高鳳霞, 韓惠,*

西部半干旱區(qū)蘭州市南北兩山森林生態(tài)效益評估

高鳳霞1,2,3, 韓惠1,2,3,*

1. 蘭州交通大學測繪與地理信息學院, 蘭州 730070 2. 甘肅省地理國情監(jiān)測工程實驗室, 蘭州 730070 3. 地理國情監(jiān)測技術應用國家地方聯合工程研究中心, 蘭州 730070

城市森林對城市的生態(tài)系統(tǒng)起著至關重要的作用, 對城市森林生態(tài)效益評估有利于市民更直觀的認識到城市森林的重要性, 為城市生態(tài)保護與利用的制定提供參考。選擇蘭州市南北兩山作為研究區(qū), 基于谷歌地球引擎云平臺獲取1994、2006 和 2017 年的土地利用數據。引入資源稀缺性系數、支付意愿性系數和空間異質性系數, 采用當量因子法評估生態(tài)系統(tǒng)服務價值(ESV), 并以格網為研究單元對空間分布格局進行分析。研究結果表明, 1994、2006和2017年南北兩山的生態(tài)系統(tǒng)服務價值分別為2.80、3.33和3.36億元。就生態(tài)系統(tǒng)而言, 草地貢獻率最高, 達到65%左右, 建設用地貢獻率為負值。就生態(tài)系統(tǒng)服務類別而言, 調節(jié)服務貢獻率最高, 達到71%左右。生態(tài)系統(tǒng)服務價值的空間格局存在明顯的南山高北山低的空間分異特征。從損益矩陣看, 生態(tài)用地ESV的流入是總的ESV增加的主要原因, 水域ESV流出和建設用地ESV的流入減緩了總的ESV的增長速度。

城市森林; 生態(tài)系統(tǒng)服務價值; 半干旱區(qū); 蘭州南北兩山

0 前言

全球變化直接或間接的影響生態(tài)系統(tǒng)結構和服務功能的變化, 從而嚴重威脅到了人類的生存環(huán)境和社會經濟的可持發(fā)展[1]。因此, 生態(tài)系統(tǒng)服務成為一門迅速發(fā)展起來的交叉性前沿學科, 同時連接生態(tài)學、經濟學和社會學等研究領域[2]。生態(tài)系統(tǒng)服務(Ecosystem Services, ES)是人類從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的各種收益, 包括有形的物質產品供給與無形的服務提供兩方面[3–6]。城市森林是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分和生態(tài)城市建設的核心內容, 對緩解碳排放和地面熱效應、維持城市生態(tài)系統(tǒng)平衡、生態(tài)安全及穩(wěn)定性、生物多樣性和營造優(yōu)美人居環(huán)境具有重要意義[7]。國內外有關學者將城市周圍或附近一定范圍內以改善居民生活環(huán)境、旅游、運動和野生動物保護為主要目的, 以樹木為主體的植被及其所在的環(huán)境構成的森林系統(tǒng)稱為城市森林[8–9]。21世紀后, 城市化進程中出現了各種環(huán)境問題, 給城市生態(tài)系統(tǒng)帶來了嚴峻挑戰(zhàn), 城市森林的作用顯得愈加重要, 城市森林生態(tài)效益也成為了一個熱點研究問題。城市森林生態(tài)效益是將城市生態(tài)系統(tǒng)與人類福祉聯系起來的重要紐帶, 國內外將城市森林視為可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。評價城市森林生態(tài)效益, 有利于提高人們對城市森林的重視, 建立生態(tài)環(huán)境價值觀。

