从转出面积来看,1990—2018 年草地转出面积最大,为42 631.321 km2,其次为耕地和未利用地。从转入面积来看,草地、耕地和未利用地的转入面积较大,其次为建设用地。综合考虑转入和转出面积,1990—2018 年研究区土地利用转移特征以耕地和草地转移为建设用地,以及草地转移为未利用地为主,这在一定程度上反映了研究区城市化发展所带来的建设用地扩张主要以耕地和草地为侵占对象。

表3 1990—2018 年研究区土地利用转移情况 km2

3.2 生态系统服务价值的时空变化特征

(1)生态系统服务总价值变化特征。基于式(6)、式(7)计算得到研究区生态系统服务总价值以及不同土地利用类型生态系统服务价值的变化情况,结果见表4。从生态系统服务总价值的变化来看,黄河流域能源富集区生态系统服务价值在研究期内总体减少了112.905 亿元,总体呈现出先减少后增加的趋势,2010年达到研究期内最小值6 409.318 亿元,相比1990 年减少了173.690 亿元,而后又增加至2018 年的6 470.103 亿元。究其原因可能与同时期土地利用的变化有关,1990—2010 年,研究区草地、水体、湿地等具有较高生态系统服务价值的生态用地显著减少,再加上这一时期建设用地的扩张,导致了生态系统服务价值的降低；2010 年以后,随着草地、水体、林地等生态用地面积的增加,尽管建设用地规模仍在扩大,但其所带来的负面影响已被生态用地增加所带来的积极效应抵消,生态系统服务价值增加。

表4 1990—2018 年研究区各种土地利用类型的生态系统服务价值 亿元

从各用地类型生态系统服务价值的变化情况来看,1990—2018 年黄河流域能源富集区各种用地类型所提供的生态系统服务价值从大到小依次为草地、林地、耕地、湿地、未利用地、水体,表明草地和林地对维持研究区生态系统稳定具有重要作用。其中,耕地、草地和湿地的生态系统服务价值整体呈减小趋势,草地减小118.799 亿元,减幅最大,对研究区生态系统服务价值的影响最大；而林地、水体和未利用地的生态系统服务价值整体呈增大趋势,其中林地增大77.513 亿元,对提升生态系统服务价值的贡献最大。

(2)各项生态系统服务价值的时序变化特征。根据式(8)计算得到1990—2018 年黄河流域能源富集区各项生态系统服务价值见表5。1990—2018 年,一级生态系统服务分类中价值由高到低依次为调节服务、支持服务、供给服务、文化服务,且各项一级服务在研究期整体呈减小趋势。其中,调节服务价值减幅最大,从1990 年的3 399.749 亿元减小至2018 年的3 327.767亿元,减小了71.982 亿元,这也是导致研究区生态系统服务总价值整体减小的主要原因；其次为支持服务,研究期内整体减小了30.681 亿元；文化服务和供给服务在研究期内分别减小了7.120 亿元和3.121亿元。单项二级生态系统服务中除了原材料生产服务的价值在研究期内整体有所增大外,其他各项服务价值在研究期内均减小,其中气候调节、水文调节、废物处理和保持土壤这4 种服务价值对黄河流域能源富集区生态系统服务价值变化的贡献较大。

表5 1990—2018 年研究区各项生态系统服务价值及变化 亿元

(3)生态系统服务价值的空间变化特征。1990—2018 年黄河流域能源富集区生态系统服务价值在空间上的分布见图4。总体来说,1990—2018 年研究区生态系统服务价值的空间分布格局基本保持稳定。其中:高值区主要包括研究区西北部国土面积较大的地级市,尽管这些地级市的土地利用类型以未利用地为主,但因其幅员辽阔而生态系统服务价值相对较高；低值区主要位于宁夏全区,以及甘肃白银、山西朔州和内蒙古呼和浩特,这些地区国土面积相对较小,而且耕地和建设用地比例较高,因此生态系统服务价值较低。从生态系统服务价值的空间变化上看,1990—2018 年研究区大多数地级市的生态系统服务价值均减小,其中以研究区西北部阿拉善盟和巴彦淖尔市减小幅度最大,其次为吕梁市、忻州市和包头市；此外,上述生态系统服务价值低值区的价值也在减小,但减小幅度不大。生态系统服务价值增大的地区包括陕北地区、鄂尔多斯市、乌兰察布市,这与这些地区退耕还林还草政策的实施有关。

图4 各种土地利用类型生态系统服务价值的敏感性指数

(4)生态系统服务价值的敏感性分析。研究区1990 年、2000 年、2010 年、2018 年不同用地类型生态系统服务价值的敏感性指数见图4。黄河流域能源富集区各种用地类型的敏感性指数均远小于1,水体、湿地与未利用地的敏感性指数甚至不足0.1,说明当水体、湿地和未利用地的生态系统服务价值系数调整50%时对研究区生态系统服务价值几乎没有影响。从图4 可以看出,研究区不同用地类型间的敏感性指数存在较大差异,而不同时期同一用地类型的敏感性指数差异较小。整体来说,黄河流域能源富集区生态系统服务价值对其价值系数表现为不具有弹性,研究结果是可信的。

3.3 土地利用类型对生态系统服务价值的影响

对黄河流域能源富集区1990—2018 年各种土地利用类型面积与生态系统服务价值进行灰色关联度分析,结果见表6。不同年份土地利用类型面积与生态系统服务价值之间的关联性存在一定差异,说明不同年份不同土地利用类型对生态系统服务价值的影响程度存在差异。总的来说,在整个研究期,平均关联度由高到低表现为草地＞耕地＞未利用地＞林地＞水体＞湿地,草地和耕地明显影响研究区生态系统服务价值,在未来开发建设活动中应注意合理规划利用这两类用地,减少甚至避免建设用地对其的侵占。

表6 研究区不同土地利用类型与生态系统服务价值的关联度

4 结语

基于多源数据,采用土地利用动态度、土地利用转移矩阵、修正的生态系统服务价值评估方法和灰色关联法等,测度并分析了黄河流域能源富集区1990—2018 年土地利用和生态系统服务价值时空变化特征,并探讨了两者之间的关联性。1990—2018 年黄河流域能源富集区以草地、未利用地和耕地为主,三者面积占总面积的90%左右,其中草地的空间分布比较广泛,未利用地主要分布在研究区西部地区,而耕地主要分布在黄河沿岸以及研究区地势平坦地区。从土地利用动态度来看,综合土地利用动态度呈增大趋势,土地利用变化越来越活跃,其中建设用地变化最为活跃,人类活动对土地利用结构的干扰越来越强；从土地利用类型转移情况来看,以耕地和草地转移为建设用地,以及草地转移为未利用地为主,这在一定程度上说明当地城市扩张主要是以耕地和草地为侵占对象。1990—2018 年黄河流域能源富集区生态系统服务总价值呈现先减小后增大的趋势,其中耕地和林地生态系统服务价值占比最大,对维持研究区生态系统稳定具有重要作用；此外,气候调节、水文调节、废物处理和保持土壤服务对研究区生态系统服务价值变化的贡献较大；生态系统服务价值的空间分布格局在研究期内基本保持稳定,高值区主要分布在研究区西北部国土面积较大的地级市,而低值区主要有宁夏全区以及甘肃白银、山西朔州和内蒙古呼和浩特等国土面积相对较小且耕地和建设用地占比较高的地区。草地和耕地与生态系统服务价值的关联度较高,这两类用地面积的变化明显影响研究区生态系统服务价值的变化,而且在过去存在草地和耕地转移为建设用地的情况,在今后的开发建设活动中要注意合理规划利用这两类用地。