土地利用变化对艾比湖流域生态系统服务价值的影响

白泽龙，包安明，常 存，李 琴，努尔家依·热介夫

（1．中国科学院 新疆生态与地理研究所，新疆 乌鲁木齐830011；2．中国科学院大学，北京100049；3．荒漠与绿洲生态国家重点实验室，新疆 乌鲁木齐830011；4．新疆环境保护科学研究院，新疆 乌鲁木齐830011；5．济南大学，山东 济南；6．新疆昌吉回族自治州环境监测站，新疆 昌吉831100）

生态系统服务是指通过生态系统的结构、过程和功能直接或间接得到的生命支持产品和服务［1］。生态系统为人类提供的服务包括两大类：一是提供人们生活必需的生态系统产品，二是提供保证人类生活质量的生态功能［2］。因而生态系统服务是人类生存和发展的物质基础和基本条件，是人类拥有的关键自然资本，对其功能的评价在全球生态系统管理和可持续发展生态学研究中占有十分重要的地位［3－4］。由人类活动引起的生态系统服务价值的变化在社会经济快速发展背景下被广泛关注，特别是作为全球环境变化核心领域的土地利用／覆被变化（LUCC）通过改变生态系统的结构和功能，对生态系统维持其服务功能起决定性作用［5］，将深刻影响生态系统的服务价值。因此，研究土地利用变化对区域生态系统服务价值的影响具有重要意义。

国内外众多学者对生态系统服务价值的理论、评价、估算和应用进行了大量的研究［6－9］，但大多基于全球或国家等行政区域尺度，对重点流域、自然保护区等自然区域尺度的价值评估研究较少，而从土地利用角度研究生态系统服务价值还处于起步阶段［10－12］，另外，对生态环境脆弱的干旱区生态系统服务价值研究相对缺乏。艾比湖流域集湿地和荒漠化过程为一体，反映了地质、水文、强气流和人类活动过程的综合作用，是准噶尔盆地生态环境变化的关键地区。随着艾比湖地区社会经济的快速发展，人类对自然的干扰不断加强，土地开发利用问题日益突出，土地利用／覆被发生着重大的变化，严重影响流域生态系统服务的提供。因此，开展艾比湖流域生态系统服务价值的动态研究，对分析由LUCC引起的生态与环境变化具有重要的指导作用，同时，将为流域土地资源可持续利用和生态环境保护提供决策支持，并可为估算干旱区典型内陆湖流域生态系统服务价值变化提供新的思路。本文运用遥感、GIS等手段，通过土地利用类型的面积及其净变化和净变化速度重建了艾比湖流域LUCC过程，并利用生态系统服务价值、生态系统单项功能的服务价值和敏感性指数，分析了流域生态系统服务价值的变化过程和土地利用变化与生态系统服务价值的关系，以期探索干旱区内陆湖流域土地利用变化对生态系统服务价值影响的一般规律，为生态系统各种服务功能的保育与提高、生态补偿制度的建立提供科学依据。

1 研究区概况

艾比 湖 流 域 地 理 坐 标 为 43°38′—45°52′N，79°53′—85°02′E。流域地跨博尔塔拉蒙古自治州的博乐市、温泉县和精河县，塔城地区的乌苏和托里县南部，伊犁直属的奎屯市和克拉玛依的独山子区。流域面积5．00×104km2，其中山地面积和平原区面积较大，湖泊面积较小，流域包括艾比湖沿岸的博乐、精河2个绿洲，地处艾比湖流域的中部偏西（包括艾比湖湖区）。夏季降水稀少，冬季异常干燥寒冷，年平均气温6．6～7．8 ℃，多年平均降水量116．0～169．2mm，生态环境十分脆弱。受西风环流以及蒙古高压和西伯里亚冷空气的影响，艾比湖地区表现为典型的中温带干旱大陆气候，以干旱少雨，蒸发量大，日照充足，气候变化剧烈为特征，特别是与特殊的地形地貌相匹配，风多风大，沙尘暴和浮尘活动频繁是该地区的显著特色。艾比湖位于该流域的最低处，是典型的干旱区湖泊，具有特殊的湿地干旱生态系统。

