达里诺尔湖流域土地利用变化的生态系统服务价值影响评价

周景博 薛 婕 吴 良 王 晓 夏 瑞

(1.中国人民大学环境学院，北京 100872；2.中国环境科学研究院，北京 100012；3.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101)

土地利用受自然和人为因素双重驱动，是人类-环境耦合系统演变的综合体现[1]，也是一定时期政策作用的结果。土地利用变化直接改变了生态系统的结构和功能，具有广泛的生态效应[2],[3]20,[4-5]。在区域生态系统服务功能长期实地监测不可行的情况下，土地利用类型是生态系统服务的重要代理指标[6]，可以此估算其价值变化[7],[8]1431，反映其生态效应，对静态评价区域土地利用具有现实意义[9-10]。土地利用变化具有渐变性、持续性和规律性，长期来看，土地利用类型转换体现了生态格局从一种均衡逐渐达到另一种均衡的过程，符合马尔科夫过程特征[11-15]。生态系统服务价值是评价土地利用政策的重要指标，土地调控不仅应参考既有土地利用格局的生态影响，更应关注其长期影响[16]。应用马尔科夫模型预测土地利用变化，可以动态评价土地利用的长期生态影响，为指导区域土地规划提供量化依据。

已有相关研究从内容看多聚焦于东部发达地区和城市生态系统[8]1427,[17-19]，对典型生态脆弱区的研究相对较少[20]，更缺少对半干旱地区农牧交错带的研究；从方法看或侧重于土地利用的生态系统服务价值的静态计算[21]，或侧重于土地利用的动态预测，少有结合静态和动态分析的综合评价；预测方法多采用指标体系或情景构建的方法[3]17,[22-24]，重视人为因素的调控作用，但忽视了土地利用的自然渐变和持续特征。本研究以达里诺尔湖流域为研究对象，采用1980、1990、2000、2010、2019年5期土地利用数据，计算了流域生态系统服务价值，讨论了不同时期土地利用变化的生态影响；构建了土地利用转换概率矩阵，应用马尔科夫模型预测了未来40年的土地利用特征和生态系统服务价值变化趋势，评价了不同时期流域土地利用和转换格局的中长期生态影响，为流域生态-经济-社会系统的长期协调发展提供决策参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

达里诺尔湖流域位于内蒙古自治区赤峰市西北部克什克腾旗境内，地处大兴安岭山地、蒙古高原、浑善达克沙地三大地貌结合部，属于森林草原交错带，包括森林、草原、沙地疏林和湿地等多种植被类型，流域面积4 963 km2。达里诺尔湖是流域中最大的水体，湖区面积228 km2。流域属于温带半干旱大陆性季风气候，冬季漫长寒冷降水少，夏季短促温热降水多，年降水量在300 mm左右。流域海拔高，大气透明度强，日照时数长，蒸发旺盛，年均蒸发量为1 300～1 900 mm，蒸发量远高于降水量。达里诺尔自然保护区始建于1987年，1997年升级为国家级自然保护区，主要保护对象为珍稀鸟类及其生境，是我国东部重要的鸟类繁殖地和候鸟迁徙驿站[25-27]。达里诺尔湖盐碱度较高，水质独特，主产瓦氏雅罗鱼和鲫鱼，经济价值较高。进入21世纪后，受产卵条件恶化以及病害等因素影响，渔业产量整体下降[28]。

流域经济总量较低，工业化和城市化水平不高。2000年之前，农牧业为流域主导产业，之后矿业发展壮大，2005年后旅游业日渐兴起，近年来，随着保护区生态保护政策力度加大，畜牧业、矿业和旅游业的发展都受到一定限制。

1.2 数据来源

该研究基于达里诺尔湖流域1980、1990、2000、2010、2019年共5期土地利用类型及转换数据，数据由当地自然资源局提供。

1.3 研究方法

生态系统服务价值计算选择可直接基于面积进行快速评估的当量因子法，主要依据谢高地等[29]1245修正Constanza的评估参数。达里诺尔湖流域土地利用类型多样，一级生态系统类型包括农地、林地、草地、湿地、水域、不透水面和裸地(见表1)。不同土地利用类型所提供的生态系统服务价值有差异，根据谢高地等[29]1245构建的评价体系，结合达里诺尔湖流域半农半牧、子生态系统多样化的实际情况，二级生态系统分类构成取均值，计算单位面积生态系统服务价值(以当量计，见表1)。由表1可见，水域和湿地单位面积的生态服务价值最高，其次是林地和草地，再次是农地，不透水面和裸地单位面积的生态服务价值最低。

表1 达里诺尔湖流域各土地利用类型单位面积生态系统服务价值Table 1 Ecological system service value per unit area of each landuse type of Dalinuoer Lake Basin

