新疆艾比湖流域土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響

約日古麗卡斯木，楊勝天，孜比布拉·司馬義

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新疆艾比湖流域土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響

約日古麗卡斯木1,3，楊勝天1,3※，孜比布拉·司馬義1,2,3

（1.新疆大學資源與環(huán)境科學學院，烏魯木齊 830046；2. 新疆大學資源與環(huán)境科學學院智慧城市與環(huán)境建模普通高校重點實驗室，烏魯木齊 830046； 3. 新疆大學綠洲生態(tài)教育部重點實驗室，烏魯木齊 830046）

在對流域可持續(xù)發(fā)展評估的研究中，生態(tài)系統(tǒng)服務價值的時空評估具有重要意義。以新疆艾比湖流域為研究區(qū)，基于1996－2016年的3期遙感影像和社會統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對艾比湖流域土地利用和生態(tài)系統(tǒng)服務價值時空動態(tài)變化進行分析，并借鑒生態(tài)服務價值當量估算法定量探討生態(tài)系統(tǒng)服務價值的變化特征，采用多元回歸模型對流域土地利用和生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化的驅(qū)動力進行分析。結(jié)果表明：1）1996－2016年，艾比湖流域耕地和建設用地面積變化最大，其占比分別從1996年的8.47%和0.42%，增加到2016年的15.28%和2.07%；林地、草地、濕地和水域的較少，但幅度較劇烈。2）近21a來，研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值總量呈持續(xù)減少的趨勢，共減少了約85.863×108元，耕地、建設用地、鹽堿地和沙地等土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務價值（ecosystem service value, ESV）值呈增加趨勢；林地、草地、水域、濕地和未利用地等類型均呈減少趨勢。3）空間上，21 a間艾比湖流域ESV較高區(qū)面積逐漸減少，ESV較低區(qū)域面積逐漸增加，ESV中等區(qū)域呈現(xiàn)先減小后增大。4）回歸分析表明影響艾比湖流域ESV變化的主要驅(qū)動因素是綜合城鎮(zhèn)化率、人口密度、氣溫和降水等指標，在未來的經(jīng)濟發(fā)展中，艾比湖流域要合理優(yōu)化調(diào)整土地利用格局，保證生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定-協(xié)調(diào)發(fā)展，實現(xiàn)經(jīng)濟-社會-生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展。

生態(tài)；土地利用；遙感；生態(tài)系統(tǒng)服務價值；時空評估；艾比湖流域；新疆

0 引 言

生態(tài)系統(tǒng)服務(ecosystem service)指人類從生態(tài)系統(tǒng)中直接或間接獲得的各種惠益[1]，包括食物、水、原材料等實物型服務，及水土保持、氣候調(diào)節(jié)、美學景觀等非實物型服務。生態(tài)系統(tǒng)不僅創(chuàng)造和維持人類生存必要的環(huán)境條件，而且為人類提供食物、醫(yī)藥、生產(chǎn)生活資料，而且為人類提供休閑、娛樂和審美享受[2]。對其進行量化評估有助于為高效配置土地資源[3]、區(qū)域合理規(guī)劃及可持續(xù)發(fā)展、科學管理生態(tài)系統(tǒng)[4-5]和科學制定生態(tài)補償政策等提供科學依據(jù)[6-7]。自從提出生態(tài)系統(tǒng)這個概念以來，很多生態(tài)、經(jīng)濟學家分析和探討生態(tài)系統(tǒng)服務價值從物理量和價值量兩方面發(fā)揮作用，為不同生態(tài)系統(tǒng)服務和生物資源開發(fā)了多種評價方法[8-9]。由于生態(tài)系統(tǒng)服務功能與人類生活質(zhì)量密切相關，因此許多學者致力于研究生態(tài)系統(tǒng)服務價值的定量方法，而且在全球范圍內(nèi)進行評價和評估[10-11]。如：Costanza等[10]通過總結(jié)前人的研究成果，實現(xiàn)了生態(tài)系統(tǒng)服務價值的貨幣表達，推動相關研究進入了一個新的階段。謝高地等[12]基于Costanza提出的評價模型開發(fā)了中國不同陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值（ecosystem service value, ESV）當量表，由于此表的簡潔性和可靠性在中國已廣泛應用[13]。

