基于遙感的艾比湖流域近20年生態服務價值對土地利用變化的響應

王 爽, 丁建麗, 王 璐, 牛增懿

(1.新疆大學 資源與環境科學學院, 烏魯木齊 830046; 2.綠洲生態教育部重點實驗室, 烏魯木齊 830046)

基于遙感的艾比湖流域近20年生態服務價值對土地利用變化的響應

王 爽1,2, 丁建麗1,2, 王 璐1,2, 牛增懿1,2

(1.新疆大學 資源與環境科學學院, 烏魯木齊 830046; 2.綠洲生態教育部重點實驗室, 烏魯木齊 830046)

新疆艾比湖為我國西部的國門湖泊，是準噶爾盆地西南部邊緣最低洼地及水鹽匯集中心，探究艾比湖流域的土地利用變化及其生態系統服務價值的時空變化特征對于我國西北部地區環境策略的合理制定有重要的意義。以艾比湖流域為研究區，以1990—2011年的五期Landsat-TM系列多光譜遙感影像為基礎數據源，采用Costanza生態系統服務價值計算公式，參照謝高地等的中國陸地生態系統服務單位面積價值，并結合敏感度分析，探討了艾比湖流域1990—2011年土地利用和生態系統服務價值的變化特征。結果表明：1990—2011年間，艾比湖流域土地利用處于發展階段，土地利用程度呈現增大的趨勢；研究期內生態系統服務價值總體呈上升趨勢，從161.69億元增加到163.99億元，增加了2.3億元；林地、草地、水域的生態系統服務價值是生態系統服務的主體部分，占整個系統的84.19%以上；艾比湖流域總體生態環境質量則呈現出惡化的趨勢；雖然流域各類具有高生態價值的土地利用類型面積的擴大有利于整個流域生態質量的改善，但其整體生態環境仍然比較脆弱,還有待提高。

遙感; 艾比湖流域; 生態系統服務價值; 土地利用

新疆艾比湖為我國西部的國門湖泊，是準噶爾盆地西南邊緣最低洼地和水鹽匯集的中心，也是新疆最大的咸水湖[1]。該流域集荒漠化和綠洲化過程為一體，是指征準噶爾盆地生態環境變化最為關鍵的地區[2-3]。其生態環境問題成為繼塔里木河下游綠色走廊衰敗之后新疆的第二大生態熱點，同時它又危及到亞歐大陸橋、312國道、北疆電網等重要基礎經濟資源的建設開發與暢通[4]。

生態系統服務是指通過生態系統的結構、過程和功能直接或間接得到的生命支持產品和服務[5]。它包括自然生態系統及所屬物種支撐和維持人類生存的條件和過程，以及人類直接或間接從生態系統中獲得的利益[6]。隨著對自然認識的逐步深入，生態系統服務對人類可持續發展的重要性已得到廣泛認同，其價值的評估也成為目前生態經濟學研究的熱點問題之一。土地利用/覆被(LUCC)的變化是自然和人為因素綜合作用的結果，是人地系統耦合作用的產物，LUCC能通過改變生態系統的功能和結構，對生態系統維持及其服務功能起到決定性的作用[5,7]。此外，由LUCC所導致的生態系統服務價值變化也可以作為一個反映LUCC環境效應的重要量化指標，進一步豐富了LUCC綜合生態環境效應的定量研究。因此，研究LUCC背景下的區域生態系統服務價值變化具有重要的現實意義。

近年來，國內外學者在不同類型和不同空間尺度開展的生態系統服務價值評估研究已取得了一系列研究成果[8-10]，例如對生態系統服務價值的理論、評價和估算等。但是，縱觀國內已開展的干旱區流域生態系統服務價值研究，其研究范圍主要集中在和田河、石羊河、塔里木河等流域[11]，而對生態環境脆弱的艾比湖流域生態系統服務價值研究相對缺乏，這對艾比湖流域水土資源開發利用和生態系統可持續管理是極為不利的。

