乌鲁木齐山地草地生态系统服务价值变化评估——基于遥感与GIS

茹克亚·萨吾提,阿斯娅·曼力克,李 虎,尼加提·卡斯木,郑逢令,李学森,热娜·阿不都克力木,亚森·喀哈尔

1 新疆大学资源与环境科学学院, 乌鲁木齐 830046 2 新疆大学绿洲生态教育部重点实验室, 乌鲁木齐 830046 3 新疆畜牧科学院草业研究所, 乌鲁木齐 830011 4 滁州学院,安徽省高分辨率对地观测系统数据产品与应用软件研发中心,滁州 239000

中国有近4×108hm2的天然草地,占国土总面积的41.14%,约占世界草地面积的13%[1]。草地生态系统是一种独特的生态系统类型,通过提供(牧草、薪柴、淡水)、供给(土壤形成和保护、养分循环)、水和气候调节以及文化(例如,文化认同、多样性、美学、旅游业)提供重要的生态系统服务[2]。这表明草地在维持生态平衡、生态系统服务和社会经济发展方面具有多重功能[3]。

然而,最新的研究表明,草地退化已成为世界诸多生态危机之一[4]。国内,北方近90%的草地在一定程度上退化,内蒙古、新疆、青海、吉林退化面积占42%—64%,此区域草地退化带来一系列环境和生态问题,如草地产量减少、土地荒漠化、生物多样性丧失、土壤侵蚀和碳损失[5],草地结构的变化对生态系统过程影响巨大。因此,人们迫切需要探究草地动态和结构变化模式、速率和趋势的准确信息,监测不同尺度的草地退化,进而制定具有一致性、可重复性且空间明确的措施与策略[6]。开展保护草地生态环境的研究与实践工作,加强草地生态系统服务功能的研究,对草地生态系统的恢复与重建、改善生态环境具有重要意义[7]。

近年来,国内外众多学者在生态系统服务内涵、类型划分及其价值评估方法等多方面进行了大量研究,并取得了一定的成果,美国生态学家Costanza就全球生态系统服务价值进行了分类,提出了定量估算方法,引起了国内外学者的广泛关注[8- 9]。谢高地等[10]考虑中国国情利用专家知识对该方法进行了改进,建立了中国不同陆地生态系统单位面积生态系统服务价值,计算出各地类单位面积上不同功能的生态系统服务价值的总和。在此研究的基础上,谢高地等[11]对青藏高原天然草地生态系统服务价值根据其生物量定值的基础上,逐项估算了各种草地类型的各项生态系统服务价值,得出青藏高原天然草地生态系统每年提供的生态系统服务价值占全国草地生态系统每年服务价值的17.68%。李琳等[12]和高雅等[13]以草地综合顺序分类法为理论基础,以能值分析法为主要计算方法,选择合适的6项评估指标,对三江源区草原生态系统服务价值进行逐项评估。闵庆文等[5]对内蒙古典型草原生态系统服务价值变化进行分析,结果表明各种服务中水土保持价值最为重要。这些研究涉及草原生态系统的服务功能分析与计算,既有针对全国或区域草原生态系统服务功能经济价值的评价,也有对于如何发挥草原生态系统服务功能与西部大开发问题的讨论[14]。

乌鲁木齐作为新疆维吾尔自治区的首府,是全疆的政治 、经济 、文化 、信息 、交通的中心,是我国向西开放的桥头堡。乌鲁木齐市虽具有典型都市特征,但草地资源比较丰富,各种草地类型在不同年份都呈现出不同的动态变化。但是,由于长期以来草地资源过牧、滥牧、抢牧、采挖药材、虫鼠害、开矿等导致了草地退化、沙化、盐碱化面积的日益扩大及草地植被覆盖度降低等一系列草地生态环境问题[15]。因此,研究乌鲁木齐市天然草地不同类型动态变化及其生态功能对维护该市环境和气候以及发展畜牧业有重要意义。

