新疆艾比湖生态脆弱区生态服务价值对土地利用变化的响应

马 倩，孙 虎，昝 梅

(1.陕西师范大学旅游与环境学院，西安710062;2.新疆师范大学地理科学与旅游学院，乌鲁木齐830054)

生态系统服务功能是指生态系统形成和所维持的人类赖以生存和发展的环境条件与效用，包括生态系统为人类所提供的生态系统产品和生态服务功能［1］。生态系统服务价值研究已经成为当代生态系统可持续发展研究的热点之一。在人类活动对环境影响加强的背景下，LUCC已成为自然和人类活动影响的反映［2］，土地利用作为人类最基本的生产实践活动，目前已经扩张到生态脆弱及敏感的区域，对生态服务功能产生着决定性的影响［3］。艾比湖处在阿拉山口大风通道下，生态系统具有很强的脆弱性与敏感性。近40 a来，由于人口和耕地面积快速增长、粗放的农牧业生产方式、资源的不合理开发利用，使流域内土地利用变化显著，引起荒漠化加剧、植被破坏、湖面萎缩、风沙灾害严重等一系列生态问题。本研究选取对人类活动反映最为敏感的干旱区湖泊边缘区域为研究对象，旨在通过定量探讨该区域土地利用与生态服务价值的变化情况，为艾比湖综合治理和生态保护提供科学依据，进而为干旱区湖泊脆弱区域生态系统可持续发展提供科技支撑。

1 研究区概况

艾比湖流域位于准噶尔盆地西南，包括博州精河县、博乐市、温泉县、阿拉山口地区和乌苏、奎屯、克拉玛依、独山子、托里县南部及兵团农五师、农七师20个团场，流域总面积5.06万km2。艾比湖流域气候干燥，降水稀少，年均气温8.3℃，年均降水量90.9 mm，年均蒸发量3 400 mm。西部阿拉山口是全国著名的风口，全年8级以上大风达165 d，最大风速55 m/s，多集中在4—6月［4］。本研究区为含艾比湖沿岸的博乐、精河两个绿洲，地处艾比湖流域的中部，位于 44°22′～45°07′N，82°07′～83°55′E，总面积约为1.09 万 km2(图1)。该区夏季降水稀少，冬季寒冷干燥，年均温6℃ ～8℃，为典型的中温带干旱大陆性气候，为生态环境脆弱、敏感区域。

图1 研究区范围Fig.1 The range of study area

2 数据来源及研究方法

2.1 生态系统服务价值评价方法

Costanza等人在全球尺度上对生态系统服务价值进行了评估［5］。谢高地等人［6］参照 Costanza等人的研究成果，在对我国200位生态学者进行问卷调查的基础上，提出了我国生态系统生态服务价值当量因子表。参照其他相关研究成果［7－10］，采用Costanza生态系统服务价值的计算公式，对艾比湖区域的生态系统服务价值的变化情况进行了分析，计算公式为

式中:ESV为生态系统服务价值(元)，Ak指研究区第k种土地利用类型的分布面积(hm2)，VCk为生态服务功能价值指数，即单位面积生态系统服务价值(元/(hm2·a))。中国不同陆地生态系统单位面积生态服务价值见表1。

表1 中国不同陆地生态系统单位面积生态服务价值 元/(hm2·a)Tab.1 Chinese ecosystem services value per unit area of different ecosystem types yuan/(hm2·a)

采用经济学中的弹性系数概念来计算生态服务价值的敏感性指数(CS)［11－14］，将研究区各土地利用类型的价值指数分别调整50%，来计算总生态系统服务价值的变化，其计算公式为

式中:CS代表敏感性指数;ESV表示总生态服务价值;VCi代表研究初期生态系统服务价值系数;VCj代表调整后的生态系统服务价值系数。如果CS＞1，表明ESV相对于VC是富有弹性的;如果CS＜1，ESV则被认为是缺乏弹性的，比值越大，表明生态服务功能价值指数的准确性越关键。

2.2 土地利用数据来源及分析方法

研究区土地利用数据采用1990，2001年Land sat－TM和2007年中巴资源卫星标准假彩色合成影像数据为基本信息源，运用ERDAS IMAGINE及Arc GIS进行解译得到，并结合实地勘察验证及相关资料查证，对研究区土地利用/覆被数据进行再处理。本研究采用土地利用一级分类系统，将土地利用类型划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地六类进行计算分析。