LUCC是全球環(huán)境變化的重要組成部分及驅(qū)動因素之一[14]，是陸地多種因素影響的總和反映，是特定人-地關系下多種驅(qū)動因素共同作用的結(jié)果[15]，包含著豐富的人類活動信息[16]是關系到人類生存和可持續(xù)發(fā)展的核心問題，同時也是生態(tài)系統(tǒng)服務變化的主要驅(qū)動之一。它通過改變生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，導致生態(tài)系統(tǒng)服務發(fā)生改變[17]。因此，科學、合理利用土地資源是實現(xiàn)人與自然和諧發(fā)展的前提。然而，人類在土地利用和改造過程中往往片面追求自然經(jīng)濟價值，忽視自然生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)效益與生態(tài)價值等潛在價值[18]。LUCC通過改變生態(tài)系統(tǒng)的類型、模式和生態(tài)過程來影響生態(tài)系統(tǒng)服務的結(jié)構(gòu)和功能[19]。LUCC不僅是生態(tài)系統(tǒng)服務功能變化的第一個驅(qū)動也是直接驅(qū)動，起到了維護和調(diào)節(jié)ESV的重要作用[20]。

在中國西北生態(tài)脆弱的干旱區(qū)，土地利用的變化發(fā)揮維持和充實人類生活的作用。隨著經(jīng)濟發(fā)展、農(nóng)業(yè)和城市化以及工業(yè)化導致土地利用的不斷發(fā)生變化，造成生態(tài)環(huán)境的退化，導致土壤鹽漬化、沙漠化、揚塵和沙塵暴事件不斷增加，這最終導致ESV損失[21]。目前，國內(nèi)外學者在不同空間尺度開展的有關ESV的研究已經(jīng)取得了一系列的研究成果，但是，縱觀國內(nèi)已開展的干旱區(qū)流域生態(tài)系統(tǒng)服務價值研究，其范圍主要集中在和田河，石羊河，塔里木河等流域，而對生態(tài)環(huán)境脆弱的艾比湖流域生態(tài)系統(tǒng)服務價值研究相對缺乏，這對艾比湖流域水土資源開發(fā)利用和生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)管理是極為不利的。本研究優(yōu)化艾比湖流域ESV系數(shù)是一個新的嘗試，研究結(jié)果為缺乏完整數(shù)據(jù)集的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務提供了充分的信息，為干旱區(qū)土地資源合理、有效利用提供科學參考。

1 研究區(qū)概況

艾比湖流域位于新疆西北部(43°38′～45°52′N，79°53′～85°02′E)，地處亞歐大陸腹地，西、北、南三面環(huán)山，中間是博爾塔拉谷地平原，東部為尾閭艾比湖，整體上與準噶爾盆地連為一體；流域總面積為50621 km2，其中，山地面積為24317 km2，平原面積26 304 km2。艾比湖流域氣候干燥，降水稀少，年均降水量僅100～200 mm，年蒸發(fā)量達1 500～2000 mm[22]。

艾比湖流域自古就是歐亞的交通要道，早在唐代開辟的“絲綢之路”北道，就是經(jīng)過此地越過天山到達歐洲，如今該流域已是北疆地區(qū)重要的糧食基地、棉花基地、畜牧業(yè)基地和石油化工基地；在經(jīng)濟發(fā)展的同時，艾比湖流域的生態(tài)環(huán)境也變得非常脆弱，經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護之間的矛盾日益突出，甚至尖銳化[23]。

圖1 研究區(qū)概況圖

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)收集

本研究涉及到的數(shù)據(jù)包括：土地利用數(shù)據(jù)，社會統(tǒng)計數(shù)據(jù)。其中土地利用數(shù)據(jù)從多時相多分辨率的遙感影像中提取，包括來自地理數(shù)據(jù)空間云（http://glovis.usgs.gov），研究區(qū)1996年、2006年和2016年的TM和OLI數(shù)據(jù)，共選取艾比湖流域研究期限內(nèi)的8景影像（表1），影像季相相同，云量均小于8%，質(zhì)量完好，避免了因季節(jié)差異、植被生長狀態(tài)差異的影響。社會統(tǒng)計數(shù)據(jù)來自博爾塔拉蒙古自治州統(tǒng)計年鑒（1997－2017），土地相關政策從政府年度報告中獲取。

2.2 土地利用分類

根據(jù)解譯需要，對獲取的TM遙感影像借助ENVI5.3軟件平臺進行輻射定標、幾何校正、大氣校正、波段組合、圖像鑲嵌等預處理工作。對Landsat 8OLI發(fā)布的數(shù)據(jù)已經(jīng)進行了幾何校正，無需重復操作，誤差控制在0.5個像元內(nèi)。為了減少誤差，所有數(shù)據(jù)以墨卡托投影（UTM）和世界大地測量系統(tǒng)（WGS-1984）為基準。結(jié)合室內(nèi)判讀與野外調(diào)查的方法，參考中國土地利用二次分類方案，按照研究區(qū)的實際情況，將經(jīng)過幾何校正的TM/OLI影像，通過波段的最優(yōu)化處理，把TM543和OLI652生成標準假彩色合成，從而使組合后影像上的地物具有代表性[24]。