乌鲁木齐山区草地大都交通不便,若按常规的野外实地采样调查方法对草地退化进行监测及研究则很难开展,且成本昂贵、耗时耗力、时效性差,不能满足现势调查研究。大部分草地生态服务功能相关研究以实测数据或者统计数据为基础分析草地生态功能的变化特征,虽然研究精度较高,但无法全面地表达大区域草地生态系统的时间和空间变化规律[16]。遥感技术以其快速、宏观、信息丰富、成本低廉等优势被应用于乌鲁木齐山地草地生态系统研究中。因此,本研究的目的是：1)利用1994—2015年Landsat TM/OLI图像对研究区主要草地类型进行分类,确定草地生态系统服务功能的评价指标,并估算乌鲁木齐市各草地生态系统的ESV变化。2)探讨不同草地类型的单项服务功能及其动态变化对相应生态系统服务价值的贡献。3)进行敏感性研究以探讨结果的可靠性,应用空间自相关分析对2 km×2 km网格尺度上的ESV变化进行深入研究。4)探讨引起草地ESV时空变化的人为因素和自然因素。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

图1 研究区遥感影像图Fig.1 Remote sensing image of the study area

乌鲁木齐市(86°37′33″—88°58′24″ E, 42°45′32″—44°08′00″ N)是新疆维吾尔自治区的首府,位于中国西北部。属新疆中部地区,位于天山北麓和准噶尔盆地南缘(图1)。乌鲁木齐市区三面环山,最高峰达5000 m。气候属温带大陆性气候,年日照时数2400—3000 h,年平均最高温度为38℃,年平均最低温度约为-20℃,冬季平均温度为-15℃,夏季平均气温为23℃,年平均降雨量260 mm,春雨约占年降水量的40%。研究区有丰富的太阳热能资源[17]。

据20世纪80年代的研究,乌鲁木齐草地面积占总面积的85.2%,随着海拔高度的增加,荒漠草地、草甸草地、山地草甸草地和高寒草甸草地共有12类、21亚类、59种和201种类型[15]。近年来,研究区草地质量和牧草质量都有所下降和恶化,整个地区适宜的牲畜承载能力为34.1—90万,但实际上有5700—6000万的活畜,因此存在严重的过度放牧现象[18]。另外,造成草地退化的原因不仅包括气候变化与不合理的畜牧业生产方式,还包括不合理开采药用植物等人为活动[19]。

1.2 数据来源与方法

1.2.1数据来源

本文所用的遥感图像包括Landsat TM/ETM和OLI影像(1994年8月(TM5),2000年7月(TM5),2005年8月(TM5),2010年8月(TM5)和2015年9月(OLI))以及数字高程图像(DEM 30 m)。遥感影像从地理空间数据云下载(http://www.gscloud.cn/),气象数据来自中国气象网站。

1.2.2决策树分类

采用决策树分类方法对五期的遥感图像(平均云量均小于5%)进行分类,得到7种主要草地分类图。决策树分类作为一种基于空间数据挖掘和知识发现(Spatial Data Mining and Know ledge Discovery, SDM& KD)的监督分类方法,突破了以往分类树或分类规则构建过程中需利用分类者的生态学和遥感知识先验的限制[20]。

本文在DEM数据的基础上,根据Landsat图像的归一化植被指数(NDVI),建立了决策树(图2)。根据中华人民共和国草地分类标准,将研究区的主要草地类型划分为七类：平原草地(Plain grassland),山地荒漠草地(Mountain-desert grassland,M-D-G),山地荒漠草原草地(Mountain desert steppe type rangeland, M-D-S-T-R),山地干草原草地(Mountain steppe type rangeland,M-S-T-R),山地草甸草原草地(Mountain meadow- steppe type rangeland,M-M-S-T-R),山地草甸草地(Mountain meadow type rangeland,M-M-T-R)和高寒草甸草地(Alpine meadow steppe type rangeland,A-M-S-T-R)。基于野外调查和草地面积统计数据进一步提升分类精度,草地分类精度约达到89.43%。

