黄河源区玛多县土地利用和生态系统服务价值的演变

肖建设,乔 斌,陈国茜,史飞飞,曹晓云,祝存兄

1. 青海省气象科学研究所, 西宁 810001 2. 青海省防灾减灾重点实验室, 西宁 810001

土地利用变化被认为是全球环境变化的核心议题和关键因素之一[1- 2],直接影响着生态系统的质量和过程演变,进而驱使生态系统的结构和服务功能发生相应改变[3- 4],最终通过生态系统服务价值(ESV,Ecosystem Services Value)来反映和表征[5]。关于生态系统服务价值估算则以Constanza等[6]和谢高地等[7]提出的价值量估算模型应用最为广泛。土地是生态系统服务的核心和媒介,土地利用类型、方式的作用过程影响着区域生态环境质量的改善、生态系统服务的稳定供给乃至人类福祉的有序提升[8]。伴随着社会经济变化革新的驱动[9],土地类型和利用方式正在发生快速转变[10- 12],土地利用变化及生态系统服务功能量化评价研究受到热捧[5, 13],成为全球变化研究的时代命题。

目前,在土地利用变化及相关研究方面,土地利用变化时空格局[2, 4, 14-15]及其驱动机制[16- 18]的研究颇为详实,已成为土地利用变化研究的显学。关于土地利用变化与生态系统服务价值研究,学术界从不同角度开展了研究工作,部分学者针对土地利用类型及生态系统服务价值时空演变[19- 22]开展了富有成效的探讨；少数学者从土地利用变化对生态系统服务价值影响维度[11, 23-24]切入开展了探索性实证研究。值得注意的是,近期发表的部分研究成果很有启示意义。其中,雷金睿等[25]、徐煖银等[26]应用空间自相关理论定量分析了土地利用与生态系统服务价值的关联模式、聚集规律、空间溢出效应等空间自相关性,是土地利用与生态系统服务价值研究的一次大胆尝试；戴文远等[27]引入“三生空间”概念分析了福州新区土地利用功能转型与生态系统服务价值时空演变也很有代表性。梳理文献不难发现,目前在土地利用变化及其生态系统服务价值研究中,主要聚焦在城市化步伐快速且土地类型变化剧烈的东部发达地区,研究对象多为城市生态系统[28-29]。在西北干旱地区、青藏高原等典型生态脆弱区、国家重点生态功能区开展的相关研究鲜有报道。特别是,有地球第三级之称的青藏高原作为我国重要的战略资源储备基地和生态安全屏障[30],其核心腹地黄河源区高寒生态系统更是“世界的一方净土”,这里地理位置特殊,气候条件独特,密切关注这一区域土地利用变化与生态系统服务价值演变特征对于支撑服务“一路一带”重大倡议具有启示作用。

近年来,青海省在“生态立省”理念的指导下,加大了三江源地区的生态保育与恢复力度,2005年以来大力实施的三江源生态保护和建设工程从根本上扭转了三江源地区生态退化的僵局。玛多县位于三江源地区的黄河源区,是黄河的发源地,生态战略地位至关重要。2005年三江源生态保护和建设工程实施以来,作为典型生态环境脆弱区的玛多县土地利用类型结构发生了那些变化？其生态系统服务价值演变表现在哪些方面？这一科学问题还没有做出精准回答。因此,本研究以黄河源区玛多县为例,统计了2005—2015年玛多县土地利用类型转移矩阵、土地利用变化动态度,计量了2005—2015年玛多县生态系统服务价值演变特征,以期在区域治理过程中为科学规划管理土地资源、有序制定生态补偿政策、精准实施生态恢复与保育工程项目等提供决策依据和智库咨询。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

