内蒙古鄂尔多斯市达拉特旗土地利用结构变化对生态系统服务价值的影响

钟莉娜，郭旭东,赵文武，刘世梁，吴 全

（1.中国土地勘测规划院 国土资源部土地利用重点实验室，北京 100035；2.北京师范大学资源学院 地表过程与资源生态国家重点实验室，北京 100875；3.北京师范大学环境学院 水环境模拟国家重点实验室，北京 100875；4.内蒙古自治区土地调查规划院，内蒙古 呼和浩特 010022）

内蒙古鄂尔多斯市达拉特旗土地利用结构变化对生态系统服务价值的影响

钟莉娜1,2，郭旭东1,赵文武2，刘世梁3，吴 全4

（1.中国土地勘测规划院 国土资源部土地利用重点实验室，北京 100035；2.北京师范大学资源学院 地表过程与资源生态国家重点实验室，北京 100875；3.北京师范大学环境学院 水环境模拟国家重点实验室，北京 100875；4.内蒙古自治区土地调查规划院，内蒙古 呼和浩特 010022）

研究目的：在土地利用变化背景下，探讨内蒙古鄂尔多斯市达拉特旗生态系统服务价值变化。研究方法：数理统计、遥感与GIS、模型模拟。研究结果：基于1985年、2000年、2008年和2011年的土地利用数据分析达拉特旗的土地利用结构变化，并在此基础上对生态系统服务价值变化进行定量评价。研究结论：达拉特旗的主要土地利用类型是草地、农田和森林，1985年以来土地利用类型的分配趋向均衡化；研究期间达拉特旗生态系统服务价值总体上呈现先升后降的趋势；达拉特旗的主要生态服务功能是废物处理、水源涵养、土壤形成与保护、生态多样性保护和气候调节，主要生态服务功能年际变化不大。

土地利用； 生态系统服务；价值；功能；模型

生态系统服务是指生态系统为维护人类社会的生产、消费、流通、还原和调控活动而提供的有形或无形的自然产品、环境资源和生态公益能力，是生态系统的一种产出和功效[1-4]。随着科技进步、社会发展和人口迅速增长，自然生态系统承受的压力越来越大，长期以来不合理的人类活动使生态系统服务价值不断降低[5]。土地利用是人类最基本的实践活动之一，与生态系统的服务功能及其价值密切相关[6]。在土地利用变化背景下，探讨生态系统服务功能对促进区域可持续发展和生态环境保护具有重要的科学意义[7-9]。近年来，土地利用变化背景下生态系统服务价值的研究成为生态学研究领域的热点，国内外学者做了许多积极的探索[10-13]。国外对生态系统服务价值的研究大多数在全球或区域尺度上展开，流域尺度、单个生态系统服务价值的估算也是研究的热点领域；中国对生态系统服务价值的研究中，西部对干旱区和半干旱区的主要生态系统类型都有涉及，中部和东部的研究主要涉及森林、湿地、城市等生态系统。资源型城市是中国重要的能源资源战略保障基地，资源型城市土地利用结构变化较大，生态系统较为脆弱，但目前针对资源型城市土地利用结构变化对生态系统服务价值影响的研究较少，研究资源型城市土地利用结构变化对生态系统服务价值的影响对促进资源型城市土地的可持续利用及生态系统服务价值的提高具有重要意义。

达拉特旗作为内蒙古鄂尔多斯市下辖的一个旗，属于典型的资源型城市，其土地利用结构近年来发生了很大变化，对生态系统造成了显著影响。本文在分析达拉特旗1985—2011年土地利用结构变化的基础上，对生态系统服务价值变化进行了定量评价，以期为研究区土地的合理调控和管理提供一定的科学依据。

1 研究区概况

达拉特旗位于内蒙古自治区西南部，黄河（河套）南岸，北与包头市隔河相望，是鄂尔多斯市的北大门，地理坐标为39°48′—40°33′N，108°58′—110°43′E。全旗总面积8200 hm2，总人口34万。属典型的温带大陆性气候，四季分明，干燥少雨，年降水量仅为240—360 mm，主要集中在7—9月，年蒸发量却可以达到2000—3000 mm。地处平缓沙间低地，位于黄土高原向沙漠（地）的过渡地带，地形南高北低，海拔变化、坡位、坡向变化程度较小[14]。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

