姚禮堂,張學斌,2,3,*,周 亮,羅 君,王梓洋,雷 越,李意霞

1 西北師范大學地理與環(huán)境科學學院,蘭州 730070 2 甘肅省綠洲資源環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展重點實驗室,蘭州 730070 3 甘肅省土地利用與綜合整治工程研究中心,蘭州 730070 4 蘭州交通大學測繪與地理信息學院,蘭州 730070 5 甘肅農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院,蘭州 730070

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指人類可從生態(tài)系統(tǒng)中直接或間接獲得的所有利益,是人類生存和發(fā)展的重要基礎(chǔ)[1—2]。土地利用變化指由土地自身特性變化及人類外力作用方式變化引發(fā)的土地利用方式、覆被類型和使用強度的變化,是人類活動與自然環(huán)境相互作用最集中的表現(xiàn),受到自然環(huán)境與社會經(jīng)濟活動的綜合作用,極大影響著生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變化和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的大小[3—4]。復合系統(tǒng)具有多系統(tǒng)耦合特性,在構(gòu)成該系統(tǒng)的子系統(tǒng)的特征制約下[5],開展復合系統(tǒng)土地利用變化的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)效應研究,是加強生態(tài)系統(tǒng)管理的關(guān)鍵問題,也是國土空間格局優(yōu)化的重要依據(jù)。

生態(tài)系統(tǒng)的復雜性和空間異質(zhì)性構(gòu)成了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的多樣性[6—8]。當前國內(nèi)外學者關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的同時[9—10],一方面?zhèn)戎匮芯可鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間復雜的、非線性關(guān)聯(lián)機制[10—12],將這種關(guān)聯(lián)抽象概括為此消彼長的權(quán)衡關(guān)系和相互促進的協(xié)同關(guān)系[13—14]。孫藝杰等[15]對漢中盆地和關(guān)中盆地進行了對比研究,發(fā)現(xiàn)位于半濕潤半干旱區(qū)的關(guān)中盆地權(quán)衡關(guān)系呈增強趨勢,且變化速度高于濕潤區(qū)的漢中盆地；王曉萌等[16]關(guān)注到河北省土地利用變化對農(nóng)作物生產(chǎn)、碳儲量、生境質(zhì)量和土壤保持等生態(tài)服務(wù)的影響,并從省域尺度和區(qū)域空間分異視角分析了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系；方露露等[17]定量化研究了長江和黃河流域的NPP、產(chǎn)水服務(wù)、土壤保持等服務(wù)之間的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系。在土地利用變化的生態(tài)效應方面,相關(guān)研究多集中研究土地利用變化引發(fā)的生態(tài)環(huán)境效應[18—19]、土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響[20—22]。黃美等[23]基于定量分析探究了黃河三角洲“三生”用地轉(zhuǎn)型的生態(tài)環(huán)境效應；歐陽曉等[24]基于FLUS模型分析了不同情境的土地利用變化模擬下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化機制；謝余初等[25]研究了干旱區(qū)綠洲土地利用變化的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值響應。上述研究為了解生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相互之間的復雜聯(lián)系和約束效應做出了一定貢獻,但對復合系統(tǒng)土地利用變化的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)效應研究較少,尤其是土地利用變化的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同效應。

干旱區(qū)“山地-綠洲-荒漠”復合系統(tǒng)具有多系統(tǒng)的耦合特征,該特征受到構(gòu)成復合系統(tǒng)的山地系統(tǒng)、綠洲系統(tǒng)和荒漠系統(tǒng)的特征約束,研究各子系統(tǒng)的特征對于揭示復合系統(tǒng)的耦合特征、客觀了解復合系統(tǒng)的異質(zhì)性具有十分重要的意義[26—27]。張掖市是干旱區(qū)“山地-綠洲-荒漠”復合系統(tǒng)的典型區(qū)域,近年來隨著社會經(jīng)濟發(fā)展和城鎮(zhèn)化進程不斷加快,系統(tǒng)內(nèi)部土地利用變化劇烈,對生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生了較大影響,同時人類活動對生態(tài)系統(tǒng)的消極影響持續(xù)增加,生態(tài)環(huán)境問題日益增多,生態(tài)保護和生態(tài)系統(tǒng)管理等面臨諸多挑戰(zhàn)。本文以張掖市為例,探究復合系統(tǒng)土地利用變化的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同效應,以期為干旱區(qū)國土空間格局優(yōu)化和生態(tài)系統(tǒng)管理提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

