1998—2014年艾比湖濕地自然保護(hù)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值及其時(shí)空變異

李 哲, 張 飛,3,*,Hsiang-te Kung,張 月,井云清

1 新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 烏魯木齊 830046 2 新疆大學(xué)綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 烏魯木齊 830046 3 新疆智慧城市與環(huán)境建模普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 烏魯木齊 830046 4 美國(guó)孟菲斯大學(xué)地球科學(xué)系,田納西州 孟菲斯 38152

1998—2014年艾比湖濕地自然保護(hù)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值及其時(shí)空變異

李 哲1,2, 張 飛1,2,3,*,Hsiang-te Kung4,張 月1,2,井云清1,2

1 新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 烏魯木齊 830046 2 新疆大學(xué)綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 烏魯木齊 830046 3 新疆智慧城市與環(huán)境建模普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 烏魯木齊 830046 4 美國(guó)孟菲斯大學(xué)地球科學(xué)系,田納西州 孟菲斯 38152

濕地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值是生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。以艾比湖濕地自然保護(hù)區(qū)為研究區(qū),以1998年的TM影像、2006年的Landsat ETM+影像及2014年的Landsat OLI影像為數(shù)據(jù)源,采用Costanza生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值公式進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估,結(jié)合空間自相關(guān)模型,定量探討了艾比湖濕地自然保護(hù)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空分異特征。結(jié)果表明：(1)近20年來,研究區(qū)的土地利用/覆被變化顯著,除了水體和裸地面積減少,其它土地覆被類型面積都有不同比例的增加。(2)在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值方面,近20年來ESV(Ecosystem Services Values)整體變化不大,但近年ESV有所降低,生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)惡化趨勢(shì)。(3)在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)空變異方面,研究區(qū)ESV空間正相關(guān)顯著,空間集聚程度高值區(qū)主要集中在艾比湖水域和濕地,并且高值區(qū)有增加向減少轉(zhuǎn)變的趨勢(shì),低值聚集區(qū)在湖區(qū)四周,且逐年增加。(4)近20年來,影響研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空變化的驅(qū)動(dòng)力因素主要包括自然因素和人為因素,人為因素是研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空變化的主要驅(qū)動(dòng)因素。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值；時(shí)空分異；空間自相關(guān)；艾比湖濕地自然保護(hù)區(qū)

實(shí)現(xiàn)人類可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)是維持和保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[1],生態(tài)系統(tǒng)是指通過生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過程和功能直接或間接得到的產(chǎn)品和服務(wù)[2],是人類生存和發(fā)展的基本條件和自然資本。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能指生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過程形成及維持人類生存發(fā)展的自然環(huán)境條件[3],對(duì)其價(jià)值進(jìn)行定量評(píng)估能夠合理配置環(huán)境資源[4]。

濕地是生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分,具有蓄洪防旱、調(diào)節(jié)氣候、降解污染物、教育科研、促淤造陸等多重生態(tài)服務(wù)功能[5]。但隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快和城市化的發(fā)展,濕地生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞,國(guó)外眾多學(xué)者開始重視濕地生態(tài)服務(wù)功能的研究。如Turner等在2003年提出的濕地生態(tài)經(jīng)濟(jì)分析的框架及空間分析方法,為濕地生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的評(píng)估及在可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中的應(yīng)用提供依據(jù)[6]；Mitsch等分析了不同尺度濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值；Daubert等評(píng)價(jià)了水的娛樂價(jià)值[7]；Richard等全面總結(jié)了濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的案例及價(jià)值評(píng)價(jià)方法[8]。此外,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在流域[9]、單個(gè)生態(tài)系統(tǒng)以及物種[10]和生物多樣性保護(hù)[11]價(jià)值評(píng)估領(lǐng)域也開展了大量研究。21世紀(jì)初,濕地評(píng)價(jià)研究在全國(guó)各地展開,分別在鄱陽(yáng)湖[12]、三洋[13]、黃河三角洲濕地[14]、南沙紅樹林[15]等地進(jìn)行了濕地價(jià)值評(píng)價(jià)研究。但是國(guó)內(nèi)的研究主要集中在全國(guó)尺度,省域和市域等宏觀尺度上,而針對(duì)縣域尺度,特別是西北干旱區(qū)縣域綠洲的研究報(bào)告較少[16]。

空間統(tǒng)計(jì)分析主要應(yīng)用在空間數(shù)據(jù)的分類和綜合評(píng)價(jià),其核心是了解數(shù)據(jù)間的依賴程度、空間關(guān)聯(lián)度或空間自相關(guān),通過空間位置建立數(shù)據(jù)間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系[17]。與各種地理實(shí)體一樣,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值同樣存在空間關(guān)聯(lián)性,而之前大量研究停留在靜態(tài)研究,忽視了它的動(dòng)態(tài)性和復(fù)雜性,因此定量研究生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值的關(guān)聯(lián)度,有利于全面理解生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的空間格局特征[18]。

