石河子市土地利用变化及其生态系统服务功能研究_柴仲平

西󰀁南󰀁农󰀁业󰀁学󰀁报2009年22卷4期

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

SouthwestChinaJournalofAgriculturalSciencesVol󰀁22󰀁󰀁No󰀁4

文章编号:1001-4829(2009)04-1028-05

石河子市土地利用变化及其生态系统服务功能研究

柴仲平,王雪梅,蒋平安

1

2

1*

(1.农业大学草业与环境科学学院,乌鲁木齐󰀁830052;2.师范大学地理科学与旅游学院,乌鲁木齐󰀁830054)

摘󰀁要:通过对石河子市1996、2000和2004年的土地利用动态数据进行分析,并利用CostanzaR.等人的生态系统服务价值公式计算了该区各研究期的生态系统服务价值及其变化。结果表明:在整个研究期内,土地利用结构整体变化显著,部分土地类型面积变化明显。耕地和未利用地面积呈下降趋势,林地和建设用地面积则表现为增加趋势,而草地和水域的面积变化不大;各生态系统服务价值呈现两增三减的趋势:林地和水域生态系统服务价值增加,耕地、草地和荒漠生态系统服务价值下降。总体来说,生态系统服务总价值在整个研究期间呈增加趋势,即从1996年的2540.3󰀁105元增加至2004年的2651.4󰀁105元;通过对研究区生态系统各单项服务功能价值进行分析,发现在整个研究期间各单项服务功能变化程度有所不同,土地利用结构变化导致了研究区生态系统服务功能变化明显,单项生态服务功能差异显著,生态服务功能总体呈增加趋势。土壤形成与保护和废物处理在生态系统服务价值的构成中所占比重较大,达18%以上。气候调节、水源涵养和生物多样性保护对生态系统服务价值也有一定的贡献,其构成比例在10%~15%之间。原材料和娱乐文化对生态系统服务价值贡献较小,其所占比例在5%以下。关键词:石河子;土地利用变化;生态系统服务功能中图分类号:S11+7󰀁󰀁󰀁文献标识码:A

ResearchonChangeofLandUtilizationandEcosystemServiceFunctioninShihezi

2CHAIZhong󰀁ping1,WANGXue󰀁mei,JIANGPing󰀁an1

(1.CollegeofPrataculturalandEnvironmentalScience,XinjiangAgricultureUniversity,XinjiangUrumqi830052,China;2.CollegeofGe󰀁ographyScienceandTourism,XinjiangNormalUniversity,XinjaingUrumqi830054,China)

Abstract:Throughanalyzingthedynamicdataofthelandutilizationin1996,2000and2004,inShihez,itheformulaoftheecosystemservicevaluewasusedtocalculatetheecosystemservicevalueandchange.Theresultsshowedthatthewholechangeofthelandusestructurewassignicificantandtheareasofpartiallandtypeswereobvious.Theareasofthefarmlandandunutilizedlandexisteddownwardtrends,theareaoftheforestlandandconstructionlandexistedincreasingtrendsandthegrasslandandwaterareahadnolargechanges.Theecosystemserv󰀁icevalueoftheforestlandandwaterareaincreasedandthatofthefarmland,grasslandanddesertdecreased.Thetotalecosystemserviceval󰀁ueexistedincreasingtrendsinwholestudiedperiod.Theanalysisofthesingleservicevalueofeveryecosysteminstudiedperiodshowedthatthevariationdegreeofthesingleservicefunctionwasdifferent.Thechangeofthelandusestructureresultedinthattheservicefunctionoftheecosystemhadobviouschange,thedifferenceofthesingleservicefunctionhadsignicificantdifferenceandthetotalservicefunctionin󰀁creased.Theproportionoftheformationandprotectionofthesoilandthetreatmentofthewastematerialswaslargeinthestructureofthee󰀁cosystemservicevalue.Theclimateregulation,waterconservationandthebiodiversityconservationhadacertaincontributiontotheecosys󰀁temservicevalueandthecontributionofrawmaterialsandtheamusementculturewassmal.lKeywords:Shihez;iLandutilizationchange;Ecosystemservicefunction

