伊犁河流域土地利用/覆被變化對生態系統服務價值的影響
——基于強度分析模型

王穎慧,丁建麗,*,李曉航,張鈞泳,馬國林

1 新疆大學資源與環境科學學院智慧城市與環境建模自治區普通高校重點實驗室,烏魯木齊 830046 2 新疆大學綠洲生態教育部重點實驗室,烏魯木齊 830046

隨著對全球變化的深入研究,人們發現土地利用/覆蓋變化(Land Use/Cover Change,LUCC)是影響全球環境變化的重要原因[1—2]。LUCC不僅影響氣候變化,還進一步影響了區域生態系統服務價值(Ecosystem Service Value,ESV)的空間分布和景觀格局變化的生態過程[3—5]。ESV指人們從生態系統中獲得的明顯或潛在的利益[6—7],其主要指標包括供給服務、調節服務、支持服務和文化服務[8—9]。目前,經濟價值評估的使用主要遵循由Costanza等人[10]建立的ESV評估模型。根據我國實際情況,謝高地等[11—12]研究出了基于該模型的單位面積生態服務價值表,并得到了廣泛應用[13—14]。景觀格局通常指景觀空間結構特征,可以反映潛在的人類活動行為,已逐漸成為土地利用變化研究的主要分析手段之一[15]。目前,景觀格局的演變主要依靠景觀指數分析和空間統計特征方法[16—17],如何清晰地理解和衡量土地利用、景觀和生態系統服務價值的模式和過程的變化強度,以及它們之間錯綜復雜的關系,是一個亟待解決的問題。

強度分析是一種定量的數學理論框架,相較于其他常見的LUCC分析模型,強度分析可以系統地定量地分析土地利用動態變化過程中的內部轉換狀況[18—19],并檢驗在時間間隔、地類和轉換水平上的強度變化[20]。Huang[21]等人第一次將強度分析方法應用在中國的東南部九龍河流域,探究該地區的LUCC過程和模式。楊建新等[22]人對武漢市土地利用強度分析時,使用了一種轉換模式交叉列聯表展示各地類轉換類型的穩定性與系統性特征。但大部分使用強度分析的LUCC分析中,同時考慮景觀格局與區域ESV之間相互影響關系的研究較少,因此,利用強度分析的優勢彌補其他LUCC分析模型的不足,進而深入挖掘其與景觀格局和ESV的響應關系,具有重要的現實意義。

為了進一步實現可持續發展的目標,從景觀格局變化的角度理解當今經濟發展所造成的生態效益是研究熱點之一[23—24]。但是很少有研究分析土地利用變化的強度如何影響生態系統服務。因此,本研究在強度分析中引入改進后的土地轉換模式交叉列聯表,研究伊犁河流域(中國部分)1980—2015年LUCC、景觀格局和ESV的變化情況；同時,探究LUCC、景觀格局與ESV之間的關系。以期為伊犁河流域未來土地資源持續利用和經濟的可持續發展提供理論和方法支持。

1 研究區概況和數據來源1.1 研究區概況

伊犁河流域(中國區域)地處新疆西部的伊犁哈薩克自治州,位于東經80°09′42″—84°56′50″,北緯42°14′16″—44°53′30″之間,流域面積57550.80km2。流域內多種地貌類型并存,地勢東高西低,東窄西寬,形似朝西開口的喇叭狀,概括為“兩山夾一盆”,最高海拔5741m,最低海拔532m。受地貌影響,流域內降水豐富,形成了西北干旱半干旱區獨特的“濕島”氣候。年平均氣溫在2.9—10.4℃左右,年平均降水量變化幅度在200—1000mm之間。由于流域整體較為濕潤,植被牧草發育良好,是我國畜牧基地的典型代表[25]。20世紀80年代以來,新疆伊犁河流域土地開發活動趨于活躍,三北防護林工程的實施、28個自然保護區的成立,旅游業的發展等為流域帶來了巨大的生態效益。

