生态输水前后塔里木河干流生态系统服务价值的变化过程

陈超群，吴 煜，王 健，赵 乐，赵新风

(1.新疆兵团勘测设计院(集团)有限责任公司，乌鲁木齐 830002；2.中国科学院新疆生态与地理研究所，乌鲁木齐 830011)

塔里木河流域自20世纪50年代开始被开发，至今已有60 a以上的建设历史，上中游已成为新疆主要的农业区和棉花生产基地。随着经济的快速发展，土地资源开发强度加大，大片林地、灌草地被开发为农田，土地利用方式的改变对生态系统的结构和过程及其提供的服务产生巨大的影响，进一步影响到整个流域社会经济的可持续发展[1,2]。上中游土地的开发，造成塔里木河下游的生态环境问题日趋严峻，为拯救下游绿色走廊，恢复和重建受损的下游生态系统，于2000年7月始，实施了塔里木河生态输水工程。

塔里木河流域生态系统服务功能的研究虽然已有很多[2-6]，特别是对塔里木河干流[2,3, 6]。1997年Constanza等[7]对全球主要17类生态系统服务的价值进行评估，Richad和Wui等[8]对不同草地类型的生态系统提出了评估方法并进行案例分析，基于该方法Turner等对湿地的日趋减少进行了原因分析[9]；国内赵同谦等[10]将生态系统划分为4大类并由13个功能指标构建了评价指标体系，刘兴元等[11]对全国草地的经济价值进行了评估，谢高地等[12]将生态系统划分为18类并提出区域草地功能价值的计算。从以上一系列的研究可以看出国内外许多生态服务价值的研究均是在Constanza的基础上开展。在前人对塔河的研究中，叶茂等[2]、程霞[3]主要是对塔河中下游1990-2000年的生态经济进行分析，而对整个塔河干流以及对塔河生态输水这一重大工程带来的影响未作全面解释，白元等[6]虽是以整个塔河干流为研究目标，但时间尺度上只选择塔河生态输水后的2期(2005、2010年)数据进行了分析，而本文正是将以上3个研究进行了综合，利用1990、2000及2010年3期遥感影像数据，试图量化输水前环境退化过程中的经济价值损失、生态输水后的经济价值的增加，一方面让更多的人认识生态系统服务价值的损失中生态环境保护的重要性，另一方面了解生态系统服务功能好转的原因所在，从而为塔里木河干流的生态治理提供决策依据。

1 研究区概况

塔里木河干流位于天山以南，塔克拉玛干沙漠以北，地理位置为:39°21′21″- 41°34′04″N，80°53′06″- 88°37′51″E。它西起肖夹克，东至罗布庄，全长 1 321 km。研究区内干旱少雨，蒸发强烈，年蒸发量达2 006.7～2 842.5 mm，为暖温带极端干旱区。区域内降雨稀少，植被种类为荒漠河岸林。塔里木河干流行政区域隶属于新疆维吾尔自治区沙雅县、沙雅监狱、库车县、库车种羊场、轮台县、尉犁县和新疆生产建设兵团。

2 数据来源及研究方法

2.1 土地利用/覆盖动态信息源数据获取

本文所用数据主要为1990、2000和2010年的Landsat TM遥感影像，选取4，2，3(ROB)波段合成影像解译，地面分辨率为30 m。由于在该时间段内难以获取高质量数据的地区，适当放宽获取数据的年份，或者采用航片作为补充信息源数据。数据处理平台：ERDAS IMG1NG8.4，ARC/INFO，ORACLE和EXCEL2000。

2.2 土地利用/覆盖类型的划分

根据研究区的土地利用特点，参考中国科学院资源环境数据库中全国1∶100 000土地利用分类系统，将研究区土地利用类型分为3级，56类。在研究其土地覆盖变化的生态服务价值变化时采用了二级类型，即分为建筑用地、耕地、天然林、灌草地、内陆湿地、苇地滩涂、内陆水体、裸地和荒漠。基于樊自立等[13,14]对人工与天然绿洲的划分，在绿洲平原区，将各土地利用分类类型进行人工绿洲和天然绿洲的划分(见表1)。

2.3 生态系统服务价值的计算方法

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。针对Constanza[7]的研究中缺乏对沙漠、冻原、冰雪、岩石等生态系统服务价值的估算，谢高地等学者结合中国的实际情况，采用对200位生态学者的问卷调查法，制定出中国2002年平均状态的不同陆地生态系统单位面积生态服务价值[12]，见表2。

表1 天然绿洲与人工绿洲的划分

表2 中国不同陆地生态系统单位面积生态服务价值 元/hm2

以Costanza等[7]对全球生态系统服务单位价值的平均估算和谢高地等制定的中国不同陆地生态系统单位面积生态服务价值为基础，结合黑河流域某些生态类型的单位服务价值计算的方法[8]，结合塔里木河流域的特点，确定了塔里木河干流不同土地利用/覆盖类型单位面积的生态服务价值。生态系统服务价值的计算公式为：

