1978～2018年喀什地区土地利用及其生态服务价值变化

王建平，阿依努尔·买买提，庞朝悦，马元旭

(1.中国科学院遥感与数字地球研究所喀什卫星数据接收地面站，新疆喀什 844000；2.中国科学院遥感与数字地球研究所数字地球重点实验室，北京 100094)

0 引 言

【研究意义】 生态系统服务是生态系统通过其结构、过程和功能直接或间接供给人类赖以生存和发展的物质基础和效应[1]，维持与保育生态系统服务是实现可持续发展的基础与前提要求[2]。干旱区生态环境相当脆弱，如退化或受到破坏，将产生不可恢复的后果，且干旱区主要出现的问题是主要由其生态系统结构的改变、生态系统服务功能的退化与破坏而造成[3]。土地利用/覆盖变化是干旱半干旱地区人类活动在短时间内对自然环境影响最显著的基本实践活动[4]，影响着区域土壤、水资源、气候、生物多样性等自然因素的生态结构和过程[5]。基于土地利用变化对生态系统服务功能与价值进行定量研究，有助于了解干旱区生态环境的动态变化趋势。【前人研究进展】针对不同类型生态系统，即流域、城市、森林、湿地以及农田[5]等不同类型的生态系统服务价值。喀什地区生态环境极为脆弱，多风天气加上地表植被稀疏，极易形成沙尘暴的天气[6]。【本研究切入点】对干旱区生态系统服务价值在土地利用方面的应用研究较多关注土地利用变化对生态系统服务总价值的影响，对土地利用变化如何影响生态系统服务总价值结构变化的研究较少。土地利用变化是干旱区环境变化的重要部分和主要影响因素，研究干旱区土地利用变化对生态系统服务价值的影响，将自然生态系统对人类的服务与经济评价结合起来，能更好地解决自然资源的保护和合理配置问题。【拟解决的关键问题】研究土地利用变化背景下的生态系统服务功能与价值改变对干旱区生态建设与区域可持续发展的影响，研究喀什地区41a土地利用及其生态服务价值变化，为喀什地区土地资源的合理开发利用及促进区域经济可持续发展提供重要参考。

1 材料与方法

1.1 材 料

新疆喀什地区地处欧亚大陆中部，北有天山南脉横卧，西有帕米尔高原耸立，南部是喀喇昆仑山，东部为塔克拉玛干大沙漠[7]。喀什地区干旱炎热，山区的冰雪融水给绿洲的开发创造了条件，形成了较集中的喀什噶尔和叶尔羌河两大著名绿洲[8]。光照时间长、温度变化大，降水稀少，蒸发旺盛。年潜在蒸发量2 500 mm以上，平原降水量59～60 mm，全年>10℃的有效积温为4 200℃，年日照时数2 700～2 900 h，无霜期在22 d左右，属典型的暖温带大陆性干旱气候[9]。

该图均基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为CS (2019) 3333号的标准地图制作。

采用的1978(MSS)、1988(TM)、1998(TM)、2008(ETM)和2018(OLI)Landsat系列遥感数据来自中国地理空间数据云(http://www.gscloud.cn)和中国科学院遥感与数字地球研究所的数据共享网站 (http://eds.ceode.ac.cn/sjglb/dataservice.htm)。以Landsat系列数据为基础，参照国家土地利用分类方式，把沙地和盐碱地从未利用地景观中划分出来，把湿地从水体景观中划分出来并将土地利用景观类型分为耕地、林地、草地、水域、建设用地、盐碱地、湿地、沙地和未利用地等9种类型[10]。再应用中国科学院资源与环境科学数据共享网提供的全国土地利用数据以及2018年研究团队收集的采样点数据对每期土地利用数据进行精度检验。所获得的精度大于80%，满足对土地利用分类数据的精度要求。社会经济数据来自于1980～2015年的“喀什地区统计年鉴”及相关资料。

