毋兆鵬，張金燕,王娟娟,呂思雨,李斌才 (.新疆師范大學地理科學與旅游學院，新疆 烏魯木齊 830054；2.新疆干旱湖泊環(huán)境與資源實驗室，新疆 烏魯木齊 830054)

生態(tài)系統(tǒng)服務是通過生態(tài)系統(tǒng)結構、過程及功能直接或間接獲得的產(chǎn)品及服務，生態(tài)系統(tǒng)價值則是生態(tài)環(huán)境保護、生態(tài)經(jīng)濟價值核算的重要依據(jù)[1-3]。土地作為人類賴以生存的場所，土地利用類型數(shù)量和結構改變會直接造成生態(tài)系統(tǒng)服務功能及價值發(fā)生改變[4-6]。因此，土地利用變化及其對生態(tài)環(huán)境的影響已成為土地科學研究的熱點問題之一[7-8]，但相關成果主要集中于土地利用變化和生態(tài)系統(tǒng)服務價值的單要素研究，對特定區(qū)域不同土地利用條件下生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境效應的綜合定量分析尚處于探索中。

精河流域擁有甘家湖梭梭林和艾比湖濕地2個國家級自然保護區(qū)，是我國典型干旱區(qū)內陸河流域，且面臨的生態(tài)環(huán)境問題較為突出。隨著精河流域在天山北坡經(jīng)濟帶中的地位不斷提升，人類開發(fā)利用活動產(chǎn)生的地下水位下降、地表植被退化和土壤鹽漬化等生態(tài)問題也日益突顯。該文采用空間梯度方法分析近28 a精河流域生態(tài)系統(tǒng)服務價值的變化，并在縣域尺度對土地利用類型變化區(qū)域的生態(tài)環(huán)境效應進行定量評價，以期為合理開發(fā)利用干旱區(qū)綠洲水、土資源，保障國家農(nóng)業(yè)生態(tài)安全、生態(tài)環(huán)境建設和區(qū)域土地持續(xù)利用提供科學依據(jù)[9-10]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

精河流域位于新疆維吾爾自治區(qū)北部，天山支脈婆羅科努山北麓綠洲帶末端，準噶爾盆地西南邊緣，天山北坡經(jīng)濟帶西端，東西以81°46′～83°51′ E為界，南北以44°02′～45°10′ N為界(圖1)，總面積為1.1275×104km2。位于研究區(qū)最北部的艾比湖是準噶爾盆地最大的湖泊，也是新疆最大的咸水湖。研究區(qū)晝夜溫差大，干燥少雨，蒸發(fā)量大，春季多風沙、浮塵天氣，屬典型的北溫帶干旱荒漠型大陸性氣候區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

空間遙感數(shù)據(jù)來源于中國地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn)，包括1990年9月Landsat 5 TM、2000年9月Landsat 5 TM和2018年5月Landsat 8 TM數(shù)據(jù)，軌道號為P146/P029，圖像空間分辨率為30 m，3期數(shù)據(jù)含云量均小于5%。參照現(xiàn)有土地利用分類體系[11]及研究區(qū)特點，將土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地6個類型。20世紀90年代以來精河流域綠洲土地利用類型轉換劇烈[12]。1990年之后，中央及地方政府推出一系列優(yōu)惠政策，尤其在1998—1999年形成開荒熱，允許并鼓勵個人和集體開墾土地。2000年，艾比湖濕地自然保護區(qū)獲新疆維吾爾自治區(qū)批準建立，標志著研究區(qū)全面開啟環(huán)境保護工程。2017年，新疆維吾爾自治區(qū)提出嚴守水資源“三條紅線”目標任務，進一步推進生態(tài)環(huán)境保護與修復。為此，選取特征明顯的1990年(鼓勵開墾土地)、2000年(實施生態(tài)保護工程)和2018年(實施生態(tài)保護工程后)3個時期土地利用情況進行對比分析。

研究區(qū)糧食產(chǎn)量和單價，GDP等社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來自1990—2018年精河年鑒和新疆統(tǒng)計年鑒以及精河縣改革開放30年統(tǒng)計公報中農(nóng)業(yè)和國民經(jīng)濟核算部分。

