李 哲, 張 飛,3,*,Hsiang-te Kung,張 月,井云清

1 新疆大學資源與環(huán)境科學學院, 烏魯木齊 830046 2 新疆大學綠洲生態(tài)教育部重點實驗室, 烏魯木齊 830046 3 新疆智慧城市與環(huán)境建模普通高校重點實驗室, 烏魯木齊 830046 4 美國孟菲斯大學地球科學系,田納西州 孟菲斯 38152

1998—2014年艾比湖濕地自然保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值及其時空變異

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

1 新疆大學資源與環(huán)境科學學院, 烏魯木齊 830046 2 新疆大學綠洲生態(tài)教育部重點實驗室, 烏魯木齊 830046 3 新疆智慧城市與環(huán)境建模普通高校重點實驗室, 烏魯木齊 830046 4 美國孟菲斯大學地球科學系,田納西州 孟菲斯 38152

濕地的生態(tài)系統(tǒng)服務價值是生態(tài)學研究的熱點之一。以艾比湖濕地自然保護區(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)服務價值公式進行生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估,結合空間自相關模型,定量探討了艾比湖濕地自然保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值時空分異特征。結果表明：(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)服務價值方面,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。(3)在生態(tài)系統(tǒng)服務的時空變異方面,研究區(qū)ESV空間正相關顯著,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)有增加向減少轉變的趨勢,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)服務價值時空變化的驅動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)服務價值時空變化的主要驅動因素。

生態(tài)系統(tǒng)服務價值；時空分異；空間自相關；艾比湖濕地自然保護區(qū)

實現(xiàn)人類可持續(xù)發(fā)展的基礎是維持和保護生態(tài)系統(tǒng)服務[1],生態(tài)系統(tǒng)是指通過生態(tài)系統(tǒng)的結構、過程和功能直接或間接得到的產品和服務[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],對其價值進行定量評估能夠合理配置環(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)服務功能[5]。但隨著工業(yè)化進程的加快和城市化的發(fā)展,濕地生態(tài)環(huán)境遭到嚴重破壞,國外眾多學者開始重視濕地生態(tài)服務功能的研究。如Turner等在2003年提出的濕地生態(tài)經濟分析的框架及空間分析方法,為濕地生態(tài)系統(tǒng)經濟價值的評估及在可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中的應用提供依據(jù)[6]；Mitsch等分析了不同尺度濕地生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值；Daubert等評價了水的娛樂價值[7]；Richard等全面總結了濕地生態(tài)系統(tǒng)服務功能的案例及價值評價方法[8]。此外,生態(tài)系統(tǒng)服務價值在流域[9]、單個生態(tài)系統(tǒng)以及物種[10]和生物多樣性保護[11]價值評估領域也開展了大量研究。21世紀初,濕地評價研究在全國各地展開,分別在鄱陽湖[12]、三洋[13]、黃河三角洲濕地[14]、南沙紅樹林[15]等地進行了濕地價值評價研究。但是國內的研究主要集中在全國尺度,省域和市域等宏觀尺度上,而針對縣域尺度,特別是西北干旱區(qū)縣域綠洲的研究報告較少[16]。

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

針對西北干旱區(qū)應用生態(tài)系統(tǒng)價值評估和空間統(tǒng)計相結合的方法解決環(huán)境問題是一個新的嘗試。多年來,處于生態(tài)脆弱區(qū)的艾比湖濕地自然保護區(qū)生態(tài)環(huán)境不斷惡化,因此本文以艾比湖自然保護區(qū)為靶區(qū),通過對艾比湖濕地自然保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值定量研究,對恢復和保護艾比湖濕地,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踐意義。

