渭干河流域土地利用程度與生態系統服務價值的關系

楊永菊等

摘要：基于1990、2000、2008年3個時期遙感影像數據，估算了渭干河流域不同時期的土地利用程度與生態系統服務價值，并利用ArcGIS空間分析功能對其空間特征與動態變化進行分析，探討二者的相互關系。結果表明，①流域未利用地面積較大導致土地利用程度較低。1990～2008年流域平均土地利用程度綜合指數為0.331 5，上、中、下游依次升高，該指數總體呈增長趨勢，年均增長0.23%，變化動態度由大到小依次為下游、中游和上游。②1990、2000和2008年流域總生態系統服務價值分別為2 722 484萬、2 709 389萬和2 662 851萬元，總體有所下降，林地、草地、沼澤面積的減少是其主要原因。下游未利用地面積小、林地比重較大，其單位面積生態系統服務價值為流域最高。研究期間上游生態系統服務價值略有增加，下游降幅較大。③生態系統服務價值隨土地利用程度的加劇先增后減，增長期主要由于未利用地比重減小，減少期則表現為建設用地比重的增大，生態系統服務價值增加區域主要分布在流域上、中游，減少區域則中游略多于上游和下游。

關鍵詞：土地利用程度；生態系統服務價值；時空變化；動態度；渭干河流域

中圖分類號：X37；F301.24 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）02-0277-06

Relationships between Land Use Degree and Ecosystem Service Values

in the Weigan River Basin

YANG Yong-ju1，QIAO Xu-ning1，2，TANG Hong3，QIAO Xu-ming4，NIE Xiao-jun1，WANG Rui1

（1.School of Surveying and Land Information Engineering， Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454003，Henan， China； 2. Xinjiang Institute of Ecology and Geography， CAS， Urumqi 830011，China； 3. Rural Development Research Center of Sichuan Province，Sichuan Agricultural University，Chengdu 611130，China； 4.Center of Survey， Henan Bureau of Statistics，Zhengzhou 450008，China）

Abstract： Based on the remote sensing images of 1990， 2000 and 2008， the land use degree and ecosystem services value of the Weigan River Basin was calculated， and the temporal and spatial variation and relationship in 1990-2008 was analyzed by the module of spatial analysis in ArcGIS. The results showed that the average composite index of land use degree in 1990～2008 was 0.331 5， increasing from 1990 to 2008 with an average growth rate of 0.23%. The lower index was because of the larger area of unused land. The average composite index was higher in downstream and lower in upper stream. Dynamic degree index was on the same trend. The total value of ecosystem services of area studied in 1990， 2000 and 2008 were 272.248 4×108 yuan， 270.938 9×108 yuan and 266.285 1×108 yuan which showed a trend of decline. The main reasons were the reducing of forest land， meadowland and wetland area. The value of ecosystem services per unit area in downstream was more than that of upper stream and middle reaches because of the larger forest land area and smaller unused land area. The ecosystem services value in upper stream increased slightly and downstream showed a larger decline. With the increase of land use degree， the ecosystem services value increased first and then decreased. The growth period was mainly due to the decline in proportion of unused land area， and the increasing in proportion of construction land area was the main reason in decline period. The spatial difference in change of land use degree was insignificant. The regions with increasing ecosystem services value were mainly located at upper stream and middle reaches， while the regions with reducing ecosystem services value in middle reaches was more than that of upper stream and downstream.

Key words： land use degree； ecosystem service values； spatial-temporal change； dynamic degree index； Weigan river basin

生態系統是復雜的生命支持系統，為人類提供了賴以生存的自然環境和多種生態系統產品與功能[1，2]，生態系統服務及其價值核算成為生態經濟學研究的熱點。土地利用作為人類最基本的實踐活動，其變化改變了生態系統的結構，影響著生態系統的服務功能[3-5]。Costanza等[6]提出了生態系統服務價值的定量評價模型，國內學者謝高地等[7]在此基礎上制定了“中國生態系統服務價值當量因子表”，使得生態系統服務價值的估算更具操作性。大量學者采用該方法對不同區域的生態系統服務價值進行了估算[8-11]，探討其與土地利用變化、城市化、社會經濟發展水平的關系[12-14]，取得了豐富的研究成果；也有學者運用相關分析方法探討了土地利用程度與生態安全[15]和生態效率[16]之間的關系，但針對土地利用程度與生態系統服務價值之間關系的研究相對較少。土地利用程度反映土地利用的經濟效率，生態系統服務價值則是土地利用生態效率的一個反映，通過二者相互關系的研究，有助于全面分析區域土地利用變化所產生的多重效應，揭示由土地利用所產生的經濟和生態效應的作用關系。渭干河流域是新疆重要的糧棉主產區[17]，隨著社會經濟的快速發展，流域的土地利用開發強度和利用程度加劇，對流域生態系統服務價值產生了較大影響[18，19]。本研究在借鑒前人研究成果的基礎上，以渭干河流域為研究區，基于流域1990、2000、2008年3個時期的遙感影像數據分析了土地利用程度的變化過程，并估算了不同時期的生態系統服務價值及變化特征，以此為基礎分析土地利用程度與生態系統服務價值的作用關系。研究有利于從流域尺度揭示多功能土地利用與生態系統服務形成與維持之間的關系，對理清土地類型轉換、影響生態系統服務的機理有著重要意義。

