伊犁河流域土地利用/覆被變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響
——基于強(qiáng)度分析模型

王穎慧,丁建麗,*,李曉航,張鈞泳,馬國(guó)林

1 新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院智慧城市與環(huán)境建模自治區(qū)普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,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

隨著對(duì)全球變化的深入研究,人們發(fā)現(xiàn)土地利用/覆蓋變化(Land Use/Cover Change,LUCC)是影響全球環(huán)境變化的重要原因[1—2]。LUCC不僅影響氣候變化,還進(jìn)一步影響了區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(Ecosystem Service Value,ESV)的空間分布和景觀格局變化的生態(tài)過程[3—5]。ESV指人們從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的明顯或潛在的利益[6—7],其主要指標(biāo)包括供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)和文化服務(wù)[8—9]。目前,經(jīng)濟(jì)價(jià)值評(píng)估的使用主要遵循由Costanza等人[10]建立的ESV評(píng)估模型。根據(jù)我國(guó)實(shí)際情況,謝高地等[11—12]研究出了基于該模型的單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值表,并得到了廣泛應(yīng)用[13—14]。景觀格局通常指景觀空間結(jié)構(gòu)特征,可以反映潛在的人類活動(dòng)行為,已逐漸成為土地利用變化研究的主要分析手段之一[15]。目前,景觀格局的演變主要依靠景觀指數(shù)分析和空間統(tǒng)計(jì)特征方法[16—17],如何清晰地理解和衡量土地利用、景觀和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的模式和過程的變化強(qiáng)度,以及它們之間錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系,是一個(gè)亟待解決的問題。

強(qiáng)度分析是一種定量的數(shù)學(xué)理論框架,相較于其他常見的LUCC分析模型,強(qiáng)度分析可以系統(tǒng)地定量地分析土地利用動(dòng)態(tài)變化過程中的內(nèi)部轉(zhuǎn)換狀況[18—19],并檢驗(yàn)在時(shí)間間隔、地類和轉(zhuǎn)換水平上的強(qiáng)度變化[20]。Huang[21]等人第一次將強(qiáng)度分析方法應(yīng)用在中國(guó)的東南部九龍河流域,探究該地區(qū)的LUCC過程和模式。楊建新等[22]人對(duì)武漢市土地利用強(qiáng)度分析時(shí),使用了一種轉(zhuǎn)換模式交叉列聯(lián)表展示各地類轉(zhuǎn)換類型的穩(wěn)定性與系統(tǒng)性特征。但大部分使用強(qiáng)度分析的LUCC分析中,同時(shí)考慮景觀格局與區(qū)域ESV之間相互影響關(guān)系的研究較少,因此,利用強(qiáng)度分析的優(yōu)勢(shì)彌補(bǔ)其他LUCC分析模型的不足,進(jìn)而深入挖掘其與景觀格局和ESV的響應(yīng)關(guān)系,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo),從景觀格局變化的角度理解當(dāng)今經(jīng)濟(jì)發(fā)展所造成的生態(tài)效益是研究熱點(diǎn)之一[23—24]。但是很少有研究分析土地利用變化的強(qiáng)度如何影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。因此,本研究在強(qiáng)度分析中引入改進(jìn)后的土地轉(zhuǎn)換模式交叉列聯(lián)表,研究伊犁河流域(中國(guó)部分)1980—2015年LUCC、景觀格局和ESV的變化情況；同時(shí),探究LUCC、景觀格局與ESV之間的關(guān)系。以期為伊犁河流域未來土地資源持續(xù)利用和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供理論和方法支持。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源1.1 研究區(qū)概況