1 研究區(qū)概況

艾比湖濕地自然保護區(qū)位于新疆博爾塔拉蒙古自治州境內(44°30′—45°09′N,82°36′—83°50′E)根據(jù)博州林業(yè)局統(tǒng)計年鑒,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]。艾比湖濕地是我國沙漠風口湖泊濕地,湖水面和湖邊植物具有良好的防風固沙作用。在2007年4月被國務院批準為國家級濕地自然保護區(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,自然保護區(qū)內主要土地利用類型包括草地、林地、水域、沙地、鹽漬地等。保護區(qū)內設置兩個中心管護站,下設11個保護站,區(qū)內常住人口約400人,主要從事游牧活動,81%由哈薩克族構成。由于近代工農業(yè)生產活動頻繁,艾比湖急劇萎縮,湖面面積減小,直接威脅了流域內農牧業(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/),軌道號為146/29。在ENVI5.1軟件支持下完成了對遙感影像的幾何校正、輻射校正和影像增強等預處理,并對遙感影像進行裁剪獲取研究區(qū)范圍,采用監(jiān)督分類和目視解譯相結合的方法,將艾比湖濕地自然保護區(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年土地覆被分類結果?；诨煜仃嚪椒ㄟM行解譯精度評價,3期遙感影像解譯平均精度達到95%以上。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用變化動態(tài)指標

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區(qū)各土地利用類型的動態(tài)變化。凈變化速度表達區(qū)域一定時間內某一土地利用/覆被類型的數(shù)量的速度變化[21-22],模擬表達式為[20]：

(1)

式中，K為在研究區(qū)時段內某一土地利用類型的動態(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為研究的時間跨度,將T的時段設定為年時,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)服務價值評估方法

Costanza等[23]從科學角度明確了生態(tài)系統(tǒng)服務價值研究的意義和方法,但研究估算結果仍然存在較大偏差,如濕地的估計偏高,耕地的估計偏低等[24]。謝高地等[25]在Costanza的評價模型基礎上,依據(jù)我國實際情況,結合200位生態(tài)學家的問卷調查結果,得出不同陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務價值表(表1)。本文在前人研究基礎上,參考艾比湖流域的相關文獻[26],制定了艾比湖濕地自然保護區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務價值,具體計算模型如下[20]：

ESV=∑AK·VCk

(2)

ESVf=∑AK·VCk

(3)

式中,ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務價值；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)服務價值；ESVf為單項生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值；k為單項生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(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)服務價值

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)服務價值(ESV)隨時間變化對生態(tài)系統(tǒng)價值(VC)的依賴程度,以此為依據(jù)驗證所選生態(tài)價值系數(shù)是否適合本研究區(qū)。CS指VC變動1%引起ESV的變化狀況,CS>1,代表ESV對VC富有彈性,CS越大,VC的準確性越關鍵；CS<1,表明ESV對VC缺乏彈性。即使CS<1,VC的值過高或過低,都會一定程度上影響生態(tài)價值隨時間變化的準確性。本研究擬將各土地利用類型的生態(tài)價值系數(shù)分別上下調整50%來衡量ESV的變化情況。其計算公式如下[27]：

(4)

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

2.2.4 空間自相關分析

本文在利用生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估模型計算出各年的生態(tài)系統(tǒng)服務總價值基礎上,采用全局 Moran散點圖和空間聯(lián)系的局部指標(LISA)相結合的方法,進行空間自相關分析,計算公式參見[28,30],構建了生態(tài)系統(tǒng)服務價值空間關聯(lián)模式,得出了空間關聯(lián)模式的顯著性水平。

參考相關文獻[18],制作出詳細流程(圖2),分為A、B、C三部分。A為數(shù)據(jù)的預處理,包括利用Arcgis10.0對圖層進行重采樣,格網化,最終得到ESV格網數(shù)據(jù)；B為探索局部空間關聯(lián)模式,對空間權重矩陣進行計算得到Moran散點圖；C為計算Moran′s I指數(shù),并進行顯著性水平檢驗,反映空間關聯(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軟件計算空間權重矩陣,繪制Moran散點圖,計算局部Moran′s I指數(shù),并在顯著性p=0.01的情況下,利用99次置換方法對局部Moran′s I 指數(shù)進行顯著性檢驗。

