新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時空分異特征

萬 勤,孟 優(yōu),*,謝新輝, 張希明, 韓春麗, 李金芬

(1. 新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究所，烏魯木齊 830002； 2.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，烏魯木齊 830011)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能是指生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過程所形成及所維持的人類賴以生存的自然環(huán)境條件和效用，包括對人類生存及生活質(zhì)量有貢獻(xiàn)的生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)品和生態(tài)系統(tǒng)功能[1]。它是區(qū)域?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)之一[2]，當(dāng)前人類面臨的多種生態(tài)問題的本質(zhì)是由于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能受到破壞與退化的后果[3]。近年來，隨著全球氣候變暖、土地荒漠化等全球性生態(tài)環(huán)境問題的加劇，對于生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能研究越來越受到重視[4- 8]。而土地利用以及由此導(dǎo)致的土地覆蓋變化嚴(yán)重影響著生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價值[9]。研究土地利用背景下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值可定量了解區(qū)域土地利用變化對生態(tài)環(huán)境的影響程度，并以此為據(jù)對土地利用格局進(jìn)行優(yōu)化，可有效促進(jìn)區(qū)域土地資源合理利用，提高資源利用效率，為生態(tài)環(huán)境保護(hù)及后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)，并為實現(xiàn)社會經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供理論及技術(shù)支持[10- 12]。

新疆兵團(tuán)175個農(nóng)牧團(tuán)場主要分布在塔克拉瑪干和古爾班通古特兩大沙漠的周圍和2019 km的邊境線上，是新疆主要的綠色生態(tài)屏障。同時它對新疆農(nóng)業(yè)發(fā)展、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略調(diào)整和布局、新疆經(jīng)濟(jì)建設(shè)、邊疆繁榮穩(wěn)定和民族團(tuán)結(jié)等具有重大的戰(zhàn)略意義[13]。但其生態(tài)環(huán)境十分脆弱，土地利用與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能之間關(guān)系更加敏感，基于土地利用/覆被變化的新疆兵團(tuán)生態(tài)價值損益分析，將對區(qū)域土地規(guī)劃與管理有重要的參考意義。

國內(nèi)外諸多學(xué)者針對全球[14]、區(qū)域[15- 17]、流域[2]及城市[18]等不同尺度，森林[19]、草地[20]、濕地[21]、河流[2]以及農(nóng)田[22]等不同類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進(jìn)行了研究分析。近年來，隨著遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)的發(fā)展，一些學(xué)者開始對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值空間格局及影響進(jìn)行了探討，并取得了一定的成果[23- 24]。但目前，對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的研究內(nèi)容多偏向總體價值評價，缺乏研究區(qū)空間變異及內(nèi)部差異性變化的研究[25- 26]?，F(xiàn)有的新疆地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的研究多集中在新疆重要的綠洲(渭干河-庫車河三角洲綠洲)[16]、河流(伊犁河流域和塔里木河流域)[2,27]和湖泊(艾比湖)[28]，對新疆兵團(tuán)生態(tài)服務(wù)價值的研究較少，李浩基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值對新疆兵團(tuán)綠洲農(nóng)業(yè)綠色GDP進(jìn)行了估算[29]，但因為引用資料的不夠完整，文中采用了簡化處理，對2009年新疆兵團(tuán)生態(tài)服務(wù)價值只做了粗略的估計。

基于以上認(rèn)識，本研究以新疆兵團(tuán)為研究區(qū)，對該區(qū)域生態(tài)服務(wù)價值的空間分異及土地利用變化引起的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的時空變化進(jìn)行分析，為新疆兵團(tuán)資源開發(fā)利用和生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

