土地利用变化的人文驱动因子对新疆生态系统服务价值的影响

姚 远，丁建丽，张 芳，雷 磊，江红南

（1.新疆大学 资源与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐830046；2.绿洲生态教育部重点实验室，新疆 乌鲁木齐830046）

深入研究干旱区土地利用变化的人文驱动因素对其生态系统服务功能的影响，是当前一项极有意义的研究课题。生态系统服务功能是指生态系统与生态过程所形成及所维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用［1］，对其价值进行定量评估是高效、合理配置环境资源的基础［2－3］，也是制定生态环境建设补偿政策的必要前提［4］。另一方面，作为全球环境变化研究的核心领域之一，土地利用／覆被变化（LUCC）能够改变生态系统的结构和功能，因而对生态系统维持其服务功能起到了决定性作用［5］。在短时期内，人文因素是区域土地利用变化主要驱动力的观点已经成为学术界的共识［6］，也就是说人类社会在经济发展过程中所造成的土地利用／覆被类型变化，是短时期内导致生态系统服务价值变化的主要原因［7］。因此，深入研究土地利用变化过程中的人文驱动因素对生态系统服务功能的影响，对于掌握干旱区生态系统服务价值变化的规律和揭示维持区域生态安全的机理以及促进中国西北干旱区的资源环境与经济可持续发展具有重要意义。

目前，关于干旱区的生态系统服务价值评估的研究成果不少［8－9］，例如，黄湘等［10］研究了西北干旱区4个典型流域的生态服务价值，张伟等［11］评价了伊犁新垦区的生态系统服务价值变化，孙慧兰等［12］对新疆伊犁河流域的生态系统服务价值进行了动态评估，王水献等［13］针对焉耆盆地绿洲的土地利用变化对生态系统服务价值的影响进行了研究，黄青等［14］对干旱区典型的山地—绿洲—荒漠系统的生态服务价值变化进行了探讨。但研究方法多是利用遥感影像分类后所得到的各类用地面积结合生态系统服务价值系数对区域生态系统服务价值进行估算，而利用统计资料定量分析土地利用变化的人文驱动因素对新疆生态系统服务价值影响的研究较为少见。为此，本文基于新疆国土资源厅连续13a的土地利用变更详查资料，结合谢高地等［15］的中国陆地生态系统服务单位面积价值和敏感度分析，以及《新疆统计年鉴》中的相关数据，开展了人文因素对生态系统服务价值影响的定量研究，以期为新疆土地资源的可持续利用和生态环境保护提供决策参考。

1 研究区概况

新疆干旱区面积达1.39×106km2，占全国土地面积的14.4%，占新疆土地面积的83.3%（极端干旱区占28.8%，干旱区占36.7%，半干旱区占23.2%），绝大部分是戈壁、沙漠和荒漠等难以利用的土地，土地利用类型以未利用地和牧草地为主，是中国面积最大，范围最广，发育最典型的干旱区［16］。在中国人口、资源和环境问题日益尖锐的今天，新疆以其丰富的后备国土资源与能源矿产资源奠定了其在中国宏观发展中的战略地位。近年来，人口迅速增加和高强度的绿洲开发给生态环境造成了严重压力，使原本脆弱的生态环境受到不同程度的干扰和破坏。当前，新疆主要面临着土地荒漠化，土壤盐渍化，水土流失，森林局部破坏，草地整体退化，天然湖泊萎缩，湿地面积减少，生物多样性保护形势严峻和农村环境污染程度不断升高等一系列生态问题［17－18］。

2 研究方法

式中：K——研究时段内某一土地利用类型动态度；Ua，Ub——研究初期、末期土地利用类型的数量；T——研究时段长，当T的时段设定为年时，T值就是该研究区土地利用类型的年变化率。

2.2.2 生态系统服务价值评价方法 Costanza等［2］提出的生态系统服务价值评价方法在一些数据上存在较大偏差，争议较大，引起了国内外学者的广泛讨论。谢高地等［15］针对其不足，根据中国实际情况，制定了中国不同陆地生态系统单位面积生态服务价值表。本研究采用该成果对新疆生态系统服务价值进行评估，计算公式为：

