尉犁縣土地利用/覆被變化的區域生態系統服務價值變化

帕茹克·吾斯曼江, 阿依吐爾遜·沙木西, 劉新平, 亞西爾·阿布力克木

(新疆農業大學 管理學院, 烏魯木齊 830052)

20世紀90年代以來，全球環境變化受到國內外學術界的廣泛關注，土地利用/覆被變化是引起全球變化并且制約人類社會可持續發展的主要因素之一[1]。土地利用/覆被變化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作用[2]；而對生態系統服務進行價值評估則能為生態環境保護、生態功能區劃、環境經濟核算和生態補償決策提供重要依據和基礎[3]，因而土地利用/覆被變化對生態系統服務價值的影響研究成為了國際生態學和生態經濟學的研究熱點和前沿領域。1997年Costanza等對全球生態系統進行了分類并估算了其服務功能價值[4]，使生態系統服務價值評估有了相對科學的研究方法；國內外學者運用此方法針對土地利用變化所引起的生態系統服務價值變化評估開展了大量研究[5-9]，其中最具代表性的研究成果是我國學者謝高地提出的中國陸地生態系統單位面積生態系統服務價值當量表[10]，并與2015年對其進行了改進[3]。目前土地利用/覆被變化對生態系統服務價值的影響研究主要集中于兩方面，一是生態系統服務價值的靜態分析，如Gren等對歐洲多瑙河流域進行了生態服務價值的評估[11]；蔡中華等使用2010年中國生態系統的統計數據，對我國2010年生態系統服務價值進行了再計算[12]；二是區域生態系統服務價值的動態變化評價，主要探討不同時段內區域土地利用/覆被變化引致的生態系統服務價值量的變化，如 Mendoza-González選取墨西哥灣中部3個研究區，分析了1995—2006年研究區土地利用變化及其生態系統服務價值的變化[13]；岳書平等選取東北樣帶典型區，分析了1976—2000年土地利用變化對生態系統服務價值的影響[14]。但目前關于我國西部干旱生態脆弱區基于土地利用變化引致的生態服務價值變化研究較少，致使區域生態安全，可持續發展缺少有力依據。

本文以塔里木河中下游區尉犁縣為研究區，分析尉犁縣1993年、2001年、2009年和2017年4個不同時期各土地利用類型的面積變化和單一土地利用類型的動態度變化，在此基礎上，修正生態服務價值系數，以貨幣價值的形式解釋研究時段內土地利用變化帶來的生態服務價值的損益；通過對生態服務價值的定量研究，為提出恢復、改善、重建尉犁縣生態環境的可能途徑和政策建議提供背景資料和科學依據。