1.3 生态系统服务价值(ESV)计算

以谢高地等[11]对中国陆地生态系统单位面积生态系统服务价值研究结果为基础数据,利用新疆维吾尔自治区所在区域的调节系数获得乌鲁木齐生态经济区单位面积的生态系统服务价值基础数据[21]。生态系统服务价值评估以Costanza等[8]的研究方法为基础,具体公式为：

ESVt=∑Ak×Vk

(1)

(2)

式中,ESVt是总ESV,Ak是土地使用类型k的面积,Vk是土地利用类型k的生态系统服务价值,ESVki是土地利用类型k的i种ESV。

使用下述模型评估研究区ESV的变化[22]：

Ci=(Eend-Estart)/Estart×100%

(3)

式中,Ci是土地利用类型i中ESV的变化,Estart是初期土地利用类型i的ESV,Eend是末期土地利用类型i的ESV。

1.4 敏感性指数

由于不确定性与价值系数相关,因此本研究使用敏感性模型,通过上下调整已确定的每个草地类型ESV系数的50%大小,计算ESV对价值系数VC变化的响应,最终确定生态系统服务价值随着时间的变化情况和对价值系数的依赖程度。敏感度计算公式(Coefficient of Sensitive,CS)如方程(4)所示,通过将每种土地利用类型的ESV系数调整50%来计算ESV的相应变化。CS计算公式为[23]：

CS=|(ESVj- ESVi)/ESVi)/(VCjk-VCik)/VCik)|

(4)

式中,ESV是计算出的生态系统服务价值,VC是调整系数,i和j分别代表初始值和调整值(±50%),k代表土地利用类型。当CS≤1时,表明生态系统服务价值对于生态价值系数是缺乏弹性的；当CS>1,表明生态系统服务价值对于生态价值系数是富有弹性的,比值越大,表明生态价值系数的准确性越关键。

1.5 ESV演变空间统计分析

1.5.1空间自相关

Moran′sI是空间自相关的常用指标。其值范围从“-1”到“1”。值“I>0”表示绝对正空间自相关,而“I<0”表示绝对负空间自相关,“I=0”表示绝对空间随机性。该研究中,全局Moran′sI被用作空间自相关的第一个衡量标准[24]。Moran′sI的计算公式为：

(5)

式中,xi和xj分别为单元的i、j的ESV值；x为ESV的均值；Wij为二进制空间权重矩阵；n为空间单元个数用标准化统计量。

1.5.2高低聚类分析

空间关联的局部指标(LISA)通过使用局部Moran′sI来测量每个特定位置的空间自相关程度。该指数(LISA)可用于检测空间单元ESV是否存在高值或低值聚集的空间分布现象,计算方程可表示为[21]：

(6)

式中,xi和xj分别为单元的i、j的ESV值；x为ESV的均值；Wij为二进制空间权重矩阵；n为空间单元个数用标准化统计量。LISA取值范围为[0,1],值越高越趋向于高值聚集。

2 结果与分析

2.1 不同草地类型的动态变化分析

根据研究区草地分布特征,根据NDVI和DEM值建立分类决策树,将草地分为7种类型,分类结果所示(图2)。7种草地类型的分布具有显著的垂直地带性。平原草地主要分布在近郊区、城市建成区附近,850

图3 乌鲁木齐市草地分布图Fig.3 Grassland distribution map of Urumqi City

从表1可以看出,研究区主要的草地类型为山地草甸草原草地、山地草甸草地、山地荒漠草原和高寒草甸草地,占草地总面积的92.23%,平原草地和山地干草原草地面积占草地面积的7.77%。在整个研究期间(1994—2015年),草地类型面积的比例发生了一定程度的变化。1994—2000年,草地总面积呈快速下降趋势,主要是由于山地荒漠草原草地和高寒草甸草地减少造成,短短的6年间分别减少2.11×104hm2、5.91×104hm2；其他草地类型也有减少趋势,其中平原草地减少4.11×102hm2。2000—2005年,高寒草甸草地和山地荒漠草原草地面积的增加对草原总面积的增加起到了非常重要的作用,这两种草地面积分别增加约4.33×104hm2和2.70×104hm2；在此期间,其他类型的草地处于良好的恢复状态。2005—2010年,平原草地和高寒草甸草地面积分别增加1.43×104—9.35×104hm2,2.41×102—4.49×102hm2；然而山地荒漠草原草地和山地草甸草地面积呈明显下降趋势,分别下降2.37×104hm2和1.12×104hm2,山地干草原草地和山地草甸草原草地面积减少约1.28%和2.29%。2010—2015年草地面积变化主要由高寒草甸草地面积变化引起,其面积从2010年的9.35×104hm2下降到2015年的6.76×104hm2；山地荒漠草地和山地荒漠草原草地面积从2010年的2.62×104hm2增加到2015年的2.96×104hm2；然而,在此期间,草地总面积仍呈下降趋势。

