近30年烏倫古河流域土地利用與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化研究

薛嵩嵩, 高 凡, 何 兵, 閆正龍

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830052; 2.西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室, 陜西 西安 710048; 3.陜西測繪地理信息局, 陜西 西安 710054)

土地利用/覆被變化(land use and land cover change， LUCC)是影響全球環(huán)境和氣候變化的主要驅(qū)動力[1-2]，土地利用模式的變化直接或間接影響生態(tài)系統(tǒng)組成及結(jié)構(gòu)，進而導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的改變[3-4]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是人類從自然系統(tǒng)中獲得的所有利益[5-6]，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(ecosystem services value， ESV)則是將人類直接或間接獲得的利益轉(zhuǎn)化為貨幣形式，通過貨幣價值分析損益[7]。自20世紀(jì)九十年代以來，我國城鎮(zhèn)化進入快速發(fā)展階段，土地利用變化導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值隨之發(fā)生顯著變化。探究土地利用變化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化對優(yōu)化土地利用格局，維系區(qū)域生態(tài)安全具有重要意義[8-9]。

目前，對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估方法可以分為兩類，即功能價值法和當(dāng)量因子法[10]。功能價值法計算繁瑣，計算參數(shù)較多，受主觀因素影響較大，而當(dāng)量因子法操作簡單，評估全面，適性強，被廣泛應(yīng)用[11]。1997年Costanza等[12]運用生態(tài)經(jīng)濟學(xué)方法評估了全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，提出各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)，隨后我國學(xué)者謝高地等[13]根據(jù)中國生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟發(fā)展，制定出“中國陸地生態(tài)系統(tǒng)價值服務(wù)當(dāng)量表”。在此基礎(chǔ)上，我國學(xué)者在土地利用與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值實踐領(lǐng)域取得了一定應(yīng)用成果。如吳楠(2019年)等[14]采用當(dāng)量因子法對安徽省生態(tài)保護地進行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估；李佳明(2019年)等[15]基于遙感技術(shù)分析了內(nèi)蒙古自治區(qū)土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響；劉金勇(2013年)等[16]運用景觀生態(tài)學(xué)中數(shù)量結(jié)構(gòu)方法分析了濟南市土地利用結(jié)構(gòu)變化對生態(tài)服務(wù)價值的影響；王宗明(2004年)等[17]在對吉林省進行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估時，引入經(jīng)濟學(xué)中的彈性系數(shù)計算價值系數(shù)的敏感性指數(shù)，確定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值隨時間的變化情況對生態(tài)價值系數(shù)的依賴程度。

烏倫古河流域是西北干旱區(qū)典型的生態(tài)脆弱區(qū)，伴隨流域經(jīng)濟社會發(fā)展，土地利用/覆被發(fā)生顯著變化，進而改變生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值。為識別研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對LUCC的響應(yīng)，本文在前人研究基礎(chǔ)上，通過選取烏倫古河流域1989，1998，2006和2017年4期Landsat系列遙感影像，綜合利用RS，GIS，GPS等技術(shù)，采用空間數(shù)據(jù)處理、信息提取解譯、海量數(shù)據(jù)建庫、集成管理分析等方法[18-19]，監(jiān)測并分析研究區(qū)近30 a的LUCC時空動態(tài)演變特征，采用修正后的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量因子，研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化，對促進流域水土資源優(yōu)化配置及生態(tài)文明建設(shè)具有直接指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

烏倫古河流域地處歐亞大陸腹地，發(fā)源于阿勒泰山東段南麓，位于東經(jīng)87°05′—90°45′，北緯46°10′—47°28′，主要包括恰庫爾圖鄉(xiāng)(上游)，杜熱鄉(xiāng)、喀拉瑪蓋鄉(xiāng)、齊干吉迭鄉(xiāng)(中游)，解特阿熱勒鄉(xiāng)、福海縣(下游)。流域面積為4.30×104km2(我國境內(nèi)集水面積為2.76×104km2)，其中山區(qū)占總面積32%，丘陵河谷平原占22%，戈壁荒漠占46%。烏倫古河流域?qū)贉?zhǔn)噶爾干旱區(qū)，年降水量較少(多年平均降水量129.8 mm)且分布不均勻，蒸發(fā)量大(多年平均水面蒸發(fā)量867.2 mm)，空氣干燥，光照充足，氣溫日差較大，多年平均水資源量為9.87×108m3[20]。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

