沙坡頭國家級自然保護區土地利用格局及生態服務價值變化評估

高操 邢麗珠 張方敏

摘要：基于遙感數據和統計數據，結合土地利用變化情況，評估2000—2017年寧夏回族自治區沙坡頭國家級自然保護區生態服務價值變化情況。結果表明，2000—2017年研究區土地利用變化明顯，林地，城鄉、工礦、居民用地，水域面積分別增加9 137.30、7 958.41、795.56 hm2，其他類型土地面積呈減少趨勢，未利用土地變幅最大，達27.16%。研究區生態系統服務價值呈增加趨勢，水域和林地面積的增加起到了主導作用，林地、草地、水域的服務價值之和占比達85%～89%，其中林地和水域服務價值增幅高達203.69%、119.33%。水源涵養、土壤形成與保護、廢物處理和生物多樣性保護是沙坡頭區生態系統服務功能價值的主要來源，占生態系統服務價值的68%以上。

關鍵詞：生態系統服務價值;遙感;土地利用變化;沙坡頭國家級自然保護區

中圖分類號： P931.3;TP79? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2020）20-0276-06

生態系統服務是指生態系統通過生態結構、功能和過程為人類維持生存提供的必要的生命支持產品和服務[1-2]。在自然原因和人類活動等共同作用下，生態服務功能受土地利用類型等因素的影響不斷發生變化，生態服務價值也隨之變化[3]。隨著經濟的高速發展，人類活動對生態系統的影響在范圍和強度上迅速變大[4]，在改變土地利用結構和模式的同時，嚴重影響生態環境和自然生態系統的功能和服務[5]，環境污染和生態破壞使得生態系統調節、供應、文化等方面的服務價值持續下降[6-7]，對社會經濟發展的支撐能力逐步降低[8]，成為可持續發展的重要制約因素，因此評估生態系統服務價值動態變化對改善生態質量有一定的指導意義。

國內外眾多學者采用多種方法評估不同區域、不同生態系統的生態服務價值，結果能夠直接反映生態系統現狀及其變化[9]，這些方法被廣泛應用于土地利用優化[10-13]和生態修復[14-17]等多個方面。Costanza等闡述了生態系統服務價值和自然資本的概念和核算體系，將生態系統服務明確劃分為17類服務功能[18]，在此基礎上，Boyd等把生態系統服務價值歸入經濟核算體系[19]，生態系統服務價值研究逐漸成為學術界關注的熱點[20]。目前，生態系統服務價值評估方法主要可歸納為功能價值評估法和當量因子評估法[21]。當量因子評估法基于可量化標準，考慮生態系統的分布面積，構造生態系統的不同種類服務功能對應的價值當量[22]，所需數據少且易計算，多應用于評估區域生態系統服務價值[23]。Snyder在能源成本分析中納入生態系統服務價值，分析熱帶人工濕地的生物能源供應和廢水處理2個生態系統服務功能[24]。Xie等基于Costanza理論，結合中國的實際情況，通過能量替代法[25]和問卷調查法[26]提高生態系統服務價值評估模型在中國區域的精確度，并估算了中國陸地生態系統服務價值[21]。我國眾多學者在此基礎上展開了一系列研究，熊善高等采用價值系數法結合土地利用變化，估算湖北省宜昌市生態系統服務價值[27]。魏慧等基于土地利用動態度指標和修正后的單位面積上生態服務價值當量表，分析山東省德州市生態系統服務價值時空變化趨勢[28]。Yan等基于多源數據調查20世紀50年代中期以來三江平原自然生態系統的濕地損失并定量估算生態系統服務價值對濕地損失的響應變化[29]。

本試驗以寧夏沙坡頭國家級自然保護區為研究對象，以2000、2007、2017年土地利用情況為數據源，采用當量因子評估法，研究沙坡頭區土地利用變化格局及生態系統服務價值的時空變化規律，以期為未來自然保護區生態環境和社會經濟的可持續發展提供指導意見。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

沙坡頭國家級自然保護區地處寧夏回族自治區西部騰格里沙漠的東南緣，研究區域為包含沙坡頭國家級自然保護區的長方形區域（后稱沙坡頭區），其中紅線包含區域為沙坡頭保護區（圖1）。研究區地形由南向北、由西向東分為沙漠、沖積平原、臺地、山地和盆地五大地貌單元，平均海拔在 2 000 m 左右。沙坡頭區屬溫帶大陸性氣候，是典型的溫帶干旱氣候區，具有干旱少雨、冷熱溫差大、蒸發強烈、氣象災害多等特點。研究區年降水量179.6 mm，年蒸發量達1 829.6 mm，約是降水量的102倍，年平均氣溫8.8 ℃。