城市森林生態(tài)效益評價就是評估城市森林生態(tài)系統(tǒng)各項服務價值。千年生態(tài)系統(tǒng)評估將生態(tài)系統(tǒng)服務歸納為供給服務、調節(jié)服務、文化服務和支持服務4大類[3]。生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估方法大致分為價值量與物質量兩類[6]。其中, 價值量中基于單位面積價值當量因子的方法(當量因子法), 相對其他方法而言對數據需求少, 較為直觀易用, 適用于對不同時段的生態(tài)系統(tǒng)服務變化進行對比研究[10]。國內外眾多學者利用當量因子法從不同尺度(全球尺度[11]、國家尺度[12]、流域尺度[13]和地方尺度[14])對生態(tài)系統(tǒng)服務價值(Ecosystem Services Value, ESV)進行估算研究。Costanza等[4]1997年首次提出了當量因子法, 謝高地等進行了改進和發(fā)展, 構建了適用于中國的當量因子法[6,10]。但是當量因子法并不能完全反映真實的生態(tài)系統(tǒng)服務價值, 生態(tài)系統(tǒng)在不同區(qū)域、同一年內不同時間段的內部結構與外部形態(tài)是不斷變化的, 生態(tài)服務價值也是不斷變化[6], 不同地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務價值還受到氣候、人類活動、政治決策和經濟的影響。因此, 本文考慮蘭州市處于半干旱區(qū)的地理特征提出利用干旱指數中的相對濕潤度指數和植被凈初級生產力(Net Primary Productivity, NPP)開展空間異質性修正, 以及考慮蘭州市的土地資源和經濟發(fā)展提出資源稀缺性系數、支付意愿性系數, 從三個方面對當量因子法進行修正, 構建蘭州市南北兩山生態(tài)系統(tǒng)服務價值動態(tài)評估方法, 對蘭州市城市森林生態(tài)效益進行評價。將生態(tài)價值轉化為直觀的經濟價值, 有利于提高人們對城市森林重要性的認識, 進一步為蘭州市城市森林建設與生態(tài)保護和可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)概況

蘭州南北兩山綠化工程區(qū), 東西長60 km, 南北寬10—55 km, 位于東經103°21′04″— 104°00′38″, 北緯35°53′18″—36°33′56″。南山東起榆中縣和平鎮(zhèn)營盤水, 西至西固區(qū)新城鎮(zhèn)鹽溝, 南至七里河區(qū)阿干鎮(zhèn)現子口; 北山東起城關區(qū)青白石鄉(xiāng)張兒溝, 西至西固區(qū)達川鄉(xiāng)達家溝, 北至蘭州中川機場, 跨蘭州市轄區(qū)內的城關區(qū)、七里河區(qū)、安寧區(qū)、西固區(qū)、榆中縣、皋蘭縣和永登縣[15]。屬于大陸性干旱氣候, 溫差較大, 蒸發(fā)量大于降水量, 降雨主要集中于7—9月[14]。

蘭州南北兩山的造林歷史可以追溯到建國前, 1926年甘肅省建設廳廳長楊慕時提出在蘭州南郊進行人工造林[15]。建國后, 蘭州人民從背冰上山造林到機關、企業(yè)辦林場、個人分片承包, 到90年代末建設完成了以楊樹、榆樹、側柏等為主栽品種的14萬畝林木[16]。半個世紀以來, 蘭州市南北兩山的綠化史可以分為三個階段, 第一階段1999年以前, 重開發(fā), 輕綠化, 管護能力參差不齊[17]。因此南北兩山綠化面積少, 且成活率低; 第二階段1999年到2009年, 南北兩山的造林綠化被列入了蘭州市國民經濟發(fā)展的“十五”規(guī)劃[15], 啟動了南北兩山綠化工程, 南北兩山綠化進入提質增效的新階段, 造林面積達到58萬畝[16]; 第三階段從2009年開始, 加大管護力度, 提高南北兩山的基礎設施和生態(tài)文化體系建設, 綜合提升兩山的生態(tài)、經濟和社會效益。截至2018年, 蘭州市南北兩山綠化面積增至60萬畝, 且取得連續(xù)18年未發(fā)生較大以上森林火災的好成績[18]。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源與預處理