式中：ESV——生态系统服务价值；Ak——研究区第k种土地利用类型的分布面积；VCK——生态服务功能价值指数，即单位面积的生态系统服务价值。

2.2.3 敏感性分析 本文通过引入敏感性指数（CS）［22－23］来验证生态系统类型对于各种土地覆被类型的代表性和选用生态价值系数的准确性，以此来反映生态系统服务价值对生态价值系数的依赖程度。本文将各类土地利用类型的价值指数分别调整50%来衡量总体生态系统服务价值的变化。如果CS＞1，

2.1 土地利用变化动态数据的获取

土地利用／覆被的基础数据来源于新疆维吾尔自治区国土资源厅1996—2008连续13a的土地利用变更详查资料。参照国家通用土地分类系统以及实际情况［7，19］，将新疆维吾尔自治区土地分为7种类型：（1）耕地；（2）林地；（3）园地；（4）草地；（5）建设用地（包括居民点、工矿用地和交通建设用地）；（6）水域（包括流水面、湖泊水面、水库水面、坑塘水面、苇地、滩涂、沟渠、水工建筑物、冰川及永久积雪）；（7）未利用土地（包括沙地、沼泽地、盐碱地等）。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用变化速度分析 根据单一土地利用的年变化率公式可以计算出研究区单一土地利用类型的年变化率［20－21］，表达式为：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VC的准确性越关键。敏感性指数（CS）的计算公式为：

式中：ESV——总生态系统服务价值；VC——生态价值系数；i，j——初始状态总价值和生态价值系数调整以后的总价值；k——各土地利用类型。

3 结果与讨论

3.1 土地利用变化分析

1996—2008年，新疆的耕地、园地、林地、建设用地、水域的面积总体上呈增长的趋势，其中尤以园地面积变化最为明显，增加1.996×105hm2，年均增长率9.33%（表1）。其增加的主要原因在于新疆具有独特的气候资源，特色林果业的发展优势明显，南疆环塔里木盆地和土哈盆地、伊犁河谷、天山北坡特色林果基地已经初步形成规模。值得警惕的是由于受到极端荒漠气候和人为因素的影响，新疆的草地退化趋势明显，共减少4.886×105hm2，这对维系干旱区自然生态系统稳定造成了极大的威胁；另一方面，由于撂荒、垦荒、开发建设等因素的影响，未利用地（包括沙地、盐碱地、沼泽地和其他未利用地）面积总体呈减少趋势。

表1 1996－2008年新疆地区土地利用类型面积及其变化

3.2 新疆地区生态系统服务价值变化

3.2.1 时间变化 从两个方面来分析时间维度上生态系统服务价值的变化。

（1）各地类生态系统服务价值的变化。从表2中可以看出，新疆各地类生态系统服务总价值的总体变化情况。

新疆1996，2000，2004和2008年区域生态系统服 务 价 值 分 别 为 7 062.167 1，7 102.372 9，7 162.171 7和7 168.981亿元，即13a该区域生态系统服务价值共增加106.814亿元，增加幅度为1.51%，年均增加8.216 5亿元。其中，园地增幅最大（121.25%），建设用地次之（14%），耕地和林地增幅分别为3.48%和5.69%，水域增幅最小为1.84%，而草地和未利用地生态价值持续减少。草地减幅最大（0.95%），未利用地次之（0.46%）。研究区13a间生态系统服务价值损失量中草地损失价值最多，占总损失量的94.75%。这是因为新疆草地面积的持续减少（1996—2008年减少4.846×105hm2）导致新疆全区绿洲外围的过渡带以及农牧业交错带的生态环境质量恶化，并且草地退化趋势未得到根本遏制。受草地载畜量严重超载所带来的影响，全区天然草地面积80%已经退化，产草量严重下降。