針對(duì)西北干旱區(qū)應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值評(píng)估和空間統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的方法解決環(huán)境問題是一個(gè)新的嘗試。多年來,處于生態(tài)脆弱區(qū)的艾比湖濕地自然保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境不斷惡化,因此本文以艾比湖自然保護(hù)區(qū)為靶區(qū),通過對(duì)艾比湖濕地自然保護(hù)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值定量研究,對(duì)恢復(fù)和保護(hù)艾比湖濕地,加快艾比湖流域生態(tài)環(huán)境綜合治理,具有一定的理論和實(shí)踐意義。

1 研究區(qū)概況

艾比湖濕地自然保護(hù)區(qū)位于新疆博爾塔拉蒙古自治州境內(nèi)(44°30′—45°09′N,82°36′—83°50′E)根據(jù)博州林業(yè)局統(tǒng)計(jì)年鑒,在行政區(qū)劃分上地跨博爾塔拉蒙古自治州精河縣、博樂市和阿拉山口口岸。此處是準(zhǔn)噶爾盆地西部最低洼地和水鹽匯集中心,處于亞歐大陸腹地,是準(zhǔn)噶爾盆地生態(tài)環(huán)境變化的重要地區(qū)[19]。艾比湖濕地是我國(guó)沙漠風(fēng)口湖泊濕地,湖水面和湖邊植物具有良好的防風(fēng)固沙作用。在2007年4月被國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)為國(guó)家級(jí)濕地自然保護(hù)區(qū)。本研究區(qū)為典型的中溫帶干旱大陸氣候,干旱少雨,蒸發(fā)量大,日照充足,氣候變化劇烈,年均溫5℃,年均降水量105.17mm,蒸發(fā)量1315mm。特殊的地理位置及氣候條件,使其形成了石漠、土漠、鹽漠、沼澤等多種沙漠地類,自然保護(hù)區(qū)內(nèi)主要土地利用類型包括草地、林地、水域、沙地、鹽漬地等。保護(hù)區(qū)內(nèi)設(shè)置兩個(gè)中心管護(hù)站,下設(shè)11個(gè)保護(hù)站,區(qū)內(nèi)常住人口約400人,主要從事游牧活動(dòng),81%由哈薩克族構(gòu)成。由于近代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)頻繁,艾比湖急劇萎縮,湖面面積減小,直接威脅了流域內(nèi)農(nóng)牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[19]。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location map of the study area

2 數(shù)據(jù)來源與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

獲取了研究區(qū)1998年9月25日的TM影像、2006年8月22日Landsat ETM+影像和2014年8月20日的Landsat OLI影像(數(shù)據(jù)來源于http://earthexplorer.usgs.gov/),軌道號(hào)為146/29。在ENVI5.1軟件支持下完成了對(duì)遙感影像的幾何校正、輻射校正和影像增強(qiáng)等預(yù)處理,并對(duì)遙感影像進(jìn)行裁剪獲取研究區(qū)范圍,采用監(jiān)督分類和目視解譯相結(jié)合的方法,將艾比湖濕地自然保護(hù)區(qū)劃分為林草地、鹽堿地、濕地、水體、沙漠、裸地及其他共6類。得到1998、2006、2014年土地覆被分類結(jié)果。基于混淆矩陣方法進(jìn)行解譯精度評(píng)價(jià),3期遙感影像解譯平均精度達(dá)到95%以上。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用變化動(dòng)態(tài)指標(biāo)

利用單一土地利用類型的凈變化速度來描述艾比湖濕地自然保護(hù)區(qū)各土地利用類型的動(dòng)態(tài)變化。凈變化速度表達(dá)區(qū)域一定時(shí)間內(nèi)某一土地利用/覆被類型的數(shù)量的速度變化[21-22],模擬表達(dá)式為[20]：

(1)

式中，K為在研究區(qū)時(shí)段內(nèi)某一土地利用類型的動(dòng)態(tài)度；Ub,Ua為研究末期和初期的某一土地利用類型數(shù)量；T為研究的時(shí)間跨度,將T的時(shí)段設(shè)定為年時(shí),K值就代表該研究區(qū)單一土地利用類型的年變化率。