統(tǒng)計數據來源于《中國糧食年鑒2017》《蘭州統(tǒng)計年鑒2018》《中國統(tǒng)計年鑒2018》《中國統(tǒng)計年鑒1995》。氣象數據來源于《中國統(tǒng)計年鑒2018》《中國氣象年鑒2007》《中國氣象年鑒1995》, https:// gis.ncdc.noaa.gov/maps/ncei/sum-maries /monthly。

基于 GEE API 編程, 從谷歌地球引擎云平臺(Google Earth Engine, GEE)平臺提供的遙感衛(wèi)星影像數據中, 選擇包含蘭州南北兩山且云量小于10% 的1994、2006 (Landsat TM)和2017年(Landsat OLI)3個時段影像, 成像時間分別為當年4月、7月和11月, 以便提高農田和草地的分類精度。參考谷歌地球(Google Earth)高分辨率影像和GlobeLand30產品, 結合南北兩山土地覆被的實際情況和解譯標志, 通過人工目視解譯方法, 在研究區(qū)內隨機選取每類土地利用類型270—350個訓練樣點, 將樣本點中70% 作為訓練樣本, 30% 作為驗證樣本。在GEE API中直接調用隨機森林(Random Forests, RF)分類算法, 對研究區(qū)影像進行土地利用類型劃分。將研究區(qū)分為農田、林地、草地、灌木(園地)、水域、裸地和建設用地等7個類型(圖2), 卡帕系數分別為: 0.86, 0.89, 0.90。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用變化

用單一土地利用動態(tài)度定量地描述土地利用的變化速率[13]。

式中:表示土地利用動態(tài)度;U、U分別為某類土地利用類型變化初期和末期的面積;表示研究時長(年)。

2.2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值

(1)生態(tài)系統(tǒng)服務價值

圖1 蘭州市南北兩山地理位置圖

Figure 1 The location map of southern and northern mountains of Lanzhou City

=**(2)

式中:表示生態(tài)系統(tǒng)服務總價值;表示土地利用類型數目;表示生態(tài)系統(tǒng)服務類型數目;A表示第類土地利用類型的面積(hm2);VC表示第類土地利用類型單位面積的生態(tài)系統(tǒng)服務價值(hm-2·a);EC表示類土地利用類型第項生態(tài)系統(tǒng)服務的價值當量;表示1個標準單位生態(tài)系統(tǒng)服務的經濟價值(hm–2·a);表示修正系數。

(2)1個標準當量因子的生態(tài)系統(tǒng)服務價值量

1個標準單位生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)服務價值當量因子(標準當量)是指1 hm2全國平均產量的農田每年自然糧食產量的經濟價值[6]。選取全國和蘭州市單位面積糧食產量, 對研究區(qū)農田生態(tài)系統(tǒng)服務的價值當量進行修正, 實現價值當量表從全國到蘭州市的尺度轉換, 該系數為0.42。計算得到的標準當量因子為708.78元·hm2。

=*+*+*(3)

式中:表示1個標準當量因子的生態(tài)系統(tǒng)服務價值量(元·hm2);、和分別表示某年稻谷、小麥和玉米的播種面積占三種作物播種總面積的百分比;、和分別表示某年全國稻谷、小麥和玉米的單位面積平均凈利潤(元·hm2)。

(3)資源稀缺性系數

生態(tài)系統(tǒng)服務的單位價值雖然通過各種方法被量化, 但是還受到供給和需求同步變化的影響, 它們通過相對稀缺的影響實現[19]。由于城市擴張和后備土地資源不足, 導致人地矛盾突出, 因此用人口密度來衡量資源稀性。

(4)支付意愿性系數

生態(tài)系統(tǒng)服務價值與社會經濟發(fā)展密切相關, 支付能力是支付意愿的重要制約因素[20]。因此, 基于人均GDP、城鄉(xiāng)居民收入和恩格爾系數[14], 獲得支付意愿性系數。

