近30年烏倫古河流域土地利用與生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化研究

薛嵩嵩, 高 凡, 何 兵, 閆正龍

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學 水利與土木工程學院, 新疆 烏魯木齊 830052; 2.西安理工大學省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室, 陜西 西安 710048; 3.陜西測繪地理信息局, 陜西 西安 710054)

土地利用/覆被變化(land use and land cover change， LUCC)是影響全球環(huán)境和氣候變化的主要驅動力[1-2]，土地利用模式的變化直接或間接影響生態(tài)系統(tǒng)組成及結構，進而導致生態(tài)系統(tǒng)服務的改變[3-4]。生態(tài)系統(tǒng)服務是人類從自然系統(tǒng)中獲得的所有利益[5-6]，生態(tài)系統(tǒng)服務價值(ecosystem services value， ESV)則是將人類直接或間接獲得的利益轉化為貨幣形式，通過貨幣價值分析損益[7]。自20世紀九十年代以來，我國城鎮(zhèn)化進入快速發(fā)展階段，土地利用變化導致生態(tài)系統(tǒng)服務價值隨之發(fā)生顯著變化。探究土地利用變化與生態(tài)系統(tǒng)服務價值的變化對優(yōu)化土地利用格局，維系區(qū)域生態(tài)安全具有重要意義[8-9]。

目前，對生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估方法可以分為兩類，即功能價值法和當量因子法[10]。功能價值法計算繁瑣，計算參數(shù)較多，受主觀因素影響較大，而當量因子法操作簡單，評估全面，適性強，被廣泛應用[11]。1997年Costanza等[12]運用生態(tài)經(jīng)濟學方法評估了全球生態(tài)系統(tǒng)服務價值，提出各類生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)，隨后我國學者謝高地等[13]根據(jù)中國生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟發(fā)展，制定出“中國陸地生態(tài)系統(tǒng)價值服務當量表”。在此基礎上，我國學者在土地利用與生態(tài)系統(tǒng)服務價值實踐領域取得了一定應用成果。如吳楠(2019年)等[14]采用當量因子法對安徽省生態(tài)保護地進行生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估；李佳明(2019年)等[15]基于遙感技術分析了內蒙古自治區(qū)土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響；劉金勇(2013年)等[16]運用景觀生態(tài)學中數(shù)量結構方法分析了濟南市土地利用結構變化對生態(tài)服務價值的影響；王宗明(2004年)等[17]在對吉林省進行生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估時，引入經(jīng)濟學中的彈性系數(shù)計算價值系數(shù)的敏感性指數(shù)，確定生態(tài)系統(tǒng)服務價值隨時間的變化情況對生態(tài)價值系數(shù)的依賴程度。

烏倫古河流域是西北干旱區(qū)典型的生態(tài)脆弱區(qū)，伴隨流域經(jīng)濟社會發(fā)展，土地利用/覆被發(fā)生顯著變化，進而改變生態(tài)系統(tǒng)服務價值。為識別研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務對LUCC的響應，本文在前人研究基礎上，通過選取烏倫古河流域1989，1998，2006和2017年4期Landsat系列遙感影像，綜合利用RS，GIS，GPS等技術，采用空間數(shù)據(jù)處理、信息提取解譯、海量數(shù)據(jù)建庫、集成管理分析等方法[18-19]，監(jiān)測并分析研究區(qū)近30 a的LUCC時空動態(tài)演變特征，采用修正后的生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量因子，研究生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化，對促進流域水土資源優(yōu)化配置及生態(tài)文明建設具有直接指導意義。

1 研究區(qū)概況

烏倫古河流域地處歐亞大陸腹地，發(fā)源于阿勒泰山東段南麓，位于東經(jīng)87°05′—90°45′，北緯46°10′—47°28′，主要包括恰庫爾圖鄉(xiāng)(上游)，杜熱鄉(xiāng)、喀拉瑪蓋鄉(xiāng)、齊干吉迭鄉(xiāng)(中游)，解特阿熱勒鄉(xiāng)、福?？h(下游)。流域面積為4.30×104km2(我國境內集水面積為2.76×104km2)，其中山區(qū)占總面積32%，丘陵河谷平原占22%，戈壁荒漠占46%。烏倫古河流域屬準噶爾干旱區(qū)，年降水量較少(多年平均降水量129.8 mm)且分布不均勻，蒸發(fā)量大(多年平均水面蒸發(fā)量867.2 mm)，空氣干燥，光照充足，氣溫日差較大，多年平均水資源量為9.87×108m3[20]。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