(1)

式中：ESV为研究区生态系统服务总价值；VCi为单位面积上土地利用类型的生态系统服务总价值；Ai为研究区内土地利用类型的分布面积。

3 结果与分析

3.1 土地利用类型总体结构和特征

塔里木河干流1990-2010年的各种土地利用类型均发生了变化。其中1990年研究区的土地利用类型中耕地、天然林地、灌草地、湿地、内陆水体和荒漠分别占总面积的2.53%、6.84%、31.58%、0.25%、1.41%、57.17%，2000年则分别占总面积的4.69%、6.32%、29.85%、0.00%、1.19%、57.61%，2010年又分别占总面积的7.09%、6.00%、27.56%、0.04%、1.89%、57.02%(见表3)。

表3 塔里木河干流1990、2000和2010年

从表3看，1990-2010年这20 a期间，虽然土地利用发生变化，但各种类型之间的内部转变和调整占主导，整个区域内的主导类型并未发生大的改变，即天然林地、灌草地和荒漠是塔里木河干流流域面积最大的3个土地类型，占到90.6%～95.6%。其中荒漠(沙漠、戈壁和盐碱地)的面积最大，占总面积的57%以上，说明流域生态环境恶化的程度十分严重。

1990-2010年，绿洲内各土地利用要素变化存在很大差异，在变化速递上，耕地面积增长最快，荒漠、裸地等变化不大，较为稳定。

3.2 人工与天然绿洲变化分析

1990年塔里木河干流人工绿洲面积为1 819.44 km2，天然绿洲面积为17 439.06 km2；2010年塔里木河干流人工绿洲面积为4 116.13 km2，天然绿洲面积为15 217.56 km2。1990-2010年人工绿洲面积增长2 296.69 km2，扩张速度为114.83 km2/a，天然绿洲减少面积2 221.5 km2，减小速度为111.08 km2/a。其中，1990-2000年人工绿洲扩张速度为88.65 km2/a，天然绿洲减少速度为108.16 km2/a，2000-2010年人工绿洲扩张速度为136.51 km2/a，天然绿洲减少速度为113.99 km2/a。

3.3 输水前生态服务价值总体呈下降趋势

表4是1990年和2000年塔里木河干流生态系统服务价值。由表4可知，1990年塔里木河干流土地利用类型的生态系统服务价值总额为134.61 亿元，2000年为123.18 亿元。1990-2000年这10 a期间，生态系统服务价值减少了11.43 亿元，减少了8.5%，平均每年减少1.14 亿元。不难看出，这10 a因土地利用类型变化带来的生态系统服务价值总体上呈下降趋势。而对不同土地利用类型，其生态系统服务价值也出现不同程度变化，其中耕地、滩涂和荒漠土地类型在10 a期间是处于增值状态；而天然林地、灌草地、湿地等其他类型的生态服务价值均在减少。

表4 塔河干流生态输水前生态系统服务价值

由于单位面积的生态系统服务价值存在差异，不同的土地类型因面积的变化而表现出生态服务价值的变化。在土地利用/覆盖增加类型中，耕地和滩涂面积增加的幅度最为明显，它们的生态系统服务价值所占比例分别从1990年的3.58%和36.17%上升到2000年的7.26%、37.36%。而2000年的天然林地、灌草地、湿地、水体、裸地等面积均呈不同幅度地降低。其中湿地、裸地下降幅度最大，湿地生态系统价值从4.54%急剧减少到0.01%，但由于很低的单位面积生态服务价值，裸地生态系统服务价值相应地降幅也较小。内陆水体面积下降(面积所占比例从1990年的1.41下降到2000年的1.19%)，导致其生态系统服务价值所占比例从1990年的18.69%下降到2000年的17.25%。

从生态价值变化上看(见表4)，湿地和内陆水体的生态价值变化是引起整个干流生态系统服务价值变化的2种主要土地利用类型，其次是天然林地与灌草地。从1990-2000年的生态价值所占的比例来看(见表4)，塔里木河干流各种土地利用类型的生态系统服务价值中，是以耕地、内陆水体、天然林地、灌草地的生态价值为主导。1990年与2000年，天然林地和灌草地所占面积比例相当。相应地，其生态服务价值在整个生态系统服务价值中所占比例也基本相当。

在整个生态系统中，天然林和灌草地所占的生态价值比例最高，达到了66.20%。耕地和水体虽然所占的面积比例相近，但它们的生态经济价值相差甚远，水体的生态系统服务价值是耕地生态系统服务价值的4倍多。