2.2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估方法

Costanza等[23]從科學(xué)角度明確了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值研究的意義和方法,但研究估算結(jié)果仍然存在較大偏差,如濕地的估計(jì)偏高,耕地的估計(jì)偏低等[24]。謝高地等[25]在Costanza的評(píng)價(jià)模型基礎(chǔ)上,依據(jù)我國(guó)實(shí)際情況,結(jié)合200位生態(tài)學(xué)家的問卷調(diào)查結(jié)果,得出不同陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值表(表1)。本文在前人研究基礎(chǔ)上,參考艾比湖流域的相關(guān)文獻(xiàn)[26],制定了艾比湖濕地自然保護(hù)區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,具體計(jì)算模型如下[20]：

ESV=∑AK·VCk

(2)

ESVf=∑AK·VCk

(3)

式中,ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值；Ak為研究區(qū)第k種土地利用類型的分布面積；VCk為單位面積的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值；ESVf為單項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值；k為單項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)；f為土地利用類型。

表1 不同陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值

2.2.3 敏感性指數(shù)

借用敏感性指數(shù)(CS)確定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(ESV)隨時(shí)間變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值(VC)的依賴程度,以此為依據(jù)驗(yàn)證所選生態(tài)價(jià)值系數(shù)是否適合本研究區(qū)。CS指VC變動(dòng)1%引起ESV的變化狀況,CS>1,代表ESV對(duì)VC富有彈性,CS越大,VC的準(zhǔn)確性越關(guān)鍵；CS<1,表明ESV對(duì)VC缺乏彈性。即使CS<1,VC的值過高或過低,都會(huì)一定程度上影響生態(tài)價(jià)值隨時(shí)間變化的準(zhǔn)確性。本研究擬將各土地利用類型的生態(tài)價(jià)值系數(shù)分別上下調(diào)整50%來衡量ESV的變化情況。其計(jì)算公式如下[27]：

(4)

式中，ESV、VC、k的含義同前,i和j代表初始價(jià)值和生態(tài)價(jià)值系數(shù)調(diào)整以后的價(jià)值。

2.2.4 空間自相關(guān)分析

本文在利用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估模型計(jì)算出各年的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值基礎(chǔ)上,采用全局 Moran散點(diǎn)圖和空間聯(lián)系的局部指標(biāo)(LISA)相結(jié)合的方法,進(jìn)行空間自相關(guān)分析,計(jì)算公式參見[28,30],構(gòu)建了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間關(guān)聯(lián)模式,得出了空間關(guān)聯(lián)模式的顯著性水平。

參考相關(guān)文獻(xiàn)[18],制作出詳細(xì)流程(圖2),分為A、B、C三部分。A為數(shù)據(jù)的預(yù)處理,包括利用Arcgis10.0對(duì)圖層進(jìn)行重采樣,格網(wǎng)化,最終得到ESV格網(wǎng)數(shù)據(jù)；B為探索局部空間關(guān)聯(lián)模式,對(duì)空間權(quán)重矩陣進(jìn)行計(jì)算得到Moran散點(diǎn)圖；C為計(jì)算Moran′s I指數(shù),并進(jìn)行顯著性水平檢驗(yàn),反映空間關(guān)聯(lián)模式的顯著性水平,最終得到LISA聚類圖和LISA顯著性水平圖。

本文利用Geoda095i軟件計(jì)算空間權(quán)重矩陣,繪制Moran散點(diǎn)圖,計(jì)算局部Moran′s I指數(shù),并在顯著性p=0.01的情況下,利用99次置換方法對(duì)局部Moran′s I 指數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用/覆被變化過程分析

對(duì)比1998年、2006年、2014年3期的遙感圖像,通過統(tǒng)計(jì)得出1998—2014年近20 a 來艾比湖濕地自然保護(hù)區(qū)土地利用/覆被變化(表2)。結(jié)果表明,林草地和沙漠是主要變化的土地利用/覆被類型,變化速度分別為10.22%和6.30%,其他土地利用/覆被類型都有不同程度變化,濕地面積增加9269 hm2,年變化速度最小,占2.23%。沙漠面積增加16949 hm2,年變化速度為6.30%,鹽堿地面積增加19925 hm2,年變化速度為2.34%,水體面積減少17825 hm2,年變化速度為-2.18%,裸地及其他面積減少39796 hm2,年變化速度為-1.53%。

