荒漠綠洲區“三生空間”用地與生態系統服務價值的動態變化

買熱古力·馬吉提，高敏華，馬利剛

(新疆大學資源與環境科學學院，新疆烏魯木齊 830000)

隨著城市化發展進入快速成長階段，出現了城市空間無序開發、土地利用效益低、生態環境和自然資源嚴重污染和浪費等一系列嚴峻的環境問題。故黨的十八大提出統籌調整“三生空間”及十九大提出完成劃定生態保護線、永久基本農田、城鎮開發邊界三線的工作。優化土地空間格局、努力保護生態系統是現階段自然資源管理部門最重要的任務之一[1]。生態系統保護應開始于生態系統服務價值(ecosystem services values,ESV)，ESV是指生態環境因其特性、結構等帶來的各類功能效益如供給服務、調節服務、支持服務等[2]。ESV評估是制定生態補償決策、生態分區、環境評估與保護的必要條件。研究“三生空間”與ESV的關系，在生態管理政策中引進ESV核算，可促進社會經濟系統與生態環境系統均衡發展，推進自然資源的合理開發利用與可持續發展。

城市發展中是否統籌布置“三生空間”的格局，達到“三生空間”均衡發展是目前待解決的問題[3]。當前，國內外學者就“三生空間”展開了大量研究，包括其理論和研究框架[4]、分類體系與評價量化[5-6]、空間劃定及實證[7]、基于MCR等研究模型[8]、動力機制[9-10]、關聯特征及協同/權衡關系[11]、生態環境效應[12-14]、空間格局[15-17]、資源環境承載力[18-19]等極大豐富了土地科學的理論基礎。ESV是生態系統服務的貨幣形式，Costanza等[20]首次將生態系統服務分為17類可再生服務，量化評估ESV，為研究領域奠定了基礎。Marchant等[21]匯集了東非的考古及古環境數據，研究發現東非景觀變化是由當地氣候和土地利用變化經過千年時間的積累而造成的。Kindu等[22]研究了埃塞俄比亞高原Munessa-Shashemene景觀，分析40年間土地利用動態變化對ESV的影響。目前大部分研究就土地利用與ESV的關系進行分析，且以我國南部和東部地區為研究區，將“三生空間”與ESV相結合且以西北干旱區為研究區的研究還較少。因此，筆者以烏魯木齊市為研究區，基于“三生空間”視角，利用遙感解譯的1990—2018年土地利用數據，并運用空間異質系數、社會經濟調整系數及資源稀缺系數構建了ESV模型，探究該區域“三生空間”及ESV的時空演變特征。

1 資料與方法

1.1 研究區概況烏魯木齊位于亞歐大陸腹地(86°46′10″～88°59′48″E，42°54′16″～44°58′16″N)，屬于溫帶半干旱大陸性氣候，干旱少雨，晝夜溫差大，四季分明，處于天山北坡，準葛爾盆地南緣，土地總面積為13 792.66 km2，三面環山，地勢大相徑庭，山地面積廣闊，占總面積的50%以上。烏魯木齊是我國“一帶一路”經濟帶的必經之路，是面向中亞和西亞的重要國際商貿中心，2018年常住人口為351萬，城鎮化率為74.61%。GDP達3 099.77億元，三次產業結構是0.8∶30.6∶68.6，依賴資源豐富，形成高耗能、高污染、低效能的經濟發展模式，是“資源富饒-生態脆弱”區。

1.2 數據來源烏魯木齊市1990、2005和2018年的3期遙感影像來源于地理空間數據云(http：//www.gscloud.cn/)。Landsat 5和Landsat 8為遙感影像數據源。通過ENVI進行預處理，對影像進行幾何糾正、圖像配準、裁剪、目視解譯等操作。參考劉紀遠等[23-24]的土地利用/覆被變化(LUCC)分類方法，分為耕地、草地、林地、建設用地、水域和未利用地6大類。得到3期烏魯木齊土地利用分類圖，經過檢查kappa檢驗精度達到88%以上。

