湟水河流域景观格局变化对生态系统服务价值的影响研究*

马晓帆 张海峰,2,3,4#

(1.青海师范大学地理科学学院,青海 西宁 810001;2.青藏高原地表过程与生态保育教育部重点实验室,青海 西宁 810001;3.青海省自然地理与环境过程重点实验室,青海 西宁 810001;4.高原科学与可持续发展研究院,青海 西宁 810001)

土地利用变化会对生态系统服务产生重大影响[1],通过改变生态系统结构、分布和生态系统过程,从而影响生态系统服务的提供能力[2-3]。生态系统服务是直接或间接促进人类社会可持续发展的生态特性、功能及过程[4],包括与人类切实相关的供给服务、调节服务和文化服务,以及维持其他服务的支持服务[5-6]。已有研究表明,人类活动带来的土地利用变化导致生态系统服务供应下降60%,退化的生态系统会产生水土流失、盐渍化、荒漠化等一系列环境问题[7-8],这些环境问题反过来又会限制人类活动,对人类生命财产和安全健康造成危害。因此,土地利用结构与生态系统服务供给之间应是相互影响、相互制约的关系[9]。

人类对生态系统服务的需求偏好赋予其经济价值。COSTANZA等[10]对生态系统服务功能的经济价值进行了评估,谢高地等[11-12]向国内生态学家发放700余份问卷,提出适合中国实际情况的生态系统单位面积生态服务价值(ESV)当量,对我国ESV研究具有奠基意义。随后国内众多学者以此为基础对全国、省市、城市群和典型区域等尺度展开ESV评估研究,包括ESV对土地利用变化的响应[13-14],[15]705-709,[16]、不同土地利用类型的ESV差异[17]、典型区域土地利用变化与ESV的关系[18]、城市化驱动下土地利用变化引起的ESV变化[19-22]、土地利用变化对个别服务类型的影响[23-26]、从生态系统服务平衡的角度优化土地利用结构等[27]。SONG等[15]717-718发现1988—2008年中国每1%的土地类型变化就会导致ESV发生0.10%～0.15%的变化,YANG等[28]认为1980—2015年中国北方农牧交错带ESV下降是由耕地和建成区的扩张占用了大量草地造成的,WANG等[29]计算横断山区土地利用变化对ESV的影响,发现林地对于横断山区生态系统服务至关重要,并提出沿着海拔梯度采取不同的发展策略。

青藏高原是亚洲众多河流的发源地,高原河谷流域不仅是许多珍稀动植物的栖息地,也是人类活动的聚集地,因此河谷流域生态保护对整个青藏高原生态系统至关重要。研究青藏高原东北部的湟水河流域土地利用变化对ESV的影响,有助于了解湟水河流域生态系统变化规律,为流域生态文明建设、生态补偿机制和绿色发展提供科学的决策支持,促进生态系统安全稳定,对维护高原河谷流域生态环境和解决生态环境问题具有重要的参考价值。

1 研究区概况和数据来源

1.1 研究区概况

湟水河是黄河的一级支流,发源于青海省海晏县达坂山,于甘肃省永靖县汇入黄河,其干流的89.68%位于青海省境内。湟水河流域位于青海省东北部,地势西北高东南低,自北向南三面环山,形似一个倒置的口袋。流域包括海晏县、西宁市全境和海东市(循化县除外),流域面积占青海省总面积的2.3%[30],2020年湟水河流域耕地面积占青海省的45.89%,建成区面积占青海省的34.5%,流域内人口占青海省的62.96%,区域生产总值占青海省的62.13%。研究区概况见图1。

图1 研究区示意图Fig.1 Schematic diagram of study area

1.2 数据来源

土地利用数据来自中国科学院资源环境科学与数据中心(http://www.resdc.cn),空间分辨率30 m。农业统计数据来自相应年份的青海省、西宁市和海东市的统计年鉴,国民经济与社会发展统计公报及全国农产品成本收益资料汇编。

2 研究方法

2.1 景观指数选取

根据不同景观指数的生态意义,选取斑块数量(NP)、平均斑块面积(AREA_MN)、香农多样性指数(SHDI)、香农均匀性指数(SHEI)、蔓延度(CONTAG)、聚集度指数(AI)衡量研究区景观水平及其变化;选取斑块密度(PD)、AREA_MN、最大斑块密度(LPI)、景观形状指数(LSI)、散布与并列指数(IJI)衡量研究区各景观类型及其变化。