主要数据是鄂尔多斯市达拉特旗1985年、2000年、2008年和2011年的土地利用图以及相应的植被覆盖（NDVI）数据。1985年、2000年、2008年的土地利用数据来源于中国1∶25万土地覆盖遥感调查与监测数据库，2011年土地利用数据为Sport5遥感影像解译得到。NDVI数据采用由比利时弗莱芒技术研究所（Flemish Institutefor Technological Research，Vito）影像处理中心（VEGETATION Processing Centre，CTIV）基于法国SPOT-4卫星拍摄的全球植被覆盖处理成的数据，其分辨率为1 km。

2.2 信息熵、均衡度、优势度

信息熵可以反映一定地区土地利用类型的多少，不同土地利用类型面积分布的均匀程度，各土地利用类型的有序程度、动态变化以及转换程度。一般情况下，信息熵越大说明土地利用越无序；信息熵越小，土地利用的结构性越强，系统的健康程度越高，越有利于生产活动的开展。信息熵的研究对于区域土地利用结构的优化具有积极的指导意义[15]。其计算公式为：

式1中，S为一个地区的土地总面积，n是该区域土地利用类型数，各种土地利用类型的面积为Si（i = 1，2，…，n），Pi为各种土地利用类型的面积占区域土地总面积的比例，H为信息熵。当各土地利用类型的面积相等时信息熵最大，Hmax= ln n。

实际熵值与最大熵值的比值为研究区土地利用结构的均衡度（J），用于表征各种土地利用类型的分配均匀程度。优势度（I）用于衡量区域土地利用类型结构中占支配地位的一个或几个土地利用类型对研究区的控制程度[16]。均衡度越大，优势度越小，土地利用结构的面积分配更趋向多样化和平均化。

2.3 生态系统服务价值估算

2.3.1 生态系统服务价值估算模型 本文采用Costanza等[17]提出的生态系统服务价值分析模型估算研究区的生态系统服务价值，其公式为：

式5中，ESV为生态系统服务总价值，Ak为研究区第k种土地利用类型的面积，Ck为该土地利用类型单位面积的生态系统服务价值系数。

2.3.2 生态系统服务价值估算模型的修正 谢高地等[18]提供了一个全国平均状态的生态系统服务价值的单价，在应用到不同区域时须进行修正。一般来说，生物量越大，生态系统服务功能越强。谢高地等同时提出了生态系统服务价值单价的修订公式：

式6中，M为生态系统服务价值单价的修正系数；bj为研究区生态系统的单位面积平均生物量；j = 1 , 2，…，m，为不同生态资产类型；B为全国生态系统的单位面积平均生物量。

2.3.3 生物量的遥感估算 基于ArcGIS 9.3空间数据分析软件将1985年、2000年、2008年和2011年6—9月每月1日、11日、21日的NDVI数据进行最大合成（MVC），最终生成最大合成NDVI年数据。在最大合成NDVI年数据的基础上计算全国和达拉特旗1985年、2000年、2008年和2011年的年NDVI平均值，根据马文红[19]在中国北方地区建立的NDVI与生物量之间的关系式估算全国和达拉特旗的生物量：

1) 报警搁置与抑制功能。报警搁置允许操作员暂时抑制造成干扰的滋扰报警。操作员能够选择1个或1组报警进行搁置，并输入需要暂时抑制的原因。

式7—式8中，AGB为地上生物量（g·m-2），BGB为地下生物量（g·m-2），本文中采用的生物量为地上生物量与地下生物量之和。

3 结果与分析

3.1 土地利用结构变化

2011年达拉特旗土地总面积为8243 km2，草地、农田、森林是主要利用类型，占总面积比例分别为39.28%、21.28%、18.60%，荒漠占总面积的12.82%，建设用地、水体和湿地的面积较小，分别占研究区总面积的3.44%、2.96%、1.62%。1985年达拉特旗土地利用结构的信息熵为1.36，2000年下降到1.34，但2000年之后达拉特旗土地利用结构的信息熵明显上升，2008年和2011年分别达到1.45和1.56。1985—2011年信息熵总体呈上升趋势，说明研究期间土地利用格局破碎程度增大，土地利用系统的无序度上升，生态系统的健康程度降低，紊乱度增加。均衡度由1985年的0.70上升到了2011年的0.80，优势度从0.30降至0.20，说明自1985年以来，达拉特旗土地利用类型结构中占支配地位的几种土地利用类型面积减少，各土地利用类型的面积分配更趋向多样化和平均化。