󰀁󰀁生态系统服务功能的定义是Daily在其著作

󰀁󰀁收稿日期:2009-05-07

󰀁󰀁基金项目:自治区科技攻关(含重大专项)和重点项目计划课题

󰀁果树营养特性与水肥耦合技术研究󰀁(200731136󰀁5);973课题󰀁绿洲棉田土壤质量演变规律与可持续利用研究󰀁(2006CB708402);土壤学自治区重点学科资助

作者简介:柴仲平(1974-),男,甘肃永昌人,在读硕士,讲师,研究方向为水土保持、土壤质量,E󰀁mai:lzhongpingchai@yahoo.com.cn,*为通讯作者。

󰀁生态系统服务功能󰀁中首次提出。即生态系统服

务功能是指自然生态系统及其物种所提供的能够满足和维持人类生活需要的条件和过程

[1]

。它在为

人类提供物质资料的同时,还创造与维持了地球生命支持系统,形成了人类生存所必需的环境条件。CostanzaR.等人指出,生态系统服务功能就是指生态系统对人类的功效。在对全球生态系统服务功能价值进行估算的同时,他们还将全球生态系统服务4期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁柴仲平等:石河子市土地利用变化及其生态系统服务功能研究

[2]

1029

划分为17类主要服务功能。这一结论使生态系各类天然草地、人工草地;󰀁水域,包括河渠、坑塘、湖泊、水库等;󰀁建设用地,指城乡居民点及其以外的工矿、交通用地;󰀁未利用地,指裸地、沙地、盐碱地等(包括难利用的土地)。1󰀁2󰀁试验方法

1.2.1󰀁土地利用动态度模型󰀁土地利用动态度模型可定量描述土地利用变化速度,分为单一土地利用动态度和综合土地利用动态度

[10~11]

统服务价值的原理与方法从科学意义上得以明确,才将生态系统服务研究推向了生态经济研究的前沿,并开始进入一个新的发展时期。

在我国对于生态系统服务价值的研究,始于20世纪80年代初,直到90年代以后不同层次的评估结果才陆续面世。如欧阳志云等人提出了生态系统服务功能是指生态系统与生态过程所形成及所维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用,生态系统服务功能与区域可持续发展息息相关。同时还有其他学者对生态系统服务功能进行了不同的表述,如生态系统服务是对人类生存及生活质量有贡献的生态系统产品和生态系统功能,包括由自然生

[6~9]

态过程产生并维持的环境和资源条件等等。

石河子市地处欧亚腹地,位于北部、天山北麓中段,准噶尔盆地南缘,地理坐标为东经85󰀁59󰀁12󰀁~86󰀁08󰀁13󰀁,北纬44󰀁15󰀁13󰀁~44󰀁19󰀁13󰀁。东邻玛纳斯县,南靠天山,西接克拉玛依市、奎屯市,北邻古尔班通古特沙漠,石河子市位于垦区东南部,地处乌伊公路与玛纳斯河相交处的西南方向,东距乌市150km,西距伊宁市549km。

本区冬季期长严寒,极端最低气温-39.8󰀁;夏季期短炎热,极端最高气温42.2󰀁,年平均气温6.6󰀁,无霜期171d,日照2798~2839h,平均年降水量203.4mm,蒸发量历年平均1531.8mm,属典型的性气候。垦区有来自玛纳斯河流域的玛纳斯河、巴音沟河、金沟河、宁家河、大南河的天山冰雪水,水资源较为丰富,地表河水、泉水年径流量24.

