生態(tài)輸水前后塔里木河干流生態(tài)系統(tǒng)服務價值的變化過程

陳超群，吳 煜，王 健，趙 樂，趙新風

(1.新疆兵團勘測設計院(集團)有限責任公司，烏魯木齊 830002；2.中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所，烏魯木齊 830011)

塔里木河流域自20世紀50年代開始被開發(fā)，至今已有60 a以上的建設歷史，上中游已成為新疆主要的農(nóng)業(yè)區(qū)和棉花生產(chǎn)基地。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，土地資源開發(fā)強度加大，大片林地、灌草地被開發(fā)為農(nóng)田，土地利用方式的改變對生態(tài)系統(tǒng)的結構和過程及其提供的服務產(chǎn)生巨大的影響，進一步影響到整個流域社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展[1,2]。上中游土地的開發(fā)，造成塔里木河下游的生態(tài)環(huán)境問題日趨嚴峻，為拯救下游綠色走廊，恢復和重建受損的下游生態(tài)系統(tǒng)，于2000年7月始，實施了塔里木河生態(tài)輸水工程。

塔里木河流域生態(tài)系統(tǒng)服務功能的研究雖然已有很多[2-6]，特別是對塔里木河干流[2,3, 6]。1997年Constanza等[7]對全球主要17類生態(tài)系統(tǒng)服務的價值進行評估，Richad和Wui等[8]對不同草地類型的生態(tài)系統(tǒng)提出了評估方法并進行案例分析，基于該方法Turner等對濕地的日趨減少進行了原因分析[9]；國內(nèi)趙同謙等[10]將生態(tài)系統(tǒng)劃分為4大類并由13個功能指標構建了評價指標體系，劉興元等[11]對全國草地的經(jīng)濟價值進行了評估，謝高地等[12]將生態(tài)系統(tǒng)劃分為18類并提出區(qū)域草地功能價值的計算。從以上一系列的研究可以看出國內(nèi)外許多生態(tài)服務價值的研究均是在Constanza的基礎上開展。在前人對塔河的研究中，葉茂等[2]、程霞[3]主要是對塔河中下游1990-2000年的生態(tài)經(jīng)濟進行分析，而對整個塔河干流以及對塔河生態(tài)輸水這一重大工程帶來的影響未作全面解釋，白元等[6]雖是以整個塔河干流為研究目標，但時間尺度上只選擇塔河生態(tài)輸水后的2期(2005、2010年)數(shù)據(jù)進行了分析，而本文正是將以上3個研究進行了綜合，利用1990、2000及2010年3期遙感影像數(shù)據(jù)，試圖量化輸水前環(huán)境退化過程中的經(jīng)濟價值損失、生態(tài)輸水后的經(jīng)濟價值的增加，一方面讓更多的人認識生態(tài)系統(tǒng)服務價值的損失中生態(tài)環(huán)境保護的重要性，另一方面了解生態(tài)系統(tǒng)服務功能好轉(zhuǎn)的原因所在，從而為塔里木河干流的生態(tài)治理提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

塔里木河干流位于天山以南，塔克拉瑪干沙漠以北，地理位置為:39°21′21″- 41°34′04″N，80°53′06″- 88°37′51″E。它西起肖夾克，東至羅布莊，全長 1 321 km。研究區(qū)內(nèi)干旱少雨，蒸發(fā)強烈，年蒸發(fā)量達2 006.7～2 842.5 mm，為暖溫帶極端干旱區(qū)。區(qū)域內(nèi)降雨稀少，植被種類為荒漠河岸林。塔里木河干流行政區(qū)域隸屬于新疆維吾爾自治區(qū)沙雅縣、沙雅監(jiān)獄、庫車縣、庫車種羊場、輪臺縣、尉犁縣和新疆生產(chǎn)建設兵團。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 土地利用/覆蓋動態(tài)信息源數(shù)據(jù)獲取

本文所用數(shù)據(jù)主要為1990、2000和2010年的Landsat TM遙感影像，選取4，2，3(ROB)波段合成影像解譯，地面分辨率為30 m。由于在該時間段內(nèi)難以獲取高質(zhì)量數(shù)據(jù)的地區(qū)，適當放寬獲取數(shù)據(jù)的年份，或者采用航片作為補充信息源數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理平臺：ERDAS IMG1NG8.4，ARC/INFO，ORACLE和EXCEL2000。