從表2可以看出,1998—2014年間艾比湖濕地自然保護(hù)區(qū)土地利用/覆被變化總體的趨勢(shì)是林草地、鹽堿地、濕地、沙漠的面積增加,其中增加面積最多的為鹽堿地,增加面積19925 hm2,水體和裸地及其他面積減少,裸地及其他面積減少最多,減少39796 hm2。16年間,沙漠的面積持續(xù)增加,在2006—2014年期間增幅最快,達(dá)到了34.07%。裸地及其他面積持續(xù)下降,而濕地和水體的面積呈先增加再減少的趨勢(shì),鹽堿地和沙漠的面積呈先減少后增加的趨勢(shì)。鹽堿地和沙漠面積增加的主要驅(qū)動(dòng)因子是人口和GDP的增長(zhǎng),導(dǎo)致水資源總量逐年下降,艾比湖水面積萎縮；林草地面積的持續(xù)增加是由于本世紀(jì)末,尤其是“九五”期間實(shí)施艾比湖流域植樹造林綜合治理方案,實(shí)現(xiàn)造林育林8.55×104hm2,治理沙漠面積9.86×104hm2。

表2 1998—2014年艾比湖濕地自然保護(hù)區(qū)土地利用/覆被類型面積變化

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的動(dòng)態(tài)變化

由于研究區(qū)土地利用/覆被類型的劃分與Costanza等[23]人的全球生態(tài)系統(tǒng)類型的劃分不完全一致,為得到不同土地利用/覆被類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,本文將Costanza[23]定義的生態(tài)系統(tǒng)類型和研究區(qū)劃分的土地利用/覆被類型進(jìn)行對(duì)照(表3)。參考不同陸地生態(tài)系統(tǒng)單位服務(wù)價(jià)值表(表1),對(duì)研究區(qū)1998—2014年間的生態(tài)價(jià)值的變化情況進(jìn)行了估算(表4),在計(jì)算過程中,林草地取林地和草地的平均值[29]。鹽堿地、沙漠和裸地及其他土地覆被類型劃分到未利用地之中[20]。

表3 與土地利用/覆被類型相對(duì)應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)類型及其生態(tài)價(jià)值系數(shù)

3.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的時(shí)空變化

水體和濕地土地覆被類型的生態(tài)價(jià)值系數(shù)較高,這類用地的變化將極大地影響流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化。根據(jù)艾比湖濕地自然保護(hù)區(qū)不同土地利用/覆被類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù),計(jì)算1998—2014年研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值及其變化(表4,表5)。

由表4可以得到,1998年、2006年和2014年艾比湖濕地自然保護(hù)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值分別為36.57×108元,50.60×108元和35.74×108元,呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢(shì)。從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值所占比例來看,水體和濕地所占比例最多,水體和濕地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的主體。其中,ESV呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)的為林草地,ESV呈現(xiàn)先增加后減少的為濕地和水體,ESV呈現(xiàn)先減少后增加的為鹽漬地和沙漠,ESV呈現(xiàn)持續(xù)減少的為裸地及其他土地覆被類型。

由表5可以得到,1998—2014年期間,林草地的ESV增長(zhǎng)的變化率最大,最大值為10.25%,增加了1.41×108元,增加的變化率次之的是濕地,增加了5×108元,鹽堿地減少的變化率最大,最大值為-19.40%。1998—2006年期間,ESV增幅最大的是濕地,ESV減少幅度最大的是沙漠,年變化率達(dá)到-6.25%。2006—2014年期間,ESV增幅最大的是沙漠,年變化率達(dá)到41.67%,ESV減少幅度最大的是水體,年變化率達(dá)到-5.45%?？傮w來看,近20年流域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值出現(xiàn)減少的趨勢(shì),這與流域資源的過度開發(fā)利用密切相關(guān)。

為方便艾比湖濕地自然保護(hù)區(qū)各土地利用/覆被類型的ESV差異對(duì)比,本文利用Arcgis10.0繪制出研究區(qū)3個(gè)時(shí)期ESV的空間分異圖(圖3)。將艾比湖濕地自然保護(hù)區(qū)1998—2014年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值從低到高劃分為6個(gè)等級(jí),從圖中可以看出,研究區(qū)的ESV存在明顯的空間分異差異。從空間上看,在近20年內(nèi),水體和濕地的ESV一直保持在高值范圍內(nèi),水體周圍的其他土地覆被類型處于低值范圍。從時(shí)間的變化情況看,1998—2006年期間,由于湖面面積和濕地的增加,致使水域和濕地ESV升高,其他類型的土地覆被類型ESV沒有明顯變化；2006—2014年期間,研究區(qū)西北地區(qū)的湖面面積萎縮,加上生態(tài)環(huán)境的惡化,致使ESV整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

表4 1998—2014年艾比湖濕地自然保護(hù)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值

表5 1998—2014年艾比湖濕地自然保護(hù)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化情況

圖3 艾比湖濕地自然保護(hù)區(qū)ESV的空間分異Fig.3 Spatial differences of the ecosystem services values in Ebinur Wetland natural reserve

