人类活动对资源型城市生态系统服务价值的影响——以鄂尔多斯为例

苏 宁,丁国栋,2,杜林芳,杨 光,雷燕慧,赵媛媛,2,*

1 北京林业大学水土保持学院 水土保持国家林业局重点实验室, 北京 100083 2 北京林业大学水土保持学院 宁夏盐池毛乌素沙地生态系统国家定位观测研究站, 北京 100083 3 北京节能环保中心, 北京 101160 4 内蒙古农业大学沙漠治理学院, 呼和浩特 010018

资源型城市是指资源产业在工业产业中占有较大比重的城市[1],中国共拥有262座资源型城市。资源型城市在人类活动强烈,城镇迅速扩展的同时,随着资源的开采和资源储量的持续减少,生态环境被破坏、生态脆弱性和敏感性不断增强,因而需要开展大量生态建设以维持区域生态系统稳定性[2—3]。鄂尔多斯是典型的资源型城市,已探明煤炭储量占全国煤炭总储量的1/6[4],城镇人口比例从2000年初的38.30%增加到2018年的74.49%,同期城镇建设用地面积也在持续上升[5]。与此同时,鄂尔多斯市位于毛乌素沙地腹地,是我国荒漠化最严重的地区之一,区域生态系统脆弱,抵抗外界干预能力较差[6—7]。在城镇建设用地扩展和区域大规模生态建设等人类活动作用下,区域生态系统的可持续性一直是学者关注的热点问题。因此,探究以鄂尔多斯市为代表的资源型城市中人类活动对生态系统的影响,对于区域的可持续管理具有重要意义。

生态系统服务是指人类从生态系统中获得的惠益,是生态系统评估的重要指标[8]。人类可持续发展离不开生态系统服务,同时人类活动也在积极(例如,生态系统管理、生态恢复)或消极(例如,土地开垦、城市化与工业化)地影响着生态系统服务[9]。生态系统服务价值是量化生态系统服务的最常用指标,其是生态系统对人类价值的直接表现[8]。Costanza等[8]于1997年首次采用当量因子法将生态系统服务货币价值化,并在全球范围内对16个生物群落的17项生态系统服务的经济价值进行了评估。之后生态系统服务价值的评估方法[10—12]及应用[13—17]成为研究的热点,欧阳志云等[18]采用相同的方法,评估了中国陆地生态系统服务价值；谢高地等[19—21]不断对该方法进行修订,确定了中国陆地生态系统单位面积生态服务价值当量,并提出适合我国的评估方法。但在区域范围内进行价值评估时,学者们大多只基于粮食数据对价值当量进行简单修正,对于植被覆盖度的差异未予以考虑,这会使生态系统服务价值无法反映真实情况,影响评估的客观性。

因此,本研究以内蒙古鄂尔多斯市为研究区,采用1990—2018年土地利用/覆盖变化、归一化植被(NDVI)和社会经济统计等数据,揭示以城镇建设用地扩展和生态建设为代表的人类活动特征；提出基于植被覆盖度的生态系统服务价值当量修正方法,量化区域生态系统服务价值时空格局；进而评估城镇建设用地扩展和生态恢复双过程对生态系统服务价值的积极和消极影响,研究结果对建立生态产品价值实现机制、维持和提高区域发展可持续性及人类福祉具有重要意义。

1 研究区概况

鄂尔多斯市(图1)地处内蒙古自治区西南部(37°35′—40°51′N,106°42′—111°27′E),总面积8.67万km2。区域西北高、东南低,北部为黄河冲积平原区,东部为丘陵沟壑区,西部为波状高原区,中部为库布其沙漠,南部为毛乌素沙地。区域属温带大陆性气候,气候干旱,东部地区降水量平均在300—400mm,西部地区降水量在190—300mm,年蒸发量高达2000—3000mm,年平均气温在5.3—8.7℃,风速为2.7—3.7m/s,年大风日数约40d。该区所处位置既是半干旱向干旱过渡区、风沙高原向黄土高原过渡区,也是农牧交错区,库布其沙漠和毛乌素沙地占总面积的49%,这导致该区受风蚀影响非常严重,加之资源开采破坏地表覆盖,使得风蚀导致的土地荒漠化加剧。土地荒漠化、沙尘暴、水土流失、草场退化、资源开发等问题让该区生态系统非常脆弱。

