天山北坡城市群土地利用及生態服務價值時空演變

劉亞茹, 李 莉, 菊春燕

(新疆農業大學 管理學院, 新疆 烏魯木齊 830052)

土地利用/覆蓋變化是影響全球環境變化的重要因素之一，作為聯系樞紐連接著人類社會經濟活動和自然物質生態循環的過程[1-2]。土地利用變化對生態服務價值的影響一直是生態服務價值研究的方面之一[3]，因為土地利用的變化直接影響著生態系統結構和功能，進而使生態服務價值發生改變[4]。生態系統服務價值是指(ecosystem services value， ESV)對生態系統提供商品和資源環境進行經濟價值評估的表現形式[5]，對于ESV的測算能夠為區域生態環境的保護、生態系統管理、生態規劃以及生態資產轉換相關政策等方面提供重要的基礎和依據[6]。近些年來，ESV受到國內外眾多生態環境學者的關注，1997年Costanza等[7]基于土地利用開展了生態服務價值的研究，促進了生態系統結構和功能的發展。我國學者謝高地等[8]結合我國的區域生態狀況，修訂和改進了一套適用于我國的生態服務功能當量因子測算法。根據此方法，我國先后分別從流域[9]、城市群[10]、省市[11-12]、縣域[13]等多個尺度展開對ESV的研究。研究內容分為兩方面，一方面是對單向ESV[14]和單一生態系統的評估[15]，另一方面趨向于土地利用變化、景觀格局變化對ESV影響的研究[16]。整體上來看，靜態評估的研究成果較多，未充分綜合考慮研究區ESV在時間和空間變化的特征，導致難以體現ESV空間的差異性[17]。2017年，天山北坡城市群被正式列為國家重點建設的19個城市群之一，在穩疆興疆，推進兵地融合和區域經濟發展中發揮著關鍵性的作用[18]。近些年來，伴隨著城鎮化的推進和經濟的快速發展，天山北坡城市群土地利用結構產生了一定程度的變化；人類活動的影響使土地生態環境問題變得岌岌可危，但是關于西北綠洲城市群土地生態服務價值的研究并不多，使得此區域在生態安全和可持續發展方面缺乏相關的依據。鑒于此，本文采用研究區2000，2010，2018年的LUCC數據，針對天山北坡城市群土地利用和生態服務價值的時空變化進行了定量分析和描述；為了更直觀地體現出ESV在不同等級下人類活動的強弱，利用生態景觀學知識，探索了研究區近20 a的ESV的景觀格局變化。本研究可為天山北坡城市群的生態服務功能的改善和生態景觀的建設提供相關的理論指導。

1 研究區概況

天山北坡城市群位于東經84°33′—90°32′，北緯42°78′—45°59′，北接古爾班通古特沙漠，南連天山山脈，資源稟賦優越，地理條件良好，是“一帶一路”建設發展的重要驛站之一。年均氣溫和降水量分別約為7.5 ℃，185.34 mm，屬于山地—綠洲—荒漠地帶。高山冰雪融水為區域發展提供了水源，草地是主要的綠地覆被類型。天山北坡城市群范圍較廣，涵蓋烏魯木齊市、昌吉州六縣一市、伊犁州奎屯市，塔城地區烏蘇市和沙灣縣以及吐魯番地區的兩縣一區[19]。2018年底，研究區的總人口達到591.71萬人，占新疆的總人口的25.09%；國民生產總值達6 566.45億元，占新疆53.8%；第一、二、三產業的產值分別為484，2 822，3 260億元；在新疆經濟、科技、文化發展中占據著舉足輕重的地位。

2 研究方法與數據來源

2.1 數據來源

本文采用基礎數據包括：土地利用/覆被數據、糧食產量和價格數據、社會經濟數據，具體時間、數據來源、用途詳見表1。選取2000，2010，2018年為時間節點。

表1 數據類型及來源

2.2 土地利用動態度

土地利用動態度是指土地利用變化的速率[20]。因此采用單一動態度研究天山北坡城市群的土地利用情況。

單一動態度計算公式為：

(1)