新疆兵團(tuán)分布在新疆維吾爾自治區(qū)境內(nèi)，面積為7.4×106hm2，約占新疆總面積的4.6%。

其分布在自治區(qū)16個地(州、市)的69個縣(市)境內(nèi)，全兵團(tuán)下轄14個師，175個農(nóng)牧團(tuán)場，其地理位置見圖1。新疆兵團(tuán)屬溫帶大陸性氣候，集中表現(xiàn)為降水稀少、相對濕度低、冬季漫長、春秋短、日照長、溫差大。根據(jù)新疆兵團(tuán)2001—2011年統(tǒng)計年鑒，新疆兵團(tuán)地表水資源量為105.82億m3，地下水資源量為20.13億m3，林覆蓋率約為5%?？?cè)丝跒?57.32萬人，農(nóng)業(yè)人口為125.2萬人，占總?cè)丝跀?shù)的48.6%。2010年兵團(tuán)生產(chǎn)總值770.62億元，與2000年相比，平均年增長29.7%，人均生產(chǎn)總值29948元，是2000年人均生產(chǎn)總值的4倍。

圖1 新疆兵團(tuán)地理位置示意圖

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

本研究數(shù)據(jù)來源于新疆地區(qū)2000年美國陸地衛(wèi)星(TM)影像和2010年中國環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星(HJ1A-CCD1)影像，二者的分辨率都為30 m。因TM影像具較高空間分辨率、波譜分辨率、極為豐富的信息量和較高定位精度，成為世界各國廣泛應(yīng)用的重要的地球資源與環(huán)境遙感數(shù)據(jù)源。中國環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星于2008年發(fā)射，目前已經(jīng)成為中國重要的環(huán)境遙感數(shù)據(jù)源。

遙感圖像預(yù)處理包括輻射校正、影像配準(zhǔn)、幾何糾正、影像增強(qiáng)、影像鑲嵌、影像融合等，影像解譯采用基于面向?qū)ο蟮姆诸惙椒?，依?jù)國土資源部2007年第二次土地大調(diào)查土地利用現(xiàn)狀分類系統(tǒng)，將土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、濕地、建設(shè)用地和未利用地7類。

2.2 研究方法

2.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評價方法

本研究借鑒謝高地等人[30]提出的中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值表，確定新疆兵團(tuán)與土地利用類型相對應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)類型及生態(tài)價值系數(shù)(表1)。運(yùn)用Costanza等[1]計算公式計算新疆兵團(tuán)各土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值。其公式為：

ESV=∑(AK×VCK)

(1)

式中,Ecological service value(ESV)為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(元)；AK為研究區(qū)K種土地利用類型的面積(hm2)；VCK為生態(tài)系統(tǒng)價值系數(shù)元 hm-2a-1。

2.2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化的空間差異

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值相對變化率是反應(yīng)生態(tài)服務(wù)價值變化空間差異的重要指標(biāo)，其計算公式借鑒土地利用相對變化率公式[31]，其計算公式為：

(2)

式中，Ka和Kb分別為區(qū)域某一特定土地利用類型生態(tài)服務(wù)價值研究期初及期末的面積；Ca和Cb分別代表全研究區(qū)某一特定土地利用類型生態(tài)服務(wù)價值研究期初及期末的面積。如果某區(qū)域某種土地類型生態(tài)服務(wù)價值的相對變化率R>1，則表明該區(qū)域這種土地類型生態(tài)服務(wù)價值變化較全區(qū)域大，且變化方向相同；如果0

表1 不同土地利用類型生態(tài)服務(wù)價值系數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)服務(wù)價值的空間分異

運(yùn)用Costanza等人計算生態(tài)服務(wù)價值方法，對新疆兵團(tuán)各師的生態(tài)服務(wù)價值進(jìn)行計算，結(jié)果如表2、圖2和圖3。從表2可以看出，2010年，各師單位面積的生態(tài)服務(wù)價值差別很大，一師單位面積生態(tài)服務(wù)價值最高，為9546.66元 hm-2a-1，這主要因為2010年一師耕地面積為2.24×105hm2，占到一師國土面積的51.68%，生態(tài)服務(wù)價值為13.73×108元。另外，一師有2.73×104hm2的水域和2.38×104hm2的濕地，水域和濕地的面積占到一師總面積的11.76%，其生態(tài)服務(wù)價值占到總生態(tài)服務(wù)價值的58.61%。相對于其他師，六師單位面積生態(tài)服務(wù)價值也較高，2010年為7117.06元 hm-2a-1，因為六師林地、耕地和草地面積分別占到國土總面積的14.36%、34.85%和19.53%，三者生態(tài)服務(wù)價值占整個系統(tǒng)的68.73%。

