昌吉市土地利用时空演变及生态系统服务价值损益分析

2024-02-26王云霆高敏华

湖北农业科学 2024年1期

王云霆高敏华

摘要：通過分析2000—2020年昌吉市的土地利用遥感数据，探究昌吉市经济发展下土地类型与生态价值的相互转移变化。结果表明，昌吉市的草地面积在总区域面积中占比最大，历年占比均超过40.00%；草地和水域面积总体呈减少趋势，其余地类面积总体呈增加态势；草地转为耕地的面积达44 715.71 hm2，是转移变化最大的方式。通过灰色预测模型预测未来15年草地和水域的面积依然处于下降趋势但减速放缓，耕地和建设用地的增长也逐步放缓。2000—2020年昌吉市生态系统服务总价值呈下降趋势，由2000年的120.49亿元下降到2020年的113.48亿元；草地的价值最大，约占总价值的60%左右。各项生态系统服务价值变化中，除了食物生产和原材料生产的生态功能的价值略有增加，其他各项生态功能的价值均呈不同程度减少。草地、林地和水域转出造成生态系统服务价值减少，其中草地转为未利用地是价值损失最大的一项土地转移类别。

关键词：土地利用；时空演变；生态系统服务价值；损益；灰色预测模型；昌吉市

中图分类号：F062.2；X171.1 文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2024）01-0018-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.01.004 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Spatio-temporal evolution of land use and profit and loss analysis of ecosystem service value in Changji City

WANG Yun-ting， GAO Min-hua

（College of Geography and Remote Sensing Sciences， Xinjiang University， Urumqi 830046， China）

Abstract： By analyzing the remote sensing data of land use in Changji City from 2000 to 2020， the mutual transfer changes of land types and ecological value were explored under the economic development of Changji City. The results showed that the grassland area of Changji City accounted for the largest proportion of the total area， accounting for more than 40.00% in all years. The area of grassland and water showed a decreasing trend， while the area of other land types showed an increasing trend. The area of grassland turned into cultivated land was 44 715.71 hm2， which was the way of largest transfer change. Through the gray prediction model， it was predicted that the area of grassland and water was still in a declining trend but slowed down in the next 15 years， and the growth of cultivated land and construction land was also gradually slowed down. From 2000 to 2020， the total value of ecosystem services in Changji City showed a decreasing trend， from 12.049 billion yuan in 2000 to 11.348 billion yuan in 2020. The value of grassland was the largest， accounting for about 60% of the total value. In the changes of the value of each ecological system service， except for the ecological function of food production and raw material production， the value of other ecological functions decreased to varying degrees. The transfer of grassland， forestland and water caused a decrease of the value of ecosystem services， among which the transfer of grassland to unused land was the land transfer category with the greatest value loss.

Key words： land use； spatio-temporal evolution； ecosystem service value； profit and loss； grey prediction model； Changji City

收稿日期：2022-08-26

基金项目：遥感与水文模型融合的干旱绿洲流域尺度土壤盐渍化数值模拟（41661079）

作者简介：王云霆（1997-），女，河南郏县人，在读硕士研究生，研究方向为遥感与土地利用，（电话）13899846514（电子信箱）973180583@qq.com；通信作者，高敏华（1963-），男，新疆昌吉人，副教授，硕士生导师，主要从事遥感与土地利用研究，（电话）13999165131（电子信箱）13999165131@163.com。