2.2 ESV计算

生态系统服务是人类社会从生态系统中获得直接或间接的获益,使用文献[10]的ESV评估方法,结合文献[11]与文献[12]提出的生态系统服务评估单价体系与生态系数修正方法计算。采用当量因子法,选取湟水河流域2020年主要农作物小麦、杂粮(玉米+青稞+豆类)和马铃薯的播种面积、单位产量和平均价格数据,通过式(1)计算,得到湟水河流域粮食生产的单位面积ESV为1 342.09元/hm2。以此类推,根据中国生态系统不同功能的单位面积ESV当量计算得出湟水河流域单位面积ESV(见表1),进而计算研究区ESV(考虑到建筑用地对生态系统的影响主要为负面效应,未纳入ESV计算过程)。

表1 湟水河流域生态系统单位面积ESVTable 1 ESV per unit area of Huangshui River Basin 元/hm2

图2 1980—2020年湟水河流域土地利用变化Fig.2 Land use variation of Huangshui River Basin in the period from 1980 to 2020

(1)

式中:VC为湟水河流域粮食生产的单位面积ESV,元/hm2;oi为第i种粮食作物的种植面积,hm2;pi为第i种粮食作物的产量,kg/hm2;qi为第i种粮食作物的全国平均价格,元/kg;M为3种粮食作物的种植总面积,hm2。

3 结果与分析

3.1 土地利用变化

湟水河流域土地利用类型以草地、林地和耕地为主,1980年草地覆盖面积12 736.95 km2,占54.94%,其次是耕地和林地,分别占17.14%和17.00%,未利用地、水体和建设用地相对较少,分别占6.19%、3.00%和1.74%。1980—2020年湟水河流域土地利用变化显著,未利用地减少最突出,共减少125.29 km2,平均每年减少0.22%;草地减少69.88 km2,平均每年减少0.01%;耕地减少25.95 km2,平均每年减少0.02%;由于西宁市和海东市社会经济快速发展,建设用地增长最快,共增长152.19 km2,平均每年增长0.94%;水体增长66.4 km2,平均每年增长0.24%。从空间分布来看,建设用地主要沿湟水河及其支流北川河两岸分布,耕地主要分布在建成区周边,草地分布在西北部青海湖周边与中部地区,林地则分布在海拔较高的地区(见图2)。图3展示了湟水河流域1980—2020年土地利用转移矩阵。1980—2020年间,湟水河流域的耕地面积增长主要依靠占用草地实现,共计370.92 km2的草地被开垦为耕地。建设用地的扩张主要依靠占用耕地实现,40年间共计175.99 km2的耕地转换为建设用地。草地向耕地、林地和未利用地的转变是导致草地减少的主要原因。

3.2 景观格局时空演变分析

3.2.1 景观水平分析

由表2看出:1980—2020年湟水河流域NP呈先上升后下降的趋势,而AREA_MN与之相反,呈先下降后上升的趋势;CONTAG和AI可描述景观内部不同斑块的集聚或延展程度,两个指数在研究时段内均呈现下降趋势,说明湟水河流域景观空间格局具有多种要素分散特征,破碎程度加深;SHDI和SHEI用于描述景观的多样性变化,两者在研究时段呈上升趋势,说明景观多样性有所提升。

注:每组土地利用转移共分为4个时段,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ分别代表1980—1990年、1990—2000年、2000—2010年和2010—2020年。方格颜色越深,代表该组土地利用类型之间的转换面积越大。

表2 1980—2020年湟水河流域景观指数变化Table 2 Changes in the landscape index of the Huangshui River Basin from 1980 to 2020

3.2.2 景观类型水平分析

由图4看出:1980—2020年湟水河流域各土地利用类型PD大体较为稳定。建设用地PD呈下降趋势,说明建设用地斑块破碎程度加深;建设用地IJI呈上升趋势,说明建设用地各斑块之间彼此邻近,但是建设用地扩张受限于河谷地形,持续地扩张导致斑块破碎程度增大。LPI显示草地在湟水河流域内景观优势度最大,1980—1990年草地LPI急剧下降,这个时段正值改革开放初期,城镇化发展及同期畜牧业养殖政策由限制向开放转变,使得草地受到不同程度的破坏。LSI的升高能够说明草地斑块外围形状的复杂程度加大。水体PD减小,但是AREA_MN和LPI增大,LSI减小,说明水体斑块的破碎程度在空间分布上存在显著的差异,主要由于东部湟水河斑块被分割为众多小斑块,而海晏县西部青海湖水域面积的增加导致LPI增大。水体和建设用地IJI在研究时段内呈增长趋势,说明与之邻接的其他土地利用类型的多样性有所增加。