33

12亿m;地下水存储量10.99亿m,可采量5.5亿m。耕地处于玛纳斯河流域的诸河冲积、洪积平原上,土层厚而肥沃。良好的水土光热条件,为农作物的生长奠定了良好的自然环境。垦区农作物有小麦、玉米、棉花、甜菜、瓜果、蔬菜,特别是棉花,色泽洁白,纤维长,拉力强,是垦区的主要作物。

3

[3~5]

。其中单一

土地利用动态度可表达区域一定时间范围内,某种土地利用类型变化速度的情况,公式表达为:

Uh-Ua1K=󰀁󰀁100%

UaT

(1)

式中,Ua、Ub分别为研究期初和研究期末某一种土地利用类型的数量;T为研究步长。当T设定为年时,K为研究时段内某种土地利用类型的年变化率。

2.2.2󰀁生态系统服务价值评价方法󰀁对于生态系统服务价值的研究,人类从20世纪70年代就开始了,由于缺乏相应的价值评估理论与方法体系而使得当时绝大部分生态系统服务价值难以准确计量,以至进展缓慢。直到1997年,CostanzaR.等人的研究成果,使生态系统服务价值的原理与方法从科学意义上得以明确,才将生态系统服务研究推向了生态经济研究的前沿。近年来,国内的一些专家参照CostanzaR.等人的研究基础与方法对自然生态系统的功能与效益进行了分析,如谢高地等人将中国陆地生态系统服务功能划分为气体调节、气候调节、水源涵养、土壤形成与保护、废物处理、生物多样性保护、食物生产、原材料和娱乐文化等九项服务功能,制定出中国陆地生态系统单位面积生态服务价值系[12~17]数。本文依据研究区的实际情况,参照中国陆地生态系统单位面积生态服务价值系数,通过生态系统服务价值公式(2)计算了石河子市1996、2000和2004年生态系统服务价值及其变化(其中,未利用土地对应于荒漠生态系统,其他类型相同)。

ESV=󰀁(Ak󰀁VCk)

2

1󰀁材料与方法

1󰀁1󰀁供试材料

本研究使用的数据主要有石河子市1996年~2004年土地利用统计数据;农八师石河子市行政区化图、地形图(1󰀁1万);农八师石河子市2004年国民经济和社会发展统计资料汇编;农八师石河子市土地利用总体规划报告(2004年)等。本研究区的土地利用类型主要划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地等六大类。其分类体系为:󰀁耕地,包括水田和旱地;󰀁林地,包括所有的灌木林、乔木林、疏林地和园地;󰀁草地,指覆盖度大于5%的(2)

式中,ESV为生态系统服务总价值(元);Ak为第k种土地利用类型的分布面积(hm);VCk为第k种土地利用类型的生态价值系数(元/hm/a)。

2

2󰀁结果与分析

2󰀁1󰀁土地利用动态变化分析

2.1.1󰀁总体变化分析󰀁对研究区土地利用结构变化表1进行分析,认为:在1996~2004年间,石河

子市的土地利用类型没有发生变化,但各土地利用类型的面积和所占比例波动明显,土地利用结构发生了一定变化。在1996~2004年间,耕地面积分布1030西󰀁南󰀁农󰀁业󰀁学󰀁报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁22卷

表1󰀁研究区土地利用结构特征表(󰀁103hm2,%)