1 研究區概況

尉犁縣地處塔里木河中下游區(縣境內流域254 km)，屬塔克拉瑪干大沙漠東北緣干旱荒漠區(縣境內面積28530 km2)，位于新疆維吾爾自治區中部，巴音郭楞蒙古自治州腹地，行政區域面積5.97萬km2，縣域總人口11.72萬人，地理坐標為東經84°02′50″—89°58′50″，北緯40°10′33″—41°39′47″，位于庫爾勒市南50 km處，地勢西北向東南傾斜，地域分北部庫魯塔格山前沖積戈壁平原，中部塔里木河和孔雀河沖積平原，南部為塔克拉瑪干大沙漠三部分；土地以沙漠和未利用地為主，2017年尉犁縣沙漠面積為2.89萬km2，占土地總面積的48.41%；未利用地面積為1.71萬km2，占土地總面積28.64%；尉犁縣屬暖溫帶大陸性荒漠氣候，全年冷熱差異懸殊，冬季干冷，夏季炎熱，光照充足，年平均降水量為43 mm，年平均蒸發量為2700 mm，為棉花，枸杞等作物大規模高產奠定了良好的氣候條件。尉犁縣自實施“十三五”規劃以來，積極深入推進供給側結構性改革，2016年基本實現生產總值58.5億元，同比增長8%。但近年來隨著尉犁縣經濟的快速發展，由于土地資源的不合理利用，生態環境不斷惡化，引起了流域水質惡化、土地沙漠化、土地沼澤化、土地鹽堿化等諸多生態環境問題，對尉犁縣社會經濟的可持續發展構成了嚴重的威脅[15-16]。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本文以研究區1993年、2001年、2009年和2017年空間分辨率為30 m的landsat5/landsat8遙感影像為數據源，軌道號分別為：144/31，144/32，143/31，143/32，142/31，142/32，141/31，141/32。成像選定晴朗無云的7—8月份圖像，數據獲取地址為www.radi.cas.cn和www.gscloud.cn/。參考《中國資源環境遙感宏觀調查與動態研究》土地分類系統，結合研究區的實際情況，劃分為耕地、林地、草地、建設用地、水域、濕地、鹽漬化地、沙漠和未利用地。通過ENVI 5.1軟件對影像數據進行鑲嵌，裁剪，輻射定標及大氣校正等預處理工作；利用監督分類法中的最大似然法對土地利用與覆被類型進行分類；并運用ArcGIS的空間分析和數據統計功能提取數據、繪制出圖；研究區1∶5萬地形圖，2017年研究區土地利用現狀圖作為輔助資料，并結合外業調查進一步對遙感數據進行了驗證、編輯與修改，本次影像分類精度總體精度介于85.24%～90.33%，Kappa系數總體達0.873以上。尉犁縣社會經濟數據來自1993—2017年《新疆統計年鑒》。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用動態變化度 土地利用動態度是分析土地利用變化動態的重要指標，表達的是研究區某一時間段內某種土地利用類型的數量變化情況。其公式為：

(1)

式中：K為研究時段內某一土地利用類型的動態變化度；Ua，Ub分別為該研究區域初期和末期某種土地利用類型的具體數量,T為時段值，本研究中設定為年。

2.2.2 生態系統服務價值估算 根據Costanza劃分的生態系統類型，本文選擇在生態系統服務價值研究中常用的氣體調節、氣候調節、水源涵養、土壤形成與保護、廢物處理、生物多樣性保護、食物生產、材料生產、娛樂文化共9個生態服務功能[4]。主要參考謝高地等制定的中國陸地生態系統單位面積生態系統服務價值表，同時根據相關學者對新疆生態系統服務價值系數修正過程的研究[17-19]。針對尉犁縣社會經濟發展狀況，對單位面積農田每年自然糧食產量的經濟價值進行修正。修正過程為：尉犁縣1993—2017年糧食平均產量為4978.08 kg/(hm2·a)；2017年尉犁縣糧食平均收購價格為2.45元/kg，考慮到沒有勞動力投入的情況下，現有生態系統服務價值是現有單位面積農田提供的食物生產服務經濟價值的1/7[20]，利用公式(1)，得出尉犁縣一個當量因子的價格為1742.33元/hm2。據此可計算出研究區不同土地利用類型生態系統服務價值系數表(表1)。ESV當量因子的價值量計算公式如下：

(2)

式中：VC0為ESV當量因子的價值量[元/(hm2·a)]；P為全國平均糧食價格(元/kg)；Q為研究區平均糧食產量(kg/hm2)；n為年份數。ESV的計算方式如下：

(3)

(4)

(5)

式中：ESVk，ESVf與ESV分別代表第k種土地利用/覆被類型的生態系統服務價值(元/a)，第f項生態服務功能價值(元/a)與區域生態系統服務總價值(元/a)；Ak指第k種土地利用/覆被類型的分布面積(hm2)；VCkf為第k種土地利用/覆被類型第f項生態服務功能價值指數[元/(hm2·a)]。

2.2.3 敏感性分析 本文借用敏感性指數CS來驗證生態系統類型對各種土地類型的代表性和價值的準確性，也為了檢驗引用謝高地等人的生態系統服務價值系數和修正后的系數是否適合本研究區[19]。本文將各類土地利用類型的價值系數分別調整50%，估算總生態系統服務價值的變化。如果CS>1，表明ESV對VC是富有彈性的，其結果準確性、可信度低；如果CS<1，ESV則被認為是缺乏彈性，準確性高，結果可信。