土地利用是指人类利用土地的自然特性，进行有目的的生产、生活及社会活动等。人类开发及利用土地资源造成的地表覆被变化研究在全球生态环境变化的研究中占据重要地位。人类对土地的改造利用通过物质、能量转移等形式深刻影响着生物环境功能及陆地生态系统格局的变化，生态系统结构功能的变化又会对人类利用的土地带来极大的影响，生态系统严重恶化会使其服务功能退化［1，2］，从而造成生态资源对人类的贡献价值持续降低，增加生态环境的压力。中国国土面积广阔，土地利用方式和生态环境系统多样，城市化和工业化对土地资源高强度的开发利用带来了更加复杂的问题，城乡之间、人地之间的矛盾也更加严峻。因此，在今后相当长一段时期，生态环境系统保护问题仍然是经济转型和地区可持续发展的主要问题［3，4］。1997年，Constanza等［5］通过对不同类型的服务进行分类，将其划分为17个类别，并结合不同的研究结果，给出了较为系统、完整的计算单元面积等效的方法，并被许多学者所认同。中国学者从生态系统服务价值的角度对土地利用-覆被变化［6］、土地整治［7］、生态补偿［8］、土地生态服务［9］、生态服务协同效应［10］等方面进行了研究，形成了较为完善的技术方法及理论体系，为合理规划利用土地和科学保护生态环境提供了重要依據。2005年，谢高地等［11，12］根据Constanza等［5］的研究，并参考了国内上百名专家的意见，制定了中国土地生态系统服务价值的评估模式，并被国内的众多学者所认同。

昌吉市是新疆维吾尔自治区昌吉回族自治州的地级行政区州府，东侧紧临乌鲁木齐市，区域各方面与乌鲁木齐市协同发展，耕地广布，是新疆重要的粮食与经济作物主产区。自2004年开始实施乌昌一体化后昌吉市经济快速发展，城镇化进程加速，《昌吉市城市总体规划（2010年—2030年）》中计划将昌吉市建成重视环境保护的生态田园宜居城市，经过一系列的规划改造后，昌吉市的区域生态环境总体好转，生态环境建设取得了明显成效，但在生态环境建设中仍存在一些问题。因此，基于遥感技术与经济数据，以生态和经济可持续发展为目标，研究土地利用变迁下昌吉市生态系统服务价值，有助于优化和保护区域内的土地资源，降低生态环境受到的损害。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

昌吉市位于天山北麓，准噶尔盆地南缘。南北长约260 km，东西宽约30 km，地形地貌由南向北依次为山地、平原及沙漠。海拔呈南高北低逐级下降的结构，南北落差超过4 000 m。气候属于温带大陆性干旱气候，夏季炎热，冬季严寒，年日温差大，积温高，年日照时数为2 833 h，降水少，蒸发量大，气候干燥。昌吉市2021年末常住人口为54.748 1万人，地区生产总值466亿元，城镇化率达70.8%，经济总量占昌吉回族自治州的30%左右。近年来，昌吉市充分发挥区位优势、产业优势、生态优势、资源优势，积极实现社会经济结构的绿色发展，城市建设快速发展，土地利用变化增加，对区域的生态系统结构与功能产生了深刻影响。

1.2 数据来源

本研究所使用的昌吉市2000—2020年土地利用分类数据来自武汉大学黄昕教授团队基于Google Earth Engine上的Landsat数据制作出的中国年度土地覆盖数据（Annual China land cover dataset，CLCD）［13］。依据中国《土地利用现状分类》（GB/T 21010—2017），使用ArcGIS软件将研究区的土地利用类型重分类为林地、耕地、水域、草地、未利用地和建设用地6种生态系统类型。行政区划数据来自昌吉回族自治州国土资源规划院，昌吉市粮食作物播种面积、粮食价格以及单位面积产量数据来源于《新疆统计年鉴》《昌吉回族自治州统计年鉴》及《新疆生产建设兵团年鉴》。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用转移矩阵通过对土地利用转移矩阵的分析，可以反映出在某一特定的研究时期内不同类型土地间的迁移，从而量化反映出各土地利用类型的转移趋势和数量［14，15］。运用ArcGIS软件将不同时间段的昌吉市土地利用转为矢量数据并进行叠加分析，得到土地利用的转移矩阵，可直观显示昌吉市研究时间段内不同土地利用类型间的面积转移方向和数量，矩阵表达式如下。

