精河流域绿洲土地利用及生态系统服务价值时空变化研究

毋兆鹏，张金燕,王娟娟,吕思雨,李斌才 (.新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆 乌鲁木齐 830054；2.新疆干旱湖泊环境与资源实验室，新疆 乌鲁木齐 830054)

生态系统服务是通过生态系统结构、过程及功能直接或间接获得的产品及服务，生态系统价值则是生态环境保护、生态经济价值核算的重要依据[1-3]。土地作为人类赖以生存的场所，土地利用类型数量和结构改变会直接造成生态系统服务功能及价值发生改变[4-6]。因此，土地利用变化及其对生态环境的影响已成为土地科学研究的热点问题之一[7-8]，但相关成果主要集中于土地利用变化和生态系统服务价值的单要素研究，对特定区域不同土地利用条件下生态系统环境效应的综合定量分析尚处于探索中。

精河流域拥有甘家湖梭梭林和艾比湖湿地2个国家级自然保护区，是我国典型干旱区内陆河流域，且面临的生态环境问题较为突出。随着精河流域在天山北坡经济带中的地位不断提升，人类开发利用活动产生的地下水位下降、地表植被退化和土壤盐渍化等生态问题也日益突显。该文采用空间梯度方法分析近28 a精河流域生态系统服务价值的变化，并在县域尺度对土地利用类型变化区域的生态环境效应进行定量评价，以期为合理开发利用干旱区绿洲水、土资源，保障国家农业生态安全、生态环境建设和区域土地持续利用提供科学依据[9-10]。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

精河流域位于新疆维吾尔自治区北部，天山支脉婆罗科努山北麓绿洲带末端，准噶尔盆地西南边缘，天山北坡经济带西端，东西以81°46′～83°51′ E为界，南北以44°02′～45°10′ N为界(图1)，总面积为1.1275×104km2。位于研究区最北部的艾比湖是准噶尔盆地最大的湖泊，也是新疆最大的咸水湖。研究区昼夜温差大，干燥少雨，蒸发量大，春季多风沙、浮尘天气，属典型的北温带干旱荒漠型大陆性气候区。

1.2 数据来源

空间遥感数据来源于中国地理空间数据云(http:∥www.gscloud.cn)，包括1990年9月Landsat 5 TM、2000年9月Landsat 5 TM和2018年5月Landsat 8 TM数据，轨道号为P146/P029，图像空间分辨率为30 m，3期数据含云量均小于5%。参照现有土地利用分类体系[11]及研究区特点，将土地利用类型划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地6个类型。20世纪90年代以来精河流域绿洲土地利用类型转换剧烈[12]。1990年之后，中央及地方政府推出一系列优惠政策，尤其在1998—1999年形成开荒热，允许并鼓励个人和集体开垦土地。2000年，艾比湖湿地自然保护区获新疆维吾尔自治区批准建立，标志着研究区全面开启环境保护工程。2017年，新疆维吾尔自治区提出严守水资源“三条红线”目标任务，进一步推进生态环境保护与修复。为此，选取特征明显的1990年(鼓励开垦土地)、2000年(实施生态保护工程)和2018年(实施生态保护工程后)3个时期土地利用情况进行对比分析。

研究区粮食产量和单价，GDP等社会经济数据来自1990—2018年精河年鉴和新疆统计年鉴以及精河县改革开放30年统计公报中农业和国民经济核算部分。

1.3 研究方法

1.3.1土地利用变化速率计算

土地利用动态度(K)能直接反映研究区某种土地利用类型变化速度[13]，计算方法为

(1)

式(1)中，Ua和Ub分别为研究初期和末期某种土地利用类型面积，hm2；T为研究时段，a。

1.3.2生态系统服务价值核算

生态系统服务价值计算以文献[14-16]中中国陆地生态系统服务价值当量因子表为参考，同时考虑到研究区实际情况，对其适用范围加以修正。其中，耕地、林地和未利用地分别对应中国陆地生态系统服务价值当量因子表中农田、森林和荒漠。基于研究区粮食产量、单价及生产收益等数据，计算得到精河流域绿洲单个生态服务价值当量因子的经济价值量为1 743.94元·hm-2，并以该值与中国陆地生态系统服务价值当量因子表中数据相乘，得到研究区所有土地利用类型不同生态系统服务价值系数(表1)。

表1 研究区不同土地利用类型生态系统服务价值系数Table 1 Ecosystem service value coefficients for different land use types in the study area 元·hm-2·a-1

采用生态系统服务价值计算公式〔式(2)～(3)〕，计算研究区生态系统服务价值。

VES,k=Ak×∑CV,k，

(2)