土地利用类型预测应用马尔科夫模型，利用状态之间的转换概率矩阵来分析状态的变化趋势和预测其未来的状态分布。马尔科夫过程是一种特殊的随机运动过程，每次状态的转换都只与其上一刻的状态有关，而与过去的状态无关，土地利用类型的转换和动态变化具有类似马尔科夫过程的特征[30]。本研究中，状态指土地利用类型分布，状态转换指从一种土地利用类型转换为另一种类型。马尔科夫模型的关键是确定状态转换概率矩阵。设共有n个土地利用类型，状态概率P(t)表示t时刻土地利用类型i的占比，则有：

(1)

式中：Sit表示t时刻土地利用类型i的面积，km2；St表示t时刻土地总面积，km2。

根据马尔科夫过程的特征，事物在时刻t的状态概率P(t)仅取决于其上一时刻的状态概率P(t-1)和转换概率Pij，即P(t)=P(t-1)×Pij，以此预测t时刻的土地利用类型。

2 结果与讨论

2.1 土地利用与生态系统服务价值变化

1980—2019年，达里诺尔湖流域土地利用类型变化的总体趋势利于生态保护。尽管有波动，但总体来看，草地和湿地占比有所上升，农地占比明显下降，裸地显著减少，林地、水域和不透水面略有缩减(见表2)。即生态系统服务价值较低的土地利用类型占比都有下降，价值较高的湿地、草地等占比则上升或只是略减。

表2 达里诺尔湖流域土地利用类型占比Table 2 Proportion of landuse type in Dalinuoer Lake Basin %

从生态系统服务价值的总体变化趋势来看(见表3)，大致可分为2个阶段：1980—2010年为增长阶段，并在2010年达到峰值；2010年之后为减少阶段，但仍基本高于2000年以前。各一级服务分类价值的峰值均出现于2010年，到2019年，供给服务价值大致降至低于2000年，调节、支持和文化服务价值大体高于2000年。从二级服务类型看，食物生产服务价值峰值出现于2000年，气候调节价值从1980年至今持续增加；其余二级服务类型的价值峰值均出现于2010年。

表3 达里诺尔湖流域单位面积生态系统服务价值Table 3 Ecosystem service value per unit area of Dalinuoer Lake Basin

2.2 土地利用与生态系统服务价值预测

土地利用变化是一个长期和持续的过程。基于1980—1990年(记为1980s)、1991—2000年(记为1990s)、2001—2010年(记为2000s)和2011—2019年(记为2010s)共4期土地利用类型转换矩阵，假设土地利用类型转换在2019—2020年仍保持2011—2019年的平均转换概率，以此推算2020年的土地利用类型和2011—2020年的转换概率，从而将4个时期的转换步长统一为10年。分别根据4个时期的转换矩阵构建马尔科夫模型，预测了未来40年的土地利用类型构成情况和单位面积生态系统服务价值(见表4)。

由表4可见，不同时期土地利用格局的长期影响具有一致性。基于2000s土地利用格局的未来单位面积生态系统服务价值最高，其次是1990s，最低的是1980s，近期(2010s)土地利用格局的长期生态效应不是最优状态。对具体土地利用类型的影响则存在差异性，如：基于1980s土地利用格局预测的长期生态效应表现为单位面积生态服务价值较高的林地占比预测值略高于其他预测值，而裸地占比预测值显著高于其他预测值；基于1990s的预测表现为农地占比显著高，单位面积生态服务价值最高的水域占比略高；基于2000s的预测表现为湿地面积占比相对较高；基于2010s的预测则表现为草地占比较高。

表4 达里诺尔湖流域土地利用类型占比和单位面积生态系统服务价值预测Table 4 Prediction of landuse type composition and ecosystem service value per unit area in Dalinuoer Lake Basin

根据不同时期土地利用类型转换数据预测未来40年达里诺尔湖流域生态系统服务价值变化趋势(见表5)。从未来10年看，按2000s的土地利用类型转换格局预测得到的总价值和各子类价值都是最高的，以最近期即2010s为基期的预测总价值甚至低于1990s为基期的预测总价值，但在支持和文化服务方面仅次于2000s为基期的预测值。从中长期(2040—2060年)来看，不同基期预测的价值静态格局基本稳定，以2000s为基期的中长期总价值、支持和文化服务价值预测值均为最高，1990s为基期的供给和调节服务价值预测值最高，1980s为基期的各项预测值均为最低。以最近期2010s为基期的各项中长期预测值均未达到最优，支持服务和文化服务价值仅次于2000s为基期的预测值，而总价值、供给服务和调节服务价值仅高于1980s为基期的预测值，大致只相当于2019年的实际水平。

表5 达里诺尔湖流域单位面积生态系统各类服务价值预测Table 5 Prediction of various service value of ecosystem per unit area in Dalinuoer Lake Basin