(6)

式中：ESV代表初始生態價值；ESV′代表系數調整后的生態價值；VC為調整前ESV系數；VC′為調整后ESV系數。

表1 尉犁縣不同土地利用類型單位面積生態服務價值系數 元/(hm2·a)

3 結果與分析

3.1 土地利用變化分析

從尉犁縣土地利用類型的構成來看(表2)，1993-2017年沙漠是研究區占地面積最大，分布最廣的土地利用類型，其面積約占總面積的46.50%～57.63%，體現了研究區土地利用類型特征；其次為未利用地，所占比例為28.69%～36.58%；建筑用地所占比例最小，在研究期內建設用地面積均未超過總面積的1%，約占總面積的0.01%～0.04%，在整體變化中反應不明顯。

1993-2017年，尉犁縣不同土地利用類型面積總體呈“六增三減”態勢；即耕地、建設用地、水域、濕地、鹽漬化地與沙漠面積有所增加，林地、草地與未利用地面積有所減少。在研究時段內耕地和建設用地的面積持續增加，耕地由1993年的31 212.99 hm2增加到2017年的143 399.97 hm2，增加了112 186.98 hm2，其中1993—2001年變化速度較快，動態度為16.24%；建設用地由1993年的149.94 hm2增加到2017年的2 212.83 hm2，1993—2017年動態度遠高于其他土地利用類型，變化速度最快，動態度達57.33%；這一變化主要是1993—2017年，研究區人口的增長致使對建設用地和耕地的需求加大以及研究區大量開荒行為所致。濕地和水域面積經過了先增后減再增幾個階段，濕地面積由1993年的28 203.84 hm2增加到2017年的72 930.51 hm2,其中2009—2017年動態度達58.77%；水域面積由1993年21 832.38 hm2增加到2017年的24 660.45 hm2，但在整體變化中，變化不明顯。草地、林地、未利用地面積經過了先減后增再減幾個階段，草地由385 006.32 hm2減少到301 686.84 hm2，在研究期內，2009—2017年動態度最低；林地由66 060.36 hm2減少到19 886.49 hm2，其整體變化中，變化速度較慢；未利用地由2 184 465.06 hm2減少到1 714 269.51 hm2；雖然1993—2017年動態度僅為-0.90%，但其面積在所有土地利用類型中面積變化量最大，面積減少了470 195.55 hm2,主要是因為研究區加大土地開發力度，加劇了未利用地的轉移。1993—2017年不同年間，研究區各土地利用類型土地利用變化較為明顯，進而影響著生態系統服務價值的變化。

3.2 生態系統服務價值變化分析

根據尉犁縣不同土地利用類型單位面積生態系統服務價值表，利用生態系統服務價值計算公式(3),(4)和(5)，結合尉犁縣1993—2017年土地利用類型面積，計算尉犁縣1993年、2001年、2009年和2017年生態系統服務價值和變化(表3)。

從表3可以看出，1993—2017年尉犁縣生態系統服務總價值總體呈現增長趨勢，由1993年173.61億元減少到2001年的164.97億元，再減少到2009年的143.18億元，最后逐漸增加到2017年的206.30億元，增加了32.69億元，變化率為18.83%；在研究期間林地生態系統服務價值減少量最大，共減少了17.58億元，變化率為-69.90%；濕地生態系統服務價值增加量最大，增加了44.54億元，變化率為158.68%。從整體來看，林地、草地、水域、濕地、沙漠、未利用地生態系統服務價值是總生態系統服務價值的主要構成部分；在研究期間，林地生態系統服務價值1993年達到最高，為25.15億元，僅次于草地和濕地；草地在1993年和2009年對生態系統服務總價值的貢獻最大，分別為48.57億元和40.59億元；濕地在2001年和2017年對生態系統服務總價值的貢獻最大，分別為46.81億元和72.63億元。2001—2009年期間尉犁縣生態系統服務總價值量明顯下降，減少了21.79億元，主要是因為濕地和水域所提供的生態系統服務價值大幅度減少所致，濕地減少了34.07億元，水域減少了11.12億元，與此同時，林地和草地面積的增加從一定程度上補償了生態系統服務總價值近19.06億元的部分損失。濕地、水域、林地、草地單位面積生態系統服務價值系數在各土地利用類型中占據第一，第二，第三，第四位，如果其面積大幅度減少，就會失去對生態系統服務總價值的重要支撐作用，說明保護濕地和水域、林地、草地具有重要生態意義。雖然沙漠和未利用地單位面積生態系統服務價值系數較低，但其分布較廣，1993年、2001年、2009年二者生態系統服務價值甚至超過了水域生態系統服務價值，沙漠最高達22.96億元，未利用最高達24.55億元。