2 研究数据与方法

2．1 土地利用动态数据获取

本研究所用1970，1990年和2000年的土地利用与土地覆被数据来源于中国科学院新疆生态与地理研究所知识创新重要方向项目“新疆近50aLUCC及其生态环境效应研究（KZCX3－SW－327）”完成的新疆土地利用／覆被数据集。2009年的土地利用与覆被数据以2009年TM遥感影像作为基础数据，对影像进行包括辐射校正、几何精校正和坐标转换等预处理，在综合考虑遥感影像数据光谱信息和纹理特征的基础上，结合干旱区特点，对土地资源分类系统进行合并处理，将研究区土地利用划分为6个类型，即耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地。对于一些线状地物，例如部分公路、农村道路、沟渠、防护林带等，因技术处理原因无法单独分类，故分别列入上述地类之中，不再单独列出。按照上述分类系统，采用最大似然分类法对2009年TM遥感影像进行监督分类，并对其分类结果采用最常用的Kappa系数法进行精度检验，符合分类精度的要求。为了数据的一致性，将1970，1990和2000年3期的土地利用数据进行合并处理，与2009年数据一样，划分为6个类型，即耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地。以这4期的土地利用数据为基础，进行相应的统计分析。

2．2 土地利用动态变化研究方法

某土地利用类型面积的相对变化（Nc）采用下列公式计算：

式中：Ua，Ub——研究初期和末期某一土地利用类型的面积；ΔUout——研究时段内该土地利用类型转变为其他土地利用类型的面积之和；ΔUin——其他土地利用类型转变为该土地利用类型的面积之和。下同。

相应的某土地利用类型净变化速度（Rs）的计算公式如下：

式中：T——研究时段。

2．3 生态系统服务价值评价方法

Costanza等［1，13］将全球生物圈划分成16种生态系统和17种生态系统功能，并估算了它们的生态系统服务价值，但 Costanza等［1，14］的方法是基于全球尺度，且对某些生态系统单位面积的价值估计过高或过低，如对耕地的估计过低，对湿地又偏高等。为了尽量减少在中国应用时的误差，本研究采用价值量评价法，借鉴谢高地等［14］提出的中国陆地生态系统单位面积生态服务价值表，同时根据谢高地等［14］对生态服务价值的区域修正系数（新疆为0．58），确定艾比湖流域不同土地利用类型相对应的生态系统类型及生态价值系数（表1），其中建设用地不考虑在内。

表1 艾比湖流域各土地利用类型所对应的生态系统类型及其生态价值系数 元／（hm2·a）

提取每种土地利用类型单位面积生态服务价值系数后，运用生态系统服务价值的模型［1］来分析各种土地利用／覆被类型的生态系统服务价值和单项功能的服务价值，其计算公式如下：

式中：ESV——生态系统服务价值（元）；Ak——研究区第k种土地利用类型的面积（hm2）；VCk——第k种土地利用类型的单位面积生态系统服务价值系数〔元／h（m2·a）〕；ESVf——生态系统第f项功能的服务价值（元）；VCfk——第k种土地利用类型所对应生态系统第f项功能的服务价值系数〔元／（hm2·a）〕。

2．4 敏感性分析

为了确定生态系统服务价值随时间的变化对于生态服务价值指数的依赖程度，本文参照相关研究成果［15］，选取经济学中常用的弹性系数概念来计算价值指数VC的敏感性指数CS，敏感性指数是指生态服务功能价值系数变动1%引起生态系统服务价值的变化情况。文中将各类土地利用类型的价值指数VC分别调整50%，以衡量生态系统服务价值对价值指数VC的敏感程度。如果CS＞1，表明生态系统服务价值相对于VC是富有弹性的；如果CS＜1，生态系统服务价值则被认为缺乏弹性。CS值越大，表明生态服务价值指数的准确性越关键。敏感性指数的计算公式如下：