運用于ESV評估的耕地面積、糧食價格、糧食作物產量和社會經濟數據來源于全國和烏魯木齊統計年鑒及國民經濟社會發展公報(http：//www.state.gov.cn./tjsj/)。用于NPP計算的全國和烏魯木齊的降水、氣溫數據來源于中國國家氣象信息中心、中國水資源公報和中國生態環境狀況公報。

1.3 研究方法

1.3.1“三生空間”分類體系建立。就土地利用而言，一種地類具有多種功能，根據主觀用地意圖及屬性劃定土地利用類型的主導功能，結合烏魯木齊市土地利用特征，參考呂立剛等[25]、楊清可等[26]對“三生空間”分類方案，根據土地的功能差異和強弱，構建烏魯木齊市“三生空間”分類體系(表1)。

表1 烏魯木齊市“三生空間”分類體系Table 1 The classification system of production-living-ecological land in Urumqi City

1.3.2“三生空間”功能值評價體系。進行“三生空間”功能值測度的基礎是“三生空間”功能評價體系的建立，該研究參照謝高地等[27]對ESV當量的估算，采用分級賦分的方法根據各類土地利用類型的不同功能進行打分，由此構建烏魯木齊市“三生空間”功能值(表2)。

表2 烏魯木齊市“三生空間”功能值Table 2 Function value of production-living-ecological space land in Urumqi City 單位：分

1.3.3“三生空間”用地分析指標。

1.3.3.1空間分布規模。

(1)“三生空間”面積比例。“三生空間”面積比例計算公式如下：

(1)

式中，RK為第K項“三生空間”面積所占研究區總面積的比例；K取值P、L、E，分別代表生產、生活和生態空間的單位面積；n是某類“三生空間”所占單位空間的個數。該研究單位空間的面積為30 m×30 m。

(2)“三生空間”功能總體得分比例。“三生空間”功能總體得分比例計算公式如下：

(2)

1.3.3.2基尼系數。基尼系數表示烏魯木齊市“三生空間”分布均衡度，基尼系數<0.2代表分布絕對均衡，0.2～0.3是比較均衡，>0.3～0.4是相對合理，>0.4～0.5是相差較大，大于0.5代表差距很大[28]。表達式如下：

(3)

式中，G為基尼系數，Mi是烏魯木齊市某區某類“三生空間”面積的累計百分比，Qi是烏魯木齊市某區土地面積占研究區總面積的累計百分比。

1.3.4生態系統服務價值評估。根據Costanza等[20]的研究，將生態系統服務分為9種，并依據謝高地等[29]修改的“中國陸地生態系統單位面積ESV當量表”，并結合烏魯木齊市的實際情況，通過空間異質系數、社會經濟調整系數和資源稀缺系數計算ESV。

1.3.4.1生態系統服務的經濟價值的確定。依據謝高地等[30]的研究，單位面積農田食物EVS(1個標準當量因子)等同于全國平均糧食單產量市場價值的1/7。計算公式如下：

(4)

式中，E代表單位面積農田提供食物生產服務功能的經濟價值(元/hm2)；P是研究區平均糧食價格(元/kg)；Q是研究區年平均糧食產量(kg/hm2)。為減少不同年份物價差異的影響，該研究以2005年的糧食平均價格(2.53元/kg)為基準，計算得到單位面積農田提供食物生產服務功能的經濟價值為1 923.41元/hm2。

VC=Xij×E

(5)

式中，VC是生態系統服務價值系數(元/hm2)；Xij是第i類生態系統中第j類生態系統服務的當量因子。各類生態系統服務價值系數借鑒謝高地等[29]的當量因子表(表3)。

表3 單位面積生態系統服務當量因子Table 3 Ecosystem service equivalent factor per unit area

1.3.4.2生態系統服務價值計算。

(1)空間異質系數。該研究選用Thornthwaite Memorial模型計算空間異質系數，計算公式如下：

(6)

NPP=3 000×[1+e-0.000 969 5×(V-20)]

(7)

(8)

L=300+25×T+0.05×T3

(9)

式中，N是空間異質系數；NPP是植被凈初級生產力[kg/(hm2·a)]；NPP′是研究區植被初級生產力；NPP″是全國植被初級生產力；V是實際蒸散量(mm)；r為年降水量(mm)；L是平均蒸發量(mm)；T是年平均氣溫(℃)。