1.2 數據來源

伊犁河流域1980、1990、1995、2000、2005、2010、2015年的土地利用數據,均來自中國科學院資源環境科學與數據中心(http://www.resdc.cn/)。各年份生態系統服務價值計算所用到的糧食產量、糧食價格等統計數據來源于《伊犁統計年鑒》、《伊犁哈薩克自治州統計年鑒》、《全國農產品成本收益資料匯編》。考慮到建筑用地對生態系統的正面效應遠小于負面效應,故本文不納入生態系統服務價值。

2 研究方法

2.1 強度分析

強度分析可以定量的表達不同時間內各土地利用類型的變化強度,采用空間層次分析法,通過三個層次：時間間隔層次、地物類型層次、轉移層次進行分析[26]。表1給出了本文使用強度分析所用到的數學符號及其含義。

表1 數學符號注釋Table 1 Mathematical notation

(1)時間間隔層次：探究每個時間段的年平均變化強度St與整個研究期內的總變化強度U相比,變化速度的快慢。如果LUCC在研究期內是絕對穩定變化的,那么St=U；如果研究期內LUCC變化是快速的,那么St>U；如果研究期內LUCC變化是緩慢的,那么St

(1)

(2)

(2)地物類型層次：探究在某時間段內,某一土地利用類型的變化強度與年平均變化強度相比相對活躍還是平穩。如果某時間段內地類的增加或減少強度是絕對穩定的,那么Lti=St或Gtj=St。如果某時間段內地類的增加或減少強度是活躍的,那么Lti>St或Gtj>St；如果某時間段內地類的增加或減少強度是平穩的,那么Lti

(3)

(4)

(3)轉移層次：為了區分在某時間段內,不同土地利用類型之間的轉變是否強烈。當地類n的轉移強度Rtin>平均增加強度Wtn時,說明n地類的增加可能來源于對i地類的占用,當地類n的轉移強度Rtin<平均增加強度Wtn時,說明n地類的增加避免于對i地類的占用；當轉移強度Qtmj>平均增加強度Vtm時,說明地類m的減少可能轉變為j地類,當轉移強度Qtmj<平均增加強度Vtm時,說明地類m的減少未轉變為j地類。轉移層次的公式為：

(5)

(6)

(7)

(8)

在進行轉換層次的強度分析時,為了直觀的分析不同地類在較多的時間節點上的變化情況,本文在楊建新[22]等人的研究基礎上,設計了面積增長和面積減少兩種土地轉換模式交叉列聯表。如圖1所示,每一橫排①—⑤代表5個時間間隔,顏色代表地類j是否趨向于或避免于轉換為地類i,數值越大代表越穩定地趨向于轉換為地類i,顏色也就越深,數值越小代表穩定地避免于轉換為地類i,顏色也就越淺。橫向上填充相同的顏色說明研究期間j地類向i地類的轉換較穩定；縱向上填充的顏色相同說明某時間間隔內地類j向地類i的轉換較穩定。

圖1 土地利用轉換模式交叉列聯表Fig.1 Cross ContingencyTable of Land Use Conversion Model

2.2 景觀指數選取

景觀格局指數的選擇要滿足可以代表景觀特征的不同方面、指數不具有冗余性和以其他相關研究的指數選擇作為參考三個標準[27—28]。通過我們對研究的需求,為了全面反映流域景觀格局特征,分析整合了先前研究中選擇的指標,景觀水平上選取斑塊數量(NP)、平均斑塊面積(AREA_MN)、香農多樣性指數(SHDI)、香農均勻度指數(SHEI)、蔓延度(CONTAG)、聚集度指數(AI)；在景觀類型水平上選取斑塊密度(PD)、平均斑塊面積(AREA_MN)、最大斑塊指數(LPI)、景觀形狀指數(LSI)、散布與并列指數(IJI)。以上指標可以反應景觀破碎度、形狀面積、多樣性、聚散性。