表2 尉犁縣1993年、2001年、2009年和2017年間土地利用變化及動態度情況

1993—2017年，耕地和建設用地面積均呈增加趨勢，引致其生態系統服務價值也呈現持續增加趨勢，耕地由1993年的3.76億元增加至2017年的17.27億元，增加了13.51億元；建設用地由0.000 2億元增加至0.003 3億元，增加了0.003 1億元，因為建設用地因其面積小，單位面積生態系統服務價值系數低，所以在研究時段內建設用地提供的生態系統服務價值不對生態系統服務總價值變化產生直接影響，但不能忽視。縱觀4個研究時期，研究區各土地利用類型生態服務價值增減趨勢與各土地利用類型面積增減趨勢基本保持一致；其中耕地、水域與濕地增加的生態系統服務價值對區域生態系統服務總價值變化貢獻率會明顯增加；研究區應更加合理有效利用土地資源，防止荒漠化的蔓延。

3.3 敏感性分析

利用敏感性分析公式(6)，將單位面積的耕地、林地、草地、建設用地、水域、濕地、鹽漬化地、沙漠和未利用地生態系統服務價值系數上下調整50%，得到不同土地利用類型生態系統服務價值系數的敏感性指數(表4)。

結果表明，不同年份不同土地利用類型單位面積生態系統服務價值的敏感性指數均小于1，說明研究區各土地利用類型的在研究時段內單位面積生態系統服務價值系數變化對生態系統服務總價值的影響不大，并缺乏彈性，研究結果是可信的。1993—2017年，耕地、濕地、鹽漬化地的敏感性指數總體呈增長趨勢，表明其單位面積生態系統服務價值系數變化對生態系統服務總價值產生了放大作用；林地、草地、水域、沙漠、未利用地敏感性指數總體呈減少趨勢，表明其單位面積生態系統服務價值系數變化對生態系統服務總價值產生了縮小作用；由于建設用地單位面積生態系統服務價值上下調整50%后，敏感性指數非常小(1993年為115-8，2017年為1 551-8呈增長趨勢)，故在此暫定為0。草地在1993年、2009年較其他土地利用類型敏感性指數最大，分別為0.31，0.28，即草地1993年、2009年單位面積生態系統服務價值系數增加1%，總價值分別增加0.31%，0.28%；濕地在2001年、2017年較其他土地利用類型敏感性指數最大，分別為0.28，0.35，即濕地在2001年、2017年單位面積生態系統服務價值增加1%，總價值分別增加0.28%，0.35%；由此可以看出，敏感性指數越小，對生態系統服務價值的影響也就越小。忽略建設用地敏感性指數不計，四年間各土地利用類型敏感性指數最大值與最小值差值分別為0.29，0.26，0.22，0.32，說明不同土地利用類型單位面積生態系統服務價值系數的變化對生態系統服務總價值的影響不大。

