开孔河流域土地利用/覆被变化的区域生态系统服务价值变化

古丽米热·艾尔肯，帕茹克·吾斯曼江，阿依吐尔逊·沙木西

(新疆农业大学 管理学院，新疆 乌鲁木齐 830052)

生态系统服务功能价值的定量评估涉及生态学、生态经济学、环境科学以及土地管理科学等多个研究领域，自1970年以来逐渐成为国内外可持续发展研究的核心问题之一[1]。土地利用/覆被变化通过改变生态系统的功能和结构，对生态系统服务功能价值的变化起关键作用[2]。因此，在研究土地利用/覆被变化的基础上进行生态系统服务价值的估算对研究区生态环境的保护和恢复工作具有重要意义[3]。1997年Costanza等[4]提出了生态学与经济学相结合的生态系统服务价值估算模型，使很多国内外学者受到启发，积累了大量的研究成果[5-8]。Seidl等[9]根据Costanza模型计算出巴西热带季节性湿地生态系统服务功能的年价值。谢高地等[10]在Costanza等的研究基础上提出了中国陆地生态系统单位面积生态服务价值当量表，并被广泛应用[11-13]。吴海珍等[14]利用谢高地等的研究方法估算了内蒙古多伦县生态系统服务价值。彭文甫等[15]评估了四川省生态系统服务价值。刘川等[16]评估分析了新疆土地利用/覆被变化与生态服务价值之间的关系。

鉴于以上研究，本文针对地处中国新疆的开都河-孔雀河流域(简称开孔河流域)1990～2015年的土地利用类型变化情况，参考谢高地等[10]的研究方法，通过修正生态系统服务价值系数估算分析该流域25年内生态服务功能价值的变化，以期为保护、改善和恢复开孔河流域生态环境的各项研究和政策提供科学依据。

1 研究区概况

开都河-孔雀河流域(开孔河流域)位于新疆维吾尔自治区巴音郭楞蒙古自治州，东经83°50′31″～87°3′14″，北纬40°14′18″～43°45′34″(图1)，总面积4444089.18 hm2，主要特征是：干旱少雨、蒸发量大，日照长。开都河发源于天山南坡和静县境内天山支脉萨阿尔明山，流经焉耆县最终流入博湖县的博斯腾湖；孔雀河横穿库尔勒市，流经尉犁县，最终流入若羌县罗布泊，是“四源一干”中的一支。然而在人口不断增长和研究区本身脆弱的生态环境条件下，土地资源和水资源的不合理利用等行为引起了水土流失、土壤盐渍化、沙漠化等一系列严重生态环境问题[17]。因此，研究分析开孔河流域不同时期土地利用数量变化及生态系统服务价值的变化，可以为恢复、改善流域生态环境提供参考意见和政策建议，为开孔河流域生态环境可持续利用提供理论依据。

图1 研究区位置示意图

2 数据来源和研究方法

2.1 数据来源

本文以开孔河流域1990、2000、2010和2015年4期Landsat TM影像数据为基础，参考《中国资源环境遥感宏观调查与动态研究》土地分类系统，利用ENVI 4.5软件镶嵌、剪裁、辐射定标及大气校正等功能对影像数据作预处理工作，再利用最大似然法对土地利用与覆被类型进行了分类，精度总体介于85.13%～90.22%，Kappa系数在0.857以上，最后运用ArcGIS 10.2和Excel 2007软件对解译的数据进行统计分析。研究区社会经济数据来源于1990～2015年《新疆统计年鉴》。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用动态度变化 利用开孔河流域1990～2015年4期土地利用分类数据，计算出研究期范围(T)内，某一土地利用类型面积从研究初期(Ua)到研究期末期(Ub)的变化速度[18]。公式为：

(1)

2.2.2 生态系统服务价值估算 本文在Costanza等划分的生态系统类型中选取了最常用的9个生态服务功能[11]，根据相关学者针对新疆生态服务价值系数修正的研究成果，参考中国陆地生态系统单位面积生态服务价值当量表，对研究区内和静县、和硕县、焉耆回族自治县、博湖县、库尔勒市、尉犁县的社会经济发展情况进行分析，得出6个县市的粮食年平均产量分别为9302、8643、7990、9284、4076、6193 kg/(hm2·a)，选取其平均值作为整个研究区的粮食平均产量(Q)，为7581.33 kg/(hm2·a)。再求出2015年6个县市粮食平均收购价格(P)为2.44元/kg，计算出研究区一个当量因子的价格为2642.636元/hm2，得出研究区生态系统服务价值系数表(表1)。计算公式如下[19-21]：

(2)

具体的生态系统服务功能计算模型如下：

(3)

(4)

(5)

