区域生态退耕对生态系统服务价值的影响——以宁夏盐池为例，本文主要内容关键词为：盐池论文,宁夏论文,为例论文,生态系统论文,生态论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：F301 文献标识码：A 文章编号：1003-7578(2014)02-060-08
土地是陆地生态系统的载体，生态系统类型在某种程度上表现为土地类型或者土地利用类型[1～2]。区域土地类型是进行生态研究和生态建设设计、进行农林牧合理用地布局和用地结构调整、以及灾害成因和防灾减灾研究的基础性学科[3]。
我国北方干旱半干旱区实行生态退耕以来，土地类型结构和功能发生了重大变化。如宁夏黄土丘陵区实行退耕还林草后，土地类型主要由耕地向林地转变[4]。陕西省安塞县退耕还林工程实施后耕地大幅度减少，灌木林地与草地均有所减少，而未成林造林地快速增加[5]。在科尔沁左翼后旗的研究发现，耕地与草地的变化支配了当地退耕还林还草工程导致的LUCC变化[6]。针对这一现象，众多学者研究了我国生态退耕实施以来对区域土地类型变化及生态和经济效益的影响。如采用典型用户调查和地方政府访谈等方法，发现固原市原州区退耕还林(草)生态效益显著[7]。然而，模拟发现这一政策虽对中国粮食安全影响甚微[8]，但对地方一级影响可能比较显著[9]，且退耕还林政策的实施直接导致农户收入明显减少[10]。所以，国外一些学者对中国生态退耕的效益还存在疑问[11]。并且，国内学者研究发现退耕还林(草)工程存在地块选择不当等问题，认为应更加重视增强退耕还林(草)工程的质量控制[12]。建议为了促进退耕还林草工程向深入推进，应逐步转换耕地，以确保粮食安全和生态目标，改善耕地代偿调节机制和区域综合开发，将退耕补偿逐步转换为扶贫资助[13]。以上表明，对于生态退耕的生态经济效益还存在一些争论，故研究生态退耕对土地类型及其生态系统服务价值的影响，对评估生态退耕政策的生态效应，进而协调生态脆弱区人地关系，都有一定的科学意义。
盐池县位于宁夏回族自治区东部(37°04＇～38°10＇N，106°30＇～107°41＇E)，总面积8366.1
。属于典型的中温带大陆性季风气候，年均温7.7℃，年平均降水量394.6mm，年均日照2901h。地貌呈由黄土沟壑丘陵向鄂尔多斯缓坡丘陵过渡，地势南高北低，平均海拔约1600m。植被自南向北由干草原向荒漠过渡[14]。全县年均大风日约有35d，年均沙尘暴日约有14.2d。截止到20世纪90年代末期，盐池一直是我国北方农牧交错带沙质荒漠化强烈发展的地区之一[15]。自2000年实施退耕还林治沙工程后，沙漠化得到了一定程度的治理，成为全国退耕还林示范县，土地利用表现为农业用地、牧业用地、未利用地面积减少，林业用地面积增加[16，17]。但迄今，将盐池县生态退耕、土地变化、生态系统服务价值联系起来开展的综合研究还比较少。而研究盐池生态退耕对生态系统服务价值的影响，对于类似地区土地生态设计具有非常重要的实践意义。文中拟通过土地类型制图和陆地生态系统服务价值估算，分析盐池县生态退耕实施前后土地类型结构的变化，及其对生态系统服务价值变化的影响，以期为生态退耕政策的完善和区域土地生态系统可持续发展提供科学依据。
1 材料与研究方法
1.1 数据来源
研究数据(表1)。其中，盐池县2000年土地利用现状图由中科院资源环境科学数据中心提供，2007年植被图[18]由中国西部环境与生态科学数据中心提供。盐池县土地资源评价图(1990年)和盐池县沙漠化土地利用现状图(1990年)系“三北”防护林遥感综合调查盐池试验区系列成果[19，20]，扫描后在ARCGIS支持下进行数字化，获得了土地利用图、土壤类型图、植被类型图和地貌类型图。盐池县2005年土地利用通过解译ETM影像获得[21]。