1.2 方 法

1.2.1 遥感图像的分类

采用精度和稳定性都比较高的复合分类法 (Combinedoptimumfuzzyclusteringandsupervisedclassification—COFCS)，使用该方法进行土地覆盖分类主要有2个步骤：用模糊最优聚类法对训练样本做最优聚类分析，并将所得结果进行识别，确定信息类别及部分噪声；用监督分类中最大似然分类对整个区域进行分类，得到最后的结果[11]。

1.2.2 土地利用/覆被变化

土地利用动态度 (W) 与土地利用综合指数 (R) 是描述区域土地利用/覆盖变化速度的关键指标。

土地利用动态度：土地利用动态度定量地阐述土地利用变化的时空差异，描述土地利用历史变化过程、判断当前土地利用的结构状态，以及预测未来土地利用趋势[12]。其公式为：

(1)

式中：W是指研究时段内某一种土地类别的动态度；Ua和Ub是指研究区a和b时期的第U种土地类别的面积；T是指研究时间段。

土地利用程度综合指数：土地利用程度反映的是人类依赖土地资源的程度、和人类活动对土地利用影响的强度和深度，同时表示土地资源本身的自然属性和社会发展与生态环境之间的耦合效应[13]。其公式为：

△I=Ib-Ia=100×

(2)

(3)

式中：△I为研究区土地利用程度变化量；Ia和Ib是分别表示为a、b时间点其程度综合指数；R为土地利用程度变化率；Ai为第i类土地利用程度分级指数；当R>0时表示某一区域的土地利用正处于发展阶段；当R<0时表示某一区域的土地利用正处于衰退阶段[14]；当R=0时表示某一区域的土地利用正处于稳定期。表1

表1 喀什地区土地利用程度分级指数[15]Table 1 Grading index of land use degree of Kashgar Region

1.2.3 生态系统服务价值评估

得到中国陆地生态系统单位而积生态服务价值[16]。研究采用谢高地等的研究成果，结合根据研究区实际情况，对喀什地区1978、1988、1998、2008和2018年的生态系统服务价值与功能进行评估，其公式为：

(4)

(5)

式中：ESVk，ESVf代表k种土地利用类别的f种生态系统服务功能价值总量，Ak代表k种土地利用类别的分布面积；VCkf代表为k种土地利用类型的f种生态服务功能价值系数[17]。利用公式5计算喀什地区1978～2018年生态系统单项服务功能估算价值 (ESVf)。其中“↑”代表贡献率上升，“↓”代表贡献率下降，“-”代表贡献率稳定不变。

1.2.4 敏感性

敏感性指数 (Coefficient of sensitivity，CS) 是表明生态服务价值 (ESV) 随时间变化对价值指数 (VC)变化的依赖程度[18]。如果CS>1时，表示生态服务价值相对于CS是具有弹性的；如果CS<1时，生态服务价值则被定为缺乏弹性，敏感性指数计算公式如下：

(6)

式中：CS代表敏感指数、ESVj和ESVi分别代表生态服务价值系数调整前及调整后的生态系统服务总价值。VCik和VCjk分别表示初始和调整后的生态系统服务价值系数；k代表土地利用类别[19]。

2 结果与分析

2.1 土地利用变化时空

研究表明，1978～2018年间喀什地区土地利用出现显著的时空变化。

41a间各类土地利用相互转化，变化动态度都存在着明显差异，其中，建设用地的面积变化率最显著，从1978年的29.5×103hm2增加到2018年的84.7×103hm2，动态度最大，动态度为4.56%；其次为耕地的动态度比较明显，从1978年的895.3×103hm2增加到2018年的1 419×103hm2，动态度为1.43%。与这相反，湿地与未利用地的动态度最小，其中湿地面积增加了4.5×103hm2，动态度最小，为0.2%；未利用地面积减少了242.5×103hm2，动态度为-0.18%；林地面积增加了41.7×103hm2，动态度为0.77%；草地面积减少383.20×103hm2，动态度为-0.26%；水域面积减少了139.1×103hm2，动态度为-0.57%；沙地面积增加了262.3×103hm2，动态度为0.26%；盐碱地面积减少了122.6×103hm2，动态度为-0.9%。在1978～2018年间，喀什地区耕地与建设用地面积呈现大幅度增加的趋势，在41 a间耕地与建设用地增加率分别为58.5%与187.1%。图2，表2

