開孔河流域土地利用/覆被變化的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化

古麗米熱·艾爾肯，帕茹克·吾斯曼江，阿依吐爾遜·沙木西

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 管理學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值的定量評估涉及生態(tài)學(xué)、生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)、環(huán)境科學(xué)以及土地管理科學(xué)等多個研究領(lǐng)域，自1970年以來逐漸成為國內(nèi)外可持續(xù)發(fā)展研究的核心問題之一[1]。土地利用/覆被變化通過改變生態(tài)系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)，對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值的變化起關(guān)鍵作用[2]。因此，在研究土地利用/覆被變化的基礎(chǔ)上進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的估算對研究區(qū)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和恢復(fù)工作具有重要意義[3]。1997年Costanza等[4]提出了生態(tài)學(xué)與經(jīng)濟(jì)學(xué)相結(jié)合的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值估算模型，使很多國內(nèi)外學(xué)者受到啟發(fā)，積累了大量的研究成果[5-8]。Seidl等[9]根據(jù)Costanza模型計算出巴西熱帶季節(jié)性濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的年價值。謝高地等[10]在Costanza等的研究基礎(chǔ)上提出了中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值當(dāng)量表，并被廣泛應(yīng)用[11-13]。吳海珍等[14]利用謝高地等的研究方法估算了內(nèi)蒙古多倫縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值。彭文甫等[15]評估了四川省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值。劉川等[16]評估分析了新疆土地利用/覆被變化與生態(tài)服務(wù)價值之間的關(guān)系。

鑒于以上研究，本文針對地處中國新疆的開都河-孔雀河流域(簡稱開孔河流域)1990～2015年的土地利用類型變化情況，參考謝高地等[10]的研究方法，通過修正生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)估算分析該流域25年內(nèi)生態(tài)服務(wù)功能價值的變化，以期為保護(hù)、改善和恢復(fù)開孔河流域生態(tài)環(huán)境的各項研究和政策提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

開都河-孔雀河流域(開孔河流域)位于新疆維吾爾自治區(qū)巴音郭楞蒙古自治州，東經(jīng)83°50′31″～87°3′14″，北緯40°14′18″～43°45′34″(圖1)，總面積4444089.18 hm2，主要特征是：干旱少雨、蒸發(fā)量大，日照長。開都河發(fā)源于天山南坡和靜縣境內(nèi)天山支脈薩阿爾明山，流經(jīng)焉耆縣最終流入博湖縣的博斯騰湖；孔雀河橫穿庫爾勒市，流經(jīng)尉犁縣，最終流入若羌縣羅布泊，是“四源一干”中的一支。然而在人口不斷增長和研究區(qū)本身脆弱的生態(tài)環(huán)境條件下，土地資源和水資源的不合理利用等行為引起了水土流失、土壤鹽漬化、沙漠化等一系列嚴(yán)重生態(tài)環(huán)境問題[17]。因此，研究分析開孔河流域不同時期土地利用數(shù)量變化及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化，可以為恢復(fù)、改善流域生態(tài)環(huán)境提供參考意見和政策建議，為開孔河流域生態(tài)環(huán)境可持續(xù)利用提供理論依據(jù)。

圖1 研究區(qū)位置示意圖

2 數(shù)據(jù)來源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文以開孔河流域1990、2000、2010和2015年4期Landsat TM影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，參考《中國資源環(huán)境遙感宏觀調(diào)查與動態(tài)研究》土地分類系統(tǒng)，利用ENVI 4.5軟件鑲嵌、剪裁、輻射定標(biāo)及大氣校正等功能對影像數(shù)據(jù)作預(yù)處理工作，再利用最大似然法對土地利用與覆被類型進(jìn)行了分類，精度總體介于85.13%～90.22%，Kappa系數(shù)在0.857以上，最后運(yùn)用ArcGIS 10.2和Excel 2007軟件對解譯的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。研究區(qū)社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于1990～2015年《新疆統(tǒng)計年鑒》。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用動態(tài)度變化 利用開孔河流域1990～2015年4期土地利用分類數(shù)據(jù)，計算出研究期范圍(T)內(nèi)，某一土地利用類型面積從研究初期(Ua)到研究期末期(Ub)的變化速度[18]。公式為：