表2 1996－2008年新疆地区维吾尔自治区生态系统服务价值变化

（2）单项生态系统服务价值的变化及其构成分析。从生态系统各单项服务功能的价值量看（表3），新疆生态系统主要的服务功能为水源涵养、土壤形成与保护、废物处理以及生物多样性保护，4项价值之和占总价值的73.74%，这也充分说明该地区是中国生态安全极为重要的核心区域；原材料和食物生产的贡献率最小，不足6%，这说明新疆生态系统的服务性功能远远大于生产性功能。从总体变化来看，虽然前8a土壤形成与保护，气候调节和气体调节等功能的价值都处于增长的趋势，但后5a里所有生态系统服务功能价值的增幅都趋于缓慢，其增幅减缓的原因主要由于过度开垦、乱砍滥伐和超载放牧等人类活动的胁迫作用，使得草地不断减少，生态系统结构和功能受到严重破坏，从而造成生物多样性衰退和荒漠化、盐碱化等土地退化现象。另外，气候干旱和不合理的土地利用的影响也较大。如果这种趋势得不到有效控制，将对于维系新疆，乃至整个西北干旱区的生态系统的稳定、生态环境的保护以及改善都会产生极其不利的影响。

表3 1996－2008新疆地区生态系统各服务类型价值变化

3.2.2 人均生态系统服务价值变化 李小燕［24］认为将生态系统服务价值与人口有机结合可以更加直观有效地反映环境压力情况。新疆1996，2000，2004和2008 年人口数量分别为 1 689.29，1 849.41，1 963.11和2 130.81万，据此计算的4个时期人均生态系统服务价值分别为4.18，3.84，3.65和3.36万元。即13a间，人均生态系统服务价值共损失0.82万元，年均损失0.06万元，减幅达19.52%，2004—2008年年均损失量和减小幅度分别为1996—2004年的85.37%和1.22倍，表明新疆人均生态系统服务价值呈持续下降的趋势，损失幅度呈增大趋势，即1996—2008年，新疆由于人口的增长，环境压力呈持续增大趋势。

3.2.3 敏感性指数分析 根据前面CS计算公式，本文把VC分别上下调整50%，计算出新疆1996，2000，2004和2008年各地类的敏感性指数。结果表明，ESV对VC的敏感性指数均小于1，由高到低依次为草地、水域、林地、未利用地、耕地、园地和建设用地。最高值是1996年的草地为0.468 1。这表明在1996年，当草地的VC增加1%时，相应的ESV增加0.468 1%。敏感性分析的结果表明，研究区内ESV对VC缺乏弹性，基于谢高地等［21］价值系数的生态系统服务功能价值核算结果，在该区域内是可信的（图1）。

图1 1996－2008年新疆地区敏感性指数

3.3 影响新疆生态系统服务价值变化的土地利用人文驱动力定量分析

3.3.1 驱动力因子的选择 本文从影响土地利用变化的人文驱动力因素中选取18个指标作为自变量（表4），同时选取生态系统服务价值变化率作为因变量，以此构建生态系统价值变化的指标矩阵。其中18个自变量指标基本涵盖了影响土地利用变化的人口、经济、产业结构和城市化4大因素。通过应用因子分析和多元回归分析的方法从定量角度去解释引起土地利用变化的人文因素对生态系统服务价值变化的影响。

表4 新疆生态系统服务价值定量分析的变量选择

3.3.2 驱动力因子的提取 采用“最大方差正交旋转法”［25］进行因子分析，并根据特征根大于1.0的原则提取了3个驱动力因子。通过表5可知，前3个特征根大于1的主成分其累计贡献率达到71.343%，对大多数的数据已经做了充分的概括，完全符合分析要求［26］，能从总体上反映原始指标所代表的生态系统服务价值的信息。因此，提取3个因子是可以接受且科学的，3个因子载荷如表5所示。根据3个因子的特征根和贡献率以及与所选变量之间的关系，将其分别命名为经济因子、人口因子和城市化水平因子。

表5 生态系统服务价值影响因子特征根及累积方差贡献率

通过表6可以看出，因子1的特征值为7.821，方差贡献率为34.004%，从业人员数年变化率（X3）、非农人口年变化率（X5）、工业总产值年变化率（X9）、人均收入年变化变化率（X3）、非农人口年变化率（X5）、工业总产值年变化率（X9）、人均收入年变化率（X10）、固定资产投资年变化率（X12）、第三产业占GDP的比重（X15）9个变量在因子1上正载荷值最大，呈正相关；农业总产值年变化率（X8）和第二产业占GDP的比重（X14）2个变量在因子1上负载荷值最大，呈负相关，因此可将因子1命名为经济因子。