1.2 數據來源

本研究基于2000、2007、2017年陸地衛星（Landsat）TM/ETM+的遙感影像數據（http：//glovis.usgs.gov），結合已有研究區的土地利用現狀特點，按照全國土地資源分類系統，采用監督分類法將研究區分為耕地，草地，林地，水域，城鄉、工礦、居民用地和未利用土地6類土地利用類型。本研究用于計算生態系統服務價值的數據為中分辨率成像光譜儀MODIS（moderate-resolution imaging spectroradiometer）2000—2017年的植被凈初級生產力（NPP）和歸一化植被指數（NDVI）數據（https：//modis.gsfc.nasa.gov），DEM高程數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心（http：//www.resdc.cn），其他數據來源于統計年鑒、生態資產價值相關文獻等。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用變化 土地利用/覆蓋變化（LUCC）是人類活動對地球生態系統影響的最直接反映形式[3，30]，土地利用變化數量指數同時涵蓋了土地利用的變化幅度和變化率，可用以衡量區域土地利用變化，計算公式如下：

式中：P為研究時段土地利用變化幅度;K為研究時段土地利用變化率;Sa、Sb分別為某一類型土地在研究時段初期及末期的面積;T為研究時段長度。

1.3.2 生態系統服務價值評估 謝高地等在Costanza等研究[1]的基礎上，結合中國實際，依據問卷調查結果將生態系統服務功能分為9項，提出以單位面積價值當量因子為基礎，來估算不同生態系統的生態服務價值量[26，31-32]。將全國1 hm2耕地上的平均產量作為食物生產生態功能的衡量指標并將其權重定義為1，在此前的土地利用分類基礎上，通過層次分析法對評價指標分類進行統計分析，計算得到其他土地類型的某一生態系統服務功能與耕地生態系統食物生產生態功能的權重比[33-34]。

單位面積農田系統提供的生產服務經濟價值的計算公式如下[17]：

式中：ESV表示生態系統服務價值，元/年;ESVf表示研究區第f類生態服務功能價值，元/年;ESVk表示第k類生態系統服務價值，元/年;Ak為第k類土地利用類型面積，hm2;VCkf表示第f類生態系統的第k類服務功能的價值，元/（hm2·年）[35]。

城鄉、工礦、居民用地作為人工生態系統，人類活動強度大，在一定程度上表現為消耗生態服務功能價值，因此，本研究不考慮其生態服務功能價值。

2 結果與分析

2.1 土地利用動態變化分析

2000、2007、2017年草地和未利用土地為沙坡頭區的主要土地利用類型，草地占研究區比例分別為2986%、28.30%、28.93%，主要分布于研究區的西北部和南部，是沙坡頭區最重要的生態系統類型;林地主要分布于自然保護區東北部的水域附近，其面積占比呈迅速增加趨勢;城鄉、工礦、居民用地與耕地間錯分布于東部地區，后期在中部地區城鄉、工礦、居民用地明顯增加（圖1和圖2）。在2000—2017年沙坡頭區土地利用發生了明顯的變化，其中2000—2007年耕地、未利用土地明顯減小，而林地面積明顯增大;2007—2017年未利用土地面積急劇減小，耕地面積減小趨勢放緩，而林地和城鄉、工礦、居民用地面積迅速增大，同時水域面積也逐漸增大?？傮w上來看，2000—2017年林地，水域，城鄉、工礦、居民用地面積明顯增大，其中林地面積增加了9 137.30 hm2，增幅最大，為41407%，年變化率達到10.11%;其次為城鄉、工礦、居民用地，在17年間其面積增加了 7 958.41 hm2，增幅為22653%，年變化率達到721%;水域面積增加了795.56 hm2，增幅為3345%;耕地、草地、未利用土地面積呈減小趨勢，其中耕地在17年間減少了 1 324.72 hm2，減少幅度為12.92%，未利用土地面積減少了15 220.10 hm2，減少幅度為27.16%，但其面積所占研究區總面積的比例依然最大;草地面積減幅為3.12%，在該生態系統中其面積排第2位（表1）。