式中：Ka為研究區某種土地類型開始年份a的面積；Kb是該土地類型終止年份b的面積；T是研究時間； 是研究T時間段內單一土地利用動態度。

2.3 生態系統服務價值測算

2.3.1 當量因子生態系統服務價值的修正 參考謝高地等人[21]關于ESV當量因子的研究，確定一個單位面積當量因子的經濟價格是全國平均糧食單產市場價格的1/7。2000—2018年，天山北坡城市群的平均糧食產量為6 922.02 kg/hm2，同期新疆平均糧食產量為6 441.05 kg/hm2，參照許麗敏等人[22]的研究以二者的比值進行修正(系數為1.07)，結合2005年謝高地等[23]制定生態系統生物量因子(系數為0.58)，最終確定研究區當量因子修正系數為0.62，2018年研究區的平均糧食價格為2.12元/kg(取自2018年研究區小麥和玉米價格的均值)。最后，參考劉川等人[24]的研究考慮到居民對生態系統的支付意愿和能力，所以引入社會經濟發展系數對研究區的生態服務價值進行修正，根據公式的計算得到天山北坡城市群修正過后一個當量因子的經濟價值為1 189.09 元/(hm2·a)。社會經濟發展系數計算公式為：

(2)

式中：B為社會經濟發展系數； BMx代表天山北坡城市群的恩格爾系數； BMc代表全國的恩格爾系數； gdp代表天山北坡城市群的人均國內生產總值； GDP代表全國人均國內生產總值。

2.3.2 生態服務價值評估模型的構建 根據修正后的一個當量因子的經濟價值，構建研究區的生態服務價值評估評估模型，計算公式為：

ESV=∑Au·VCu

(3)

ESVk=∑Au·VCuk

(4)

式中：ESV，ESVk分別代表ESV總量(元)、第k項ESV；Au為第指u類土地利用類型的面積(hm2)； VCu為u類土地類型的面積； VCuk為第u類土地類型的第k項ESV。結果詳見表2。

表2 天山北坡城市群各土地類型單位面積ESV系數估算結果 元/hm2

2.4 敏感性分析

本研究運用敏感性指數來揭示研究區生態服務價值隨時間的變化對價值系數的依賴程度，同時也為了檢測所選用和修正的價值系數是否適用于干旱區綠洲城市群的研究。若CS>1，則表明ESV對VC富有彈性，結果可信度低；若CS<1，則表明ESV對VC缺乏彈性，結果可信。計算公式為：

(5)

式中：CS為指敏感性系數； VCif，VCjf為i種土地用類型的價值系數； ESVa，ESVb為調整前后的生態服務價值量。

2.5 景觀指數模型

景觀指數是高度濃縮景觀格局信息的簡單定量指標，反映景觀結構特征和空間格局的變化[25]。本文運用景觀指數來定量化體現天山北坡城市群ESV低、中、高區的景觀格局演變特征。

參照前人研究，結合研究區域的具體特征和研究的實際需要，從斑塊類型水平上選取6項指標分別為斑塊面積(CA)，斑塊數量(NP)、景觀形狀指數(LSI)、最大斑塊指數(LPI)、斑塊分散度(SPLIT)、集聚度(AI)。通過這6項指標來探究城市群ESV的景觀格局變化。具體景觀指數的計算方法和意義詳見表3。

表3 景觀指數的算法與生態意義

3 結果與分析

3.1 天山北坡城市群土地利用變化分析

將研究區的25個二級地類，運用ArcGIS軟件重分類為6個一級地類，分別為耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地。由表4可以看出，2000—2018年天山北坡城市群的未利用地分布最廣，占總面積的比重達到53.90%～54.60%；草地是占比為第二位的土地利用類型，所占比例為30.47%～32.00%。耕地面積占比從2000年的10.03%上升到2018年的11.62%，建設用地、林地、水域用地的比重較小，研究期間3者面積約占研究區總面積的3.36%～4.00%。