1 研究區概況

渭干河流域地處天山山脈中段南麓、塔里木盆地北部，行政區屬阿克蘇地區，轄拜城縣、新和縣、庫車縣大部分、沙雅縣大部分及溫宿縣部分區域，流域總面積27 849 km2。地域廣闊，按地形地貌可分為北部山區、中部山間盆地和南部沖洪積平原三大地貌單元。流域冬冷夏涼，晝夜溫差和氣溫年內變化大，多年平均氣溫7.5 ℃。降水時空分布不均，山區大于平原，降水量自北向南、自西向東遞減。流域水資源豐沛，但年內季節分配極為不均，夏季水量多、變化大，冬季水量小但較為穩定。根據渭干河流域水資源利用分區，拜城縣、溫宿縣范圍為流域上游，庫車縣、新和縣范圍為中游，沙雅縣范圍為下游（圖1）。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

以新疆1990年土地利用本底數據庫、2000年TM影像（空間分辨率30 m）和2008年Quick Bird遙感影像（空間分辨率0.6 m）為基本數據源，利用新疆縣界矢量圖、新疆地形圖、渭干河流域分區圖等輔助數據，經過ArcGIS和Erdas等軟件的處理、判別與解譯，并結合統計年鑒等相關資料進行校對修正。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用程度計算方法 土地利用程度變化可以反映不同區域的自然基礎對土地利用的制約，也可以反映人類對土地的開發利用程度，進而表示人類對不同類型生態系統造成的影響。參照文獻[20-22]的土地利用程度分級標準進行分級（表1），計算渭干河流域的土地利用程度綜合指數，以量化土地利用程度的高低。計算公式如下：

式（1）中，D表示土地利用程度綜合指數；Ai為第i級土地利用程度分級指數；CCi為第i級土地利用面積；HJ為土地利用評價區域內土地的總面積。

2.2.2 生態系統服務價值計算模型 根據流域土地資源特征，參照中國《土地利用現狀調查技術規程》和Costanza等[6]、謝高地等[7]采用的土地分類系統，將流域土地利用類型劃分為林地、草地、耕地、沼澤、水域、未利用地和建設用地7個類別。采用Costanza等[6]提出的生態系統服務價值評估方法和謝高地等[7]2007年基于500份調查問卷修訂后的中國生態系統服務價值當量因子表估算流域的生態系統服務價值。根據統計資料，渭干河流域1990～2008年平均糧食單產為

3 結果與分析

3.1 土地利用程度變化分析

渭干河流域土地利用類型以草地和未利用地為主，研究期間二者所占比重分別在34%和45%以上，在流域總面積中占有絕對優勢，未利用地面積比重較大導致流域的土地利用程度較低。根據公式（1）算得流域1990、2000、2008年3個時期的土地利用程度綜合指數分別為0.422 6、0.423 8和0.440 5，流域平均土地利用程度綜合指數為0.331 5，上、中、下游土地利用程度綜合指數依次升高（表3）。上游地區土地面積占流域總面積的62.96%，其中林地、草地、水域等生態用地類型面積均較大，尤其是土地利用程度較低的未利用地比重遠大于下游地區，而建設用地、耕地等土地利用程度較高的地類所占比重則較低，導致其土地利用程度綜合指數較低，1990～2008年上游土地利用程度綜合指數平均值僅為0.266 3。下游地區主要是沙雅縣城及周邊人類活動較多的區域，建設用地比重遠大于中、上游，耕地面積比重在50%左右，未利用地和濕地比重則很小，分別低于4.25%和0.02%，故土地利用程度綜合指數較高，3個時期均值為0.618 2。中游地區未利用地比重較大導致其土地利用程度綜合指數也相對較低。

由于流域土地開發利用程度的加劇，近年來耕地與建設用地面積迅速增加，未利用地比重有所下降，土地利用程度綜合指數總體呈增長趨勢，年均增長0.23%。整個研究時段內，上、中游的土地利用程度綜合指數均呈增長趨勢，下游地區則前期略有降低，后期大幅增長，土地利用程度動態度由大到小依次為下游、中游和上游地區。

