郝新朝,安裕倫*,朱啟雄，伍 顯,陳啟英,安宏鋒，夏 林

(1 貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴陽(yáng) 550001；2貴州省山地資源與環(huán)境遙感應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽(yáng) 550001；3貴州省第一測(cè)繪院，貴陽(yáng)550001；4貴州省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，貴陽(yáng)550001)

覆被變化即土地利用變化，是自然因素和人為活動(dòng)共同作用的結(jié)果，是人地關(guān)系作用的直觀體現(xiàn)。林地、草地和耕地等類型的土地利用均被人們所熟知，相關(guān)研究也是數(shù)不勝數(shù)[1-2]。近些年，隨著生態(tài)文明建設(shè)的發(fā)展，有“地球之腎”美譽(yù)的濕地也漸漸成為人們討論研究的焦點(diǎn)。最早定義濕地的是美國(guó)魚(yú)類和野生保護(hù)局提出的“39號(hào)通報(bào)”，指被淺水和有時(shí)被暫時(shí)性或間歇性積水所覆蓋的低地。濕地包括草本沼澤、木本沼澤、蘚類沼澤、濕草甸、塘沼、淤泥沼澤以及濱河泛濫地等等，是水陸相互作用形成的獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng)，在保持生物多樣性和珍惜物種資源、蓄洪防旱、降解污染、調(diào)節(jié)氣候和控制土壤侵蝕等方面具有重要功能[3]。草海是貴州省最大的淡水天然濕地湖泊，也是典型的高原喀斯特濕地生態(tài)系統(tǒng)，更是我國(guó)一級(jí)保護(hù)鳥(niǎo)類黑頸鶴的主要越冬棲息地[4]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能是指生態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)過(guò)程所形成的及所維持的人類生存所必需的環(huán)境條件和效用[5]。生態(tài)服務(wù)功能是環(huán)境對(duì)人類的反饋和潛在回報(bào)，生態(tài)服務(wù)價(jià)值是生態(tài)服務(wù)功能的直接經(jīng)濟(jì)體現(xiàn)。土地利用變化將直接影響到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能和服務(wù)價(jià)值。

自Costanza等[6]在1997年發(fā)表文章以來(lái)，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者從不同的角度對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值展開(kāi)了探討和研究[7-13]。然而，針對(duì)喀斯特地區(qū)高原湖泊生態(tài)系統(tǒng)的研究尚不全面。前人研究大都集中在草海地區(qū)的植被[14-15]、水質(zhì)[16-17]以及土壤[18-19]，對(duì)其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的評(píng)估研究[20-21]較少，并且只是對(duì)草海單一年份的生態(tài)服務(wù)價(jià)值作了量化評(píng)估，缺乏多時(shí)空的研究和對(duì)比分析，不能體現(xiàn)其生態(tài)變化情況。本研究以草海自然保護(hù)區(qū)土地利用變化為依據(jù)，采用轉(zhuǎn)移矩陣，結(jié)合修正的生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)，對(duì)其近20年的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值以及時(shí)空演變進(jìn)行量化評(píng)估和對(duì)比分析，進(jìn)一步揭示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的時(shí)空演化特征機(jī)制。開(kāi)展草海自然保護(hù)區(qū)的覆被變化和濕地生態(tài)服務(wù)價(jià)值研究，對(duì)其生態(tài)環(huán)境和生物多樣性的保護(hù)具有一定的參考價(jià)值。

圖1 草海自然保護(hù)區(qū)區(qū)位示意Fig.1 Schematic diagram of the location of Caohai Nature Reserve

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

從20世紀(jì)50 年代開(kāi)始治理草海生態(tài)問(wèn)題，但成效甚微，1982年又重新蓄水，恢復(fù)生態(tài)，1985年，草海自然保護(hù)區(qū)成立。1992年經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)，晉升為國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)[22]。草海國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，位于貴州省西部威寧縣城西南面，地理坐標(biāo)為東經(jīng)104°09′—104°21′，北緯26°47′—26°54′，面積約100 km2；屬亞熱帶高海拔濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，夏無(wú)酷暑，全年溫度偏低，年均氣溫約為10.4℃，無(wú)霜期195 d，年均降水量約為 801.5 mm，是一個(gè)典型的高原濕地生態(tài)系統(tǒng)[21]。草海水體面積約為46.5km2，四周水系呈放射狀分布，海拔2 171.7 m，保護(hù)有黑頸鶴等鳥(niǎo)類170多種，魚(yú)類10余種。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