引进单一土地利用动态度指数(R单)及土地利用综合指数(L)［15－17］指标，来描述研究区土地利用变化情况，表达式为

式中:U1，U2分别为研究期初期和末期某一类型土地利用类型的面积;T为研究期时段长。L表达式为

式中:L为研究区土地利用程度综合指数;Ai为研究区第i级土地利用程度分级指数;Ci为研究区内第i级土地利用程度的土地类型所占总土地面积的百分比。土地利用程度变化模型为

式中:△L为土地利用程度的变化量;R为土地利用程度变化率;L1，L2分别为研究初期和研究末期区域土地利用强度综合指数;Ai为研究区第i级土地利用程度分级指数(表2)。Ci1和Ci2分别为研究区内研究初期和研究末期第i级土地利用程度下某一土地利用类型所占的面积百分比。若△L＞0或R＞0则表明研究区土地利用状况处于发展阶段;若△L＜0或R＜0，则表明研究区土地利用状况处于衰退期;若△L=0或R=0，则表明研究区土地利用状况处于稳定期［18］。

表2 土地利用程度分级赋值Tab.2 The assign of land use degree

3 结果与分析

3.1 艾比湖区域土地利用变化

从艾比湖区域土地利用总体情况来看，未利用地1990，2001 和2007 年所占比例分别为65.92%，57.27%和56.60%，是主要的土地利用类型，集中分布在艾比湖水面周围。其次为耕地和草地，1990，2001和2007年二者占研究区总面积的25.44%，32.85%和34.42%，建设用地的面积最小，但近年来有扩大的趋势。

从图2可得，1990—2001年间，艾比湖区域耕地、林地、草地、水域和建设用地面积均增加，耕地和草地面积增加量分别为449.99 km2和359.52 km2，未利用地的减少量为945.63 km2。2001—2007年间，除了耕地和建设用地，草地、林地、水域和未利用地面积均减少。土地面积变化率最大的是建设用地，其次为耕地。

图2 艾比湖区域1990—2007年土地利用面积变化量及变化率Fig.2 The land use area change and area change rate of Ebinur Lake area between 1990 and 2007

1990—2001和2001—2007年，艾比湖区域土地利用变化的速度有所提高(图3)。1990—2001年，在研究区土地利用类型中，耕地的动态度最高;2001—2007年间，建设用地的动态度最高。从土地利用程度变化综合指数来看，艾比湖区域土地利用程度呈增大趋势，土地利用综合指数均介于1～2之间，反映艾比湖区域整体土地利用程度较低，处于粗放型土地利用模式，△L﹥0且R﹥0，说明研究区土地利用类型处于发展阶段，土地利用强度逐渐增大。

图3 艾比湖区域1990—2007年土地利用动态度Fig.3 The dynamic degree of Ebinur Lake area between 1990 and 2007

3.2 艾比湖区域生态服务价值变化

根据艾比湖区域1990，2001和2007年各土地利用类型面积及生态服务价值指数计算得到研究区3期生态系统服务价值。分析表3可知，1990，2001和2007年艾比湖区域生态服务价值分别为53.63，63.01和56.96亿元，总体呈上升趋势。水域在生态系统服务价值中的贡献最大，分别为46.50%，43.63%和36.62%，其次为耕地、草地和林地，研究区生态服务价值构成的主体部分为水域、耕地、草地和林地。1990—2007年间，耕地的面积增加了1 042.79 km2，生态服务价值增加了7.86亿元;林地面积增加14.75 km2，生态服务价值增加了0.29亿元;建设用地生态服务价值增加比例最小;水域、草地、林地及未利用地生态服务价值均减少，分别减少4.08，0.43，0.29 及 0.38 亿元。1990—2007 年间，水域面积减少量仅为98.32 km2，但其生态系统服务功能减少量较大，由于其本身所产生的单位生态服务价值量较大，虽然水域面积仅占研究区总面积的 5.50% ～6.06%，但其生态服务价值却占到了 36.62% ～46.50%。耕地生态服务价值的增加对研究区生态服务价值的增加起到了决定性的作用。

表3 艾比湖区域1990—2007年生态服务价值变化Tab.3 Variations of ecosystem service values in Ebinur Lake area from 1990 to 2007