图1 研究区Fig.1 The study area NDVI: 归一化植被Normalized difference vegetation index

鄂尔多斯市70%地表下埋藏着煤炭资源,其80%的GDP来源于煤炭开采[4],是典型的资源型城市[22]。2018年,鄂尔多斯市GDP为3763.2亿元,占内蒙古自治区GDP的五分之一；人均GDP为18.19万元,位于内蒙古自治区第一。区域进行煤炭资源开发的同时,也注重生态环境的保护。同时实施“两个双百万”、“五区”绿化、禁牧、天然林保护工程、三北防护林工程、建立生态自然恢复区等生态建设保护措施。目前,已形成了较为成熟的沙地和沙漠治理模式,荒漠化实现了由严重恶化到整体遏制的历史性转变。

2 研究方法

2.1 数据来源

本研究使用的1990、2000、2010、2018年土地利用/覆盖数据及植被NDVI数据均来源于中国科学院资源环境科学与数据中心(http://www.resdc.cn)。土地利用/覆盖数据包括6个一级类和25个二级类。为了更准确的反映草地所提供的生态系统服务价值,故在进行生态系统服务价值计算时,将草地细分为高覆盖度草地、中覆盖度草地、低覆盖度草地三类,进行价值系数的调整。统计数据包括稻谷、小麦、玉米的播种面积、单产及单位面积净利润,数据来源为《国家统计局关于粮食产量的公告》及《全国农产品成本收益资料汇编》；鄂尔多斯市粮食产量数据来自政府网站文件《鄂尔多斯市国民经济和社会发展统计公报》；行政区划数据采用国家基础地理信息中心所提供的1∶100万比例尺数据。

2.2 人类活动的量化

土地利用/覆盖变化是人类活动最直接的表达方式[23]。因此,本研究通过土地利用/覆盖变化来体现人类活动的过程。同时,结合鄂尔多斯市发展特征,重点关注城镇建设用地(包括城乡、工矿和居民用地)扩展和生态建设过程。城镇建设用地扩展主要指其他地类转为城镇建设用地的过程；生态建设过程主要包括植树造林种草、封山育林、退耕还林还草、禁牧和轮牧等,土地利用/覆盖变化上主要表现为其他地类转为草地、林地等地类,以及植被覆盖度增加的过程,本文选取土地利用动态度和转移矩阵方法来分析城镇建设用地扩展和生态建设情况。

土地利用动态度计算公式为：

(1)

式中,F为研究时段内各土地利用类型变化的动态度(%)；U2为所计算地类在研究期末的面积,U1为所计算地类在研究期初的面积。T为研究时段的时间长度(a)。

转移矩阵可以表现土地利用/覆盖类型间相互转换的情况,本文将研究区分为林地、草地、耕地、水域、城镇建设用地、未利用土地6类,并对其进行转移矩阵分析。

2.3 生态系统服务价值分析

2.3.1生态系统服务价值评估

区域生态系统服务价值计算公式为[24]：

(2)

ESVs=VCjs×Aj

(3)

式中,ESV为研究区自然生态系统所能提供的服务价值(元)；VCj为第j类土地利用类型或不同亚类草地单位面积生态服务价值系数(元/hm2)；Aj为不同土地利用/覆盖类型或不同亚类草地的面积。ESVs为单项生态系统服务价值(元),VCjs为单项生态系统服务价值系数(元/hm2)。

其中,在“中国生态系统单位面积生态服务价值当量表[21]”的基础上,对单位面积生态系统服务价值系数中草地、林地的标准当量因子系数进行修正。本文依据中国科学院的分类标准将研究区草地分为低覆盖度草地(覆盖度在5%—20%的天然草地)、中覆盖度草地(覆盖度在20%—50%的天然草地和改良草地)和高覆盖度草地(覆盖度>50%的天然草地、改良草地和割草地)；将林地分为有林地(郁闭度>30%的天然林和人工林)、灌木林(郁闭度>40%、高度在2m以下的矮林地和灌丛林地)、疏林地(郁闭度为10%—30%的林地)和其他林地(未成林造林地、迹地、苗圃及各类园地),结合中国不同亚类草地、林地类型上植被平均覆盖度与草地、林地总体平均植被覆盖度的比值,来计算修正因子。计算方法如下。