(2)社會經濟調整系數。各地區的自然及社會經濟條件具有差異，使得社會經濟發展水平和ESV存在差異。故該研究用支付意愿和支付能力計算社會經濟調整系數，公式如下：

D=R×W

(10)

(11)

(12)

(13)

支付能力運用研究區和全國的人均國內生產總值的比值來計算。公式如下：

(14)

式中，GDP′是烏魯木齊市人均國內生產總值；GDP″是全國人均國內生產總值。

(3)資源稀缺系數。利用人口密度反映資源稀缺系數，計算公式如下：

(15)

式中，F為烏魯木齊市資源稀缺系數；g是烏魯木齊市人口密度；G是全國人口密度。

最終根據各類系數確定的生態系統服務價值公式如下：

ESV=∑(A×VC×N×D×F)

(16)

式中，ESV是生態系統服務價值(元)；A代表各類土地利用類型的面積(hm2)；VC是各年份生態系統服務價值系數(元/hm2)；N是空間異質系數；D是社會經濟調整系數；F是資源稀缺系數。

2 結果與分析

2.1 “三生空間”時空格局變化

2.1.1“三生空間”分布格局變化。為分析烏魯木齊市“三生空間”的分布格局及演變特征，先要對“三生空間”進行定量識別。該研究利用烏魯木齊市的土地利用現狀圖、“三生空間”分類體系(表1)和“三生空間”功能值(表2)，對烏魯木齊市1990、2005和2018年的“三生空間”功能進行了定量識別。根據公式(1)算出1990和2018年烏魯木齊市“三生空間”面積，具體見圖1～2。烏魯木齊市1990—2018年生產空間面積是先增加后減少的狀況，1990—2005年生產空間面積增加了67.19 hm2，2005—2018年生產空間面積減少了83.81 hm2，2018年生產空間面積甚至比1990年少16.62 hm2。生活空間面積增加速度快，由1990年的266.54 hm2增加至2018年的678.95 hm2，2018年的生活空間面積是1990年的2.5倍；1990、2005和2018年生態空間面積最大，分布范圍最廣泛，該用地類型面積分別占土地總面積的87.95%、86.91%、85.08%。雖然生態空間數量最多、分布最廣，但生態空間面積是逐年遞減的趨勢，從1990年的12 130.83 hm2減少至2018年的11 734.18 hm2，減少了396.65 hm2；因烏魯木齊市未利用地中沙地、戈壁、裸巖石質地約占87%，此類用地類型開發難度強、利用率低，故生態空間減少現狀不可小覷。

圖1 烏魯木齊市“三生空間”面積 Fig.1 Area of production-living-ecological space in Urumqi City

圖2 1990年(a)和2018年(b)“三生空間”面積分布Fig.2 Distribution of production-life-ecological space areas in 1990(a)and 2018(b)

從1990和2018年烏魯木齊市生產、生活、生態空間功能值分布情況(表4和圖3～5)可以看出，近29年烏魯木齊市的“三生空間”發生了顯著變化。整體而言，1990—2018年烏魯木齊市占地面積最廣的是生態空間，而生活空間面積最小。生產空間從面積的角度分析，是處于面積減少的狀態，但從功能值角度分析，生產空間功能總值由1990年的53 333.56分增加至2018年的62 601.79分，增加了17.38%，因為即使部分生產空間被生活空間占據，但該部分的生產功能并沒有喪失，與此同時生產空間功能也向烏魯木齊市北部即米東區整片移動，而原來1990年主要在沙依巴克區的生產空間功能被破碎化，也向達坂城區零碎地擴大，主要占據生態空間。烏魯木齊市生活空間在1990—2018年發展迅速，1990年主要集中在天山區、新市區和沙依巴克區，到2018年生活空間主要向新市區、米東區和頭屯河區擴展，功能總值由1990年的15 592.07分增加至2018年的43 145.97分，是1990年的2.8倍，而生活空間擴大主要占據的是生產空間用地。1990—2018年烏魯木齊市生態空間主要集中在米東區、達坂城區和烏魯木齊縣，生態空間面積雖仍是最大，但被生產空間與生活空間占據了部分面積，造成生態空間的整片化不如1990年，尤其是達坂城區和烏魯木齊縣的生態空間明顯破碎化，烏魯木齊市生態空間功能總值由1990年的719 270.45分減少至2018年的690 233.44分，減少了4.04%。