草地空间分布表明南山草地区在整个研究期间呈现明显的波动变化,变化类型为山地荒漠草原草地,山地草甸草原草地和高寒草甸草地(图3)。

在博格达山区,山地干草原草地和山地草甸草地的变化规模大于其他草地类型。山地草地容易受气候变化、土壤质量和过度放牧活动的影响,除上述因素外,研究区还有一些其他因素导致草地退化；如：鼠害严重(草原鼠的分布面积为1.06×105hm2,草原鼠有16种优势种,属于10种草原主要危害之一),采草药(乌鲁木齐地区草地原生药材常用品种有麻黄、甘草、肉苁蓉、雪莲、贝母、锁阳等,由采集药材破坏的草地面积约为10×105hm2,自2000年8月以来,乌鲁木齐市畜牧行政主管部门决定对采集药材活动进行控制),荒山绿化活动不当,各种厂矿临时使用草地,旅游活动等[25]。

2.2 草地生态系统服务价值动态变化

对7种草地类型在1994—2015年的生态系统服务价值计算结果分析发现(表2),1994年到2015年,乌鲁木齐市草地生态系统服务总价值呈波动下降趋势,年均减少2.67×106元,2000年草地ESVs值最小,为9.37×108元。在此期间山地草甸草原草地和山地草甸草地对ESV减少有较高的贡献率,分别为25.73%和27.38%。1994年到2005年ESV值较高,1994年ESV值为1.38×109元。2005年ESV为1.51×109元,显示最大值。此时,山地草甸草原草地、山地草甸草地和高寒草甸草地面积的增加引起草地总ESVs变化,这些草地类型的贡献率分别为23.14%、22.93%、22.90%。2010年到2015年,草地总ESV没有显著变化,从1.18×109元下降到1.12×10元,仅造成5.41×108元的损失。在1994—2000,2005—2010,2010—2015年,ESV都在减少,仅在2000—2005年有增加趋势。1994—2000年期间,ESV的总变化量约为46.22×107元,约为1994年的32.56%。在2000—2005年,总ESV迅速增加,增加额约为57.32×107元,相当于2000年ESV值的61.19%。在2005—2010、2010—2015年期间,总ESV进一步下降,分别减少约32.98×107元(约占2005年ESV的21.84%),5.42×107元(约占2010年ESV的4.59%)。

表1 乌鲁木齐市1994—2015年7种草地类型面积变化表

表2 乌鲁木齐市7种草地类型的生态系统服务价值变化表(1/6×107元)

1994年至2015年的整个研究期内,总ESV的变化约为26.29×107元,约占1994年ESV的18.93%,且每种草地类型的变化趋势都不稳定。1994—2000年,4种草地类型ESV显著减少,即山地荒漠草地、山地荒漠草原草地、山地干草原草地和高寒草甸草地,分别减少约3.60×107元、7.84×107元、1.92×107元和21.97×107元,分别占1994年ESV值的30.29%、43.95%、36.07%和54.31%。2000—2005年,每种草地类型ESV都显著增长,特别是平原草地的ESV从2000年的0.15×107元(占比为3.92%)增加到2005的1.47×107元(占比为39.19%)。2005—2010年,除平原草地和高寒草甸草地外,其他5种草地类型均呈现出不同程度的减少趋势,特别是山地荒漠草原草地,减少量约为66.42×107(约占49.74%)。然而,2010—2015年,除山地草甸草地和高寒草甸草地,其他草地类型均呈现增加趋势,特别是山地荒漠草原草地和山地干草原草地,增加量分别为4.75×107元(约占42.42%),1.15×107元(约占30.19%)。其中,在1994—2000年时期,生态系统服务价值出现最大幅度的下降。