3.3 ESV变化分析

1980—2020年湟水河流域ESV呈先减少后增加的趋势,总体稳定在435亿元左右(见表3)。1980—2010年湟水河流域ESV减少1.32亿元,该时段内水体减少强度较大,草地和未利用地分别减少59.62、48.09 km2,导致ESV持续减少。2010—2020年虽然耕地与未利用地减少强度较大,但由于青海湖面积增加,西宁市和海东市相继建设北川、湟水和驿州等湿地公园,水体增加强度回升并大幅超过减少强度,导致ESV在这一时段增加3.85亿元,弥补了2010年前土地利用变化造成的ESV损失。

表3 1980—2020年湟水河流域ESVTable 3 ESV of the Huangshui River Basin from 1980 to 2020 亿元

由表4可知,支持服务与调节服务价值在ESV中占据主要地位,其中水文调节、保持土壤、维持生物多样性和气候调节在生态系统功能结构中占主要地位。1980—2020年湟水河流域单项生态系统功能ESV增加的服务类型有水文调节、废物处理、提供美学景观和维持生物多样性,分别增长1.51亿、1.11亿、0.27亿、0.05亿元,水文调节增长最大,这与水体面积增加有很大的关系。湟水河流域作为青海省经济政治中心,1980年以来社会经济快速发展,城市建设用地以占用耕地和未利用地迅速扩张,导致保持土壤价值减少最多,食物生产价值也有所减少。

表4 1980—2020年湟水河流域单项生态系统功能ESVTable 4 Single ecosystem functions ESV in the Huangshui River Basin from 1980 to 2020 亿元

3.4 景观格局与ESV之间的关系

土地利用景观格局与ESV之间的关系不是简单的线性关系,本研究采用灰色关联度模型,分析景观格局与ESV之间关联。由表5看出,SHDI与ESV的关联度最大,AI与供给服务和部分调节服务价值有较大关联,CONTAG与部分调节服务和支持服务价值存在较大的关联度,SHDI、SHEI均与文化服务价值关联度最大。因此,景观格局的破碎度、聚散性和多样性与ESV存在一定联系,景观格局的离散程度与蔓延程度会对气体调节和气候调节价值产生较大影响,景观丰富程度会对文化服务价值产生较大的影响。

图4 1980—2020年湟水河流域不同土地利用类型景观指数变化Fig.4 Changes of landscape index by different land use types in the Huangshui River Basin from 1980 to 2020

制作耕地、林地、草地、水体、未利用地5类斑块类型水平与单项生态系统功能ESV关联。在选择的5类景观指数(AREA_MN、PD、LPI、LSI、IJI)中,水体的AREA_MN与水文调节和废物处理价值有较大关联(关联度分别为0.85、0.84),建设用地AREA_MN与ESV、水文调节价值和废物处理价值存在一定关联(关联度分别为0.76、0.79、0.79),未利用地AREA_MN与气体调节价值和保持土壤价值存在一定关联(关联度均为0.75),表明这3类斑块AREA_MN的变化会对部分调节服务价值产生一定影响。耕地PD与食物生产价值存在较大关联(关联度为0.82),建设用地PD与气体调节价值和保持土壤价值存在一定关联(关联度分别为0.81和0.80),表明耕地斑块破碎程度对供给服务价值产生影响,建设用地的破碎程度则会对部分调节和支持服务价值产生影响。水体LPI与ESV、水文调节价值和废物处理价值存在最大关联(关联度分别为0.91、0.98、0.98),表明水体景观的面积比例会对上述服务价值产生较大影响;耕地、林地LSI与水文调节价值和废物处理价值存在较大关联(关联度均为0.80左右),表明这两类斑块的形状复杂度会对上述价值产生一定影响;水体IJI与ESV、水文调节价值和废物处理价值存在较大关联(关联度分别为0.80、0.85、0.84),建设用地IJI与ESV、水文调节价值、废物处理价值和提供美学景观价值存在较大关联(关联度分别为0.85、0.87、0.87、0.82)。总体上表明,1980—2020年湟水河流域土地利用景观格局的多样性、破碎程度与布局分散性会对ESV产生较大影响,特别是对供给服务价值和调节服务价值产生较大影响。