3.2.2 生態(tài)系統(tǒng)單項(xiàng)服務(wù)價(jià)值的動(dòng)態(tài)變化

根據(jù)公式(3)計(jì)算出各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的價(jià)值(表6)。分析可知,水源涵養(yǎng)和廢物處理2項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能所占比例超過60%,食物生產(chǎn)和原材料所占比例小于1%,說明研究區(qū)服務(wù)性價(jià)值大于生產(chǎn)性價(jià)值；水體和濕地相對(duì)于其他類型的ESV較大,整體來看,近20年來,由于艾比湖湖面萎縮,水源涵養(yǎng)的ESV持續(xù)下降,廢物處理、生物多樣性保護(hù)、食物生產(chǎn)和娛樂文化的ESV先增加后減少,其余服務(wù)類型的ESV都有不同比例的增加。

3.3 敏感性分析

根據(jù)CS計(jì)算公式,本文把生態(tài)價(jià)值系數(shù)分別上下調(diào)整了50%,計(jì)算價(jià)值系數(shù)調(diào)整后的艾比湖濕地自然保護(hù)區(qū)1998年、2006年和2014年各土地利用/覆被類型的生態(tài)系統(tǒng)服價(jià)值,并估算敏感性指數(shù)(表7)。結(jié)果表明,研究區(qū)所有土地利用/覆被類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)的敏感性指數(shù)(CS)均小于1,由高到底依次為濕地、水體、林草地、裸地及其他、鹽堿地和沙漠,最低值為0,即當(dāng)沙漠生態(tài)價(jià)值系數(shù)(VC)增加1%,總價(jià)值無(wú)變化,最高值為0.57,即當(dāng)水體生態(tài)價(jià)值系數(shù)(VC)增加1%,總價(jià)值增加0.57%；除了水體和濕地,其他的地類生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值系數(shù)變化對(duì)研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值的變化影響不大。敏感性分析表明,艾比湖濕地自然保護(hù)區(qū)的ESV對(duì)VC是缺乏彈性的,即使價(jià)值系數(shù)存在一定的不確定性,但是整個(gè)研究區(qū)的ESV計(jì)算仍然是穩(wěn)定的,證明研究結(jié)果是可信的。

表6 1998—2014年艾比湖濕地自然保護(hù)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)各服務(wù)類型價(jià)值變化

表7 調(diào)整價(jià)值系數(shù)后總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化及敏感性指數(shù)(1998—2014年)

3.4 ESV空間自相關(guān)分析

3.4.1 全局空間自相關(guān)

Moran散點(diǎn)圖用于研究區(qū)域空間的異質(zhì)性[30],應(yīng)用Geoda095i軟件進(jìn)行全局空間自相關(guān)指標(biāo)計(jì)算,獲得1998、2006和2014年的Moran散點(diǎn)圖(圖4)。

圖4 艾比湖濕地自然保護(hù)區(qū)3個(gè)時(shí)期ESV的Moran散點(diǎn)圖Fig.4 Moran scatter plots of the Ecosystem Services Values in Ebinur Wetland natural reserve

從圖4可以看出,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值散點(diǎn)主要分布在一、二、三象限,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值具有空間正相關(guān)性；從沿趨勢(shì)線分布的散點(diǎn)情況看,1998年的自相關(guān)程度最強(qiáng),Moran指數(shù)達(dá)到了0.76, 從2006—2014年自相關(guān)程度減弱；1998年,第一象限的點(diǎn)較為分散,說明在生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值較高的區(qū)域各格網(wǎng)之間存在較大差別,2006年和2014年第一,二象限的點(diǎn)較為集中,表明在生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值較高的區(qū)域和低高區(qū)域各格網(wǎng)間差異縮小。

為了檢驗(yàn)Moran′s I是否顯著,在Geoda中采用蒙特卡羅模擬的方法檢驗(yàn)(圖5)。P值三期均等于0.001,說明在99.9%的置信度下的空間自相關(guān)是顯著的。

圖5 Moran′s I 檢驗(yàn)圖Fig.5 Moran′s I test I代表統(tǒng)計(jì)值,E[I]代表理論平均值,mean代表平均值,sd代表標(biāo)準(zhǔn)差,z-value代表z值

3.4.2 局部空間自相關(guān)

聚集圖是對(duì)Moran散點(diǎn)圖中通過顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域單元的地理表達(dá),ESV之間的空間聚集主要表現(xiàn)為空間相似值的聚集,利用Geoda 生成了三期生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值LISA聚集圖(圖6)。