利用公式(1)計算研究區2000—2018年的土地利用動態度(表4)。由表4可得，從單一土地利用動態度來看，研究期間天山北坡城市群土地利用類型面積呈“3增3減”的狀態發展，即耕地、建設用地、水域的單一動態度呈正向發展，而林地、草地、未利用地單一動態度與之相反。2000—2018年耕地和建設用地動態較為活躍，二者面積分別增加了3 084.46 km2，1 073.77 km2，這兩種土地類型面積的增多和研究區人口的增多以及城鎮化的發展有密切的關系；水域面積增加89.96 km2，因為各個城市的發展建設需要修建人工湖和水庫，所以水域會出現一定程度的增加。研究區草地開墾和破壞力度的加大，使其持續大量減少，近20 a來草地面積共計減少3 008.07 km2；與此同時，未利用地面積減少1 203.57 km2；林地面積呈現持續下降的趨勢，因林地所占面積較少，所以變化并不明顯。

表4 天山北坡城市群土地利用變化及單一動態度

為了更清楚地來展示天山北坡城市群的土地利用的時空轉移變化，研究利用轉移矩陣來表示不同時期土地類型的相互轉移變化情況(表5—6)。研究期間，草地、耕地、未利用地、建設用地這4類用地類型轉移變化較為顯著，林地和水域轉移變化幅度較小。2000—2010年，研究區草地和未利用地面積向耕地共轉入1992.25 km2；原因是西部大開發政策實施以來，隨著城市群城鎮化速率的加快，人口的增多，對食糧的需求的越來越迫切，毀草開田項目相應增多，導致耕地面積擴張；2010—2018年，耕地和未利用地共向草地共轉移630.6 km2；其中耕地向草地轉移比前10 a更為顯著，因為2010年后國家提出生態文明建設，隨著天山北坡城市群“三北防護林”工程的推進，退耕還草還林政策的實施，使得耕地向草地轉移明顯。

社會經濟的快速發展促進公共設施用地、工礦用地、城鄉居民點的興建，需開發未利用地和侵占大量的耕草地來滿足建設用地的需要，因而2010—2018年未利用地、草地、耕地向建設用地共轉移988.77 km2，是前10 a轉移量的7.12倍；研究時間段內水域和林地與其他地類相互轉移雖不太明顯，但仍有少量的草地向水域和林地轉移。

表5 天山北坡城市群2000-2010年土地利用轉移變化矩陣 km2

表6 天山北坡城市群2010-2018年土地利用轉移變化矩陣 km2

3.2 天山北坡城市群生態服務價值時空變化分析

3.2.1 生態服務價值時間變化分析 根據單位面積ESV系數表(表2)，計算得到2000，2010，2018年天山北坡城市群單項生態服務價值(表7)。2000—2018年，天山北坡城市群的ESV的總量分別為1 410.76，1 412.03，1 400.17億元，整體減少10.59億元。近20 a來，調節服務、支持服務、文化服務、供給服務的占比平均值由大到小分別為50.86%，33.18%，8.03%，7.92%。總體來看，除供給服務ESV呈上升趨勢外，其他3類一級生態服務功能均減弱。調節服務主要由4類二級生態服務功能類型構成，2000—2018年氣體、氣候、水文調節和廢物處理的平均ESV分別為150.33，182.34，184.54，198.97億元；整個研究期，氣體調節和氣候調節服務功能呈下降趨勢，二者價值共損失4.38億元，這兩種調節功能的變化和研究區的草地變化密切相關。天山北坡城市群的草地面積較大，變化也較為明顯，調節服務ESV的變化和草地變化趨勢一致；水文調節ESV呈現出先增加后減少又增加的發展態勢，近20 a間廢物處理ESV功能共增加1.50億元，該功能和水域面積的變化情況相似。各類調節服務ESV由小到大排序為：氣體調節<氣候調節<水文調節<廢物處理。支持服務中保持土壤和生物多樣性ESV功能持續減弱，二者近20 a ESV減少量分別為2.9，3.33億元，這2種支持服務ESV的減少與草地面積下降有關，除此之外還受到林地和裸地變化的影響。