图1 玛多县地理位置Fig.1 Geographic location of Maduo County

玛多县地处青海省果洛藏族自治州西北部,总面积2.45万km2,是国家级重点生态功能区县。位于34°05′—35°30′ N,96°56′—99°16′ E之间,西南与四川省相邻,东与玛沁县相依,东南与达日县相接,西与曲麻莱县、称多县毗邻,北与都兰县接壤。玛多县属高原大陆性半湿润气候,年平均气温-2.1—5.3℃,年降水量247.8—484.8 mm。玛多县辖玛查理镇、花石峡镇、扎陵湖乡、黄河乡等2镇2乡,距西宁市497 km,人口约1.5万人,其中藏族人口占85%以上。玛多,藏语意为“黄河源头”,地处黄河源头,湖泊众多,素有“百湖之县”之称。作为传统的牧业县,畜牧业在玛多县占主导地位(图1)。

1.2 数据来源与处理

本研究中玛多县2005年、2010年、2015年土地利用数据以landsat- 5/TM、landsat- 8/OLI遥感影像数据为数据源。根据研究区土地资源特征和研究目标,结合野外实际考察,参照土地利用现状分类标准(GB/T 21010- 2017)[31],把研究区的土地利用/覆被类型划分为林地、高覆盖度草地、中覆盖度草地、低覆盖度草地、水域、建设用地、未利用土地等7种类型(表1)。通过建立解译标志采用人工目视解译最终生成研究区土地利用类型。为保证土地利用类型解译精度,以全国第二次土地利用调查数据(2009年)为参照,通过地物类型斑块修改和图层拼接,最终得到玛多县3期土地利用的图形数据库和相应属性数据库,经Kappa系数检验和野外实地考察验证,精度达90%以上。研究区土地利用类型数据均采用Albers等面积圆锥投影,双标准纬线为25°N和47°N,中央经线为110°E。

表1 玛多县土地利用分类系统

1.3 研究方法

1.3.1土地利用动态度模型

土地利用动态度模型是探究土地利用变化的经典范式,其表征的是研究区域内特定时间段不同土地利用类型的变化幅度和速度,反馈的是研究区土地利用变化特征,包括单一土地利用动态度和综合土地利用动态度[4, 32-33]。

单一土地利用动态度(K)反映研究区某一土地利用类型在单位时间的面积变化情况,表示某种土地利用类型的年变化率。模型表达式为：

(1)

式中,i为第i类土地利用类型；Si、Sj分别为研究期末和研究期初某一土地利用类型的面积,单位km2；T为研究时段长度,单位为年。

综合土地利用动态度(LC)反映某一研究时段研究区内所有土地资源的整体变化速度,表示研究区综合土地利用变化的年变化率。模型表达式为：

(2)

式中,dSi为研究初期第i土地利用类型面积；△dSi-j表示研究时段第i土地利用类型转为非i土地利用类型面积的绝对值,单位km2；n为土地利用类型的总数；T为研究时段长度,单位为年。

1.3.2土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵是研究土地利用类型之间转移方向和数量变化的经典方法,揭示的是土地利用类型格局的演化过程。土地利用变化可以通过土地利用转移矩阵表达,表2为土地利用类型转移矩阵的具象表达形式。其中,Ai表示第i种土地利用类型,行元素之和表示该类土地转移前面积,列元素之和表示该类土地转移后面积,i、j代表转移前后的土地类型,Sij表示由i类用地转为j类用地的土地面积[2, 9, 15, 34]。

表2 土地利用转移矩阵

本研究中,土地利用转移矩阵利用ArcGIS 10.3软件下Dissolve命令对土地利用矢量图层进行数据合并,进一步采用Intersect命令对合并后的矢量图层进行叠置分析,采用Excel数据透视表建立土地利用转移矩阵。