表4 1990—2018年烏魯木齊市“三生空間”功能值及占比Table 4 Function value and proportion of production-living-ecological space in Urumqi City from 1990 to 2018

圖3 1990年(a)和2018年(b)生產空間功能值分布Fig.3 Distribution of production space function values in 1990(a)and 2018(b)

圖4 1990年(a)和2018年(b)生活空間功能值分布Fig.4 Distribution of living space function values in 1990(a)and 2018(b)

圖5 1990年(a)和2018年(b)生態空間功能值分布Fig.5 Distribution of ecological space function values in 1990(a)and 2018(b)

2.1.2“三生空間”分布均勻程度。該研究運用基尼系數定量分析烏魯木齊市“三生空間”分布的均勻程度。利用公式(3)求出烏魯木齊市1990—2018年“三生空間”結構基尼系數(圖6)。由圖6可知，烏魯木齊市“三生空間”分布的均勻程度差別甚大，首先是生產空間，1990、2005年基尼系數分別為0.504、0.480，分布相差比較大，到2018年，基尼系數下降至0.372，分布相對合理；其次是生活空間，1990、2005、2018年的基尼系數分別為0.781、0.775和0.734，分布差距懸殊，1990—2018年基尼系數雖有降低趨勢，但變化速度緩慢；生態空間的基尼系數最小，1990、2005和2018年分別為0.073、0.078和0.085，分布絕對均衡。

圖6 1990—2018年烏魯木齊市基尼系數Fig.6 Gini coefficient in Urumqi City from 1990 to 2018

2.2 生態系統服務價值變化基于30 m×30 m網格分析烏魯木齊市生態系統服務價值(ESV)的空間差異，并運用自然斷裂法將ESV區域分為低、較低、中等、較高和高5個等級。宏觀而言，烏魯木齊市ESV從外圍至主城區呈“較低等—高等、較高等—中等—低等”的格局，主要因為烏魯木齊市外圍米東區為工業區，達坂城區西部、烏魯木齊縣南部是未利用地，而這2個區中部為山區林地及草地，郊區多為耕地。具體而言，研究區低和較低等級ESV區域主要集中在主城區及米東區、達坂城區西南部分，該等級隨著城市擴張在主城區呈蔓延趨勢，而米東區作為工業區50%區域屬于該等級，達坂城區出現兩極分化趨勢；中等級ESV區域分布趨于集中化狀態，并從烏魯木齊縣向北至主城區郊區轉移；較高和高等級ESV區域集中在烏魯木齊縣和達坂城區等山區，隨時間推移這2類生態價值區域趨于萎縮趨勢。總的來說，雖然中等級和較高等級的區域是增加的趨勢，但由于較低等級區域也在增加且高等級區域在萎縮，故烏魯木齊市整體生態環境呈現退化的態勢。

利用烏魯木齊市1990、2005、2018年3期土地利用數據，結合經過修正的ESV系數，計算烏魯木齊市“三生空間”格局改變導致的生態系統服務價值變化(表5)。結果顯示，草地是提供烏魯木齊市ESV的主要用地類型，其次是有林地。29年烏魯木齊市ESV總體損失大于收益，生態損失共計2 354.00萬元；草地ESV共減少1 607.35萬元，下降率為70.13%；冰川雪地的ESV是水域中甚至是所有土地利用類型中減少幅度最大的，共減少了519.02萬元，下降率為99.28%，而在水域中的除冰川雪地外，其他土地類型如溝渠、水庫坑塘和湖泊的ESV經歷了先下降后增長的波動過程，而河渠則呈相反變化趨勢。

表5 1990—2018年烏魯木齊市“三生空間”生態系統服務價值變化Table 5 Changes of the ecosystem service value of production-living-ecological space in Urumqi City from 1990 to 2018