1.3 研究方法

1.3.1土地利用變化速率計算

土地利用動態(tài)度(K)能直接反映研究區(qū)某種土地利用類型變化速度[13]，計算方法為

(1)

式(1)中，Ua和Ub分別為研究初期和末期某種土地利用類型面積，hm2；T為研究時段，a。

1.3.2生態(tài)系統(tǒng)服務價值核算

生態(tài)系統(tǒng)服務價值計算以文獻[14-16]中中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量因子表為參考，同時考慮到研究區(qū)實際情況，對其適用范圍加以修正。其中，耕地、林地和未利用地分別對應中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量因子表中農(nóng)田、森林和荒漠。基于研究區(qū)糧食產(chǎn)量、單價及生產(chǎn)收益等數(shù)據(jù)，計算得到精河流域綠洲單個生態(tài)服務價值當量因子的經(jīng)濟價值量為1 743.94元·hm-2，并以該值與中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量因子表中數(shù)據(jù)相乘，得到研究區(qū)所有土地利用類型不同生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)(表1)。

表1 研究區(qū)不同土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)Table 1 Ecosystem service value coefficients for different land use types in the study area 元·hm-2·a-1

采用生態(tài)系統(tǒng)服務價值計算公式〔式(2)～(3)〕，計算研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值。

VES,k=Ak×∑CV,k，

(2)

VES=∑VES,k。

(3)

式(2)～(3)中，VES，k為第k種土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務價值，元·a-1；Ak為第k種土地利用類型面積，hm2；CV，k為第k種土地利用類型不同生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)，元·hm-2·a-1；VES為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務總價值，元·a-1。

綠洲是干旱區(qū)人民生產(chǎn)生活的依托，城市作為綠洲的重要部分，其發(fā)展方向與土地利用類型息息相關。因此，為深入探討研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值空間分布特征，采用梯次環(huán)分析方法評價生態(tài)系統(tǒng)服務價值。以1990年研究區(qū)建設用地質心為圓心，以8 km為半徑，向北依次設10個梯次環(huán)，向南依次設12個梯次環(huán)，分別計算1990、2000和2018年各環(huán)內生態(tài)系統(tǒng)服務價值(圖2)。

為便于量化比較1990、2000和2018年研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化情況，采用變化量〔式(4)〕和變化率〔式(5)〕2項指標分析變化狀況。

Vj=Vji-Vjh，

(4)

(5)

式(4)～(5)中，Vj為第j梯次環(huán)從年份h到i的生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化量；Rj為第j梯次環(huán)從年份h到i的生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化率；Vji和Vjh分別為第j梯次環(huán)在年份i和h的生態(tài)系統(tǒng)服務價值，元·a-1；j為梯次環(huán)編號。

1.3.3生態(tài)環(huán)境效應指標構建

(1)相對生態(tài)系統(tǒng)服務價值

各土地利用類型面積大小對生態(tài)系統(tǒng)服務價值有直接影響，為了更客觀地評價各土地利用類型生態(tài)功能狀況，采用相對生態(tài)系統(tǒng)服務價值來反映某個土地利用類型生態(tài)服務功能高低[17]。具體而言，針對各土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)(表1)，在[0，1]區(qū)間內進行賦值，其中水域相對生態(tài)系統(tǒng)服務價值最高，賦值為1.000，建設用地賦值為0，其他土地利用類型相對生態(tài)系統(tǒng)服務價值依據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)比例關系確定，即某一土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)總和與水域生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)總和相除，從而得到各土地利用類型相對生態(tài)系統(tǒng)服務價值[18](表2)。

表2 1990—2018年研究區(qū)相對生態(tài)系統(tǒng)服務價值與生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)Table 2 The relative ecosystem service value and the ecological environment index of the study area from 1990 to 2018

(2)生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)

在特定時段內，某一種土地利用類型發(fā)生變化會導致區(qū)域生態(tài)質量隨之發(fā)生改變，即每種土地利用類型在變化過程中體現(xiàn)出的生態(tài)服務價值流，會使局部區(qū)域生態(tài)服務價值升高或降低。參考我國不同陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積服務價值之間的比例關系[19]，結合新疆各土地利用類型生態(tài)環(huán)境效應及研究區(qū)實際情況，構建研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)。

(6)