選取烏倫古河流域1989，1998，2006和2017年遙感影像為數(shù)據(jù)源。其中1989，1998和2006年采用Landsat TM影像，分辨率為30 m；2017年采用Landsat OLI影像，分辨率為30 m(表1)，以上影像數(shù)據(jù)均采用2000國家大地坐標(biāo)系(CGCS2000)、高斯—克呂格投影、6°分帶。基礎(chǔ)影像數(shù)據(jù)源來自地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http：∥www.gscloud.cn/)及美國地質(zhì)調(diào)查局網(wǎng)站(http：∥www.usgs.gov/)；烏倫古河流域1∶10萬地形圖來源于國家測繪地理信息局陜西測繪資料檔案館；社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來源于1990—2018年《新疆統(tǒng)計年鑒》。

表1 遙感數(shù)據(jù)列表

2.2 數(shù)據(jù)處理

采用ENVI 5.3軟件對影像數(shù)據(jù)進行輻射校正(輻射定標(biāo)、大氣校正)、幾何校正、圖像鑲嵌、圖像裁剪等預(yù)處理操作；在ENVI 5.3及ArcGIS 10.5軟件支持下，參考《土地利用現(xiàn)狀分類(GB/T201010-2007)》標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)烏倫古河流域?qū)嶋H情況，采用人機交互目視解譯法將土地利用類型解譯為耕地、林地、草地、濕地、水體、建設(shè)用地和未利用地7種地類；基于ENVI 5.3軟件精度評價模塊，通過隨機抽取200個樣點，分別對1989，1998，2006和2017年4期遙感解譯數(shù)據(jù)進行精度評價，得到總分類精度分別為88.63%，85.24%，87.65%和89.95%，Kappa指數(shù)分別為0.85，0.82，0.84和0.86，滿足應(yīng)用精度要求(精度要求80%以上)。基于此，以ArcGIS 10.5為數(shù)據(jù)處理平臺，制作4期研究區(qū)LUCC專題圖。

2.3 研究方法

2.3.1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是將不同土地利用類型轉(zhuǎn)移面積用矩陣的形式表示出來的一種工具，既能表示某種土地利用類型存儲量，也能表示其流動量[21]。限于篇幅關(guān)系，具體計算步驟見參考文獻[22]。

2.3.2 土地利用綜合指數(shù)和土地利用程度變化模型 土地利用綜合指數(shù)可反映人類活動對土地的開發(fā)程度[23]。本文采用劉紀(jì)遠等[24]對土地利用類型賦分結(jié)果，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合研究區(qū)特征，對研究區(qū)土地利用類型進行賦值(表2)，模型表達式為[25]：

(1)

式中：La——利用綜合指數(shù)；Ai——研究區(qū)內(nèi)第i級土地利用程度分級指數(shù)；Ci——研究區(qū)內(nèi)第i級土地利用程度分級面積百分比；n——土地利用程度分級數(shù)。

表2 研究區(qū)土地利用程度分級賦值

土地利用程度變化量和土地利用程度變化率模型表達式為[26]：

(2)

(3)

式中：Lb，La——b時間和a時間的區(qū)域土地利用程度綜合指數(shù)；Ai——研究區(qū)內(nèi)第i級土地利用程度分級指數(shù)；Cib，Cia——研究區(qū)b時間和a時間第i級土地利用程度面積百分比； ΔLb-a——土地利用變化量，ΔLb-a為正值，表明該地區(qū)處于發(fā)展期，反之處于調(diào)整期或衰退期；R——土地利用程度變化率，R為正值說明該區(qū)土地利用處于發(fā)展階段，R為負值表示該區(qū)處于調(diào)整期或衰退期。

2.3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值 謝高地等[27]在Costanza提出的生態(tài)系統(tǒng)評價模型基礎(chǔ)上，根據(jù)中國生態(tài)系統(tǒng)和社會發(fā)展經(jīng)濟情況，制定出中國陸地生態(tài)系統(tǒng)價值服務(wù)當(dāng)量表，并于2015年對當(dāng)量因子進行修訂。本文參考修訂后的“中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量表”為研究區(qū)土地利用類型各項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進行價值當(dāng)量賦值(表3)，并通過下列公式計算研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值：