VES=∑VES,k。

(3)

式(2)～(3)中，VES，k为第k种土地利用类型生态系统服务价值，元·a-1；Ak为第k种土地利用类型面积，hm2；CV，k为第k种土地利用类型不同生态系统服务价值系数，元·hm-2·a-1；VES为区域生态系统服务总价值，元·a-1。

绿洲是干旱区人民生产生活的依托，城市作为绿洲的重要部分，其发展方向与土地利用类型息息相关。因此，为深入探讨研究区生态系统服务价值空间分布特征，采用梯次环分析方法评价生态系统服务价值。以1990年研究区建设用地质心为圆心，以8 km为半径，向北依次设10个梯次环，向南依次设12个梯次环，分别计算1990、2000和2018年各环内生态系统服务价值(图2)。

为便于量化比较1990、2000和2018年研究区生态系统服务价值变化情况，采用变化量〔式(4)〕和变化率〔式(5)〕2项指标分析变化状况。

Vj=Vji-Vjh，

(4)

(5)

式(4)～(5)中，Vj为第j梯次环从年份h到i的生态系统服务价值变化量；Rj为第j梯次环从年份h到i的生态系统服务价值变化率；Vji和Vjh分别为第j梯次环在年份i和h的生态系统服务价值，元·a-1；j为梯次环编号。

1.3.3生态环境效应指标构建

(1)相对生态系统服务价值

各土地利用类型面积大小对生态系统服务价值有直接影响，为了更客观地评价各土地利用类型生态功能状况，采用相对生态系统服务价值来反映某个土地利用类型生态服务功能高低[17]。具体而言，针对各土地利用类型生态系统服务价值系数(表1)，在[0，1]区间内进行赋值，其中水域相对生态系统服务价值最高，赋值为1.000，建设用地赋值为0，其他土地利用类型相对生态系统服务价值依据生态系统服务价值系数比例关系确定，即某一土地利用类型生态系统服务价值系数总和与水域生态系统服务价值系数总和相除，从而得到各土地利用类型相对生态系统服务价值[18](表2)。

表2 1990—2018年研究区相对生态系统服务价值与生态环境质量指数Table 2 The relative ecosystem service value and the ecological environment index of the study area from 1990 to 2018

(2)生态环境质量指数

在特定时段内，某一种土地利用类型发生变化会导致区域生态质量随之发生改变，即每种土地利用类型在变化过程中体现出的生态服务价值流，会使局部区域生态服务价值升高或降低。参考我国不同陆地生态系统单位面积服务价值之间的比例关系[19]，结合新疆各土地利用类型生态环境效应及研究区实际情况，构建研究区生态环境质量指数。

(6)

式(6)中，Et为研究期t生态环境质量指数；k为研究区土地利用类型数量；Ak为研究期t内k类土地利用类型面积，hm2；Ck为k类土地利用类型相对生态系统服务价值；T为研究时段，a；A为研究区总面积，hm2。

(3)土地利用类型变化的生态贡献率

土地利用类型在转变过程中会对区域生态环境质量产生影响，即每种变化的土地利用类型所蕴含的生态服务价值流会导致区域生态服务价值升高或降低[20]。如果分别从土地利用转化类型对区域生态环境改善和恶化2个方面的贡献进行分析，将有助于深入探讨区域生态环境变化的主导影响因素。以式(6)为基础，采用地图代数及研究区土地利用变化转移矩阵方法[21]，分析研究区土地利用类型变化对区域生态质量改变的贡献率〔式(7)〕。

EL,k=(EL,t+1-EL,t)Ak/TA。

①在运动过程中，△COD有哪些属性保持不变?(△COD始终是以CD为斜边的直角三角形，斜边CD的长保持不变).

(7)

式(7)中，EL，k为k类土地利用类型变化的贡献率；EL，t和EL，t+1分别为某种土地利用类型在变化初期和末期对应的生态环境质量指数；Ak为k类土地利用类型变化面积，hm2；T为研究时段，a；A为研究区总面积，hm2。

2 结果与分析

2.1 土地利用时空格局变化特征分析

采用ENVI 5.0平台，按照土地利用分类系统建立解译标志，通过监督分类得到研究区1990、2000和2018年土地利用类型变化空间数据。经野外实地检验，3期数据精确度均大于90%，符合研究要求。1990—2018年研究区土地利用类型在空间上分异明显(图3)，其中，耕地连续片状分布于绿洲中西部，林、草地零星出现在绿洲边缘并集中于部分山区，以艾比湖为主体的水域主要位于研究区北部，未利用地分布广泛。