張掖市位于甘肅省西北部,處于河西走廊中段,東與金昌市和武威市相接,西至嘉峪關(guān)市和酒泉市,南與青海省接壤,北鄰內(nèi)蒙古自治區(qū),東西長210—465 km,南北寬30—148 km,地理位置介于37°28′—39°57′N, 97°20′—102°12′ E(圖1),地形狹長,形似“奔馬”,海拔高度1235—5573 m。境內(nèi)大體分為三大地形區(qū),南部為祁連山地,北部為合黎山—龍首山,中部為走廊平原,全國第二大內(nèi)陸河——黑河貫穿全境。張掖市轄甘州區(qū)、高臺縣、臨澤縣、民樂縣、山丹縣和肅南裕固族自治縣1區(qū)5縣,共62個鄉(xiāng)(鎮(zhèn)、街道),總面積3.85×104km2,占河西走廊面積的14.82%,占甘肅省總面積的9.05%。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Survey of the Study area

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

本研究采用的土地利用數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云Landsat TM和ETM遙感影像,分辨率30 m,數(shù)據(jù)采集于6月至8月影像質(zhì)量較好時段。研究選取1987年、2000年、2018年數(shù)據(jù),借助ENVI、ArcGIS 10.4等軟件進行人工目視解譯,解譯精度為85.72%。土地利用分類主要參考甘肅省《生態(tài)十年環(huán)境監(jiān)測土地覆蓋分類體系(2013年版)》,并結(jié)合張掖市實際,將土地利用類型分為耕地、林地、草地、濕地、水域、未利用地和建設(shè)用地。糧食價格、產(chǎn)量和糧食播種面積來源于《中國糧食年鑒2018》和《張掖市統(tǒng)計年鑒》。

1.3 研究方法

1.3.1復合系統(tǒng)類型劃分

以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為基本單元,引入相對優(yōu)勢度指數(shù)(Dominance Index,D),用于反映某鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地利用類型相對于整個張掖市的重要性[28],進而識別其所屬的生態(tài)系統(tǒng)類型。其計算公式如下：

(1)

式中,Aik為k鄉(xiāng)鎮(zhèn)第i類功能用地面積,Air為張掖市第i類功能用地面積,Ak為k鄉(xiāng)鎮(zhèn)面積,Ar為張掖市總面積。相對優(yōu)勢度指數(shù)最大,表明鄉(xiāng)鎮(zhèn)的該類功能用地相對于整個張掖市的該類功能用地具有優(yōu)勢,據(jù)此將張掖市鄉(xiāng)鎮(zhèn)劃歸為不同生態(tài)系統(tǒng)。

1.3.2土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣[29]能夠揭示一定時期內(nèi)土地利用類型變化的方向和面積大小,反映不同土地利用類型之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系,進一步可以了解不同地類轉(zhuǎn)移前后的結(jié)構(gòu)特征,其計算公式如下：

(2)

式中,S為面積,n為地類數(shù)量,i、j分別為研究期始、末的土地利用類型。矩陣中行元素表示i種地類轉(zhuǎn)出到其他地類的面積,列元素表示其他地類轉(zhuǎn)入到j(luò)種地類的面積。

1.3.3生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值

借助謝高地等[30]修訂的中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當量表,依據(jù)糧食產(chǎn)量及價格進行修正：1987—2018年張掖市平均糧食產(chǎn)量為6681 kg/hm2,2018年張掖市平均糧食價格為2.2元/kg,自然條件下生態(tài)系統(tǒng)提供的經(jīng)濟價值為現(xiàn)有單位面積耕地提供的糧食價值的1/7[31],計算可得張掖市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的當量因子為2100元/hm2(表1)。為深入研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化特征,以張掖市鄉(xiāng)級行政區(qū)為基本單元,分別核算每個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值,其計算公式如下：

(3)

式中,ESVxz表示每個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值；Aj為鄉(xiāng)鎮(zhèn)中第j類生態(tài)系統(tǒng)的面積；Eij為第j類生態(tài)系統(tǒng)中第i類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的單位當量。

1.3.4生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同

相關(guān)研究[32]表明,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同度(Ecosystem Services Trade-off Degree, ESTD)能夠從方向和程度兩方面較好反映各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能之間的相互關(guān)系,其計算公式如下：

(4)

