典型内陆盆地生态系统服务价值对土地利用变化的响应

张 帅，汪 洋，安沙舟

(新疆农业大学草业与环境科学学院/新疆草地资源与生态重点实验室，乌鲁木齐 830052)

0 引 言

【研究意义】生态系统服务是人类通过生态系统结构、过程和功能直接或间接获取到与福祉关系密切相关的产品和服务[1]，是开展生态环境稳定可持续发展的基础[2]。全球生态系统服务价值(Ecosystem services values，ESV)评估体系，使得生态系统服务研究逐渐成为了生态学中的热点[3]。探寻ESV对土地利用格局演变的响应机制，对生态系统可持续发展与修复具有重要意义。【前人研究进展】Dawson等[4]认为是否考虑社会复杂性对于生态系统服务的影响，是有关生态系统服务的研究成果能否为实际社会中的生态环境管理和调配提供科学依据的关键。Hassan等[5]提出不同研究区生态系统存在空间异质性，在不同研究区的评估中使用同一套生态系统服务价值系数，其研究结果将会存在争议。谢高地等[6]基于Costanza等的评估模型，依据中国生态系统的实际情况改进了生态系统服务价值系数，建立了一套可广泛应用于评估中国城市[7]、岛屿[8]及流域[9]等生态系统的生态系统服务价值系数。目前，当量因子法以更为直观，易于使用且所需数据少的优点，被广泛应用在区域和全球范围内评估ESV中[10]。土地利用/覆被变化(Land Use and Land Cover Change，LUCC)是反映人类活动与陆地生态系统之间耦合关系最根本的表现，是生态系统服务功能转变的重要驱动因素[11]。土地利用变化的过程中引起了生态系统服务功能、结构和过程的变更，使ESV随之变化[12]。然而，近年来人类活动的加剧和社会经济发展的不断提速[13]，不合理的土地覆被类型变动致使生态系统遭到严重破坏，ESV也随之改变，使得生态系统服务功能退化[14]。【本研究切入点】塔里木河流域位于我国西北干旱区生态脆弱带[15]流域属于丝绸之路经济带的核心区[16]，是我国最大的内陆河流域和重要的棉花生产基地[17]。近年来，塔里木河流域土地利用格局演变剧烈[18]、天然草地退化[19]、冰川萎缩[20]、河流断流[21]、水资源调配不合理和荒漠化进程加速等[22]，使得流域生态环境愈加脆弱[23]。关注塔里木河流域生态系统可持续发展与修复[24]。【拟解决的关键问题】研究提出1990～2018年间塔里木河流域ESV表现为损失趋势的假设，选取塔里木河流域1990、2000、2010和2018年4期的土地利用数据，基于ESV估算模型与探索性空间分析手段，定量研究塔里木河流域土地利用变化对ESV的影响及ESV的时空动态变化趋势，为干旱区土地资源可持续利用和区域生态环境的管理决策提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

塔里木河流域位于我国西北内陆干旱区腹地，塔克拉玛干沙漠坐落于流域中部，地处73°10′～94°05′ E、34°55′～43°08′ N，平均海拔800～2 000 m，具有荒漠、绿洲、山地、高原等地貌景观，是我国最大的内陆河流域；属于暖温带大陆性干旱气候，由于其独特地理位置和特殊的地形，致使该流域气候干燥(平均气温10.7℃)、少雨(年均降水量17.4～42.8 mm)[25]。该流域是叶尔羌河、和田河、阿克苏河、开都-孔雀河4条主要源流及塔里木河干流组成的114条河流的总称。行政区包括巴音郭楞蒙古自治州、阿克苏地区、和田地区、喀什地区、克孜勒苏柯尔克孜自治州5个地州的94个县(市)，总面积1.02×106km2，约占全疆总面积的61.4%。图1

注：1.巴音郭楞蒙古自治州；2.阿克苏地区；3.和田地区；4.喀什地区；5.克孜勒苏柯尔克孜自治州；地图来源：该图中底图遥感数据来源于Google Earth(www.earth.goole.com)Note:1.Bayingol Mongolian Autonomous Prefecture;2.Aksu Prefecture;3.Hotan Prefecture;4.Kashgar Prefecture;5.Kizilsu Kirghiz Autonomous Prefecture;Map source:the remote sensing data of the base map in the map is from Google Earth(www.earth.goole.com)图1 研究区概况Fig.1 Sketch map of study area

从中国科学院环境科学数据中心网站(http://www.resdc.cn/)选取1990、2000、2010和2018年4期的塔里木河流域土地利用现状数据，空间分辨率30 m，分类精度达到90%以上[26]。依据全国土地利用分类体系，并根据研究区实际情况，将研究区内的土地利用类型分为耕地、林地、高覆盖度草地、中覆盖度草地、低覆盖度草地、水域、建设用地和未利用地；数据来源于1990～2018年《新疆统计年鉴》[27]、《新疆生产建设兵团统计年鉴》[28]及新疆维吾尔自治区统计局网站(http://www.xjtj.gov.cn/)等。