3.2 生態系統服務價值特征分析

3.2.1 生態系統服務價值的動態變化 草地、林地和耕地是流域生態系統服務價值的主要構成部分，其中草地面積比重較大，生態系統服務價值系數較高，在總生態系統服務價值中占絕對比重，1990、2000、2008年草地所占比例分別為57.84%、57.48%和55.65%。沼澤、水域和林地的生態系統服務價值系數遠大于未利用地，3種土地類型的生態系統服務價值占流域總價值的比例遠大于其面積所占比例，研究期間未利用地面積比例均大于45%，但其生態系統服務價值比例均小于9%。

1990、2000和2008年流域總生態系統服務價值分別為2 722 484萬、2 709 389萬和2 662 851萬元，流域總生態系統服務價值呈現下降趨勢，1990～2008年流域總生態系統服務價值減少了59 633萬元，年均下降0.12%，流域生態系統服務價值減幅最大的是沼澤，其次為林地，增幅較大的是耕地和水域。林地、草地、沼澤面積的減少是流域生態系統服務價值損失的主要原因，耕地和水域面積的增加則在一定程度上補償了生態系統服務價值的部分損失，流域整體的土地利用類型變化趨勢是其他類型土地向耕地轉變。

不同時段流域的生態系統服務價值變化速度不同。1990～2000年流域生態系統服務價值減幅最大的是林地，其次是草地，這一時期耕地、沼澤和水域面積均有所增加，削弱了流域總的生態系統服務價值的減少幅度，年均降幅為0.05%。2000～2008年，耕地、水域面積增加幅度大于前期，但林地、草地面積減少幅度也較大，且沼澤面積由前期的增加變為減少，流域總的生態系統服務價值有較大幅度的減少，年均降幅為0.22%。

3.2.2 生態系統服務價值的空間差異

3.3.2 土地利用程度與生態系統服務價值的動態關系

4 結論

基于1990、2000、2008年3個時期的遙感影像圖，分析渭干河流域土地利用程度與生態系統服務價值的時空變化特征，并基于格網劃分探討二者的相互關系，得出以下結論。

1）流域未利用地面積較大導致土地利用程度較低，1990～2008年平均土地利用程度綜合指數為0.331 5，上、中、下游依次升高，分別為0.266 3、0.402 5、0.618 2。未利用地、林地、草地、水域面積比重較大導致上游土地利用程度較低，下游建設用地和耕地比重較大、未利用地面積小，故其土地利用程度較高。由于流域土地開發利用程度的加劇，耕地與建設用地面積迅速增加，未利用地比重有所下降，土地利用程度綜合指數總體呈增長趨勢，年均增長0.23%，變化動態度由大到小依次為下游、中游和上游。

2）草地、林地和耕地是流域生態系統服務價值的主要構成部分，1990、2000、2008年流域總生態系統服務價值分別為2 722 484萬、2 709 389萬和2 662 851萬元，總體有所下降，其主要原因是林地、草地、沼澤面積的減少。上、中、下游的草地提供的生態服務價值均最多，下游未利用地面積小、林地比重較大，故其單位面積生態系統服務價值為流域最高。1990～2008年上、中、下游的生態系統服務價值動態度分別為0.03%、-0.23%和-0.76%，上游略有增加，下游降幅較大。

3）隨著土地利用程度的加劇，生態系統服務價值先增后減，波峰位于土地利用程度綜合指數為0.5左右，前期主要是未利用地比重減小，后期則表現為建設用地比重的增加。未利用地比重較大的區域其生態系統服務價值與土地利用程度均較低，該類區域的比例最大，達40%以上。土地利用程度變化的空間差異不大，生態系統服務價值增加的區域主要分布在流域上、中游，減少區域的空間分布差異不大，中游略多于上游和下游。未利用地面積減少使得生態系統服務價值增加，耕地增加、林地和草地減少導致生態系統服務價值下降，耕地和建設用地面積增加則是土地利用程度加劇的主要原因。

4）流域應社會經濟發展與生態環境保護并重，依據流域生態服務功能及未來用地需求，制定嚴格的土地開發與生態環境保護政策，以保障流域的生態系統服務功能。不應盲目開墾耕地，尤其要防止林地和草地向耕地的轉變；保護和恢復流域生態環境，使未利用地向草地和林地轉變。中下游地區應注重林地的保護，提高區域的生態環境質量。

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（責任編輯 呂海霞）

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（責任編輯 呂海霞）