式中,ESTDij代表第i種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和第j種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡協(xié)同度；ESCia和ESCib分別表示在a、b時刻第i種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)自身的變化量；ESCja和ESCjb分別表示在a、b時刻第j種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)自身的變化量。當ESTDij<0時,表示i和j為權(quán)衡關(guān)系；當ESTDij>0時,表示i和j為協(xié)同關(guān)系；當ESTDij=0時無關(guān)。

1.3.5生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值貢獻值

參照相關(guān)研究[33],土地利用轉(zhuǎn)換的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值貢獻值能夠定量分析復合生態(tài)系統(tǒng)中各子系統(tǒng)不同土地利用變化所導致的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化,具體公式如下：

(5)

表1 張掖市單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當量表/(×100元 hm-2 a-1)

式中,ESVc表示各系統(tǒng)中某中土地利用類型轉(zhuǎn)換的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值貢獻值； ESCt、ESVt+1分別表示某種土地利用類型研究初期和末期的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值,CA為轉(zhuǎn)換面積；TA為區(qū)域總面積。

2 結(jié)果分析

2.1 “山地-綠洲-荒漠”復合系統(tǒng)類型劃分

以鄉(xiāng)級行政區(qū)為基本單元,根據(jù)公式(1)計算2018年張掖市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地利用類型的相對優(yōu)勢度指數(shù),依據(jù)指數(shù)大小,將張掖市“山地-綠洲-荒漠”復合系統(tǒng)劃分出山地、綠洲和荒漠3個子生態(tài)系統(tǒng)。由表2、圖2可知,山地系統(tǒng)包含11個鄉(xiāng)鎮(zhèn),主要分布在張掖市南部,面積占張掖市總面積的55.46%；綠洲系統(tǒng)包含45個鄉(xiāng)鎮(zhèn),主要分布在張掖市中部,面積占張掖市總面積的27.02%；荒漠系統(tǒng)包含6個鄉(xiāng)鎮(zhèn),分布在張掖市北部,占張掖市總面積的17.52%。張掖市復合系統(tǒng)呈現(xiàn)地域分異特征,由南部山地系統(tǒng)、中部綠洲系統(tǒng)和北部荒漠系統(tǒng)構(gòu)成；從面積占比來看,山地系統(tǒng)面積最大,綠洲系統(tǒng)面積次之,荒漠系統(tǒng)面積最??；從包含行政區(qū)數(shù)量來看,綠洲系統(tǒng)包含鄉(xiāng)鎮(zhèn)數(shù)量最多,山地系統(tǒng)次之,荒漠系統(tǒng)最少。山地系統(tǒng)以林地和草地為主,綠洲系統(tǒng)以耕地和建設(shè)用地為主,荒漠系統(tǒng)以未利用地為主。

表2 “山地-綠洲-荒漠”復合系統(tǒng)類型劃分

2.2 “山地-綠洲-荒漠”復合系統(tǒng)土地利用變化

整體來看,“山地-綠洲-荒漠”復合系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的土地利用變化特征不同,隨著時間推移,部分土地類型的變化速度不斷加快(圖2、表3)。

圖2 1987—2018年張掖市土地利用空間變化及復合系統(tǒng)劃分Fig.2 Spatial change and complex system division of land use in Zhangye City from 1987 to 2018

整個研究期內(nèi),耕地、林地、濕地和建設(shè)用地面積增加,其中建設(shè)用地面積增幅最大,變化率為80.49%,其次為耕地,變化率為21.95%,濕地和林地面積小幅增加,變化率僅為5.84%和0.50%；草地、水域和未利用地面積小幅減少,變化率分別為-2.02%、-2.07%和-4.06%。1987—2000年,山地系統(tǒng)中耕地變化最顯著,變化率為19.40%；綠洲系統(tǒng)和荒漠系統(tǒng)中建設(shè)用地變化最顯著,變化率分別為12.23%和26.60%；2000—2018年,建設(shè)用地在3個系統(tǒng)中變化均最明顯,且在荒漠系統(tǒng)和綠洲系統(tǒng)中變化率高達78.23%和63.26%；這一時期山地系統(tǒng)中耕地面積有所減少,變化率為-0.11%,而荒漠系統(tǒng)中耕地面積增長顯著,變化率為70.81%。2000年以來,張掖市社會經(jīng)濟進入高速發(fā)展期,城鎮(zhèn)化進程進一步加快,建設(shè)用地面積持續(xù)大幅增加,同時隨著退耕還林還草等一系列生態(tài)保護政策實施,部分坡耕地有序退耕。