(5)空間異質性系數

生態(tài)系統(tǒng)在不同區(qū)域、同一年內不同時間段的內部結構與外部形態(tài)是不斷變化的, 因此生態(tài)服務價值量也是不斷變化[6]。氣象因子在長時間尺度上對一個區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務是具有影響的, 多位學者研究發(fā)現發(fā)生干旱時, 植被NPP呈下降趨勢[21–22]。因此, 用干旱指標中的相對濕潤度指數和NPP確定空間異質性系數。采用周廣勝的植物凈初級生產力模型計算NPP, 此模型考慮了植物生理生態(tài)學特點和水熱平衡關系, 在較干旱的地區(qū)更能準確地反映自然植被的NPP[23]。計算相對濕潤度指數時, 可能蒸散量采用Thomthwaite方法計算, 這個方法以月平均溫度為主要依據, 考慮緯度因子(日照長度)[24]。

圖2 1994—2017年蘭州市南北兩山土地利用類型分布圖

Figure 2 The maps of land use types insouthern and northern mountains of Lanzhou City from 1994 to 2017

式中:表示自然植被第一性生產力(t dm·hm2·a);表示輻射干燥度;表示年降水量(mm);表示可能蒸散率(mm);表示年可能蒸散量(mm);表示年平均生物溫度(℃);、分別表示<30℃與>0℃的日均溫和月均溫。

>0℃

=6.75*10–73–7.71*10–52+1.792*10–2+0.49 (7)

式中:表示相對濕潤度指數;表示年降水量(mm);PE表示月可能蒸散量(mm);T表示平均氣溫(℃);表示年熱量指數;為常數。

蘭州市屬于典型的河谷型城市, 土地資源稀缺, 在城市化進程中逐年增加的建設用地對城市森林生態(tài)系統(tǒng)影響巨大, 建設用地的基本功能依賴于生態(tài)系統(tǒng)[25], 因此根據鄧舒洪[25]賦予建設用地生態(tài)服務價值當量。

2.2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務價值空間自相關性分析

莫蘭指數是衡量空間相關性的一個重要指標, 包括全局自相關和局部自相關[26]。

(1)全局空間自相關

(2)局部空間自相關

2.2.4 生態(tài)系統(tǒng)服務價值流向

式中: PL表示第類轉化為第類土地利用類型后的生態(tài)系統(tǒng)服務價值損益;VC、VC分別表示第類和第類土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務價值;A表示第類轉化為第類土地利用類型的面積。

2.2.5 敏感性分析方法

生態(tài)系統(tǒng)服務價值隨時間的變化對生態(tài)服務功能價值系數(將生態(tài)服務功能價值系數上下調整50%)的依賴程度[13]。

式中:ESV、ESV分別為初始和調整后的生態(tài)系統(tǒng)服務價值;VC、VC分別為初始和調整后的生態(tài)服務功能價值系數。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化

將研究區(qū)間分為兩個階段, 第一階段(1994—2006年)和第二階段(2006—2017年)。從表1中可以看出, 蘭州市南北兩山主要的土地類型為草地與農田, 其次為灌木(園地)、建設用地和裸地, 林地和水域最少。由于城市擴張和人口增加, 導致人地矛盾趨尖銳, 建設用地大面積侵占農田和草地, 導致農田面積快速減少, 第二階段比第一階段變化顯著。農田面積占比從1994年的26.72% 減少到2017年的15.99%, 動態(tài)度都為負值; 建設用地面積占比從6.01% 增加12.50%, 動態(tài)度為正值。2000 年以來完成的44萬畝造林綠化面積中, 大約有26萬畝為檸條純林, 8.8萬畝為側柏純林[17]。2003年, 南北兩山建設千畝經濟林示范基地, 共建成經濟林78.33 hm2, 涉及桃、梨、杏等21個品種[16]。因此, 灌木(園地)第一階段面積急劇增長, 動態(tài)值為15.62%, 第二階段變化減緩, 動態(tài)值為3.72%, 面積占比從3.39% 增加到13.72%; 林地第一階段面積波動不大, 動態(tài)值為0.67%, 第二階段面積波動較大, 動態(tài)值為4.67%, 面積占比從2.86% 增加到3.09%。干旱荒漠地區(qū)人工輔助植被恢復技術和高削坡生態(tài)植被修復技術的突破使得裸地向灌草地轉換。因此, 裸地面積呈減少趨勢, 動態(tài)度為負值, 占比面積從18.76% 減少到5.46%; 草地面積呈增加趨勢, 由41.59% 增加到46.90%, 動態(tài)度先正后負。水域受長時期累積的自然氣候因素及劇烈的人類活動影響, 黃河河道變窄, 河流水量減少, 之后由于水庫及城市公園水體的建設[14], 使得面積稍有增加, 從0.67% 增加到0.74%, 動態(tài)度先正后負。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值的時空變化