本文以艾比湖流域為研究區，以1990年、1996年、2001年、2006年和2011年的5期Landsat-TM遙感影像為基礎數據源，分析該流域近20 a的土地利用變化過程，并估算其生態系統服務價值，利用敏感性指數、單項生態系統功能和綜合生態系統服務價值分析該流域在土地利用變化及其影響下的生態系統服務價值的時空變化特征，從而為該流域合理地利用土地資源、維護區域生態系統的穩定、實現經濟和社會的可持續發展提供科學依據。

1 研究區概況

艾比湖是新疆第二大湖泊，同時也是新疆最大的封閉式咸水湖，位于43°38′—45°52N′和79°53′—85°02′E，總面積5.06萬km2。據《新疆統計年鑒2012》，到2011年全流域人口約120萬人。艾比湖流域屬溫帶干旱性大陸氣候，干旱少雨、蒸發量大、日照充足，特別是特殊的地形地貌相匹配，風多沙大，沙塵暴和浮塵活動頻繁是該地區的顯著特點[12]。特殊的地理位置以及地形地貌特征和氣候條件，使其形成了石漠、礫漠、沙漠、土漠、鹽漠、沼澤、鹽湖等多種荒漠地類，植被也依次形成了旱生、超旱生、沙生、鹽生、水生等多種類型[13]，主要植物類型有胡楊(Populuseuphratica)、梭梭(Haloxylonammodendron)、蘆葦(Phragmitesaustralis)和檉柳(Tamarixramosissima)等。流域內主要土地利用類型包括耕地、林地、草地、水域、濕地、沙地、鹽堿地等。由于近代工農業生產活動加劇，艾比湖湖水補給河流下游多斷流，湖面面積減少，直接威脅了該流域農牧業的可持續發展。

2 研究方法

2.1 數據源及處理

本研究遙感影像數據選用1990年、1996年、2001年、2006年和2011年生成的5期Landsat-TM系列多光譜影像，像元大小為30 m×30 m。首先利用艾比湖流域2011年1∶100 000的地形圖對2011年的遙感影像進行幾何校正，接著以2011年的影像為基準，分別校正其余的4幅遙感影像。1990年、1996年、2001年和2006年影像的RMS誤差均在0.5個像元以內。待幾何校正后，分別對影像完成大氣輻射校正、幾何精校正及邊界裁定、圖像增強等處理工作。在綜合考慮遙感影像數據的光譜特征和紋理信息的基礎上，結合干旱區流域的特點，參照國家通用土地分類系統以及實際情況[14]，應用支持向量機分類方法(Support Vector Machine，SVM)對研究區的土地利用類型進行劃分。劃分為5個一級類型：耕地、林地、草地、水域、和未利用地，為了便于土地利用變化的生態系統服務價值的分析，根據艾比湖流域土地利用現狀和土地資源特點，在25個二級分類的基礎上重新劃分，將研究區土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水域、濕地、沙地、鹽堿地和未利用地8個類型。

2.2 土地利用變化動態指標

利用單一土地利用類型的凈變化速度來描述艾比湖流域各土地利用類型的動態變化。凈變化速度表達區域一定時間內某一土地利用/覆被類型的數量的速度變化[15-16]，其模型表達式為：

(1)

式中：K——在研究時段內某一土地利用類型的動態度；Ub，Ua——研究末期和初期的某一土地利用類型數量；T——研究的時間跨度，將T的時段設定為年時，K值就代表該研究區單一土地利用類型的年變化率。

2.3 生態系統服務價值評估方法

Costanza等[5]提出的生態系統服務價值評價方法，是在全球尺度上進行的，在某些數據上存在較大偏差，爭議較大[17-19]。謝高地等[20]針對其不足，根據中國的實際情況，制定了中國不同陸地生態系統單位面積生態服務價值表。本文在其研究基礎之上，充分參考近年來國內外專家、學者對于干旱區湖泊流域地區所開展的相關研究[21-24]，結合艾比湖流域的實際情況，制定艾比湖流域不同生態系統單位面積的生態服務價值系數表(表1)。由于研究區的未利用地中大部分是濕地、沙地、鹽堿地和其他未利用地，因而研究將居民點、交通用地以及工礦用地等建設用地的生態價值不予考慮，并將其值域設為零[25]。研究區生態系統服務價值的模型為：

