基于土地生态要素分区的坝上生态用地生态服务价值分析*

王晓晴, 牛志君, 康 薇, 张立强, 张俊梅

(1. 河北农业大学资源与环境科学学院 保定 071000; 2. 河北农业大学国土资源学院 保定 071000)

生态用地不仅是维护生态安全格局的重要屏障, 也是改善人居环境、促进人类社会可持续发展的重要土地资源[1-3]。由于国内外学者并没有对“生态用地”的概念有一个严格的界定, 导致近年来生态用地的深入研究和精细化管理难以有很大的突破。为了满足现实中生态用地管理和现行的土地分类制度相关联, 许多学者从土地利用的特点和主要功能出发, 探讨了生态用地的定义和功能分类[4-5]。本研究从土地主体功能角度出发, 将生态用地内涵界定为: 生态用地是相对于生产生活用地, 以提供防风固沙、水土保持、水源涵养、维持生物多样性等重要生态服务功能为主, 对维持区域生态平衡和可持续发展具有重要作用的土地用地类型。

生态系统服务价值是指人类直接或间接从生态系统的结构、过程和功能中得到的效益[6-7]。随着各种生态问题的出现, 国内外相关人士开始关注土地生态系统的生态服务价值, 并开展大规模的研究。最初, Costanza等[8-9]把全球生态服务功能划分为 17种主要类型, 并求取了全球各地类的生态服务价值; 之后, 欧阳志云等[10]评估了中国陆地生态系统的 6种服务功能及其生态经济价值; 谢高地等[11]在 Costanza的研究基础上结合我国实际情况建立了中国不同陆地生态系统单位面积生态服务价值当量表, 并计算出各地类单位面积上不同功能的生态系统服务价值的总和。近些年来, 国内学者广泛借鉴其研究成果, 结合 3S技术从土地利用类型变化响应[12-14]、时空变化特征[15-17]逐步拓展到其变化的驱动因素探索研究。总的来说, 我国对生态系统服务价值评估的研究正在不断进步, 为生态环境管护起到了重要的支撑作用。

目前, 国内学者对于生态用地的研究大部分是针对其内涵的探索, 对于生态用地的生态系统服务价值进行评估的研究还处于初级阶段[18-20], 而针对影响其生态价值变化的本底要素研究更是寥寥无几。坝上地区作为京津冀最重要的生态屏障, 承担着恢复草地植被、打造防风固沙林、缓解京津风沙危害等生态建设任务, 同时该区域所包括的 6个县均属于国家级贫困县, 经济发展形势极其严峻, 生产生活用地与生态用地矛盾突出。因此, 本研究以河北省坝上地区为例, 将研究区划分为28个土地生态要素类型区作为评价单元, 结合现行的土地利用分类系统和生态系统服务功能构建生态用地分类体系, 在此基础上, 以粮食单产进行区位修订, 分析2015年坝上地区各类生态用地的生态系统服务价值情况, 以期为区域的土地利用和生态补偿机制提供依据。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

坝上地区位处于河北省北部, 内蒙古高原的东南边缘(114°35′～116°45′E, 41°00′～42°20′N), 为中国北方干旱与半干旱、农区与牧区接壤的过渡地带, 是京津境内众多河流的发源地及上游所在地,也是京津等地的生态屏障。坝上南北长约212 km, 东西宽约330 km, 土地总面积约317万km2。属大陆性季风气候, 寒冷、少雨、多风、干旱是该地区最典型的气候特点, 海拔约1 100～2 400 m, 年平均温度 1.4～5 ℃, 年均降水量 330～460 mm。土壤质地主要为沙质和黏质土, 类型多样, 西部地区土壤类型以栗钙土为主, 东部主要为褐土和潮土。地貌类型东部地区以侵蚀剥蚀中山和侵蚀剥蚀低山为主, 而西部地区地貌类型多变,包含湖积高原、洪积冲积高原和玄武岩台地等多种类型。

1.2 数据来源与处理

本研究针对土地本底的生态要素土壤类型与地貌类型进行分区, 将坝上地区 1∶25万土壤图和地貌图进行空间叠加处理; 同时采用来源于中国 1∶25万土地覆盖遥感调查与监测数据库解译的土地覆被数据, 该解译数据对全国土地利用变化(land use/cover change, LUCC)共划分了6个一级类, 25个二级类, 从中提出研究需要的生态用地类型。粮食产量数据来源于布设样点, 野外调查获取, 数据详实可靠, 通过ARCGIS 10.2中克里金插值法分析得出研究区的粮食差量分布图(图1)。