伊犁河流域(中國(guó)區(qū)域)地處新疆西部的伊犁哈薩克自治州,位于東經(jīng)80°09′42″—84°56′50″,北緯42°14′16″—44°53′30″之間,流域面積57550.80km2。流域內(nèi)多種地貌類型并存,地勢(shì)東高西低,東窄西寬,形似朝西開口的喇叭狀,概括為“兩山夾一盆”,最高海拔5741m,最低海拔532m。受地貌影響,流域內(nèi)降水豐富,形成了西北干旱半干旱區(qū)獨(dú)特的“濕島”氣候。年平均氣溫在2.9—10.4℃左右,年平均降水量變化幅度在200—1000mm之間。由于流域整體較為濕潤(rùn),植被牧草發(fā)育良好,是我國(guó)畜牧基地的典型代表[25]。20世紀(jì)80年代以來,新疆伊犁河流域土地開發(fā)活動(dòng)趨于活躍,三北防護(hù)林工程的實(shí)施、28個(gè)自然保護(hù)區(qū)的成立,旅游業(yè)的發(fā)展等為流域帶來了巨大的生態(tài)效益。

1.2 數(shù)據(jù)來源

伊犁河流域1980、1990、1995、2000、2005、2010、2015年的土地利用數(shù)據(jù),均來自中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)。各年份生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值計(jì)算所用到的糧食產(chǎn)量、糧食價(jià)格等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來源于《伊犁統(tǒng)計(jì)年鑒》、《伊犁哈薩克自治州統(tǒng)計(jì)年鑒》、《全國(guó)農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編》?？紤]到建筑用地對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的正面效應(yīng)遠(yuǎn)小于負(fù)面效應(yīng),故本文不納入生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。

2 研究方法

2.1 強(qiáng)度分析

強(qiáng)度分析可以定量的表達(dá)不同時(shí)間內(nèi)各土地利用類型的變化強(qiáng)度,采用空間層次分析法,通過三個(gè)層次：時(shí)間間隔層次、地物類型層次、轉(zhuǎn)移層次進(jìn)行分析[26]。表1給出了本文使用強(qiáng)度分析所用到的數(shù)學(xué)符號(hào)及其含義。

表1 數(shù)學(xué)符號(hào)注釋Table 1 Mathematical notation

(1)時(shí)間間隔層次：探究每個(gè)時(shí)間段的年平均變化強(qiáng)度St與整個(gè)研究期內(nèi)的總變化強(qiáng)度U相比,變化速度的快慢。如果LUCC在研究期內(nèi)是絕對(duì)穩(wěn)定變化的,那么St=U；如果研究期內(nèi)LUCC變化是快速的,那么St>U；如果研究期內(nèi)LUCC變化是緩慢的,那么St

(1)

(2)

(2)地物類型層次：探究在某時(shí)間段內(nèi),某一土地利用類型的變化強(qiáng)度與年平均變化強(qiáng)度相比相對(duì)活躍還是平穩(wěn)。如果某時(shí)間段內(nèi)地類的增加或減少?gòu)?qiáng)度是絕對(duì)穩(wěn)定的,那么Lti=St或Gtj=St。如果某時(shí)間段內(nèi)地類的增加或減少?gòu)?qiáng)度是活躍的,那么Lti>St或Gtj>St；如果某時(shí)間段內(nèi)地類的增加或減少?gòu)?qiáng)度是平穩(wěn)的,那么Lti

(3)

(4)

(3)轉(zhuǎn)移層次：為了區(qū)分在某時(shí)間段內(nèi),不同土地利用類型之間的轉(zhuǎn)變是否強(qiáng)烈。當(dāng)?shù)仡恘的轉(zhuǎn)移強(qiáng)度Rtin>平均增加強(qiáng)度Wtn時(shí),說明n地類的增加可能來源于對(duì)i地類的占用,當(dāng)?shù)仡恘的轉(zhuǎn)移強(qiáng)度Rtin<平均增加強(qiáng)度Wtn時(shí),說明n地類的增加避免于對(duì)i地類的占用；當(dāng)轉(zhuǎn)移強(qiáng)度Qtmj>平均增加強(qiáng)度Vtm時(shí),說明地類m的減少可能轉(zhuǎn)變?yōu)閖地類,當(dāng)轉(zhuǎn)移強(qiáng)度Qtmj<平均增加強(qiáng)度Vtm時(shí),說明地類m的減少未轉(zhuǎn)變?yōu)閖地類。轉(zhuǎn)移層次的公式為：