1.2 土地类型制图方法
土地类型图是全面反映土地生态和资源特征的高度综合的专业图件[3]。为分析盐池县生态退耕前后土地类型变化，由《盐池县土地资源评价图》[19]数字化得到1990年土地类型图。
盐池县2005年土地类型的分类系统和命名规则采用《盐池县土地资源评价图》[19]方案，即植被-土壤-地貌三名法。其中，植被类型和分布的变化是1990-2005年间最重要地表过程，土地利用变化是主要驱动力。因此，盐池县2005年土地类型图制作的关键是从土地利用变化信息中提取植被类型变化，重点是人工植被包括农业植被、森林植被和荒漠植被的提取。在ARCGIS支持下：1)将2005和1990年土地利用图进行空间叠加，找出土地利用发生变化的区域，并根据2005年现状土地利用类型确定为耕种、森林、草地或其他植被类型；2)在1990年植被类型图基础上，结合步骤(1)得到的2005年植被类型变化区域和2005年ETM影像，通过人机交互解译法获得2005年植被类型图；3)最后利用ARCGIS将盐池县2005年植被类型图和土壤类型图、地貌类型图空间叠加，并通过制图综合等处理，就可以得到盐池县2005年土地类型图。
1.3 生态系统服务价值计算方法
国内外对生态系统服务价值的计算方法已经做了很多研究。1997年Costanza等[22]将全球生态系统服务分为16类子生态系统，将生态系统服务功能划分为17项，采用物质量评价等一系列方法分别对每一类子生态系统进行了测算，然后得出整个生物圈每年的生态系统服务价值，在国内外引起了很大反响。国内学者采用该方法，分别估算了我国陆地[23]和黑河流域[24]生态系统服务价值。但Costanza等人研究中某些数据与实际偏差较大，针对这一问题，谢高地等[25]将生态服务划分为气体调节等共9项，在对我国200位生态学者进行问卷调查的基础上，得出了我国陆地生态系统服务价值当量因子表(表2)，被国内很多学者[26-31]采用，对我国西北绿洲荒漠系统、垦区、寒区和旱区、城市及近郊等特定生态系统服务价值进行了核算。
文中采用陆地生态系统服务价值当量因子表法估算盐池县生态系统服务价值。其中，耕地、林地和未利用地生态系统分别与表2中的农田、森林和荒漠生态系统对应。依据Costanza et al.[22]的研究，建设用地生态系统服务价值很小，将之列入荒漠生态系统参与计算。生态系统服务价值计算公式如下：
计算得到盐池县不同生态系统服务价值单价(表3)。盐池县农田生态系统服务价值单价为1798.70元/
，略高于民勤县2008年的1512元/[29]，考虑到盐池县农业生产的水热条件略好于民勤县，计算结果是可信的。草地生态系统服务单价为1884.60元/，低于谢高地等[25]提出的温性荒漠草原类2464.0元/和姜立鹏等[32]算出的3723.08元/，略高于谢高地等算出的温性荒漠类1781.7元/，非常接近姜立鹏等算出的1887.80元/。盐池县草地主要为干草原、温性荒漠草原与温性荒漠，且以沙土灌丛、沙丘灌丛、盐碱灌丛等为主的沙生植被构成草地覆盖的主体，所以本研究得到的草地生态系统服务单价是比较合理的。不同土地利用类型中，湿地的生态服务价值最高，其次是森林、草地、耕地，以流动沙丘为主的未利用地价值单价最低。
在计算盐池县不同土地利用类型生态系统服务价值时，林地、人工林地、灌木林地采用森林的生态服务价值当量因子，水浇地和旱地使用农田当量因子，草地、灌丛沙堆、盐碱灌丛均使用草地当量因子，未利用地、裸土地、城镇建设用地、农村居民点、交通和工矿用地和荒漠均使用荒漠(未利用地)当量因子。
2 结果与分析
