新疆艾比湖生態(tài)脆弱區(qū)生態(tài)服務(wù)價值對土地利用變化的響應(yīng)

馬 倩，孫 虎，昝 梅

(1.陜西師范大學(xué)旅游與環(huán)境學(xué)院，西安710062;2.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，烏魯木齊830054)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能是指生態(tài)系統(tǒng)形成和所維持的人類賴以生存和發(fā)展的環(huán)境條件與效用，包括生態(tài)系統(tǒng)為人類所提供的生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)品和生態(tài)服務(wù)功能［1］。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值研究已經(jīng)成為當(dāng)代生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展研究的熱點(diǎn)之一。在人類活動對環(huán)境影響加強(qiáng)的背景下，LUCC已成為自然和人類活動影響的反映［2］，土地利用作為人類最基本的生產(chǎn)實(shí)踐活動，目前已經(jīng)擴(kuò)張到生態(tài)脆弱及敏感的區(qū)域，對生態(tài)服務(wù)功能產(chǎn)生著決定性的影響［3］。艾比湖處在阿拉山口大風(fēng)通道下，生態(tài)系統(tǒng)具有很強(qiáng)的脆弱性與敏感性。近40 a來，由于人口和耕地面積快速增長、粗放的農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)方式、資源的不合理開發(fā)利用，使流域內(nèi)土地利用變化顯著，引起荒漠化加劇、植被破壞、湖面萎縮、風(fēng)沙災(zāi)害嚴(yán)重等一系列生態(tài)問題。本研究選取對人類活動反映最為敏感的干旱區(qū)湖泊邊緣區(qū)域?yàn)檠芯繉ο螅荚谕ㄟ^定量探討該區(qū)域土地利用與生態(tài)服務(wù)價值的變化情況，為艾比湖綜合治理和生態(tài)保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)，進(jìn)而為干旱區(qū)湖泊脆弱區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展提供科技支撐。

1 研究區(qū)概況

艾比湖流域位于準(zhǔn)噶爾盆地西南，包括博州精河縣、博樂市、溫泉縣、阿拉山口地區(qū)和烏蘇、奎屯、克拉瑪依、獨(dú)山子、托里縣南部及兵團(tuán)農(nóng)五師、農(nóng)七師20個團(tuán)場，流域總面積5.06萬km2。艾比湖流域氣候干燥，降水稀少，年均氣溫8.3℃，年均降水量90.9 mm，年均蒸發(fā)量3 400 mm。西部阿拉山口是全國著名的風(fēng)口，全年8級以上大風(fēng)達(dá)165 d，最大風(fēng)速55 m/s，多集中在4—6月［4］。本研究區(qū)為含艾比湖沿岸的博樂、精河兩個綠洲，地處艾比湖流域的中部，位于 44°22′～45°07′N，82°07′～83°55′E，總面積約為1.09 萬 km2(圖1)。該區(qū)夏季降水稀少，冬季寒冷干燥，年均溫6℃ ～8℃，為典型的中溫帶干旱大陸性氣候，為生態(tài)環(huán)境脆弱、敏感區(qū)域。

圖1 研究區(qū)范圍Fig.1 The range of study area

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評價方法

Costanza等人在全球尺度上對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進(jìn)行了評估［5］。謝高地等人［6］參照 Costanza等人的研究成果，在對我國200位生態(tài)學(xué)者進(jìn)行問卷調(diào)查的基礎(chǔ)上，提出了我國生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)價值當(dāng)量因子表。參照其他相關(guān)研究成果［7－10］，采用Costanza生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的計算公式，對艾比湖區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化情況進(jìn)行了分析，計算公式為

式中:ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(元)，Ak指研究區(qū)第k種土地利用類型的分布面積(hm2)，VCk為生態(tài)服務(wù)功能價值指數(shù)，即單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(元/(hm2·a))。中國不同陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值見表1。