Eni=Ei×Ci

(4)

(5)

参考谢高地等“基于单位面积价值当量因子的生态系统服务价值化方法改进[20]”的处理方法进行1个标准当量因子生态系统服务价值的计算,得到当量因子D。通过修订公式计算鄂尔多斯市当量因子的值,修订公式为：

(4)

式中,φ为鄂尔多斯市修订系数,Q为1990—2018年鄂尔多斯市平均粮食单产,Qo为1990—2018年全国平均粮食单产。

计算鄂尔多斯市当量因子,计算式为：

D0=φ×D

(5)

式中,D0为鄂尔多斯市1个当量因子的生态系统服务价值量(元/hm2),φ为鄂尔多斯市修订系数,D表示1个标准当量因子的生态系统服务价值量 (元/hm2)；计算得到鄂尔多斯市一个当量因子的价值为4172.76元/hm2。

在修正的当量因子基础上,计算得到鄂尔多斯市各土地利用/覆盖类型的单位面积生态系统服务价值(表1)。基于此,我们计算了鄂尔多斯市1990—2018年生态系统服务价值的变化。

表1 鄂尔多斯市生态系统服务价值表/(元/hm2)

2.3.2生态系统服务价值的空间分布特征

3 结果与分析

3.1 1990—2018年城镇建设用地扩展和生态建设过程

鄂尔多斯市草地所占面积最大,其次是未利用土地,二者总覆盖度高于80%。草地主要分布在鄂托克旗、伊金霍洛旗和准格尔旗,未利用土地主要分布在杭锦旗、鄂托克前旗和乌审旗。1990—2018年,鄂尔多斯市城镇建设用地面积持续扩大,且扩展速度持续增加。1990—2000年、2000—2010年和2010—2018年3个时段年均扩展速度分别为0.36%、4.34%和10.27%。草地和耕地是城镇建设用地主要占用的类型(图2)。从各旗县来看,1990—2000年、2000—2010年和2010—2018年城镇建设用地面积增速最快的分别是鄂托克旗(1.34%)、伊金霍洛旗(11.81%)和东胜区(39.85%)。

图2 鄂尔多斯市1990—2018年土地利用/覆盖变化Fig.2 Land use/cover changes in Ordos City from 1990 to 2018

同期,林地面积持续增加,草地面积在2000年前后表现出一定的差异。1990—2000年,草地减少315km2,林地增加97km2。草地变化主要体现为高、中覆盖度草地转为低覆盖度草地,低覆盖度草地转为未利用土地,主要分布在鄂托克旗和乌审旗；林地增量主要由未利用土地转换而来,分布在杭锦旗和东胜区。2000—2010年,草地和林地分别增加1117km2和74km2,增加的草地以中覆盖度草地为主,主要来自于未利用土地和耕地,分布在鄂托克前旗、达拉特旗及伊金霍洛旗等旗县；增加的林地大部分来自耕地和未利用土地,主要分布在伊金霍洛旗、东胜区及达拉特旗。2010—2018年,草地和林地分别增加了1658km2、58km2,增加的草地主要来自未利用土地,在整个区域内均有分布；林地增加的面积主要来自于草地和未利用土地,主要分布在乌审旗、伊金霍洛旗、东胜区、准格尔旗及杭锦旗。

3.2 1990—2018年生态系统服务价值变化

如表2,鄂尔多斯市2018年生态系统服务价值为2421.38元,草地贡献了65%以上。1990—2018年,区域生态系统服务价值先下降后上升,整体呈上升趋势。从1990年的2312.24亿元上升至2018年的2421.38亿元,上升了109.14亿元(4.72%)。各地类生态系统服务价值在不同时期也表现出一定差异,林地服务价值持续上升,29年上升了22.21亿元(15.09%)；未利用土地服务价值先上升后下降,总体下降了3.47亿元(8.15%)；耕地服务价值持续下降了6.03亿元(4.52%)；草地服务价值先下降后上升,总体上升了66.90亿元(4.22%)。