研究期內(nèi),“山地-綠洲-荒漠”復合系統(tǒng)中土地類型之間相互轉(zhuǎn)換,各子系統(tǒng)的土地利用類型轉(zhuǎn)移模式有所不同(表4)。

山地系統(tǒng)土地利用類型轉(zhuǎn)移以草地轉(zhuǎn)耕地為主、耕地轉(zhuǎn)草地為副。從凈轉(zhuǎn)出方面來看,草地轉(zhuǎn)出面積最大,共轉(zhuǎn)出133.58 km2,其中轉(zhuǎn)為耕地面積126.62 km2,占草地轉(zhuǎn)出總面積的94.79%；耕地轉(zhuǎn)出面積次之,共轉(zhuǎn)出20.39 km2,其中耕地轉(zhuǎn)為草地面積16.11 km2,占耕地轉(zhuǎn)出總面積的79.01%。從凈轉(zhuǎn)入方面來看,耕地轉(zhuǎn)入面積最多,共轉(zhuǎn)入138.09 km2,主要來源為草地。山地系統(tǒng)主要包含山丹馬場在內(nèi)的張掖市南部祁連山及其山前綠洲,張掖市實施退耕還林工程,工程區(qū)主要集中在祁連山地陡坡耕地和干枯河谷沙化耕地,但退耕還林面積相對較小,而山丹馬場經(jīng)歷體制改革后,農(nóng)業(yè)機械化和生產(chǎn)技術(shù)不斷發(fā)展,大面積草地開墾為耕地,耕地面積不斷擴大,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)逐漸走向現(xiàn)代化。

表3 1987—2018年“山地-綠洲-荒漠”復合系統(tǒng)土地利用變化

表4 1987—2018年“山地-綠洲-荒漠”復合系統(tǒng)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣/km2

綠洲系統(tǒng)土地利用類型轉(zhuǎn)移以未利用地轉(zhuǎn)耕地為主、未利用地和耕地轉(zhuǎn)建設(shè)用地為副。從凈轉(zhuǎn)出方面來看,未利用地轉(zhuǎn)出面積最大,其次為耕地,轉(zhuǎn)出面積分別為799.59 km2和135.05 km2,其中耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地面積100.51 km2；從凈轉(zhuǎn)入方面來看,耕地轉(zhuǎn)入總面積最多,為682.00 km2,主要來源為未利用地,其次建設(shè)用地轉(zhuǎn)入面積為206.60 km2。綠洲系統(tǒng)是人口集聚、人地關(guān)系矛盾最集中的地方,隨著生產(chǎn)技術(shù)改進和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)不斷發(fā)展,綠洲邊緣荒漠通過整治開墾為耕地,便利的灌溉條件更有利于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率；受到耕地保護政策的約束,部分未利用地邊緣的沙化耕地以及現(xiàn)有建設(shè)用地周邊荒漠地勢平坦,通過固沙平整成為新增建設(shè)用地,既滿足了城市發(fā)展的土地需求,又減少了城市擴張對耕地的侵占。

荒漠系統(tǒng)土地利用類型轉(zhuǎn)移以未利用地轉(zhuǎn)耕地為主、未利用地轉(zhuǎn)建設(shè)用地為副。從凈轉(zhuǎn)出方面來看,未利用地轉(zhuǎn)出面積最多,共轉(zhuǎn)出226.46 km2,其中轉(zhuǎn)為耕地面積為190.78 km2,占未利用地轉(zhuǎn)出總面積的84.24%, 其余主要轉(zhuǎn)出為草地和建設(shè)用地；從凈轉(zhuǎn)入方面來看,耕地轉(zhuǎn)入面積最多,共轉(zhuǎn)入195.26 km2,建設(shè)用地和草地轉(zhuǎn)入面積次之。張掖市未利用地面積占市域面積的60%以上, 2000年以來,人口增長與耕地資源短缺的矛盾凸顯,未利用地成為新增耕地主要來源,在荒漠與耕地交接處通過植草建立生態(tài)過渡區(qū),有效阻止耕地荒漠化。

綜上,“山地-綠洲-荒漠”復合系統(tǒng)中綠洲系統(tǒng)土地利用變化程度最劇烈,變化面積為1028.53 km2；荒漠系統(tǒng)次之,變化面積為263.54 km2；山地系統(tǒng)變化最小,變化面積為189.62 km2。