1.2 方 法

1.2.1 土地利用动态度

该指标可定量描述研究区不同土地利用类型在一定时间范围内的变化速率和幅度[27]，反映单一土地利用类型受到的影响。依据塔里木河流域1990、2000、2010和2018年土地类型数据，分析塔里木河流域28 a的土地利用/覆被变化。

(1)

式中，K为j到i的时间段内该土地利用类型的动态度，Ui、Uj分别表示研究时段开始与结束时该土地利用类型的面积；t为研究时长。

1.2.2 生态系统服务价值估算

研究参照谢高地等[28]提出的基于中国实际情况改进的Costanza评价模型[3]，得出的中国生态系统服务价值当量。将农田与难利用地划分为耕地和未利用地[29]，高、中、低覆盖度草地统一按照一级土地利用类型草地计入，根据研究区实际情况进行修正[30]，塔里木河流域生态系统单位面积服务价值系数。根据服务价值系数和塔里木河流域各土地利用类型的面积，计算研究区的ESV，计算公式如下：

ESV=∑Aa×VCa.

ESVb=∑Aa×VCba.

(2)

式中，ESV为生态系统服务价值，ESVb为第b项的生态系统服务价值；Aa为研究区a类土地利用类型的面积，VCa表示a类土地利用类型的生态服务价值系数，VCba表示a类土地利用类型的第b项生态系统服务价值。表1

表1 塔里木河流域生态系统服务价值系数(元/hm2)Table 1 ESV coefficient of Tarim River Basin(yuan/hm2)

1.2.3 空间自相关性

基于Geoga模型中的Global Moran’s I和Univariate local Moran’s I探究ESV空间分布格局的集聚和异常[31]。公式为：

(3)

(4)

2 结果与分析

2.1 土地利用类型时空变化特征

研究表明，该流域未利用地占据研究区总面积的64%以上，是该研究区分布最广、面积最大的土地利用类型，耕地是研究区面积增长最多的土地利用类型，增长了1.75%；低覆盖度草地是研究区面积第二大的土地利用类型，占总面积的14%以上，研究时段内表现为减少态势，共减少了2.39%。林地、高覆盖度草地、中覆盖度草地、水域分别占总面积的1.25%、5.49%、6.12%及2.66%；建设用地面积最小，仅占总面积的0.29%。表2，图2

表2 塔里木河流域1990～2018年土地利用类型结构Table 2 Land use type in the Tarim River Basin from 1990 to 2018(%)

图2 塔里木河流域1990～2018年土地利用现状Fig.2 Status of land use in the Tarim River Basin from 1990 to 2018

研究表明，1990～2018年间，塔里木河流域各土地利用类型之间转化频繁，且变化特征存在显著差异，主要以耕地、建设用地及未利用地的增加和林地、草地及水域的减少为主。耕地是各类土地利用类型中增长趋势最显著的，增长了226.91×104hm2，其中2010～2018年增长速率最快，动态度为1.920，主要由中覆盖度草地(56.37×104hm2)、低覆盖度草地(73.84 ×104hm2)和未利用地(47.94×104hm2)转化而来；建设用地1990～2018年间增长了25.32×104hm2，其中2010～2018年增长速率最快，动态度为3.689，主要由耕地(12.91×104hm2)和未利用地(7.30×104hm2)转化而来；未利用地1990年为6 634.59×104hm2，2018年为6 748.77×104hm2，增长速率最快的时间段为2010～2018年，动态度为0.088，主要由中覆盖度草地(928.85×104hm2)、低覆盖度草地(928.85×104hm2)和水域(152.57×104hm2)转化而来，由于近些来气温增长、水资源的不合理调配与人类活动强度加重，使得荒漠化进程加速；林地28年间共减少了5.27×104hm2，减少速率最快的时间段为2000～2010年间，动态度为-0.45，主要转化为高、中、低覆盖度草地(23.24×104hm2、18.12×104hm2、14.94×104hm2)、未利用地(16.16×104hm2)及耕地(18.95×104hm2)；高覆盖度草地在1990～2018年间增加了90.11×104hm2，中、低覆盖度草地确呈现下降趋势，分别减少了31.98×104hm2和243.24×104hm2，高覆盖度草地在2010～2018年间增加最快，动态度为0.957，中、低覆盖度草地减少速度最快的时间段分别为2000～2010年、2010～2018年，动态度分别为-0.157、-0.468，高覆盖草地主要由中覆盖度草地转化而来，中覆盖度草地主要转化为了低覆盖度草地，低覆盖度草地主要转化为未利用地(769.19×104hm2)和耕地(73.84×104hm2)。表3，表4