为评估ESV结果的可靠性,基于公式(8)计算敏感指数(图4)。结果表明,在1994—2015年期间,各草地类型的敏感指数(CS)均低于1,估算的研究区总ESV相对缺乏弹性。对平原草地和山地干草原草地生态系统服务价值系数的调整对总ESV的估算几乎没有影响(对应值系数的变化小于6%)。当草地类型的生态系统服务价值系数的敏感性指数调整为50%时,平原草地的CS为0.02—0.03,高寒草甸草地的CS为0.20—0.28。由CS结果可知,尽管修正后的生态系统服务价值系数存在不确定性,但ESV估算仍然稳健。因此,本文结果是可信的,并且使用的ESV系数指是合理的。

图4 草地生态系统服务价值对其系数的敏感指数Fig.4 Sensitivity index of ESV to its Value coefficient of grasslands

从草地ESV的空间分布(图5)可以看出,ESV具有一定的空间差异性。1994—2015年,在2 km×2 km格网尺度内研究区的ESV密度约为4.98×107—0.75×107元。为更清楚地表示整个研究期间(21a)的ESV空间变化,基于年ESV值将ESV密度重分类为5类,即最高ESV区,高ESV区,中等ESV区,低ESV区和最低ESV区。草地ESV的空间变异格局为西南高,东北低。在研究区内,这五个ESV类混合分布。在1994年、2005年和2010年最高ESV区分别分布于南山草地区西部和中部,2000年和2015年博格达山西北坡和南山草地区东部,基本包括山地草甸草原草地、山地草甸草地和高寒草甸草地。在南山西部山地草地亚区,高山和西部的冷湿气流形成的冰川在干旱沙漠气候调控中具有重要作用,整个山区气候潮湿,从而具有完整的植被垂直带结构；在南山中部草地亚区,由于山地的高山气候,整个山区的气候相比西部的山区更加干旱,草地的垂直带结构复杂,植物种类丰富,草地产量和生产力稳定性均低于西部山区,在海拔1500 m处,垂直带开始于山地荒漠草地,因此山地荒漠草地和干旱草地生长非常茂盛,海拔2300—2800 m处,干旱特性较强的草甸草地密集分布,而在同一海拔高度,西部山区很少出现山地草甸植被。中等ESV区覆盖着山地荒漠草地、山地荒漠草原草地,其主要分布于博格达山地草地区的西北和东北坡。1994年中等ESV区主要分布在南山东部草地亚区,博格达山地草地亚区,这里地势低,位于博格达山脉最西端,缺少原山带,低山丘陵与冲积平原直接相连,导致沙漠、盆地和戈壁的干燥风无阻地进入山区,削弱西部寒冷潮湿气流的影响,从而出现山地气候；与天山北坡西部相比,这里更加干旱,山地地貌强且发育良好,在垂直带结构中,荒漠和荒漠草地发育良好,而且山地森林带并未完全发育；大部分中央山带被草甸草地和草地所取代,其间也生长着一些亚高山植被。整个研究期间,低ESV区主要出现在博格达山草地亚区东北坡。平原草地、高寒草甸草地和山地草甸草地等一些山地草地的ESV最低,形成1994—2015年最低ESV区。

图5 乌鲁木齐市草地ESV等级空间分布Fig.5 Spatial distribution of the ESV grades of grasslands in Urumqi City

从1994年到2015年,格网单元尺度草地的ESV下降约0.61×1011元,ESV增加约1.66×109,ESV总变化为1.35×1011元。其中,ESV减少占101.22%,生态服务量大幅下降主要是由于山地荒漠草原草地、山地草甸草原草地和高寒草甸草地退化造成(表3)。