式中：ESVi，ESVj——表示初始的生态系统服务价值和生态服务价值指数调整后的生态系统价值。

3 结果与分析

3．1 土地利用变化分析

艾比湖流域土地利用／覆被结构主要体现了干旱区生态环境的特征，由于水资源的缺乏，存在大量未利用地，耕地作为人工绿洲镶嵌其中，占流域面积很小的绿洲区承载了全部的人口和粮食生产，林地和草地分布于荒漠边缘，水域和建设用地相对较少。从表2可以看出，整体上艾比湖流域的土地利用类型以草地和未利用地为主，在研究区总面积中占有绝对优势；建设用地所占比例最小。在整个研究时段内，耕地和建设用地的面积逐渐增加，草地面积先增加后减少，林地和水域面积先减少后增加而后又减少，未利用地面积先减少后增加。

1970—1990年，研究区耕地、草地和建设用地面积增加，其中耕地的净变化最大；林地、水域和未利用地面积减少，其中林地的净变化最大；由于草地和其他未利用地面积在总土地面积中所占比例较大，其净变化较小。1990—2000年，耕地、建设用地和未利用的变化趋势与1970—1990年的变化趋势一致，林地、草地和水域的变化趋势则相反。2000—2009年，耕地、建设用地和未利用地的面积增加，林地、草地和水域的面积减少，但其变化趋势不是很明显，各地类面积净变化不是很大。就整个研究时段而言，耕地和建设用地的面积增加，且他们的净变化均超过200%，增加比较明显；其他土地利用类型的面积减少，但净变化低，减少趋势不是很明显。

表2 艾比湖流域1970－2009年的土地利用变化

1970年以来，艾比湖流域建设用地净变化最大，增速最高，表明城市化进程加快且农村基本建设得到长足发展；耕地增速较高是流域内人口增加和新疆大规模垦殖的结果；林地和草地的减少主要是大量的林地和草地被开垦为耕地，说明流域的生态环境建设处于比较弱的水平。

虽然未利用地有所减少，但其面积仍占流域的40．59%，继续改造未利用地仍然是流域生态环境治理的难题和关键。土地利用类型的相互转化是人类改造生态系统的开始，土地利用变化必然改变了生态系统的结构和功能，进而影响生态系统服务价值的动态变化。

3．2 土地利用变化对生态系统服务价值的影响

3．2．1 土地利用变化引起的生态系统单项服务价值变化 根据式（4）计算各年份生态系统单项服务价值和不同时期生态系统单项服务的价值变化，由表3可知，在生态系统服务总价值结构中水源涵养，土壤形成保护和废物处理比例最高，三者之和超过总价值的50%，其中废物处理服务价值在4个研究时期内所占比例逐渐增大。此外，生物多样性保护服务价值在生态系统服务总价值结构中比例也很大，超过10%。这充分说明该区域是新疆乃至全国生态安全极为重要的核心区域。根据估算的生态系统服务价值的大小，分别对1970，1990，2000和2009年每种生态系统功能对总生态系统服务价值的贡献进行排序，基于4期的生态系统服务价值平均值，得到每一种功能的总体等级。从整个研究时段来看，研究区每种生态系统功能的服务价值对总生态系统服务价值贡献大小的变化较小，其等级排序基本相同。根据每种功能的服务价值对总生态系统服务价值贡献的整体等级，从高到低依次为废物处理、水源涵养、土壤形成与保护、生物多样性保护、气候调节、气体调节、娱乐文化、原材料和食物生产。其中废物处理的贡献不断增加，气体调节的贡献不断减小，其他功能的贡献则处于时增时减的动态变化之中，没有持续性的增减趋势。1970—1990年只有土壤形成与保护和食物生产呈增加趋势，食物生产增速最高，年增长率为1．60%，主要是由食物生产价值系数最高的耕地增长所致；其他各单项服务价值呈减少趋势，主要是由提供这几项功能最高的水域和林地减少所致。1990—2000年各单项服务价值总体呈增加趋势，其中增速最高的是水源涵养，年增长率为0．96%，此外原材料的增速也很大。2000—2009年各单项服务价值总体呈减小趋势，其中减速最高的是土壤形成与保护，年减少率为1．02%。1970—2009年整个研究时期内，只有食物生产呈增加趋势，年增长率为0．85%，其他各单项服务价值呈减少趋势，其中原材料减速最快，年减少率为0．80%。