式中：ESV代表生态系统服务价值(元/年)；k代表土地利用类型；f代表生态服务功能种类(元/年)；A指土地利用类型的分布面积(hm2)。

2.2.3 敏感性分析 为了验证以上研究方法是否适合开孔河流域现状，本文应用敏感性指数概念来计算价值系数的敏感性指数[22-24]。敏感性指数(CS)是指因变量与自变量变化的百分比的比值。当CS<1时，表明生态系统价值是缺乏弹性的、敏感的。计算公式为：

(6)

式中：ESV代表初始生态价值；ESV′代表系数调整后的生态价值；VC为调整前系数，VC′为调整后ESV系数。

3 结果与分析

3.1 开孔河流域面积变化分析

根据1990～2015年4期影像解译数据识别出耕地、草地、林地、建设用地、草本湿地、水域、盐碱化地、沙漠、未利用地9种土地利用类型(图1)。25年期间，研究区各土地利用类型中，耕地、草本湿地、沙漠和建设用地面积分别增加了269438.94、16072.23、1575.37、23811.78 hm2；草地、林地、水域、未利用地及盐碱化地面积分别减少了116024.4、125394.15、14767.16、50715.11、3997.49 hm2。

在研究时间段内，由于开孔河流域城市化进程的加快及人口的不断增长，对耕地和建设用地的需求不断增加，大面积开荒种植等原因造成耕地和建设用地面积显著增加，1990～2000年期间耕地面积增加了146364.95 hm2，而建设用地面积增加了11203.28 hm2，动态率分别为8.57%和3.79%。从土地利用数量变化分析结果可知(表2)，研究区面积最大的土地利用类型为草地，2015年占研究区总面积的59.18%，研究期内持续减少，从1990年的162750.84 hm2减少到2015年的432189.78 hm2，减少了116024.4 hm2，年动态度为-0.17%；其次为未利用地，2015年占研究区总面积的16.44%，在1990～2000年间未利用地面积增加了384.79 hm2，但在2000～2015年期间其面积呈持续减少的状态，年动态度为-0.26%；林地面积在1990～2010年20年期间减少了131406.49 hm2，直到2015年林地面积增加了6012.34 hm2，年动态度为-1.12%；耕地面积在整个研究期内持续增加，1990～2000年期间最为明显，面积比例从4.00%上升到了7.00%，年动态度为6.62%；草本湿地面积虽在1990～2000年首个10年期间下降了5993.37 hm2，但在2001～2015年后15年面积呈持续上升趋势，年动态度为0.46%；水域面积在整个研究期内减少了14767.16 hm2，经历了先增后减再增3个阶段，2000～2010年期间下降了30175.69 hm2，年动态度为-0.50%；沙漠面积在1990～2000年期间增加了1584.83 hm2，之后到2010年减少了9.46 hm2，2010～2015年间其面积没有再发生变化。整个研究期内，人口的增加和城市的扩张导致对土地的需求日益增加，林地、草地、未利用地等面积减少，农田、建筑用地面积大幅度上升。开孔河流域土地利用景观格局的显著变化，反映了人类活动强度的增加对生态环境和生态系统功能的影响。

3.2 生态系统服务功能价值变化分析

本文根据研究区土地利用变化情况表(表2)和单位面积生态服务价值系数表(表1)，结合生态服务功能价值计算公式(3)、公式(4)、公式(5)，计算出开都河-孔雀河流域各土地利用类型的生态服务功能价值和变化率(表3)。

表2 1990～2015年间开孔河流域土地利用变化及动态度情况

表3 开孔河流域1990、2000、2010及2015年生态系统服务价值

从总体上来看，开孔河流域25年间的生态系统服务总价值呈下降状态，1990～2015年共下降了36.41亿元。研究期内，耕地和草本湿地的生态服务价值增长量最高，分别为49.20亿元和28.12亿元；耕地生态服务价值随着耕地面积的增加而增加，从1990年的29.72亿元增长到2015年的78.92亿元，年变化率为6.62%。草本湿地在研究期内的生态服务总价值增长情况虽然比较显著，但是在1990～2000年期间其生态服务价值减少了9.93亿元，年变化率为0.48%；建设用地研究期间增长量为0.05亿元，年变化率为2.86%；沙漠的生态服务价值仅次于建设用地，整个研究期间增长了0.01亿元，年变化率为2.86%，相对来说其生态服务价值贡献率较少。

图2 开孔河流域1990～2015年间土地利用变化

1990～2015年，开孔河流域草地、林地、水域、盐碱化地及未利用地的生态服务价值增长量呈下降状态，林地、草地和水域下降最为显著，其次为盐碱化地和未利用地。林地的生态服务价值减少的最多，从1990年的238.51亿元下降到2015年的166.10亿元，共减少了72.41亿元；草地的生态服务价值在研究期间持续下降，1990～2000年减少了15.51亿元，2000～2010年减少了4.25亿元，2010～2015年减少了2.44亿元；水域的生态服务价值在整个研究期间呈先增后减再增的趋势，2000～2015年减少了37.29亿元；其次，生态服务价值增长量下降的土地利用类型有盐碱化地和未利用地，研究期间分别减少了0.08亿元和0.87亿元。