2.2 生態系統服務價值變化

2.2.1 各項生態服務功能的價值變化 結合土地利用數據（圖2、表1）可知，2000—2017年沙坡頭區各項生態服務功能價值均呈上升趨勢（圖3、表2），其中氣體調節、廢物處理、氣候調節、水源涵養、土壤形成與保護、生物多樣性保護的生態服務功能價值之和占總價值的88.1%～89.1%，是總價值的主要來源;而食物生產、原材料生產、娛樂文化的生態服務功能價值之和僅占總價值的10.9%～11.9%。對各單項生態服務功能所產生的價值占總價值的比例在17年間的變化進行分析，結果發現，氣體調節、氣候調節、水源涵養、原材料生產、娛樂文化的生態服務功能價值占生態系統服務功能總價值的比例有所上升，主要是由于林地、草地以及水域的氣候調節、水源涵養、原材料生產、娛樂文化的生態服務價值當量因子大，研究期間雖草地面積略減小，但林地、水域面積增幅大，使得相應的生態服務功能價值呈增加趨勢;而土壤形成與保護、廢物處理、生物多樣性保護、食物生產的生態服務功能價值占生態系統服務功能總價值的比例呈下降趨勢，這主要是由耕地和未利用土地急劇減少且相應的生態價值當量因子較低所造成的。

2.2.2 各類生態系統的價值變化評估 沙坡頭區2000—2017年各類生態系統的價值總體呈上升趨勢（圖4、表3），林地、草地和水域的生態服務價值是總價值的主要組成部分。其中，林地生態服務價值增長幅度最大，所占總價值的比例從2000年的第2位上升到2017年的第1位，增加了2.58億元，增幅為203.69%，年變化率達到6.75%;增幅排在第2位的為水域，由2000年的1.03億元增加到2017年的2.26億元，增幅為119.33%，年變化率達到473%;未利用土地所產生的生態服務價值最低，2000—2017年期間略有增加，由0.17億元增加到0.27億元。

總體來說，沙坡頭區2000—2017年生態服務價值變化呈上升趨勢，在2000年研究區生態系統服務價值為4.68億元，2017年研究區生態系統服務價值為10.76億元，17年凈增加6.08億元，增幅12987%，年變化率為5.02%。

3 結論與討論

2000—2017年研究區土地利用結構發生了明顯動態變化，林地和城鄉、工礦、居民用地面積呈現出逐年明顯遞增趨勢;水域面積變化較小，呈波動增大趨勢;未利用土地面積迅速減小，耕地面積也呈逐年減小的趨勢;草地面積變化波動復雜。沙坡頭區在經濟快速發展下城鎮化建設速度加快，導致城鄉、工礦、居民用地面積不斷增大，旅游產業等的大力發展和提倡生態保護的政策支持，促使林地面積不斷增大;在水利工程及林地生態系統防沙固沙的作用下，水域面積也有所增大。土地利用結構的明顯變化受自然因素和人為因素的共同影響，尤其是在相關政策的支持下各項生態保護措施的實施對土地利用結構的改變起舉足輕重的作用。

2000—2017年研究區生態系統服務價值呈增加趨勢，土地利用結構變化包括其轉變過程對沙坡頭區的生態系統服務價值變化具有決定性作用。2000—2007年沙坡頭區生態系統服務價值增加緩慢，而2007—2017年增加迅速，主要是由2007—2017年該區域土地利用結構顯著變化、林地面積快速增加導致的。從各土地利用類型對生態系統服務總價值的貢獻率來看，林地、草地和水域是生態系統服務價值構成的主體部分，三者生態系統服務價值之和占比高于85%，不僅補償了由于耕地面積減小而帶來的生態系統服務價值損失，還能夠促使沙坡頭區域生態系統服務總價值不斷上升，從而推動沙坡頭國家級自然保護區生態系統服務價值結構和發展方向呈良性循環。從各項生態功能服務價值來看，土壤形成與保護、廢物處理、水源涵養和生物多樣性保護是沙坡頭區生態系統服務價值的主要來源，四者之和占生態系統服務總價值的68%以上，沙坡頭區生態系統的服務性功能高于生產性功能。2000—2017年各項生態功能服務價值均處于持續增加的態勢，其中原材料生產、娛樂文化、氣體調節和氣候調節是各項生態功能服務價值增長速度最迅猛的、貢獻最多的，表明隨著政策和經濟發展的需要，森林生態系統帶來的供應功能和調節功能在整個區域生態服務價值增加中起重要的促進作用。沙坡頭區應考慮以森林生態系統為核心，構造生態系統服務格局，同時應明確城市規劃格局，注意在發展旅游業文化性能力與構建紙漿原料林等經濟發展項目時，維護生態系統供應性能力和生態系統調節性能力間的平衡，須要處理好發展與生態環境建設之間的矛盾。

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