ESV=∑Ak·VCk

(2)

ESVf=∑Ak·VCk

(3)

式中：ESV——生態系統服務價值；Ak——為研究區第k種土地利用類型的分布面積；VCk——生態服務功能價值指數，即單位面積的生態系統服務價值；ESVf——單項生態系統服務功能價值；k——單項生態系統服務價值系數；f——土地利用類型。

表1 艾比湖流域不同土地利用類型的生態系統服務價值系數 元/(hm2·a)

2.4 敏感性分析方法

本文參照相關的研究成果[26]，選用經濟學中常用的彈性系數概念來計算價值指數VC的敏感性指數CS，以確定生態系統服務價值隨著時間的變化情況對價值系數的依賴程度。文中將各類土地利用類型的價值指數VC分別調整50%，以衡量生態系統服務價值對價值指數VS的敏感程度。如果CS>1，表明生態系統服務價值相對于VC是富有彈性的；如果CS<1，生態系統服務價值則是缺乏彈性。CS值越大，就表明生態服務價值指數的準確性越關鍵。敏感性指數的計算公式如下：

式中：ESV——估算的總生態系統服務價值；VC——生態價值系數；i，j——初始狀態總價值和生態價值系數調整以后的總價值；k——各土地利用類型。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化過程分析

對比1990年、1996年、2001年、2006年和2011年5期的遙感影像，通過統計得出1990—2011年近20 a來艾比湖流域土地利用變化(表2)。結果表明，耕地面積增加17.96萬hm2，年變化速度最大為11.04%，林地面積增加1.98萬hm2，年變化速度最小為1.79%。鹽堿地面積增加3.09萬hm2，年變化速度達4.08%；沙地面積增加了1.44萬hm2，年變化速度為2.47%；草地面積減少7.05萬hm2，年變化速度達-2.99%；水域面積減少1.87萬hm2，年變化速度為-2.32%；濕地面積減少0.44萬hm2，年變化速度為-0.87%；其他未利用地面積減少15.12萬hm2，年變化速度為-5.5%。

表2 1990-2011年艾比湖流域土地利用類型面積變化

從表2可看出，1990—2011年間艾比湖流域土地利用變化總體的趨勢為耕地、鹽堿地、沙地和林地的面積增加，草地、水域、濕地和未利用地的面積減少。近20 a來，隨著經濟發展和人口增加，流域耕地面積呈現持續增加的趨勢；與此同時，伴隨著耕地面積的增大，農業用水量也在增加，但在水資源總量沒有增加的情況下，湖泊、河流的面積必然會減少，因而在1990—2011年間，研究區內的博爾塔拉河、精河、奎屯河以及艾比湖水面面積有所波動，但總體呈下降的趨勢，20 a間共減少了2.32萬hm2；特別近20 a來，隨著流域內耕地面積擴大及社會經濟發展速度的加快，對水資源的需求量日益增加，致使注入艾比湖的主要河流水量迅速減少或斷流，艾比湖水面急劇萎縮，因而造成當地植被生存環境惡化，草地面積持續減小，最終導致土壤鹽堿化的面積不斷增加，而土壤鹽堿化的程度不斷加重，又加劇了當地的土地沙漠化，這是艾比湖流域鹽漬地面積和沙地面積持續增加的主要原因。