如表3所示，近30 a，耕地、草地、水域和建设用地面积增加，林地和未利用地面积减少。其中耕地和建设用地面积增加幅度最大，动态度分别为28.32%和22.50%。分阶段具体来看，自1990年(鼓励开垦土地)至2000年(实施生态保护工程)期间，耕地和建设用地动态度分别达15.38%和7.66%，居前两位，而同时期林地和草地则为面积减少的前两位，动态度分别为-7.24%和-0.54%。在2000年开始实施生态保护工程至2018年期间，建设用地动态度增为17.4%，耕地动态度降为13.99%，林地、草地和水域面积皆大幅增加，动态度分别为12.32%、2.22%和3.31%，未利用地面积减幅明显，动态度为-1.39%，研究区生态保护工程实施取得一定实效。

表3 1990—2018年研究区土地利用变化及动态度Table 3 Land use changes and dynamics in the study area from 1990 to 2018

2.2 生态系统服务价值变化分析

2.2.1不同土地利用类型生态系统服务价值

1990—2018年研究区不同土地利用类型单位面积生态系统服务功能价值及总价值见表4。

表4 1990—2018年研究区土地利用类型生态系统服务价值Table 4 Ecosystem service value of land use types in the study area from 1990 to 2018

如表4所示，研究区生态系统服务价值总体上呈现先降低再增加趋势，由1990年的127.02亿元降低到2000年的103.83亿元，再增加至2018年的167.43亿元，1990—2018年共增加40.41亿元。其中，耕地和水域服务价值持续增加，水域增加幅度最大；林地和草地服务价值均呈现先减后增趋势，未利用地服务价值则呈现先增后减趋势。

2.2.2生态系统服务价值空间分布特征

研究区1990、2000和2018年生态系统服务价值梯次环分析见图4。自城市中心向外，生态系统服务价值在研究区南部和北部均表现为先升后降趋势。1990和2000年，研究区南部地区生态系统服务价值整体高于北部地区，且1990年最高。其中，南部高值区分布在S5～S7梯次环，主要位于城市南部40～56 km的山区林草地带，北部高值区分布在N4～N5梯次环，位于距城市中心32～40 km的国家级自然保护区艾比湖湿地范围。2018年研究区整体生态系统服务价值高于1990和2000年，且北部地区生态系统服务价值高于南部地区，其中北部N6～N8梯次环生态系统服务价值明显升高，这与2000年研究区实施生态保护工程带来的生态环境质量改善息息相关。

如图5所示，总体而言，1990—2018年研究区生态系统服务价值变化率较小区域主要集中在S9～S12梯次环，主要位于研究区西南部山地，S6梯次环生态系统服务价值变化率最小，位于距离城市32 km的绿洲与荒漠交界地区以及耕地快速开发区域；除城市区域外，北部地区生态系统服务价值变化率均呈明显上升趋势，其中位于艾比湖湿地保护区的N7梯次环生态系统服务价值变化率最大，这与近年来科学管理及改善艾比湖自然保护区生态环境相关。1990—2000年研究区生态系统服务价值变化率较平稳，位于城市区域的S1梯次环和位于绿洲发展区的S8梯次环生态系统服务价值变化率为正值且变化不明显，南部其他梯次环生态系统服务价值变化率均为负值，位于艾比湖边缘的N7～N9梯次环生态系统服务价值变化率波动不大。2000—2018年研究区生态系统服务价值变幅较大，其中位于城市区域的N1和S1梯次环生态系统服务价值有所下降，其他各梯次环均呈上升趋势，尤其以位于生态保护区的N6～N8梯次环上升最明显，这表明该时期研究区实施的天然林保护工程及艾比湖流域生态恢复政策效果明显。

2.3 生态环境效应分析

2.3.1生态环境质量指数时空变化特征

生态环境质量指数计算结果表明，1990—2018年研究区生态环境质量指数从0.147上升到0.194，增幅为4.4%，生态环境质量整体呈现好转并上升趋势；1990—2000年生态环境质量指数下降到0.120，降幅为2.7%，生态环境有轻微恶化，其主要原因是林草地面积大量减少；2000—2018年生态环境质量指数上升到0.194，增幅为7.4%，生态环境有所改善，主要是由于水域、林地和草地面积大幅度增加。总体而言，在大时间尺度内，研究区生态环境质量相对稳定，但同时呈现出恶化和改善2种状态(图6)。

