開孔河流域土地利用/覆被變化的區域生態系統服務價值變化

古麗米熱·艾爾肯，帕茹克·吾斯曼江，阿依吐爾遜·沙木西

(新疆農業大學 管理學院，新疆 烏魯木齊 830052)

生態系統服務功能價值的定量評估涉及生態學、生態經濟學、環境科學以及土地管理科學等多個研究領域，自1970年以來逐漸成為國內外可持續發展研究的核心問題之一[1]。土地利用/覆被變化通過改變生態系統的功能和結構，對生態系統服務功能價值的變化起關鍵作用[2]。因此，在研究土地利用/覆被變化的基礎上進行生態系統服務價值的估算對研究區生態環境的保護和恢復工作具有重要意義[3]。1997年Costanza等[4]提出了生態學與經濟學相結合的生態系統服務價值估算模型，使很多國內外學者受到啟發，積累了大量的研究成果[5-8]。Seidl等[9]根據Costanza模型計算出巴西熱帶季節性濕地生態系統服務功能的年價值。謝高地等[10]在Costanza等的研究基礎上提出了中國陸地生態系統單位面積生態服務價值當量表，并被廣泛應用[11-13]。吳海珍等[14]利用謝高地等的研究方法估算了內蒙古多倫縣生態系統服務價值。彭文甫等[15]評估了四川省生態系統服務價值。劉川等[16]評估分析了新疆土地利用/覆被變化與生態服務價值之間的關系。

鑒于以上研究，本文針對地處中國新疆的開都河-孔雀河流域(簡稱開孔河流域)1990～2015年的土地利用類型變化情況，參考謝高地等[10]的研究方法，通過修正生態系統服務價值系數估算分析該流域25年內生態服務功能價值的變化，以期為保護、改善和恢復開孔河流域生態環境的各項研究和政策提供科學依據。

1 研究區概況

開都河-孔雀河流域(開孔河流域)位于新疆維吾爾自治區巴音郭楞蒙古自治州，東經83°50′31″～87°3′14″，北緯40°14′18″～43°45′34″(圖1)，總面積4444089.18 hm2，主要特征是：干旱少雨、蒸發量大，日照長。開都河發源于天山南坡和靜縣境內天山支脈薩阿爾明山，流經焉耆縣最終流入博湖縣的博斯騰湖；孔雀河橫穿庫爾勒市，流經尉犁縣，最終流入若羌縣羅布泊，是“四源一干”中的一支。然而在人口不斷增長和研究區本身脆弱的生態環境條件下，土地資源和水資源的不合理利用等行為引起了水土流失、土壤鹽漬化、沙漠化等一系列嚴重生態環境問題[17]。因此，研究分析開孔河流域不同時期土地利用數量變化及生態系統服務價值的變化，可以為恢復、改善流域生態環境提供參考意見和政策建議，為開孔河流域生態環境可持續利用提供理論依據。

圖1 研究區位置示意圖

2 數據來源和研究方法

2.1 數據來源

本文以開孔河流域1990、2000、2010和2015年4期Landsat TM影像數據為基礎，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，利用ENVI 4.5軟件鑲嵌、剪裁、輻射定標及大氣校正等功能對影像數據作預處理工作，再利用最大似然法對土地利用與覆被類型進行了分類，精度總體介于85.13%～90.22%，Kappa系數在0.857以上，最后運用ArcGIS 10.2和Excel 2007軟件對解譯的數據進行統計分析。研究區社會經濟數據來源于1990～2015年《新疆統計年鑒》。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用動態度變化 利用開孔河流域1990～2015年4期土地利用分類數據，計算出研究期范圍(T)內，某一土地利用類型面積從研究初期(Ua)到研究期末期(Ub)的變化速度[18]。公式為：

(1)

2.2.2 生態系統服務價值估算 本文在Costanza等劃分的生態系統類型中選取了最常用的9個生態服務功能[11]，根據相關學者針對新疆生態服務價值系數修正的研究成果，參考中國陸地生態系統單位面積生態服務價值當量表，對研究區內和靜縣、和碩縣、焉耆回族自治縣、博湖縣、庫爾勒市、尉犁縣的社會經濟發展情況進行分析，得出6個縣市的糧食年平均產量分別為9302、8643、7990、9284、4076、6193 kg/(hm2·a)，選取其平均值作為整個研究區的糧食平均產量(Q)，為7581.33 kg/(hm2·a)。再求出2015年6個縣市糧食平均收購價格(P)為2.44元/kg，計算出研究區一個當量因子的價格為2642.636元/hm2，得出研究區生態系統服務價值系數表(表1)。計算公式如下[19-21]：

(2)

具體的生態系統服務功能計算模型如下：

(3)

(4)

(5)