十三師單位面積生態(tài)服務(wù)價值最低，2010年為1923.76元 hm-2a-1，這主要因為一方面十三師未利用地面積為5.16×105hm2，占十三師總面積的74.57%，其生態(tài)服務(wù)價值為1.92×108元，只占總生態(tài)服務(wù)價值的14.4%，另一方面十三師水域和濕地的面積非常小，只占其國土面積的0.07%。

2010各師單位面積生態(tài)服務(wù)價值基本分布規(guī)律為一師>六師>十師>四師>九師>八師>五師>十四師>七師>二師>十二師>三師>十三師。這與不同土地利用類型生態(tài)服務(wù)價值指數(shù)的差別和各師的土地利用程度存在密切關(guān)系。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時空變化分析

3.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時間變化

從表2可以看出，2000—2010年間全兵團(tuán)單位面積生態(tài)服務(wù)價值增加了204.61元 hm-2a-1，年增長率為0.41%。耕地和林地生態(tài)服務(wù)價值呈增長趨勢，草地、水域、濕地、未利用地生態(tài)服務(wù)價值呈減少趨勢。耕地和林地生態(tài)服務(wù)價值在十年間分別增長26×108元和11.99×108元，年增長率為2.51%和3.71%；草地、水域、濕地、未利用地生態(tài)服務(wù)價值在十年間依次減少16.35×108、4.99×108、1.3×107、9.5×107元，年減少率為1.15%、0.94%、0.04%、0.81%。

圖2 2000年新疆兵團(tuán)生態(tài)服務(wù)價值空間分布

圖3 2010年新疆兵團(tuán)生態(tài)服務(wù)價值空間分布

3.2.2 單項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值空間變化

從表2可以看出，耕地生態(tài)服務(wù)價值的變化以十師和八師為最大，其相對變化率分別為1.93和1.65，十三師最小，相對變化率僅為0.30；林地生態(tài)服務(wù)價值的變化以六師為最大，相對變化率達(dá)到1.79，十四師最小，相對變化率是-0.05；草地生態(tài)服務(wù)價值的變化以一師和十二師最為突出，一師相對變化率為3.11，十二師相對變化率為-3.39，十二師草地生態(tài)服務(wù)價值變化與全兵團(tuán)草地生態(tài)服務(wù)價值變化方向相反，十三師草地生態(tài)服務(wù)價值的變化最小，相對變化率為0.01；水域生態(tài)服務(wù)價值的變化以三師最為顯著，相對變化率是3.84，六師最小，相對變化率為-0.12；各個師濕地生態(tài)服務(wù)價值的變化都較為突出，其相對變化率都在10以上，其中四師相對變化率為-145.74，這主要因為全兵團(tuán)濕地生態(tài)服務(wù)價值的變化較小，年變化率僅為0.035%；未利用地生態(tài)服務(wù)價值的變化以八師最為突出，相對變化率為4.94，十三師最小，相對變化率為0.06。

表2 新疆兵團(tuán)2000—2010年各師生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值/(108元)