2.3 土地利用變化的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同效應

2.3.1“山地-綠洲-荒漠”復合系統(tǒng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值

2018年張掖市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總值為419.11×108元,其中山地系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)價值為315.05×108元,綠洲系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)價值為82.62×108元,荒漠系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)價值為21.44×108元,三個子系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)價值的關(guān)系為山地系統(tǒng)>綠洲系統(tǒng)>荒漠系統(tǒng)。1987—2018年張掖市復合系統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值整體呈現(xiàn)增加趨勢,其中山地系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)價值呈現(xiàn)小幅減少,綠洲系統(tǒng)和荒漠系統(tǒng)的生態(tài)服務(wù)價值呈現(xiàn)增加趨勢(表5)。

山地系統(tǒng)中,1987—2000年耕地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值增加較明顯,變化率為19.21%,草地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值減少,變化率為-2.63%,其他土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化較小,這一時期耕地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值貢獻值為正向,而草地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值貢獻值為負向；2000—2018年山地系統(tǒng)中各地類的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化均較小。綠洲系統(tǒng)中,2000—2018年相較前一時期各地類的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化較為明顯,耕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化率為11.34%,小于濕地的33.14%,但這一時期耕地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值貢獻值為正向且為最大,為1253.85×104元,未利用地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化率為-8.13%,其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值貢獻值為負向且最小,為-542.85×104元?；哪到y(tǒng)中,2000—2018年各土地類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化率均大于前一時期,其中耕地面積大幅增加,伴隨其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化率最大,為71.23%,同時耕地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值貢獻值為正向且最大,為339.69×104元。在張掖市“山地-綠洲-荒漠”復合系統(tǒng)中,耕地面積變化引發(fā)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化最大,研究期內(nèi)耕地對各生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值貢獻值均為正向,其中,1987—2000年耕地對山地系統(tǒng)服務(wù)價值貢獻較大,2000—2018年耕地對綠洲系統(tǒng)和荒漠系統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值貢獻較大。

2.3.2“山地-綠洲-荒漠”復合系統(tǒng)權(quán)衡/協(xié)同效應

張掖市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同如圖3所示。計算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同度,各系統(tǒng)均得到55組值,其中山地系統(tǒng)中37組為正值,18組為負值,協(xié)同關(guān)系占67.27%,權(quán)衡關(guān)系占32.73%；綠洲系統(tǒng)中45組為正值,10組為負值,協(xié)同關(guān)系占81.82%,權(quán)衡關(guān)系占18.18%；荒漠系統(tǒng)中55組均為正值,協(xié)同關(guān)系100.0%。張掖市復合系統(tǒng)中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的協(xié)同關(guān)系占比大于權(quán)衡關(guān)系,即復合系統(tǒng)的協(xié)同效應大于權(quán)衡效應,其中荒漠系統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間均為協(xié)同關(guān)系,山地系統(tǒng)中權(quán)衡關(guān)系體現(xiàn)在供給服務(wù)與其他服務(wù)之間,綠洲生態(tài)系統(tǒng)中權(quán)衡關(guān)系體現(xiàn)在調(diào)節(jié)服務(wù)與其他服務(wù)之間。

表5 1987—2018年“山地-綠洲-荒漠”復合系統(tǒng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化及貢獻值