選取烏倫古河流域1989，1998，2006和2017年遙感影像為數(shù)據(jù)源。其中1989，1998和2006年采用Landsat TM影像，分辨率為30 m；2017年采用Landsat OLI影像，分辨率為30 m(表1)，以上影像數(shù)據(jù)均采用2000國家大地坐標系(CGCS2000)、高斯—克呂格投影、6°分帶。基礎影像數(shù)據(jù)源來自地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http：∥www.gscloud.cn/)及美國地質調查局網(wǎng)站(http：∥www.usgs.gov/)；烏倫古河流域1∶10萬地形圖來源于國家測繪地理信息局陜西測繪資料檔案館；社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來源于1990—2018年《新疆統(tǒng)計年鑒》。

表1 遙感數(shù)據(jù)列表

2.2 數(shù)據(jù)處理

采用ENVI 5.3軟件對影像數(shù)據(jù)進行輻射校正(輻射定標、大氣校正)、幾何校正、圖像鑲嵌、圖像裁剪等預處理操作；在ENVI 5.3及ArcGIS 10.5軟件支持下，參考《土地利用現(xiàn)狀分類(GB/T201010-2007)》標準，依據(jù)烏倫古河流域實際情況，采用人機交互目視解譯法將土地利用類型解譯為耕地、林地、草地、濕地、水體、建設用地和未利用地7種地類；基于ENVI 5.3軟件精度評價模塊，通過隨機抽取200個樣點，分別對1989，1998，2006和2017年4期遙感解譯數(shù)據(jù)進行精度評價，得到總分類精度分別為88.63%，85.24%，87.65%和89.95%，Kappa指數(shù)分別為0.85，0.82，0.84和0.86，滿足應用精度要求(精度要求80%以上)?；诖?，以ArcGIS 10.5為數(shù)據(jù)處理平臺，制作4期研究區(qū)LUCC專題圖。

2.3 研究方法

2.3.1 土地利用轉移矩陣 土地利用轉移矩陣是將不同土地利用類型轉移面積用矩陣的形式表示出來的一種工具，既能表示某種土地利用類型存儲量，也能表示其流動量[21]。限于篇幅關系，具體計算步驟見參考文獻[22]。

2.3.2 土地利用綜合指數(shù)和土地利用程度變化模型 土地利用綜合指數(shù)可反映人類活動對土地的開發(fā)程度[23]。本文采用劉紀遠等[24]對土地利用類型賦分結果，在此基礎上，結合研究區(qū)特征，對研究區(qū)土地利用類型進行賦值(表2)，模型表達式為[25]：

(1)

式中：La——利用綜合指數(shù)；Ai——研究區(qū)內第i級土地利用程度分級指數(shù)；Ci——研究區(qū)內第i級土地利用程度分級面積百分比；n——土地利用程度分級數(shù)。

表2 研究區(qū)土地利用程度分級賦值

土地利用程度變化量和土地利用程度變化率模型表達式為[26]：

(2)

(3)

式中：Lb，La——b時間和a時間的區(qū)域土地利用程度綜合指數(shù)；Ai——研究區(qū)內第i級土地利用程度分級指數(shù)；Cib，Cia——研究區(qū)b時間和a時間第i級土地利用程度面積百分比； ΔLb-a——土地利用變化量，ΔLb-a為正值，表明該地區(qū)處于發(fā)展期，反之處于調整期或衰退期；R——土地利用程度變化率，R為正值說明該區(qū)土地利用處于發(fā)展階段，R為負值表示該區(qū)處于調整期或衰退期。