表3 艾比湖流域1970－2009年生态系统单项服务价值变化108元

3．2．2 生态系统服务总价值变化 根据式（3），计算不同土地利用类型各年份生态系统服务总价值及变化。由图1可以看出，生态系统服务总价值结构以草地和水域的生态价值为主体，两者在4个研究时期内所占生态系统服务总价值的比例均超过70%。研究区草地、林地和水域的生态系统服务价值占总价值的比例较大，未利用地生态系统服务价值占总价值的比例最小。

草地生态系统服务价值占总价值的比例与其土地面积在总土地面积中所占的比例均为最大；水域和林地生态系统服务价值占总价值的比例远大于其土地面积在总土地面积中所占的比例；未利用地在整个研究时段内的面积比例均大于30%，但其在生态系统服务价值中所占比例均小于3%。造成这种格局的主要原因是研究区草地、林地、水域的生态系统服务价值系数远大于其他未利用地的价值系数。

图1 艾比湖流域各土地利用类型面积结构和生态系统服务价值结构

由表4可知，艾比湖流域生态服务总价值在1970年以来总体减少，价值由1970年的1．88×1010元减少到2009年的1．75×1010元，39a间平均减少率为0．18%。林地的生态服务价值减幅最大，其次为水域和草地，只有耕地的生态系统服务价值增大，林地面积的减少是导致该时段生态系统服务价值损失的最主要原因，水域次之，与此同时，耕地作为唯一的生态系统服务价值增大的地类，其面积的增加从一定程度上补偿了总生态系统服务价值的部分损失。1970—1990年，研究区生态系统服务总价值减少，林地、水域和未利用地的生态服务价值减少，其中林地减幅最大，年减少率2．08%；耕地和草地的生态服务价值增加，草地增幅最大，但耕地的年增加率最大；林地面积的减少是导致该时段生态系统服务价值损失的最主要原因，未利用地次之，同时，耕地和草地面积的增加从一定程度上补偿了总生态系统服务价值的部分损失。1990—2000年，研究区生态系统服务总价值增加，草地和未利用地的生态服务价值减少，但减少幅度不是很大；其他地类的生态服务价值增加，水域增幅最大；草地和未利用地面积的减少引起该时段生态系统服务价值的损失，但耕地、林地和水域面积的大幅增加，不仅补偿了总价值的损失，而且使总生态系统服务价值增加了9．86亿元；与1970—1990年相比，此时段内生态系统服务价值的年变化率大幅降低，且与各自面积的变化趋势一致。2000—2009年，研究区生态系统服务总价值减少，草地、水域和林地的生态服务价值减少，草地减幅最大，年减少率1．59%；水域和林地的减少幅度不是很大；耕地和未利用地的生态服务价值增加，耕地增幅最大；草地面积的减少是引起该时段生态系统服务价值损失的最主要原因，耕地和未利用地面积的增加补偿了总生态系统服务价值的部分损失，但总生态系统服务价值还是减少了12．7亿元；与1990—2000年相比，此时段内生态系统服务价值的年变化率有所增加，但变化不大，只有耕地和草地的变化趋势相同，其他地类变化趋势相反，并且与它们各自的面积变化趋势相同。从图2可以看出，林地和水域的生态系统服务价值与总价值的变化趋势是一致的，它们在很大程度上了决定生态系统服务总价值及变化趋势，因此，今后在生态建设和管理中应注重对流域内林地和水域生态系统的保护。