1.3.3生态系统服务价值估算

本研究选取基于货币量的价值量评价法,以谢高地等[7]制定的生态系统服务价值当量表为基础,参考陈春阳等[35]的研究成果,结合研究区实际情况构建玛多县单位面积生态系统服务价值当量权重因子(表3)。具体来说,林地、水域分别选用灌木、水系的生态系统服务价值当量作为基准当量值[7]；未利用土地以湿地、裸地价值当量的平均值作为基准当量；建设用地则不考虑生态系统服务价值[23]；高覆盖度草地则对应草原、草甸、灌草丛的平均值作为基准当量,中覆盖度草地、低覆盖度草地以高覆盖度草地作为标准当量,按比例权重适当逐渐缩小,且进一步修正了低覆盖度草地的基准当量[35]。生态系统服务价值计算引用Costanza等[6]的生态系统服务价值系数法,公式表达为：

ESV=∑(AkVCk)

式中,ESV为生态系统服务总价值,单位108元；Ak为第k种土地利用类型面积,单位hm2；VCk为第k种土地利用类型的生态价值系数。

单位当量的经济价值量等于当年全国平均粮食价格的1/7,本研究选取2015年单位当量的经济价值[27]作为基准数据来衡量不同土地利用类型的生态系统服务价值。

表3 玛多县单位面积生态服务价值当量权重因子

2 结果与分析

2.1 玛多县土地利用类型变化特征

2.1.1玛多县土地利用结构变化

图2 2005—2015年玛多县土地利用类型分类Fig.2 Classification of land use types in Maduo County from 2005 to 2015

玛多县总面积约为2.45万km2,土地利用包括林地、草地、水域、建设用地、未利用土地等类型。具体来看(图2和表4),玛多县地处青南高原,受自然海拔、气候因子的影响,草地是主要的土地利用类型,构成了高寒植被生态系统的主体。2005年、2010年和2015年草地面积均在1.90万 km2上下波动,占玛多县面积比例在77.39%—77.65%之间。值得注意的是,不同覆盖度草地植被的结构比例变化显著,2005—2015年高覆盖度草地增加了2259.66 km2,中覆盖度草地增加了1404.27 km2,低覆盖度草地减少了3600.01 km2。高覆盖度草地占玛多县面积比例由2005年的24.04%上升至2015年的33.25%,低覆盖度草地占玛多县面积比例由2005年的33.13%下降至2015年的18.46%；水域是研究区重要的土地利用类型,主要包括鄂陵湖、扎陵湖、冬给措纳湖以及黄河水系玛多段等,2005—2015年水域面积略有降低,占玛多县面积比例在8.21%—8.31%之间；玛多县林地主要包括灌木林和疏林地,2005年面积为97.30 km2,2010年面积减少至16.42 km2,下降了80.88 km2,2015年进一步下降至13.09 km2；未利用土地主要包括沙地、盐碱地和沼泽地,2005—2015年面积在3402.50—3432.17 km2之间,面积变化幅度不显著；2005—2015年玛多县建设用地的面积比例在0.04%—0.14%之间,2010年以后建设用地增加迅速,2010年面积为11.77 km2,2015年增加至33.29 km2,增加了21.52 km2。综上,2005—2015年玛多县土地利用结构变化显著,高覆盖度草地、建设用地面积增加明显,10年间(2005—2015年)分别增加了38.30%和3.85倍,低覆盖度草地、林地面积减少显著,10年间(2005—2015年)分别降低了44.29%和86.55%,水域、未利用土地面积变化幅度不大。

表4 2005—2015年玛多县土地利用面积统计

2.1.2玛多县土地利用变化动态度

根据玛多县土地利用遥感解译数据计算土地利用变化动态度,结果见表5所示。从单一土地利用动态度(K)来看,10年间(2005—2015年)林地、低覆盖度草地减少幅度较大,动态度分别为-8.65%、-4.43%,是高覆盖度草地、中覆盖度草地、建设用地得以扩张的来源。前期(2005—2010年)林地、低覆盖度草地减少迅速,变化幅度分别为-16.62%、-8.88%,后期(2010—2015年)建设用地急速扩张,年变化率为36.57%, 10年间(2005—2015年)水域变化动态度为-0.12%,且前期(2005—2010年)水域变化动态度高出后期(2010—2015年)水域变化动态度0.11%。整体来看,10年间(2005—2015年)综合土地利用动态度(LC)为2.73%,前期(2005—2010年)土地利用变化程度活跃,变化率为5.28%,后期(2010—2015年)土地利用类型变化较为平缓,综合指数为2.28%。