3.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務價值的時間分析

利用公式(1)計算得到1994—2017年三期蘭州南北兩山各類土地利用類型的ESV及其貢獻率(表2)。1994、2006和2017年南北兩山的ESV分別為2.80、3.33和3.36 億元, 總體呈逐漸上升趨勢, 共增加了557.05×105元。生態(tài)系統(tǒng)服務總價值第一階段增加了493.19×105元, 在第二階段增加了63.86×105元。第一階段草地和灌木(園地)面積的大幅度增加是生態(tài)系統(tǒng)服務總價值增加的主要原因; 第二階段建設用地面積的增多導致生態(tài)系統(tǒng)服務總價值增幅減少。從各類土地利用類型的ESV貢獻率來看, 草地生態(tài)系統(tǒng)貢獻率最高, 達到65% 左右; 林地和灌木(園地)的貢獻率逐年增加; 農田、裸地和水域的貢獻率逐年減少; 建設用地的貢獻率為負值。

從表3中看出, 四種生態(tài)系統(tǒng)服務功能的價值在研究期間貢獻率波動不大, 其中調節(jié)服務對生態(tài)系統(tǒng)服務總價值的貢獻最高, 達到71%, 依次是支持服務、文化服務和供給服務。由于建設用地大范圍擴張致使水資源供給功能的價值為負, 農田面積逐年減少致使食物生產功能的價值逐年下降, 導致供給服務價值呈下降趨勢。隨著林地和灌木(園地)的面積增加, 調節(jié)、支持和文化服務價值呈上升趨勢。氣候調節(jié)、水文調節(jié)、土壤保持、生物多樣性和美學景觀功能改善明顯。

3.2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值的空間分析

選擇格網為研究單元, 討論南北兩山ESV的空間分布。利用ArcGIS軟件中的漁網功能對研究區(qū)進行1 km × 1 km 的格網劃分, 并用自然斷點法對ESV進行分組, 將ESV從低到高劃分為5個等級(一級、二級、三級、四級、五級)。由圖3可知, 南北兩山ESV存在明顯的南山高北山低的空間分異。南山處于陽坡, 北山處于陰坡, 南山因為光熱條件更好, 更有利于喬木的生長, 南山林地和灌木面積占比較大。高值區(qū)主要為林地和灌木(園地), 低值區(qū)主要為裸地和建設用地, 由此可知ESV的空間分布與土地利用空間分布密切相關。從地理位置分析高值區(qū)主要分布在西固區(qū)和七里河區(qū), 低值區(qū)主要分布在皋蘭縣和永登縣。從1994—2017年, 低值區(qū)域呈減少趨勢, 中高值區(qū)域在逐漸增多, 由此看出南北兩山的生態(tài)系統(tǒng)服務在改善。

表1 1994—2017年蘭州市南北兩山土地利用結構變化

表2 各類土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化

表3 生態(tài)系統(tǒng)各項服務價值變化

圖3 生態(tài)系統(tǒng)服務價值空間分布格局

Figure 3 Spatial distribution pattern of ecosystem service value

利用ArcGIS軟件計算全局莫蘭指數、值和得分值(表4)。1994—2017年南北兩山生態(tài)系統(tǒng)服務價值的全局空間自相關指數Moran’s在0.70以上,的概率值趨近于0,得分是標準差的45倍, 說明南北兩山ESV表現出相鄰格網相似值之間有一定聚集特征的空間分布, 且具有空間正相關模式。