(1)

2.2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值估算 本文在Costanza等劃分的生態(tài)系統(tǒng)類型中選取了最常用的9個生態(tài)服務(wù)功能[11]，根據(jù)相關(guān)學(xué)者針對新疆生態(tài)服務(wù)價值系數(shù)修正的研究成果，參考中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值當(dāng)量表，對研究區(qū)內(nèi)和靜縣、和碩縣、焉耆回族自治縣、博湖縣、庫爾勒市、尉犁縣的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況進(jìn)行分析，得出6個縣市的糧食年平均產(chǎn)量分別為9302、8643、7990、9284、4076、6193 kg/(hm2·a)，選取其平均值作為整個研究區(qū)的糧食平均產(chǎn)量(Q)，為7581.33 kg/(hm2·a)。再求出2015年6個縣市糧食平均收購價格(P)為2.44元/kg，計算出研究區(qū)一個當(dāng)量因子的價格為2642.636元/hm2，得出研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)表(表1)。計算公式如下[19-21]：

(2)

具體的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能計算模型如下：

(3)

(4)

(5)

式中：ESV代表生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(元/年)；k代表土地利用類型；f代表生態(tài)服務(wù)功能種類(元/年)；A指土地利用類型的分布面積(hm2)。

2.2.3 敏感性分析 為了驗證以上研究方法是否適合開孔河流域現(xiàn)狀，本文應(yīng)用敏感性指數(shù)概念來計算價值系數(shù)的敏感性指數(shù)[22-24]。敏感性指數(shù)(CS)是指因變量與自變量變化的百分比的比值。當(dāng)CS<1時，表明生態(tài)系統(tǒng)價值是缺乏彈性的、敏感的。計算公式為：

(6)

式中：ESV代表初始生態(tài)價值；ESV′代表系數(shù)調(diào)整后的生態(tài)價值；VC為調(diào)整前系數(shù)，VC′為調(diào)整后ESV系數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 開孔河流域面積變化分析

根據(jù)1990～2015年4期影像解譯數(shù)據(jù)識別出耕地、草地、林地、建設(shè)用地、草本濕地、水域、鹽堿化地、沙漠、未利用地9種土地利用類型(圖1)。25年期間，研究區(qū)各土地利用類型中，耕地、草本濕地、沙漠和建設(shè)用地面積分別增加了269438.94、16072.23、1575.37、23811.78 hm2；草地、林地、水域、未利用地及鹽堿化地面積分別減少了116024.4、125394.15、14767.16、50715.11、3997.49 hm2。

在研究時間段內(nèi)，由于開孔河流域城市化進(jìn)程的加快及人口的不斷增長，對耕地和建設(shè)用地的需求不斷增加，大面積開荒種植等原因造成耕地和建設(shè)用地面積顯著增加，1990～2000年期間耕地面積增加了146364.95 hm2，而建設(shè)用地面積增加了11203.28 hm2，動態(tài)率分別為8.57%和3.79%。從土地利用數(shù)量變化分析結(jié)果可知(表2)，研究區(qū)面積最大的土地利用類型為草地，2015年占研究區(qū)總面積的59.18%，研究期內(nèi)持續(xù)減少，從1990年的162750.84 hm2減少到2015年的432189.78 hm2，減少了116024.4 hm2，年動態(tài)度為-0.17%；其次為未利用地，2015年占研究區(qū)總面積的16.44%，在1990～2000年間未利用地面積增加了384.79 hm2，但在2000～2015年期間其面積呈持續(xù)減少的狀態(tài)，年動態(tài)度為-0.26%；林地面積在1990～2010年20年期間減少了131406.49 hm2，直到2015年林地面積增加了6012.34 hm2，年動態(tài)度為-1.12%；耕地面積在整個研究期內(nèi)持續(xù)增加，1990～2000年期間最為明顯，面積比例從4.00%上升到了7.00%，年動態(tài)度為6.62%；草本濕地面積雖在1990～2000年首個10年期間下降了5993.37 hm2，但在2001～2015年后15年面積呈持續(xù)上升趨勢，年動態(tài)度為0.46%；水域面積在整個研究期內(nèi)減少了14767.16 hm2，經(jīng)歷了先增后減再增3個階段，2000～2010年期間下降了30175.69 hm2，年動態(tài)度為-0.50%；沙漠面積在1990～2000年期間增加了1584.83 hm2，之后到2010年減少了9.46 hm2，2010～2015年間其面積沒有再發(fā)生變化。整個研究期內(nèi)，人口的增加和城市的擴(kuò)張導(dǎo)致對土地的需求日益增加，林地、草地、未利用地等面積減少，農(nóng)田、建筑用地面積大幅度上升。開孔河流域土地利用景觀格局的顯著變化，反映了人類活動強(qiáng)度的增加對生態(tài)環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)功能的影響。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值變化分析

