基于3S的榆林市土地利用-覆蓋變化的生態(tài)效應(yīng)定量研究.pdf

1、地表的土地利用/土地覆蓋是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，它不僅為人類提供物質(zhì)材料，而且還創(chuàng)造與維持了地球生命支持系統(tǒng)，具有重要的生態(tài)服務(wù)功能。土地利用/覆蓋變化可引起生態(tài)系統(tǒng)類型、面積及空間格局的變化，進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)所提供的服務(wù)種類和強(qiáng)度。但是長(zhǎng)期以來，土地利用結(jié)構(gòu)的調(diào)整僅以其直接物質(zhì)產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)價(jià)值為依據(jù)，造成了土地利用的生態(tài)問題不斷擴(kuò)大和加深。為此，越來越多的學(xué)者意識(shí)到土地利用變化中生態(tài)環(huán)境經(jīng)濟(jì)分析勢(shì)在必行，并積極探索生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)

2、值的測(cè)算方法。但是由于各類生態(tài)系統(tǒng)各項(xiàng)生態(tài)服務(wù)功能的空間異質(zhì)性，其價(jià)值測(cè)算方法和結(jié)果因此也具有很強(qiáng)的區(qū)域性。榆林市位于毛烏素沙地南緣和黃土高原北部接壤地帶，生境脆弱、敏感，近20年土地利用/覆蓋發(fā)生著不斷的變化。目前基于3S的榆林市不同時(shí)期土地利用/覆蓋條件下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值核算并不多見。本文對(duì)榆林市不同時(shí)期土地利用/覆蓋條件下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值進(jìn)行核算，按不同空間尺度分析其時(shí)間變化、構(gòu)成變化和空間差異等特點(diǎn)，定量揭示區(qū)域土地利用

3、/覆蓋變化的生態(tài)效應(yīng)，為區(qū)域土地利用調(diào)整提供依據(jù)，為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值定量測(cè)評(píng)作新的探索。 本文使用的方法可分為兩大類：一類是土地利用/覆蓋變化的研究方法，主要包括遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)等；另一類是研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)分析方法，包括分析綜合法、機(jī)會(huì)成本法、一系列替代法等。研究中，首先利用R2V數(shù)字化圖件資料，并在ARCGIS下定義投影、編輯、拓?fù)湫纬删哂械确e投影系統(tǒng)的榆林市行政區(qū)圖、土壤類型圖、植被分布圖

4、、土地利用現(xiàn)狀參考圖等基礎(chǔ)和輔助圖件；利用GPS野外定位樣點(diǎn)，在ARCGIS平臺(tái)下形成具有等積投影的樣點(diǎn)圖層。然后參照樣點(diǎn)圖層及其他輔助圖層與資料，在ERDAS技術(shù)支持下，人機(jī)交互對(duì)三個(gè)時(shí)期遙感圖像進(jìn)行解譯，并在地理信息系統(tǒng)技術(shù)的支持下，以縣、區(qū)級(jí)行政區(qū)為數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)單元，建立土地利用/覆蓋變化數(shù)據(jù)庫(kù)并生成土地利用類型專題圖。接著基于土地利用/覆蓋變化數(shù)據(jù)庫(kù)從多個(gè)層面分析榆林市土地利用/覆蓋的時(shí)空、構(gòu)成變化，并采用分析綜合的思路，把生態(tài)系統(tǒng)

5、服務(wù)功能綜合價(jià)值分解為有機(jī)物生產(chǎn)價(jià)值、生態(tài)系統(tǒng)固定CO2價(jià)值、釋放O2價(jià)值、涵養(yǎng)水源價(jià)值、保持土壤價(jià)值等各項(xiàng)單一服務(wù)價(jià)值，對(duì)各類生態(tài)系統(tǒng)按照盡可能點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的計(jì)算原則，依由點(diǎn)及面、由小到大的順序分別核算上述各項(xiàng)單一服務(wù)價(jià)值。最后以不同的空間尺度進(jìn)行區(qū)域單項(xiàng)及綜合價(jià)值匯總，并從時(shí)間、構(gòu)成、空間角度和靜態(tài)、動(dòng)態(tài)兩個(gè)層面分析區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值量及其變化特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上揭示榆林市土地利用/覆蓋變化的生態(tài)效應(yīng)。 全文共分為9個(gè)部分：