(4)

(5)

式中：i——土地利用類型；j——生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型； VCi——第i類土地利用類型單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值〔元/(km2·a)〕； ECj——某類土地利用類型第j項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的價值當(dāng)量； ESV——生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(元/a)；Ai——第i類土地利用類型的面積(km2)；Ea——1標(biāo)準(zhǔn)單位生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的經(jīng)濟價值〔元/(km2·a)〕。

為了精確1個標(biāo)準(zhǔn)單位生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的經(jīng)濟價值，本文對其數(shù)值進行修正，修正公式如下：

(6)

式中：Ea——修正后1單位生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的經(jīng)濟價值；P——阿勒泰地區(qū)糧食平均價格(元/kg)；n——年份；Q——研究區(qū)平均糧食產(chǎn)量(kg/km2)。阿勒泰地區(qū)1989—2017年平均糧食產(chǎn)量為4861.99 kg/(km2)；2017年阿勒泰地區(qū)糧食平均糧食價格為2.41元/kg[28]；1個標(biāo)準(zhǔn)單位生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量定義1 km2農(nóng)田每年平均糧食產(chǎn)量經(jīng)濟價值的1/7[29]。計算得研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)經(jīng)濟價值當(dāng)量因子1 673.92 元/(km2·a)。

表3 研究區(qū)單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量

注：研究區(qū)農(nóng)田多為旱地，林地多為落葉闊葉林，故耕地取旱地值，林地取闊葉林值，草地取灌草叢和草甸的平均值。本文僅考慮自然生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，故不將建設(shè)用地納入其中。

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)1989-2017年LUCC變化特征

3.1.1 土地利用類型面積變化 通過對1989—2017年烏倫古河流域4期遙感影像進行解譯，可以得到了不同時期土地利用/覆蓋類型面積統(tǒng)計結(jié)果(表4，附圖5)。

由表4可以看出，1989—2017年，烏倫古河流域各土地利用類型面積均發(fā)生不同程度的變化，具體表現(xiàn)為： ①耕地面積呈持續(xù)增加擴張趨勢，由1989年的1 030.61 km2(占比12.67%)增加至2017年的1 898.22 km2(占比23.28%)，增加了867.61 km2，增幅達84.18%； ②建設(shè)用地呈持續(xù)增加擴張趨勢，由1989年的7.09 km2(占比0.09%)增加至2017年的20.72 km2(占比0.25%)，增加了13.63 km2，增幅為192.2%； ③水體和濕地面積呈微增加趨勢，分別由1989年的1 108.98 km2(占比13.63%)，72 km2(占比0.89%)增加至2017年的1 225.01 km2(占比15.05%)，84.01 km2(占比1.02%)，分別增加了117.03和12.01 km2，增幅為10.55%，16.68%； ④未利用地是烏倫古河流域的主要土地利用類型(占比60%以上)，近30 a由于開荒行為其面積呈顯著減少趨勢，由1989年的5 376.78 km2(占比66.1%)減少至2017年的4 511.69 km2(占比55.47%)，減少了865.09 km2，減少幅度達16.1%； ⑤林地面積呈波動增加趨勢，其中，1989—1998年、2006—2017年呈增加趨勢，分別增加了22.53 km2，26.53 km2，增幅為20.1%，26.88%，1998—2006年為減少狀態(tài)，減少量為35.79 km2，減少幅度為26.61%。 ⑥草地面積在1989—2006年呈減少趨勢，減少了128.49 km2，減少幅度為30.14%，2006—2017年呈微弱增加趨勢，增加了15.44 km2，增加幅度為5.6%。