2.1.3玛多县土地利用类型转移特征

根据玛多县土地利用变化转移矩阵可知(表6),10年间(2005—2015年)土地利用类型变化主要是从林地、低覆盖度草地向高覆盖度草地、中覆盖度草地的转移。前期(2005—2010年)土地利用类型变化大致与十年间整体趋势一致,后期(2010—2015年)土地利用变化主要表现为不同覆盖度草地之间的转移。具体来说,前期(2005—2010年)转出面积表现为低覆盖度草地>中覆盖度草地大于>高覆盖度草地>未利用土地>水域>林地>建设用地。低覆盖度草地转出面积最大,为5508.49 km2。转入面积较大的有中覆盖度草地和高覆盖度草地,分别为4710.36 km2和4125.03 km2。其他土地利用类型间的转化不明显；后期(2010—2015年)土地利用转移总面积为5587.48 km2,仅是前期的转移总面积的43.16%,土地利用类型转移幅度不显著。转出面积中高覆盖度草地、中覆盖度草地、低覆盖度草地的转出相对均衡,分别为1890.13 km2、1589.55 km2和1238.35 km2。转入面积表现为高覆盖度草地>中覆盖度草地大于>低覆盖度草地>未利用土地>水域>建设用地>林地,其中建设用地转入明显,为28.42 km2。

表5 2005—2015年玛多县土地利用变化动态度/%

2.2 生态系统服务价值估算

根据表7可知,2005—2010年玛多县生态系统服务价值(ESV)呈增长趋势,ESV从2005年的911.24×108元增长到2010年940.97×108元,增长了3.26%。2010—2015年玛多县ESV略有减少,减少了2.10×108元；11种生态服务功能的ESV也表现为前期(2005—2010年)呈增长趋势,后期(2010—2015年)维持不变或略有回落。11种单项生态服务功能价值中,水文调节价值贡献率最大,其次是调节气候、生物多样性、净化环境、水资源供给,上述5种单项生态服务功能价值构成了玛多县ESV的主体。此外,食物生产、养分循环的价值贡献率较小。其中,2005年、2010年、2015年水文调节的ESV分别为503.37×108元、505.65×108元和504.13×108元, ESV贡献率在53.70%—55.24%之间。气候调节的ESV由2005年的104.14×108元增加到了2015年的110.78×108元。养分循环的ESV贡献率在0.22%—0.25%之间。10年间(2005—2015年)玛多县ESV演变由前期(2005—2010年)显著增加到后期(2010—2015年)趋于缓和,说明其土地利用内部结构和景观格局趋向优化,提供的生态系统服务趋于稳定。

从土地利用类型来看(表1和表8),2005—2015年玛多县水域面积比例在8.21%—8.31%之间,但ESV贡献最大。2005年、2010年、2015年水域ESV分别为452.19×108元、448.21×108元和446.59×108元,占生态系统服务价值比例分别是49.62%、47.63%和47.57%；未利用土地和高覆盖度草地也是ESV的主要构成部分,ESV贡献量分别为16.85%—17.26%和13.78%—18.50%。其中2005年未利用土地对ESV贡献量排序第2,2010年、2015年ESV贡献量排序第3,高覆盖度草地的ESV贡献量则从2005年的排序第3上升到2010年和2015年的排序第2；2005—2015年玛多县中覆盖度草地ESV贡献量的排序一直保持在第4,ESV则呈现增长趋势,2005年为87.23×108元,2015年增长到111.92×108元,增加了24.69×108元；低覆盖度草地ESV呈现减少趋势,从2005年的86.38×108元減少到2015年的48.12×108元,减少了44.29%。