通过1990～2015年4个研究期各土地利用类型生态服务功能价值的变化情况可以分析出，各土地利用类型生态服务价值贡献大小从高到低依次为：草地>草本湿地>林地>水域>耕地>未利用地>沙漠>建设用地>盐碱化地。土地利用类型生态服务价值的大小，与其面积的大小密切相关，土地面积持续呈增加状态的土地利用类型，其生态服务价值也会随之增加。研究期间，生态服务价值贡献率较高的土地利用类型如林地、草地及水域的面积和生态服务价值都在逐年下降，因此，建议研究区合理利用土地资源、水资源，防止沙漠面积的扩大。

3.3 敏感性分析

根据流域实际情况并参考相关文献分析，将研究区生态价值系数分别上下调整50%，利用公式(6)计算出不同时期开都河-孔雀河流域生态系统服务价值的敏感度指数(表4)。

表4 1990～2015年开孔河流域生态系统服务价值敏感性指数变化

计算结果表明，开孔河流域在4个不同时期的生态系统服务价值的敏感性指数均小于1，生态系统服务价值对其价值系数缺乏弹性，本研究结果可信。1990～2015年期间，耕地和湿地的生态系统服务价值敏感性指数呈增长趋势；由于盐碱化地、沙漠和未利用地单位面积生态系统服务价值上下调整50%后敏感性指数非常小，故在此暂定为0；草地在整个研究期间的敏感性指数最大且稳定不变，为0.44，说明草地在研究期内单位面积生态系统服务价值增加1%，总价值增加0.44%；由此得出，敏感性指数对生态系统服务功能总价值有一定影响。

4 结论与讨论

(1)开孔河流域在25年间土地利用变化趋势为耕地、草本湿地、沙漠和建设用地面积增加，草地、林地、水域、未利用地及盐碱化地面积减少；其中耕地面积的增加最为显著，增加了269438.94 hm2，动态度为6.62%；相对于其他土地利用类型，草地和林地面积减少较多，林地减少了125394.15 hm2，草地减少了116024.40 hm2，动态度分别为-1.21%和-0.17%。

(2)生态系统服务价值分析结果表明：1990～2015年，开孔河流域生态系统服务总价值整体上呈减少趋势，共减少了36.41亿元，表明土地利用/覆被的变化导致生态系统服务功能退化，林地、草地、水域、盐碱化地及未利用地的生态服务价值明显下降；各土地利用类型生态系统服务价值从高到低依次为：草地>草本湿地>林地>水域>耕地>未利用地>沙漠>建设用地>盐碱化地，草地、林地和草本湿地是开孔河流域生态系统服务总价值的主要构成部分，草地共提供了2044.17亿元，林地和湿地分别提供了757.89亿元及975.18亿元。在研究期初，西部大开发战略的实施带动了大面积退林及退草开荒、引水灌溉等行为，在为研究区实现城镇化发展和经济增长的同时，导致流域的生态系统服务功能价值显著下降，而在研究期中后阶段，随着环境保护意识的树立、水土资源利用方面监管要求的不断加强和生态保护红线等环保政策的出台，使相关部门积极开展退耕还林、退草还林、严厉打击非法开荒、引水及非法放牧等工作，影响了开孔河流域各土地利用类型的变化速度，也在一定程度上控制了草地、林地、草本湿地等对生态系统服务价值贡献较大的土地利用类型面积的下降。

(3)敏感性分析表明：研究时段内，开孔河流域所有土地利用类型敏感性指数均小于1，各类土地生态系统服务价值的变化对总价值的影响较小，是缺乏弹性的，说明研究结果可信。2015年各土地利用类型中敏感性指数最大的土地利用类型为草地和耕地，分别为0.44和0.30。

开孔河流域集山脉、绿洲、河流、湖泊和沙漠等几种复杂的生态系统构造，自然条件特殊，生态环境较为脆弱，人地关系矛盾突出，在人口不断增长及研究区有限的自然资源和脆弱的生态环境背景下，耕地面积的快速扩大，农业用水大量挤占生态水量等各种人类活动的干扰导致该地区自然资源的退化，出现了一些不可修复的严重生态环境问题。因此，提出以下建议：首先，不断加强对非法引水、开荒等违法行为的打击；其次，控制和减少耕地灌溉水量，实现退耕还林、还草；最后，宣传和提倡环境保护的重要性、紧迫性，全面提升居民环保意识，合理配置流域的水资源和土地资源，实现生态环境的和谐发展。