式中，[Sij]表示研究期间内i地类转移至j地类的面积。土地转移矩阵可以反映出该时期前期与后期各土地利用类型间的动态变化。

1.3.2 灰色预测模型通过灰色预测模型初步预测昌吉市土地未来利用演变。灰色预测模型可以将少量的不完全信息进行数学建模，从而预测其未来发展的方向，是高效预测小样本数据的一种方法。如果定义[x（0）ti]为原始的数据序列，累加一次为[x（1）ti]，t为间隔时间；a、u为待确定的参数，即GM（1，1）的公式如下［16，17］。

使用后验差检验的方法对模型进行检验。后验差比值（C）能检验灰色预测的准确性，后验差比值愈低，表明灰色预测的准确性愈高。若C<0.35，则该模型的精度较高；0.35≤C<0.50，表示该模型的精度合格；0.50≤C<0.65，表示该模型的精度基本合格；C>0.65，表示该模型的精度不合格。C的计算式如下。

式中，[S1]为原始数据的标准差；[S2]为预测数据的标准差。

1.3.3 生态系统服务价值评估基于谢高地等［18］、彭文甫等［19］进一步修改后的中国单位面积生态服务的价值当量表，确定每个当量因子具有的经济价值为当地市场平均粮食单产价值的1/7，结合昌吉市的实际情况，以昌吉市多年平均粮食产量 7 111.84 kg/hm2为基准单产，多年粮食平均单价为1.7元/kg，计算出在该区域1当量因子所具有的经济价值量为1 731.97元/hm2，得到昌吉市单位面积ESV系数（表1），其中建设用地的生态价值暂无确定标准，因此赋值为0不参与计算。运用Constanza等［5］及谢高地等［18］建立的生态价值模型对昌吉市的生态价值与单项功能价值进行测算，计算式如下。

式中，[ESV]为生态系统服务价值；[Ai]为第i种地类的面积；[VCi]为第i种土地利用的單位面积的价值系数；[ESVf]为生态系统第f项的功能价值；[VCfi]表示研究区第i种地类第f项的价值系数。

1.3.4 生态系统服务价值的损益分析通过土地利用转移矩阵分析由土地类型转移带来的ESV损益［20］，其计算式如下。

式中，Pij表示由i类土地转移至j类土地后ESV的损益；VCi与VCj分别代表i类土地与j类土地的ESV系数；Aij为i类土地转移至j类土地的面积。

2 结果与分析

2.1 土地利用类型面积变化

由表2可知，2000—2020年昌吉市各土地利用类型按面积占比从高到低依次为草地、未利用地、耕地、林地、水域或建设用地。其中，草地的面积最大，2020年面积达321 765.93 hm2，占比为40.35%；研究期内，林地、水域和建设用地的平均占比之和为6.18%。

2000—2020年昌吉市林地和建设用地的面积都保持不断增加的态势，草地面积逐年下降，耕地和水域的面积都是先增加后减少，未利用地的面积在2005—2010年出现了下降，其他年份均为增长（表2、图1）。其中，耕地与未利用地的面积增长较大，2000—2020年耕地扩大了27 874.95 hm2，未利用地面积增加了24 278.06 hm2；各土地利用类型中草地的面积占比最大，但21年来草地面积一直处在减少的状态，减少的面积有60 893.32 hm2。前期耕地和建设用地快速增加，经济发展迅速，之后在政府的调控下开发用地的速度在逐渐放缓，逐步实现了生态经济绿色协调发展。

2.2 土地利用转移分析

表3为2000—2020年昌吉市土地利用转移矩阵。从转出情况看，草地转出的面积最大，共转出90 431.22 hm2，其中转为耕地的面积最大，为44 715.71 hm2，转为未利用地的面积为37 106.25 hm2；耕地转出面积次之，共转出20 432.39 hm2，有 17 256.96 hm2转为草地；未利用地有11 137.72 hm2转为草地，占比较大。从转入情况看，耕地的转入面积最大，为48 304.03 hm2，主要是由草地转入；未利用地和林地也主要由草地转入；草地主要由耕地和未利用地转入；建设用地和水域主要由耕地和草地转入。整体上看，草地与其他各土地类型的交换转移占据了转移的较大比例。