Table1󰀁Thestructuralfeatureoflandutilizationinresearcharea

土地类型耕地林地草地水域建设用地未利用地总计

1996

面积23.02.26.30.74.75.542.5

比例54.25.314.81.711.113.1100.0

面积22.82.56.20.85.25.042.5

2000

比例53.65.914.61.912.311.8100.0

面积22.42.86.20.85.54.842.5

5

2004

比例52.76.614.61.912.911.3100.0

最大,所占比例达50%以上;草地、建设用地和未利用地分别位列其后,所占比例在10%~15%之间;而水域面积最小,所占比例在2%以下。在整个研

究期间,耕地和未利用地面积呈下降趋势,林地和建设用地面积则表现为增加趋势,而草地和水域的面积变化不大。

2.1.2󰀁动态度分析󰀁根据公式(1)计算研究区6种土地利用类型,3个研究时段的土地利用动态度(图1)。由图1可看出,在各个研究期,研究区土地利用变化速度较快,其中林地在各研究期的变化速度均较快,平均年变化率达到9.44%;而草地的年变化率在各研究期内均较小,年变化率平均值仅为-0.42%。从研究时段来看,1996~2000年间的变化速度相对于2000~2004年更快,其中1996~2000年间的土地利用年变化率为0.020%,2000~2004年间的变化速度较慢,变化率只有-0.001%。同时通过图1发现,在1996~2000年间各类土地面积变化明显,其中林地、水域和建设用地年变化率增加显著,而未利用地年变化率下降明显,耕地和草地年变化率下降并不显著;在2001~2004年间,林地和建设用地年变化率增加显著,未利用地年变化率下降显著,耕地年变化率下降不明显,而草地和水域在这一期间面积并无变化;在1996~2004年间,土地利用结构整体变化显著,部分土地类型面积变化明显。通过进一步分析认为,随着石河子市社会经济的快速发展,土地利用结构的变化受人为因素的影响越来越显著。

2󰀁2󰀁生态系统服务价值分析2.2.1󰀁不同土地利用类型生态服务价值差异分析󰀁通过分析表2,认为研究区生态系统服务总价值在整个研究期间呈增加趋势,即从1996的2540.3󰀁10元增加至2004年的2651.4󰀁10元,在这8

5

年间共增加了111.1󰀁10元。特别是在1996~2004年间,研究区生态系统服务总价值增加较为显

5

5

著,仅这4年就增加了78.4󰀁10元;从各生态系统服务价值的构成比例来看,耕地对生态系统服务总价值的贡献最大,其构成比例在各研究期均达50%

以上。林地和草地对生态系统总服务价值的贡献位居其后,所占比例分别在20%和15%左右。水域对生态系统服务总价值也有一定的贡献,其构成比例在12%左右,而荒漠在生态系统总价值所做贡献最少,所占比例最小,在各研究期均未达到1%。󰀁󰀁通过分析图2,认为在整个研究期间,林地和水域的生态服务价值呈增加趋势,其中林地的生态服务价值增加显著,水域生态系统的服务价值也有一定程度的增加;耕地、草地和荒漠的生态系统服务价值呈显著下降,其中耕地生态系统其服务价值下降较为明显;草地和荒漠生态系统的服务价值下降并不显著。总体来说,各生态系统服务价值呈现两增三减的趋势:林地和水域生态系统服务价值增加,耕地、草地和荒漠生态系统服务价值下降。

2.2.2󰀁生态系统单项服务功能价值差异分析󰀁通过对研究区生态系统各单项服务功能价值进行分析(表3和图3),发现在1996~2004年间各单项服务功能变化程度有所不同,土地利用结构变化导致了研究区生态系统服务功能变化明显,单项生态服务功能差异显著,生态服务功能总体呈增加趋势。其中,水源涵养功能变化最为明显,服务价值增加了

图1󰀁研究区土地利用动态度变化图

Fig.1󰀁Thechangeoflandutilizationdynamicdegreeinresearcharea

4期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁柴仲平等:石河子市土地利用变化及其生态系统服务功能研究1031

表2󰀁研究区各土地利用类型生态服务价值及其构成(󰀁105元,%)

Table2󰀁Thevalueandratiooftotalecosystemserviceofdifferentlandutilizationtypeinresearcharea

生态系统服务价值

景观类型耕地林地草地水域荒漠总计

19961406.3425.3403.6284.720.42540.3

20001394.1483.4397.2325.418.62618.7

20041369.6541.4397.2325.417.82651.4

199655.416.715.911.20.8100.0

构成比例200053.218.515.212.40.7100.0

200451.720.415.012.30.7100.0

表3󰀁研究区生态系统单项服务功能价值构成表(󰀁105元,%)