3 結果與分析

3.1 土地利用/覆被變化過程分析

對比1998年、2006年、2014年3期的遙感圖像,通過統(tǒng)計得出1998—2014年近20 a 來艾比湖濕地自然保護區(qū)土地利用/覆被變化(表2)。結果表明,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區(qū)土地利用/覆被變化總體的趨勢是林草地、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,鹽堿地和沙漠的面積呈先減少后增加的趨勢。鹽堿地和沙漠面積增加的主要驅動因子是人口和GDP的增長,導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)增加是由于本世紀末,尤其是“九五”期間實施艾比湖流域植樹造林綜合治理方案,實現(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區(qū)土地利用/覆被類型面積變化

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值的動態(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)服務價值,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/覆被類型進行對照(表3)。參考不同陸地生態(tài)系統(tǒng)單位服務價值表(表1),對研究區(qū)1998—2014年間的生態(tài)價值的變化情況進行了估算(表4),在計算過程中,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/覆被類型相對應的生態(tài)系統(tǒng)類型及其生態(tài)價值系數(shù)

3.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務價值的時空變化

水體和濕地土地覆被類型的生態(tài)價值系數(shù)較高,這類用地的變化將極大地影響流域生態(tài)系統(tǒng)服務價值的變化。根據(jù)艾比湖濕地自然保護區(qū)不同土地利用/覆被類型的生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù),計算1998—2014年研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務價值及其變化(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區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值分別為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。從生態(tài)系統(tǒng)服務價值所占比例來看,水體和濕地所占比例最多,水體和濕地的生態(tài)系統(tǒng)服務價值是生態(tài)系統(tǒng)服務的主體。其中,ESV呈現(xiàn)持續(xù)增長的為林草地,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,年變化率達到-6.25%。2006—2014年期間,ESV增幅最大的是沙漠,年變化率達到41.67%,ESV減少幅度最大的是水體,年變化率達到-5.45%。總體來看,近20年流域的生態(tài)系統(tǒng)服務價值出現(xiàn)減少的趨勢,這與流域資源的過度開發(fā)利用密切相關。

為方便艾比湖濕地自然保護區(qū)各土地利用/覆被類型的ESV差異對比,本文利用Arcgis10.0繪制出研究區(qū)3個時期ESV的空間分異圖(圖3)。將艾比湖濕地自然保護區(qū)1998—2014年生態(tài)系統(tǒng)服務價值從低到高劃分為6個等級,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,水體和濕地的ESV一直保持在高值范圍內,水體周圍的其他土地覆被類型處于低值范圍。從時間的變化情況看,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。

表4 1998—2014年艾比湖濕地自然保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值

表5 1998—2014年艾比湖濕地自然保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化情況

圖3 艾比湖濕地自然保護區(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)單項服務價值的動態(tài)變化

根據(jù)公式(3)計算出各生態(tài)系統(tǒng)服務功能的價值(表6)。分析可知,水源涵養(yǎng)和廢物處理2項生態(tài)系統(tǒng)服務功能所占比例超過60%,食物生產和原材料所占比例小于1%,說明研究區(qū)服務性價值大于生產性價值；水體和濕地相對于其他類型的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、食物生產和娛樂文化的ESV先增加后減少,其余服務類型的ESV都有不同比例的增加。

3.3 敏感性分析

根據(jù)CS計算公式,本文把生態(tài)價值系數(shù)分別上下調整了50%,計算價值系數(shù)調整后的艾比湖濕地自然保護區(qū)1998年、2006年和2014年各土地利用/覆被類型的生態(tài)系統(tǒng)服價值,并估算敏感性指數(shù)(表7)。結果表明,研究區(qū)所有土地利用/覆被類型生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(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,即當沙漠生態(tài)價值系數(shù)(VC)增加1%,總價值無變化,最高值為0.57,即當水體生態(tài)價值系數(shù)(VC)增加1%,總價值增加0.57%；除了水體和濕地,其他的地類生態(tài)系統(tǒng)價值系數(shù)變化對研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務總價值的變化影響不大。敏感性分析表明,艾比湖濕地自然保護區(qū)的ESV對VC是缺乏彈性的,即使價值系數(shù)存在一定的不確定性,但是整個研究區(qū)的ESV計算仍然是穩(wěn)定的,證明研究結果是可信的。