式中：ESV代表生態系統服務價值(元/年)；k代表土地利用類型；f代表生態服務功能種類(元/年)；A指土地利用類型的分布面積(hm2)。

2.2.3 敏感性分析 為了驗證以上研究方法是否適合開孔河流域現狀，本文應用敏感性指數概念來計算價值系數的敏感性指數[22-24]。敏感性指數(CS)是指因變量與自變量變化的百分比的比值。當CS<1時，表明生態系統價值是缺乏彈性的、敏感的。計算公式為：

(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為調整前系數，VC′為調整后ESV系數。

3 結果與分析

3.1 開孔河流域面積變化分析

根據1990～2015年4期影像解譯數據識別出耕地、草地、林地、建設用地、草本濕地、水域、鹽堿化地、沙漠、未利用地9種土地利用類型(圖1)。25年期間，研究區各土地利用類型中，耕地、草本濕地、沙漠和建設用地面積分別增加了269438.94、16072.23、1575.37、23811.78 hm2；草地、林地、水域、未利用地及鹽堿化地面積分別減少了116024.4、125394.15、14767.16、50715.11、3997.49 hm2。

在研究時間段內，由于開孔河流域城市化進程的加快及人口的不斷增長，對耕地和建設用地的需求不斷增加，大面積開荒種植等原因造成耕地和建設用地面積顯著增加，1990～2000年期間耕地面積增加了146364.95 hm2，而建設用地面積增加了11203.28 hm2，動態率分別為8.57%和3.79%。從土地利用數量變化分析結果可知(表2)，研究區面積最大的土地利用類型為草地，2015年占研究區總面積的59.18%，研究期內持續減少，從1990年的162750.84 hm2減少到2015年的432189.78 hm2，減少了116024.4 hm2，年動態度為-0.17%；其次為未利用地，2015年占研究區總面積的16.44%，在1990～2000年間未利用地面積增加了384.79 hm2，但在2000～2015年期間其面積呈持續減少的狀態，年動態度為-0.26%；林地面積在1990～2010年20年期間減少了131406.49 hm2，直到2015年林地面積增加了6012.34 hm2，年動態度為-1.12%；耕地面積在整個研究期內持續增加，1990～2000年期間最為明顯，面積比例從4.00%上升到了7.00%，年動態度為6.62%；草本濕地面積雖在1990～2000年首個10年期間下降了5993.37 hm2，但在2001～2015年后15年面積呈持續上升趨勢，年動態度為0.46%；水域面積在整個研究期內減少了14767.16 hm2，經歷了先增后減再增3個階段，2000～2010年期間下降了30175.69 hm2，年動態度為-0.50%；沙漠面積在1990～2000年期間增加了1584.83 hm2，之后到2010年減少了9.46 hm2，2010～2015年間其面積沒有再發生變化。整個研究期內，人口的增加和城市的擴張導致對土地的需求日益增加，林地、草地、未利用地等面積減少，農田、建筑用地面積大幅度上升。開孔河流域土地利用景觀格局的顯著變化，反映了人類活動強度的增加對生態環境和生態系統功能的影響。

3.2 生態系統服務功能價值變化分析

本文根據研究區土地利用變化情況表(表2)和單位面積生態服務價值系數表(表1)，結合生態服務功能價值計算公式(3)、公式(4)、公式(5)，計算出開都河-孔雀河流域各土地利用類型的生態服務功能價值和變化率(表3)。

表2 1990～2015年間開孔河流域土地利用變化及動態度情況

表3 開孔河流域1990、2000、2010及2015年生態系統服務價值

從總體上來看，開孔河流域25年間的生態系統服務總價值呈下降狀態，1990～2015年共下降了36.41億元。研究期內，耕地和草本濕地的生態服務價值增長量最高，分別為49.20億元和28.12億元；耕地生態服務價值隨著耕地面積的增加而增加，從1990年的29.72億元增長到2015年的78.92億元，年變化率為6.62%。草本濕地在研究期內的生態服務總價值增長情況雖然比較顯著，但是在1990～2000年期間其生態服務價值減少了9.93億元，年變化率為0.48%；建設用地研究期間增長量為0.05億元，年變化率為2.86%；沙漠的生態服務價值僅次于建設用地，整個研究期間增長了0.01億元，年變化率為2.86%，相對來說其生態服務價值貢獻率較少。

圖2 開孔河流域1990～2015年間土地利用變化

1990～2015年，開孔河流域草地、林地、水域、鹽堿化地及未利用地的生態服務價值增長量呈下降狀態，林地、草地和水域下降最為顯著，其次為鹽堿化地和未利用地。林地的生態服務價值減少的最多，從1990年的238.51億元下降到2015年的166.10億元，共減少了72.41億元；草地的生態服務價值在研究期間持續下降，1990～2000年減少了15.51億元，2000～2010年減少了4.25億元，2010～2015年減少了2.44億元；水域的生態服務價值在整個研究期間呈先增后減再增的趨勢，2000～2015年減少了37.29億元；其次，生態服務價值增長量下降的土地利用類型有鹽堿化地和未利用地，研究期間分別減少了0.08億元和0.87億元。