由LISA集聚圖4可以看出, 1994—2017年西固區(qū)和七里河區(qū)部分區(qū)域為高—高自相關, 表示區(qū)域及周圍區(qū)域的ESV都較高; 在靠近皋蘭縣和永登縣周圍為低—低自相關, 說明這些區(qū)域的ESV都較低。1994—2017年底—低自相關有明顯的擴散, 分布較為破碎。高—低和低—高自相關類型在研究區(qū)內分布極少, 其空間自相關分布呈顯著負相關(< 0.05), 分布較為破碎, 空間異質性明顯。

表4 生態(tài)系統(tǒng)服務價值全局空間自相關系數

3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務價值流向分析

根據公式(11)計算1994—2017年南北兩山生態(tài)系統(tǒng)服務價值流向。由表5可以看出, 農田和裸地向草地、林地和灌木(園地)的轉化是導致南北兩山ESV增加的主要原因, 其它土地利用類型向裸地和建設用地的轉換導致ESV減少。具體分析, 農田、裸地和建設用地的轉出使得ESV分別增加了356.78×105、459.77×105和345.64×105元; 林地、草地、灌木(園地)和水域的轉出使得ESV分別減少了17.04×105、439.112×105、98.44×105和51.88×105元。農田的ESV主要流向草地、灌木(園地)和建設用地; 林地和水域的ESV主要流向草地; 草地和灌木(園地)的ESV主要流向農田和建設用地; 裸地和建設用地的ESV主要流向草地。

3.4 敏感性分析

根據公式(12)計算可知, 1994、2006、2017年3個時期的生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化對生態(tài)價值系數的敏感性指數均小于1, 表明生態(tài)系統(tǒng)服務價值對生態(tài)價值系數不敏感、缺乏彈性, 研究結果可信。不同土地類型之間的敏感性指數差異較大, 其中水域的敏感系數最大, 這是因為水域單位面積服務價值系數高所導致的, 其他土地利用類型的敏感指數都介于0.02—0.5之間。

圖4 生態(tài)系統(tǒng)服務價值的LISA聚集圖

Figure 4 LISA aggregation map of ecosystem service value

表5 1994—2017年生態(tài)系統(tǒng)服務價值損益矩陣(105元)

4 討論與結論

當量因子法是在區(qū)分不同種類生態(tài)系統(tǒng)服務的基礎上, 基于可量化的標準構建不同類型生態(tài)系統(tǒng)服務的價值當量, 結合生態(tài)系統(tǒng)的分布面積進行評估[6]。因此, 當量因子法可適用于各種尺度的生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估中, 但是并不能體現出地理差異性。生態(tài)系統(tǒng)服務價值不僅受客觀因素影響, 還受到主觀因素的影響。從客觀因素考慮, 熱量和水分對一個區(qū)域的植被生態(tài)影響較大, 研究區(qū)處于半干旱區(qū), 因此用相對濕潤度指數和植被NPP建立空間異質性系數。從主觀因素考慮, 一個地區(qū)的經濟發(fā)展和資源稀缺會導致某種物品價值的變化, 生態(tài)系統(tǒng)服務價值同樣受到這兩種因素的影響, 因此引入資源稀缺性系數和支付意愿性系數。從客觀和人為主觀性兩方面修正當量因子法, 構建適用于蘭州市城市森林生態(tài)效益的評價方法。并以格網為研究單元, 采用Moran's對城市森林效益空間分布格局進行分析, 討論1994—2017 年蘭州城市森林生態(tài)效益變化。

(1)1994、2006和2017年南北兩山的ESV分別為2.80、3.33和3.36 億元, 呈現增長趨勢, 自1994年到2017年共增長了557.05×105元。