2.3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務價值 謝高地等[27]在Costanza提出的生態(tài)系統(tǒng)評價模型基礎上，根據(jù)中國生態(tài)系統(tǒng)和社會發(fā)展經(jīng)濟情況，制定出中國陸地生態(tài)系統(tǒng)價值服務當量表，并于2015年對當量因子進行修訂。本文參考修訂后的“中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量表”為研究區(qū)土地利用類型各項生態(tài)系統(tǒng)服務進行價值當量賦值(表3)，并通過下列公式計算研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值：

(4)

(5)

式中：i——土地利用類型；j——生態(tài)系統(tǒng)服務類型； VCi——第i類土地利用類型單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值〔元/(km2·a)〕； ECj——某類土地利用類型第j項生態(tài)系統(tǒng)服務的價值當量； ESV——生態(tài)系統(tǒng)服務價值(元/a)；Ai——第i類土地利用類型的面積(km2)；Ea——1標準單位生態(tài)系統(tǒng)服務的經(jīng)濟價值〔元/(km2·a)〕。

為了精確1個標準單位生態(tài)系統(tǒng)服務的經(jīng)濟價值，本文對其數(shù)值進行修正，修正公式如下：

(6)

式中：Ea——修正后1單位生態(tài)系統(tǒng)服務的經(jīng)濟價值；P——阿勒泰地區(qū)糧食平均價格(元/kg)；n——年份；Q——研究區(qū)平均糧食產(chǎn)量(kg/km2)。阿勒泰地區(qū)1989—2017年平均糧食產(chǎn)量為4861.99 kg/(km2)；2017年阿勒泰地區(qū)糧食平均糧食價格為2.41元/kg[28]；1個標準單位生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量定義1 km2農(nóng)田每年平均糧食產(chǎn)量經(jīng)濟價值的1/7[29]。計算得研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務經(jīng)濟價值當量因子1 673.92 元/(km2·a)。

表3 研究區(qū)單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量

注：研究區(qū)農(nóng)田多為旱地，林地多為落葉闊葉林，故耕地取旱地值，林地取闊葉林值，草地取灌草叢和草甸的平均值。本文僅考慮自然生態(tài)系統(tǒng)服務價值，故不將建設用地納入其中。

3 結果與分析

3.1 研究區(qū)1989-2017年LUCC變化特征

3.1.1 土地利用類型面積變化 通過對1989—2017年烏倫古河流域4期遙感影像進行解譯，可以得到了不同時期土地利用/覆蓋類型面積統(tǒng)計結果(表4，附圖5)。

由表4可以看出，1989—2017年，烏倫古河流域各土地利用類型面積均發(fā)生不同程度的變化，具體表現(xiàn)為： ①耕地面積呈持續(xù)增加擴張趨勢，由1989年的1 030.61 km2(占比12.67%)增加至2017年的1 898.22 km2(占比23.28%)，增加了867.61 km2，增幅達84.18%； ②建設用地呈持續(xù)增加擴張趨勢，由1989年的7.09 km2(占比0.09%)增加至2017年的20.72 km2(占比0.25%)，增加了13.63 km2，增幅為192.2%； ③水體和濕地面積呈微增加趨勢，分別由1989年的1 108.98 km2(占比13.63%)，72 km2(占比0.89%)增加至2017年的1 225.01 km2(占比15.05%)，84.01 km2(占比1.02%)，分別增加了117.03和12.01 km2，增幅為10.55%，16.68%； ④未利用地是烏倫古河流域的主要土地利用類型(占比60%以上)，近30 a由于開荒行為其面積呈顯著減少趨勢，由1989年的5 376.78 km2(占比66.1%)減少至2017年的4 511.69 km2(占比55.47%)，減少了865.09 km2，減少幅度達16.1%； ⑤林地面積呈波動增加趨勢，其中，1989—1998年、2006—2017年呈增加趨勢，分別增加了22.53 km2，26.53 km2，增幅為20.1%，26.88%，1998—2006年為減少狀態(tài)，減少量為35.79 km2，減少幅度為26.61%。 ⑥草地面積在1989—2006年呈減少趨勢，減少了128.49 km2，減少幅度為30.14%，2006—2017年呈微弱增加趨勢，增加了15.44 km2，增加幅度為5.6%。