如圖6所示,圖中高值聚集區(qū)(紅色)主要分布在艾比湖的水域和周邊濕地,并且高值區(qū)有由增加向減少轉(zhuǎn)變的趨勢(shì),低值聚集區(qū)(藍(lán)色)在湖區(qū)周圍,并且逐年增加,低高聚集區(qū)(黃色)從1998—2006年期間增加明顯,2006—2014年無(wú)顯著變化,而研究區(qū)幾乎沒有高低(紫色)聚集區(qū)。同時(shí),繪制出LISA顯著性水平圖(圖7)。

LISA顯著性水平圖表示和周圍單元具有顯著空間聯(lián)系。由圖7可知，從空間上看,相關(guān)性主要存在于高值聚集區(qū)和低值聚集區(qū),這些區(qū)域的ESV表現(xiàn)出較強(qiáng)的空間相關(guān)性(P=0.05)：這些區(qū)域的ESV與鄰近地區(qū)的ESV呈正相關(guān)性。在水域和濕地區(qū)域達(dá)到了0.001的顯著性水平,表明這一區(qū)域ESV在空間分布上差異性小,趨同性強(qiáng),表現(xiàn)出很強(qiáng)的相關(guān)性。從時(shí)間上看,顯著水平(P=0.05)和較高顯著水平(P=0.01)的區(qū)域面積呈先增長(zhǎng)后減少的趨勢(shì)。

3.5 ESV時(shí)空變化驅(qū)動(dòng)力分析

3.5.1 自然因素

依據(jù)國(guó)家氣象中心公布的博州精河縣的氣候數(shù)據(jù)可以得出(如圖 8),氣候暖干化是湖泊萎縮的主要原因。

20世紀(jì)90年代新疆平均氣溫升高了0.3℃[31],由圖8看出,艾比湖流域典型區(qū)域在 1990—2013 年期間總體溫度呈緩慢上升趨勢(shì)。其中2013年的年均氣溫最高,年均氣溫達(dá)到9.7℃,1993年的年均氣溫最低,年均氣溫達(dá)到6.8℃,24a年均氣溫為8.5℃。另一方面,從1990—2013年年均降水量變化圖可以看出,氣溫的升高導(dǎo)致降水的相應(yīng)減少,這種現(xiàn)象在一定程度上加劇了流域生態(tài)系統(tǒng)退化的過程。

圖6 LISA聚集圖Fig.6 LISA Cluster Map

圖7 LISA顯著性水平圖Fig.7 LISA Significance Map

3.5.2 人為因素

艾比湖流域臨近博爾塔拉蒙古自治州,該地區(qū)人口眾多,從20世紀(jì)50年代到70年代人口急劇增長(zhǎng),年均人口增長(zhǎng)率高達(dá)19.9%,1981—1990年人口年均增長(zhǎng)率為1.38%[32],人口的過快增長(zhǎng)帶來需水量的增加,因此大量的人類活動(dòng),如在中游地區(qū)興修水利工程,引水灌溉使流域水體不斷減少。水域面積的萎縮導(dǎo)致裸露湖床的增加,也致使研究區(qū)成為北疆主要的風(fēng)沙源地。

圖8 艾比湖年降水變化和年均氣溫變化 Fig.8 The curve of annual precipitation and mean temperature in Ebinur Lake

圖9 艾比湖年干涸湖床和沙塵日數(shù)變化趨勢(shì) Fig.9 The curve of annual dry lake bed and dust days in Ebinur Lake

由圖9可示,艾比湖的沙塵日數(shù)與干涸湖底呈現(xiàn)正相關(guān)性,干涸湖床面積的逐年擴(kuò)大,導(dǎo)致沙塵日數(shù)增加。20世紀(jì)末,精河縣浮塵天氣平均達(dá)到112d,是60年代的9倍,每年降塵達(dá)每平方公里2.89×108kg。艾比湖湖面積由1200km2銳減到500 km2,西北部裸露湖底面積最多,此區(qū)域除個(gè)別地點(diǎn)外尚無(wú)其他植被發(fā)育,基本上為完全裸露區(qū)域,鹽節(jié)木密度最高不過每隔700—800m一株[33]。

4 結(jié)論與討論

4.1 討論

4.1.1 研究方法探討

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估未形成一套完整的評(píng)價(jià)體系[34],不同的生態(tài)價(jià)值服務(wù)評(píng)估方法,在計(jì)算模型、生態(tài)系統(tǒng)分類、參數(shù)選擇等方面不同[35],其價(jià)值評(píng)估結(jié)果也存在較大差異。如對(duì)全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的評(píng)價(jià),Pimentel[36]和Costanza[23]的結(jié)果產(chǎn)生了數(shù)量級(jí)差異。黃靜等[37]和石龍宇等[35]基于不同方法估算的廈門市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值相差達(dá)5倍多。因此,導(dǎo)致研究結(jié)果不一致的主要原因可能是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估方法的不同。此外,過少的樣本數(shù)量對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果也會(huì)有一定程度的影響。因此,本文采用重采樣的方法,通過對(duì)3期影像圖系統(tǒng)采樣,分別獲得364、352和352個(gè)樣本點(diǎn),克服有限數(shù)據(jù)影響,有利于更準(zhǔn)確凸顯規(guī)律。