3 讨论与结论

3.1 讨论

土地利用变化是表征生态环境演化的指示器。本研究表明草地作为玛多县高寒植被系统的典型地带性植被,是当地主体的土地利用类型和重要的生态资产。2005—2015年玛多县土地利用结构变化显著,10年间高覆盖度草地、建设用地面积增加显著,低覆盖度草地大幅度减少,表明玛多县土地利用结构逐渐优化,区域生态环境趋于改善。邵全琴等[36]研究表明2005—2013年三江源生态保护和建设一期工程的实施有效改善了三江源地区生态系统结构,与本研究结果相互印证。需要指出的是,本研究进一步发现前期(2005—2010年)土地利用变化程度活跃,后期(2010—2015年)土地利用类型变化较为平缓,表现出非匀速变化特征。根据徐剑波等[37]的研究可知2001—2009年玛多县草地退化面积下降较多,退化速度有了较大缓和,与本研究玛多县土地利用结构演化趋于优化的结果相得益彰。

表6 不同时期玛多县土地利用变化转移矩阵/km2

表7 2005—2015年玛多县生态系统服务价值变化

表8 2005—2015年玛多县不同土地利用类型生态系统服务价值及变化

通过文献资料得知[38]1977—2003年玛多县不同覆盖度草地的面积及水域面积基本维持稳定。本研究发现2005年与历史时期(1977—2003年)相比土地利用结构变化不大,其中水域面积略有回落,说明20世纪70年代以来玛多县草地退化的格局已经基本形成,2005年以后土地利用类型中不同覆盖度草地之间发生了明显的转化。2005—2015年玛多县建设用地从8.65 km2增长到33.29 km2,建设用地持续增加,但占研究区面积比例不到1%,土地利用开发强度不高,其带来的溢出效应对生态系统造成的负面效应微弱[25],与东部发达地区建设用地变化剧烈形成强烈反差。10年间(2005—2015年)玛多县土地利用类型中林地、低覆盖度草地向高覆盖度草地、中覆盖度草地的转移,说明玛多县生态保护取得了阶段性成果,生态效益有所提高,与宋昌素等[39]从生态资产视角分析青海省生态保护成效的结果一致。整体来说,玛多县作为传统牧区县,草地生态系统是主体生态系统,其生态本底脆弱,生态环境承载力压力较大[40]。同时当地牧民的生计来源主要依赖于草地资源,生计能力脆弱,致富能力严重不足[41-42],扶贫攻坚任务艰巨。牧户存在过度放牧破坏草地资源的可能,是黄河源区生态安全的潜在风险源。因此,有序整合生态保护与牧民生计的冲突,科学优化土地利用结构,才能保障黄河源区生态系统朝着良性方向演化。

从国家生态功能区划格局来看,玛多县地处青藏高原生态屏障核心腹地,维护国家生态安全和提供公共生态产品是其主要生态服务功能。因此,通过有效估算其生态系统服务价值可为制定可视化、易操作的生态补偿制度提供依据。本研究表明2005—2015年玛多县生态系统服务价值呈增长趋势,其中水文调节、气候调节、生物多样性是主要的生态服务功能,占总生态系统服务价值在70%以上。水域的生态系统价值最高,约占总服务价值的50%,进一步诠释了玛多县是黄河流域的主要产流区和水源涵养区[43],重视水域生态系统保护、提升水源涵养能力功在千秋。未利用土地的生态系统服务价值贡献量较大,原因之一是相当一部分未利用土地为沼泽地构成的湿地生态系统,水域、沼泽等湿地资源生态功能丰富、生态价值潜力大是学界公认的事实[44]。高覆盖度草地的生态系统服务价值10年间(2005—2015年)增加了48.1×108元,主要是因为不同覆盖度草地之间存在转化,即高覆盖度草地面积增加,低覆盖度草地面积减小。这折射出玛多县草地质量稳步提高、草地结构趋于优化、草地生态治理初见成效[45]。因此,今后在土地资源利用过程中,严格禁止鄂陵湖、扎陵湖等水域及沼泽化草甸等生态用地的开发,合理布局和适度利用草地资源等生产生活用地,适时建立和划定建设用地生态红线,是玛多县优化土地利用方式的科学之路。