表1 1996－2016年研究區(qū)遙感數(shù)據(jù)來源

本研究將3個時期艾比湖流域土地利用類型分為9種，包括耕地、林地、草地、建設用地、水域(湖泊)、鹽堿地、荒漠、濕地和未利用地。然后根據(jù)非監(jiān)督分類把分類錯誤的斑塊進行處理并記錄到正確的分類中，提高精度，如雪覆蓋的山脈等被誤認為水，或者沙漠地區(qū)被誤解譯為鹽漬化土地[25]。為了保證分類結(jié)果的準確性，對研究區(qū)進行實地調(diào)查對圖像分類的精度進行驗證，共采集了190個GPS點對2016年土地利用數(shù)據(jù)進行精度驗證，驗證表明解譯精度為83.6%，190個驗證點中有159個點顯示解譯正確，可以滿足精度要求。對1996年和2006年間的土地利用數(shù)據(jù)的精度驗證，通過查閱相關地圖資料進行，其中1996年的190個驗證點中有162個點顯示解譯正確，驗證精度為85.2%，2006年的190個驗證點中有164個點顯示解譯正確，驗證精度為86.3%。艾比湖流域山地、丘陵都占一定的比例，因此林、草地分類時往往出現(xiàn)兩者混在一起的情況，本研究中對以上解譯精度控制在81.6%以上。對1996、2006、2016等3個時期分類后結(jié)果采用誤差矩陣精度評價法進行檢驗，分類精度分別為92.2%、81.1%和82.4%；kappa系數(shù)分別為0.882、0.807和0.795，滿足研究需求。艾比湖流域土地利用/土地覆被類型描述如表2所示。

表2 艾比湖流域土地利用/土地覆被分類類型的描述

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務價值的計算

基于Costanza和謝高地等建立的世界和中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量表[13,26]，并結(jié)合艾比湖流域?qū)嶋H情況，以農(nóng)田-耕地、森林-林地、草地-草地、城市-建設用地、水體-水域、荒地-鹽堿地和未利用地、沙地-沙地、濕地-濕地等形式不同生物群落進行對應。從而獲取艾比湖流域9種土地利用類型價值系數(shù)。本研究中，每個土地利用單位面積的ESV以Costanza和謝高地的研究方法為基礎（表3）。計算公式為

式中ESV為研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值總量（元），為第類土地利用類型的面積，hm2，VCK為第類土地利用類型對應的ESV系數(shù)(元/公頃·年)。ESV為生態(tài)系統(tǒng)單項服務價值，VC為單項服務功能價值系數(shù)[27]。

如果直接用這些方法將影響研究結(jié)果的準確性和完整性，比如Costanza等[26]的方法涉及到的生態(tài)系統(tǒng)類型不全面；因此，本研究在前人研究的基礎上制定艾比湖流域各土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)（如表3）。

2.4 基于格網(wǎng)的ESV時空變化

計算格網(wǎng)單元研究區(qū)域ESV空間分異的前提是確定格網(wǎng)單元的大小，本研究基于ArcGIS10.3軟件分別提取邊長為1 000、2 000、3 000、4 000、5 000共5種格網(wǎng)單元內(nèi)各土地利用類型的面積，然后比較面積變化程度，即變異系數(shù)，該尺度的格網(wǎng)是研究區(qū)生態(tài)服務價值空間分異的最優(yōu)格網(wǎng)單元大小。具體操作及公式見參考文獻[28]。

表3 艾比湖流域不同土地利用類型的ESV系數(shù)

2.5 敏感性分析模型

本研究使用敏感性模型，通過上下調(diào)整已確定的每個土地利用類型ESV系數(shù)的50%大小，計算ESV對價值系數(shù)VC變化的響應[29]，最終確定生態(tài)系統(tǒng)服務價值隨著時間的變化情況和對價值系數(shù)的依賴程度。計算公式如下

式中ESV是估算的生態(tài)系統(tǒng)服務價值，VC是價值系數(shù)，和分別代表初始值和調(diào)整后的值（上下調(diào)整50%），表示土地利用類型[30]。當CS≥1時，表明ESV相對于VC是富有彈性的；當CS≤1時，ESV則是缺乏彈性。CS值越大，表明ESV指數(shù)的準確性越關鍵。