2.1 盐池县生态退耕对土地类型的影响盐池县土地类型空间分布(图1和图2)。1990年，盐池县土地类型有45种，占土地面积5％以上的主要有：苦豆子杂类草灰钙土平地(13.02％)、黑沙蒿沙土平地(8.12％)、黑沙蒿杂类草灰钙土平地(7.52％)、旱耕灰钙土平地(7.31％)、甘草杂类草灰钙土平地(5.44％)、黑沙蒿风沙土半固定沙丘(5.37％)，总面积为405114.0，占总面积的46.78％。2005年，盐池县土地类型共51种，除旱耕灰钙土平地面积增加至116727.0(占总面积的13.48％)外，其他主要土地类型数量均下降，苦豆子杂类草灰钙土平地、黑沙蒿沙土平地、黑沙蒿杂类草灰钙土平地、甘草类杂类草灰钙土平地、黑沙蒿风沙土半固定沙丘面积分别下降至总面积的7.88％、5.07％、4.33％、3.91％、2.06％，占总面积的比例降至36.73％。其中，苦豆子杂类草灰钙土平地和黑沙蒿风沙土半固定沙丘减少最为显著。同时，风沙土流动沙丘由35457.0增加至55135.0，占总面积的6.37％，人工林灰钙土平地由246700.0减少至23418.0，占2.7％。以上各类合计占总面积的45.80％。1990-2005年，盐池县土地类型的数量结构和空间分布均发生较大改变，以杂类草平地的减少，旱耕灰钙土平地、风沙土流动沙丘及灰钙土流动沙丘增加最为显著。其中，流动沙丘主要由半固定沙丘转化而来，而杂类草平地则主要向人工林地和耕地转化，综合反映出该区生态环境局部破坏整体改善的局面。
图1 盐池县1990年土地类型空间分布图
图2 盐池县2005年土地类型空间分布图
2.2 盐池县生态退耕对生态系统服务价值的影响
盐池县生态退耕对土地利用的格局与数量产生重要影响，表现为未利用地大幅度减少，向林地、草地和耕地等大量转移(表4，图3)。
图3 1990-2005年盐池县未利用地用途变化方向
1990-2005年期间，未利用地迅速减少了227007.2，其面积比例由1990年的36.85％减至2005年的9.71％，其中转变为草地的有151918.0，耕地有58080.2，林地有16419.8，湿地有658.7。林地和耕地大幅度增加，分别增长了86.72％和61.82％，草地略有增长，三种土地占县域面积的比例由1990年的47.27％增至2005年的62.46％。生态服务价值较低的未利用地转变为生态服务价值较高的草地、耕地、林地和湿地生态系统，对于提高盐池县生态系统服务价值是有利的。
从盐池县1990和2005年土地生态系统服务价值(图4)和统计表(表5)可见，土地类型变化驱动生态系统服务价值发生巨大变化。
图4 盐池县生态服务价值空间分布图(1990-2005)
生态退耕政策和治沙工程实施以来，至2005年荒漠生态系统面积减少量占1990年未利用地的96.4％，相应地林地、草地和耕地面积分别增加了15966.7、41045.1和70023.0，其对应的生态系统服务总价值增长了9081.0万元、7735.2万元和12594.7万元，分别增加了86.72％、15.56％、61.82％，增加值占2005年价值总量的25.48％，林地、草地和耕地生态服务价值合计占2005年价值总量的95.28％。湿地和未利用地减少虽然造成生态服务价值分别损失10572.8万元和16356.4万元。但是，1990-2005年间全县土地生态服务价值增长了16356.36万元，增长幅度达20.62％。表明，生态退耕政策实施后，土地类型结构的变化，特别是荒漠生态系统大量转变为林地、草地和农田生态系统，是导致生态服务价值增加的主要原因。其中，农田生态系统服务价值增加值占区域总增加值的42.82％，但农田的大量增加是否会影响区域脆弱生态系统生态服务功能的可持续性，还有待评估。
3 讨论