2.2 土地利用/覆蓋類型的劃分

根據(jù)研究區(qū)的土地利用特點，參考中國科學院資源環(huán)境數(shù)據(jù)庫中全國1∶100 000土地利用分類系統(tǒng)，將研究區(qū)土地利用類型分為3級，56類。在研究其土地覆蓋變化的生態(tài)服務價值變化時采用了二級類型，即分為建筑用地、耕地、天然林、灌草地、內(nèi)陸濕地、葦?shù)貫┩?、?nèi)陸水體、裸地和荒漠?；诜粤⒌萚13,14]對人工與天然綠洲的劃分，在綠洲平原區(qū)，將各土地利用分類類型進行人工綠洲和天然綠洲的劃分(見表1)。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務價值的計算方法

生態(tài)系統(tǒng)服務是指通過生態(tài)系統(tǒng)的結構、過程和功能直接或間接得到的生命支持產(chǎn)品和服務。針對Constanza[7]的研究中缺乏對沙漠、凍原、冰雪、巖石等生態(tài)系統(tǒng)服務價值的估算，謝高地等學者結合中國的實際情況，采用對200位生態(tài)學者的問卷調(diào)查法，制定出中國2002年平均狀態(tài)的不同陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務價值[12]，見表2。

表1 天然綠洲與人工綠洲的劃分

表2 中國不同陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務價值 元/hm2

以Costanza等[7]對全球生態(tài)系統(tǒng)服務單位價值的平均估算和謝高地等制定的中國不同陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務價值為基礎，結合黑河流域某些生態(tài)類型的單位服務價值計算的方法[8]，結合塔里木河流域的特點，確定了塔里木河干流不同土地利用/覆蓋類型單位面積的生態(tài)服務價值。生態(tài)系統(tǒng)服務價值的計算公式為：

(1)

式中：ESV為研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務總價值；VCi為單位面積上土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務總價值；Ai為研究區(qū)內(nèi)土地利用類型的分布面積。

3 結果與分析

3.1 土地利用類型總體結構和特征

塔里木河干流1990-2010年的各種土地利用類型均發(fā)生了變化。其中1990年研究區(qū)的土地利用類型中耕地、天然林地、灌草地、濕地、內(nèi)陸水體和荒漠分別占總面積的2.53%、6.84%、31.58%、0.25%、1.41%、57.17%，2000年則分別占總面積的4.69%、6.32%、29.85%、0.00%、1.19%、57.61%，2010年又分別占總面積的7.09%、6.00%、27.56%、0.04%、1.89%、57.02%(見表3)。

表3 塔里木河干流1990、2000和2010年

從表3看，1990-2010年這20 a期間，雖然土地利用發(fā)生變化，但各種類型之間的內(nèi)部轉(zhuǎn)變和調(diào)整占主導，整個區(qū)域內(nèi)的主導類型并未發(fā)生大的改變，即天然林地、灌草地和荒漠是塔里木河干流流域面積最大的3個土地類型，占到90.6%～95.6%。其中荒漠(沙漠、戈壁和鹽堿地)的面積最大，占總面積的57%以上，說明流域生態(tài)環(huán)境惡化的程度十分嚴重。

1990-2010年，綠洲內(nèi)各土地利用要素變化存在很大差異，在變化速遞上，耕地面積增長最快，荒漠、裸地等變化不大，較為穩(wěn)定。

3.2 人工與天然綠洲變化分析

1990年塔里木河干流人工綠洲面積為1 819.44 km2，天然綠洲面積為17 439.06 km2；2010年塔里木河干流人工綠洲面積為4 116.13 km2，天然綠洲面積為15 217.56 km2。1990-2010年人工綠洲面積增長2 296.69 km2，擴張速度為114.83 km2/a，天然綠洲減少面積2 221.5 km2，減小速度為111.08 km2/a。其中，1990-2000年人工綠洲擴張速度為88.65 km2/a，天然綠洲減少速度為108.16 km2/a，2000-2010年人工綠洲擴張速度為136.51 km2/a，天然綠洲減少速度為113.99 km2/a。