表3 塔里木河流域1990～2018年土地利用类型动态度Table 3 Dynamic degree of land use types in the Tarim River Basin from 1990 to 2018(%)

表4 塔里木河流域1990～2018年土地利用转移矩阵Table 4 Land use transfer matrix of the Tarim River Basin from 1990 to 2018(104 hm2)

2.2 生态系统服务价值时空变化特征

2.2.1 生态系统服务价值时间维度的变化特征

研究表明，1990～2018年塔里木河流域ESV整体呈现出下降趋势，减少了1 057.19×108元，约12.11%。1990、2000和2010年研究区ESV分别为8 728.84、8 778.50和8 754.76×108元，变化趋势较为平缓；2018年研究区ESV为7 671.65×108元，呈现明显下降趋势。依据各地类的生态系统服务价值变化可以发现水域和草地的ESV下降，28 a分别减少了1 026.32×108和261.65×108元，而耕地和未利用地的ESV呈现上升趋势，分别增长了236.14×108和9.42×108元。表5

表5 1990～2018年塔里木河流域各土地利用类型生态系统服务价值变化Table 5 Changes in ESV of various land use types in the Tarim River Basin from 1990 to 2018(108 yuan)

塔里木河流域的气体调节、气候调节、水源涵养和废物处理服务功能整体上均呈现出下降趋势，其中气体调节、水源涵养和废物处理服务功能在1990～2000年出现了轻微的回升，水源涵养和废物处理功能在2010～2018年呈现剧烈下降的趋势，分别下降了493.5、425.29×108元。调节服务功能主要受到耕地、林地、草地和水域的影响，由于研究区草地面积占总面积的比重较其他3个地类大，研究区调节服务的变化与草地面积的变化保持较高的相关关系。水源涵养和废物处理服务功能呈现先上升后下降的趋势，与草地、水域面积的变化一致。

塔里木河流域土壤形成与保护和生物多样性保护2项服务功能并称为支持服务，这2项功能在1900～2018年间始终保持平缓下降趋势。支持服务主要受耕地、林地和草地的影响，林地的波动性下降、耕地的持续性扩增与草地的持续性下降，但在面积仍然占比很高的三者综合作用下致使该项服务保持平缓下降的趋势。

食物生产与原材料生产2项服务功能在研究区中生态系统服务价值所占比重较小。其中，供给功能主要受耕地、林地和草地的影响，耕地面积的扩增与草地面积下降，使得农作物和畜产品的产量增加，食物生产功能在1990～2010年呈现出平缓上升的趋势，在2010～2018年出现了较为剧烈的增长；原材料生产服务功能在1990～2000年间呈现轻微的回升趋势，在2000～2018年则保持持续平缓下降趋势，这一变化与耕地和草地的面积变化趋势相似，供给服务的变化主要由于耕地、林地和草地3个地类综合作用，整体上保持上升趋势。文化服务功能在1990～2000年呈现上升趋势，在2000～2018年呈现出下降趋势，其中2010～2018年的下降趋势较为剧烈，该项服务功能主要受到林地、草地和水域的影响，其变化趋势与林地和水域面积的变化趋势一致。

塔里木河流域1990～2018年生态系统服务价值整体上保持下降趋势，与调节服务变化趋势一致，2000年以前呈现出轻微上升趋势，2000年以后保持下降趋势，2010～2018年下降趋势剧烈。表6

2.2.2 生态系统服务价值空间维度的变化特征

借助ArcGIS 10.2软件的渔网工具将研究区划分为大小10 km×10 km[32]的10 641个网格，分别计算网格内各地类面积，采用自然断点法对研究区生态系统服务价值与生态系统服务价值的损益进行空间化展示。

研究表明，除了塔里木河流域东北部地区以外，ESV存在中部地区低、四周高的空间分布特征，这与研究区独特的地貌类型分布特征高度契合，即盆地中部分布着大面积的沙漠，属于未利用地，ESV较低；四周的平原地区则环绕着沙漠分布着以耕地为主的绿洲地带以及分布着大面积草地的山地地区，ESV较高；ESV的高值区主要分布在研究区的北部、西部和西南部地区的草地和水域。对比1990和2018年ESV空间分布变化，高值区呈现出缩减态势，低值区的面积逐年扩大，整体上来看，研究区ESV呈现出显著下降趋势。

在过去的28 a间，塔里木河流域ESV整体上减损较大，主要是由于人类活动和城市经济发展进程加速造成流域内ESV较高的用地类型(如草地、水域)大量转化为ESV较低的用地类型(如未利用地)。而在研究区的东南部地区出现板块状分布的增益区域，主要是由于水域和草地面积的增长；研究区东北部地区还存在一些以点状分布的增益区，主要得益于生态修复后局部的草地、水域面积的增长；研究区西部地区的ESV增益区则主要得益于水资源开发使得部分区域草地覆盖度增加。图3