2.3 草地单项生态系统服务价值变化分析

生态环境调节功能被视为人类在生态系统调节过程中获得的服务和利益。本研究计算的生态系统服务的调节功能类型包括气体调节、气候调节、水调节、土壤形成。根据贡献率、调节服务的生态系统服务价值主要来自土壤形成服务。平均ESV约为33.08×107元。在7种草地类型中的山地草甸草原草地,山地草甸草地和高寒草甸草地为土壤形成做出巨大贡献(图6),从1994年到2015年平均贡献率分别为22.64%,23.97%和18.61%。调节服务的ESV按以下顺序递增：气体调节=水调节<气候调节<土壤形成。Burke等[26]人研究认为草地退化可能会导致气候的巨大变化,草地退化过程中释放的一些气体,特别是CH4可能对气候变化产生重大影响,因天然草地可捕获2.6 g·C·hm2·d。从这一观点来看,山地草甸草原草地、高山草甸草地和高寒草甸草地对研究区气候变化具有重要意义。

图6 各草地类型的单项生态系统服务价值Fig.6 Individual ecosystem services values of every grassland types

对于草地支持服务,从1994年到2015年,废物处理、生物多样性和粮食生产的平均ESV分别为22.22×107、18.49×107和5.09×107元,其中废物处理与生物多样性约占支持服务的48.51%和40.37%(图6)。1994—2000年草地生态系统服务价值呈急剧下降趋势,支持服务的ESV损失达到16.86×107元。从2010年到2015年,支持服务的ESV损失呈小幅下降趋势,约为1.96×107元。在草地食品生产服务方面,从1994年到2015年,ESV的平均值为5.09×107元,各类支持服务在整个研究期间都有波动变化,支持服务的ESV顺序如下：废物处理>生物多样性>粮食生产。1994—2015年,草地供应服务和文化服务的平均ESV为0.85×107元和0.68×107元,原材料服务的ESV从0.96×107元减少到0.78×107元,娱乐服务的ESV从0.77×107元降至0.62×107元。与其他生态系统服务相比,草地供应和文化服务的贡献相对较低,仅占ESV总量的0.69%和0.55%。

一般来说,从1994年到2015年,每年草地资源为研究区提供32.33×107元的生态系统服务价值,在整个研究期间,ESV经历不稳定的变化,在1994—2000和2005—2010期间,ESV呈现出极大的减少趋势并造成巨大的生态损失,分别约为45.22×107和32.98×107元。在2000年至2005年,草地为研究区提供57.32×107元的经济利润,此时各ESV都达到峰值。由于山地草甸草原草地,山地草甸草地和高寒草甸草地在研究区草地中占较大比例。因此,整个研究期这些草地类型表现出较高的生态系统服务价值并在研究区生态系统平衡中发挥关键作用。

2.4 草地生态系统服务价值自相关性

Moran散点图定性地区分每个格网单元的ESV与其相邻格网之间的关系。5个(1994年、2000年、2005年、2010年和2015年)研究时间的Moran′sI值显示正值(图7)。1994—2000年,Moran′sI值从0.8921下降到0.8551,因此在此期间ESV自相关有弱化趋势,在2000—2005年期间从0.8551增加到0.8876,在2005—2015年减少0.04。整个研究期乌鲁木齐市草地ESV空间分布经历波动变化,Moran′sI均值为0.869(1994—2015年),因此草地ESV与邻近格网单元具有较高的空间相关性。研究区ESV散点主要分布于第一和第三象限,这意味着草地ESV的空间分布具有集聚特征,相似的生态系统服务价值分布在一起,即ESV较高的区域是高ESV的邻居区域,与低ESV区相邻的是低ESV区。1994年,散点主要集中在第一和第三象限,表明低ESV和高ESV区在格网单元尺度上差异较小,其他研究期(2000年,2005年,2010年,2015年)散点分散。因此,低ESV和高ESV区在格网单元尺度上具有显著差异。

图7 1994—2015年乌鲁木齐市草地生态系统服务价值的Moran′s I 散点图Fig.7 Moran′s I scatter of grassland ecosystem service values in Urumqi City from 1994 to 2015