(5)

(6)

(7)

(8)

在進(jìn)行轉(zhuǎn)換層次的強(qiáng)度分析時(shí),為了直觀的分析不同地類在較多的時(shí)間節(jié)點(diǎn)上的變化情況,本文在楊建新[22]等人的研究基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了面積增長(zhǎng)和面積減少兩種土地轉(zhuǎn)換模式交叉列聯(lián)表。如圖1所示,每一橫排①—⑤代表5個(gè)時(shí)間間隔,顏色代表地類j是否趨向于或避免于轉(zhuǎn)換為地類i,數(shù)值越大代表越穩(wěn)定地趨向于轉(zhuǎn)換為地類i,顏色也就越深,數(shù)值越小代表穩(wěn)定地避免于轉(zhuǎn)換為地類i,顏色也就越淺。橫向上填充相同的顏色說明研究期間j地類向i地類的轉(zhuǎn)換較穩(wěn)定；縱向上填充的顏色相同說明某時(shí)間間隔內(nèi)地類j向地類i的轉(zhuǎn)換較穩(wěn)定。

圖1 土地利用轉(zhuǎn)換模式交叉列聯(lián)表Fig.1 Cross ContingencyTable of Land Use Conversion Model

2.2 景觀指數(shù)選取

景觀格局指數(shù)的選擇要滿足可以代表景觀特征的不同方面、指數(shù)不具有冗余性和以其他相關(guān)研究的指數(shù)選擇作為參考三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)[27—28]。通過我們對(duì)研究的需求,為了全面反映流域景觀格局特征,分析整合了先前研究中選擇的指標(biāo),景觀水平上選取斑塊數(shù)量(NP)、平均斑塊面積(AREA_MN)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)、香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)、蔓延度(CONTAG)、聚集度指數(shù)(AI)；在景觀類型水平上選取斑塊密度(PD)、平均斑塊面積(AREA_MN)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、散布與并列指數(shù)(IJI)。以上指標(biāo)可以反應(yīng)景觀破碎度、形狀面積、多樣性、聚散性。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估

基于土地利用類型的分類結(jié)果,參照Costanza等的ESV評(píng)估方法[9]來計(jì)算伊犁河流域1980—2015年的ESV。此外,本文還采用了謝高地等[11,28]提出的生態(tài)系統(tǒng)系數(shù)修正方法：1個(gè)生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子的經(jīng)濟(jì)價(jià)值為單位面積糧食產(chǎn)量的1/7[11]。為消除不同年份農(nóng)作物價(jià)格波動(dòng)對(duì)總價(jià)值的影響,以新疆2015年3種主要農(nóng)作物(稻谷、小麥、玉米)的播種面積、產(chǎn)量和平均價(jià)格作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),由式(9)計(jì)算出伊犁河流域單位面積農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)糧食作物的經(jīng)濟(jì)價(jià)值為1728.01元/hm2,估算公式為：

(9)

其中,VC0為伊犁河流域單位面積生態(tài)服務(wù)當(dāng)量系數(shù)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,oi為第i種糧食作物面積(hm2)；pi為第i種糧食作物單產(chǎn)(kg/hm2)；qi為第i種糧食作物的平均價(jià)格(元/kg)；M為3種糧食作物總面積；測(cè)算得出伊犁河流域各景觀類型單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(表2)。

表2 伊犁州生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值/(元 hm-2 a-1)Table 2 Ecosystem services value unit area of Yili river basin

ESV計(jì)算公式為：

ESV=∑Ai×VCi

(10)

ESVf=∑Aif×VCif

(11)