图1 坝上地区粮食单产分布图Fig. 1 Distribution pattern of grain yield in Bashang area

2 研究方法

2.1 生态要素类型区划分

本研究的生态要素类型分区是采用坝上地区 1∶25万土壤图和地貌图运用ARCGIS 10.2通过空间分析叠加处理, 归类命名得出 28个分区(图2)。利用土地类型中的土壤及地貌类型生态要素来表示土地类型的特征, 进而完整地表示其资源特性, 便于在未来土地利用开发、规划整理等方面的应用。本研究将采用连续命名的原则, 按“土壤-地貌类型区”顺序命名的方法对类型区进行命名, 相对比较方便、实用。如“草甸土洪积冲积高原类型区”, 土壤类型用T表示, 地貌类型用L表示, 上述类型区用代码表示为“T1L2”。

2.2 生态用地分类体系

根据定义将研究区域生态用地分为草地、林地、湿地和其他生态用地4个一级类, 17个二级类, 分类结果如表1所示[21-22]。

图2 坝上地区土地生态要素类型分区图Fig. 2 Zoning map of land ecological factors in Bashang area

2.3 生态系统服务价值测算方法

2.3.1 生态服务价值当量因子的确定

本文采用谢高地等[23]多位学者在Costanza等[8]提出的生态系统服务功能分类基础上, 构建的符合中国实际情况的生态系统服务价值量化方法进行研究测算。该方法将农田生态系统粮食生产的服务价值定义为 1, 其他生态系统服务价值与农田生态系统粮食生产的服务价值的比值即为该生态系统的当量因子。该研究需对研究区内2015年各土地生态要素类型区的单位面积农田年平均粮食产量的经济价值进行修正, 具体见公式(1):

式中:Ea表示单位面积农田生态服务价值当量因子的经济价值(元⋅hm-2), 1/7是指在没有人力投入的自然生态系统提供的经济价值是现有单位面积农田提供的粮食生产服务经济价值的1/7,p表示研究区当年粮食平均价格(元⋅kg-1),q表示研究区当年各类型分区内的粮食单产(kg⋅hm-2)。

本研究借鉴上述研究方法, 计算归纳得出研究区各类生态用地生态系统服务价值当量因子。

2.3.2 生态服务价值单价的计算

根据谢高地等[11]2015年修订的“中国生态系统服务价值当量因子表”和运用以上方法计算得出的各生态要素类型区的单位面积农田生态系统粮食生产的服务价值, 可得到研究区各类型区每种生态用地的单位面积生态服务功能经济价值量, 其计算公式为:

式中:Eij为j种生态系统i种生态服务功能的单价(元⋅hm-2⋅a-1),eij为j种生态系统i种生态服务功能相对于农田生态系统提供生态服务单价的当量因子,i为生态服务功能类型,j为生态系统类型。

表1 坝上地区生态用地统一分类体系Table 1 Unified classification system of ecological land in Bashang area

2.3.3 生态服务总价值的计算

根据各种生态系统的生态功能的单价和各分区内每种生态用地面积, 可计算得出坝上地区各生态要素类型分区生态用地的生态服务总价值[24-26], 其公式为:

式中: ESV为研究区各类型分区生态用地的生态服务总价值(元⋅a-1),Aj为类型区各生态用地的分布面积(hm2),Eij为j种生态系统i种生态服务功能的单价(元⋅hm-2⋅a-1)。