式(6)中，Et為研究期t生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)；k為研究區(qū)土地利用類型數(shù)量；Ak為研究期t內k類土地利用類型面積，hm2；Ck為k類土地利用類型相對生態(tài)系統(tǒng)服務價值；T為研究時段，a；A為研究區(qū)總面積，hm2。

(3)土地利用類型變化的生態(tài)貢獻率

土地利用類型在轉變過程中會對區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量產(chǎn)生影響，即每種變化的土地利用類型所蘊含的生態(tài)服務價值流會導致區(qū)域生態(tài)服務價值升高或降低[20]。如果分別從土地利用轉化類型對區(qū)域生態(tài)環(huán)境改善和惡化2個方面的貢獻進行分析，將有助于深入探討區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的主導影響因素。以式(6)為基礎，采用地圖代數(shù)及研究區(qū)土地利用變化轉移矩陣方法[21]，分析研究區(qū)土地利用類型變化對區(qū)域生態(tài)質量改變的貢獻率〔式(7)〕。

EL,k=(EL,t+1-EL,t)Ak/TA。

①在運動過程中，△COD有哪些屬性保持不變?(△COD始終是以CD為斜邊的直角三角形，斜邊CD的長保持不變).

(7)

式(7)中，EL，k為k類土地利用類型變化的貢獻率；EL，t和EL，t+1分別為某種土地利用類型在變化初期和末期對應的生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)；Ak為k類土地利用類型變化面積，hm2；T為研究時段，a；A為研究區(qū)總面積，hm2。

2 結果與分析

2.1 土地利用時空格局變化特征分析

采用ENVI 5.0平臺，按照土地利用分類系統(tǒng)建立解譯標志，通過監(jiān)督分類得到研究區(qū)1990、2000和2018年土地利用類型變化空間數(shù)據(jù)。經(jīng)野外實地檢驗，3期數(shù)據(jù)精確度均大于90%，符合研究要求。1990—2018年研究區(qū)土地利用類型在空間上分異明顯(圖3)，其中，耕地連續(xù)片狀分布于綠洲中西部，林、草地零星出現(xiàn)在綠洲邊緣并集中于部分山區(qū)，以艾比湖為主體的水域主要位于研究區(qū)北部，未利用地分布廣泛。

如表3所示，近30 a，耕地、草地、水域和建設用地面積增加，林地和未利用地面積減少。其中耕地和建設用地面積增加幅度最大，動態(tài)度分別為28.32%和22.50%。分階段具體來看，自1990年(鼓勵開墾土地)至2000年(實施生態(tài)保護工程)期間，耕地和建設用地動態(tài)度分別達15.38%和7.66%，居前兩位，而同時期林地和草地則為面積減少的前兩位，動態(tài)度分別為-7.24%和-0.54%。在2000年開始實施生態(tài)保護工程至2018年期間，建設用地動態(tài)度增為17.4%，耕地動態(tài)度降為13.99%，林地、草地和水域面積皆大幅增加，動態(tài)度分別為12.32%、2.22%和3.31%，未利用地面積減幅明顯，動態(tài)度為-1.39%，研究區(qū)生態(tài)保護工程實施取得一定實效。

表3 1990—2018年研究區(qū)土地利用變化及動態(tài)度Table 3 Land use changes and dynamics in the study area from 1990 to 2018

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化分析

2.2.1不同土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務價值

1990—2018年研究區(qū)不同土地利用類型單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值及總價值見表4。

表4 1990—2018年研究區(qū)土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務價值Table 4 Ecosystem service value of land use types in the study area from 1990 to 2018

如表4所示，研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值總體上呈現(xiàn)先降低再增加趨勢，由1990年的127.02億元降低到2000年的103.83億元，再增加至2018年的167.43億元，1990—2018年共增加40.41億元。其中，耕地和水域服務價值持續(xù)增加，水域增加幅度最大；林地和草地服務價值均呈現(xiàn)先減后增趨勢，未利用地服務價值則呈現(xiàn)先增后減趨勢。