表5 景观指数与ESV间关联度Table 5 Correlation between landscape index and ESV

4 讨 论

4.1 土地利用变化对ESV的影响

王颖慧等[31]发现伊犁河流域土地利用变化造成ESV增长0.49亿元,且土地利用变化强度与ESV存在明显的正相关关系;约日古丽卡斯木等[32]发现艾比湖流域土地利用变化导致当地的ESV减少8.59亿元,调节服务是流域生态系统主要的服务功能;李文芳等[33]发现瓮安县喀斯特山区内耕地转为林地对当地ESV增加的贡献最大;张帅等[34]发现自生态输水后塔里木河流域土地利用类型发生一定变化,导致ESV在20年间增长32亿元,说明水体的增加对ESV起到了积极作用。不同区域自然环境差异和社会经济发展模式不同,对ESV的关联程度与影响也会存在差异。湟水河流域土地利用变化影响ESV可分为两个阶段:第一个阶段为1980—2010年,湟水河流域ESV持续降低,主要原因为社会经济快速发展,建设用地不断占用耕地和未利用地进行扩张,而建设用地ESV低于被占用土地利用类型,建筑物、交通通道的快速扩张和蔓延也会加深景观格局的破碎化程度,各景观类型之间原有的能量物质交换平衡被打破,植被覆盖降低、水文循环改变且恢复时间不足,导致供给服务、调节服务和支持服务的价值均呈下降趋势;另外人口过度集聚带来的粮食需求激增,使部分草地被开垦为耕地,对水资源需求上升导致湟水河径流量不断下降[35],草地开垦为耕地、水体断流为未利用地均会使ESV降低,因此这个阶段湟水河流域ESV呈下降趋势。第二个阶段为2010—2020年,湟水河流域ESV增加,由于青海湖面积扩张[36]和部分湿地公园的建设,以及政府对流域水资源管控力度的加强,水体面积增长78.56 km2,为这一阶段中增长最快的土地利用类型,水体景观最大面积的增加,促进调节服务价值提升,使得流域ESV总值增加。因此在湟水河流域未来发展中,应注重对流域内水体的保护政策,优化土地利用结构,在城镇周边建立湿地公园,不仅能够提高绿地覆盖面积,还能避免建设用地斑块的集聚化蔓延趋势,并在合适的未利用地植树造林植草,促进各类型用地均衡发展。

4.2 景观格局与ESV的关联

景观格局通过影响生态系统循环过程改变区域ESV,大多数研究旨在分析各种景观指数与ESV之间的相关性,但是本研究选取的研究时段共5个年份,景观指数与ESV之间的相关性分析并不适合,因此参考岑晓腾[37]的研究,利用灰色关联度模型,分析景观格局与ESV之间的关联度。受地形影响,湟水河流域各类景观均集聚在河谷沿河两岸地区,对各类景观的聚散性有较强的影响,所以在今后的发展中更应注重限制建设用地斑块过度分散,防止因建设用地扩张造成的景观格局的破碎程度加深,防止沿河两岸景观类型的过度单一化,保护流域水资源,合理开发流域内旅游资源,优化土地利用结构提升湟水河流域ESV。

研究结果可以为湟水河流域生态环境保护、生态文明建设和提升ESV提供科学的参考。但本研究缺乏多维度跨尺度考虑,如湟水河流域生态系统的调节服务与支持服务的变化,对其周边地区、青海省或者更大区域生态系统功能的影响,对区域生态系统服务类型之间的权衡/协同问题,今后的研究中应加强对以上内容的深入分析。

5 结 论

以土地利用数据为基础,通过土地利用变化、景观格局、ESV计算和灰色关联度模型,分析了湟水河流域1980—2020年土地利用景观格局变化模式和过程,ESV变化及其与土地利用景观格局的关联程度,得到以下结论:

(1) 1980—2020年湟水河流域建设用地增长最快,40年间增长152.19 km2,年均增速达到0.94%,主要依靠占用耕地进行扩张;水体先减后增,年均增速为0.24%;草地年均减少0.01%,草地向耕地、林地和未利用地的转变是其减少的主要原因。

(2) 景观格局分析表明,1980—2020年间湟水河流域景观格局整体呈现破碎程度加深,斑块分布更为分散,多样性有所提升。

(3) 1980、1990、2000、2010和2020年湟水河流域ESV分别为435.01亿、434.07亿、433.96亿、433.69亿、437.54亿元,呈现先减少后增长的趋势,40年增加2.53亿元,增加0.58%,但ESV总体稳定在435亿元左右。其中2010年前由于草地、林地和水体面积的减少导致ESV减少1.32亿元,2010年后水体和林地的增加使ESV增加3.85亿元。

(4) 土地利用变化会对湟水河流域ESV产生影响。景观格局的破碎程度、聚散性和多样性与ESV存在一定联系,不同类型景观的破碎程度、多样性与集散的变化,会影响到不同的生态系统服务类型,导致ESV发生变化,水体和建设用地景观斑块的破碎化程度、优势斑块面积与分散程度与流域的调节服务和支持服务价值关联度较强。