6、 第一部分：緒論。介紹了本文的選題背景和研究思路；簡(jiǎn)述了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能相關(guān)概念、研究進(jìn)展、以及目前生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值評(píng)價(jià)的類型與方法。 第二部分：榆林市概況。介紹了榆林市自然環(huán)境概況和社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件。 第三部分：榆林市土地利用/覆蓋變化數(shù)據(jù)庫(kù)建立。簡(jiǎn)述了RS數(shù)據(jù)源基本情況、數(shù)據(jù)預(yù)處理過程、圖像解譯分類方案、具體解譯方法及操作過程，并基于解譯結(jié)果建立了榆林市13類土地利用/覆蓋類型的變化數(shù)據(jù)庫(kù)，在GIS支持下

7、進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。 第四部分：榆林市生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)物生產(chǎn)功能價(jià)值測(cè)評(píng)。對(duì)林地、草地、園地和耕地的凈第一性生產(chǎn)力物質(zhì)量、價(jià)值量進(jìn)行測(cè)算，并分析了不同空間尺度下區(qū)域單位面積各類生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和區(qū)域總第一生產(chǎn)力的時(shí)空、構(gòu)成動(dòng)態(tài)變化特點(diǎn)。 第五部分：榆林市生態(tài)系統(tǒng)固定CO2和釋放O2功能價(jià)值測(cè)評(píng)。 第六部分：榆林市生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源功能價(jià)值測(cè)評(píng)。 第七部分：榆林市生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能價(jià)值測(cè)評(píng)?；诘谌糠纸⒌耐?/p>

8、地利用/覆蓋變化數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合1987年榆林地區(qū)土壤普查成果、DEM等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，依據(jù)ULSE方程分別對(duì)榆林市三個(gè)時(shí)期林地、灌木林、草地、園地等的土壤保持物質(zhì)量和價(jià)值量進(jìn)行估算。估算時(shí)首先利用ARCVIEW把計(jì)算中用到的基礎(chǔ)因子按字段加入到矢量圖層的屬性表中，然后按照25m×25m的精度把遙感解譯得到的土地利用類型矢量圖和各因子矢量圖按字段進(jìn)行柵格化處理，形成基礎(chǔ)因子GRID，并基于DEM提取坡長(zhǎng)、坡度進(jìn)而提取1s因子GRID，最后所有因子

9、的GRID依據(jù)USLE方程進(jìn)行地圖運(yùn)算，求得不同時(shí)期不同土地利用/覆蓋條件下的土壤保持物質(zhì)量和價(jià)值量GRID，并分析不同區(qū)域單位面積各類生態(tài)系統(tǒng)土壤保持價(jià)值量和區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)土壤保持總價(jià)值量的時(shí)空、構(gòu)成動(dòng)態(tài)特點(diǎn)。 第八部分：榆林市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能綜合價(jià)值測(cè)評(píng)。對(duì)本研究中所考慮的各類生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)物生產(chǎn)、固碳釋氧、涵養(yǎng)水源、保持土壤等服務(wù)功能價(jià)值進(jìn)行綜合匯總，并按不同空間尺度進(jìn)行時(shí)空、構(gòu)成動(dòng)態(tài)分析，最后分離土地利用變化和其他因素波動(dòng)

10、對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值變化的影響，利用土地利用變化生態(tài)效應(yīng)貢獻(xiàn)率和土地利用生態(tài)效應(yīng)度定量評(píng)價(jià)不同時(shí)期不同空間尺度區(qū)域土地利用變化的生態(tài)效應(yīng)。 第九部分：結(jié)論與討論。本文在研究實(shí)踐中得到以下結(jié)論： (1)1987、1999和2002年全市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能綜合價(jià)值分別為237.58億元、173.43億元和283.69億元。15年總增幅達(dá)19.41％，平均年增幅為1.29％。15年中，全市林地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值增加4

11、9.91億元，草地增加28.04億元、園地也有增加，耕地減少了32.56億元。全市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能綜合價(jià)值在后一階段(1999～2002)比前一階段(1987～1999)變化幅度大。 (2)榆林市不同區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能綜合價(jià)值量及其變化情況存在較大差異。1987、1999、2002年北六縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能綜合價(jià)值分別是174.08億元、126.51億元、218.60億元，南六縣分別是63.50億元、46.91億元、65.09

12、億元，前者分別約為后者的2.74倍、2.67倍、3.36倍。北六縣生態(tài)系統(tǒng)各項(xiàng)服務(wù)功能價(jià)值排序：固碳釋氧＞有機(jī)物生產(chǎn)＞涵養(yǎng)水源＞保持土壤，而南六縣的排序?yàn)楣烫坚屟酰居袡C(jī)物生產(chǎn)＞保持土壤＞涵養(yǎng)水源。南北六縣從1987到2002年耕地生態(tài)服務(wù)價(jià)值比重均不斷縮減，林地、草地均不斷增加，北六縣以林地上升為最，南六縣以草地上升為最；到2002年北六縣林地生態(tài)服務(wù)價(jià)值最大，而南六縣草地生態(tài)服務(wù)價(jià)值最大。榆林市各縣區(qū)降水量年際變率大，單位面積各類生態(tài)