2.2.2生態(tài)系統(tǒng)服務價值空間分布特征

研究區(qū)1990、2000和2018年生態(tài)系統(tǒng)服務價值梯次環(huán)分析見圖4。自城市中心向外，生態(tài)系統(tǒng)服務價值在研究區(qū)南部和北部均表現(xiàn)為先升后降趨勢。1990和2000年，研究區(qū)南部地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值整體高于北部地區(qū)，且1990年最高。其中，南部高值區(qū)分布在S5～S7梯次環(huán)，主要位于城市南部40～56 km的山區(qū)林草地帶，北部高值區(qū)分布在N4～N5梯次環(huán)，位于距城市中心32～40 km的國家級自然保護區(qū)艾比湖濕地范圍。2018年研究區(qū)整體生態(tài)系統(tǒng)服務價值高于1990和2000年，且北部地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值高于南部地區(qū)，其中北部N6～N8梯次環(huán)生態(tài)系統(tǒng)服務價值明顯升高，這與2000年研究區(qū)實施生態(tài)保護工程帶來的生態(tài)環(huán)境質量改善息息相關。

如圖5所示，總體而言，1990—2018年研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化率較小區(qū)域主要集中在S9～S12梯次環(huán)，主要位于研究區(qū)西南部山地，S6梯次環(huán)生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化率最小，位于距離城市32 km的綠洲與荒漠交界地區(qū)以及耕地快速開發(fā)區(qū)域；除城市區(qū)域外，北部地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化率均呈明顯上升趨勢，其中位于艾比湖濕地保護區(qū)的N7梯次環(huán)生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化率最大，這與近年來科學管理及改善艾比湖自然保護區(qū)生態(tài)環(huán)境相關。1990—2000年研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化率較平穩(wěn)，位于城市區(qū)域的S1梯次環(huán)和位于綠洲發(fā)展區(qū)的S8梯次環(huán)生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化率為正值且變化不明顯，南部其他梯次環(huán)生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化率均為負值，位于艾比湖邊緣的N7～N9梯次環(huán)生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化率波動不大。2000—2018年研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值變幅較大，其中位于城市區(qū)域的N1和S1梯次環(huán)生態(tài)系統(tǒng)服務價值有所下降，其他各梯次環(huán)均呈上升趨勢，尤其以位于生態(tài)保護區(qū)的N6～N8梯次環(huán)上升最明顯，這表明該時期研究區(qū)實施的天然林保護工程及艾比湖流域生態(tài)恢復政策效果明顯。

2.3 生態(tài)環(huán)境效應分析

2.3.1生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)時空變化特征

生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)計算結果表明，1990—2018年研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)從0.147上升到0.194，增幅為4.4%，生態(tài)環(huán)境質量整體呈現(xiàn)好轉并上升趨勢；1990—2000年生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)下降到0.120，降幅為2.7%，生態(tài)環(huán)境有輕微惡化，其主要原因是林草地面積大量減少；2000—2018年生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)上升到0.194，增幅為7.4%，生態(tài)環(huán)境有所改善，主要是由于水域、林地和草地面積大幅度增加?？傮w而言，在大時間尺度內，研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質量相對穩(wěn)定，但同時呈現(xiàn)出惡化和改善2種狀態(tài)(圖6)。

2.3.2土地利用變化的生態(tài)貢獻率分析

1990—2018年研究區(qū)土地利用類型對生態(tài)環(huán)境質量的生態(tài)貢獻率計算結果(表5)表明，土地利用變化對生態(tài)環(huán)境改善的貢獻率高于對生態(tài)環(huán)境惡化的貢獻率。

表5 1990—2018年研究區(qū)生態(tài)環(huán)境變化的主導土地利用變化類型貢獻率Table 5 Contribution rate of dominant land use change types in the study area from 1990 to 2018

如表5所示，土地利用類型變化導致研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質量惡化的主要原因是未利用地持續(xù)為未利用地、未利用地轉為建設用地、未利用地轉為耕地，占總貢獻率的71%；其次是由于林地和草地轉為其他土地利用類型。研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質量改善的主要原因是未利用地分別轉為水域、林地和草地，生態(tài)系統(tǒng)服務價值提高，這些土地利用類型變化的貢獻率占總貢獻率的60%；其次是由于其他土地利用類型轉為林地和草地。由此可見，草地、水域和林地的變化是影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量變化的主要因素，天然林草保護、退耕還林還草和合理利用水資源是改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量的有效手段。