2.2 土地利用程度综合指数

研究表明，1978～2018年间，喀什地区土地利用程度综合指数呈直线上升趋势，由1978年的115.33上升至2018年的389.23，始终处于发展状态，并2018年达到最高值。在过去41a间，喀什地区土地利用程度1978～1988年为-0.1、1988～1998年为0.59、1998～2008年为0.95、2008～2018年为1.71、1978～2018年为2.66，整个时间段内，在1978～1988年土地利用程度处R<0，而1988～2018年土地利用程度处R>0，土地利用程度均呈递增的直线型变化趋势，而从1988年开始呈现持续增长趋势。表3

图2 喀什地区1978、1988、1998、2008和2018年土地利用Fig.2 Land use distribution map of Kashgar Region in 1978, 1988, 1998, 2008 and 2018

表2 喀什地区1978～2018年间土地利用面积变化与动态度变化Table 2 Land use change and dynamic degree change of Kashgar Region within 1978-2018

表3 喀什地区1978～2018年不同时期土地利用程度综合指数Table 3 Changes of integrated index of land use in the Kashgar Region in 1978-2018

2.3 喀什地区生态服务价值变化

研究表明，1978～2018年喀什地区生态系统服务价值呈现先减少后增加又减少的变化趋势，总体而言，呈减少趋势。喀什地区生态服务价值从1978年的593.23×108元减少到1988年的585.06×108元，减少了8.1×108元，而到1998年增加到592.89×108元，10 a中增加了7.83×108元，到2018年的生态服务价值又减少到552.70×108元，并在这20 a中减少了40.19×108元，由此看到生态服务价值表现为减少—增加—又减少的变化过程。单项生态系统服务价值中，耕地、林地、草地、水域与湿地的生态服务价值占总生态服务价值的91.1%，其中水域的生态服务价值最大，占比例为42.1%；而建设用地的生态服务价值最小，占比例为0.01%。在1978～2018年间，喀什地区耕地、林地、建设用地与盐碱地的生态服务价值均有较大变动 (变化率均大于30%)，其中建设用地生态服务价值的变化最大，变化率达到187.1%，其次为耕地、盐碱地和林地的生态服务变化率分别达到58.5%、-36.8%和31.6%。喀什地区的生态服务价值呈现先减少 (1978～1988) 后增加(1988～1998) 之后再减少 (1998～2018) 的变化趋势，这种变化主要由于水域和湿地生态服务功能价值指数较大于其它土地利用类型并且水域面积大于湿地面积的原因，水域的面积变化引起喀什地区生态系统服务总价值的先减少后增加之后又减少的变化。在单项生态系统服务价值变化中，1978～2018年间，耕地、林地、建设用地、湿地与沙地的生态服务价值分别增加了58.5%、31.6%、187.1%、8.2%、10.7%，而草地、水域、未利用地与盐碱地的生态服务价值分别减少了10.7%、23.6%、7.4%和36.8%。表4

表4 喀什地区1978、1988、1998、2008和2018 a生态服务价值 (108￥)Table 4 The ecosystem services value of Kashgar Region in 1978，1988，1998，2008 and 2018 (108￥)

2.4 喀什地区生态服务功能变化

研究表明，1978～2018年间喀什地区各单项服务功能变化度有较大的区别，景观结构改变导致的喀什地区生态系统服务功能变化明显，单项功能差异显著，生态服务功能大部份呈现下降趋势，如水源涵养功能损失为25.92×108元、废物处理功能损失为18.05×108元、生物多样性保护功能损失为1.69×108元、娱乐文化功能损失为6.97×108元、总生态系统服务功能损失为40.53×108元，而气体调节功能增加为0.76×108元、气候调节功能增加为2.57×108元、土壤形成功能增加为4.22×108元、食物生产功能增加为4.18×108元、原材料功能增加为0.38×108元。由生态系统服务功能组成可知，水源涵养功能和废物处理功能贡献最大，而食物生产功能和原材料功能贡献最小，喀什地区生态系统调节性功能价值远远大于生产性功能价值，可确定喀什地区生态服务功能属于调节性功能。表5