13、系統(tǒng)有機(jī)物生產(chǎn)、固碳釋氧、涵養(yǎng)水源的物質(zhì)量、價(jià)值量受其影響年際變化大。單位面積各類生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能價(jià)值受地形影響南六縣顯著高于北六縣。單位面積平均土壤保持物質(zhì)量的空間差異表明在土壤潛在侵蝕量大的地區(qū)，植被土壤保持功能價(jià)值大，更應(yīng)重視當(dāng)?shù)氐闹脖槐Ｗo(hù)。 (3)利用土地利用變化生態(tài)效應(yīng)貢獻(xiàn)率可以客觀評(píng)價(jià)區(qū)域某一時(shí)期土地利用/覆蓋變化的生態(tài)效應(yīng)。全市土地利用生態(tài)效應(yīng)貢獻(xiàn)率(區(qū)域土地利用生態(tài)總效應(yīng))在1987～1999、1999～2

14、002、1987～2002年分別是31.01％(33.79億元)，25.62％(42.02億元)，75.53％(169.38億元)，說明土地利用變化和氣候波動(dòng)對(duì)榆林市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能綜合價(jià)值的影響都很大。 (4)利用區(qū)域土地利用變化生態(tài)效應(yīng)度可以比較不同區(qū)域不同時(shí)段土地利用變化生態(tài)效應(yīng)的絕對(duì)大小。從時(shí)間看，大部分區(qū)域在1999～2002的土地利用變化生態(tài)效應(yīng)度高于1987～1999，說明區(qū)域土地利用變化程度后一時(shí)期較前一時(shí)期更

15、劇烈；從空間看，1987～1999年北六縣土地利用變化生態(tài)效應(yīng)度大于南六縣；1999～2002南六縣大于北六縣，說明前一時(shí)期北六縣土地類型間流轉(zhuǎn)導(dǎo)致生態(tài)價(jià)值變化較南六縣強(qiáng)烈，后一時(shí)期與之相反。 本文主要在以下幾方面有所突破： (1)利用3S手段對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值進(jìn)行測(cè)評(píng)和分析，尤其是在生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能價(jià)值測(cè)評(píng)研究中，充分應(yīng)用3S手段，基于DEM和各因子GRID進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的地圖運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)了查詢和輸出任意點(diǎn)的

16、土壤侵蝕情況，使得運(yùn)算結(jié)果更精確，更符合ULSE方程的應(yīng)用基礎(chǔ)。在應(yīng)用USLE方程時(shí)，參考原方程參數(shù)確定的實(shí)驗(yàn)區(qū)大小進(jìn)行各因子的矢量柵格轉(zhuǎn)換(25m×25m)；考慮到方程參數(shù)具有明顯的區(qū)域性，故R、C、LS借鑒了國(guó)內(nèi)學(xué)者有關(guān)研究結(jié)果；根據(jù)榆林市土壤普查結(jié)果中各類土壤質(zhì)地和有機(jī)質(zhì)含量，查美制諾漠圖得到各類土壤的可蝕性因子K值，并注意到其美制基礎(chǔ)，作了相應(yīng)轉(zhuǎn)換。這樣處理使得計(jì)算結(jié)果更精確，也更具有區(qū)域?qū)嵱脙r(jià)值。 (2)應(yīng)用3S手段

17、，對(duì)榆林市有機(jī)物生產(chǎn)、固碳釋氧和涵養(yǎng)水源價(jià)值按不同空間尺度不同時(shí)期進(jìn)行區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值核算，使得核算結(jié)果具有區(qū)域特點(diǎn)和應(yīng)用價(jià)值。并對(duì)各類生態(tài)系統(tǒng)各項(xiàng)服務(wù)功能價(jià)值按不同空間尺度進(jìn)行時(shí)間、構(gòu)成、空間差異分析，揭示其時(shí)空、構(gòu)成動(dòng)態(tài)特點(diǎn)。 (3)分離土地利用變化與氣候等其他因素變化對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能綜合價(jià)值波動(dòng)的影響，利用土地利用變化生態(tài)效應(yīng)貢獻(xiàn)率可以更加客觀的定量評(píng)價(jià)不同空間尺度某一時(shí)期區(qū)域土地利用/覆蓋變化的生態(tài)效應(yīng)，