表1 中國不同陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值 元/(hm2·a)Tab.1 Chinese ecosystem services value per unit area of different ecosystem types yuan/(hm2·a)

采用經(jīng)濟(jì)學(xué)中的彈性系數(shù)概念來計算生態(tài)服務(wù)價值的敏感性指數(shù)(CS)［11－14］，將研究區(qū)各土地利用類型的價值指數(shù)分別調(diào)整50%，來計算總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化，其計算公式為

式中:CS代表敏感性指數(shù);ESV表示總生態(tài)服務(wù)價值;VCi代表研究初期生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù);VCj代表調(diào)整后的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)。如果CS＞1，表明ESV相對于VC是富有彈性的;如果CS＜1，ESV則被認(rèn)為是缺乏彈性的，比值越大，表明生態(tài)服務(wù)功能價值指數(shù)的準(zhǔn)確性越關(guān)鍵。

2.2 土地利用數(shù)據(jù)來源及分析方法

研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)采用1990，2001年Land sat－TM和2007年中巴資源衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成影像數(shù)據(jù)為基本信息源，運(yùn)用ERDAS IMAGINE及Arc GIS進(jìn)行解譯得到，并結(jié)合實(shí)地勘察驗(yàn)證及相關(guān)資料查證，對研究區(qū)土地利用/覆被數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理。本研究采用土地利用一級分類系統(tǒng)，將土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地六類進(jìn)行計算分析。

引進(jìn)單一土地利用動態(tài)度指數(shù)(R單)及土地利用綜合指數(shù)(L)［15－17］指標(biāo)，來描述研究區(qū)土地利用變化情況，表達(dá)式為

式中:U1，U2分別為研究期初期和末期某一類型土地利用類型的面積;T為研究期時段長。L表達(dá)式為

式中:L為研究區(qū)土地利用程度綜合指數(shù);Ai為研究區(qū)第i級土地利用程度分級指數(shù);Ci為研究區(qū)內(nèi)第i級土地利用程度的土地類型所占總土地面積的百分比。土地利用程度變化模型為

式中:△L為土地利用程度的變化量;R為土地利用程度變化率;L1，L2分別為研究初期和研究末期區(qū)域土地利用強(qiáng)度綜合指數(shù);Ai為研究區(qū)第i級土地利用程度分級指數(shù)(表2)。Ci1和Ci2分別為研究區(qū)內(nèi)研究初期和研究末期第i級土地利用程度下某一土地利用類型所占的面積百分比。若△L＞0或R＞0則表明研究區(qū)土地利用狀況處于發(fā)展階段;若△L＜0或R＜0，則表明研究區(qū)土地利用狀況處于衰退期;若△L=0或R=0，則表明研究區(qū)土地利用狀況處于穩(wěn)定期［18］。

表2 土地利用程度分級賦值Tab.2 The assign of land use degree

3 結(jié)果與分析

3.1 艾比湖區(qū)域土地利用變化

從艾比湖區(qū)域土地利用總體情況來看，未利用地1990，2001 和2007 年所占比例分別為65.92%，57.27%和56.60%，是主要的土地利用類型，集中分布在艾比湖水面周圍。其次為耕地和草地，1990，2001和2007年二者占研究區(qū)總面積的25.44%，32.85%和34.42%，建設(shè)用地的面積最小，但近年來有擴(kuò)大的趨勢。

從圖2可得，1990—2001年間，艾比湖區(qū)域耕地、林地、草地、水域和建設(shè)用地面積均增加，耕地和草地面積增加量分別為449.99 km2和359.52 km2，未利用地的減少量為945.63 km2。2001—2007年間，除了耕地和建設(shè)用地，草地、林地、水域和未利用地面積均減少。土地面積變化率最大的是建設(shè)用地，其次為耕地。

圖2 艾比湖區(qū)域1990—2007年土地利用面積變化量及變化率Fig.2 The land use area change and area change rate of Ebinur Lake area between 1990 and 2007