(2)從各類生態(tài)系統(tǒng)的價值貢獻率來看, 草地貢獻率最高, 達到 65%左右, 林地和灌木次之, 建設用地貢獻率為負值。四種生態(tài)系統(tǒng)服務類別的價值貢獻率而言, 其中調節(jié)服務對生態(tài)系統(tǒng)服務總價值的貢獻最高, 達到 71%, 支持服務和供給服務次之, 供給服務最少。

(3)以格網為研究對象, ESV存在明顯的南山高北山低的空間分異。全局空間自相關指數 Moran`s I 在0.70以上, 表明 ESV有一定的聚集特征, 西固區(qū)和七里河區(qū)部分區(qū)域為高—高自相關, 皋蘭縣和永登縣周圍為低—低自相關, 高—低和低—高自相關類型分布較少, 空間異質性明顯。

(4)從1994年到2017年南北兩山各類生態(tài)系統(tǒng)的 ESV 損益矩陣看, 農田主要流向草地、灌木(園地)和建設用地, 林地和水域主要流向草地, 草地和灌木(園地)主要流向農田和建設用地, 裸地和建設用地主要流向草地。農田、裸地和建設用地轉入草地, 草地轉入林地和灌木是總的 ESV 增加的主要原因, 水域的轉出和建設用地的轉入減緩了總 ESV 的增長速度。

蘭州市城市森林生態(tài)效益在長時間尺度上受到氣候、坡度、坡向、海拔、人類活動和經濟的影響, 但在短時間尺度上主導因素為人類活動和經濟, 不同時期的人類政治決策導致城市森林生態(tài)效益變化較大。從客觀因素分析, 在全球氣候變暖的背景下, 蘭州年平均氣溫以線性趨勢上升, 降雨量整體呈下降趨勢, 蘭州的氣候呈暖干化方向發(fā)展[27], 而南北兩山植被明顯處于好轉狀態(tài), 自1994年到2017年南北兩山的生態(tài)效益共增加了557.05×105元, 這主要是因為人類活動對植被恢復起到了積極的作用。從主觀因素分析, 一方面各種政策的實施(如2002年全面啟動的退耕還林和封山綠化等政策、2003年種植千畝經濟林、2007年蘭州南北兩山11項水利工程通過驗收和2008年蘭州城區(qū)高削坡生態(tài)植被修復與美化工程[27])使得南北兩山植被面積大幅度增加, 成活率提高, 生態(tài)效益快速增長。另一方面城市化快速發(fā)展, 人口增加導致建設用地面積急劇增加, 林草地轉化為建設用地和荒地, 使得生態(tài)效益增幅減緩, 因此ESV在第一階段增幅比第二階段大, 水域的轉出和建設用地的轉入減緩了總ESV的增長速度。

蘭州南北兩山屬于黃土丘陵地區(qū), 年降水量小于蒸發(fā)量, 土壤類型為灰鈣土, 植被以灌草木為主, 只在南山的山地中, 分布著小面積的天然森林。吳慶龍認為蘭州南北兩山的自然條件不適宜于森林的生長, 因而也不適宜于進行人工造林[28], 但強可持續(xù)認為自然資本是不可替代的, 強調生態(tài)系統(tǒng)服務和環(huán)境健康強調的必要性[29]。在強可持續(xù)理念的指導下, 南北兩山的生態(tài)建設取得明顯成效, 1994、2006和2017年南北兩山的生態(tài)系統(tǒng)服務價值分別為2.80、3.33和3.36億元。蘭州市南北兩山的綠化為蘭州市的生態(tài)環(huán)境和文化旅游建設奠定了基礎條件, 如阻止粉塵, 凈化空氣, 緩解減緩了蘭州市“干島效應”、減緩水土流失、發(fā)展旅游度假區(qū)、休閑娛樂區(qū)等, 南北兩山已形成集綠化、旅游、開發(fā)為一體的綜合性生態(tài)環(huán)境保護區(qū)[17]。蘭州城市森林的建設對蘭州市的生態(tài)、文化和經濟的發(fā)展具有重要意義, 對西部半干旱地區(qū)可持續(xù)發(fā)展具有參考價值。