其中,ESV代表區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值(元)；Ai代表第i種景觀類型的面積(hm2)；VCi代表第i種景觀類型的價(jià)值系數(shù)[(元hm-2a-1)]；ESVf代表單項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(元)；VCif代表單項(xiàng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)[(元hm-2a-1)]。

3 結(jié)果與分析

3.1 強(qiáng)度分析

3.1.1時(shí)間間隔水平上的強(qiáng)度分析

圖2 1980—2015年伊犁河流域時(shí)間間隔層次土地利用變化強(qiáng)度Fig.2 The intensity of land use change at the interval level in the Yili River Basin from 1980 to 2015

圖2中,左側(cè)區(qū)域表示在每個(gè)時(shí)間間隔上實(shí)際發(fā)生變化的地類面積占比情況,右側(cè)區(qū)域表示每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)地類的平均變化強(qiáng)度(St),即年均變化面積在總面積的占比情況。右側(cè)區(qū)域的虛線表示整個(gè)研究時(shí)間間隔內(nèi)的總變化強(qiáng)度(U)。由左側(cè)區(qū)域可以看出,伊犁河流域各土地利用類型在1980—2000年的變化面積占比較大,三個(gè)時(shí)間間隔的變化面積分別為22.6%、17.44%和19.61%,2000—2015年的三個(gè)時(shí)間間隔中,各土地利用類型的變化面積占比明顯減少,分別是1.55%、0.49%和1.23%；右側(cè)區(qū)域1980—2000年間三個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)的St呈增大趨勢(shì),都要大于U,說明變化是快速的。2000—2015年的三個(gè)時(shí)間間隔中,St都要小于U,表現(xiàn)為慢速變化。整體來看,35年來,伊犁河流域的St呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì)。

3.1.2地物類型層次的強(qiáng)度分析

圖3顯示了6個(gè)時(shí)間間隔的地物類型層次強(qiáng)度分析。在1980—2015年期間,研究區(qū)的地類變化較為復(fù)雜,圖3的0刻度線左側(cè)區(qū)域表示各地類的年均增加面積和減少面積,右側(cè)區(qū)域表示各地類的年均增加強(qiáng)度(Gtj)和減少?gòu)?qiáng)度(Lti),虛線表示對(duì)應(yīng)時(shí)間段內(nèi),各地類的平均變化強(qiáng)度(St)。可以看出,1980—2015年,草地的凈減少面積最大,耕地的凈增加面積是最大的,城鎮(zhèn)建設(shè)用地的變化最小,除了草地的面積減少外,其余地類的面積均有所增加。土地面積變化幅度較大的是耕地(增加了3.66%)、城鎮(zhèn)建設(shè)用地(增加了0.35%),林地變化最小(增加了0.07%)；草地雖然減少量較大,但其本身的基數(shù)大,面積占比依舊較穩(wěn)定。

年均變化強(qiáng)度以2000年為節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出了明顯的階段性,2000年以前,各地類的增減強(qiáng)度都較大,除了草地,其余地類的Gtj都非常活躍,Gtj前三位的地類是城鎮(zhèn)建設(shè)用地、林地和水域。2000年以后,各地類的活躍度相對(duì)降低,且Gtj明顯高于Lti,耕地和城鎮(zhèn)建設(shè)用地成為流域內(nèi)變化強(qiáng)度最活躍的地類,林地和未利用土地的Gtj和Lti趨于平穩(wěn),水域的Gtj活躍度增加?？傮w來看,耕地和城鎮(zhèn)建設(shè)用地的Gtj在6個(gè)時(shí)間段內(nèi)都大于St,最為活躍,草地的變化強(qiáng)度較平穩(wěn),Gtj始終小于St和Lti。土地利用類型由變化劇烈趨向于平衡狀態(tài),研究區(qū)城鎮(zhèn)建設(shè)的發(fā)展也從盲目逐步到理性發(fā)展過度。