计算1994—2015年ESV的部分自相关LISA值(图8)。结果表明,在整个研究期间,乌鲁木齐市草地ESV的高低值在各研究期内集聚在同一地区,即较高ESV区基本上分布在山地草地地区,尤其是南山区,该区域形成较为一致的分布格局,这些区域包括的低ESV区主要分布在平原草地区,博格达山区呈现随机分布格局,ESV低高混合分离区仅占研究区非常小的部分并且变化不显著。

图8 乌鲁木齐市草地生态系统服务价值的LISA聚类图Fig.8 The LISA cluster graph of grassland ecosystem services value in the Urumqi City

LISA相关关系分析发现,在研究区内草地ESV在不同水平上均具有显著的相关性(图9)。高-高型区域在0.001水平上显著相关,而低-低型区域在0.05和0.01水平上显著相关。这些集合类型具有强烈的正空间相关性。南山区与博格达山区西部地区在0.001水平上显著相关,说明这些地区草地ESV与邻近地区具有较强的空间相关性。1994—2005年,显著相关区域面积大于其他研究期,并且主要出现在南山山地草地区。

图9 乌鲁木齐市草地生态系统服务价值的LISA显著性水平图Fig.9 LISA significance level of grassland ecosystem services value in Urumqi City

3 驱动力分析

尽管相关部门为保育草地资源做了大量工作,但由于过度放牧、药用植物的过度开发、城市化、啮齿动物的破坏以及气候变暖和干旱、草地退化持续存在[27]。草地退化导致的生态系统服务下降可归因于生态系统构成的变化、生物多样性的丧失、生态系统生产力的下降、土壤肥力的下降。2000年,乌鲁木齐地区80%以上的草地和牧草受畜牧业中不合理的生产要素、采矿和挖掘等人类活动的影响发生显著退化。2010—2012年,各类草地(温性草甸草原类、温性草原类、温性荒漠草原类、温性草原化荒漠类、温性荒漠类、高寒草甸类)的各年理论载畜量一直下降趋势,到了2013年略有增加[18]。低地草甸和高山草甸的牲畜承载力一直在下降。除了过度放牧,该研究去害虫灾害也是威胁草地系统的因素之一。乌鲁木齐市蝗虫分布面积为1×105hm2,有18种优势种,是10种害虫之一。草原鼠分布达到1.06×105hm2,有16种优势种,也是10种害虫之一[28]。

除过度放牧和害虫灾害外,影响研究区草地退化的最显著因子是气候,Gang等[29]和Zhou等[30]等提出中国西北部区域,即新疆、青海和甘肃地区气候变化是加快草地退化的主要原因。山地草地因具有明显垂直地带性,对气候变化更为敏感。正如先前的研究所表明气候和土壤条件独立和交互地影响植被动态[31]。如：干旱草地中,降水控制植物物种的丰富度、组合和生产力。在研究区,草地受气候变化的影响非常显著。从气候因素的变化规律来看,气温和地表温度的变化规律较相似,乌鲁木齐年平均气温及其气温距平如图10所示。在1990—2015年期间,乌鲁木齐年平均气温和地表温度的变化速率分别为0.31℃/25a,0.40℃/25a,其整体上升趋势非常明显,25年的平均气温和地温为7.764℃,10.06℃；平均气温上升了约1.22℃,地温上升了4.75℃。

图10 1990—2015年乌鲁木齐年气象因素(气温,地表温度,降水量,相对湿度,蒸散发量和风速)变化曲线图Fig.10 Annual average of climate factors in Urumqi City from 1990 to 2015