表4 研究區(qū)1989-2017年土地利用/覆蓋類型面積變化

3.1.2 土地利用類型轉(zhuǎn)移特征 利用ArcGIS 10.5軟件對1989和2017年兩期LUCC分類結(jié)果進行統(tǒng)計分析，得到1989—2017年研究區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣(表5，圖1)，對1989，1998，2006，2017年4期遙感影像的各土地利用類型進行重心計算，得到研究區(qū)各土地利用類型空間重心分布圖(圖2)。由圖1可以看出，近30 a內(nèi)研究區(qū)各土地利用類型均發(fā)生了相互轉(zhuǎn)換以及空間轉(zhuǎn)移。具體表現(xiàn)為： ①耕地面積凈增加847 km2，轉(zhuǎn)入面積898 km2，其中由未利用地轉(zhuǎn)入697 km2(貢獻率85.6%)，主要發(fā)生在人口密集的鄉(xiāng)鎮(zhèn)及農(nóng)場，轉(zhuǎn)出面積51 km2，主要在下游吉力湖附近向濕地轉(zhuǎn)換17 km2，在烏倫古河河岸兩側(cè)以及188團向草地轉(zhuǎn)化11 km2； ②建設(shè)用地基數(shù)小，轉(zhuǎn)化明顯，幾乎沒有轉(zhuǎn)出，面積凈增加13 km2，其中耕地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)入8 km2(貢獻率40%)，主要發(fā)生在解特阿熱勒鄉(xiāng)、齊干吉迭鄉(xiāng)和喀拉瑪蓋鄉(xiāng)； ③水體有小幅度的面積轉(zhuǎn)化，凈面積增加103 km2，轉(zhuǎn)出29 km2，其中有13 km2呈散點式轉(zhuǎn)化為未利用地，轉(zhuǎn)入132 km2，其中由未利用地轉(zhuǎn)入85 km2(貢獻率64.3%)，草地轉(zhuǎn)入24 km2(貢獻率18.2%)； ④未利用地面積凈減少744 km2，轉(zhuǎn)出面積887 km2，轉(zhuǎn)入面積143 km2，其中，林地和草地分別向未利用地轉(zhuǎn)入60 km2，53 km2，主要分布在水體兩側(cè)； ⑤林地凈面積減少28 km2，轉(zhuǎn)出108 km2，轉(zhuǎn)入80 km2，在福海縣和中游的杜熱鄉(xiāng)向耕地轉(zhuǎn)化20 km2，向草地轉(zhuǎn)化24 km2且呈點狀分布在河岸兩側(cè)； ⑥草地凈面積減少199 km2，轉(zhuǎn)出295 km2，轉(zhuǎn)入96 km2，其中，172 km2轉(zhuǎn)為耕地，53 km2轉(zhuǎn)為未利用地，主要集中在下游解特阿熱勒鄉(xiāng)、中游杜熱鄉(xiāng)以及種羊場，未利用地向草地轉(zhuǎn)化54 km2(貢獻率為19.56%)，主要分布在188團場以及各大農(nóng)場。 ⑦濕地凈面積增加8 km2，轉(zhuǎn)入47 km2，轉(zhuǎn)出39 km2，其中耕地向濕地轉(zhuǎn)入17 km2(貢獻率為36.17%)、草地向濕地轉(zhuǎn)入13 km2(貢獻率為27.65%)，向水體轉(zhuǎn)出15 km2，主要分布在烏倫古湖周邊。綜合而言，1989—2017年烏倫古河流域各土地利用/覆蓋類型轉(zhuǎn)入面積高低順序依次為：耕地>未利用地>水體>草地>林地>濕地>建設(shè)用地，各土地利用/覆蓋類型轉(zhuǎn)出面積高低順序依次為：未利用地>草地>林地>耕地>濕地>水體>建設(shè)用地。

綜上分析可知，各土地利用類型重心在空間上均發(fā)生轉(zhuǎn)移。耕地重心整體向西南方向偏移，1989—1998年偏移量最大，說明期間當(dāng)?shù)剞r(nóng)民對東南方向的開發(fā)嚴(yán)重；建設(shè)用地重心整體向西北轉(zhuǎn)移，但其移動距離不大，隨著中部地區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)達到飽和，向西北遷移是必然趨勢；水體重心整體向東偏移，其中1998—2006年偏移量最大；隨著東南方向未利用地的開發(fā)，其面積逐漸減少，重心向西北方向偏移；由于1998—2006年，人類活動對中北部地區(qū)林地影響較大，使得其重心整體向東南方向偏移；草地重心在近30 a間分別向“西—東—西”偏移，隨著退耕還草和人工草場的進一步開展，重心向西偏移是必然趨勢；濕地重心整體變化不大，呈微弱趨勢向西部偏移，其偏移發(fā)生在烏倫古湖附近。