由于耕地、滩涂和荒漠面积在10 a期间是处于增长的状态，所以其生态服务价值也相应地增加。增值幅度排序依次为：耕地>滩涂>荒漠。10 a内增加的价值共计4.30 亿元。而天然林地、灌草地、湿地、内陆水体的面积在10 a内均有不同程度的减少，其生态系统的服务功能价值也相应地损失。生态服务价值减值幅度依次排序是：湿地> 内陆水体>天然林地>灌草地。10 a内损失的价值共计15.74 亿元，与增加的生态服务价值抵消后，塔河干流生态系统服务价值总共减少了11.43 亿元。

3.4 输水后生态服务价值总体呈上升趋势

表5是2000年和2010年塔里木河干流生态系统服务价值。由表5可知，2000年塔里木河干流土地利用类型的生态系统服务价值总额为123.18 亿元，2010年为135.75 亿元。2000-2010年这10 a期间，生态系统服务价值增加了12.57 亿元，增加了10.21%，平均每年增加1.26 亿元。不难看出，这10 a期间因土地利用类型变化带来的生态系统服务价值总体上呈上升趋势。而对不同土地利用类型，其生态系统服务价值也出现不同程度变化，其中耕地、湿地、滩涂和内陆水体在10 a期间是处于增值状态，而天然林地、灌草地、荒漠的生态服务价值均在减少。

同样，由于单位面积的生态系统服务价值存在差异，不同的土地类型因面积的变化而表现出生态服务价值的变化，在增加的类型中，耕地和内陆水体面积增加的幅度最为明显，它们的生态系统服务价值所占比例分别从1990年的7.26%和17.25%上升到2000年的9.95%和24.92%。由于水体单位面积的生态服务价值较高，其面积增加幅度虽低于耕地，但其生态服务价值增幅要高于耕地生态服务价值增加幅度，生态服务价值增加了6.67%。至2010年，天然林地、灌草地、荒漠面积均有不同幅度地降低。其中灌草地、荒漠下降幅度最大，灌草生态系统价值从37.36%急剧减少到31.31%。由于单位面积天然林生态服务价值很高，其面积下降幅度低于荒漠，但其生态服务价值降幅要高于荒漠生态服务价值降低幅度。

表5 塔里木河干流生态输水后生态系统服务价值 (2000-2010年)

在输水前(2000年)与输水后(2010年)，天然林地和灌草地2者总生态服务价值所占比例在整个生态系统分别达到了67.69%和57.45%；输水前与输水后内陆水体生态服务价值比例分别占到了17.25%与24.92%。因此，构成塔里木河干流生态系统服务价值的主要土地利用类型是天然林、灌草地和内陆水体。

由于耕地、湿地、滩涂、内陆水体面积在生态输水的期间是处于增长的状态，所以其生态服务价值也相应地增加。增值幅度排序依次为：内陆水体>耕地>湿地>滩涂。10 a内增加的价值共计18.07 亿元。而天然林地、灌草地、荒漠的面积在10 a内均有不同程度的减少，其生态系统的服务功能价值也相应地得到了损失。生态服务价值减值幅度依次排序是：灌草地>天然林地>荒漠。10 a内损失的价值共计5.50 亿元，与增加的生态服务价值抵消后，塔河干流生态系统服务价值总共增加了12.57 亿元。

4 结论与讨论

(1)1990-2010年，塔里木河干流流域的人工绿洲不断扩张，天然绿洲面积不断缩小。1990-2000年人工绿洲扩张速度为88.65 km2/a，天然绿洲减少速度为108.16 km2/a，2000-2010年人工绿洲扩张速度为141.02 km2/a，天然绿洲减少速度为113.99 km2/a。

(2) 基于对塔里木河干流在输水前1990-2010年生态系统服务价值的核算，对塔里木河干流生态退化过程中的生态环境经济损失进行了定量分析。结果显示：塔里木河干流土地利用类型的生态系统服务价值从1990年到2000年减少了11.43 亿元，减少了8.5%，以每年1.14 亿元的速度下降。1990-2000年，虽然耕地、滩涂的生态经济价值在这10 a内大幅度的增加，但未能挽救塔里木河干流生态系统服务功能价值减少的趋势[15,16]。

(3) 在全球气候变化背景下，新疆的气候同样存在着明显的变暖、变湿的趋势[17,18]；20世纪90年代与多年平均相比，塔里木河流域气温增高，降水量明显增加[19,20]，但研究区内陆水体面积下降(面积所占比例从1990年的1.41%下降到2000年的1.19%)，说明气候转变并未引起内陆水体面积的增加。

(4) 在塔里木河干流输水期间，2000-2010年，生态系统服务价值增加了12.57 亿元，增加了10.21%，以每年1.26 亿元的速度增加，通过2000-2010年内陆水域面积的变化可以看出，近几十年生态服务价值的增加主要是受自2000年开始的生态输水工程的影响，生态输水遏制了塔里木河下游生态环境的恶化[1,16]。

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