3.3 輸水前生態(tài)服務價值總體呈下降趨勢

表4是1990年和2000年塔里木河干流生態(tài)系統(tǒng)服務價值。由表4可知，1990年塔里木河干流土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務價值總額為134.61 億元，2000年為123.18 億元。1990-2000年這10 a期間，生態(tài)系統(tǒng)服務價值減少了11.43 億元，減少了8.5%，平均每年減少1.14 億元。不難看出，這10 a因土地利用類型變化帶來的生態(tài)系統(tǒng)服務價值總體上呈下降趨勢。而對不同土地利用類型，其生態(tài)系統(tǒng)服務價值也出現(xiàn)不同程度變化，其中耕地、灘涂和荒漠土地類型在10 a期間是處于增值狀態(tài)；而天然林地、灌草地、濕地等其他類型的生態(tài)服務價值均在減少。

表4 塔河干流生態(tài)輸水前生態(tài)系統(tǒng)服務價值

由于單位面積的生態(tài)系統(tǒng)服務價值存在差異，不同的土地類型因面積的變化而表現(xiàn)出生態(tài)服務價值的變化。在土地利用/覆蓋增加類型中，耕地和灘涂面積增加的幅度最為明顯，它們的生態(tài)系統(tǒng)服務價值所占比例分別從1990年的3.58%和36.17%上升到2000年的7.26%、37.36%。而2000年的天然林地、灌草地、濕地、水體、裸地等面積均呈不同幅度地降低。其中濕地、裸地下降幅度最大，濕地生態(tài)系統(tǒng)價值從4.54%急劇減少到0.01%，但由于很低的單位面積生態(tài)服務價值，裸地生態(tài)系統(tǒng)服務價值相應地降幅也較小。內(nèi)陸水體面積下降(面積所占比例從1990年的1.41下降到2000年的1.19%)，導致其生態(tài)系統(tǒng)服務價值所占比例從1990年的18.69%下降到2000年的17.25%。

從生態(tài)價值變化上看(見表4)，濕地和內(nèi)陸水體的生態(tài)價值變化是引起整個干流生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化的2種主要土地利用類型，其次是天然林地與灌草地。從1990-2000年的生態(tài)價值所占的比例來看(見表4)，塔里木河干流各種土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務價值中，是以耕地、內(nèi)陸水體、天然林地、灌草地的生態(tài)價值為主導。1990年與2000年，天然林地和灌草地所占面積比例相當。相應地，其生態(tài)服務價值在整個生態(tài)系統(tǒng)服務價值中所占比例也基本相當。

在整個生態(tài)系統(tǒng)中，天然林和灌草地所占的生態(tài)價值比例最高，達到了66.20%。耕地和水體雖然所占的面積比例相近，但它們的生態(tài)經(jīng)濟價值相差甚遠，水體的生態(tài)系統(tǒng)服務價值是耕地生態(tài)系統(tǒng)服務價值的4倍多。

由于耕地、灘涂和荒漠面積在10 a期間是處于增長的狀態(tài)，所以其生態(tài)服務價值也相應地增加。增值幅度排序依次為：耕地>灘涂>荒漠。10 a內(nèi)增加的價值共計4.30 億元。而天然林地、灌草地、濕地、內(nèi)陸水體的面積在10 a內(nèi)均有不同程度的減少，其生態(tài)系統(tǒng)的服務功能價值也相應地損失。生態(tài)服務價值減值幅度依次排序是：濕地> 內(nèi)陸水體>天然林地>灌草地。10 a內(nèi)損失的價值共計15.74 億元，與增加的生態(tài)服務價值抵消后，塔河干流生態(tài)系統(tǒng)服務價值總共減少了11.43 億元。

3.4 輸水后生態(tài)服務價值總體呈上升趨勢

表5是2000年和2010年塔里木河干流生態(tài)系統(tǒng)服務價值。由表5可知，2000年塔里木河干流土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務價值總額為123.18 億元，2010年為135.75 億元。2000-2010年這10 a期間，生態(tài)系統(tǒng)服務價值增加了12.57 億元，增加了10.21%，平均每年增加1.26 億元。不難看出，這10 a期間因土地利用類型變化帶來的生態(tài)系統(tǒng)服務價值總體上呈上升趨勢。而對不同土地利用類型，其生態(tài)系統(tǒng)服務價值也出現(xiàn)不同程度變化，其中耕地、濕地、灘涂和內(nèi)陸水體在10 a期間是處于增值狀態(tài)，而天然林地、灌草地、荒漠的生態(tài)服務價值均在減少。