1990年、1995年、2010年以及2015年土地利用數(shù)據(jù)由LandsatTM影像獲得，利用ENVI和ArcGIS軟件進(jìn)行大氣校正、波段組合以及裁剪等數(shù)據(jù)預(yù)處理，以1∶10 000地形圖校正，在ArcGIS中進(jìn)行人機(jī)交互式判讀解譯，根據(jù)貴州地區(qū)實(shí)際土地利用特點(diǎn)和影像解譯標(biāo)準(zhǔn)，將土地類型分為林地(針葉林、闊葉林、疏林地、灌木林)、耕地(山區(qū)旱地、水田)、草地(灌草叢)、水體(湖泊、水庫(kù)坑塘)、濕地(草本沼澤、灘地)、建設(shè)用地(城鄉(xiāng)居民點(diǎn)建設(shè)用地、區(qū)域交通設(shè)施用地)6個(gè)一級(jí)類別以及13個(gè)二級(jí)類別。其中研究區(qū)2010年土地利用數(shù)據(jù)對(duì)比于全國(guó)生態(tài)環(huán)境十年變化(2000—2010年)遙感調(diào)查與評(píng)估貴州省專題項(xiàng)目的數(shù)據(jù)，2015年的矢量數(shù)據(jù)參考該年貴州省環(huán)境監(jiān)測(cè)項(xiàng)目數(shù)據(jù)，分類結(jié)果精度均在93%以上。由于全國(guó)生態(tài)環(huán)境十年變化(2000—2010年)遙感調(diào)查與評(píng)估貴州省專題項(xiàng)目已對(duì)貴州省地區(qū)做了調(diào)查和評(píng)估，且兩者選用方法、選取指標(biāo)和當(dāng)量因子各異，得出的價(jià)值量結(jié)果也就不盡相同，但總體趨勢(shì)還是一致的。為避免重復(fù)，本研究比較研究保護(hù)區(qū)成立初期的五年和近五年來(lái)的變化情況。

圖2 草海自然保護(hù)區(qū)各時(shí)期土地利用情況Fig.2 Land use map of Caohai Nature Reserve in each period

2 研究方法

2.1 土地覆被變化計(jì)算

為反映土地利用變化對(duì)其生態(tài)服務(wù)價(jià)值產(chǎn)生的影響，選取土地利用變化量、變化幅度和變化速率作為重要指標(biāo)進(jìn)行研究。土地利用變化計(jì)算方法如下：

土地利用變化幅度[23](Pi)：Pi=(Ub-Ua)Ua×100%

(1)

(2)

式中，Ua、Ub為研究初期和末期某一土地類型的面積，T為研究時(shí)段長(zhǎng)。

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是研究土地利用類型之間相互轉(zhuǎn)化方向和數(shù)量的主要方法。它能具體反映土地利用變化的結(jié)構(gòu)特征和各類型間的轉(zhuǎn)化方向[25]，其表達(dá)式為：

(3)

其中，Sij表示研究期內(nèi)第i類土地向第j類轉(zhuǎn)化的面積，i為初期土地類型，j為后期土地類型，n為土地類型數(shù)量。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值計(jì)算

對(duì)生態(tài)服務(wù)功能的研究和分類層出不窮，目前得到較大認(rèn)可的是聯(lián)合國(guó)千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估(簡(jiǎn)稱MA)的分類方法，MA將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能分為供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)和文化服務(wù)四類[26]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是服務(wù)功能的經(jīng)濟(jì)體現(xiàn)。根據(jù)謝高地等[27]提出的全國(guó)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量(表1)，以及周傳艷等[28]結(jié)合貴州省實(shí)際情況，得到修正后的貴州省各類生態(tài)系統(tǒng)及其生態(tài)價(jià)值服務(wù)單價(jià)，對(duì)其服務(wù)功能進(jìn)行價(jià)值量評(píng)估。