3 结果与分析

3.1 土地生态要素类型区的分布特征

结合表2和图1分析得出, 研究区内粮食单产的大体趋势是自中部向两翼方向逐渐递增: 粮食高产区位于东南部的褐土侵蚀剥蚀低山类型区和褐土侵蚀剥蚀中山类型区, 产量高达5 000 kg⋅hm-2以上, 其原因是两类型区均属褐土类型的土壤, 适合种植多种旱作物, 土层深厚, 耕性良好, 立地条件优越, 排水良好, 地下水埋藏深, 土壤养分高; 中产区主要位于西南方位尚义县的栗褐土侵蚀剥蚀中山类型区和东部承德地区的棕壤侵蚀剥蚀中山类型区, 这两类类型区均为中山区, 相对湿度较大, 但气温偏低, 而棕壤土壤类型区保水能力强但透水性差, 潮土土壤类型区则土层深厚土壤养分低,故而一般为中产区; 低产区则主要位于西南的张北县栗钙土玄武岩台地类型区和尚义县粗骨土侵蚀剥蚀中山类型区, 产量不足2 500 kg⋅hm-2, 造成这种现象的原因是其地貌类型为玄武岩台地, 是中玄武岩喷溢而形成的台地, 上覆黄砂土, 大部分砂层偏厚十分贫瘠, 少数垦为农地, 故而生产能力差, 或因其土壤类型为粗骨土, 土层薄, 砾石含量多, 坡度大, 土壤侵蚀严重, 土壤养分贫乏, 保水保肥性能差。

表2 坝上各土地生态要素类型区的特征及粮食单产情况Table 2 Characteristics and grain yield per unit area of each region of land ecological elements in Bashang area

表2续

3.2 土地生态要素类型区的生态用地现状分析

依据上述研究方法进行土壤-地貌类型分区(表3)。河北省坝上地区中棕壤侵蚀剥蚀中山类型区的土地总面积最大, 高达 739 877.07 hm2, 约为总面积的23.31%; 其次是栗钙土洪积冲积高原类型区和栗钙土湖积高原类型区, 面积分别为 453 220.04 hm2和409 546.68 hm2, 三者面积之和超过坝上地区总面积的50%。而盐土湖积高原类型区和风沙土冲积风积高原类型区的面积极小, 仅为2 593.66 hm2和2 693.71 hm2,所占面积比例均不足总面积的 0.10%。坝上生态用地类型主要以草地和林地为主, 两者面积之和占研究区总面积的73.95%。沼泽土侵蚀剥蚀中山类型区、沼泽土冲积风积高原类型区、灰色森林土侵蚀剥蚀中山类型区以及灰色森林土冲积风积高原类型区的生态用地面积占其类型区总面积的比例高达 95%以上, 可以说明沼泽土和灰色森林土土壤类型易开发利用为生态用地, 起到防风固沙、净化空气等良好的生态作用。相对而言, 盐土湖积高原类型区的生态用地所占比例最小, 仅占 39.74%, 因其表土含盐量高, 土壤养分含量低, 致使地面植被生长稀疏, 部分盐土可生长稀疏草甸或湿生植被, 但因其为高原, 地势陡峭, 日照时间长, 几乎无农牧利用价值。

表3 2015年坝上各土地生态要素类型区的生态用地面积统计表Table 3 Statistics of ecological land areas of each region of land ecological elements in Bashang area in 2015

表3续

3.3 土地生态要素类型区的生态服务价值分析

结合表4和图3分析可知, 2015年坝上生态服务总价值高达 609.20亿元, 其中林地提供的生态服务价值最高, 有473.58亿元, 其次是草地提供了100.76亿元, 两者之和将近当年总价值的95%, 相对应其面积占比也相当高。位于坝上地区东部的棕壤侵蚀剥蚀中山类型区是所有类型区中生态服务价值最高的,主要是因为其分区内林地面积大, 提供了非常高的生态服务价值。林地的生态系统服务功能主要为气候调节、水文调节、土壤保持等, 功能较广泛, 因此应当继续采取封山育林政策, 加强生态保护林建设, 保持林地所能提供的生态系统服务功能价值。盐土湖积高原类型区所提供的生态服务价值最小, 仅有 1 023.35万元, 而且基本为草地所提供。草地提供的生态系统服务功能主要为气候调节、水文调节和土壤保持等,坝上草原有“京北第一草原”的美称, 是中国北方的旅游胜地, 带动着这一带的经济发展, 所以草地的保护压力巨大, 应进一步加强科学种草、合理禁牧等措施,使其得到有效利用和保护。湿地提供的最为重要的生态系统服务功能是水文调节, 2015年湿地的生态系统服务价值 34.69亿元, 由于面积的有限性, 导致其所能提供的生态服务价值不是很高, 而坝上地区是京津冀最重要的水源涵养地, 直接决定了京津地区的用水安全和生态平衡问题, 所以应制定更加完善的湿地保护制度, 同时要根据湿地的不同退化程度, 采取相应的生态修复措施, 使得湿地的生态服务功能有所加强。研究区内的其他生态用地全部为盐碱地和裸地, 提供的生态功能主要为土壤保持、净化环境和水文调节, 2015年期间所提供的生态系统服务价值很小, 仅有0.18亿元。