以2003年为界,乌鲁木齐年平均地温经历了冷暖两个时期。前期地温虽有小幅波动,但自2003年年平均地温呈现急剧升高。2010—2012年,由于3月至4月的低温,草地生长延迟,在6月至8月的大部分草地上,气温高于正常水平,降水量较少,导致不同程度的干旱,平均产草量呈下降趋势。2013年草地植被生长季节,草地区气温适宜、降水量较大、水热条件匹配较好,草地植被总体增长优于上年。因此,2013年的产量增加[24]。平均相对湿度在1998年呈现最小值,50.50%,到了2008年也呈现较小值51.59%,其他年份变化幅度不大,变化速率为0.061℃/25a。而降水量一直在不规则的波动性变化,变化速率为91 mm。1999年,2007年和2015年间降水量呈现高值,最高值达到了149 mm。在1997年,2008年呈现低值,最低值达到了43 mm。乌鲁木齐平均蒸散发量的变化速率为19 mm/25a,在1997年达到了最高值,64.1 mm; 从1997年起快速减少,在2000年呈现最小值 47.4 mm。平均风速变化以2000年为界经历了两次变化,波动差异较大,前期风速较低,平均风速为4.17m/s; 后期平均风速为5.57m/s,风速变化会影响植物的生长速率和叶片形态,适当的风速能够促进植物生长发育、提高植被初级生产力,而强风或持续大风不仅会对植物产生破坏作用,还会影响其生长发育[32]。乌鲁木齐年平均风速的变化速率为0.21m/s,其整体波动性变化趋势非常明显,25年的平均风速为5.32m/s。

对研究区草地ESV与6个气候因子的相关性分析,发现在整个研究期间影响每种草地类型的气候因子具有一定的差异(图11)。对于平原草地,主要是平均气温和平均地表温度带来一些影响,相关系数大于0.90,平均湿度与平原草地呈负相关。山地荒漠草地、山地荒漠草原草地、山地干草原草地和山地草甸草原草地受蒸散量和风速的影响,与这些气候因子呈显著负相关。山地草甸草地和高寒草甸草地与降水量和风速呈现较高的相关性。因此,气候变化在一定程度上对山区的各种草地类型都有不同的影响。

图11 草地生态系统服务价值与6种主要气象因素相关性图Fig.11 Correlation map of the six climate factors and grassland ESVs

4 结论

在本文中草地退化被定义为草地提供生态系统产品和服务能力的降低。研究得出以下结论：

(1)近20年(1994—2015),乌鲁木齐市山地草地发生波动变化。2000—2005年草地面积迅速增加,2005—2015年再次下降1.87%,约为2.85×105hm2,此时大部分草地转移为裸地,林地,城市建设用地和耕地。本文研究证实,在乌鲁木齐市山地草甸草原草地、山地干草甸草地、山地荒漠草地和高寒草甸草地的草地质量和生长状况起重要作用。

(2)1994—2015年的整个研究期间,总ESV的变化约为26.29×107元。21年来,乌鲁木齐市草地生态系统服务总价值呈波动下降趋势,年均减少0.27×107元。生态损失主要是由山地荒漠草地(7.44%)、山地荒漠草原草地(10.71%)、山地草甸草地(18.32%)和高寒草甸草地(40.69%)面积减少造成的。单项生态系统服务功能中草地土壤形成服务的贡献率较高,平均ESV约为33.09×107元。废物处理、生物多样性和粮食生产的平均ESV为22.22×107元、18.49×107元和5.09×107元。

(3)整个研究期内乌鲁木齐市草地ESVs空间分布不稳定,Moran′sI均值为0.869,草地ESV与相邻格网单元的空间相关性较高。乌鲁木齐市草地ESV高低值集聚在同一地区,即ESV较高的地区主要分布在山区,特别是南山区,低ESV区主要分布在平原草地区,博格达山草地亚区呈现随机分布格局。草地ESV在不同水平上具有显著的相关性。

(4)研究区草地退化导致生态系统服务下降可能归因于生态系统组成的变化、生物多样性的丧失、生态系统生产力及土壤肥力的下降。由过度放牧、药用植物的过度开发、城市化、啮齿动物的破坏及气候变暖和干旱驱动的草地退化仍在继续。研究区气候变化对草地的影响非常显著,特别是气温、地表温度、湿度、蒸发和风速等气候因子的变化。山地草甸型草地和高寒草甸草原型草地与降水量和风速呈现较高的相关性。