表6 1998—2014年艾比湖濕地自然保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)各服務類型價值變化

表7 調整價值系數(shù)后總生態(tài)系統(tǒng)服務價值的變化及敏感性指數(shù)(1998—2014年)

3.4 ESV空間自相關分析

3.4.1 全局空間自相關

Moran散點圖用于研究區(qū)域空間的異質性[30],應用Geoda095i軟件進行全局空間自相關指標計算,獲得1998、2006和2014年的Moran散點圖(圖4)。

圖4 艾比湖濕地自然保護區(qū)3個時期ESV的Moran散點圖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)服務價值散點主要分布在一、二、三象限,生態(tài)系統(tǒng)服務價值具有空間正相關性；從沿趨勢線分布的散點情況看,1998年的自相關程度最強,Moran指數(shù)達到了0.76, 從2006—2014年自相關程度減弱；1998年,第一象限的點較為分散,說明在生態(tài)系統(tǒng)價值較高的區(qū)域各格網之間存在較大差別,2006年和2014年第一,二象限的點較為集中,表明在生態(tài)系統(tǒng)價值較高的區(qū)域和低高區(qū)域各格網間差異縮小。

為了檢驗Moran′s I是否顯著,在Geoda中采用蒙特卡羅模擬的方法檢驗(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是顯著的。

圖5 Moran′s I 檢驗圖Fig.5 Moran′s I test I代表統(tǒng)計值,E[I]代表理論平均值,mean代表平均值,sd代表標準差,z-value代表z值

3.4.2 局部空間自相關

聚集圖是對Moran散點圖中通過顯著性檢驗的區(qū)域單元的地理表達,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)服務價值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)有由增加向減少轉變的趨勢,低值聚集區(qū)(藍色)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年無顯著變化,而研究區(qū)幾乎沒有高低(紫色)聚集區(qū)。同時,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)出較強的空間相關性(P=0.05)：這些區(qū)域的ESV與鄰近地區(qū)的ESV呈正相關性。在水域和濕地區(qū)域達到了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,表現(xiàn)出很強的相關性。從時間上看,顯著水平(P=0.05)和較高顯著水平(P=0.01)的區(qū)域面積呈先增長后減少的趨勢。

3.5 ESV時空變化驅動力分析

3.5.1 自然因素

依據(jù)國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。其中2013年的年均氣溫最高,年均氣溫達到9.7℃,1993年的年均氣溫最低,年均氣溫達到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,氣溫的升高導致降水的相應減少,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50年代到70年代人口急劇增長,年均人口增長率高達19.9%,1981—1990年人口年均增長率為1.38%[32],人口的過快增長帶來需水量的增加,因此大量的人類活動,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。水域面積的萎縮導致裸露湖床的增加,也致使研究區(qū)成為北疆主要的風沙源地。

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 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)正相關性,干涸湖床面積的逐年擴大,導致沙塵日數(shù)增加。20世紀末,精河縣浮塵天氣平均達到112d,是60年代的9倍,每年降塵達每平方公里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)域除個別地點外尚無其他植被發(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)服務價值評估未形成一套完整的評價體系[34],不同的生態(tài)價值服務評估方法,在計算模型、生態(tài)系統(tǒng)分類、參數(shù)選擇等方面不同[35],其價值評估結果也存在較大差異。如對全球生態(tài)系統(tǒng)服務價值的評價,Pimentel[36]和Costanza[23]的結果產生了數(shù)量級差異。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)服務價值相差達5倍多。因此,導致研究結果不一致的主要原因可能是生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估方法的不同。此外,過少的樣本數(shù)量對統(tǒng)計結果也會有一定程度的影響。因此,本文采用重采樣的方法,通過對3期影像圖系統(tǒng)采樣,分別獲得364、352和352個樣本點,克服有限數(shù)據(jù)影響,有利于更準確凸顯規(guī)律。