表2 鄂尔多斯市各土地利用/覆盖类型生态系统服务价值(ESV)

从空间分布来看,区域生态系统服务价值低值区集中分布在库布齐沙漠和毛乌素沙地,此外区域相对较高(图3)。东北部达拉特旗-东胜区-伊金霍洛旗-准格尔旗一带生态系统服务价值主要集中在360—480万元/km2,西南部鄂托克旗-鄂托克前旗一带生态系统服务价值以240—360万元/km2为主。位于鄂尔多斯市西北和东南部的杭锦旗和乌审旗生态系统服务价值基本小于240万元/km2。区域生态系统服务价值具有较强的空间相关性,1990、2000、2010、2018年的MoranI指数分别为0.486、0.489、0.513和0.469(Z>2.58,P<0.01)。1990—2000年,生态系统服务价值减少较为显著的区域(冷点)主要分布在乌审旗、鄂托克前旗和杭锦旗中部(图4)；生态系统服务价值显著增加的区域(热点)主要分布在杭锦旗西北部、东胜区及周边区域。2000—2010年,生态系统服务价值减少较为显著的区域(冷点)主要分布在杭锦旗北部及乌审旗；生态系统服务价值显著增加的区域(热点)主要分布在伊金霍洛旗和杭锦旗南部。2010—2018年,生态系统服务价值减少较为显著的区域(冷点)主要分布在达拉特旗-东胜区-伊金霍洛旗一带；生态系统服务价值显著增加的区域(热点)主要分布在杭锦旗-鄂托克旗-鄂托克前旗一带。

图3 鄂尔多斯市生态系统服务价值空间分布Fig.3 The spatial distribution of ecosystem services value in Ordos City

图4 鄂尔多斯市生态系统服务价值(ESV)变化量冷热点分析Fig.4 Hotspot analysis on the change of ecosystem services (ESV) value in Ordos City

4 讨论

4.1 单位面积生态系统服务价值当量系数调整的必要性

生态系统服务价值的评估方法主要分为两类,一类是基于单位服务功能价格法,另一类是基于单位面积的价值当量法[27]。价格法所需参数较多、计算相对复杂；而价值当量法更为直观,数据需求相对较小,适用于区域及全球尺度的生态系统服务价值评估[20]。在使用价值当量法进行价值评估的研究中[28—30],主要基于粮食数据对1个标准当量因子的生态系统服务价值量进行本土化修正,并未考虑草地、林地植被覆盖度的渐变特征。为提高评估的准确性,本文在对1个标准当量因子的价值量进行本土化修正的同时,基于植被覆盖度对“中国生态系统单位面积生态服务价值当量表[21]”中草地、林地的当量系数进行本土化修正。对比结果发现(表3),系数调整会明显影响鄂尔多斯市草地和林地生态系统服务价值评估结果。系数调整后,林地服务价值在1990年、2000年、2010年和2018年较调整前分别增加了4.42亿元、3.56亿元、7.64亿元和5.74亿元；草地服务价值在同期较调整前分别减少了26.08亿元、47.91亿元、46.86亿元和32.41亿元。对林、草地进一步分析发现,29年间灌木林和其他林地价值减少,有林地和疏林地价值增加；低、高覆盖度草地价值总体减少,中覆盖度草地价值增加。本研究在一定程度上提高了生态系统服务价值评估的客观性,并为草地、林地当量系数的修正提供了参考。但系数调整基于植被覆盖度的渐变特征进行,对于耕地、水域、未利用土地等植被覆盖度渐变特征不明显或无植被覆盖的土地利用/覆盖类型不适用,具有一定的局限性。