從圖7可以看出，烏魯木齊市各項生態系統服務功能中最突出的是水文調節功能，其次是氣候調節功能，提供ESV最少的是食物生產功能。1990—2018年，隨著烏魯木齊市“三生空間”格局的改變，各項ESV功能總體均呈下降趨勢，水文調節生態價值量銳減，共減少了799.1萬元，降幅為75.64%，其原因是生態空間中冰川雪地的ESV降幅大；其次是氣體調節，下降199.9萬元，降幅為74.90%；而ESV降幅最小的土壤保持也都減少了241.0萬元，降幅為71.01%；各項ESV功能生態價值量的平均降幅為72.57%。

圖7 1990—2018年烏魯木齊市各生態功能價值量(單位：萬元)Fig.7 The value of each ecological function in Urumqi City from 1990 to 2018

3 結論與討論

3.1 結論在“三生空間”時空變化方面，隨著烏魯木齊市的持續擴張和經濟的發展，1990—2018年烏魯木齊市“三生空間”發生顯著變化：①從“三生空間”面積分析，1990—2018年烏魯木齊市占地面積最廣的是生態空間，而生活空間面積最小。研究區生產空間面積經歷了“增長—下降”的波動變化，總體變化幅度不大；生活空間面積逐年增長是該區域“三生空間”演變的主要方向；29年間生態空間面積與生活空間相反，逐年處于減少的狀態，共減少了396.65 hm2。②從“三生空間”功能值分析，生產空間面積雖減少了但功能總值處于增長的趨勢，增幅為17.38%，且向烏魯木齊市北部整片擴張；生活空間功能總值隨著面積的增長而上升，到2018年功能總值增加了27 553.90分，2018年功能總值約是1990年的2.8倍，且從主城區向郊區蔓延；生態空間功能出現破碎化，該空間功能總值處于減少趨勢，減幅為4.04%。③分析烏魯木齊市“三生空間”分布的均衡程度可知，生產空間在1990、2005年分布相差大，2018年得到改善分布相對合理；生活空間分布差距懸殊；生態空間分布絕對均衡。

在生態系統服務價值變化方面，產生ESV最高的是草地和有林地，29年間烏魯木齊市ESV損失大于收益，共減少了2 354.00萬元，而草地ESV損失最多，共減少了1 607.35萬元；低等級、較低等級生態系統服務價值區域集中在主城區及工業區，且隨著工業發展迅速而呈擴張趨勢，而高等級ESV區域在萎縮；總ESV均值烏魯木齊市外圍到中心波動下降，其中水文調節和氣體調節功能隨時間推移衰退較顯著。

3.2 討論該研究基于當量因子法，運用了修正的系數且從時空尺度研究“三生空間”格局和ESV動態演變，發現“三生空間”的變化會引起ESV的同步變化，但系數修正導致的差異對ESV也會產生影響。例如，1990—2005年生產空間面積增加幅度較大，但ESV降低幅度也較大，該現象主要因為修正系數的變化造成的。因此，修正ESV系數對分析ESV的變化起著至關重要的作用。

草地、冰川雪地和有林地是烏魯木齊市高ESV的代表，且單類功能價值的變化與冰川雪地、草地的面積變化相關，研究結果可知烏魯木齊市水土流失嚴重、水源保護力度小，為了確保烏魯木齊市生態系統發揮作用使生態平衡，建議保護和修復這2種地類。城市快速發展會導致區域ESV呈現下降趨勢。烏魯木齊市主城區是建設用地增加的主要區域，也是ESV低值分布的主要區域。故建議進行合理的土地空間規劃，加強管控生態保護紅線力度，繼而提升區域生態系統提供服務的能力。

為了改善烏魯木齊市生態環境，2011年烏魯木齊市政府發布了《烏魯木齊市環境景觀綜合整治三年行動綱要》，而生態治理水平也有了質的飛躍，響應政策要求，各區積極植樹造林，治理水土流失，擴大城鎮綠化面積，改善環境。但土地利用過程中仍有不少問題：①建設用地侵占優質耕地現象嚴重，耕地保護力度不足，導致農產品產量減少，且建設用地擴張過程中環境問題顯著；②林地面積減少快速，缺少生態涵養能力；③烏魯木齊市還未建立保護水域的有效機制，水資源短缺問題日益嚴重；④未利用地開發難度強，技術手段落后，未利用地開發仍存在較大潛力。