天山北坡城市群20 a來食物生產功能共計增加2.14億元，食物生產服務功能受耕地的影響較大，研究期間耕地面積不斷地擴張，食物生產ESV的變化和耕地動態變化具有一致性；原材料生態服務功能波動較小，基本維持原狀。文化服務功能的變化受林地和草地的影響較大，研究期間娛樂文化ESV從2000年114.32億元下降到2018年的111.89億元，共計損失2.43億元；且平均ESV為113.19億元，僅占總ESV的8.03%。

表7 天山北坡城市群單項ESV估算表 108元

3.2.2 生態服務價值空間分異 為了對比天山北坡城市群ESV的空間差異性，基于ArcGIS 10.5空間分析功能構建漁網圖，利用漁網圖和研究區的土地類型進行疊加運算，計算得出每個格網的ESV。通過ESV的值對研究區的ESV進行分區，制作出3期天山北坡城市群ESV空間分區分異圖。2000，2010，2018年的ESV分區均以0(元/hm2)≤ESV<6 000(元/hm2)為低ESV區、6 000(元/hm2)≤ESV<12 000(元/hm2)為中ESV區、ESV≥12 000(元/hm2)為高ESV區進行劃分。

從ESV空間分布分析的結果可以看出(圖1)，2000，2010，2018年天山北坡城市群ESV空間分布特征相似，城市群空間分布呈現出西北部和中部高，北部和東南部低的空間分布特征，高ESV區主要沿瑪納斯河和烏魯木齊河流域、北疆山地(博格達山、天山)分布；中ESV區主要延綠洲城市由東向西呈條狀蔓延；而低ESV區小部分聚集在城市的建成區，大部分分布在烏魯木齊市達坂城區、吐魯番盆地、以及昌吉州北部地區；因該地區屬于荒漠地帶，年降水量較小，加上惡劣的自然環境導致ESV較低。研究區低ESV區>高ESV區>中ESV區，近20 a來(表5)，低ESV區和高ESV區平均面積分別超過1.15×107hm2，5.00×106hm2，且分布比較集中。近些年來，低ESV區和高ESV區的面積也在不斷地縮減，并開始向中ESV區轉移，中ESV區面積上升率為11.43%，高ESV面積的下降率為4.57%。由此可以看出研究區生態環境發展不容樂觀，需要加大生態環境的治理力度。

圖1 天山北坡城市群2000-2018年低、中、高ESV區空間分布

單純從ESV空間分布來看，并不能完全展現出研究區各行政區域的空間生態服務價值分布狀況，因此計算出各行政區的不同年份的ESV總量(表8)。由結果可知，烏蘇市ESV總量最大，2000—2018年平均ESV約為164.90億元；石河子市的ESV總量最小，近20 a年平均ESV僅為3.98億元。綜合空間和時間變化對比發現，2000—2010年、10 a間ESV總量變化波動較小，研究區ESV總量呈現出小幅度上升的特點；其中克拉瑪依市和沙灣縣ESV總量增加最為明顯，其余縣市變化較為平穩。2010—2018年出現了幅度較大、范圍較廣的生態服務價值減少趨勢，主要集中在烏魯木齊市、石河子市、五家渠市、昌吉市、瑪納斯縣、奎屯市等經濟較發達的縣市ESV減少最為劇烈。

總體來看2000—2018年，天山北坡城市群中有6個縣市的ESV總量上升，11個縣市ESV總量下降；ESV總量提升的縣市主要分布在天山北坡城市群的東部的木壘縣、吐魯番地區的縣市以及西北部的克拉瑪依市；其中克拉瑪依市的ESV總量增加最為明顯，ESV總量凈增加1.31億元。