1990—2001和2001—2007年，艾比湖區(qū)域土地利用變化的速度有所提高(圖3)。1990—2001年，在研究區(qū)土地利用類型中，耕地的動態(tài)度最高;2001—2007年間，建設(shè)用地的動態(tài)度最高。從土地利用程度變化綜合指數(shù)來看，艾比湖區(qū)域土地利用程度呈增大趨勢，土地利用綜合指數(shù)均介于1～2之間，反映艾比湖區(qū)域整體土地利用程度較低，處于粗放型土地利用模式，△L﹥0且R﹥0，說明研究區(qū)土地利用類型處于發(fā)展階段，土地利用強(qiáng)度逐漸增大。

圖3 艾比湖區(qū)域1990—2007年土地利用動態(tài)度Fig.3 The dynamic degree of Ebinur Lake area between 1990 and 2007

3.2 艾比湖區(qū)域生態(tài)服務(wù)價值變化

根據(jù)艾比湖區(qū)域1990，2001和2007年各土地利用類型面積及生態(tài)服務(wù)價值指數(shù)計算得到研究區(qū)3期生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值。分析表3可知，1990，2001和2007年艾比湖區(qū)域生態(tài)服務(wù)價值分別為53.63，63.01和56.96億元，總體呈上升趨勢。水域在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值中的貢獻(xiàn)最大，分別為46.50%，43.63%和36.62%，其次為耕地、草地和林地，研究區(qū)生態(tài)服務(wù)價值構(gòu)成的主體部分為水域、耕地、草地和林地。1990—2007年間，耕地的面積增加了1 042.79 km2，生態(tài)服務(wù)價值增加了7.86億元;林地面積增加14.75 km2，生態(tài)服務(wù)價值增加了0.29億元;建設(shè)用地生態(tài)服務(wù)價值增加比例最小;水域、草地、林地及未利用地生態(tài)服務(wù)價值均減少，分別減少4.08，0.43，0.29 及 0.38 億元。1990—2007 年間，水域面積減少量僅為98.32 km2，但其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能減少量較大，由于其本身所產(chǎn)生的單位生態(tài)服務(wù)價值量較大，雖然水域面積僅占研究區(qū)總面積的 5.50% ～6.06%，但其生態(tài)服務(wù)價值卻占到了 36.62% ～46.50%。耕地生態(tài)服務(wù)價值的增加對研究區(qū)生態(tài)服務(wù)價值的增加起到了決定性的作用。

表3 艾比湖區(qū)域1990—2007年生態(tài)服務(wù)價值變化Tab.3 Variations of ecosystem service values in Ebinur Lake area from 1990 to 2007

3.3 生態(tài)系統(tǒng)單項生態(tài)服務(wù)價值變化

由表4可知，1990—2007年間，艾比湖區(qū)域各單項生態(tài)服務(wù)價值中水源涵養(yǎng)、廢物處理和娛樂文化其他各類功能價值均增加。其中，土壤形成與保護(hù)、食物供應(yīng)、營養(yǎng)物循環(huán)和氣候調(diào)節(jié)增加的幅度較大。水源涵養(yǎng)服務(wù)價值比例最大，分別為25.49%，28.76%和21.86%，但比例有所下降，其次為廢物處理功能。單項生態(tài)功能服務(wù)價值位于前4位的是水源涵養(yǎng)、廢物處理、生物多樣性保護(hù)和土壤形成與保護(hù)，四者的貢獻(xiàn)率之和分別為73.59%，84.66%和69.38%，呈下降趨勢。艾比湖區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)性功能遠(yuǎn)大于生產(chǎn)性功能，但2001—2007年間，隨人類活動影響的加強(qiáng)，生產(chǎn)性功能增加的幅度較大。

表4 1990，2001和2007年艾比湖區(qū)域單項生態(tài)服務(wù)價值變化Tab.4 Change of all kinds of ecosystem service values in Ebinur Lake area in 1990，2001 and 2007