表1 我國(guó)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值量

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，物品單價(jià)在不斷的變化，單價(jià)的升高和降低都會(huì)使得計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生偏差。前人的研究大都是以同年的價(jià)值單價(jià)乘以該年的面積，但這樣計(jì)算出該年的生態(tài)服務(wù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值量，缺少多時(shí)空的研究分析，不能準(zhǔn)確反映生態(tài)質(zhì)量的變化情況。為了便于比較分析，統(tǒng)一選取2005年的生態(tài)價(jià)值服務(wù)單價(jià)(表2)。

表2 貴州省各類生態(tài)系統(tǒng)及其生態(tài)價(jià)值服務(wù)單價(jià)

根據(jù)各土地利用類型的面積和單位面積的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量，計(jì)算自然保護(hù)區(qū)生態(tài)服務(wù)總價(jià)值為：

(4)

式中：ET為每年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值(元)；Si為i類土地利用類型面積(hm2)；Cij為每年單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(元hm2)[27]。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化與分析

借助ArcGIS軟件對(duì)四期矢量數(shù)據(jù)的土地利用類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，由公式(1)、(2)得出表3結(jié)果。

從表3可以看出，(1)1990—1995年，水體面積的變化幅度最大，次之為濕地和耕地，林地和建設(shè)用地的變化最小。(2)2010—2015年，建設(shè)用地變化最為明顯，其次為林地和草地，耕地、濕地和水體變化最小。(3)1990—1995年，水體增加面積最多，耕地面積減少。1992年草海國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)成立，政府部門加大對(duì)草海保護(hù)區(qū)的保護(hù)和生態(tài)修復(fù)措施，退耕還草使得草地面積略有增加；退耕還湖、蓄水等使得草海水位上升，湖面增大，導(dǎo)致周圍耕地、灘涂濕地被水淹沒(méi)，水體增大，周圍耕地和濕地面積減少。(4)2010—2015年，草地面積急劇減少，建設(shè)用地和林地面積明顯增多。城鎮(zhèn)化建設(shè)使得城鎮(zhèn)面積增大；隨著生態(tài)文明、生態(tài)建設(shè)不斷深入人心，環(huán)境保護(hù)意識(shí)不斷提高，人們對(duì)周圍環(huán)境的破壞逐漸減少，林地面積增加，但圍湖造田現(xiàn)象仍然存在。

表3 土地利用變化幅度和變化率

把1990年、1995年和2010年、2015年分別疊加分析，統(tǒng)計(jì)得到其土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(表4、表5)。

表4 1990年和1995年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

表5 2010年和2015年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

從表4和表5得知，水體、濕地、建設(shè)用地、草地、耕地和林地之間相互轉(zhuǎn)化，各種土地利用類型之間轉(zhuǎn)換頻繁。1990—1995年，水體、草地和建設(shè)用地面積增加，耕地、林地和濕地面積減少。退耕還草使得耕地轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸?，草地面積增加，耕地面積減??；草地和林地之間相互轉(zhuǎn)化，林地面積略有減少；濕地面積減小，主要是因?yàn)樗簧撸w面積增大。2010—2015年，草地減少，耕地面積增大，主要由部分圍湖現(xiàn)象和開(kāi)墾草地造成；建設(shè)用地面積增大；林地面積增大主要來(lái)自于草地轉(zhuǎn)化；水體和濕地面積基本不變。

3.2 生態(tài)服務(wù)價(jià)值動(dòng)態(tài)估量

將各個(gè)時(shí)期的土地利用類型面積，結(jié)合表2中各類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能單價(jià)和公式(4)，運(yùn)算可得出四期的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(表6)。

表6 各類型土地利用面積和生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值

保護(hù)區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總量由1990年的16 696.57萬(wàn)元(人民幣，下同)增加至2015年的20 766.52萬(wàn)元，總體呈不斷增大的趨勢(shì)。1990—1995年，保護(hù)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值增加較快，增長(zhǎng)率為10%，年均增長(zhǎng)率為2%；2010—2015年增長(zhǎng)率較小，增長(zhǎng)率為0.2%，年均增長(zhǎng)率為0.04%。