不同时期土地利用类型转换的生态系统服务价值变化的中长期趋势有差异。因为预测时期较长，1980s土地利用类型转换在2030—2060年的长期生态影响已经基本趋于稳定，生态系统服务价值稳定在17左右，大致相当于1990年的实际水平。1990s土地利用类型转换对应的价值持续增加，在2040年接近2010年的实际水平，之后10年超过2010年的实际水平并继续增长。2000s土地利用类型转换的中长期价值表现为先增后降，是4期预测中最优的结果。但近期的2010s土地利用类型转换所对应的价值只在2020—2030年有微小增长，之后均表现为持续下降趋势。

2.3 讨 论

对过去40年和未来40年生态系统服务价值的静态比较和动态预测表明，达里诺尔湖流域在2010年左右达到土地利用的相对最优格局，反映了土地管理政策的成效；而近十年来表现出的生态系统服务价值减少趋势，则是流域未来面临的挑战。

土地利用格局是一定时期自然生态和经济社会要素综合作用的结果。2010年达里诺尔湖生态系统服务价值的相对最优状态，集中反映了流域在土地利用类型调整、生态环境管理方面所做出的长期努力，这些努力一方面体现在对不利自然条件的适应上，另一方面体现为对日益加大的人类活动干扰的不断调控。从自然条件看，达里诺尔湖流域属于内陆湖，主要水源补给来源于自然降水和入湖河流，近45年来，气候暖干化进一步减少了自然降水和入湖水量，是水域面积萎缩的主要原因[31]。从人类活动干扰看，流域内牧业、农业、渔业、矿业、旅游业等多种自然资源依赖型产业并存，这些产业在土地利用上存在一定的冲突。牧业是当地传统产业，主要依赖于天然草地，随着20世纪90年代“草畜双承包”体制改革的实施，集体草场和牲畜已全部承包到户，虽然起到了落实产权和激励生产的作用，但客观上也造成了土地分割和破碎化，对草场的利用强度加大，草畜矛盾突出。流域农民多为外来人口，是在20世纪80年代之前的数次草原开垦行动中进来，在承载力较低的草原上，保证农业种植和养畜效率的方式只能是不断粗放性地蚕食草场。

对自然因素造成的湖面萎缩等威胁，克什克腾旗政府主要采取了以加强流域生态功能为目的的各类工程建设措施，如人工造林、封山育林、工程固沙等，保持土地利用格局在不利的自然条件下基本不变或有所改善。对人类活动的扰动，则主要采取各类政策措施促使相关行为主体减少活动范围、降低活动强度，使土地利用类型朝向更有利于提高生态服务功能的方向转换。特别是在2000年之后，克什克腾旗政府先后发布了5个禁牧令，划定了多个常年禁牧区，使达里诺尔湖流域土地利用结构调整在2000s发生了相对最大的变化，也使该时期生态系统服务价值达到最优。这些努力在近十年也仍在持续，但相较于之前的大型工程举措，对土地利用格局的影响相对较小。与此同时，自然要素的影响力在2010s却凸显了出来，一定程度上也导致近十年来的人为努力难以得到体现。湿地和水域两类单位面积生态系统服务价值最高的土地利用类型的减少不仅导致近十年流域生态系统服务总价值的下降，也意味着未来40年的价值难以达到最优水平。在未来的土地和生态管理中，达里诺尔湖流域需要直面这些威胁，在保持农地和草地面积以维持当地居民生计基本不受影响的同时，考虑通过各类人工工程或措施减少自然因素所造成的水域和湿地衰减，采取合适方式利用矿权退出以及各种原因未利用的土地，或作为经济发展用地缓解生计困难，或作为生态用地提高其生态系统服务价值，以此加大土地利用格局向更高生态系统服务价值方向转变的力度，才有可能重新回到最优状态。

3 结 语

(1) 从土地利用格局与生态系统服务价值之间的关系看，与1980年相比，2019年达里诺尔湖土地利用格局的总体变化结果有利于生态保护，主要表现为单位面积生态服务价值相对较高的土地利用类型占比均有上升或只略有缩减，而单位面积生态服务价值相对较低的土地利用类型占比有所下降。但这个总体有利的变化结果包括了1980—2010年的改善阶段和2011—2019年的下降阶段，即2010年之前生态系统服务价值持续上升，在2010年达到相对最优，目前的土地利用状态只是近40年来的次优水平。

(2) 依据土地利用类型之间的转换对未来土地利用以及生态系统服务价值的预测结果表明，短期看，未来10年，以2000s为基期的生态系统服务价值总量和各子类价值预测值均为最高，而以近期2010s为基期的预测值均非最优；中长期看，未来30年，不同基期的预测结果较为一致，表现为2000s的土地利用类型转换的中长期生态服务价值总量、支持和文化服务价值均为最高，相对较优，而以近期2010s为基期的各项中长期预测值均未达到最优。