3.2 生態服務價值的動態變化

水域、林地、草地、耕地等土地類型的生態價值系數較高，這類用地的變化將極大地影響流域生態系統服務價值的變化。根據艾比湖流域不同土地利用/覆被類型的生態系統服務價值系數，計算1990—2011年流域的生態系統服務價值及其變化(表3)。由表3可得到，1990年、1996年、2001年、2006年和2011年艾比湖流域生態系統服務價值分別為161.69億元，164.99億元，166.18億元，166.32億元和163.99億元，呈現出先增加后減少的趨勢。從生態系統服務價值的總體構成來看，林地、草地、水域的生態系統服務價值占整個系統的84.19%以上，是生態系統服務的主體。1990—2011年間，生態系統服務價值增加了6.44億元，年均增加幅度為0.29%，平均每年增加2.3億元。在1990—2006年生態系統服務價持續增加。在這時段，耕地和林地的生態系統服務價值均在增加，其中耕地一直在持續增加，從1990年的19.90億元增加到2006年的27.73億元，期間林地、草地和水域的價值都有所波動，但由于2006年流域的生態環境略有所改善，林地價值有大幅增加；而在2006—2011年這一時段，生態系統服務價值呈現出減少的趨勢，這主要是由于林地、草地和水域的價值均大幅減小。其中水域的價值減小幅度最大，損失達2.21億元，這與流域水資源的過分利用和開發有著很大關系。

3.3 生態系統單項服務價值的動態變化

1990—2011年艾比湖流域生態系統單項服務功能價值(ESVf)總體的變化趨勢(表4)為:食物生產、原材料生產、氣候調節、氣體調節和保持土壤都有增加，其中食物生產的增幅最大，這主要是由于耕地面積增加導致食物生產價值升高；水源涵養、廢物處理和提供美學景觀均有減少，其中水源涵養的減少最大，這主要是由于水源涵養價值系數的水域面積減小引起的。從生態系統服務功能分析，水源涵養、廢物處理、保持土壤和維持生物多樣性的價值貢獻率都比較大，貢獻率大于71.75%；而提供食物生產、原材料生產和美學景觀的價值貢獻率較最小。這充分說明艾比湖流域的服務性功能遠遠大于生產性功能。

表3 1990-2011年艾比湖流域生態系統服務價值及其變化

表4 艾比湖流域1990-2011年單項生態系統服務價值

3.4 敏感度分析

根據CS計算公式，本文把生態價值系數分別上下調整了50%，計算價值系數調整后的艾比湖流域1990年、1996年、2001年、2006年和2011年各土地利用類型的生態系統服務價值，并估算敏感性指數(圖1)。結果表明流域所有土地利用類型生態系統服務價值系數的敏感性指數(CS)均小于1，各地類的敏感性指數由高到低依次為水域、林地、草地、耕地和未利用地。其中，1990年水域的敏感性指數最高為0.40，2011年未利用地的敏感性指數最低為0.018 3。在1990—2011年耕地的敏感性指數呈增長趨勢，林地的敏感性指數雖有所波動但總體仍呈增長趨勢，草地和水域敏感性指數呈減少趨勢，這表明耕地和林地的生態系統價值系數變化會對艾比湖流域生態系統服務總價值產生放大作用，而草地和水域生態系統價值系數變化對艾比湖流域生態系統服務總價值產生縮小的作用。未利用地的敏感性指數最小，位于0～0.02之間，這說明未利用地生態系統價值系數變化對艾比湖流域生態系統服務總價值的變化影響不大。敏感性分析表明，流域生態系統服務價值對VC是缺乏彈性的，即使價值系數具有一定不確定性，但是流域的生態系統服務價值的計算仍然是穩定的，這進一步證明研究結果是真實可信的。

圖1 1990-2011艾比湖流域敏感性指數

4 結論與討論

本文以1990—2011年的5期Landsat-TM系列多光譜遙感影像為基礎數據源，分析了艾比湖流域土地利用變化情況，應用謝高地等[20]提出的中國陸地生態系統單位面積生態服務價值系數，估算了生態系統服務價值的變化，引入彈性系數概念對生態價值的敏感性指數進行了計算。