山地系統(tǒng)中,調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)和文化服務(wù)互為協(xié)同關(guān)系,而供給服務(wù)與三者之間表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系,具體表現(xiàn)為糧食生產(chǎn)功能和原料生產(chǎn)功能與其他服務(wù)功能之間的權(quán)衡關(guān)系。這是由于草地轉(zhuǎn)出后,受其影響較大的氣候調(diào)節(jié)和氣體調(diào)節(jié)服務(wù)功能下降,草地轉(zhuǎn)為耕地等生產(chǎn)用地,提升了糧食生產(chǎn)功能和原料生產(chǎn)功能,其生態(tài)服務(wù)價值隨之增加,但土地類型轉(zhuǎn)為耕地之后,土壤結(jié)構(gòu)和土壤質(zhì)量發(fā)生較大變化,連續(xù)種植使土地土壤保持等支持服務(wù)功能下降,耕地的專業(yè)化生產(chǎn)和集約化經(jīng)營,土地利用均質(zhì)化,原有的生態(tài)系統(tǒng)被破壞,生物多樣性下降,維持生物多樣性和提供美學景觀等服務(wù)功能也呈現(xiàn)下降趨勢。綠洲系統(tǒng)中,調(diào)節(jié)服務(wù)與其他服務(wù)之間表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系,具體表現(xiàn)為凈化環(huán)境功能與其他服務(wù)功能之間的權(quán)衡關(guān)系,這是由于未利用地轉(zhuǎn)為耕地,化肥、農(nóng)藥、農(nóng)用塑料薄膜的廣泛使用,給生態(tài)環(huán)境帶來較大壓力,凈化環(huán)境等調(diào)節(jié)服務(wù)功能呈現(xiàn)下降趨勢?；哪到y(tǒng)中,各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間均呈現(xiàn)協(xié)同關(guān)系,這是因為未利用地轉(zhuǎn)為耕地之后,糧食生產(chǎn)、原料生產(chǎn)等服務(wù)功能提升,同時未利用地轉(zhuǎn)為草地等生態(tài)用地,氣體調(diào)節(jié)、土壤保持、維持生物多樣性等服務(wù)功能也隨之提升,各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間呈現(xiàn)正向的協(xié)同關(guān)系。

3 討論

關(guān)于“山地-綠洲-荒漠”復合系統(tǒng)子系統(tǒng)的劃分,任繼周等[34]研究了復合系統(tǒng)中不同子系統(tǒng)的景觀組分特征,即山地景觀系統(tǒng)中山地草原為基質(zhì),綠洲景觀系統(tǒng)中耕地為基質(zhì),荒漠景觀系統(tǒng)中礫漠為基質(zhì)。本研究在劃分山地系統(tǒng)時除草地外還將林地的相對優(yōu)勢度指數(shù)作為劃分依據(jù),更加符合張掖市的自然生態(tài)特征,在劃分綠洲系統(tǒng)是除耕地外還將建設(shè)用地的相對優(yōu)勢度指數(shù)作為劃分依據(jù),主要是考慮到研究期內(nèi)張掖市建設(shè)用地面積增加明顯,且主要集中在中部綠洲,只依據(jù)耕地的相對優(yōu)勢度指數(shù)進行劃分可能會出現(xiàn)漏劃。

研究發(fā)現(xiàn),復合系統(tǒng)中生態(tài)服務(wù)價值的關(guān)系為山地系統(tǒng)>綠洲系統(tǒng)>荒漠系統(tǒng)。張敏等[35]在開展博斯騰湖流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究以及郝夢雅等[36]在開展關(guān)中盆地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究時均表明,盆地邊緣的山地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值高于盆地中部,高值區(qū)分布主要受林地、水域和草地等分布影響,低值區(qū)分布主要受耕地、建設(shè)用地和未利用地分布影響,這與本研究中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估結(jié)果基本吻合。同時本研究發(fā)現(xiàn),山地系統(tǒng)中權(quán)衡關(guān)系主要體現(xiàn)在糧食生產(chǎn)和原料生產(chǎn)與其他服務(wù)功能之間,綠洲系統(tǒng)中權(quán)衡關(guān)系主要體現(xiàn)在凈化環(huán)境與其他服務(wù)功能之間,這是由于復合系統(tǒng)的土地利用空間格局以及各子系統(tǒng)中不同土地利用轉(zhuǎn)移模式共同影響的結(jié)果。余玉洋等[37]在秦巴山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究中發(fā)現(xiàn),全域尺度下在人口密集的漢江上游水資源供給與土壤保持權(quán)衡關(guān)系顯著,在平原和盆地區(qū)域由于耕地分布,糧食生產(chǎn)與土壤保持和NPP之間均為權(quán)衡關(guān)系,而在綜合分區(qū)和典型樣區(qū)尺度,隨著尺度縮小,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系也發(fā)生了不同轉(zhuǎn)變；而冉鳳維等[38]在鄱陽湖生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究中發(fā)現(xiàn)食物供給與產(chǎn)水量和土壤保持在不同地類之間均表現(xiàn)出權(quán)衡關(guān)系?？梢?生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)受不同研究尺度、不同研究區(qū)域、以及不同的土地利用等影響,不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系不同。本研究僅基于系統(tǒng)尺度進行了探討,今后還應從多尺度視角出發(fā),探究不同尺度下復合系統(tǒng)中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系,并進行對比研究,從而得到復合系統(tǒng)中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系變化規(guī)律。