2.3 土地利用变化预测

基于灰色预测模型，得到昌吉市未来15年土地利用面积预测结果（表4），可以看出，昌吉市未来15年里，各地类变化总体趋势和目前的发展形式相类似，耕地、林地、建设用地、未利用地面积增加，草地和水域的面积持续下降，并且水域的下降幅度远超过草地，可见目前水域的下降速度虽然没有之前下降的速度快，但是仍然没有停止下降的势态，要继续努力开展节水工程，保护生态水资源环境；草地减少的面积最大，为36 832.31 hm2，耕地增加的面积最大，为26 867.03 hm2，增幅为21.54%；建设用地的增加面积虽然不是最大，但增加幅度最大，达83.83%，林地同样也是正向增长，为10.30%，未利用地的增长最小，为3.17%。通过精度检验得到的后验差比值合格，说明模型的可信度高。

2.4 各土地利用类型的ESV变化分析

昌吉市生态系统服务总价值变化如表5所示。2000—2020年昌吉市生态系统服务总价值表现出降低的趋向，由2000年的120.49亿元下降到2020年的113.48亿元，共降低了7.01亿元，其中只有在2005—2010年有短暂的上升。从各地类的ESV看，耕地、林地和未利用地的ESV总体上呈增长趋势，其中未利用地在2005—2010年、耕地在2015—2020年的ESV有所下降，林地持续上升；草地的ESV多年持续下降，水域的ESV整体上呈下降趋势。依据昌吉市生态系统服务价值的构成及各项占比来看，草地面积变化的贡献率最大，是总价值量变化的决定性因素；由于生态系统服务价值低的耕地面积增加而生态系统服务价值高的草地减少，因此昌吉市整体的生态系统服务价值下降，后期耕地面积增加的速率减缓，总生态系统服务价值下降的幅度和速率也在逐渐减缓。

2.5 生态系统单项服务价值变化

由表6可知，2000—2020年昌吉市土地生态系统各项ESV变化中，除了食物生产及原材料生产功能的价值略有增加，增幅分别为0.82%和1.82%，其他各项功能的价值都有一定程度的下降，减幅均在5.0%以上。其中，水文调节功能价值减幅最大，为8.86%；气候调节、水文调节、废物处理和保持土壤功能的价值在2005—2010年经历小幅上涨后于2010—2020年下降；维持生物多样性与提供美学景观持续降低。

2.6 生态系统服务价值损益变化

基于ArcGIS软件对各乡镇的ESV变化进行叠加和分级得到2000—2020年昌吉市ESV损益转移矩阵（表7）以及各乡镇的ESV损益变化情况（图2）。

由表7可知，2000—2020年昌吉市ESV的损失价值有70 106.81万元，生态系统价值整体下降。耕地、建设用地和未利用地的转出获得了ESV的正收益，草地、林地和水域的转出造成了ESV减少，其中草地的转出是整体ESV下降的主要原因，草地转出造成的ESV损失达79 294.60万元，其中草地转为未利用地使ESV减损了66 066.39万元，是价值损失最大的一项土地转移类别；未利用地转为草地获得ESV增加是价值收益最大的一项类别，增加了19 830.32万元，其次草地转为林地的收益有 15 475.64万元；草地、水域和林地的转入获得的ESV收益为正，未利用地、耕地及建设用地的转入造成了ESV减少，其中其他地类向草地的转入收益最高，为25 520.61万元。

从图2可以看出，2000—2005年ESV增加的乡镇最多，其余年份的价值多是减少的情况。城区六街道大部分时间段的ESV都在增加，主要是城市扩张的同时周边有大量的耕地转为了草地，生态系统服务价值增加；北沙窝和南部山区的几个乡镇团场多数阶段的生态系统服务价值是减少的，主要是在这些区域有大量的草地向未利用地转移；中部平原区域的乡镇地势平坦，适合农业种植，因此这些乡镇是耕地与草地相互转移的主要区域，ESV也随之发生变化。