2.3 生態系統服務價值評估

基于土地利用類型的分類結果,參照Costanza等的ESV評估方法[9]來計算伊犁河流域1980—2015年的ESV。此外,本文還采用了謝高地等[11,28]提出的生態系統系數修正方法：1個生態服務價值當量因子的經濟價值為單位面積糧食產量的1/7[11]。為消除不同年份農作物價格波動對總價值的影響,以新疆2015年3種主要農作物(稻谷、小麥、玉米)的播種面積、產量和平均價格作為基礎數據,由式(9)計算出伊犁河流域單位面積農田生態系統糧食作物的經濟價值為1728.01元/hm2,估算公式為：

(9)

其中,VC0為伊犁河流域單位面積生態服務當量系數的經濟價值,oi為第i種糧食作物面積(hm2)；pi為第i種糧食作物單產(kg/hm2)；qi為第i種糧食作物的平均價格(元/kg)；M為3種糧食作物總面積；測算得出伊犁河流域各景觀類型單位面積生態系統服務價值(表2)。

表2 伊犁州生態系統單位面積生態服務價值/(元 hm-2 a-1)Table 2 Ecosystem services value unit area of Yili river basin

ESV計算公式為：

ESV=∑Ai×VCi

(10)

ESVf=∑Aif×VCif

(11)

其中,ESV代表區域生態系統服務總價值(元)；Ai代表第i種景觀類型的面積(hm2)；VCi代表第i種景觀類型的價值系數[(元hm-2a-1)]；ESVf代表單項生態系統服務價值(元)；VCif代表單項服務價值系數[(元hm-2a-1)]。

3 結果與分析

3.1 強度分析

3.1.1時間間隔水平上的強度分析

圖2 1980—2015年伊犁河流域時間間隔層次土地利用變化強度Fig.2 The intensity of land use change at the interval level in the Yili River Basin from 1980 to 2015

圖2中,左側區域表示在每個時間間隔上實際發生變化的地類面積占比情況,右側區域表示每個時間間隔內地類的平均變化強度(St),即年均變化面積在總面積的占比情況。右側區域的虛線表示整個研究時間間隔內的總變化強度(U)。由左側區域可以看出,伊犁河流域各土地利用類型在1980—2000年的變化面積占比較大,三個時間間隔的變化面積分別為22.6%、17.44%和19.61%,2000—2015年的三個時間間隔中,各土地利用類型的變化面積占比明顯減少,分別是1.55%、0.49%和1.23%；右側區域1980—2000年間三個時間間隔內的St呈增大趨勢,都要大于U,說明變化是快速的。2000—2015年的三個時間間隔中,St都要小于U,表現為慢速變化。整體來看,35年來,伊犁河流域的St呈現先上升后下降趨勢。

3.1.2地物類型層次的強度分析

圖3顯示了6個時間間隔的地物類型層次強度分析。在1980—2015年期間,研究區的地類變化較為復雜,圖3的0刻度線左側區域表示各地類的年均增加面積和減少面積,右側區域表示各地類的年均增加強度(Gtj)和減少強度(Lti),虛線表示對應時間段內,各地類的平均變化強度(St)。可以看出,1980—2015年,草地的凈減少面積最大,耕地的凈增加面積是最大的,城鎮建設用地的變化最小,除了草地的面積減少外,其余地類的面積均有所增加。土地面積變化幅度較大的是耕地(增加了3.66%)、城鎮建設用地(增加了0.35%),林地變化最小(增加了0.07%)；草地雖然減少量較大,但其本身的基數大,面積占比依舊較穩定。

年均變化強度以2000年為節點表現出了明顯的階段性,2000年以前,各地類的增減強度都較大,除了草地,其余地類的Gtj都非常活躍,Gtj前三位的地類是城鎮建設用地、林地和水域。2000年以后,各地類的活躍度相對降低,且Gtj明顯高于Lti,耕地和城鎮建設用地成為流域內變化強度最活躍的地類,林地和未利用土地的Gtj和Lti趨于平穩,水域的Gtj活躍度增加?？傮w來看,耕地和城鎮建設用地的Gtj在6個時間段內都大于St,最為活躍,草地的變化強度較平穩,Gtj始終小于St和Lti。土地利用類型由變化劇烈趨向于平衡狀態,研究區城鎮建設的發展也從盲目逐步到理性發展過度。