本文對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的研究過程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)評(píng)估,利用GIS空間分析技術(shù),定量研究生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值的空間關(guān)聯(lián)模式和空間聚集規(guī)律,國(guó)內(nèi)西北干旱區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值研究很少?gòu)目臻g分布角度分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化規(guī)律,針對(duì)西北干旱區(qū)應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值評(píng)估和空間統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的方法解決環(huán)境問題是本文一個(gè)新的嘗試。本研究可為干旱脆弱區(qū)可持續(xù)發(fā)展和管理,維護(hù)、恢復(fù)和改善生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供一定參考。

由于我國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量表以民眾對(duì)各項(xiàng)服務(wù)的生態(tài)服務(wù)的支付意愿與支付能力為基礎(chǔ),將它分別用到各個(gè)城市中,不能體現(xiàn)其差異性,因此在構(gòu)建區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估模型時(shí),應(yīng)該具體考慮到當(dāng)?shù)孛癖妼?duì)各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的支付能力和支付意愿,制定出較全面的艾比湖濕地自然保護(hù)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值表。

4.1.2 與內(nèi)陸湖相關(guān)研究對(duì)比分析

參照已有的濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值研究結(jié)果[38],將研究區(qū)濕地功能價(jià)值與我國(guó)內(nèi)陸湖泊的其他相關(guān)研究進(jìn)行對(duì)比,研究結(jié)果顯示：地處西北干旱區(qū)的濕地生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)服務(wù)價(jià)值總體偏低,主要受氣候環(huán)境的影響,濕地生物多樣性少,凈化水質(zhì)、土壤保持、水源涵養(yǎng)等生態(tài)服務(wù)功能減弱,加上人為活動(dòng)的雙重影響,其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)一步下降。新疆艾比湖濕地屬于干旱內(nèi)陸區(qū)代表性濕地,生態(tài)環(huán)境極其脆弱,間接降低了該濕地生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值；而同屬干旱內(nèi)陸區(qū)的寧夏平原濕地,卻能夠提供較高的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,可能因?yàn)閷幭臐竦厥且渣S河干流兩側(cè)為主的黃河濕地,景觀類型多樣,其形成、演替、消長(zhǎng)與黃河密切相關(guān)[38]；銀川平原濕地與青海湖濕地地理位置相似,但青海湖濕地的服務(wù)功能遠(yuǎn)低于銀川平原濕地,可能由于青海湖濕地生態(tài)環(huán)境脆弱,高寒氣候顯著,多年水資源利用不合理,土流失嚴(yán)重,人為因素的長(zhǎng)期干擾,導(dǎo)致濕地生態(tài)功能較??；而黑河濕地保護(hù)區(qū)的生態(tài)服務(wù)價(jià)值較高,這是由于該地開發(fā)較晚,受人類活動(dòng)影響小,進(jìn)而保存了較高的生態(tài)功能價(jià)值[39]。

4.2 結(jié)論

(1)近20年來,研究區(qū)的土地利用處于發(fā)展階段,總體處于粗放利用和集約利用型之間。土地利用變化顯著,1998—2014年間艾比湖濕地自然保護(hù)區(qū)土地利用/覆被變化總體的趨勢(shì)是林草地、鹽堿地、濕地、沙漠面積增加,水體和裸地及其他面積減少。由于水資源總量減少和用水需求的增加,研究時(shí)段內(nèi)水體面積呈現(xiàn)減少趨勢(shì)；艾比湖湖面的萎縮,最終導(dǎo)致土壤鹽漬化,土地沙漠化不斷加重；退耕還林、沙漠化治理、生態(tài)建設(shè)等政策使林草地得到一定程度的保護(hù),致使林草地的面積增加。

(2)艾比湖濕地自然保護(hù)區(qū)在1998、2006、2014年這3年的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(ESV)分別為22.63×108元,26.11×108元和16.84×108元,呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢(shì)。從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值所占比例來看,水體和濕地所占比例最多,是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的主體。從空間分布來看,研究區(qū)的ESV總體呈現(xiàn)中間高,兩邊低的分布格局。從時(shí)間的變化情況看,1998—2006年期間,由于湖面面積的增加,致使水體的ESV升高,其他類型的土地覆被類型ESV沒有明顯變化；2006—2014年期間,研究區(qū)西北地區(qū)的湖面面積萎縮,加上生態(tài)環(huán)境的惡化,致使ESV整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。在整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)。水源涵養(yǎng)和廢物處理的貢獻(xiàn)率最大,綜上分析體現(xiàn)了艾比湖水資源對(duì)整個(gè)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的重要性。