3 討論

人類活動是造成研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)退化的重要誘因。研究區(qū)人口在過去28 a中呈現(xiàn)快速增長趨勢，從1990年的10.06萬人增加到2018年的14.33萬人，增長近1.4倍；GDP從1990年的20 767萬元增長到2018年的809 867萬元，擴大近39倍，研究區(qū)人口增加與土地利用變化密切相關。從自然因素看，1990—2018年研究區(qū)年平均氣溫呈現(xiàn)上升趨勢，年平均降水量也從104.18 mm上升到122.18 mm。氣候變化在影響河流和湖泊水量變化的同時，也間接增強了土地利用類型變化對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

總體而言，由于自然演替加上綠洲農(nóng)業(yè)開發(fā)帶來的過度灌溉和墾荒，2000年之前研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質量狀況較差。盡管在研究時段后期生態(tài)環(huán)境質量有所改善，但前期超過生態(tài)系統(tǒng)自身調控恢復彈性范圍的綠洲開發(fā)的影響仍不可忽視。其中，導致生態(tài)環(huán)境質量變化的核心因素是艾比湖流入水量減少，關鍵因素是研究區(qū)地表植被破壞，而主要驅動因素是裸露的艾比湖湖底在阿拉山口大風口作用下導致的沙塵天氣。具體而言，研究區(qū)北部的艾比湖水域保護區(qū)(以193 m等深線為界)，對整個流域生態(tài)環(huán)境起著決定性的穩(wěn)定作用，需要進一步發(fā)揮“引喀濟艾”跨流域調水工程生態(tài)效應并加強保護區(qū)濕地生物多樣性保護。研究區(qū)東北部奎屯河尾閭地帶的荒漠植被(胡楊林)分布區(qū)和甘家湖自然保護區(qū)，在防治沙漠化過程中發(fā)揮著重要的生態(tài)屏障功能，因此要充分保障其生態(tài)需水，以維護研究區(qū)生態(tài)安全。研究區(qū)中部的綠洲城鎮(zhèn)及周邊農(nóng)田分布區(qū)域，既是研究區(qū)人類活動最頻繁的地區(qū)，也是生態(tài)效益的主要服務對象，更是人類影響生態(tài)環(huán)境變化的策源地，需要嚴格執(zhí)行水定地政策及各業(yè)發(fā)展規(guī)劃，減低人類活動對土地資源的掠奪性利用。同時，為確保區(qū)域交通動脈不會因生態(tài)環(huán)境惡化受到影響，應結合阿拉山口主風道(艾比湖南岸)治理，重點恢復荒漠植被的防風固沙生態(tài)功能。在研究區(qū)南部的山地林草及水源涵養(yǎng)區(qū)，要通過合理劃定禁、限牧區(qū)確保草地生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性，同時利用人工草地經(jīng)濟功能置換天然草場生態(tài)功能。

4 結論

在土地利用分類基礎上，確定精河流域綠洲土地生態(tài)系統(tǒng)服務價值，并采用生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)和生態(tài)貢獻率對土地利用類型變化的生態(tài)環(huán)境效應進行分析。研究結論如下：

(1)由于人類生產(chǎn)活動及自然因素影響，2000—2018年精河流域綠洲土地利用類型發(fā)生較大改變。在城市化進程中，研究區(qū)建設用地和耕地面積加速擴展，草地和水域在各項保護措施下得以恢復。其中，1990—2000年林地和草地面積減少，耕地、建設用地面積則呈增加趨勢。2000—2018年研究區(qū)實施退耕還林還草工程、天然林保護項目、艾比湖生態(tài)治理及輸水工程，研究區(qū)林地、草地和水域面積增加。

(2)以2000年為節(jié)點，精河流域綠洲生態(tài)系統(tǒng)服務價值呈先降后增特征。1990、2000和2018年研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值分別為127.02億、103.83億和167.43億元。梯次環(huán)空間分析結果表明，1990和2000年研究區(qū)南部地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值高于北部地區(qū)，2018年北部地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值高于南部地區(qū)。

(3)生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)計算結果表明，研究區(qū)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)總體處于良性發(fā)展狀態(tài)。從土地利用類型變化貢獻率可以看出，1990—2000年生態(tài)環(huán)境質量下降的主要原因是林地、草地轉為未利用地、耕地和建設用地，2000—2018年生態(tài)環(huán)境質量再次提升的主要原因是未利用地轉為水域、林地和草地。