3.1.3轉換層次的強度分析

圖4、圖5顯示的是轉入(地類面積增加)和轉出(地類面積減少)兩種模式的轉換層次交叉列聯表,伊犁河流域土地利用變化呈現出多種轉換模式。在整個研究期間,展現出穩定地傾向性系統轉換模式的有：耕地-城鎮建設用地、草地-林地(1980—2000年)、草地-耕地(2000—2015年)、水域-未利用土地(1980—2000年)、水域-耕地(2000—2015年)、城鎮建設用地-耕地；展現出穩定地避免性系統轉換模式的有：耕地-林地、林地-水域、草地-水域、水域-草地、城鎮建設用地-林地、城鎮建設用地-草地。

圖4 1980—2015年伊犁河流域轉移層次土地利用變化模式交叉列聯表—地類面積增加Fig.4 Cross-contingency table of land use change patterns at transfer levels in the Yili River Basin from 1980 to 2015—The area of land type increases

圖5 1980—2015年伊犁河流域轉移層次土地利用變化模式交叉列聯表—地類面積減少Fig.5 Cross-contingency table of land use change patterns at transfer levels in the Yili River Basin from 1980 to 2015 —The area of land type decreases

從轉換層次強度分析的結果中可以得到,水域面積的增長很大一部分是對耕地和未利用土地的占用,但耕地和未利用地轉出為水域的強度卻在大部分時間間隔中表現出避免性,這表明耕地、未利用土地轉出為水域面積較大的原因主要是耕地和未利用土地的分布面積相對較大,并且二者與水域的空間分布格局關系較為密切,當水域面積增加時從二者轉入的概率較大。

3.2 景觀格局時空演變分析

本文選取的景觀指數可以從破碎化、多樣性水平和聚散性三個方面來描述1980—2015年伊犁河流域的景觀異質性特征。

3.2.1景觀水平分析

從圖6可以看出伊犁河流域斑塊數量(NP)在1980—2015年間呈先下降后上升趨勢,平均斑塊面積(AREA_MN)趨勢與NP相反,蔓延度(CONTAG)和聚集度指數(AI)表征不同景觀類型的聚集狀態,兩個指數都呈先上升后大幅下降趨勢,說明流域內景觀斑塊的聚集性減弱,破碎化程度加大。香農多樣性指數(SHDI)和 香農均勻度指數(SHEI)可以表征景觀的多樣性,將二者結合分析發現流域內景觀多樣性在研究期內有所增加,各景觀類型區域均衡化發展。

圖6 1980—2015年伊犁河流域景觀水平景觀指數變化Fig.6 Changes in the landscape index of the Yili River Basin from 1980 to 2015

3.2.2景觀類型水平分析

通過分析不同地類斑塊的景觀指數(圖7),斑塊密度(PD)和平均斑塊面積(AREA_MN)不僅反映景觀的異質性,還與破碎度有一定的正相關性,伊犁河流域水域和林地的PD在1980—2000年間波動較大,早期經濟發展的需求較大,對水域和林地的破壞導致斑塊破碎化程度加大,后期隨著西天山國家級自然保護區的建立和三北防護林等政策的實施,使得破碎化程度有所減緩。耕地的PD逐漸增加,景觀形狀指數(LSI)呈現先下降后上升趨勢。最大斑塊指數(LPI)顯示草地景觀在流域內占有極大的優勢度,由于人類活動干擾度增加,城鎮化發展水平持續上升,對草地的開采程度加大,導致許多大斑塊的景觀被分割為小斑塊,LSI的上升趨勢說明了草地景觀的板塊外形逐漸復雜化。城鎮建設用地在1980—2000年間PD波動較大,后期基本處于穩定狀態。1980—2015年,流域內各景觀類型的散布與并列指數(IJI)都有增加趨勢,說明各地類景觀與其周圍相臨近景觀類型的豐富度有所增加。

圖7 1980—2015年伊犁河流域景觀類型水平景觀指數變化Fig.7 Changes in the horizontal landscape index of landscape types in the Yili River Basin from 1980 to 2015