Table3󰀁Thevalueofsingleecosystemservicefunctionsinresearcharea

类型

总服务价值

气体调节气候调节水源涵养土壤形成与保护

废物处理生物多样性保护

食物生产原材料娱乐文化合计

5

1996

比例8.411.314.019.021.511.88.82.92.2100.0

总服务价值

222.2291.9381.3488.8560.9307.8221.680.563.72618.6

2000

比例8.511.114.618.721.411.88.53.12.4100.0

总服务价值

229.7295.9387.93.9558.5313.3218.387.167.02651.4

2004

比例8.711.214.618.621.111.88.23.32.5100.0

214.5286.7356.7482.8545.4300.7223.373.856.52540.4

30.9󰀁10元,而食物生产生态服务功能变化最小,

5

其损失价值仅为5.0󰀁10元。同时,通过各单项服务功能价值构成比例来看,土壤形成与保护和废物处理在生态系统服务价值的构成中所占比重较大,达18%以上。气候调节、水源涵养和生物多样性保护对生态系统服务价值也有一定的贡献,其构成比例在10%~15%之间。原材料和娱乐文化对生态系统服务价值贡献较小,其所占比例在5%以下。󰀁󰀁通过对研究区生态系统各单项服务价值变化分

析,发现气体调节、气候调节、水源涵养、土壤形成与保护、废物处理、生物多样性保护、原材料和娱乐文化对生态系统服务价值的增加起促进作用,而食物生产则作用相反。因此,通过上述分析,认为研究区生态系统较为稳定,生态系统服务价值在整个研究期内呈增长趋势。

3󰀁结论与讨论

(1)研究区土地利用类型没有发生变化,但各土地利用类型的面积和所占比例波动明显,土地利

图2󰀁研究区不同土地利用类型生态系统服务价值变

化图

Fig.2󰀁Theecosystemservicevaluechangeofdifferentlandutili󰀁

zationtypeinresearcharea

图3󰀁研究区生态系统单项服务价值变化图

Fig.3󰀁Thechangeofsingleecosystemservicevalueinresearcharea

1032西󰀁南󰀁农󰀁业󰀁学󰀁报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁22卷

用结构发生了一定变化。其中耕地和未利用地面积呈下降趋势,林地和建设用地面积则表现为增加趋势,而草地和水域的面积变化不大。在各个研究期,研究区土地利用变化速度较快,其中林地在各研究期的变化速度均较快,平均年变化率达到9.44%;而草地的年变化率在各研究期内均较小,年变化率平均值仅为-0.42%。而从研究时段来看,1996~2000年间的变化速度相对于2000~2004年更快,其中1996~2000年间的土地利用年变化率为0.020%,2000~2004年间的变化速度较慢,变化率只有-0.001%。通过分析说明,随着石河子市社会经济的快速发展,土地利用结构的变化受人为因素的影响越来越显著。

(2)研究区生态系统服务总价值在整个研究期间呈增加趋势,即从1996的2540.3󰀁10元增加至2004年的2651.4󰀁10元,在这8年间共增加了111.1󰀁10元。从各生态系统服务价值的构成比例来看,耕地对生态系统服务总价值的贡献最大,其构成比例在各研究期均达50%以上。林地和草地对生态系统总服务价值的贡献位居其后,所占比例分别在20%和15%左右。水域对生态系统服务总价值也有一定的贡献,其构成比例在12%左右,而荒漠在生态系统总价值所做贡献最少,所占比例最小,在各研究期均未达到1%。但是在整个研究期间,林地和水域的生态服务价值呈增加趋势,其中林地的生态服务价值增加显著,水域生态系统的服务价值也有一定程度的增加;耕地、草地和荒漠的生态系统服务价值呈显著下降,其中耕地生态系统其服务价值下降较为明显;草地和荒漠生态系统的服务价值下降并不显著。总体来说,各生态系统服务价值呈现两增三减的趋势:林地和水域生态系统服务价值增加,耕地、草地和荒漠生态系统服务价值下降。