(3)敏感性分析表明,艾比湖濕地自然保護(hù)區(qū)的ESV對(duì)VC是缺乏彈性的,即使價(jià)值系數(shù)存在一定的不確定性,但是整個(gè)研究區(qū)的ESV計(jì)算仍然是穩(wěn)定的,證明研究結(jié)果是可信的。

(4)研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值存在顯著的正空間相關(guān)性,空間集聚程度高值區(qū)主要集中在艾比湖水域,并且高值區(qū)有由增加向減少轉(zhuǎn)變的趨勢(shì),低值聚集區(qū)在湖區(qū)四周,并且逐年增加,低高聚集區(qū)從1998—2006年期間增加明顯,2006—2014年無(wú)顯著變化,而研究區(qū)幾乎沒有高低聚集區(qū)。

(5)影響研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空變化的驅(qū)動(dòng)力因素主要包括自然因素和人為因素,由于短時(shí)間內(nèi)自然因素對(duì)艾比湖濕地自然保護(hù)區(qū)的影響因素較小,因此人為因素是研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空變化的主要驅(qū)動(dòng)因素。

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SpatialandtemporalecosystemchangesintheEbinurWetlandNatureReservefrom1998to2014

LI Zhe1,2, ZHANG Fei1,2,3,*, Hsiang-te Kung4, ZHANG Yue1,2, JING Yunqing1,2

1CollegeofResources&EnvironmentalScience,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China2KeyLaboratoryofOasisEcology,Urumqi830046,China3GeneralInstitutesofHigherLearningKeyLaboratoryofSmartCityandEnvironmentalModeling,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China4DepartmentofEarthSciences,UniversityofMemphis,Memphis,USA38152

Ecosystem services are the direct and indirect contributions of ecosystems to human wellbeing and survival, and they provide cultural and economic benefits for sustaining and fulfilling the well-being of humans the living organisms. Wetlands are an important component of ecosystem environments, especially for economic and agricultural development via their roles in flood reduction and nutrient cycling, as well as water conservation, regulating atmospheric composition and maintaining biodiversity. In recent years, many researchers have studied spatial ecosystem patterns and factors influencing the value of ecosystem services, although few studies have focused on how the intensity of land use in these areas affects ecological changes. We selected the Ebinur Wetland Nature Reserve as our study site to analyze the spatial distribution and dynamics of ecosystem services. We used 1998 TM Landsat images, 2006 ETM+ Landsat images, and 2014 OLI Landsat images to analyze land use changes over these periods and used the computational formula from the Costanza ecosystem service value to study the auto-correlation of land use changes in the study area. The results of the study are: (1) Over the past 20 years, land use significantly changed, with all land use practices increasing except in the water area and bare land area. (2) Changes in ESV (Ecosystem Services Values) were been insignificant in the past 20 years, with ESV decreasing, suggesting that the ecological environment is subject to a degradation trend. (3) The spatial-temporal variation of ESV was prominent; spatial correlation was significant and the degree of spatial agglomeration was relatively high in the study area. High values were distributed mainly in the water area and wetland region, with these high-value regions exhibiting a decreasing trend. Low values occurred around the lake areas, which increased over time. (4) The influence of spatial-temporal changes in the ecosystem service values was insignificant and human driving factors will become the main driving forces influencing the spatial-temporal changes of ecosystem services values.

ecosystem services value; spatial-temporal variation; spatial correlation; Ebinur Wetland Nature Reserve

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41361045)；新疆維吾爾自治區(qū)自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2016D01C029)；新疆聯(lián)合基金本地優(yōu)秀青年培養(yǎng)專項(xiàng)(U1503302)

2016- 04- 29; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 03- 22

10.5846/stxb201604290823

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhangfei3s@163.com

李哲, 張飛,Hsiang-te Kung,張?jiān)?井云清.1998—2014年艾比湖濕地自然保護(hù)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值及其時(shí)空變異.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(15):4984- 4997.

Li Z, Zhang F, Hsiang-te Kung, Zhang Y, Jing Y Q.Spatial and temporal ecosystem changes in the Ebinur Wetland Nature Reserve from 1998 to 2014.Acta Ecologica Sinica,2017,37(15):4984- 4997.