表4 研究區(qū)1989-2017年土地利用/覆蓋類型面積變化

3.1.2 土地利用類型轉移特征 利用ArcGIS 10.5軟件對1989和2017年兩期LUCC分類結果進行統(tǒng)計分析，得到1989—2017年研究區(qū)土地利用類型轉移矩陣(表5，圖1)，對1989，1998，2006，2017年4期遙感影像的各土地利用類型進行重心計算，得到研究區(qū)各土地利用類型空間重心分布圖(圖2)。由圖1可以看出，近30 a內研究區(qū)各土地利用類型均發(fā)生了相互轉換以及空間轉移。具體表現(xiàn)為： ①耕地面積凈增加847 km2，轉入面積898 km2，其中由未利用地轉入697 km2(貢獻率85.6%)，主要發(fā)生在人口密集的鄉(xiāng)鎮(zhèn)及農(nóng)場，轉出面積51 km2，主要在下游吉力湖附近向濕地轉換17 km2，在烏倫古河河岸兩側以及188團向草地轉化11 km2； ②建設用地基數(shù)小，轉化明顯，幾乎沒有轉出，面積凈增加13 km2，其中耕地向建設用地轉入8 km2(貢獻率40%)，主要發(fā)生在解特阿熱勒鄉(xiāng)、齊干吉迭鄉(xiāng)和喀拉瑪蓋鄉(xiāng)； ③水體有小幅度的面積轉化，凈面積增加103 km2，轉出29 km2，其中有13 km2呈散點式轉化為未利用地，轉入132 km2，其中由未利用地轉入85 km2(貢獻率64.3%)，草地轉入24 km2(貢獻率18.2%)； ④未利用地面積凈減少744 km2，轉出面積887 km2，轉入面積143 km2，其中，林地和草地分別向未利用地轉入60 km2，53 km2，主要分布在水體兩側； ⑤林地凈面積減少28 km2，轉出108 km2，轉入80 km2，在福海縣和中游的杜熱鄉(xiāng)向耕地轉化20 km2，向草地轉化24 km2且呈點狀分布在河岸兩側； ⑥草地凈面積減少199 km2，轉出295 km2，轉入96 km2，其中，172 km2轉為耕地，53 km2轉為未利用地，主要集中在下游解特阿熱勒鄉(xiāng)、中游杜熱鄉(xiāng)以及種羊場，未利用地向草地轉化54 km2(貢獻率為19.56%)，主要分布在188團場以及各大農(nóng)場。 ⑦濕地凈面積增加8 km2，轉入47 km2，轉出39 km2，其中耕地向濕地轉入17 km2(貢獻率為36.17%)、草地向濕地轉入13 km2(貢獻率為27.65%)，向水體轉出15 km2，主要分布在烏倫古湖周邊。綜合而言，1989—2017年烏倫古河流域各土地利用/覆蓋類型轉入面積高低順序依次為：耕地>未利用地>水體>草地>林地>濕地>建設用地，各土地利用/覆蓋類型轉出面積高低順序依次為：未利用地>草地>林地>耕地>濕地>水體>建設用地。

綜上分析可知，各土地利用類型重心在空間上均發(fā)生轉移。耕地重心整體向西南方向偏移，1989—1998年偏移量最大，說明期間當?shù)剞r(nóng)民對東南方向的開發(fā)嚴重；建設用地重心整體向西北轉移，但其移動距離不大，隨著中部地區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設達到飽和，向西北遷移是必然趨勢；水體重心整體向東偏移，其中1998—2006年偏移量最大；隨著東南方向未利用地的開發(fā)，其面積逐漸減少，重心向西北方向偏移；由于1998—2006年，人類活動對中北部地區(qū)林地影響較大，使得其重心整體向東南方向偏移；草地重心在近30 a間分別向“西—東—西”偏移，隨著退耕還草和人工草場的進一步開展，重心向西偏移是必然趨勢；濕地重心整體變化不大，呈微弱趨勢向西部偏移，其偏移發(fā)生在烏倫古湖附近。