3.4 敏感度分析

將耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地的生態(tài)服務(wù)功能指數(shù)分別上下調(diào)整50%，通過敏感性計算公式，可以得到研究區(qū)1990，2001和2007年生態(tài)服務(wù)功能價值的敏感性指數(shù)(圖4)。由圖4可知，不同土地利用類型之間，生態(tài)服務(wù)功能價值對生態(tài)服務(wù)指數(shù)的敏感性變動較大，但同一土地利用類型不同年份的敏感性指數(shù)變化較小，均小于1。建設(shè)用地和未利用地的生態(tài)服務(wù)價值敏感性指數(shù)較高，介于0.20～0.35之間，而耕地、林地、草地和水域的生態(tài)服務(wù)價值敏感性指數(shù)都較小，介于0～0.05之間。這表明研究區(qū)內(nèi)ESV對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能指數(shù)是缺乏彈性的，研究結(jié)果可信。

圖4 1990，2001和2007年艾比湖區(qū)域土地利用類型生態(tài)服務(wù)價值敏感性指數(shù)Fig.4 Sensitive coefficients of ecosystem service values of each land use type in Ebinur Lake area in 1990，2001 and 2007

4 結(jié)論

(1)未利用地是艾比湖區(qū)域主要的土地利用類型，為湖泊面積減小之后大面積裸露的干涸湖底。其次為耕地和草地，建設(shè)用地的面積最小。1990—2007年，耕地面積的增加量最大，未利用地的減少量最大。土地面積變化率最大的是耕地，其次為建設(shè)用地，水域面積減少量較小。艾比湖區(qū)域土地利用程度較低，處于粗放型土地利用模式，1990—2007年間，耕地和建設(shè)用地面積增加幅度和速度都較大，說明人類活動對研究區(qū)影響較大，土地利用處于發(fā)展階段，近17a來土地利用強(qiáng)度逐漸增大。

(2)研究區(qū)生態(tài)服務(wù)價值構(gòu)成的主體部分為水域、耕地和草地，占整個系統(tǒng)的80%以上。17a間，艾比湖區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值呈現(xiàn)波動下降的趨勢。應(yīng)該注意的是，水域所占的面積是最小的，但水域所貢獻(xiàn)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值卻達(dá)到35%以上，水域面積的變化對研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值產(chǎn)生決定性的作用。2001—2007年間，艾比湖水域面積減小幅度較大，原因?yàn)楦孛娣e增加較大，農(nóng)業(yè)用水量隨面積的增大速度較快，加上降雨和徑流減少，湖泊面積萎縮嚴(yán)重［19］。

(3)1990—2007年艾比湖區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)單項服務(wù)價值中，水源涵養(yǎng)、廢物處理、生物多樣性保護(hù)和土壤形成與保護(hù)為主要的服務(wù)功能，四者的貢獻(xiàn)率之和分別為73.59%，84.66% 和 69.38%，1990—2001 年間，表現(xiàn)為增加，這主要是因?yàn)楦睾土值孛娣e的增加所造成的;2001—2007年間，表現(xiàn)為減少，且減少幅度較大，主要因?yàn)樗颉⒘值睾筒莸孛娣e的減少引起的。原材料和生物控制的貢獻(xiàn)率最小，貢獻(xiàn)率不足4%。艾比湖區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)性功能遠(yuǎn)大于生產(chǎn)性功能，但生產(chǎn)性功能有增加的趨勢。

(4)敏感性分析結(jié)果表明，不同土地利用類型之間，生態(tài)服務(wù)功能價值對生態(tài)服務(wù)指數(shù)的敏感性變動較大，但同一土地利用類型不同年份的敏感性指數(shù)變化較小，均小于1。這表明研究區(qū)內(nèi)ESV對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能指數(shù)是缺乏彈性的，研究結(jié)果可信。

(5)艾比湖湖周區(qū)域?qū)偕鷳B(tài)環(huán)境脆弱區(qū)域，對外界影響反應(yīng)敏感，尤其是2001—2007年間，人類活動與自然因素的影響已使該區(qū)域土地利用格局發(fā)生了較大的變化，同時，土地利用格局的變化也影響湖區(qū)生態(tài)環(huán)境的變化，進(jìn)而降低了艾比湖濕地生態(tài)服務(wù)功能。

［1］Daily G C.Nature’s Services:Societal Dependence on Natural Ecosystems［M］.Washington D C:Island Press，1997.