本文根據(jù)研究區(qū)土地利用變化情況表(表2)和單位面積生態(tài)服務(wù)價值系數(shù)表(表1)，結(jié)合生態(tài)服務(wù)功能價值計算公式(3)、公式(4)、公式(5)，計算出開都河-孔雀河流域各土地利用類型的生態(tài)服務(wù)功能價值和變化率(表3)。

表2 1990～2015年間開孔河流域土地利用變化及動態(tài)度情況

表3 開孔河流域1990、2000、2010及2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值

從總體上來看，開孔河流域25年間的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值呈下降狀態(tài)，1990～2015年共下降了36.41億元。研究期內(nèi)，耕地和草本濕地的生態(tài)服務(wù)價值增長量最高，分別為49.20億元和28.12億元；耕地生態(tài)服務(wù)價值隨著耕地面積的增加而增加，從1990年的29.72億元增長到2015年的78.92億元，年變化率為6.62%。草本濕地在研究期內(nèi)的生態(tài)服務(wù)總價值增長情況雖然比較顯著，但是在1990～2000年期間其生態(tài)服務(wù)價值減少了9.93億元，年變化率為0.48%；建設(shè)用地研究期間增長量為0.05億元，年變化率為2.86%；沙漠的生態(tài)服務(wù)價值僅次于建設(shè)用地，整個研究期間增長了0.01億元，年變化率為2.86%，相對來說其生態(tài)服務(wù)價值貢獻(xiàn)率較少。

圖2 開孔河流域1990～2015年間土地利用變化

1990～2015年，開孔河流域草地、林地、水域、鹽堿化地及未利用地的生態(tài)服務(wù)價值增長量呈下降狀態(tài)，林地、草地和水域下降最為顯著，其次為鹽堿化地和未利用地。林地的生態(tài)服務(wù)價值減少的最多，從1990年的238.51億元下降到2015年的166.10億元，共減少了72.41億元；草地的生態(tài)服務(wù)價值在研究期間持續(xù)下降，1990～2000年減少了15.51億元，2000～2010年減少了4.25億元，2010～2015年減少了2.44億元；水域的生態(tài)服務(wù)價值在整個研究期間呈先增后減再增的趨勢，2000～2015年減少了37.29億元；其次，生態(tài)服務(wù)價值增長量下降的土地利用類型有鹽堿化地和未利用地，研究期間分別減少了0.08億元和0.87億元。

通過1990～2015年4個研究期各土地利用類型生態(tài)服務(wù)功能價值的變化情況可以分析出，各土地利用類型生態(tài)服務(wù)價值貢獻(xiàn)大小從高到低依次為：草地>草本濕地>林地>水域>耕地>未利用地>沙漠>建設(shè)用地>鹽堿化地。土地利用類型生態(tài)服務(wù)價值的大小，與其面積的大小密切相關(guān)，土地面積持續(xù)呈增加狀態(tài)的土地利用類型，其生態(tài)服務(wù)價值也會隨之增加。研究期間，生態(tài)服務(wù)價值貢獻(xiàn)率較高的土地利用類型如林地、草地及水域的面積和生態(tài)服務(wù)價值都在逐年下降，因此，建議研究區(qū)合理利用土地資源、水資源，防止沙漠面積的擴(kuò)大。

3.3 敏感性分析

根據(jù)流域?qū)嶋H情況并參考相關(guān)文獻(xiàn)分析，將研究區(qū)生態(tài)價值系數(shù)分別上下調(diào)整50%，利用公式(6)計算出不同時期開都河-孔雀河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的敏感度指數(shù)(表4)。