同樣，由于單位面積的生態(tài)系統(tǒng)服務價值存在差異，不同的土地類型因面積的變化而表現(xiàn)出生態(tài)服務價值的變化，在增加的類型中，耕地和內(nèi)陸水體面積增加的幅度最為明顯，它們的生態(tài)系統(tǒng)服務價值所占比例分別從1990年的7.26%和17.25%上升到2000年的9.95%和24.92%。由于水體單位面積的生態(tài)服務價值較高，其面積增加幅度雖低于耕地，但其生態(tài)服務價值增幅要高于耕地生態(tài)服務價值增加幅度，生態(tài)服務價值增加了6.67%。至2010年，天然林地、灌草地、荒漠面積均有不同幅度地降低。其中灌草地、荒漠下降幅度最大，灌草生態(tài)系統(tǒng)價值從37.36%急劇減少到31.31%。由于單位面積天然林生態(tài)服務價值很高，其面積下降幅度低于荒漠，但其生態(tài)服務價值降幅要高于荒漠生態(tài)服務價值降低幅度。

表5 塔里木河干流生態(tài)輸水后生態(tài)系統(tǒng)服務價值 (2000-2010年)

在輸水前(2000年)與輸水后(2010年)，天然林地和灌草地2者總生態(tài)服務價值所占比例在整個生態(tài)系統(tǒng)分別達到了67.69%和57.45%；輸水前與輸水后內(nèi)陸水體生態(tài)服務價值比例分別占到了17.25%與24.92%。因此，構成塔里木河干流生態(tài)系統(tǒng)服務價值的主要土地利用類型是天然林、灌草地和內(nèi)陸水體。

由于耕地、濕地、灘涂、內(nèi)陸水體面積在生態(tài)輸水的期間是處于增長的狀態(tài)，所以其生態(tài)服務價值也相應地增加。增值幅度排序依次為：內(nèi)陸水體>耕地>濕地>灘涂。10 a內(nèi)增加的價值共計18.07 億元。而天然林地、灌草地、荒漠的面積在10 a內(nèi)均有不同程度的減少，其生態(tài)系統(tǒng)的服務功能價值也相應地得到了損失。生態(tài)服務價值減值幅度依次排序是：灌草地>天然林地>荒漠。10 a內(nèi)損失的價值共計5.50 億元，與增加的生態(tài)服務價值抵消后，塔河干流生態(tài)系統(tǒng)服務價值總共增加了12.57 億元。

4 結論與討論

(1)1990-2010年，塔里木河干流流域的人工綠洲不斷擴張，天然綠洲面積不斷縮小。1990-2000年人工綠洲擴張速度為88.65 km2/a，天然綠洲減少速度為108.16 km2/a，2000-2010年人工綠洲擴張速度為141.02 km2/a，天然綠洲減少速度為113.99 km2/a。

(2) 基于對塔里木河干流在輸水前1990-2010年生態(tài)系統(tǒng)服務價值的核算，對塔里木河干流生態(tài)退化過程中的生態(tài)環(huán)境經(jīng)濟損失進行了定量分析。結果顯示：塔里木河干流土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務價值從1990年到2000年減少了11.43 億元，減少了8.5%，以每年1.14 億元的速度下降。1990-2000年，雖然耕地、灘涂的生態(tài)經(jīng)濟價值在這10 a內(nèi)大幅度的增加，但未能挽救塔里木河干流生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值減少的趨勢[15,16]。

(3) 在全球氣候變化背景下，新疆的氣候同樣存在著明顯的變暖、變濕的趨勢[17,18]；20世紀90年代與多年平均相比，塔里木河流域氣溫增高，降水量明顯增加[19,20]，但研究區(qū)內(nèi)陸水體面積下降(面積所占比例從1990年的1.41%下降到2000年的1.19%)，說明氣候轉(zhuǎn)變并未引起內(nèi)陸水體面積的增加。

(4) 在塔里木河干流輸水期間，2000-2010年，生態(tài)系統(tǒng)服務價值增加了12.57 億元，增加了10.21%，以每年1.26 億元的速度增加，通過2000-2010年內(nèi)陸水域面積的變化可以看出，近幾十年生態(tài)服務價值的增加主要是受自2000年開始的生態(tài)輸水工程的影響，生態(tài)輸水遏制了塔里木河下游生態(tài)環(huán)境的惡化[1,16]。

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