表3 尉犁縣1993年、2001年、2009年、2017年生態系統服務價值

年份生態服務價值耕地林地草地建設用地水域濕地鹽漬化地沙漠未利用地總計1993ESV/億元3.7625.1548.570.000217.7928.097.1818.5324.55173.612001ESV/億元8.6411.6730.170.001119.8846.814.1922.9620.65164.972009ESV/億元9.9220.3040.590.00138.7612.749.8519.4521.56143.182017ESV/億元17.277.5738.060.003320.0972.6312.1319.2919.26206.301993—2001凈變化量/億元4.88-13.48-18.400.00092.0918.72-2.994.43-3.90-8.64變化率/%16.24-53.60-4.7449.441.478.34-5.203.00-1.99-4.982001—2009凈變化量/億元1.288.6310.420.0002-11.12-34.075.66-3.510.91-21.79變化率/%14.8473.9934.5518.18-55.96-72.78135.02-15.284.42-13.212009—2017凈變化量/億元7.34-12.73-2.540.002011.3459.892.28-0.17-2.3063.11變化率/%73.97-62.71-6.25153.85129.48470.1223.11-0.87-10.6544.081993—2017凈變化量/億元13.51-17.58-10.510.00312.3044.544.950.76-5.2832.69變化率/%359.42-69.90-21.641550.0012.95158.5868.864.09-21.5218.83

表4 不同土地利用類型生態系統服務價值敏感性指數變化

4 結 論

(1) 尉犁縣1993—2017年土地利用變化的趨勢為耕地、建設用地、水域、濕地、鹽漬化地與沙漠面積增加，林地、草地與未利用地面積減少，其中，濕地面積2009—2017年變化速度較快，增加了60 138.54 hm2，動態度為58.77%，耕地和建設用地面積則保持持續增加，耕地面積增加了112 186.98 hm2，動態度為14.98%，建設用地面積變化較為明顯，增加了2 062.89 hm2，動態度為57.33%；林地減少了46 173.87 hm2，草地減少了83 319.48 hm2，未利用地面積減少趨勢，動態度為-0.90%，但其面積變化絕對量在所有土地利用類型中最大，減少了470 195.55 hm2。

(2) 研究區不同年間土地利用變化引致的生態系統服務價值計算和分析結果表明：1993—2017年，尉犁縣生態系統服務總價值整體上呈增加趨勢，共增加了32.689億元，表明研究期間土地利用/覆被的變化產生了較好的生態效益，生態系統服務功能得到了一定程度的改善，其中耕地、建設用地、水域、濕地、鹽漬化地與沙漠生態系統服務價值總體呈增加趨勢；林地、草地與未利用地生態系統服務價值總體呈減少趨勢，這與研究區各土地利用類型面積變化趨勢保持一致。在研究期間，不同土地利用類型對生態系統服務總價值的貢獻大小從高到低依次為：濕地>草地>未利用地>沙漠>水域>林地>耕地>鹽漬化地>建設用地，濕地和草地是尉犁縣生態系統服務總價值的主要構成部分，濕地共提供了160.27億元，草地共提供了157.38億元；從生態角度上看，未利用地和沙漠單位面積生態系統服務價值系數較低，但二者面積較大，反而帶來研究區生態系統服務總價值的增加；相反，水域和林地單位面積生態系統服務價值系數較高，但二者面積相比于沙漠和未利用地較小，所提供的生態系統服務價值也隨之變小。

(3) 敏感性分析表明：在研究時段內，尉犁縣所有土地利用類型敏感性指數均小于1，各土地利用類型生態系統服務價值的變化對生態系統服務總價值的影響較小，是缺乏彈性的，說明研究結果可信。尉犁縣2017年各土地利用類型敏感性指數由高到低依次為：濕地、草地、水域、沙漠、未利用地、耕地、鹽漬化地、林地與建設用地，濕地為0.35，草地為0.19，說明目前濕地和草地生態系統服務價值對生態系統服務總價值的影響較大，由于建設用地提供的生態系統服務價值最小，其對生態系統服務總價值的影響不大。

尉犁縣作為生態環境脆弱的西北干旱區，在研究期內，土地利用/覆被變化較為明顯，主要是受城市化進程中研究區人口的增長致使對建設用地和耕地的需求加大以及大量開荒行為等人類活動的影響。尉犁縣應在保障和完善生態系統服務功能的前提下，提高土地利用水平，優化土地利用結構和布局，有效合理的控制建設用地的擴展，在保護林地、草地的情況下合理適度開發未利用地，與此同時，提高全民的生態保護意識，加大環境保護力度，合理配置水資源的管理，實現土地利用和生態環境的和諧發展。