3 小结

本研究对2000—2020年昌吉市土地利用演变与生态系统服务价值变化进行分析，得到如下结果。

1）研究阶段内，昌吉市的主要土地类型为草地和未利用地，到2020年时二者的面积分别占总面积的40.35%和37.35%。21年来草地减少的面积最多，耕地增加的面积最多。通过灰色预测模型预测未来15年草地和水域的面积依然呈下降趋势，但没有之前减少的速度快，耕地和建设用地也没有前期的高速增长。

2）2000—2020年昌吉市的生态系统服务价值总体呈下降趋势，在2005—2010年有阶段性的上升，整体上从2000年的120.49亿元减少至2020年的113.48亿元。研究阶段内，除食物生产和原材料生产为正增长以外，其他各项功能价值均呈负增长趋势。在6种地类中，耕地与水域的生态系统服务价值变化幅度最大，且水域的生态系统服务价值系数最高，因此对整个生态环境有着不可忽视的作用。

3）草地、林地和水域转出造成了生态系统服务价值减少，其中草地的转出是生态系统服务总价值下降的主要原因，未利用地转为草地获得生态系统服务价值增加是价值收益最大的一项类别。北沙窝和南部山区的乡镇多数阶段的生态系统服务价值是减少的，主要是在这些区域有大量的草地向未利用地转移。昌吉市位于中国西北干旱区，生态环境脆弱，容易遭到破坏，因此政府在经济与环境之间的协调把控就显得尤为重要，近年来耕地的增速减缓，草地减少的趋势也有所缓解，生态经济协调发展的成效显著，未来应继续推进社会经济高质量绿色发展。

参考文献：

［1］ KINDU M， SCHNEIDER T，TEKETAY D，et al. Changes of ecosystem service values in response to land use/land cover dynamics in Munessa-Shashemene landscape of the Ethiopian highlands［J］. Science of the total environment，2016，547：137-147.

［2］ TOLESSA T， SENBETA F， KIDANE M. The impact of land use/land cover change on ecosystem services in the central highlands of Ethiopia［J］. Ecosystem services，2017，23：47-54.

［3］李文華，张彪，谢高地.中国生态系统服务研究的回顾与展望［J］.自然资源学报，2009，24（1）：1-10.

［4］傅伯杰，周国逸，白永飞，等.中国主要陆地生态系统服务功能与生态安全［J］.地球科学进展，2009，24（6）：571-576.

［5］ CONSTANZA R，DARGE R，DE GROOT R， et al. The value of the worlds ecosystem services and natural capital［J］. Nature，1997，387：253-260.

［6］傅伯杰，张立伟.土地利用变化与生态系统服务：概念、方法与进展［J］.地理科学进展，2014，33（4）：441-446.

［7］王军，严慎纯，余莉，等.土地整理的生态系统服务价值评估与生态设计策略——以吉林省大安市土地整理项目为例［J］.应用生态学报，2014，25（4）：1093-1099.

［8］赖敏，吴绍洪，尹云鹤，等.三江源区基于生态系统服务价值的生态补偿额度［J］.生态学报，2015，35（2）：227-236.

［9］贾树海，纪寅.旅顺口区土地生态系统服务价值损益评估［J］.中国人口·资源与环境，2012，22（S1）：356-359.

［10］张静静，朱文博，朱连奇，等.伏牛山地区森林生态系统服务权衡/协同效应多尺度分析［J］.地理学报，2020，75（5）：975-988.

［11］谢高地，鲁春霞，成升魁.全球生态系统服务价值评估研究进展［J］.资源科学，2001，23（6）：5-9.

［12］谢高地，甄霖，鲁春霞，等.一个基于专家知识的生态系统服务价值化方法［J］.自然资源学报，2008，23（5）：911-919.

［13］ YANG J， HUANG X. The 30 m annual land cover dataset and its dynamics in China from 1990 to 2019［J］. ESSD， 2021，13（8）：3907-3925.

［14］蔡为民，唐华俊，吕钢，等.景观格局分析法与土地利用转换矩阵在土地利用特征研究中的应用［J］.中国土地科学，2006，20（1）：39-44.