近年来，达拉特旗经济发展迅速，人口增加，城镇化进程加快。各种城镇居住用地、工矿用地及交通运输等基础设施建设在很大程度上改变了原来的土地利用结构，使土地利用结构的无序度上升。同时，1985—2011年间，农田由1985年的156.21 km2增加到2011年的1753.00 km2，草地由4092.37 km2减少到3237.09 km2，建设用地由208.40 km2增加到了283.56 km2，荒漠面积由1911.87 km2减少到了1056.93 km2，土地利用类型之间的面积分配更加均匀，使得达拉特旗草地、农田、森林的优势度降低，土地利用的均衡度增加。

3.2 生态系统服务价值变化

3.2.1 生态系统服务价值单价修正 基于最大合成NDVI年数据计算全国和达拉特旗1985年、2000年、2008年和2011年的年NDVI平均值分别为0.4576和0.2979，根据马文红在中国北方地区建立的NDVI与生物量之间的关系式估算达拉特旗和全国的生物量，达拉特旗生物量为532.9235 g·m-2，全国生物量为867.4577 g·m-2，进一步根据式8得到生态系统服务价值单价的修正系数M = 0.6144。利用修正系数M对谢高地等建立的中国不同陆地生态系统单位面积生态系统服务价值表[18]进行修正，得到达拉特旗不同生态系统单位面积生态系统服务价值表（表1）。

表1 不同生态系统单位面积生态系统服务价值表 单位：元/hm2Tab.1 Units area ecosystem service value in different ecosystems unit: yuan/hm2

表2 达拉特旗生态系统服务价值 单位：104元Tab.2 Ecosystem service value of Dalateqi unit: 104yuan

图1 生态系统服务总价值年际变化Fig.1 Interannual variability of ecosystem service values

图2 不同生态系统服务功能生态系统服务价值年际变化Fig.2 Interannual variability of ecosystem service values of different ecosystem services function

另外，对达拉特旗的不同生态服务功能的生态系统服务价值进行核算（图2），可以看出达拉特旗的主要生态服务功能是废物处理、水源涵养、土壤形成与保护、生态多样性保护和气候调节，而提供原材料、娱乐文化和食物生产方面的生态系统服务价值较低。各生态服务功能的生态系统服务价值年际变化不大，但2011年气候调节的生态系统服务价值明显降低，食物生产的生态系统服务价值却有所增加。

湿地面积减少是2011年气候调节生态服务功能价值降低的主要原因。湿地被称为“地球之肾”，具有保持水源、调节气候、蓄洪防旱、净化水质和维护生物多样性等重要生态功能。在气候、地形、煤矿塌陷等因素的共同影响下，达拉特旗发育形成了类型多样的湿地。目前湿地保护工作已取得了初步成效，但仍未建立湿地保护的长效机制，科技支撑薄弱，湿地保护意识仍有待于提高。

2011年耕地面积的增加以及耕地质量的提高使达拉特旗食物生产的生态系统服务价值有所升高。达拉特旗地区耕地基础条件较差，耕地节约利用水平较低，农业基础设施投入不足，耕地质量较差，保护耕地和提高耕地质量的任务艰巨。2010年起，鄂尔多斯市投入大量资金相继实施了农村土地整治示范工程和自治区农村土地整治重点工程、高标准基本农田及土地集约高效利用示范等项目，加大农业的综合开发力度，发展节水高效农业，增加了耕地面积，提高了耕地的粮食生产能力。

3.2.3 土地利用结构信息熵与生态系统服务价值关系分析 将达拉特旗生态系统服务价值与土地利用结构的信息熵进行相关分析得到图3。从图3可以清楚的看出信息熵越大，生态系统的服务价值越低，二者的相关性为0.75。研究期间城镇、工矿用地的迅速扩张以及交通运输等基础设施的建设使得达拉特旗土地利用结构的无序度升高，最终导致生态系统健康程度的降低和服务价值的降低。合理增加林地、草地、耕地等生态用地的面积，优化土地利用结构可以在一定程度上提高生态系统健康程度及生态系统服务价值。