圖4 新疆兵團(tuán)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值相對變化率

3.2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值空間變化

從表2和圖4可以看出，單位面積生態(tài)服務(wù)價值顯著提高的有六師、八師、十師和十二師，相對變化率依次為4.53、4.11、6.41。六師生態(tài)服務(wù)價值顯著提高得益于林地面積的增加，在這十年間森林面積增加了4.13×104hm2，年變化率為6.63%，生態(tài)服務(wù)價值增加了7.99×108元；八師和十師生態(tài)服務(wù)價值顯著提高的原因是耕地的大幅增加，2000—2010年間八師耕地面積增加1.31×105hm2，年增長率為4.14%，十師耕地面積增加面積4.52×104hm2，年變化率為4.84%；十二師服務(wù)功能具有較為明顯增加是因為在這十年間十二師草地、水域和濕地面積都有增加，變化率在3.0%以上。十三師最小，相對變化率為0.31。三師和五師單位面積生態(tài)服務(wù)價值下降明顯，相對變化率分別為-3.85和-1.39，這主要因為是三師和五師草地面積的減少，2000—2010年間三師和五師草地年減少率為2.89%、2.43%。另外三師水域面積減少1.19×104hm2，年變化率為-3.60%。

一師、二師、四師、六師、七師、八師、十師、十二師單位面積生態(tài)服務(wù)價值呈增加趨勢，相對變化率依次為0.73、0.64、0.98、4.53、1.49、4.11、4.08、6.14；三師、五師、九師、十三師、十四師單位面積生態(tài)服務(wù)價值呈減少趨勢，其相對變化率分別為-3.85、-1.39、-0.72、-0.31、-0.60。

4 討論

(1)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化受自然和人為等多種因素的影響[32]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的空間分異也是隨機(jī)性因素(人為)和結(jié)構(gòu)性因素(自然)共同作用的結(jié)果[8]。本研究時段較短，使得結(jié)構(gòu)性因素對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的空間變異性影響較小，因此人類活動主導(dǎo)下土地利用變化是影響新疆兵團(tuán)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時空變化的主要因素，從土地利用變化與生態(tài)服務(wù)的相互作用看，新疆兵團(tuán)伴隨著耕地大面積增加，草地大面積減少，說明存在著綠洲化和荒漠化共同發(fā)展的情況。這與白元[27]、陳忠升[33]的研究結(jié)果相同。

(2)2000—2010年除十二師、十三師、十四師外，各師林地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值呈增長趨勢，這主要因為新疆兵團(tuán)的175個農(nóng)牧團(tuán)場主要分布在塔克拉瑪干和古爾班通古特兩大沙漠的周圍和2019 km的邊境線上。風(fēng)頭水尾的惡劣自然環(huán)境使得兵團(tuán)人非常重視防護(hù)林體系建設(shè)，在這十年間，新疆兵團(tuán)依托“三北”防護(hù)林、天然林保護(hù)和退耕還林等工程，初步形成了防風(fēng)基干林、農(nóng)田林網(wǎng)和職工居民點(diǎn)綠化林相結(jié)合的綜合防護(hù)林體系，墾區(qū)荒漠化趨勢在一定程度有所遏制。

(3)2000—2010年各師耕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值呈增長趨勢，耕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值增長主要與部分草地和未利用地被開墾成耕地有關(guān)，這也是導(dǎo)致草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值減少的主要原因。由于氣候變暖導(dǎo)致積溫的增加促進(jìn)了傳統(tǒng)的牧草地向耕地的轉(zhuǎn)變[34]，加之，團(tuán)場農(nóng)牧民通過墾殖草原而獲得短期經(jīng)濟(jì)效益的驅(qū)動，導(dǎo)致新疆兵團(tuán)耕地面積的增加。另外，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的實驗成功和大面積推廣，農(nóng)業(yè)龍頭企業(yè)與農(nóng)戶的密切合作等驅(qū)動因素促進(jìn)了新疆兵團(tuán)耕地面積的迅速擴(kuò)大[35]。