表6 1990～2018年塔里木河流域各项生态系统服务价值变化Table 6 Changes in ESV in the Tarim River Basin from 1990 to 2018(108 yuan)

图3 塔里木河流域ESV空间变化分布特征Fig.3 Spatial distribution characteristics of ESV in the Tarim River Basin

2.3 生态系统服务价值空间相关性

2.3.1 空间自相关性

研究表明，并通过Local Moran’s I指数分析出研究区ESV的空间集聚结构。研究区的ESV分布存在非常显著的空间自相关性，即ESV值高的区域空间分布集聚，反之亦然。Global Moran’s I指数呈现出逐年下降趋势，1990年为最大值，0.661，研究区ESV的空间相关性逐年下降，这一变化体现出研究区草地和水域ESV价值较高的区域面积逐年下降。ESV动态变化相关性为先降低再升高的变化趋势，且在2010～2018年达到最大值，为0.598，这一现象主要是由于2010～2018年间土地利用类型变化剧烈。

ESV高值区主要分布在研究区的北部、西部和南部地区，该区域主要是分布着草地、耕地和水域资源ESV价值较高的地类资源丰富，是研究区社会经济发展水平较高的区域；ESV低值区主要分布在研究区的西部和东南部地区，该类型区域分布主要地类为未利用地和部分草地，ESV价值高的地类资源较少；研究区中部和东北部地区ESV分布较为离散，主要地类为ESV价值低的未利用地，且生态环境脆弱，多为难开发利用区域。表7，图4

表7 1990～2018年塔里木河流域全局莫兰指数Table 7 Changes in the Global Moran’s I in the Tarim River Basin from 1990 to 2018

图4 1990～2018年塔里木河流域全局莫兰指数Fig.4 Changes in the Global Moran's I in the Tarim River Basin from 1990 to 2018

3 讨 论

塔里木河流域在发展经济的同时，应重视草地面积的大幅减少对脆弱生态环境的冲击，以及塔里木河上游耕地面积增加和水利设施增多造成水资源浪费和下游生态供水量短缺等生态问题[33]。

通过对比研究区与新疆其他地区的生态系统服务价值的变化特征，发现变化趋势不尽相同。1994～2016年塔里木河流域北缘生态系统服务价值表现为持续下降态势[34]；以全疆为尺度，2007～2016年生态系统服务价值总体上表现为增长[35]。各地区生态系统服务价值差异主要是由土地利用结构差异性、地形、时间尺度和研究区尺度的不同而导致的。研究认为塔里木河流域1990～2000年生态系统服务价值呈现出上升趋势，2000～2018年则呈现出下降趋势。白元等[36]基于货币量的价值评价法估算出2005～2010年塔里木河干流生态系统服务价值表现为上升的趋势；黄湘等[37]基于谢高地等制定的中国陆地生态系统服务价值当量因子估算了塔里木河流域生态系统服务价值，结果表明，流域1994～2005年的整体生态系统服务价值呈现出上升趋势。在当量因子法评估生态系统服务价值时，当量因子是否根据研究区的实际情况进行修正以及当量因子修正方法的选取与参数选择的不同是造成使用相同评估方法但评估结果存在差异的主要原因之一，且研究时段的选取也会造成生态系统服务价值评估结果呈现出差异。

通过基于网格单元的空间自相关分析方法能够从空间角度较好的表达生态系统服务价值对土地利用变化的响应，利用生态系统服务价值LISA聚类图，ESV分布变化特征，为探究土地利用演变对生态系统服务的影响提供一种可行的方式。但对造成流域土地利用变化与生态系统服务价值的变化背后的自然和社会经济驱动因素尚未开展有效的工作，且空间关联性不明确。

4 结 论

4.1未利用地、草地和耕地是研究区面积占比较大的土地利用类型，三者之和占比均在85%以上。流域内耕地面积呈现为持续增长趋势，未利用地和建设用地呈现出波动式增长趋势；中、低覆盖度草地表现为持续下降，水域表现为波动式减少趋势。其中建设用地的涨幅最高，达到74%，耕地次之，未利用地涨幅最低；减幅最大的土地利用类型为水域，未利用地和林地次之。

4.2研究区生态系统服务价值1990～2000年表现为轻微上升趋势，2000～2018年表现为下降趋势，总体流域生态系统服务价值呈现出下降趋势。其中2010～2018年间ESV下降趋势剧烈，流域内草地面积下降趋势加剧，ESV高值土地利用类型转向低值土地利用类型频繁。

4.3研究区1990～2018年ESV的增值区主要集中分布在研究区的东南部地区；ESV的损失区主要分布在研究区北部和西部地区，塔里木河流域生态系统服务价值处于损失状态。