2.6 驅(qū)動因子選取

生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化的驅(qū)動力包括自然因素和人文因素兩方面。由于研究區(qū)處于中國西部干旱區(qū)，地形高差顯著，離海洋遠，靠近沙漠。因此，氣溫、降水為特征的氣候變化過程在一定程度上影響和改變區(qū)域水系統(tǒng)和水環(huán)境，進而影響區(qū)域內(nèi)景觀的空間分布格局，導致ESV的變化。介于此，本研究共選取5項自然因素（表4）。艾比湖流域具有戰(zhàn)略性地理位置，流域內(nèi)各縣市正處于快速經(jīng)濟發(fā)展階段，因此人類生產(chǎn)、生活活動是影響流域生態(tài)系統(tǒng)分布格局的主要原因，進而導致ESV的變化。介于此，本文參考相關研究成果[31]與艾比湖流域的相關研究[32]，選取16項人文驅(qū)動因素（表4）。

表4 生態(tài)系統(tǒng)服務價值演變驅(qū)動力指標體系

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化

3.1.1 土地利用/土地覆蓋

由圖2和表5可知，1996－2016年間，艾比湖流域的土地利用變化比較明顯，在3個時期耕地、林地、草地和未利用地是該地區(qū)主要的土地覆蓋類型。在21a間（圖2）艾比湖流域變化較顯著的土地利用類型主要有耕地、建設用地、濕地和鹽堿地。流域中沿著博爾塔拉河分布的綠洲縣、市（包括博樂市，溫泉縣，精河縣）具有較強的人類活動特征。這些區(qū)域已有大面積的林、草地和未利用地已轉(zhuǎn)化成耕地。在土地利用類型中，覆蓋率最高的草地已從1996年的25.21%，減少到2016年的22.20%。

圖2 1996－2016年艾比湖流域土地利用變化圖

表5 1996－2016年間艾比湖流域土地利用變化格局

總體上，研究區(qū)土地利用類型中草地變化幅度最大，沙地變化幅度則最小。林地、草地、濕地、未利用地不斷減少和耕地、建設用地的快速增加，是由于經(jīng)濟的發(fā)展尤其是商業(yè)性農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，人們不斷調(diào)整農(nóng)業(yè)經(jīng)濟結(jié)構(gòu)，開墾了大量的荒地，興修水利工程，擴大種植面積。

3.1.2 土地利用轉(zhuǎn)移

不同土地利用類型之間的轉(zhuǎn)換可以反映土地類型整體變化的方向和變化程度。由表6可知，1996－2016年間，艾比湖流域各土地利用類型之間，均出現(xiàn)不同程度的相互轉(zhuǎn)化。研究區(qū)9種土地利用類型中，草地的變化幅度最大，21a間約有429.78×103hm2的草地轉(zhuǎn)化為耕地，主要由于艾比湖流域農(nóng)業(yè)的發(fā)展；207.90×103hm2的草地轉(zhuǎn)化為建設用地，說明草地轉(zhuǎn)化受人類開發(fā)活動的影響顯著。由于氣候變化和人類活動的影響，還有些草地被鹽堿地、濕地和未利用地所占用。林地變化也較明顯，耕地和草地是林地轉(zhuǎn)移的主要去向，其轉(zhuǎn)移面積分別為473.19×103hm2和507.90×103hm2，表明毀林開荒等農(nóng)林業(yè)種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整及森林砍伐是導致林地面積損失的主要原因，另有較少部分林地轉(zhuǎn)移為建設用地、鹽堿地和未利用地。耕地的轉(zhuǎn)化也較劇烈，128.37×103hm2轉(zhuǎn)化為林地，主要因為經(jīng)濟林和水果種植帶來的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整；197.70×103hm2的耕地被城市建設用地所占，受大坡度、高海拔、土壤瘠薄、土壤鹽堿化等耕作條件差的農(nóng)田撂荒的影響；219.40×103hm2的耕地退化為草地，由于研究區(qū)大部分是灌溉農(nóng)田，有222.86×103hm2的耕地轉(zhuǎn)化為鹽堿地。另有少量轉(zhuǎn)化為水體，沙地和未利用地。此階段30.90×103hm2和39.10×103hm2的建設用地轉(zhuǎn)化為耕地和未利用地，建設用地變化主要發(fā)生在村落周邊，由村落的更替和擴張引起的；水域中分別有50.80×103、52.50×103hm2的面積轉(zhuǎn)化為耕地、草地，說明水體損失的主要驅(qū)動因素是填水造陸用于農(nóng)業(yè)開發(fā)、草地建設；值得一提的是艾比湖流域水域面積的減少是由于近年來隨著溫度的逐漸升高，降水量呈下降的趨勢，加上大量的蒸發(fā)作用、徑流量變化及沙塵日數(shù)等綜合作用的結(jié)果，導致了艾比湖面積的縮小。研究期間分別有71.27×103hm2和76.40×103hm2面積轉(zhuǎn)化為鹽堿地和未利用地，表明研究區(qū)開發(fā)活動對生態(tài)環(huán)境的壓力超過了生態(tài)環(huán)境承載能力。流域鹽堿地轉(zhuǎn)化較明顯，129.50×103hm2的面積轉(zhuǎn)化為林地，91.80×103hm2的面積被建設用地占用，96.40×103hm2轉(zhuǎn)化為沙地，143.90×103hm2轉(zhuǎn)化為未利用地。沙地轉(zhuǎn)化最不明顯，總面積小，同時向各土地利用類型轉(zhuǎn)移的絕對面積也較小，沙地轉(zhuǎn)化主要方向為未利用地，其次為林、草地，耕地和建設用地。也有很少的部分轉(zhuǎn)化為水域和濕地。