(4)雖然2000—2010年間全兵團(tuán)單位面積生態(tài)服務(wù)價值呈增長趨勢。但二師、十二師和十三師單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值相對較低，三師、五師、十三師和十四師單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值呈減少趨勢。耕地面積的增加促進(jìn)了新疆兵團(tuán)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的增長，但由于新疆兵團(tuán)大多數(shù)農(nóng)牧團(tuán)場地處沙漠邊緣，水資源短缺，沙塵天氣頻繁，過度開墾農(nóng)田會造成農(nóng)業(yè)用水量的增加，生態(tài)用水量的減少，以及沙塵天氣的增多。因此要限制農(nóng)田的開墾，尤其草地開墾農(nóng)田，且要大力發(fā)展林果業(yè)，減少漫灌農(nóng)田數(shù)量，大力推廣膜下滴灌技術(shù)。

(5)提高林地面積、實施退耕還草措施、嚴(yán)禁草地開墾耕地是提高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的主要措施。新疆兵團(tuán)水體和濕地面積較少，但其對生態(tài)服務(wù)功能以及生物多樣性有重要的意義，必須采取措施保護(hù)新疆兵團(tuán)水體和濕地，保護(hù)重點(diǎn)六師青格達(dá)湖、八師瑪納斯河流域中下游濕地、八師巴音溝河中上游濕地、三師葉河胡楊林、十師額爾其斯河濕地等。研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化的主要原因是土地利用變化造成各自然生態(tài)系統(tǒng)面積變化，但政策因素對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化的影響不容忽視[18]，因此相關(guān)部門在制定區(qū)域發(fā)展政策時，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境建設(shè)，實現(xiàn)區(qū)域社會效益、經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益相協(xié)調(diào)發(fā)展。此外，新疆兵團(tuán)和新疆自治區(qū)由于政策的不同，可能導(dǎo)致新疆兵團(tuán)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的時空變化和周邊縣市不同，由于受數(shù)據(jù)的限制，本研究沒做對比分析，在以后的研究中，需要進(jìn)一步的探討。

5 結(jié)論

(1)研究表明，2010年，各師單位面積的生態(tài)服務(wù)價值差別很大，一師單位面積生態(tài)服務(wù)價值最高，為9546.66元 hm-2a-1，十三師單位面積生態(tài)服務(wù)價值最低，為1923.76元 hm-2a-1，2010年各師單位面積的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值基本規(guī)律為一師>六師>十師>四師>九師>八師>五師>十四師>七師>二師>十二師>三師>十三師。這與不同土地利用類型生態(tài)服務(wù)價值指數(shù)的差別和各師的土地利用程度存在密切關(guān)系。

(2)2000—2010年間全兵團(tuán)單位面積生態(tài)服務(wù)價值增加了204.61元 hm-2a-1，年增長率為0.41%。耕地和林地生態(tài)服務(wù)價值呈增長趨勢，草地、水域、濕地、未利用地生態(tài)服務(wù)價值呈減少趨勢。

(3)耕地生態(tài)服務(wù)價值的變化以十師和八師為最大，十四師最小；林地生態(tài)服務(wù)價值的變化以六師為最大，十四師最小；草地生態(tài)服務(wù)價值的變化以一師和十二師最為突出，十三師最??；水域生態(tài)服務(wù)價值的變化以三師最為顯著，六師最?。桓鱾€師濕地生態(tài)服務(wù)價值的變化都較為突出，其相對變化率都在10以上；未利用地生態(tài)服務(wù)價值的變化以八師最為突出，十三師最小。一師、二師、四師、六師、七師、八師、十師、十二師單位面積生態(tài)服務(wù)價值呈增加趨勢，相對變化率依次為0.73、0.64、0.98、4.53、1.49、4.11、4.08、6.14；三師、五師、九師、十三師、十四師單位面積生態(tài)服務(wù)價值呈減少趨勢，其相對變化率分別為-3.85、-1.39、-0.72、-0.31、-0.60。

(4)人類活動主導(dǎo)下土地利用變化是影響新疆兵團(tuán)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時空變化的主要因素，從土地利用變化與生態(tài)服務(wù)的相互作用看，新疆兵團(tuán)伴隨著耕地大面積增加，草地大面積減少，說明存在著綠洲化和荒漠化共同發(fā)展的情況。

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