艾比湖流域生態系統服務價值時空分異特征及其對土地利用/土地覆被的響應

賀子康　張永福　 張嚴俊等

摘要 基于遙感與GIS技術，運用中國陸地生態系統服務價值當量表，并結合艾比湖流域景觀類型，分析了2001～2009年生態系統服務價值變化，探討了干旱區內陸湖流域生態系統服務變化對土地利用/覆被變化（LUCC）的響應。結果表明：艾比湖流域土地利用類型變化明顯，綜合土地利用動態度為6.84，其中從單一動態度得出變化最為明顯的是耕地、荒漠、林地的擴大，草地和水體的較少；艾比湖流域生態系統服務價值整體變化不大，研究期間總價值由395.70億元減少到390.14億元，原因是草地、水體面積的減少，耕地、灌木和林地面積的增加補償了總價值的部分損失，但損失大于收益；研究區生態系統服務價值的空間差異明顯，2001～2009年生態系統服務價值發生變化最頻繁的地區主要位于流域中部荒漠和綠洲交錯帶，這里荒漠面積擴大，生態系統服務價值明顯降低，有向綠洲擴散的趨勢。研究結果可為艾比湖流域國家生態保護區土地科學管理、保護與開發提供參考。

關鍵詞 生態系統服務價值；土地利用/土地覆被；時空變化；艾比湖流域

中圖分類號 S181.3 文獻標識碼

A 文章編號 0517-6611（2014）08-02452-05

Spatiotemporal Variation in the Value of Ecosystem Services and Its Response to LUCC in Ebinur Lake Basin

HE Zikang et al （College of Resources and Environment Sciences， Xinjiang University， Urumqi， Xinjiang 830046）

Abstract Based on remote sensing and GIS technology， using China inland ecosystem service value as gauge， combined with landscape types of Ebinur watershed， the changes of ecosystem services value during 2001-2009 were analyzed， the reaction of the inland lake basin in arid zone ecosystem services change on land use/cover change（LUCC） was discussed. The results showed that： the change of land use type is obvious in Ebinur watershed， and the integrated land use dynamic degree is 6.84， among which the most obvious change is plowland， desert， forest land from a single dynamic， but the grassland and water change slightly. The entirety change is not so much in ecosystem services value in Ebinur watershed， and the total value changes from 39.57 billion yuan to 39.014 billion yuan during the research period， and the result is that the grassland and water area is declining， but the increasing of plowland ， brush and forest land makes up the partial lose of total value； The spatial difference of ecosystem service value is remarkable in the research area， and the ecosystem service value change most frequently area is located in the desert of the middle part of the watershed and the oasis ecotone， in which the area of desert is keeping expanding， and the ecosystem service value declines so obvious， meanwhile this trend is spreading to oasis. The achievement of the study provide the basis for national ecological reserve land science management， protection and development.

Key words Ecosystem services value； Land use/cover； Spatiotemporal change； Ebinur Lake

生態系統給人類提供了自然資源和生態環境兩方面的多種服務功能，這些服務功能的可持續供給是經濟社會可持續發展的基礎。生態系統服務功能是指生態系統形成和所維持的人類賴以生存和發展的環境條件與效用，是人類賴以生存的基礎，與人類福利息息相關[1-4]，隨著人們對生態系統服務功能重要性的理解逐漸加深，眾多研究者在生態系統服務的產生原因、影響因素、管理措施等方面開展了大量的研究[5-8]。土地利用變化蘊含大量人類活動的信息，可以通過改變生態系統類型、格局以及生態過程直接影響生態系統服務功能，是生態系統服務功能變化的重要驅動力[9-11]，隨著土地利用變化成為全球變化的焦點，其對生態系統服務功能的影響也受到越來越多的關注[12-14]。定量評估土地利用變化與生態系統服務功能變化之間的關系成為當前生態學研究的熱點[15-16]。

生態系統服務指通過生態系統結構、過程和功能直接或間接為人類福利提供的產品和服務，是人類生存和發展的物質基礎和基本條件，是人類所擁有的關鍵自然資本[10]。土地利用/覆被變化（LUCC）能改變生態系統的結構、過程和功能，進而影響生態系統服務[11-12]。自人類開始管理環境開始，土地利用就不斷地發生變化，然而，在近50年里發生的變化尤為重要和強烈[13]。已有很多學者對LUCC引起的生態系統服務價值變化進行了定量研究[14-17]，但這些研究的時段多為有遙感影像的近30年，超過50年的案例尚不多見，且研究的尺度也以大尺度為主，對流域尺度生態系統服務價值變化的研究還不夠深入，尤其對跨境河流流域生態系統服務價值的研究相對薄弱[18-19]。