2.3.2土地利用变化的生态贡献率分析

1990—2018年研究区土地利用类型对生态环境质量的生态贡献率计算结果(表5)表明，土地利用变化对生态环境改善的贡献率高于对生态环境恶化的贡献率。

表5 1990—2018年研究区生态环境变化的主导土地利用变化类型贡献率Table 5 Contribution rate of dominant land use change types in the study area from 1990 to 2018

如表5所示，土地利用类型变化导致研究区生态环境质量恶化的主要原因是未利用地持续为未利用地、未利用地转为建设用地、未利用地转为耕地，占总贡献率的71%；其次是由于林地和草地转为其他土地利用类型。研究区生态环境质量改善的主要原因是未利用地分别转为水域、林地和草地，生态系统服务价值提高，这些土地利用类型变化的贡献率占总贡献率的60%；其次是由于其他土地利用类型转为林地和草地。由此可见，草地、水域和林地的变化是影响区域生态环境质量变化的主要因素，天然林草保护、退耕还林还草和合理利用水资源是改善区域生态环境质量的有效手段。

3 讨论

人类活动是造成研究区生态系统退化的重要诱因。研究区人口在过去28 a中呈现快速增长趋势，从1990年的10.06万人增加到2018年的14.33万人，增长近1.4倍；GDP从1990年的20 767万元增长到2018年的809 867万元，扩大近39倍，研究区人口增加与土地利用变化密切相关。从自然因素看，1990—2018年研究区年平均气温呈现上升趋势，年平均降水量也从104.18 mm上升到122.18 mm。气候变化在影响河流和湖泊水量变化的同时，也间接增强了土地利用类型变化对区域生态系统稳定性的影响。

总体而言，由于自然演替加上绿洲农业开发带来的过度灌溉和垦荒，2000年之前研究区生态环境质量状况较差。尽管在研究时段后期生态环境质量有所改善，但前期超过生态系统自身调控恢复弹性范围的绿洲开发的影响仍不可忽视。其中，导致生态环境质量变化的核心因素是艾比湖流入水量减少，关键因素是研究区地表植被破坏，而主要驱动因素是裸露的艾比湖湖底在阿拉山口大风口作用下导致的沙尘天气。具体而言，研究区北部的艾比湖水域保护区(以193 m等深线为界)，对整个流域生态环境起着决定性的稳定作用，需要进一步发挥“引喀济艾”跨流域调水工程生态效应并加强保护区湿地生物多样性保护。研究区东北部奎屯河尾闾地带的荒漠植被(胡杨林)分布区和甘家湖自然保护区，在防治沙漠化过程中发挥着重要的生态屏障功能，因此要充分保障其生态需水，以维护研究区生态安全。研究区中部的绿洲城镇及周边农田分布区域，既是研究区人类活动最频繁的地区，也是生态效益的主要服务对象，更是人类影响生态环境变化的策源地，需要严格执行水定地政策及各业发展规划，减低人类活动对土地资源的掠夺性利用。同时，为确保区域交通动脉不会因生态环境恶化受到影响，应结合阿拉山口主风道(艾比湖南岸)治理，重点恢复荒漠植被的防风固沙生态功能。在研究区南部的山地林草及水源涵养区，要通过合理划定禁、限牧区确保草地生态系统和生物多样性，同时利用人工草地经济功能置换天然草场生态功能。

4 结论

在土地利用分类基础上，确定精河流域绿洲土地生态系统服务价值，并采用生态环境质量指数和生态贡献率对土地利用类型变化的生态环境效应进行分析。研究结论如下：

(1)由于人类生产活动及自然因素影响，2000—2018年精河流域绿洲土地利用类型发生较大改变。在城市化进程中，研究区建设用地和耕地面积加速扩展，草地和水域在各项保护措施下得以恢复。其中，1990—2000年林地和草地面积减少，耕地、建设用地面积则呈增加趋势。2000—2018年研究区实施退耕还林还草工程、天然林保护项目、艾比湖生态治理及输水工程，研究区林地、草地和水域面积增加。

(2)以2000年为节点，精河流域绿洲生态系统服务价值呈先降后增特征。1990、2000和2018年研究区生态系统服务价值分别为127.02亿、103.83亿和167.43亿元。梯次环空间分析结果表明，1990和2000年研究区南部地区生态系统服务价值高于北部地区，2018年北部地区生态系统服务价值高于南部地区。

(3)生态环境质量指数计算结果表明，研究区生态环境系统总体处于良性发展状态。从土地利用类型变化贡献率可以看出，1990—2000年生态环境质量下降的主要原因是林地、草地转为未利用地、耕地和建设用地，2000—2018年生态环境质量再次提升的主要原因是未利用地转为水域、林地和草地。