3.1.3轉(zhuǎn)換層次的強(qiáng)度分析

圖4、圖5顯示的是轉(zhuǎn)入(地類面積增加)和轉(zhuǎn)出(地類面積減少)兩種模式的轉(zhuǎn)換層次交叉列聯(lián)表,伊犁河流域土地利用變化呈現(xiàn)出多種轉(zhuǎn)換模式。在整個(gè)研究期間,展現(xiàn)出穩(wěn)定地傾向性系統(tǒng)轉(zhuǎn)換模式的有：耕地-城鎮(zhèn)建設(shè)用地、草地-林地(1980—2000年)、草地-耕地(2000—2015年)、水域-未利用土地(1980—2000年)、水域-耕地(2000—2015年)、城鎮(zhèn)建設(shè)用地-耕地；展現(xiàn)出穩(wěn)定地避免性系統(tǒng)轉(zhuǎn)換模式的有：耕地-林地、林地-水域、草地-水域、水域-草地、城鎮(zhèn)建設(shè)用地-林地、城鎮(zhèn)建設(shè)用地-草地。

圖4 1980—2015年伊犁河流域轉(zhuǎn)移層次土地利用變化模式交叉列聯(lián)表—地類面積增加Fig.4 Cross-contingency table of land use change patterns at transfer levels in the Yili River Basin from 1980 to 2015—The area of land type increases

圖5 1980—2015年伊犁河流域轉(zhuǎn)移層次土地利用變化模式交叉列聯(lián)表—地類面積減少Fig.5 Cross-contingency table of land use change patterns at transfer levels in the Yili River Basin from 1980 to 2015 —The area of land type decreases

從轉(zhuǎn)換層次強(qiáng)度分析的結(jié)果中可以得到,水域面積的增長(zhǎng)很大一部分是對(duì)耕地和未利用土地的占用,但耕地和未利用地轉(zhuǎn)出為水域的強(qiáng)度卻在大部分時(shí)間間隔中表現(xiàn)出避免性,這表明耕地、未利用土地轉(zhuǎn)出為水域面積較大的原因主要是耕地和未利用土地的分布面積相對(duì)較大,并且二者與水域的空間分布格局關(guān)系較為密切,當(dāng)水域面積增加時(shí)從二者轉(zhuǎn)入的概率較大。

3.2 景觀格局時(shí)空演變分析

本文選取的景觀指數(shù)可以從破碎化、多樣性水平和聚散性三個(gè)方面來描述1980—2015年伊犁河流域的景觀異質(zhì)性特征。

3.2.1景觀水平分析

從圖6可以看出伊犁河流域斑塊數(shù)量(NP)在1980—2015年間呈先下降后上升趨勢(shì),平均斑塊面積(AREA_MN)趨勢(shì)與NP相反,蔓延度(CONTAG)和聚集度指數(shù)(AI)表征不同景觀類型的聚集狀態(tài),兩個(gè)指數(shù)都呈先上升后大幅下降趨勢(shì),說明流域內(nèi)景觀斑塊的聚集性減弱,破碎化程度加大。香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)和 香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)可以表征景觀的多樣性,將二者結(jié)合分析發(fā)現(xiàn)流域內(nèi)景觀多樣性在研究期內(nèi)有所增加,各景觀類型區(qū)域均衡化發(fā)展。

圖6 1980—2015年伊犁河流域景觀水平景觀指數(shù)變化Fig.6 Changes in the landscape index of the Yili River Basin from 1980 to 2015