3.3 生態系統服務價值變化分析

土地利用的變化也引起了伊犁河流域ESV的波動,總體ESV變化如表3所示。1980—2015年,流域內總ESV呈先減少后增加的變化趨勢,2005年后穩定在998億元左右。1980—1990年流域內水域過于活躍的減少強度和草地約1228km2的減少面積導致流域內ESV大幅下降,1995—2000年ESV的快速回升除了耕地面積對草地和城鎮建設用地的占用外,更主要的是水域活躍的增加強度。水域由于其單位生態服務價值大,導致ESV占比較大,有效的補充了生態系統服務價值的損失。總的來看,流域ESV在2000—2015年的增長值(1.72億元)大于1980—2000年的增長值(-1.23億元)。

表3 1980—2015年伊犁河流域生態系統服務價值Table 3 Ecosystem service value of the Yili River Basin from 1980 to 2015

由表4可知,伊犁河流域單項ESV中,占前三位的是支持服務中的廢物處理、水文調節、保持土壤。1980—2015年,廢物處理、水文調節、食物生產、美學景觀、原材料生產的價值有所增長,分別增長約3.38億元、2.76億元、2.17億元、0.86億元和0.30億元,其它單項ESV均呈減少趨勢,土壤保持虧損的最多,約4.17億元,這與城鎮建設用地的擴張有著直接的關系。所有單項ESV中,食物生產的增幅最大,達到7%,這與伊犁河流域的耕地面積增加有關。

表4 1980—2015年伊犁河流域單項生態系統功能價值Table 4 The functional value of a single ecosystem in the Yili River Basin from 1980 to 2015

3.4 土地利用變化強度與景觀指數、生態系統服務價值之間的關系

不同景觀指數與各一級分類的ESV的相關性如表5所示,可以看出,總ESV與NP、LSI、LPI、SHEI、SHDI呈正相關,與AREA_MN、AI、CONTAG呈負相關。選擇與每個一級ESV高度相關的景觀指標(P<0.01,P<0.05)以構建多元回歸模型(表6),供給服務、支持服務、文化服務都與所選擇的景觀指標顯著相關,可以看出SHEI對供給服務和支持服務的影響要大于其他景觀指數,文化服務與NP、LSI顯著正相關,與AREA_MN、AI顯著負相關,其中調節服務與各景觀指數相關性較強,這意味著優勢景觀斑塊面積的增加、形狀多樣、各斑塊聚集化發展會促使流域生態系統服務價值的增加,景觀斑塊數量的增加、分布越分散,即隨著破碎化的增加,使生態系統服務價值逐漸減少。為了進一步了解土地利用變化強度對生態系統價值的直接影響,對伊犁河流域6個時間間隔的年均變化強度和7個年份的生態系統服務價值進行線性回歸分析(圖8),結果表明,土地利用變化強度與ESV之間存在較強的正相關關系。

表5 景觀格局指數與生態系統服務價值的相關性分析Table 5 Correlation analysis of landscape pattern index and ecosystem service value

表6 景觀格局指數與生態系統服務價值的回歸分析Table 6 Regression analysis of landscape pattern index and ecosystem service value

圖8 土地利用變化強度與生態系統服務價值的線性關系 Fig.8 Linear relationship between the intensity of land use change and the value of ecosystem services

4 討論

4.1 景觀格局時空演變分析

伊犁河流域1980—2015年林地、草地面積減少的原因一部分是耕地和城鎮建設用地的增加,過度放牧活動占用了天然綠洲[26],另一方面是水資源的開發利用導致流域徑流減少,河道地下水位降低而引起了林草地的生態萎縮。1994年以來,國家和地方政府相繼出臺了一系列政策法規,例如《基本農田保護條例》,在一定程度上規范了農田的退耕[29]。2000年以后 “國家級自然保護區”“三北防護林”等生態工程的成立,在一定程度上保護了伊犁河流域的林地和水域資源,帶來了顯著的生態、經濟和社會效益[30]。