建設(shè)用地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值占比最小，幾乎為零，但增長(zhǎng)速度快，尤其在2010—2015年比1990—1995年增加更快，得益于近幾年的城鎮(zhèn)化發(fā)展；耕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在1990—1995年減少明顯，由2 033.27萬(wàn)元減少至1 661.35萬(wàn)元，在2010—2015年基本不變；林地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值先減小后增大，變化不明顯；而草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值是先增大后減小，且2010—2015年的減少量大于1990—1995年的增加量；耕地減少和草地增多均是因?yàn)楸Ｗo(hù)區(qū)剛成立時(shí)退耕還林還草，而草地和林地減少是由于城市發(fā)展建設(shè)，并且草地、林地和耕地之間相互轉(zhuǎn)換，其占比也是略有增減；水體和濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量占比最大，并且四期均在65%以上(圖4)。水體和濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量先從1990年的11 519.71萬(wàn)元增加至1995年的13 652.55萬(wàn)元，再由2010年的16 958.89萬(wàn)元增加到2015年的16 962.48萬(wàn)元，在1990—1995年增加較快，2010—2015年增加較慢，基本保持不變。

圖4 草海各類土地利用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值占比Fig.4 The proportion of land use ecosystem services in Caohai

4 結(jié)論與討論

從服務(wù)價(jià)值總量來(lái)看，1990年、1995年、2010年和2015年草海保護(hù)區(qū)的生態(tài)服務(wù)價(jià)值分別為16 696.57萬(wàn)元、18 391.57萬(wàn)元、20 724.93萬(wàn)元和20 766.52萬(wàn)元，呈逐漸增加的趨勢(shì)，表明草海保護(hù)區(qū)的生態(tài)環(huán)境總體上越來(lái)越好，草海自然保護(hù)區(qū)管理和保護(hù)成效較好。因此，威寧縣應(yīng)該繼續(xù)落實(shí)和發(fā)展《威寧彝族回族苗族自治縣縣城總體規(guī)劃》，加強(qiáng)與黔中地區(qū)的交流與協(xié)作，發(fā)掘草海地方多民族文化的第三產(chǎn)業(yè)，建立更加美麗的人類與自然整合共生的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)。

草海國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)在1990—1995年的生態(tài)服務(wù)價(jià)值增加量比在2010—2015年的增加量大，增加速度快。表明在保護(hù)區(qū)成立初期，人為影響較小，草海生態(tài)環(huán)境保護(hù)成效明顯，但近幾年，城鎮(zhèn)化建設(shè)較快，人類活動(dòng)加劇，使得建設(shè)用地增加，人地矛盾突出，危害保護(hù)區(qū)的生態(tài)保護(hù)和治理。但隨著“南退北拓，西優(yōu)東控”策略的提出，威寧縣城市建設(shè)逐漸向北發(fā)展，極大程度緩解了人地矛盾。

在草海各個(gè)時(shí)期的土地利用類型中，濕地和水體的生態(tài)服務(wù)價(jià)值最高，占同年生態(tài)服務(wù)價(jià)值總量的比例均在65%以上，且有逐漸升高的趨勢(shì)；耕地、草地和林地生態(tài)服務(wù)價(jià)值逐漸減少，草地占比最小。這表明中心水體和濕地作為草海保護(hù)區(qū)的重要構(gòu)成，生態(tài)服務(wù)價(jià)值由中心向四周逐漸減小，生態(tài)服務(wù)功能由中心向四周逐漸減弱。

各土地利用類型生態(tài)服務(wù)價(jià)值的變化與其面積的變化是一致的。1990—1995年，水體、建設(shè)用地和草地面積增加，耕地、林地和濕地面積減小，水體、建設(shè)用地和草地生態(tài)服務(wù)價(jià)值增加，耕地、林地和濕地生態(tài)服務(wù)價(jià)值減小；2010—2015年，草地和濕地面積減小，林地面積增大，耕地和水體面積基本不變，草地和濕地生態(tài)服務(wù)價(jià)值減小，林地生態(tài)服務(wù)價(jià)值增大，耕地和水體生態(tài)服務(wù)價(jià)值基本不變。