［2］Turner B LⅡ，Skole D，Sanderson S，et al.Land－use and Land－cover Change in Science/Research Plan［IGBP ReportNo.35 and HDP Report No.7］［R］.Stockholm and Geneva，1995.

［3］黃青，孫洪波，王讓會，等.干旱區(qū)典型山地—綠洲—荒漠系統(tǒng)中綠洲土地利用/覆被變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響［J］.中國沙漠，2007，27(1):76－81.

［4］農(nóng)五師史志編纂委員會.農(nóng)五師志［M］.烏魯木齊:新疆人民出版社，2005:105－109.

［5］Constanza R D，Arge R，Rudolf de Groot，el al.The Value of the World’s Ecosystem Service and Natural Capital［J］.Nature，1997，387:253 － 260.

［6］謝高地，魯春霞，冷允法，等.青藏高原生態(tài)資產(chǎn)的價值評估［J］.自然資源學(xué)報，2003，18(2):189 －196.

［7］冉圣宏，呂昌河，賈克敬，等.基于生態(tài)服務(wù)價值的全國土地利用變化環(huán)境影響評價［J］.環(huán)境科學(xué)，2006，27(10):2139－2144.

［8］陳仲新，張新時.中國生態(tài)系統(tǒng)效益的價值［J］.科學(xué)通報，2000，45(1):17 －19.

［9］王成，魏朝富，紹景安，等.區(qū)域生態(tài)服務(wù)價值對土地利用變化的響應(yīng)——以重慶市沙坪壩區(qū)為例［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2006，17(8):1485 －1489.

［10］陳忠升，陳亞寧，李衛(wèi)紅，等.基于生態(tài)服務(wù)價值的伊犁河谷土地利用變化環(huán)境影響評價［J］.中國沙漠，2010，30(4):870 －878.

［11］岳書平，張樹文，閆業(yè)超.東北樣帶土地利用變化對生態(tài)服務(wù)價值的影響［J］.地理學(xué)報，2007，62(8):879－889.

［12］Kreuter U P，Harris H G，Matlock M D，et al.Change in Ecosystem Service Values in the San Antonio Area［J］.Texas Ecological Economics，2001，39(3):333 －346.

［13］王宗明，張柏，張樹清.吉林省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化研究［J］.自然資源學(xué)報，2004，19(1):55 －61.

［14］吳后建，王學(xué)雷，寧龍梅，等.土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響——以武漢市為例［J］.長江流域資源與環(huán)境，2006，15(2):185 －190.

［15］劉紀(jì)遠(yuǎn).中國土地利用變化現(xiàn)代過程時空特征的研究［J］.第四紀(jì)研究，2000，20(3):229 －239.

［16］王秀蘭，包玉海.土地利用動態(tài)變化研究方法探討［J］.地理科學(xué)進(jìn)展，1999，18(1):81 －87.

［17］莊大方，劉紀(jì)遠(yuǎn).中國土地利用程度的區(qū)域分異模型研究［J］.自然資源學(xué)報，1997，12(2):105 －111.

［18］孫慧蘭，李衛(wèi)紅，陳亞鵬，等.新疆伊犁河流域生態(tài)服務(wù)價值對土地利用變化的響應(yīng)［J］.生態(tài)學(xué)報，2010，30(4):887－894.

［19］周馳，何隆華，楊娜.人類活動和氣候變化對艾比湖湖泊面積的影響［J］.海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì)，2010，30(2):122－126.