圖1 研究區(qū)1989-2017年土地利用類型轉化關系

注：圖中：1代表耕地； 2代表林地； 3代表草地； 5代表濕地； 6代表水體； 8代表建設用地； 9代表未利用地。其中，12表示耕地轉向林地，21表示林地轉向耕地，其他數(shù)字類型類同。

圖2 研究區(qū)1989-2017年土地利用重心轉移圖

3.1.3 研究區(qū)土地利用綜合程度及變化 經(jīng)計算，研究區(qū)1989，1998，2006，2017土地利用程度綜合指數(shù)分別為146.75，151.49，159.45和168.29，由于其中1級地類(未利用地)面積減少，2級地類(林地、草地、水體、濕地)、3級地類(耕地)面積增加，土地利用綜合指數(shù)逐年增加，但綜合指數(shù)變化率增加幅度逐年遞減，研究區(qū)4個時間點的綜合指數(shù)變化率和變化量均大于0，表明研究區(qū)土地資源總體處于高強度發(fā)展期(表6)。

表5 研究區(qū)1989-2017年土地利用類型轉移矩陣 km2

注：凈變化量=總獲得量—總失去量；行表示k時刻各種土地利用類型，列表示k+1時刻的各種土地利用類型，表中第i行第j列數(shù)據(jù)表示k時刻的i種土地利用類型轉化為k+1時刻j種土地利用類型的面積；當i=j時，該數(shù)據(jù)表示未轉化面積。

表6 研究區(qū)1989-2017年土地利用程度綜合指數(shù)及變化

3.2 研究區(qū)1989-2017年生態(tài)系統(tǒng)服務價值及變化

經(jīng)計算，得1989—2017年烏倫古河流域不同土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務價值(表7)。

表7 研究區(qū)1989-2017年不同土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務價值及變化

可以看出，1989，1998，2006，2017年研究區(qū)總ESV分別為2.635，2.819，2.857和2.915億元，呈增加趨勢，總ESV凈增加0.28億元。1989—2017年各地類ESV變化特征為：耕地和水體ESV持續(xù)增加，其中耕地變化劇烈，價值變化率45.67%；林地ESV總體增加0.005億元，其中2006—2017年增加幅度最大，達29.7%；草地ESV 1989—2006年持續(xù)減少，2006—2017年增加，價值變化率-47.37%，ESV凈減少0.36億元；濕地ESV在1989—2006年增加，2006—2017年減少；未利用地ESV持續(xù)減少，凈減少0.003億元?？傮w看，耕地、林地、濕地、水體面積增加所造成的ESV增加量大于草地和未利用地面積減少造成的ESV減少量，總生態(tài)系統(tǒng)服務價值增加。

4 結 論

(1) 近30 a烏倫古河流域各土地利用類型面積均發(fā)生不同程度的變化。耕地和建設用地面積呈持續(xù)增加擴張趨勢，分別增加了867.61和13.63 km2；水體和濕地面積呈微增加趨勢，分別增加了116.03和12.01 km2；未利用地呈顯著減少趨勢，面積減少865.09 km2；林地面積呈波動增加趨勢，增加了13.27 km2；草地面積1989—2006年呈減少趨勢，減少了128.49 km2，2006—2017年呈微弱增加趨勢，增加了15.44 km2。

(2) 近30 a烏倫古河流域各土地利用類型均發(fā)生不同數(shù)量的相互轉化，重心均發(fā)生不同程度偏移，各年土地利用綜合指數(shù)逐年增加，綜合指數(shù)變化率增加幅度逐年遞減，土地資源總體處于高強度發(fā)展期。

(3) 烏倫古河流域1989，1998，2006，2017年總ESV分別為2.635，2.819，2.857和2.915億元，呈增加趨勢，1989—2017年總ESV凈增加0.28億元。耕地、林地、濕地、水體面積增加所造成的ESV增加量大于草地和未利用地面積減少造成的ESV減少量，生態(tài)系統(tǒng)服務總價值增加。