图3 信息熵与生态系统服务价值相关性分析Fig.3 Correlation analysis of information entropy and value of ecosystem services

4 结论

土地利用结构的变化会引起生态系统结构和格局的变化，进而影响生物地球化学循环、土壤更新、水循环等生态过程，最终引起生态系统服务价值的改变[20-24]。达拉特旗作为鄂尔多斯的能源开发区，分析其土地利用结构变化对生态系统服务价值的影响可以为研究区的土地资源可持续利用和生态社会经济的协调持续发展提供科学支撑。通过分析达拉特旗土地利用结构变化及其对生态系统服务价值的影响得到的主要结论如下：

（1）草地、农田、森林是达拉特旗的主要土地利用类型。1985年以来，占支配地位的土地利用类型面积呈现减少趋势，各土地利用类型的面积分配更趋向多样化和平均化。

（2）1985—2011年，达拉特旗生态系统服务的总价值总体上呈现先升后降的趋势，2000年达到生态系统服务价值的最大值，2011年出现了研究期间生态系统服务价值的最小值。退耕还林政策提升了研究区的生态系统服务价值，然而城市的快速扩张以及煤炭资源的开采侵占了大量生态用地，使得研究区生态系统服务价值降低。

（3）达拉特旗的主要生态服务功能是废物处理、水源涵养、土壤形成与保护、生态多样性保护和气候调节。2011年气候调节的生态系统服务价值明显降低的原因是湿地面积的减少，耕地面积的增加以及耕地质量的提高是食物生产生态系统服务价值提高的重要原因。

（4）达拉特旗土地利用结构信息熵增加与生态系统服务功能降低表现为线性相关关系。合理增加生态用地的面积、优化土地利用结构可以提高生态系统服务价值。

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（本文责编：仲济香）

Effects of Land Use Structure Changes on Ecosystem Service Value: A Case Study of Dalateqi, Erdos

ZHONG Li-na1,2,GUO Xu-dong1, ZHAO Wen-wu2, LIU Shi-liang3，WU Quan4
（1. China Land Surveying and Planning Institute, Key Laboratory of Land Use, MLR, Beijing 100035, China; 2. College of Resources and Technology, Beijing Normal University, State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource
Ecology, Beijing 100875, China; 3. School of Environment, Beijing Normal University, State Key Laboratory of Water Environment Simulation, Beijing 100875, China; 4. Inner Mongolia Autonomous Region Land Surveying and Planning Institute, Hohhot 010022, China）

The purpose of this paper is to analyze the impacts of land use structure changes on ecosystem service value under the background of land-use change. Research methods are statistics, remote sensing, GIS and model simulating. Based on the land use data in 1985, 2000, 2008 and 2011, respectively, the land use changes of Dalateqi were analyzed, and the value of ecosystem services was evaluated quantitatively. The research conclusions include that the main land use types in Dalateqiare grassland, farmland and forest. The distribution of land use types became more balanced since 1985. During the study period, the total value of ecosystem services in Dalateqi first increased and then decreased. Grain policies promoted the value of ecosystem services in the study area. However, the city's rapid expansion and exploitation of coal resources occupied a large part of ecological land, and caused the value of ecosystem services reduced. The main ecosystem services in Dalateqi were waste management, water conservation, soil formation and protection, biodiversity conservation and climate regulation. The interannual variability of main ecosystem services in Dalateqi was not significantly except climate regulation.The value of ecosystem services in climate regulation significantly reduced because of the wetland area reduction.

land use; ecosystem services; value; functions; model

F301.24

A

1001-8158（2014）10-0025-08

2014-08-30

2014-10-10

国土资源部公益性行业科研专项“典型区域土地资源数量-质量-生态监测及持续利用应用示范”（201211050）。

钟莉娜（1989-），女，山东青岛人，硕士研究生。主要研究方向为土地利用与生态过程。E-mail: zhong_lina@163.com

郭旭东（1972-），男，辽宁铁岭人，研究员。主要研究方向为土地生态学、土地利用变化与土地质量。E-mail: sam9560@vip.sina.com.cn