3.2.2景觀類型水平分析

通過分析不同地類斑塊的景觀指數(shù)(圖7),斑塊密度(PD)和平均斑塊面積(AREA_MN)不僅反映景觀的異質(zhì)性,還與破碎度有一定的正相關(guān)性,伊犁河流域水域和林地的PD在1980—2000年間波動(dòng)較大,早期經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求較大,對(duì)水域和林地的破壞導(dǎo)致斑塊破碎化程度加大,后期隨著西天山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的建立和三北防護(hù)林等政策的實(shí)施,使得破碎化程度有所減緩。耕地的PD逐漸增加,景觀形狀指數(shù)(LSI)呈現(xiàn)先下降后上升趨勢(shì)。最大斑塊指數(shù)(LPI)顯示草地景觀在流域內(nèi)占有極大的優(yōu)勢(shì)度,由于人類活動(dòng)干擾度增加,城鎮(zhèn)化發(fā)展水平持續(xù)上升,對(duì)草地的開采程度加大,導(dǎo)致許多大斑塊的景觀被分割為小斑塊,LSI的上升趨勢(shì)說明了草地景觀的板塊外形逐漸復(fù)雜化。城鎮(zhèn)建設(shè)用地在1980—2000年間PD波動(dòng)較大,后期基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。1980—2015年,流域內(nèi)各景觀類型的散布與并列指數(shù)(IJI)都有增加趨勢(shì),說明各地類景觀與其周圍相臨近景觀類型的豐富度有所增加。

圖7 1980—2015年伊犁河流域景觀類型水平景觀指數(shù)變化Fig.7 Changes in the horizontal landscape index of landscape types in the Yili River Basin from 1980 to 2015

3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化分析

土地利用的變化也引起了伊犁河流域ESV的波動(dòng),總體ESV變化如表3所示。1980—2015年,流域內(nèi)總ESV呈先減少后增加的變化趨勢(shì),2005年后穩(wěn)定在998億元左右。1980—1990年流域內(nèi)水域過于活躍的減少?gòu)?qiáng)度和草地約1228km2的減少面積導(dǎo)致流域內(nèi)ESV大幅下降,1995—2000年ESV的快速回升除了耕地面積對(duì)草地和城鎮(zhèn)建設(shè)用地的占用外,更主要的是水域活躍的增加強(qiáng)度。水域由于其單位生態(tài)服務(wù)價(jià)值大,導(dǎo)致ESV占比較大,有效的補(bǔ)充了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的損失?？偟膩砜?流域ESV在2000—2015年的增長(zhǎng)值(1.72億元)大于1980—2000年的增長(zhǎng)值(-1.23億元)。

表3 1980—2015年伊犁河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值Table 3 Ecosystem service value of the Yili River Basin from 1980 to 2015

由表4可知,伊犁河流域單項(xiàng)ESV中,占前三位的是支持服務(wù)中的廢物處理、水文調(diào)節(jié)、保持土壤。1980—2015年,廢物處理、水文調(diào)節(jié)、食物生產(chǎn)、美學(xué)景觀、原材料生產(chǎn)的價(jià)值有所增長(zhǎng),分別增長(zhǎng)約3.38億元、2.76億元、2.17億元、0.86億元和0.30億元,其它單項(xiàng)ESV均呈減少趨勢(shì),土壤保持虧損的最多,約4.17億元,這與城鎮(zhèn)建設(shè)用地的擴(kuò)張有著直接的關(guān)系。所有單項(xiàng)ESV中,食物生產(chǎn)的增幅最大,達(dá)到7%,這與伊犁河流域的耕地面積增加有關(guān)。

表4 1980—2015年伊犁河流域單項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)功能價(jià)值Table 4 The functional value of a single ecosystem in the Yili River Basin from 1980 to 2015

3.4 土地利用變化強(qiáng)度與景觀指數(shù)、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值之間的關(guān)系