我国北方干旱、半干旱区实行生态退耕以来，土地类型结构和功能发生了重大变化[4-6]，但学界对生态退耕的区域生态-经济效应及其评估方法还存在一些争论[7-11]，且较多集中于土地利用变化的生态服务影响方面[2，12，26-29]。虽然有学者提出退耕还林(草)工程存在地块选择不当等问题[12]，建议将退耕补偿逐步转换为扶贫资助[13]，但关于生态退耕对土地类型及其生态系统服务价值影响的研究还比较少。土地类型是进行生态研究和生态建设设计、进行农林牧合理用地布局和用地结构调整、以及灾害成因和防灾减灾研究的基础性学科[3]。文中选择盐池典型区，研究土地类型变化的生态服务效应，研究思路对干旱、半干旱生态脆弱区评判生态退耕的生态-经济效益，调整和深化现行生态退耕政策，具有参考意义。
就研究方法而言，文中采用“植被-土壤-地貌”三名法的土地类型分类系统和命名规则，构建了基于植被图、土地利用图和遥感影像多源数据的植被更新方法，形成了区域土地类型及计算机辅助制图和动态更新方法。运用被广泛采用的陆地生态系统服务价值当量因子表法，修正得到盐池县不同生态系统服务价值单价(表3)，和有关文献的研究结果相比[25，29，32]是比较合理的。上述研究方法，以及GIS支持下的土地类型变化及对生态服务价值影响的统计分析方法，可以应用于类似地区开展相关研究。
盐池县是我国沙漠化和生态恢复研究的热点和代表性区域[14-17，19-21]，文中研究结果在一定程度上反映了干旱、半干旱生态脆弱区生态退耕对生态服务价值影响的普遍现象。如果应用本文提出的研究思路和方法，在更多类似地区进行典型案例剖析，将可以得到更加准确的生态退耕对生态服务价值影响的规律，这对于在更大区域内评估生态退耕的生态效应，协调人地关系，无疑具有实践意义。
文中的不足在于生态系统服务价值估算时，突出了生态退耕和生态建设新增的农田和人工林地等对生态系统服务功能的短期正向效应，缺少对这种变化可能带来的长期负面影响的观测，未来的研究需要对不同土地类型变化对生态系统的多元影响效应进行综合分析。
4 结论
生态退耕使我国西北干旱与半干旱生态脆弱区土地结构和功能发生重大变化，对生态系统服务产生深刻影响。文中运用地理信息系统和遥感技术，分析了盐池县1990和2005年土地类型变化的规律；利用修正的中国陆地生态系统服务价值当量因子，计算出两期生态系统服务价值；分析了土地类型变化对生态服务价值的影响，主要结论如下：
(1)盐池县实行生态退耕以来，土地类型和数量结构发生重大变化。1990至2005年间，食物生产功能的土地有所增加，其中旱耕地从17.3％增加到30.2％。同时，表征生态退化的荒漠土地从占总面积的45.8％减小到12.4％，减少的面积占生态服务价值极低的未利用地的96.40％。相反，林地面积大幅度增加，包括人工林地和灌木林地由仅占2.58％增加到29.78％，天然草地和灌丛草地从1990年的37.00％增加到2005年的50.26％。
(2)生态退耕对盐池县生态系统服务功能结构与价值产生重大影响。1990至2005年间，生态系统服务价值由99064.6万元增长至115421.0万元，增长了16356.36万元，增长幅度达20.62％。未利用地向人工林地和草地的转变，以及农田生态系统面积的增加，带来生态系统服务价值增加值占2005年总价值的25.48％，以上三种生态系统服务价值合计占2005年总价值的95.28％。
(3)盐池县生态退耕对生态系统服务的结构与功能优化产生了重要作用，但也存在问题。一是伴随生态退耕进行的生态建设使得原有灌木林地和灌丛草地部分被人工林地所代替，虽然短期内致使生态系统服务价值增加，但大量新增人工林生态系统服务功能的可持续性还有待观察。其次，旱耕地增加，导致农田生态系统服务价值增加值占区域总增加值的近半数，但旱耕地增加对脆弱生态系统生态服务功能的影响还有待评估。