“山地-綠洲-荒漠”復合系統(tǒng)由其子系統(tǒng)之間通過物質(zhì)和能量的交流互動緊密聯(lián)系在一起。山地系統(tǒng)土地類型以林地和草地為主,承擔著干旱區(qū)水源涵養(yǎng)等重要的生態(tài)功能；綠洲系統(tǒng)土地類型以耕地和建設(shè)用地為主,作為干旱區(qū)人口集聚區(qū),承擔著幾乎全部的生產(chǎn)生活功能；荒漠系統(tǒng)環(huán)境相對較為惡劣,脆弱的生態(tài)環(huán)境使其成為潛在的生態(tài)風險區(qū)。為維護現(xiàn)有復合系統(tǒng)格局,實現(xiàn)生態(tài)穩(wěn)定與經(jīng)濟發(fā)展“雙贏”,需進一步提升山地系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)等生態(tài)功能,不斷滿足綠洲系統(tǒng)的水資源需求；協(xié)調(diào)好綠洲系統(tǒng)耕地、建設(shè)用地與其他生態(tài)性用地之間的關(guān)系,避免單純追求經(jīng)濟發(fā)展而導致生態(tài)服務(wù)損失和生態(tài)功能下降,損害人類福祉；在保護好現(xiàn)有荒漠植被的前提下,通過人工綠化等方式進一步提高荒漠系統(tǒng)的抗風險能力,防止荒漠化加劇。全域把控、精準施策,構(gòu)筑山地—綠洲、綠洲—荒漠生態(tài)過渡帶,既能穩(wěn)定復合系統(tǒng)的生態(tài)格局,促進各子系統(tǒng)之間物質(zhì)和能量的交流互動,又能減緩系統(tǒng)對相鄰系統(tǒng)的消極影響,實現(xiàn)復合系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)論

(1)張掖市復合系統(tǒng)呈現(xiàn)地域分異特征,由南部山地系統(tǒng)、中部綠洲系統(tǒng)和北部荒漠系統(tǒng)構(gòu)成；各子系統(tǒng)內(nèi)部呈現(xiàn)不同的土地利用特征,山地系統(tǒng)以林地和草地為主,綠洲系統(tǒng)以耕地和建設(shè)用地為主,荒漠系統(tǒng)以未利用地為主。

(2)研究期內(nèi),2000—2018年各系統(tǒng)的土地利用變化較1987—2000年更為強烈。2000—2018年,綠洲系統(tǒng)中耕地和建設(shè)用地面積增加最多,分別為363.08 km2和174.12 km2,同時,荒漠系統(tǒng)中耕地和建設(shè)用地面積的增加幅度最大,分別為70.81%和78.23%。各子系統(tǒng)土地利用轉(zhuǎn)移模式為：山地系統(tǒng)以草地轉(zhuǎn)耕地為主、耕地轉(zhuǎn)草地為副,綠洲系統(tǒng)以未利用地轉(zhuǎn)耕地為主、未利用地和耕地轉(zhuǎn)建設(shè)用地為副,荒漠系統(tǒng)以未利用地轉(zhuǎn)耕地為主、未利用地轉(zhuǎn)建設(shè)用地為副。

(3)研究期內(nèi),張掖市復合系統(tǒng)的生態(tài)服務(wù)價值整體呈現(xiàn)增加趨勢,其中山地系統(tǒng)的生態(tài)服務(wù)價值小幅減少,綠洲系統(tǒng)和荒漠系統(tǒng)的生態(tài)服務(wù)價值呈現(xiàn)增加趨勢,各子系統(tǒng)的生態(tài)服務(wù)價值量關(guān)系為山地系統(tǒng)>綠洲系統(tǒng)>荒漠系統(tǒng)。各系統(tǒng)中生態(tài)服務(wù)價值貢獻最大的為耕地,尤其2000—2018年,耕地對綠洲系統(tǒng)的生態(tài)服務(wù)價值貢獻量最大,為1253.85×104元。

(4)張掖市土地利用變化的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)同效應大于權(quán)衡效應,其中荒漠系統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間均為協(xié)同關(guān)系,山地系統(tǒng)中權(quán)衡關(guān)系體現(xiàn)在供給服務(wù)與其他服務(wù)之間,關(guān)系占比32.73%,綠洲生態(tài)系統(tǒng)中權(quán)衡關(guān)系體現(xiàn)在調(diào)節(jié)服務(wù)與其他服務(wù)之間,關(guān)系占比18.18%。