不同景觀指數(shù)與各一級(jí)分類的ESV的相關(guān)性如表5所示,可以看出,總ESV與NP、LSI、LPI、SHEI、SHDI呈正相關(guān),與AREA_MN、AI、CONTAG呈負(fù)相關(guān)。選擇與每個(gè)一級(jí)ESV高度相關(guān)的景觀指標(biāo)(P<0.01,P<0.05)以構(gòu)建多元回歸模型(表6),供給服務(wù)、支持服務(wù)、文化服務(wù)都與所選擇的景觀指標(biāo)顯著相關(guān),可以看出SHEI對(duì)供給服務(wù)和支持服務(wù)的影響要大于其他景觀指數(shù),文化服務(wù)與NP、LSI顯著正相關(guān),與AREA_MN、AI顯著負(fù)相關(guān),其中調(diào)節(jié)服務(wù)與各景觀指數(shù)相關(guān)性較強(qiáng),這意味著優(yōu)勢(shì)景觀斑塊面積的增加、形狀多樣、各斑塊聚集化發(fā)展會(huì)促使流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的增加,景觀斑塊數(shù)量的增加、分布越分散,即隨著破碎化的增加,使生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值逐漸減少。為了進(jìn)一步了解土地利用變化強(qiáng)度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值的直接影響,對(duì)伊犁河流域6個(gè)時(shí)間間隔的年均變化強(qiáng)度和7個(gè)年份的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行線性回歸分析(圖8),結(jié)果表明,土地利用變化強(qiáng)度與ESV之間存在較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系。

表5 景觀格局指數(shù)與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的相關(guān)性分析Table 5 Correlation analysis of landscape pattern index and ecosystem service value

表6 景觀格局指數(shù)與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的回歸分析Table 6 Regression analysis of landscape pattern index and ecosystem service value

圖8 土地利用變化強(qiáng)度與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的線性關(guān)系 Fig.8 Linear relationship between the intensity of land use change and the value of ecosystem services

4 討論

4.1 景觀格局時(shí)空演變分析

伊犁河流域1980—2015年林地、草地面積減少的原因一部分是耕地和城鎮(zhèn)建設(shè)用地的增加,過度放牧活動(dòng)占用了天然綠洲[26],另一方面是水資源的開發(fā)利用導(dǎo)致流域徑流減少,河道地下水位降低而引起了林草地的生態(tài)萎縮。1994年以來,國(guó)家和地方政府相繼出臺(tái)了一系列政策法規(guī),例如《基本農(nóng)田保護(hù)條例》,在一定程度上規(guī)范了農(nóng)田的退耕[29]。2000年以后 “國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)”“三北防護(hù)林”等生態(tài)工程的成立,在一定程度上保護(hù)了伊犁河流域的林地和水域資源,帶來了顯著的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[30]。

目前流域內(nèi)土地利用向著多樣化方向發(fā)展,通過強(qiáng)度分析,可以幫助研究人員深入的了解流域內(nèi)土地利用變化模式與過程,并且對(duì)那些表現(xiàn)出活躍和穩(wěn)定的關(guān)鍵變化模式給予更多關(guān)注[31]。此外,強(qiáng)度分析可以計(jì)算額外的指標(biāo)來分析未知或不精確的土地利用數(shù)據(jù)[32]。與那些僅通過傳統(tǒng)遙感方法分析沿海地區(qū)動(dòng)態(tài)的土地使用變化研究相比,強(qiáng)度分析可以提供更多的信息,像本文中使用了分辨率較小的土地利用類型數(shù)據(jù),強(qiáng)度分析模型的多層次分析就可以很好地彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)。

4.2 土地利用、景觀格局和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的相互關(guān)系

土地利用變化強(qiáng)度的程度導(dǎo)致的景觀格局的改變影響著生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng),導(dǎo)致流域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量的變化[33—34]。Ayinuer[35]等分析了艾比湖自然保護(hù)區(qū)的ESV與景觀格局的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)ESV與NP、PD和SHDI負(fù)相關(guān),與ED、SIDI、CONTAG呈正相關(guān)。岑曉騰[36]以杭州灣南岸為例,研究ESV與景觀格局的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)土地利用越豐富、景觀連通性和多樣性越高,對(duì)區(qū)域ESV有提升作用。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看,需要了解LUCC對(duì)景觀格局變化的影響并確定ESV,即了解景觀格局與ESV之間的相關(guān)性,由此可以將景觀格局的變化情況作為指導(dǎo)區(qū)域ESV的可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。在對(duì)多元回歸模型進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,探索了ESV與景觀指標(biāo)之間的關(guān)系,以量化景觀變化對(duì)ESV的影響(表6),結(jié)果表明,NP、AREA_MN、AI均與各一級(jí)ESV呈負(fù)相關(guān),景觀格局上的碎片化和分散性可能會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)[37]。