生态系统服务价值估算具有相当大的复杂性[46-47]。一方面,必须明确评估生态系统服务价值不是给玛多县一个绝对准确的价格标签,重要的是探究土地利用演变过程中生态系统服务价值的边际变化[48]。生态系统服务价值评估结果和价值边际变化映射的土地利用格局演化同等重要。另一方面,黄河源区玛多县承担着为黄河中下游地区乃至全国提供生态产品的艰巨重任,如若其生态系统服务退化和丧失将直影响土地利用结构优化配置[49]和人类福祉。可喜的是,2005年以来,玛多县生态系统服务价值呈增加趋势,生态系统朝着有序方向演化。同时,对于当地已解决温饱问题的牧户来说,脱贫致富的诉求和追求高品质生活的愿望极为强烈,然而当地牧民生计主要依赖于高寒草地资源,放牧是牧民利用草地资源的主要方式。牧民有生产、生活等生计之需,当地政府有生态保育草地资源之责。寻求土地资源生态服务价值优化提升和牧民致富奔小康愿望之间存在着“剥离现象”,亟待解决。因此,在“顶层设计”和“基层匹配”土地资源利用本地化模式时,明确“生态优先”发展定位的主攻方向,找准经济发展与草地、湖泊、河流等生态资产保护的契合点,统筹生态、生活、生产要素,配套建立并发挥生态补贴政策的联动效能,是谋求玛多县可持续发展的根本路径。

此外,本研究针对2005年三江源生态保护和建设工程实施以来玛多县土地利用演变进行了分析,未就土地利用变化的驱动机制、气候变化响应等进行深入探讨,也将是下一步工作的重点。同时,本研究尝试厘清了2005年以来玛多县土地利用变化和生态系统服务价值演化趋势。鉴于此,适时开展基于格网方法[50]的土地利用与生态系统服务价值研究或许可以更好的揭示二者的内在关联机制。

3.2 结论

本研究基于玛多县在黄河流域乃至全国的生态地位,探讨了2005—2015年玛多县土地利用变化与生态系统服务价值演变过程,结论如下：(1)草地是玛多县的主体土地利用类型,10年间玛多县土地利用结构变化显著,高覆盖度草地、建设用地面积增加明显,分别增加了38.30%和3.85倍,低覆盖度草地、林地分别降低了44.29%和86.55%,水域、未利用土地变化幅度不大。(2)10年间(2005—2015年)林地、低覆盖度草地的单一土地利用动态度分别为-8.65%、-4.43%,高覆盖度草地、中覆盖度草地的单一土地利用动态度分别为3.83%、2.83%,土地利用类型变化表现为由林地、低覆盖度草地向高覆盖度草地、中覆盖度草地转移；前期(2005—2010年)林地、低覆盖度草地减少迅速,后期(2010—2015年)建设用地急速扩张,后期土地利用转移总面积仅是前期转移总面积的43.16%。(3)10年间玛多县生态系统服务价值(ESV)呈增长趋势,ESV从2005年的911.24×108元增长到2010年940.97×108元,增长了3.26%,2010—2015年玛多县ESV略有减少,减少了2.10×108元；11种单项生态系统服务价值中,水文调节、调节气候、生物多样性、净化环境、水资源供给是玛多县ESV贡献量的主要构成部分,其中水文调节的ESV贡献量维持在53.70%—55.24%。(4)10年间水域面积比例在8.21%—8.31%之间波动,但是ESV贡献比例一直保持在50%左右,2005年、2010年、2015年水域ESV分别为452.19×108元、448.21×108元和446.59×108元；未利用土地和高覆盖度草地ESV贡献量分别为16.85%—17.26%和13.78%—18.50%,低覆盖度草地ESV呈现减少趋势,10年间减少了44.29%。