蘭州市經濟和土地資源在全國中處于低水平, 因此從全國轉換到蘭州市尺度的價值當量值低于標準值。研究結果與中國科學院寒區(qū)與旱區(qū)環(huán)境工程研究所對南北兩山綠化工程生態(tài)成效評估[17]進行比較, 估算價值較低。從以上分析可以看出, 人類活動和政治決策對蘭州市城市森林影響巨大, 下一步研究應量化政治決策和人為主觀性, 從生態(tài)可持續(xù)性評估城市森林生態(tài)效益, 討論城市森林對市民健康和幸福度的影響, 為區(qū)域的生態(tài)保護、自然資源核算和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展等決策提供理論依據和參考。

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Assessment of urban forest ecological benefits in the western semi-arid region of southern and northern mountains of Lanzhou City

GAO Fengxia1,2,3, HAN Hui1,2,3,*

1. Faculty of Geomatics, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China 2. Gansu Provincial Engineering Laboratory for National Geographic State Monitoring, Lanzhou 730070, China 3. National—local Joint Engineering Research Center of Technologies and Applications for National Geographic State Monitoring, Lanzhou 730070, China

Urban forest plays a crucial role in urban ecosystems. The assessment of ecological benefits of urban forests is conducive to raise awareness of urban forest for citizens, and provide reference for the formulation of urban ecological protection and utilization. We selected the southern and northern mountains of Lanzhou City as research region, using land use data of the three periods (1994, 2006, 2017) of the Google Earth Engine cloud platform, introducing the scarcity of resources coefficient, willingness to pay coefficient and spatial heterogeneity coefficient, using the equivalent factor method to evaluate ecosystem service values(ESV), and analyzing the spatial distribution pattern in the way of grid as the research unit. The results showed that the ESV of the research region in 1994, 2006 and 2017 was respectively 2.80, 3.33 and 3.36 million yuan. In terms of economic value derived from ecosystem servicesofdifferent land use types, the contribution rate of grassland was the highest, up to 65%, and the contribution rate of construction land was negative. In terms of the economic value derived from different types of ecosystem services, regulation service accounted for 71%. The spatial distribution of ecosystem service values showed obvious spatial differentiation characteristics, which was shown as high value in southern mountain and low value in northern mountain.From the perspective of profit and loss matrix, the inflow of ecological land ESV mainly caused the increase of the total ESV, while the outflow of water ESV and the inflow of construction land ESV slowed down the growth rate of the total ESV.

urban forest; ecosystem service value; semi—arid region; southern and northern mountains of Lanzhou City

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.06.013

TP753; X171.1

A

1008-8873(2021)06-106-10

高鳳霞, 韓惠. 西部半干旱區(qū)蘭州市南北兩山森林生態(tài)效益評估[J]. 生態(tài)科學, 2021, 40(6): 106–115.

GAO Fengxia, HAN Hui. Assessment of urban forest ecological benefist in the western semi-arid region of southern and northern mountains of Lanzhou City[J]. Ecological Science, 2021, 40(6): 106–115.

2020-05-02;

2020-05-28基金項目:蘭州交通大學優(yōu)秀平臺(201806); 干旱氣象科學研究基金“半干旱區(qū)生態(tài)脆弱型城市森林生態(tài)效應評價研究——以蘭州市南北兩山為例”(IAM201903); 國家自然科學基金項目(41761082)

高鳳霞(1995— ), 女, 甘肅平涼, 在讀碩士研究生, 主要研究方向為生態(tài)遙感, E-mail:gfx2014@yeah.net

通信作者:韓惠, 女, 副教授, 從事遙感和GIS在全球變化中的應用研究, E-mail:hanhui@mail.lzjtu.cn