目前流域內土地利用向著多樣化方向發展,通過強度分析,可以幫助研究人員深入的了解流域內土地利用變化模式與過程,并且對那些表現出活躍和穩定的關鍵變化模式給予更多關注[31]。此外,強度分析可以計算額外的指標來分析未知或不精確的土地利用數據[32]。與那些僅通過傳統遙感方法分析沿海地區動態的土地使用變化研究相比,強度分析可以提供更多的信息,像本文中使用了分辨率較小的土地利用類型數據,強度分析模型的多層次分析就可以很好地彌補這一缺點。

4.2 土地利用、景觀格局和生態系統服務價值的相互關系

土地利用變化強度的程度導致的景觀格局的改變影響著生態系統的物質循環和能量流動,導致流域內生態系統服務價值量的變化[33—34]。Ayinuer[35]等分析了艾比湖自然保護區的ESV與景觀格局的關系,發現ESV與NP、PD和SHDI負相關,與ED、SIDI、CONTAG呈正相關。岑曉騰[36]以杭州灣南岸為例,研究ESV與景觀格局的關系,發現土地利用越豐富、景觀連通性和多樣性越高,對區域ESV有提升作用。從長遠來看,需要了解LUCC對景觀格局變化的影響并確定ESV,即了解景觀格局與ESV之間的相關性,由此可以將景觀格局的變化情況作為指導區域ESV的可持續發展的關鍵因素。在對多元回歸模型進行分析的基礎上,探索了ESV與景觀指標之間的關系,以量化景觀變化對ESV的影響(表6),結果表明,NP、AREA_MN、AI均與各一級ESV呈負相關,景觀格局上的碎片化和分散性可能會對生態系統服務價值產生負面效應[37]。

目前生態經濟發展總體處于不協調水平,為了繼續提升伊犁河流域生態系統服務功能,需對流域內自然資源和人類活動進行科學合理的規劃管理[38]。開墾荒地、合理放牧,規整農田和牧草地,以避免斑塊趨于破碎化；控制城鎮建設用地的擴展；保護流域內水資源,科學的進行旅游景區和商業林用地的開發,只有當人類活動與生態系統各項功能發生交集時,才可以提升其價值,為人類提供服務[36]。

本研究從時間間隔層次、地類層次、轉移層次對土地利用變化指標進行整合,能夠客觀反應地類間的轉換優勢；基于當量因子法對ESV進行修正,通過相關分析和回歸分析法揭示伊犁河流域內土地利用變化和景觀格局與ESV之間的相關程度。由于影像的分辨率可能會影響強度分析的結果或景觀格局、ESV的變化,因此需要根據Aldwaik等[39]提出的框架進一步分析每個層次實際變化強度與標準變化強度的差異,用更精細的分辨率數據來分析景觀變化的研究。因為生態系統服務價值的異質性,修正后的價值未必是最精確的,并且研究區ESV的變化也受其它自然和社會因素的影響,因此今后將會對其它驅動因子進行進一步剖析研究。

5 結論

通過土地利用變化強度分析,系統性地遞進式分析了1980—2015年間伊犁河流域土地利用變化過程與模式,較為清晰直觀地展示了不同層次上的土地利用類型變化。研究結果表明：

(1)伊犁河流域35年來土地利用變化強度先增強后逐漸減弱,其中耕地、水域和城鎮建設用地出穩定性增長的趨勢。在轉移層次強度分析方面,耕地向城鎮建設用地展現出穩定地傾向性轉換模式,草地和水域、城鎮建設用地展現出穩定地避免性轉換模式。

(2)流域內土地利用變化導致景觀格局在研究期間斑塊聚集性減弱,破碎化加劇,景觀多樣性有所增加,各地類景觀均衡化發展。1980—2015年,伊犁河流域總生態系統服務價值增加了0.49億元,其中水域和林地是提供生態系統服務價值的主要地類,共占流域總生態系統服務價值的47.94%。

(3)伊犁河流域優勢景觀斑塊面積的增加、形狀多樣化、各斑塊聚集化發展會促使流域生態系統服務價值的增加,土地利用變化強度與ESV存在明顯的正相關關系。