2.5 敏感性

研究表明，在41a间，敏感性指数CS都小于1，其中耕地、林地、湿地和沙地，敏感性指数呈增加趋势，建设用地敏感性指数稳定不变，而草地、水域、未利用地和盐碱地的敏感性指数呈减少趋势，表明耕地、林地、湿地和沙地的生态系统价值系数增加趋势对喀什地区生态系统服务总价值产生放大性作用，而草地、水域、未利用地和盐碱地的生态系统价值系数变化对研究区生态系统服务总价值产生了缩小性的作用。表6，图3

图3 1978～2018年喀什地区耕地面积变化曲线Fig.3 Cultivated land and population change chart of Kashgar Region in 1978-2018

3 讨 论

对干旱区进行的众多研究[3,10,11,16,18]结果表明，干旱区土地利用变化在短期时间内受到的水量和气候等自然因素的影响较小，而农业生产是干旱区活动的主要内容。从土地利用变化与生态服务的相互作用分析可知，喀什地区伴随着耕地大面积扩大，草地和水域面积大量缩小，自然生态系统结构由非农业用地方式向农业用地方式转变，这是生态系统衰退的明显特征，表明存在着绿洲化和荒漠化同时共同发展的情况[10, 19]。耕地和建设用地的生态服务价值在这41 a过程中逐渐的增加，但未能阻止喀什地区生态系统服务功能总价值减少的趋势，这主要是由于耕地和建设用地生态系统增垦面积扩大的来源主要由生态服务价值较高的草地转换而来，且耕地和建设用地的扩大对喀什地区生态系统服务价值的贡献不明显[20]。研究区耕地面积的扩大在短时期内对提高当地人民收入、促进当地经济发展具有明显的经济效果，但耕地面积的无限制增加则为当地的生态安全造成了较大的隐患[10]。对干旱区而言，耕地主要由草地开垦转来，因此，造成自然植被面积的持续缩小。近几十年来，随着耕地面积的扩大，农业用水需求也随之增加，一直占用生态用水，易造成当地自然植被面积的快速减少，使研究区阻止沙漠化、盐渍化等自然灾害的能力下降[21-22]。

4 结 论

4.11978～2018年41a间喀什地区土地利用结构发生较大的变化，耕地、林地、湿地、建设用地与沙地面积呈现增加趋势，而草地、水域、盐碱地与未利用地面积呈现减少趋势。耕地、林地、水域、建设用地和盐碱地面积变化的绝对量最大，湿地与未利用地面积变化的绝对量则最小。

4.2喀什地区1978、1988、1998、2008与2018年的生态系统服务总价值分别为593.23×108、585.06×108、592.89×108、576.62×108和552.70×108元，生态系统服务价值呈现减少-增加-又减少的变化趋势。喀什地区生态系统服务总价值的变化主要由1978～2018年间各单项服务功能的变化、景观结构的改变以及水域与湿地生态服务功能价值指数大于其它土地利用类型等原因而造成的。

4.3水源涵养功能和废物处理功能价值贡献最大，而食物生产功能和原材料功能的价值贡献最小，喀什地区生态系统的调节性功能价值远远大于生产性功能价值，喀什地区生态服务功能属于调节性功能。生态系统服务功能下降的主要原因，单项生态服务功能中对总生态服务价值贡献率较大的水源涵养功能和废物处理功能分别呈现下降趋势，因而导致总生态服务功能的下降。

4.4喀什地区5期的土地利用类型生态服务价值对生态服务功能价值指数的敏感性指数均小于1。