圖1 研究區(qū)1989-2017年土地利用類型轉(zhuǎn)化關(guān)系

注：圖中：1代表耕地； 2代表林地； 3代表草地； 5代表濕地； 6代表水體； 8代表建設(shè)用地； 9代表未利用地。其中，12表示耕地轉(zhuǎn)向林地，21表示林地轉(zhuǎn)向耕地，其他數(shù)字類型類同。

圖2 研究區(qū)1989-2017年土地利用重心轉(zhuǎn)移圖

3.1.3 研究區(qū)土地利用綜合程度及變化 經(jīng)計算，研究區(qū)1989，1998，2006，2017土地利用程度綜合指數(shù)分別為146.75，151.49，159.45和168.29，由于其中1級地類(未利用地)面積減少，2級地類(林地、草地、水體、濕地)、3級地類(耕地)面積增加，土地利用綜合指數(shù)逐年增加，但綜合指數(shù)變化率增加幅度逐年遞減，研究區(qū)4個時間點的綜合指數(shù)變化率和變化量均大于0，表明研究區(qū)土地資源總體處于高強度發(fā)展期(表6)。

表5 研究區(qū)1989-2017年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣 km2

注：凈變化量=總獲得量—總失去量；行表示k時刻各種土地利用類型，列表示k+1時刻的各種土地利用類型，表中第i行第j列數(shù)據(jù)表示k時刻的i種土地利用類型轉(zhuǎn)化為k+1時刻j種土地利用類型的面積；當(dāng)i=j時，該數(shù)據(jù)表示未轉(zhuǎn)化面積。

表6 研究區(qū)1989-2017年土地利用程度綜合指數(shù)及變化

3.2 研究區(qū)1989-2017年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值及變化

經(jīng)計算，得1989—2017年烏倫古河流域不同土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(表7)。

表7 研究區(qū)1989-2017年不同土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值及變化

可以看出，1989，1998，2006，2017年研究區(qū)總ESV分別為2.635，2.819，2.857和2.915億元，呈增加趨勢，總ESV凈增加0.28億元。1989—2017年各地類ESV變化特征為：耕地和水體ESV持續(xù)增加，其中耕地變化劇烈，價值變化率45.67%；林地ESV總體增加0.005億元，其中2006—2017年增加幅度最大，達29.7%；草地ESV 1989—2006年持續(xù)減少，2006—2017年增加，價值變化率-47.37%，ESV凈減少0.36億元；濕地ESV在1989—2006年增加，2006—2017年減少；未利用地ESV持續(xù)減少，凈減少0.003億元。總體看，耕地、林地、濕地、水體面積增加所造成的ESV增加量大于草地和未利用地面積減少造成的ESV減少量，總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值增加。

4 結(jié) 論

(1) 近30 a烏倫古河流域各土地利用類型面積均發(fā)生不同程度的變化。耕地和建設(shè)用地面積呈持續(xù)增加擴張趨勢，分別增加了867.61和13.63 km2；水體和濕地面積呈微增加趨勢，分別增加了116.03和12.01 km2；未利用地呈顯著減少趨勢，面積減少865.09 km2；林地面積呈波動增加趨勢，增加了13.27 km2；草地面積1989—2006年呈減少趨勢，減少了128.49 km2，2006—2017年呈微弱增加趨勢，增加了15.44 km2。

(2) 近30 a烏倫古河流域各土地利用類型均發(fā)生不同數(shù)量的相互轉(zhuǎn)化，重心均發(fā)生不同程度偏移，各年土地利用綜合指數(shù)逐年增加，綜合指數(shù)變化率增加幅度逐年遞減，土地資源總體處于高強度發(fā)展期。

(3) 烏倫古河流域1989，1998，2006，2017年總ESV分別為2.635，2.819，2.857和2.915億元，呈增加趨勢，1989—2017年總ESV凈增加0.28億元。耕地、林地、濕地、水體面積增加所造成的ESV增加量大于草地和未利用地面積減少造成的ESV減少量，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值增加。