因子2的特征值为5.917，方差贡献率为25.726%，总人口年变化率（X1）、人口密度年变化率（X2）、城镇人口年变化率（X4）、地均 GDP年变化率（X7）和人均公共绿地面积年变化率（X17）5个变量在因子2上正载荷值最大，呈正相关；第一产业占GDP的比重变化（X13）在因子2上负载荷值最大，呈负相关，因此可将因子2命名为人口因子。

因子3的特征值为2.617，方差贡献率为11.613%，地区生产总值年变化率（X6）、社会零售商品总额年变化率（X11）和城市化率年变化率（X16）3个变量在因子3上正载荷值最大，呈正相关；邮电业务总量年变化率（X18）在因子3上负载荷值最大，呈负相关，因此可将因子3命名为城市化水平因子。

表6 生态系统服务价值变化驱动因子载荷矩阵

3.4 新疆生态系统服务价值变化率线性回归分析

应用计算所得的生态系统价值变化影响因子得分数据矩阵，以生态系统服务价值变化率为因变量，以生态系统价值变化影响因子（影响因子A1，影响因子A2，影响因子A3）为自变量进行多元线性回归分析，得到新疆生态系统价值变化率与生态系统价值变化影响因子的多元回归模型：

通过生态系统服务价值的多元线性回归模型可以看出经济、人口、城市化3个因子可以解释新疆生态系统服务价值变化所包含的信息。由于式（4）的确定系数为0.763，可以表明3个因子能解释76.3%的生态系统价值的变化信息。虽然线性拟合度不高，但影响因子对生态系统服务价值变化的影响趋势是相同的。经济因子与生态系统服务价值变化呈正相关，其每提高一个单位ESV就变动0.673标准单位；与此相反，它与人口因子和城市化水平变化呈负相关，其每提高一个单位ESV变化强度就变动－0.321和－0.098个标准单位。

4 结论

（1）新疆土地类型以未利用地为主，草地次之，园地最少。1996—2008年，新疆草地和未利用地面积持续减少，其他类型土地面积总体上呈现增加趋势。当前，随着国家西部大开发战略的进一步实施，新疆的土地利用综合程度和人类活动强度必将呈现进一步增大的趋势。

（2）新疆1996—2008年区域生态系统服务价值增加106.813 9亿元，年均增加8.216 5亿元，表明该区域生态系统服务价值总体呈现持续增加趋势。在生态系统服务价值损失量中草地损失价值最多，占总损失量的94.75%，该损失主要是由人类活动导致的草地退化引起。

（3）新疆生态系统服务价值中，废物处理价值最高，水源涵养价值次之，原材料价值最低；13a间，新疆生态系统各服务类型价值比例变化很小，但总值均呈增加趋势，原材料价值增加幅度最大，娱乐文化次之，食物生产最小。

（4）新疆在13a间人均生态系统服务价值损失0.82万元，减幅达19.52%，表明新疆由于人口的增长，环境压力呈持续增大趋势。

（5）运用因子分析等定量方法可以将影响生态系统服务价值变化的关键人文因素因子归纳为经济、人口和城市化水平3个因子，并应用多元回归分析方法从定量角度构建人文因素对生态系统服务价值变化的影响模型。研究表明，生态系统服务价值与总人口和城市化水平呈现出极为显著的负相关关系，与经济水平呈现正相关关系。这表明新疆的人口数量的增长和城市化水平的加快对区域生态环境具有明显的压力和负作用，而新疆渔业、林果业的发展以及撂荒、垦荒、开发建设等经济因素对新疆的生态环境的改善具有一定的带动作用。

本文在计算各生态系统服务价值变化的过程中，没有顾及人文因子之间纵横交错的相互影响及其因子指向的非确定性，同时生态系统服务价值变化和驱动因子之间的关系模型也并非简单的线性关系。这对本研究的结果分析带来一定的偏差和困难，但这也说明进行生态系统服务价值变化与人文因子综合影响模型分析的难度较大，有待进一步的研究和改进。值得肯定的是，本研究初步确定了影响新疆生态系统服务价值变化的3个影响因子和影响作用的大小。研究结果与新疆的实际情况基本吻合，针对上述一些影响作用较大的主要因子进行适当的调控将会影响到区域未来的生态系统服务价值变化。

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