3.3 生态系统单项生态服务价值变化

由表4可知，1990—2007年间，艾比湖区域各单项生态服务价值中水源涵养、废物处理和娱乐文化其他各类功能价值均增加。其中，土壤形成与保护、食物供应、营养物循环和气候调节增加的幅度较大。水源涵养服务价值比例最大，分别为25.49%，28.76%和21.86%，但比例有所下降，其次为废物处理功能。单项生态功能服务价值位于前4位的是水源涵养、废物处理、生物多样性保护和土壤形成与保护，四者的贡献率之和分别为73.59%，84.66%和69.38%，呈下降趋势。艾比湖区域生态系统的服务性功能远大于生产性功能，但2001—2007年间，随人类活动影响的加强，生产性功能增加的幅度较大。

表4 1990，2001和2007年艾比湖区域单项生态服务价值变化Tab.4 Change of all kinds of ecosystem service values in Ebinur Lake area in 1990，2001 and 2007

3.4 敏感度分析

将耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地的生态服务功能指数分别上下调整50%，通过敏感性计算公式，可以得到研究区1990，2001和2007年生态服务功能价值的敏感性指数(图4)。由图4可知，不同土地利用类型之间，生态服务功能价值对生态服务指数的敏感性变动较大，但同一土地利用类型不同年份的敏感性指数变化较小，均小于1。建设用地和未利用地的生态服务价值敏感性指数较高，介于0.20～0.35之间，而耕地、林地、草地和水域的生态服务价值敏感性指数都较小，介于0～0.05之间。这表明研究区内ESV对生态系统服务功能指数是缺乏弹性的，研究结果可信。

图4 1990，2001和2007年艾比湖区域土地利用类型生态服务价值敏感性指数Fig.4 Sensitive coefficients of ecosystem service values of each land use type in Ebinur Lake area in 1990，2001 and 2007

4 结论

(1)未利用地是艾比湖区域主要的土地利用类型，为湖泊面积减小之后大面积裸露的干涸湖底。其次为耕地和草地，建设用地的面积最小。1990—2007年，耕地面积的增加量最大，未利用地的减少量最大。土地面积变化率最大的是耕地，其次为建设用地，水域面积减少量较小。艾比湖区域土地利用程度较低，处于粗放型土地利用模式，1990—2007年间，耕地和建设用地面积增加幅度和速度都较大，说明人类活动对研究区影响较大，土地利用处于发展阶段，近17a来土地利用强度逐渐增大。

(2)研究区生态服务价值构成的主体部分为水域、耕地和草地，占整个系统的80%以上。17a间，艾比湖区域生态系统服务价值呈现波动下降的趋势。应该注意的是，水域所占的面积是最小的，但水域所贡献的生态系统服务价值却达到35%以上，水域面积的变化对研究区生态系统服务价值产生决定性的作用。2001—2007年间，艾比湖水域面积减小幅度较大，原因为耕地面积增加较大，农业用水量随面积的增大速度较快，加上降雨和径流减少，湖泊面积萎缩严重［19］。

(3)1990—2007年艾比湖区域生态系统单项服务价值中，水源涵养、废物处理、生物多样性保护和土壤形成与保护为主要的服务功能，四者的贡献率之和分别为73.59%，84.66% 和 69.38%，1990—2001 年间，表现为增加，这主要是因为耕地和林地面积的增加所造成的;2001—2007年间，表现为减少，且减少幅度较大，主要因为水域、林地和草地面积的减少引起的。原材料和生物控制的贡献率最小，贡献率不足4%。艾比湖区域生态系统的服务性功能远大于生产性功能，但生产性功能有增加的趋势。

(4)敏感性分析结果表明，不同土地利用类型之间，生态服务功能价值对生态服务指数的敏感性变动较大，但同一土地利用类型不同年份的敏感性指数变化较小，均小于1。这表明研究区内ESV对生态系统服务功能指数是缺乏弹性的，研究结果可信。

(5)艾比湖湖周区域属生态环境脆弱区域，对外界影响反应敏感，尤其是2001—2007年间，人类活动与自然因素的影响已使该区域土地利用格局发生了较大的变化，同时，土地利用格局的变化也影响湖区生态环境的变化，进而降低了艾比湖湿地生态服务功能。

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