表4 2015年坝上各土地生态要素类型区生态用地的生态系统服务价值统计表Table 4 Ecosystem service values for the ecological land of each region of land ecological elements in Bashang area in 2015

表4续

图3 2015年坝上生态用地生态服务价值分布图Fig. 3 Ecological service value distribution of ecological land in Bashang area in 2015

4 结论与讨论

4.1 结论

1)研究区内粮食单产大体趋势是自中部向两翼方向逐渐递增, 产量 2 320～6 573 kg⋅hm-2不等。土壤类型和地貌类型均影响着土地生产能力的大小, 从而影响着该地区的生态系统服务价值。位于承德东南部的褐土侵蚀剥蚀低山类型区粮食产量最高, 其原因是土壤类型为褐土, 土层深厚, 土壤养分高,且地势平坦, 排水条件优良, 立地条件优越; 位于西南的张北县栗钙土玄武岩台地类型区产量最低,其原因是地貌类型为玄武岩台地, 上覆黄砂土, 大部分砂层偏厚十分贫瘠, 少数垦为农地, 故而生产能力差。

2)河北省坝上生态用地类型主要是以草地和林地为主, 两者面积之和占研究区总面积的73.95%。坝上地区在28个土壤-地貌类型分区中棕壤侵蚀剥蚀中山类型区的土地总面积最大, 为 739 877.07 hm2, 约占总面积的 23.31%; 其次是栗钙土洪积冲积高原类型区和栗钙土湖积高原类型区, 面积分别为453 220.04 hm2和 409 546.68 hm2, 三者面积之和超过坝上地区总面积的50%。而盐土湖积高原类型区和风沙土冲积风积高原类型区的面积极小, 仅为2 593.66 hm2和 2 693.71 hm2, 所占面积比例均不足总面积的0.10%。沼泽土侵蚀剥蚀中山类型区、沼泽土冲积风积高原类型区、灰色森林土侵蚀剥蚀中山类型区以及灰色森林土冲积风积高原类型区的生态用地面积占其类型区总面积的比例高达 95%以上, 说明沼泽土和灰色森林土土壤类型易开发利用为生态用地, 起到防风固沙、净化空气等良好的生态作用。

3)2015年坝上生态服务总价值高达609.20亿元,其中林地和草地提供的生态服务价值之和将近当年总价值的 95%。位于坝上地区东部的棕壤侵蚀剥蚀中山类型区在所有类型区中生态服务价值最高, 主要是因为其分区内林地面积大, 提供了非常高的生态服务价值。盐土湖积高原类型区所提供的生态服务价值最小, 仅有 1 023.35万元, 而且基本为草地所提供。湿地提供的最为重要的生态系统服务功能是水文调节, 而坝上地区是京津冀最重要的水源涵养地, 直接决定了京津地区的用水安全和生态平衡问题, 所以应加大湿地保护力度。其他生态用地所提供的生态系统服务价值来源于研究区内的裸地和盐碱地, 其生态价值很小, 仅有0.18亿元。

4.2 讨论

本文以土壤、地形地貌生态要素为划分依据,将研究区划分为 28个类型区并计算分析其生态用地生态服务价值, 明确了坝上地区各县(市)的生态状况, 为坝上地区土地利用的合理规划以及生态用地的开发奠定基础。与前人的研究相比, 本研究最大的创新之处在于对坝上地区进行了土地生态要素类型区划分, 细化分析了各个土壤-地貌类型分区的特征概况, 将各分区内生态用地的生态系统服务价值货币化计算, 其差异可以说明除土地利用类型变化外, 土地的本质属性同样对生态服务价值有着重要影响。但是, 当前研究并未结合时间的变化进行各类型分区生态用地的生态系统服务价值时空动态全面分析, 随着研究的深入, 我们可计算过去几十年各类型区生态用地的生态系统服务价值变化间的关系, 并运用预测模型对研究区未来几十年的生态用地类型及其生态服务价值变化进行预测, 还可考虑其他生态要素(如气候条件、植被类型等)的影响, 将类型区划分进行的更加精细, 以期为维护区域生态环境质量以及政府决策和生态补偿机制提供依据。

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