艾比湖是新疆維吾爾自治區第一大咸水湖，新中國成立初期湖面面積1 200 km2，如今湖面已經萎縮至500 km2左右，湖濱地區荒漠化程度加劇，成為我國西部沙塵暴主要發源地之一，直接威脅到天山北坡經濟帶的可持續發展和新亞歐大陸橋的安全運行。因此開展艾比湖流域生態服務價值的動態研究，對流域由LUCC引起的生態與環境變化有重要的指導作用，同時將為流域土地資源可持續利用和生態環境保護提供決策支持，并為艾比湖流域生態系統服務價值變化提供新的思路。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況

艾比湖深居亞歐大陸腹地新疆北部79°53′～85°02′E、43°38′～45°52′N；鄰近我國和哈薩克斯坦邊境，面積約4.75萬km2，是準噶爾西部的低洼地和水鹽匯集中心，遠離海洋，北、西、南3面被高山阻隔，氣候干燥異常，屬溫帶干旱大陸性氣候，常年多風沙天氣，蒸發量大，降水稀少，年均降水量為188.50 mm，年均蒸發量2 042.25 mm，蒸降比為10.8，年均風速6 m/s，沙鹽塵危害加劇，生態環境十分脆弱，對人類活動和景觀變化十分敏感。近年由于人口規模增大，耕地面積擴大和社會經濟的發展，對水資源的需求量日益增加，使得艾比湖水面面積大幅縮小，天然植被嚴重退化衰敗，沙漠化擴散，生物多樣性銳減，嚴重威脅綠洲生態安全。

1.2 數據來源與預處理

數據來源于美國國家航空航天局NASA的EOS/MODIS數據（http：//ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search），選擇2001、2005和2009年MOD12Q1土地利用標準分類產品，空間分辨率為1 km×1 km。運用MCTK（MODIS Conversion Toolkit）將獲取的MOD12Q1數據產品進行Bowtie形變處理，選用傅里葉變換法進行噪聲去除，同時以1∶10的地形圖為標準地理空間，對影像進行幾何校正處理，最后利用艾比湖流域邊界矢量圖剪取艾比湖流域MODIS柵格圖像數據。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用類型劃分。

MODIS土地覆蓋產品數據是基于IGBP（International GeosphereBiosphere Program）體系的土地覆蓋數據產品18種地物景觀類型，通過監督決策樹分類方法將其分為7種不同的地物景觀類型，分別為水體、林地、灌木、草地、耕地、建設用地和裸地[19]。最后，根據解譯結果進行隨機抽樣，并作野外實地精度檢驗，水體分類精度最高達到96%，耕地為90%，灌木為92%，草地為88%，裸地為95%，草地最低為85%，建設用地為92%，滿足該研究需求。

1.3.2 土地利用動態度。土地利用動態度分為單一土地利用動態度和綜合土地利用動態度[20]。單一土地利用動態度表示研究區一年內某種土地利用/土地覆被類型的變化幅度，直接反映了研究區某種土地利用/土地覆被類型變化的快慢。計算公式為：

K=Ub-UaUa×1T×100%（1）

式中，Ua、Ub分別為研究初期與末期某種土地利用類型的數量；T為研究時段。

綜合土地利用動態度從總體上反映研究區一定時間范圍內各土地利用/覆被類型相互轉化的劇烈程度[21]，計算公式為：

LC=ni=1ΔLUi-j2ni=1LUi×1T×100%（2）

式中，LUi為監測起始時間第類土地利用類型面積；ΔLUi-j為監測時段第i類土地利用類型轉化為非i類土地利用類型面積的絕對值；T為監測時段長度。

1.3.3 生態系統服務價值評價方法。

Costanza等于1997年在Nature雜志發表的研究成果中，運用經濟學原理定量分析生態系統服務價值，該方法使生態系統服務價值評估得以量化實現，將生態系統服務研究推向生態經濟學研究的應用領域，但由于Costanza等是對全球尺度上的生態服務價值進行估算，為了減少其應用于中國陸地生態系統所造成的誤差[22]，謝高地等在Costanza等提出的評價模型基礎上，結合對我國200位生態學者進行生態問卷調查結果，建立了中國陸地生態系統，單位面積服務價值表（表1）[23]。該研究引用謝高地等的研究成果，利用Costanza提出的生態服務價值分析模型[22]計算艾比湖流域生態系統服務價值，其計算公式為：