研究區(qū)分別有80.90×103、43.80×103、23.70×103hm2的濕地面積轉(zhuǎn)化為耕地、草地和水域，只有9058.68×103hm2的面積保持不變，表明近幾年艾比湖流域濕地的變化較顯著。研究周期內(nèi)，未利用地面積也發(fā)生了較顯著的變化，主要流向耕地、林地、草地和建設用地，轉(zhuǎn)化面積依次為489.88×103、170.79×103、176.40×103和125.04×103hm2，表明未利用地的轉(zhuǎn)移主要受農(nóng)業(yè)開發(fā)、生態(tài)脆弱區(qū)植被治理恢復以及城鎮(zhèn)建設等因素的驅(qū)動?？傊?，1996－2016年間，耕地、建設用地、鹽堿地、沙地等土地利用類型增加的面積均大于減少的面積。林地、草地、濕地、水域、未利用地等土地利用類型增加的面積小于減少的面積。

表6 1996－2016年間艾比湖流域土地利用/覆蓋轉(zhuǎn)移矩陣

3.2 ESV變化

3.2.1 ESV總量變化

從表7可知，1996－2016年艾比湖流域生態(tài)系統(tǒng)服務功能總價值由331.238×108元減少到245.375×108元，共減少85.863×108元。其中耕地、建設用地、鹽堿地和沙地等類型ESV呈增加趨勢；林地、草地、水域、濕地和未利用地等類型均呈減少趨勢。林地的ESV最高，占總價值的50%以上，但呈持續(xù)減少的趨勢，水域的ESV較高，且呈持續(xù)增加的趨勢，濕地的ESV也較高，但也呈持續(xù)減少的趨勢，且減小的幅度較大。

1996－2016年間耕地的ESV增加幅度較大，ESV變化率為177.5%，從整個研究區(qū)來看耕地面積較小，但其ESV增加值較大。對于艾比湖流域來說，雖然水域和濕地的面積很小但是他們對流域生態(tài)系統(tǒng)服務功能的貢獻都較大，對于典型的干旱區(qū)流域來說濕地和水域的作用很大，是改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境，提高生態(tài)系統(tǒng)服務功能的關鍵因素。

表7 1996－2016年間艾比湖流域各類生態(tài)系統(tǒng)服務價值及變化

3.2.2 ESV類型間的變化

從表8可知，1996－2016年間，在艾比湖流域，除了食物生產(chǎn)和娛樂文化價值有所增加外，其他服務類型的價值均呈下降趨勢。由于耕地和建設用地的增加導致流域食物生產(chǎn)價值和娛樂文化價值的升高。減少的價值中水源供給的減少幅度最大，這是近些年來艾比湖流域湖泊面積與濕地面積大幅度減少的結(jié)果。

表8 1996－2016艾比湖流域各類型ESV的變化

從生態(tài)系統(tǒng)服務功能上來看，水源供給、土壤形成、生物多樣性保護和廢物處理排在前列，是影響艾比湖流域生態(tài)系統(tǒng)服務總價值的四大主要生態(tài)功能，其價值貢獻率為66.42%；而原材料、食物生產(chǎn)和娛樂文化的價值貢獻率較小，僅為13.06%。為此，本研究認為，研究區(qū)服務性功能大于生產(chǎn)性功能。說明調(diào)節(jié)功能（氣候、氣體調(diào)節(jié)，廢棄物處理和水供應）是艾比湖流域ESV變化的主要驅(qū)動力。