表4 艾比湖流域1970－2009年生态系统服务总价值变化 108元

图2 艾比湖流域各时段生态系统服务价值量变化

3．3 敏感性分析

本文将研究区各土地利用／覆被类型的价值系数分别上下调整50% ，根据式（5），计算价值系数调整后总生态系统服务价值变化的百分比，并估算出敏感性指数（表5）。

由表5可以看出，在各种情况下，研究区所有土地利用类型生态系统服务价值系数的敏感性指数（CS）均＜1，且接近于0，说明相对于生态系统服务价值系数来说，研究区生态系统总服务价值缺乏弹性。不同年份之间差异很小，由高到低依次为草地、水域、林地、耕地和未利用地。草地的CS最高，主要原因是草地因面积优势在总生态系统服务价值中所占比例最大；水域和林地次之，主要原因是水域和林地的价值系数较大；虽然其他未利用地面积仅次于草地，但由于其价值系数较低，导致其CS最小（建设用地除外）。

1970—1990年耕地和草地敏感性指数呈增长趋势，林地和水域敏感性指数呈减少趋势，这表明耕地和草地的生态系统价值系数变化会对艾比湖流域生态系统服务总价值产生了放大作用，林地和水域生态系统价值系数变化对艾比湖流域生态系统服务总价值产生了缩小的作用。未利用地的敏感性指数很小，位于0～0．03之间，表明未利用地生态系统价值系数变化对艾比湖流域生态系统服务总价值的变化影响不大。1990—2009年林地和水域敏感性指数呈增长趋势，草地敏感性指数呈减少趋势，与1970—1990年变化趋势相反。草地的敏感性指数在这个研究时段内都是最高的，在0．41～0．50之间，说明草地对生态系统服务价值的贡献率最大，当草地生态系统价值系数增加1%时，生态系统服务价值增加0．41%～0．50%。敏感性分析表明，即使价值系数具有不确定性，研究区生态系统服务价值的估算仍是稳健的。

表5 调整生态系统服务价值后研究区总生态系统服务价值的变化及其敏感性指数

4 结 论

本文依据新疆艾比湖流域1970，1990，2000，2009年4期土地利用数据，分析了流域土地利用变化情况，应用谢高地等［14］提出的中国陆地生态系统单位面积生态服务价值系数，估算了土地利用变化引起的生态系统服务价值的变化，引入弹性系数概念对生态价值的敏感性指数进行了计算。

（1）艾比湖流域1970—2009年土地利用变化显著，耕地和建设用地的面积增加，其他土地利用类型的面积减少，变化量最大的是耕地，其增加趋势明显，39a间共增加了339 289．08hm2，变化速度最快的是建设用地，年增长率为12．51%，此外，耕地的变化速度也很快，年增长率为11．92%，其他用地类型为负增长。

（2）艾比湖流域生态服务总价值在1970年以来呈现先增加后减少的趋势，到2009年总价值减少了1．35×109元，其中林地的生态服务价值减幅最大，其次为水域和草地，只有耕地的生态系统服务价值增大。在整个研究时段内，不同生态系统功能的服务价值对总服务价值贡献的等级基本保持不变，水源涵养、土壤形成保护和废物处理的贡献率最大。林地和水域的生态系统服务价值与总价值的变化趋势一致，它们在很大程度上了决定生态系统服务总价值及变化趋势。

（3）敏感性指数表明，研究区生态系统服务价值对于生态价值系数是缺乏弹性的，生态系统服务价值对生态服务价值系数的敏感程度均小于1，因此研究结果是可信的。

（4）本文只对艾比湖流域土地利用数量和结构变化对生态系统服务价值的影响进行了探讨，但土地质量变化同样影响生态系统服务价值，同时缺乏土地利用变化对生态系统服务价值空间差异的研究。

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