2 結果與分析

2.1 艾比湖流域土地利用動態變化

根據IGBP土地分類體系，并參照土地利用二級分類，對艾比湖流域2001、2005、2009年3期不同土地利用類型進行歸并，得到2001～2009年艾比湖流域土地利用的面積變化及空間格局的差異（圖1）。

圖1 2000～2009年艾比湖流域土地利用變化

根據土地景觀類型分類結果，對2001～2009年艾比湖流域土地利用/覆被的數量和結構進行統計分析 （表2）。2001～2009年艾比湖流域各土地類型發生了較大變化，草地共減少了590 002.0 hm2，是面積變化最大的地類，變化幅度占草地總面積的17.92%。在整個變化過程中，草地呈不斷減少的趨勢，主要原因是耕地和荒漠面積的擴大，其間耕地增加了99 249.4 hm2，荒漠面積擴大了265 797.6 hm2；水體面積在2001～2009年共增加了9 560.76 hm2，2001～2005年水體面積減少了55 719.11 hm2，主要原因是湖面的萎縮；2005～2009年，水體面積增加了65 279.88 hm2，主要分布于天山北坡，主要原因是由于天山北坡的積雪面積擴大。林地面積2001～2009年間稍有增加，但變化幅度不大，比較平穩；荒漠面積由原來的344 282.8 hm2增加至610 080.4 hm2，增加近2倍，并有向流域上游蔓延的趨勢（圖1）。說明景觀格局由人為作用影響愈來愈明顯。

由動態度指數計算結果可更加直觀的得出各地類面積變化。2001～2009年草地和水體面積在明顯下降，分別為-1.99%和-0.91%；荒漠、灌木、林地、建設用地和農用地面積均有不同程度的增加，其中增加最為明顯的荒漠、灌木和農用地，分別為8.58%、7.67%和2.87%。

2.2 艾比湖流域生態系統服務價值變化 2001年艾比湖流域總生態系統服務價值為395.70億元（表3），草地、水體生態系統服務價值是其主要構成部分。2005年總生態系統服務價值有所減少為394.91億元，其中，草地面積的減少18.33億元，減幅為8.95%，是導致2001～2005年生態系統服務價值損失的主要原因，水體次之，減少了5.22億元，減幅為-5.22%；林地和灌木增加了20.96億元，增幅分別為19.13%和41.64%，這在一定程度上補償了生態系統服務價值的部分損失。2005～2009年，流域總生態系統服務價值進一步減小，造成這一現象的原因是草地和水體生態系統服務價值系數大的土地利用類型減少速度比農用地、灌木和林地增加的速度快，其中減幅最大的是草地，減少了18.38億元，增幅最大的是灌木，增加了10.44億元。

由表3可知，2001～2009年艾比湖流域總生態系統服務價值呈減少趨勢，總計減少了5.33億元，減幅為1.35%，造成這一變化的原因主要是：土地利用/覆被類型的改變，草地和水體這種高生態系統服務價值系數的土地類型向荒漠、農用地等低生態系統服務價值系數的土地類型轉化，這是導致該流域生態系統服務價值減少的主要原因，雖然耕地和灌木面積的在一定程度上補償了該流域生態系統服務價值的部分損失，但并沒有完全彌補草地面積減少所造成的生態系統服務價值的損失；建設用地面積有所增加，由于其生態系統服務價值系數為0，其面積變化不會對生態系統服務價值變化產生直接的影響。

2.3 艾比湖流域生態系統服務價值空間分析

為了分析艾比湖流域生態系統服務價值的異質性，需要對該流域生態系統服務價值在空間上分布的不均勻性及復雜性進行描述，為達到這一目的，該研究在艾比湖流域土地利用/覆被類型的基礎上，按網格劃分的方法將艾比湖流域劃分為10 km（10 km的網格，計算每個網格的生態系統服務價值，得到艾比湖流域生態系統服務價值空間分布（圖2）。