表8 天山北坡城市群2000-2018年各行政縣市ESV變化

3.3 敏感性分析

利用敏感性分析公式，將各土地類型的生態服務價值系數上下調整0.5，計算出了天山北坡城市群各土地利用類型的敏感性指數。由表9可以看出，2000—2018年的各土地利用類型的敏感性指數均小于1，說明天山北坡城市群的生態服務總價值對生態服務價值系數缺乏彈性，修正系數適合研究區，由此可以證明結果可信。2000—2018年耕地和水域的敏感性指數增大，說明近20 a來耕地和水域的生態服務價值系數對天山北坡城市群的生態服務總價值的作用增強。研究期林草地和未利用地的敏感性系數不斷地下降，說明這3種土地類型的生態服務價值系數對研究區總的生態服務價值產生了減弱的作用。草地的敏感性指數為0.581 3～0.610 9，是敏感性指數最大的土地類型，其次是耕地和未利用地，敏感型指數分別為0.129 6～0.167 0,0.124 1～0.122 7，林地和水域的敏感型指數較小，為0.061 0～0.084 6。

表9 天山北坡城市群生態系統服務價值的敏感性

3.4 生態服務價值景觀格局變化分析

基于天山北坡城市群2000，2010，2018年ESV空間分區分異圖，采用Fragstats 4.2軟件計算研究區低、中、高ESV區的景觀指數，選用斑塊類型水平的指數(表10)，探討研究區近20 a來天山北坡城市群的ESV景觀格局變化，通過斑塊類型水平上的景觀格局的變化來進一步展示人類活動對生態環境的影響。研究期時間段內，低ESV區的NP呈現出先增加后減少的變化趨勢，2000—2010年，低ESV區的NP不斷地增加，表明這段時間里景觀破碎化嚴重。與此同時，最大斑塊指數LPI呈下降趨勢，表明低ESV區的景觀優勢度削弱，人類活動在低ESV區逐漸增強。城鎮化的發展影響著低ESV區的景觀結構，導致景觀破碎化加劇；同時在這段時間內大眾的環保意識薄弱，為了快速提高GDP，工業發展迅速，導致三廢的排放增加，產生一系列空氣河流污染的嚴重環境問題，造成低ESV區的景觀破碎化嚴重。2010—2018年，低ESV區的NP減少，這段時間內，環境保護受到重視，人口資源環境協調發展成為城市群關注的重點，低ESV區的破碎度減小。研究期間，低ESV區的AI不斷地增加，說明隨著社會的發展，斑塊聚集度增加。中ESV區的NP最多，且整體呈下降趨勢；同時，LSI指數逐漸減小，說明中ESV區內部生態功能加強，景觀破碎度減弱，斑塊復雜度降低。中ESV區LPI和AI分別由2000年的6.73，54.75增加到2018年的8.01和59.87，因為中ESV區食物生產ESV功能逐年增強，糧食作物種植的增多使得中ESV區景觀斑塊更趨向于集中連片，連片斑塊規模增加，集聚度上升明顯，景觀優勢也在不斷地增強。高ESV區受人類活動的影響，SPLIT不斷地增加，LPI不斷地下降，說明生態系統的破壞強度增大，景觀優勢度減弱，景觀分散度加大。因受氣候變化和社會畜牧業不合理因素的影響，以及人類在高ESV區進行開墾和挖掘，導致高ESV區的植被稀疏、水土流失嚴重，高ESV區的土壤保持和生物多樣性的生態功能銳減，景觀優勢度減小，景觀破碎化程度加深，研究前期聚集度大于后期，說明研究后期高ESV區環境受人類活動更為頻繁。

表10 天山北坡城市群2000-2018年低、中、高ESV區斑塊類型水平指數

4 結論和討論

4.1 結 論

(1) 天山北坡城市群未利用地、草地約占研究區總面積的85%，研究區土地利用呈現出耕地、建設用地、水域面積增加，草地、林地、未利用地面積減少的特點；2000—2018年耕地、草地、建設用地、水域的動態變化較為明顯，動態度分別為0.88%，-0.27%，2.77%，-0.29%；土地利用轉移主要表現出草地與未利用地—耕地、耕地與未利用地—草地、耕草地與未利用地—建設用地轉移的局勢，其他地類轉移幅度較小。