3.2.3 基于格網(wǎng)的ESV空間變化

通過分析艾比湖流域單位面積的生態(tài)系統(tǒng)服務價值的空間變化（圖3和表9）可知，1996－2016年，艾比湖流域ESV有了不同程度的變化，從不同年份ESV的空間分布來看，1996年流域45.29%的面積為ESV較高區(qū)，其主要分布在流域中部及四周；29.33%的區(qū)域為ESV較低區(qū)，其主要分布在托里縣南部、艾比湖湖區(qū)附近及精河縣和博樂市南部；25.38%的區(qū)域為ESV中等區(qū)，其較分散的分布在流域四周。2006年流域ESV較高區(qū)的面積明顯減少，10 a間共減少11.31%；而ESV較低區(qū)的面積增加11.9%，ESV中等區(qū)的面積有所減少但減少幅度不大。ESV較高區(qū)、較低區(qū)和中等區(qū)域在空間上的分布特征與1996年保持一直。2016年流域ESV較低區(qū)占比最大，占43.28%；其次為ESV較高區(qū)，占30.19%；ESV中等區(qū)為最小，占26.59%。在空間上ESV較高區(qū)較集中的分布在流域中部，而ESV低、中等區(qū)較分散的分布在流域四周及中部。

1996－2016年艾比湖流域ESV的單位面積變化特征為：1996年，ESV較高＞ESV級較低＞ESV中等；2006年，ESV級較低＞ESV較高＞ESV中等；2016年，ESV級較低＞ESV較高＞ESV中等。21 a間，流域ESV較高區(qū)面積逐漸減少，ESV較低區(qū)域逐漸增加，而ESV中等區(qū)域先減小后增大。

在空間上，ESV較高區(qū)域主要分布在流域周圍的山地及丘陵地帶，ESV較低區(qū)主要分布在流域中段的荒漠地帶，ESV中等區(qū)分布的地帶主要包括耕地、荒漠及未利用地等生態(tài)系統(tǒng)類型。

圖3 1996－2016年艾比湖流域5 km×5 km網(wǎng)格內(nèi)ESV的變化值

表9 不同等級ESV變化面積統(tǒng)計

從圖3和表10可知，1996－2016年間，艾比湖流域ESV減少區(qū)分布較分散，主要分布在林、草地退化的區(qū)域，21 a間流域ESV減少面積共848.22×103hm2，占比為17.82%；ESV增加區(qū)較分散，主要分布在未利用地轉(zhuǎn)化為耕地或草地的區(qū)域，增加面積共189.44×103hm2，占比為3.98%，ESV不變區(qū)域主要集中在研究區(qū)中間的未利用地和流域北部、南部和西南部的山地及丘陵區(qū)域，ESV不變區(qū)域面積共3722.31×103hm2，占比為78.2%。

表10 艾比湖流域ESV空間分布變化

3.3 ESV對價值系數(shù)的敏感性分析

從圖4可知，1996－2016年間，艾比湖流域各土地利用類型價值系數(shù)的敏感性系數(shù)范圍為0～0.7，都小于1，其中，水域的敏感性系數(shù)最高，為0.7，即當水域生態(tài)系統(tǒng)服務價值增加或減少1%時，生態(tài)系統(tǒng)服務總價值增加或減少70%；調(diào)整建設用地和鹽堿地的價值系數(shù)不影響ESV，敏感性系數(shù)為0；相應地，耕地、林地、草地、水域、濕地、沙地和未利用地的敏感感性系數(shù)從0.02上升到0.7。分析表明，在艾比湖流域，水域，耕地，草地和濕地等生態(tài)系統(tǒng)類型在生態(tài)系統(tǒng)服務中起著至關重要的作用。對于21a來ESV值的準確度，價值系數(shù)具有顯著性，表明研究區(qū)使用的ESV指數(shù)是良好的，艾比湖流域ESV總指數(shù)具有彈性，研究結(jié)果可靠。

3.4 ESV變化驅(qū)動力

在上文分析的基礎上，通過分析1996－2016年間艾比湖流域生態(tài)系統(tǒng)服務價值與對應的驅(qū)動指標的相關性，然后剔除相關性較低的因子，并進一步進行歸回分析，獲取回歸模型擬合優(yōu)度2為0.978，調(diào)整后的擬合優(yōu)度2為0.970，顯著性水平值為0，滿足該條件的回歸模型分析結(jié)果見表11。