4.2 区域人类活动对资源型城市生态系统服务的影响

鄂尔多斯市属于典型的资源型城市,自2001年撤盟改市以来,经济迅速发展,大量的企业和个人向城市集中,涌入城市的人口直接推动了城镇和基础设施的建设,加之国家西部大开发战略及2014年之后国家新型城镇规划的不断推进,鄂尔多斯市城镇建设用地面积在1990—2000年、2000—2010年、2010—2018年分别增加了28 km2、347 km2、942km2,城镇化速度不断加快,区域资源优势得到逐步释放。但与此同时,城镇建设用地的不断增加会使自然植被遭到破坏、减少生物多样性、破坏土地结构稳定性[31],并占用大量生态用地,导致土地沙化扩展速度加快[32],生态系统服务水平降低。1990—2018年,鄂尔多斯市各土地利用/覆盖类型均有被城镇建设用地占用的现象,其中草地、耕地和未利用土地是被占用的主要类型。由此导致生态系统服务价值在1990—2000年、2000—2010年、2010—2018年分别丧失了1.21亿元、34.06亿元和57.30亿元(表4)。生态系统服务的丧失会对人类福祉产生消极影响,并对区域生态安全构成直接威胁[33]。

生态恢复被认为是改善生态系统服务,应对环境退化的有效手段[34]。为改善区域生态环境,鄂尔多斯市相继实施了天然林保护工程(2001年)、“三北”防护林体系建设第四期工程(2001年)、天然草原植被恢复和建设(2001年)、日元贷款项目(2001年)、退耕还林工程(2001年)和野生动植物保护及自然保护区建设工程(2004年)等国家重点生态建设工程。相关研究表明,生态工程的实施使区域生态系统服务得到明显改善[34]。本文进一步研究发现,鄂尔多斯市2000年以来退耕还林还草(耕地转为林地、草地)、草原植被恢复(未利用地等其他地类转为草地)和造林工程(未利用地等其他地类转为林地)分别贡献了17.3亿元、77.86亿元和18.35亿元,生态系统服务增量约为113.53亿元(表5),大于同期城镇建设用地扩展带来的损失。

区域人类活动对生态系统服务的影响存在明显空间异质性,冷热点分布广泛。1990—2000年,生态系统服务价值区域显著变化的主要原因是草地与未利用土地之间的相互转化,如杭锦旗内的热点区即为未利用土地转化为草地(草原植被恢复)的区域,冷点区则是草地转化为未利用土地(草场退化)的区域。这与张彦儒等[25]对鄂尔多斯市1988—2000年景观结构分析中的结论相吻合。2000—2010年,生态系统服务价值变化显著的热点区主要为耕地转化为林地(退耕还林)、耕地转化为草地(退耕还草)和未利用土地转化为草地(草原植被恢复)的区域,冷点区主要分布在杭锦旗的库布其沙漠和东部城区,主要原因是区域草地转化为未利用土地和城镇建设用地扩展占用其他地类。2010—2018年,热点区主要为未利用土地转化为草地(草原植被恢复)的区域,冷点区则主要分布在作为市政府驻地的东胜区以及大型煤矿所在的东部区旗[35],原因是城镇建设用地扩展占用其他地类。

表3 鄂尔多斯市林、草地生态系统服务价值对比/(×108元)

表4 城镇建设用地扩展占用其他土地导致的生态系统服务价值变化

表5 生态建设过程中的生态系统服务价值变化

5 结论

本文基于土地利用/覆盖和归一化植被指数数据,分析了1990—2018年以城镇建设用地扩展和生态恢复为代表的人类活动,并在此基础上调整生态系统服务当量因子的价值系数,揭示同期区域生态系统服务价值时空格局,进而评估城镇建设用地扩展和生态恢复双过程对生态系统服务价值的积极和消极影响。研究发现1990—2018年,区域生态系统服务总价值呈总体上升趋势,但经历了先下降后上升的过程。2000年以后,鄂尔多斯市城镇建设快速发展的同时,生态恢复效果也十分显著。2000—2018年,城镇建设用地通过占用生态生产用地导致生态系统服务价值损失约91.36亿元,但同时退耕还林和林草恢复等措施使得生态系统服务价值增加了113.53亿元,生态建设的积极影响大于城镇建设用地扩展的消极影响。我们建议区域今后还应注重对中低覆盖度草地的保护和恢复,促进生态系统服务的进一步提升。