目前生態(tài)經(jīng)濟(jì)發(fā)展總體處于不協(xié)調(diào)水平,為了繼續(xù)提升伊犁河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,需對(duì)流域內(nèi)自然資源和人類活動(dòng)進(jìn)行科學(xué)合理的規(guī)劃管理[38]。開墾荒地、合理放牧,規(guī)整農(nóng)田和牧草地,以避免斑塊趨于破碎化；控制城鎮(zhèn)建設(shè)用地的擴(kuò)展；保護(hù)流域內(nèi)水資源,科學(xué)的進(jìn)行旅游景區(qū)和商業(yè)林用地的開發(fā),只有當(dāng)人類活動(dòng)與生態(tài)系統(tǒng)各項(xiàng)功能發(fā)生交集時(shí),才可以提升其價(jià)值,為人類提供服務(wù)[36]。

本研究從時(shí)間間隔層次、地類層次、轉(zhuǎn)移層次對(duì)土地利用變化指標(biāo)進(jìn)行整合,能夠客觀反應(yīng)地類間的轉(zhuǎn)換優(yōu)勢(shì)；基于當(dāng)量因子法對(duì)ESV進(jìn)行修正,通過相關(guān)分析和回歸分析法揭示伊犁河流域內(nèi)土地利用變化和景觀格局與ESV之間的相關(guān)程度。由于影像的分辨率可能會(huì)影響強(qiáng)度分析的結(jié)果或景觀格局、ESV的變化,因此需要根據(jù)Aldwaik等[39]提出的框架進(jìn)一步分析每個(gè)層次實(shí)際變化強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)變化強(qiáng)度的差異,用更精細(xì)的分辨率數(shù)據(jù)來分析景觀變化的研究。因?yàn)樯鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的異質(zhì)性,修正后的價(jià)值未必是最精確的,并且研究區(qū)ESV的變化也受其它自然和社會(huì)因素的影響,因此今后將會(huì)對(duì)其它驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行進(jìn)一步剖析研究。

5 結(jié)論

通過土地利用變化強(qiáng)度分析,系統(tǒng)性地遞進(jìn)式分析了1980—2015年間伊犁河流域土地利用變化過程與模式,較為清晰直觀地展示了不同層次上的土地利用類型變化。研究結(jié)果表明：

(1)伊犁河流域35年來土地利用變化強(qiáng)度先增強(qiáng)后逐漸減弱,其中耕地、水域和城鎮(zhèn)建設(shè)用地出穩(wěn)定性增長(zhǎng)的趨勢(shì)。在轉(zhuǎn)移層次強(qiáng)度分析方面,耕地向城鎮(zhèn)建設(shè)用地展現(xiàn)出穩(wěn)定地傾向性轉(zhuǎn)換模式,草地和水域、城鎮(zhèn)建設(shè)用地展現(xiàn)出穩(wěn)定地避免性轉(zhuǎn)換模式。

(2)流域內(nèi)土地利用變化導(dǎo)致景觀格局在研究期間斑塊聚集性減弱,破碎化加劇,景觀多樣性有所增加,各地類景觀均衡化發(fā)展。1980—2015年,伊犁河流域總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值增加了0.49億元,其中水域和林地是提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的主要地類,共占流域總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的47.94%。

(3)伊犁河流域優(yōu)勢(shì)景觀斑塊面積的增加、形狀多樣化、各斑塊聚集化發(fā)展會(huì)促使流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的增加,土地利用變化強(qiáng)度與ESV存在明顯的正相關(guān)關(guān)系。