表4 1990～2015年開孔河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值敏感性指數(shù)變化

計算結(jié)果表明，開孔河流域在4個不同時期的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的敏感性指數(shù)均小于1，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值對其價值系數(shù)缺乏彈性，本研究結(jié)果可信。1990～2015年期間，耕地和濕地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值敏感性指數(shù)呈增長趨勢；由于鹽堿化地、沙漠和未利用地單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值上下調(diào)整50%后敏感性指數(shù)非常小，故在此暫定為0；草地在整個研究期間的敏感性指數(shù)最大且穩(wěn)定不變，為0.44，說明草地在研究期內(nèi)單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值增加1%，總價值增加0.44%；由此得出，敏感性指數(shù)對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能總價值有一定影響。

4 結(jié)論與討論

(1)開孔河流域在25年間土地利用變化趨勢為耕地、草本濕地、沙漠和建設(shè)用地面積增加，草地、林地、水域、未利用地及鹽堿化地面積減少；其中耕地面積的增加最為顯著，增加了269438.94 hm2，動態(tài)度為6.62%；相對于其他土地利用類型，草地和林地面積減少較多，林地減少了125394.15 hm2，草地減少了116024.40 hm2，動態(tài)度分別為-1.21%和-0.17%。

(2)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值分析結(jié)果表明：1990～2015年，開孔河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值整體上呈減少趨勢，共減少了36.41億元，表明土地利用/覆被的變化導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能退化，林地、草地、水域、鹽堿化地及未利用地的生態(tài)服務(wù)價值明顯下降；各土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值從高到低依次為：草地>草本濕地>林地>水域>耕地>未利用地>沙漠>建設(shè)用地>鹽堿化地，草地、林地和草本濕地是開孔河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值的主要構(gòu)成部分，草地共提供了2044.17億元，林地和濕地分別提供了757.89億元及975.18億元。在研究期初，西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施帶動了大面積退林及退草開荒、引水灌溉等行為，在為研究區(qū)實現(xiàn)城鎮(zhèn)化發(fā)展和經(jīng)濟(jì)增長的同時，導(dǎo)致流域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值顯著下降，而在研究期中后階段，隨著環(huán)境保護(hù)意識的樹立、水土資源利用方面監(jiān)管要求的不斷加強(qiáng)和生態(tài)保護(hù)紅線等環(huán)保政策的出臺，使相關(guān)部門積極開展退耕還林、退草還林、嚴(yán)厲打擊非法開荒、引水及非法放牧等工作，影響了開孔河流域各土地利用類型的變化速度，也在一定程度上控制了草地、林地、草本濕地等對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值貢獻(xiàn)較大的土地利用類型面積的下降。

(3)敏感性分析表明：研究時段內(nèi)，開孔河流域所有土地利用類型敏感性指數(shù)均小于1，各類土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化對總價值的影響較小，是缺乏彈性的，說明研究結(jié)果可信。2015年各土地利用類型中敏感性指數(shù)最大的土地利用類型為草地和耕地，分別為0.44和0.30。

開孔河流域集山脈、綠洲、河流、湖泊和沙漠等幾種復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)造，自然條件特殊，生態(tài)環(huán)境較為脆弱，人地關(guān)系矛盾突出，在人口不斷增長及研究區(qū)有限的自然資源和脆弱的生態(tài)環(huán)境背景下，耕地面積的快速擴(kuò)大，農(nóng)業(yè)用水大量擠占生態(tài)水量等各種人類活動的干擾導(dǎo)致該地區(qū)自然資源的退化，出現(xiàn)了一些不可修復(fù)的嚴(yán)重生態(tài)環(huán)境問題。因此，提出以下建議：首先，不斷加強(qiáng)對非法引水、開荒等違法行為的打擊；其次，控制和減少耕地灌溉水量，實現(xiàn)退耕還林、還草；最后，宣傳和提倡環(huán)境保護(hù)的重要性、緊迫性，全面提升居民環(huán)保意識，合理配置流域的水資源和土地資源，實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境的和諧發(fā)展。