研究表明通過對艾比湖流域的土地利用變化分析可得出，流域的土地利用現在正處于發展階段，總體依然處于粗放利用型和集約利用型之間。近20 a來，土地利用強度逐步增大，流域的土地利用正向著多樣化方向發展。其土地利用變化顯著，其中面積變化速度最大的是耕地，其次是鹽堿地，未利用地的面積大量減少，這也與該流域的實際經濟發展情況相一致。其生態服務總價值在1990年以來呈現先增加后減少的趨勢，到2011年總價值增加了2.3億元，其中耕地的生態服務價值增幅最大，而草地和水域的生態系統服務價值均有所減小。在整個研究時段內，水源涵養、保持土壤以及廢物處理的貢獻率最大。生態系統服務價值的減少主要是因為草地和水域面積的減少，因而耕地面積的增加，不能彌補草地和水域減少造成的區域生態系統服務價值的減少。

敏感性指數表明，研究區生態系統服務價值對于生態價值系數是缺乏彈性的，生態系統服務價值對生態服務價值系數的敏感程度均小于1，因此研究結果是可信的。

通過本研究可知，艾比湖流域生態環境變化存在著改善和惡化并存的情況。艾比湖流域總體生態環境質量呈現出惡化的趨勢。草地、水域的縮減和耕地、鹽堿地、沙地規模的迅速擴張是影響該區域生態環境質量變化的主要因素，因此應該重視林地、草地的保護，防治水域的退化, 要因地制宜，發展節水灌溉，有步驟有計劃地對產量低、土質差等情況進行改善，對無法提高耕地效益的耕地實施退耕還林還草，從而遏制生態環境質量惡化，促進生態環境質量改善。

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ResponseofEcologicalServiceValuetoLandUseChangeinNearly20YearsinEbinurLakeRegionofXinjiangBasedonRemoteSensing

WANG Shuang1,2, DING Jian-li1,2, WANG Lu1,2, NIU Zeng-yi1,2

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentScience,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China; 2.KeyLaboratoryofOasisEcosystem,MinistryofEducation,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China)

As the portal lake of Xinjiang, China, Ebinur Lake is the lowest wash and the center of water and soil in south-western Junggar basin. Its ecological environmental problems seriously threatened due to the land use and land cover change of Ebinur Lake to the sustainable development in the northern slope economic zone in China, even threatened the safety and smooth of the Asia—Europe continental bridge. It is significant for reasonable formulation of environmental policy of northwestern China to explore the land use and land cover change of Ebinur Lake and its temporal variation characteristics of ecosystem service value. This study took the typical Ebinur Lake for the study site. The temporal variation characteristics of ecosystem service values were studied by using five temporal Landsat-TM multispectral remote sensing images from 1990 to 2011 and the computational formula of Costanza ecosystem service value as well as the sensitivity analysis and Chinese land ecosystem service value per unit area created by Xie Gaodi. The conclusions are as follows: in 1990—2011, the land use of Ebinur Lake showed an increasing trend; the degree of land use presented the tendency of increase; during the research period, the ecosystem service values showed the general rose, which increased 230 million Yuan from 16.169 billion Yuan to 16.169 billion Yuan; woodland, grassland, water area ecosystem service values are the main part of the ecosystem services, accounting for more than 84.19% of the whole system; the overall ecological environment quality of Ebinur Lake is showing a worsening trend; although the expansion of basin for land use types with high ecological value area is helpful for the improvement of the quality of the whole river basin ecological, its overall ecological environment is still relatively weak and needs to be improved.

remote sensing; Ebinur Lake; ecosystem service value; land use

2013-10-30

：2013-12-16

國家自然科學基金項目(41130531,41261090,41161063);霍英東教育基金項目(121018);教育部新世紀優秀人才支持計劃(NCET-12-1075)

王爽(1989—),女,河南洛陽人,碩士生,主要從事干旱區資源遙感研究。E-mail:tvxq928@163.com

丁建麗(1974—),男,山東成武人,博士,教授,主要從事干旱區資源遙感研究。E-mail:watarid@xju.edu.cn

F301.24;X171.1

：A

：1005-3409(2014)05-0144-06