(2) 2000—2018年天山北坡城市群生態服務價值發展趨勢先增加后減少，ESV凈減少10.59億元。從單向生態服務價值來看，表現為：調節服務>支持服務>供給服務>文化服務；其中支持服務ESV損失最多，草地大量減少是造成該模塊ESV減少的主要原因。從研究區各個行政區的ESV變化總量上來看，近20 a烏魯木齊市和烏蘇市的ESV總量下降較多，克拉瑪依市ESV總量增加最多；從ESV的空間格局變化上來看，研究區ESV呈現出西北部和中部高、北部和東南部低的空間分布特征，并且低ESV區和高ESV區的面積在不斷地縮減，并開始向中ESV轉移。

(3) 天山北坡城城市群的ESV景觀格局的特征可以看出：低ESV區的集聚度最高是研究區的優勢景觀，景觀破碎化嚴重；中ESV區的景觀形狀最為復雜，景觀分散度減小，景觀優勢度增加，景觀趨于連片發展；高值區的聚集度先上升后下降，景觀優勢度弱化。

(4) 草地對天山北坡城市群的生態服務價值維系起著主導性的作用，草地所分布的區域是高ESV區，由于草地面積大量流失，所以高ESV區的生態變化明顯，景觀優勢度削弱；因此將來的生態保護需要更加側重于草地生態系統的保護。

4.2 討 論

城市群作為新型城鎮化的空間主體，城市群的發展不可避免會對生態環境產生重大影響，這種影響對于山地—綠洲—荒漠的天山北坡城市群尤為明顯，所以對于干旱區綠洲城市群的生態服務價值的研究非常必要。從研究結果可以看出，近20 a來研究區的生態環境不容樂觀，從而致使研究區的ESV總量有所減少。針對不同的ESV等級需要采取不同的措施治理城市群的生態環境，對于高ESV區(烏魯木齊市、木壘哈薩克自治縣、奇臺縣、呼圖壁縣)，減少或者禁止對林草地的破壞和開墾，采用更多元的生態修復工程，政府強化落實監管責任，加之引導人們樹立正確生態保護理念，減輕人為對生態環境的干擾程度；對于中ESV區，尤其是以農業發展為主的縣市(石河子市、瑪納斯縣、沙灣縣、烏蘇市、奎屯市)，通過改善研究區的農業種植結構和技術來提高糧食的單位面積產量，大力推廣林果業的種植，進而使研究區的ESV有所提高；對于低ESV區，要因地適宜合理進行開發未利用土地，科學合理地劃定城市群建設用地的生態紅線，增加建成區的生態用地，人工開發小湖泊，積極調整產業結構，保持生態和經濟發展和諧共生，對于未利用地根據當地的實際情況適當開發和利用，從而減輕對生態系統的壓力。

本研究利用空間統計分析等方法，揭示了研究區在土地利用變化背景下ESV時空演變規律，并在此基礎上探究了低、中、高ESV區受人類活動強弱的影響狀況。近年來，我國關于ESV的研究涌現出豐碩的成果，以往的研究多是對土地利用類型的景觀指數進行計算，但是從景觀格局角度出發對不同等級ESV景觀變化特征進行探索的不多，該研究在一定程度上豐富了ESV的研究內容。在單位面積ESV系數的核算方面，雖然在謝高地當量因子法的基礎上對價值系數進行了適當的修訂，但是鑒于干旱區城市群生態系統的復雜性，本文的研究考慮仍是不全面的。今后ESV研究中應采用一套更為合理的修正方法，更能準確地體現出干旱區城市群的生態服務價值變化，比如可以結合遙感影像將研究區生態系統凈初級生產力(NPP)和綠值指數納入到研究中來，使研究的結果更有價值性和說服力。