通過1990～2015年4個研究期各土地利用類型生態服務功能價值的變化情況可以分析出，各土地利用類型生態服務價值貢獻大小從高到低依次為：草地>草本濕地>林地>水域>耕地>未利用地>沙漠>建設用地>鹽堿化地。土地利用類型生態服務價值的大小，與其面積的大小密切相關，土地面積持續呈增加狀態的土地利用類型，其生態服務價值也會隨之增加。研究期間，生態服務價值貢獻率較高的土地利用類型如林地、草地及水域的面積和生態服務價值都在逐年下降，因此，建議研究區合理利用土地資源、水資源，防止沙漠面積的擴大。

3.3 敏感性分析

根據流域實際情況并參考相關文獻分析，將研究區生態價值系數分別上下調整50%，利用公式(6)計算出不同時期開都河-孔雀河流域生態系統服務價值的敏感度指數(表4)。

表4 1990～2015年開孔河流域生態系統服務價值敏感性指數變化

計算結果表明，開孔河流域在4個不同時期的生態系統服務價值的敏感性指數均小于1，生態系統服務價值對其價值系數缺乏彈性，本研究結果可信。1990～2015年期間，耕地和濕地的生態系統服務價值敏感性指數呈增長趨勢；由于鹽堿化地、沙漠和未利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，故在此暫定為0；草地在整個研究期間的敏感性指數最大且穩定不變，為0.44，說明草地在研究期內單位面積生態系統服務價值增加1%，總價值增加0.44%；由此得出，敏感性指數對生態系統服務功能總價值有一定影響。

4 結論與討論

(1)開孔河流域在25年間土地利用變化趨勢為耕地、草本濕地、沙漠和建設用地面積增加，草地、林地、水域、未利用地及鹽堿化地面積減少；其中耕地面積的增加最為顯著，增加了269438.94 hm2，動態度為6.62%；相對于其他土地利用類型，草地和林地面積減少較多，林地減少了125394.15 hm2，草地減少了116024.40 hm2，動態度分別為-1.21%和-0.17%。

(2)生態系統服務價值分析結果表明：1990～2015年，開孔河流域生態系統服務總價值整體上呈減少趨勢，共減少了36.41億元，表明土地利用/覆被的變化導致生態系統服務功能退化，林地、草地、水域、鹽堿化地及未利用地的生態服務價值明顯下降；各土地利用類型生態系統服務價值從高到低依次為：草地>草本濕地>林地>水域>耕地>未利用地>沙漠>建設用地>鹽堿化地，草地、林地和草本濕地是開孔河流域生態系統服務總價值的主要構成部分，草地共提供了2044.17億元，林地和濕地分別提供了757.89億元及975.18億元。在研究期初，西部大開發戰略的實施帶動了大面積退林及退草開荒、引水灌溉等行為，在為研究區實現城鎮化發展和經濟增長的同時，導致流域的生態系統服務功能價值顯著下降，而在研究期中后階段，隨著環境保護意識的樹立、水土資源利用方面監管要求的不斷加強和生態保護紅線等環保政策的出臺，使相關部門積極開展退耕還林、退草還林、嚴厲打擊非法開荒、引水及非法放牧等工作，影響了開孔河流域各土地利用類型的變化速度，也在一定程度上控制了草地、林地、草本濕地等對生態系統服務價值貢獻較大的土地利用類型面積的下降。

(3)敏感性分析表明：研究時段內，開孔河流域所有土地利用類型敏感性指數均小于1，各類土地生態系統服務價值的變化對總價值的影響較小，是缺乏彈性的，說明研究結果可信。2015年各土地利用類型中敏感性指數最大的土地利用類型為草地和耕地，分別為0.44和0.30。

開孔河流域集山脈、綠洲、河流、湖泊和沙漠等幾種復雜的生態系統構造，自然條件特殊，生態環境較為脆弱，人地關系矛盾突出，在人口不斷增長及研究區有限的自然資源和脆弱的生態環境背景下，耕地面積的快速擴大，農業用水大量擠占生態水量等各種人類活動的干擾導致該地區自然資源的退化，出現了一些不可修復的嚴重生態環境問題。因此，提出以下建議：首先，不斷加強對非法引水、開荒等違法行為的打擊；其次，控制和減少耕地灌溉水量，實現退耕還林、還草；最后，宣傳和提倡環境保護的重要性、緊迫性，全面提升居民環保意識，合理配置流域的水資源和土地資源，實現生態環境的和諧發展。