(3)研究区土地利用结构变化导致了研究区生态系统服务功能变化明显,单项生态服务功能差异显著。其中,水源涵养功能变化最为明显,服务价值增加了30.9󰀁10元,而食物生产生态服务功能变化最小,其损失价值仅为5.0󰀁10元。同时,通过各单项服务功能价值构成比例来看,土壤形成与保护和废物处理在生态系统服务价值的构成中所占比重较大,达18%以上。气候调节、水源涵养和生物

5

5

5

5

5

多样性保护对生态系统服务价值也有一定的贡献,其构成比例在10%~15%之间。原材料和娱乐文化对生态系统服务价值贡献较小,其所占比例在5

%以下。各单项服务价值中,气体调节、气候调节、水源涵养、土壤形成与保护、废物处理、生物多样性保护、原材料和娱乐文化对生态系统服务价值的增加起促进作用,而食物生产则作用相反。参考文献:

[1]DailyGC.eds.NaturesServices:SocietalDependenceonNatural

EcosystemsIslandPress[C].WashingtonD.c,1997.

[2]CostanzaR,ArgeR,GrootR.Thevalueoftheworld󰀁secosystem

servicesandnaturalcapital[J].Nature,1997,386:253-260.[3]欧阳志云,王如松,赵景柱.生态系统服务功能及其生态经济价值评价[J].应用生态学报,1999,10(5):635-0.

[4]欧阳志云,王效科,苗󰀁鸿.中国陆地生态系统服务功能及其生态经济价值的初步研究[J].生态学报,1999,19(5):48-53.[5]李文华,欧阳志云,赵景柱.生态系统服务功能研究[M].北京:气象出版社,2002.26-37.

[6]陈仲新,张新时.中国生态系统效益的价值[J].科学通报,2000,

45(1):17-23.

[7]赵士洞,张永民.生态系统评估的概念、内涵及挑战󰀁󰀁󰀁介绍󰀁生态系统与人类损利:评估框架󰀁[J].地球科学进展,2004,19(4).76-81.

[8]徐中民,张志强,程国栋.生态经济学󰀁󰀁󰀁理论方法与应用[M].郑洲:黄河水利出版社,2003.95-113.

[9]赵󰀁军,杨󰀁凯.生态系统服务价值评估研究进展[J].生态学报,2007,27(1):346-356.

[10]吴后建,王学雷,宁龙梅,等.土地利用变化对生态系统服务价值的影响󰀁󰀁󰀁以武汉市为例[J].长江流域资源与环境,2006,15(2):185-190.

[11]陈克龙,李双成,周巧富,等.近25年来青海湖流域景观结构动态变化及其对生态系统服务功能的影响[J].资源科学,2008,30(2):275-280.

[12]谢高地,鲁春霞,成升魁.全球生态系统服务价值评估研究进展

[J].资源科学.2001,23(6):5-9.

[13]谢高地,张钻铿,鲁春霞,等.中国自然草地生态系统服务价值

[J].自然资源学报,2001,16(1):47-53.

[14]谢高地,鲁春霞,冷允法,等.青藏高原生态资产的价值评估

[J].自然资源学报,2003,18(2):1-196.

[15]谢高地,鲁春霞,肖󰀁玉,等.青藏高原高寒草地生态系统服务价值评估[J].山地学报,2003,21(1):50-55.

[16]王宗明,张󰀁柏,张树清.吉林省生态系统服务价值变化研究

[J].自然资源学报,2004,19(1):55-61.

[17]谢高地,肖󰀁玉,鲁春霞.生态系统服务研究:进展局限和基本范式[J].植物生态学报,2006,30(2):191-199.

(责任编辑󰀁陈󰀁虹)