圖4 艾比湖流域ESV系數(shù)敏感性指數(shù)

表11 艾比湖流域ESV回歸模型

注：=服務價值，元，3：人口密度，人·km-2，4：城鎮(zhèn)化率，%，7：GDP總量，億元，11：第二產(chǎn)業(yè)比重，%，14：林業(yè)總產(chǎn)值，萬元，17：氣溫，℃，18：降水量，mm。

Note: y=ESV (Yuan);3: Population density (people/km2);4:Urbanization rate (%);7: GDP (million yuan);11: The proportion of secondary industry(%);14: total value of forestry production (×103yuan);17:Temperature(℃);18：Precipitation (mm)

從表11可知，ESV總價值和調(diào)節(jié)服務價值均有3個模型（這3種指標顯著性值較明顯），其中ESV總價值的自變量包括城鎮(zhèn)化率、第二產(chǎn)業(yè)比重和降水量；調(diào)節(jié)服務價值的自變量除了城鎮(zhèn)化率，還有總GDP和氣溫變化。支持服務、供給服務和文化服務價值的自變量分別是林業(yè)總產(chǎn)值、人口密度、降水量和第二產(chǎn)業(yè)比重。本研究計算的綜合城鎮(zhèn)化率為城鎮(zhèn)人口占總?cè)丝诘谋壤丝诮Y(jié)構(gòu)的變化會導致土地利用方式、糧食生產(chǎn)、生物多樣性等變化，最終綜合影響艾比湖流域生態(tài)系統(tǒng)服務功能?？侴DP反映流域社會經(jīng)濟的發(fā)展狀況，它可能會影響經(jīng)濟結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變、促進工業(yè)化，從而改變流域調(diào)節(jié)服務功能。降水量反映流域水資源分布狀況，可能會對干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能產(chǎn)生直接的影響從而改變流域生態(tài)系統(tǒng)總價值、調(diào)節(jié)和供給功能。氣溫通過影響降水量、蒸發(fā)量、徑流量和沙塵日數(shù)等，對流域植被覆蓋度產(chǎn)生間接影響，從而改變生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)服務功能。人口密度作為生態(tài)系統(tǒng)供給功能的自變量，其反映了整個流域人口空間分布情況，是改變區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)數(shù)量、集散程度、破碎等空間分布特征的主要原因，會直接影響區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)供給功能。第二產(chǎn)業(yè)比重在一定程度上說明流域經(jīng)濟發(fā)展水平，其影響流域經(jīng)濟結(jié)構(gòu)，從而對流域生態(tài)系統(tǒng)空間格局產(chǎn)生影響，最終可能會改變流域ESV總價值和文化服務價值。林業(yè)總產(chǎn)值直接反映流域植被覆蓋情況，直接對森林生態(tài)系統(tǒng)在支持服務的貢獻產(chǎn)生影響。

總之，人文因素和自然因素共同對生態(tài)系統(tǒng)服務價值產(chǎn)生影響。

4 結(jié) 論

1）隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，艾比湖流域土地利用發(fā)生了較顯著的變化。1996－2016年間，耕地和建設用地增長速度較快，分別從1996年的8.47%和0.42%增加到2016年的15.28%和2.07%；林地、草地、濕地和水域的較少幅度較劇烈。

2）研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值總量呈持續(xù)減少的趨勢，21 a間隔共減少了85.863×108元。其中耕地、建設用地、鹽堿地和沙地等類型ESV呈增加趨勢；林地、草地、水域、濕地和為利用的等類型均呈減少趨勢。林地的ESV最高，占總價值的50%以上，但呈持續(xù)減少的趨勢。生態(tài)系統(tǒng)服務9種功能中，水源供給、土壤形成、生物多樣性保護和廢物處理排在前4位，是影響生態(tài)系統(tǒng)服務總價值的四大生態(tài)功能，其價值貢獻率為66.42%；而原材料、食物生產(chǎn)和娛樂文化的價值貢獻率較小，為13.06%。

3）1996－2016年艾比湖流域ESV的單位面積變化特征為：1996年，ESV較高＞ESV級較低＞ESV中等；2006年，ESV級較低＞ESV較高＞ESV中等；2016年，ESV級較低＞ESV較高＞ESV中等。21 a間，流域ESV較高區(qū)面積逐漸減少，ESV較低區(qū)域逐漸增加，而ESV中等區(qū)域先減小后增大。