本文對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的研究過程進行了動態(tài)評估,利用GIS空間分析技術,定量研究生態(tài)系統(tǒng)價值的空間關聯(lián)模式和空間聚集規(guī)律,國內西北干旱區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)服務價值研究很少從空間分布角度分析生態(tài)系統(tǒng)服務價值的變化規(guī)律,針對西北干旱區(qū)應用生態(tài)系統(tǒng)價值評估和空間統(tǒng)計相結合的方法解決環(huán)境問題是本文一個新的嘗試。本研究可為干旱脆弱區(qū)可持續(xù)發(fā)展和管理,維護、恢復和改善生態(tài)系統(tǒng)服務提供一定參考。

由于我國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量表以民眾對各項服務的生態(tài)服務的支付意愿與支付能力為基礎,將它分別用到各個城市中,不能體現(xiàn)其差異性,因此在構建區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估模型時,應該具體考慮到當?shù)孛癖妼Ω黜椛鷳B(tài)系統(tǒng)服務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區(qū)生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務價值表。

4.1.2 與內陸湖相關研究對比分析

參照已有的濕地生態(tài)系統(tǒng)服務價值研究結果[38],將研究區(qū)濕地功能價值與我國內陸湖泊的其他相關研究進行對比,研究結果顯示：地處西北干旱區(qū)的濕地生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)服務價值總體偏低,主要受氣候環(huán)境的影響,濕地生物多樣性少,凈化水質、土壤保持、水源涵養(yǎng)等生態(tài)服務功能減弱,加上人為活動的雙重影響,其生態(tài)系統(tǒng)服務價值進一步下降。新疆艾比湖濕地屬于干旱內陸區(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)服務功能價值；而同屬干旱內陸區(qū)的寧夏平原濕地,卻能夠提供較高的生態(tài)系統(tǒng)服務價值,可能因為寧夏濕地是以黃河干流兩側為主的黃河濕地,景觀類型多樣,其形成、演替、消長與黃河密切相關[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功能遠低于銀川平原濕地,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,土流失嚴重,人為因素的長期干擾,導致濕地生態(tài)功能較??；而黑河濕地保護區(qū)的生態(tài)服務價值較高,這是由于該地開發(fā)較晚,受人類活動影響小,進而保存了較高的生態(tài)功能價值[39]。

4.2 結論

(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區(qū)土地利用/覆被變化總體的趨勢是林草地、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,研究時段內水體面積呈現(xiàn)減少趨勢；艾比湖湖面的萎縮,最終導致土壤鹽漬化,土地沙漠化不斷加重；退耕還林、沙漠化治理、生態(tài)建設等政策使林草地得到一定程度的保護,致使林草地的面積增加。

(2)艾比湖濕地自然保護區(qū)在1998、2006、2014年這3年的生態(tài)系統(tǒng)服務價值(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。從生態(tài)系統(tǒng)服務價值所占比例來看,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。在整個研究時段內。水源涵養(yǎng)和廢物處理的貢獻率最大,綜上分析體現(xiàn)了艾比湖水資源對整個區(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區(qū)的ESV對VC是缺乏彈性的,即使價值系數(shù)存在一定的不確定性,但是整個研究區(qū)的ESV計算仍然是穩(wěn)定的,證明研究結果是可信的。

(4)研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值存在顯著的正空間相關性,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)有由增加向減少轉變的趨勢,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)服務價值時空變化的驅動力因素主要包括自然因素和人為因素,由于短時間內自然因素對艾比湖濕地自然保護區(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)服務價值時空變化的主要驅動因素。

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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

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

2016- 04- 29; < class="emphasis_bold">網絡出版日期

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,張月,井云清.1998—2014年艾比湖濕地自然保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值及其時空變異.生態(tài)學報,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.