4）艾比湖流域ESV的變化受人文因素（綜合城鎮(zhèn)化率，人口密度等）和自然因素（氣溫，降水）的共同影響。由于短時間內(nèi)自然因素對艾比湖流域的影響較小，因此人為因素是研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值時空變化的主要驅(qū)動因素。

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Impact of land use change on ecosystem service value in Ebinur Lake Basin, Xinjiang

Yueriguli Kasimu1,3, Yang Shengtian1,3※, Zibibula Simayi1,2,3

(1.,,830046,; 2.830046,; 3.,830046,)

Land-use/land-cover (LULC) changes are considered as a key issue of global changes, which is influencing and altering ecosystem structures and services at different scales. Understanding LULC changes and its ecological effects is important to enhance ecosystem sustainability and maintain ecological security. Since ancient times, the Ebinur Lake Basin was the main road of traffic in Europe and Asia. Early in the north of the “Silk Road”, which was opened by the Tang Dynasty, it was passed through the Tianshan Mountains to Europe. Now it is an important grain base, cotton base, animal husbandry base and petrochemical base in Northern Xinjiang. It is a typical arid area with sensitivity environment. With the rapid urbanization and economic development in recent years, this area increasingly faces a serial of environmental challenges, including LULC changes, pollutions, biodiversity decrease, and land deterioration, etc. Thus, the study on LULC changes and its ecological effects in the Ebinur Lake Basin was significant to regional ecosystem management. The intensifying human activities are becoming more and more significant to the ecological system of oasis in arid areas. It is of great significance to assess the dynamic changes of the ecosystem services in the watershed on the scale of time and space, which is of great significance to the sustainable development of the basin. We took the Ebinur Lake Basin(43°38′-45°52′N, 79°53′-85°02′E), located in northwestern Xinjiang as the study area, and extracted the land use data based on the TM and OLI remote sensing images of 1996, 2006 and 2016. The spatial and temporal dynamic changes of land use and ecosystem services in the Ebinur Lake Basin were analyzed, and the value of ecological service value equivalent was used to estimate the value of ecosystem services. The Logistic regression model was used to analyze the driving forces of land use and ecosystem service value change. The results showed that : 1) During 1996-2016, the area of cultivated land and construction land in the Ebinur Lake basin significantly increased, the proportion from 8.47% and 0.42% in 1996 to 15.28% and 2.07% in 2016, and forestland, grassland, wet land and water area were on the decline. 2) During 1996-2016, the total ecosystem service value in the study area has been decreasing continuously, and reduction amounts were about 85.863×108Yuan. The ESV value of land use types, such as cultivated land, construction land, salinized land and sandy land, had an increasing trend, and the forest land, grassland, water area, wet land and unused land were all hand a decreasing trend. Among them, the change of ESV of the forest land was more evident, accounting for more than 50% of the total ESV. 3) During the 21years, the area with higher ESV in the Ebinur Lake Basin gradually decreased, the area with lower ESV gradually increased, and the area with middle ESV decreased first and then increased. 4) The regression analysis showed that the main driving factors affecting the ESV changes in the Ebinur Lake Basin were the comprehensive urbanization rate, the population density and Temperature and precipitation. In the future economic development, the Ebinur Lake Basin should rationally optimize the land use pattern, guarantee the sustained stable and coordinated development of ecosystem, and realize sustainable development of the economy-society and ecology.

ecology; land use; remote sensing; ESV; temporal and special assessment; Ebinur Lake Basin; Xinjiang

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.02.033

X171.1; F301.24

A

1002-6819(2019)-02-0260-10

2018-06-25

2019-01-02

國家自然科學基金項目“艾比湖稀缺資料流域水文變化分析與水資源利用安全范式”（批準號：U1603241)

約日古麗卡斯木，博士生，研究方向：干旱區(qū)土地利用與資源環(huán)境。Email：1005818758@qq.com

楊勝天，教授，博導，主要從事水資源與水環(huán)境遙感研究。Email：yangshengtian@bnu.edu.cn

約日古麗卡斯木，楊勝天，孜比布拉·司馬義.新疆艾比湖流域土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2019，35(2)：260－269. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.02.033 http://www.tcsae.org

Yueriguli Kasimu, Yang Shengtian, Zibibula Simayi. Impact of land use change on ecosystem service value in Ebinur Lake Basin, Xinjiang[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(2): 260－269. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.02.033 http://www.tcsae.org