圖2 不同時期艾比湖流域生態系統服務價值空間分布

由圖2可知，

生態系統服務價值<2萬元/（km2·a）的區域主要分布于艾比湖流域荒漠地區和草地和荒漠交錯帶；生態系統服務價值介于2萬～4萬元/（km2·a）的區域主要分布于流域草地和農用地覆蓋區域；4萬～6萬元/（km2·a）的區域主要分布于流域的海拔較高的林地和灌木地區；6萬～8萬元/（km2·a）和8萬元/（km2·a）以上的地區主要分布于流域湖區和積雪區域。2001～2009年生態系統服務價值發生變化最頻繁的地區主要位于流域中部荒漠和綠洲交錯帶，這里荒漠面積擴大，生態系統服務價值明顯降低，有向綠洲擴散的趨勢；隨著湖區面積減小，生態系統服務價值也隨之明顯較少；相對而言，綠洲西部和南部生態系統服務價值變化較小，主要是由于其土地覆蓋類型多為永久性冰川積雪和高山草地所致。

3 結論與討論

遙感衛星數據是估算大尺度區域生態系統服務價值變化的一種科學、實用的數據源，一般情況下，遙感技術是獲取大區域土地利用/覆被時空變化信息的切實可行的方法[24]。該研究所采用的MODIS衛星數據具有監測范圍廣、時間分辨率高的優勢，可根據研究需要選擇不同空間尺度的遙感數據；現有大部分土地利用/覆被數據是基于行政區劃劃分的，為研究流域尺度土地利用和生態系統服務價值帶來諸多不便，破壞了流域的完整性。

Costanza等提出的生態系統服務價值被諸多學者用于研究不同區域生態系統服務價值，由于該方法是基于全球尺度，對某些區域生態系統單位面積的價值估計存在很大誤差[22]。謝高地等基于該方法的參數，制定出中國生態系統服務價值當量因子表，在一定程度上更加能準確的反應中國生態系統服務價值[23]。筆者運用該研究成果，評估了艾比湖流域不同土地類型及不同生態系統服務功能的服務價值，深入研究了生態系統服務價值對LUCC的響應，對生態系統服務價值隨時間變化的研究具有重要意義。但是，由于生態系統的復雜性、動態性和非線性等問題，使估算結果帶有一定的偏差和不確定性。此外，由于生態系統的異質性，其平均生態系統服務價值系數的精確性也具有不確定性，如建設用地的價值系數定義為0，從而忽略了其對環境污染所帶來的負面效應，因此，利用LUCC的面積乘以帶有不確定性的生態系統價值服務系數所得到的生態系統服務價值，必然具有不確定性。

通過對2001、2005和2009年艾比湖流域土地利用變化對生態系統服務價值進行估算并分析其變化特點，主要結論如下：

（1）2001～2009年艾比湖流域農用地、林地和灌木面積均有不同程度的增加，但草地的退化和荒漠的擴張速度大于農用地、林地和灌木面積的增長，這是導致艾比湖流域ESV緩慢減少的原因，從土地利用動態度可以得出土地類型變化明顯。

（2）從時間上看，艾比湖流域生態系統服務價值整體上呈下降趨勢，由395.70億元降至390.14億元，后期（2005～2009年）生態系統服務價值的下降的年際變化率明顯高于前期（2001～2005）；從空間分布上看出，高服務價值的地區主要集中于艾比湖流域的中部和西南部水域地區，低服務價值的地區主要集中在艾比湖流域荒漠中部和南部的荒漠地區，2001～2009年生態系統服務價值發生變化最頻繁的地區主要位于流域中部荒漠和綠洲交錯帶，這里荒漠面積擴大，生態系統服務價值明顯降低，有向綠洲擴散的趨勢。

（3）根據分析，艾比湖流域生態系統服務價值變化的原因如下：一是土地利用/覆被格局的改變造成各生態系統面積變化；二是自然生態系統健康程度直接造成單位面積生態系統提供的服務功能價值的變化。但不可忽視政策因素對生態系統服務價值變化的影響，艾比湖流域作為國家重點生態保護區，應加強生態環境建設，以實現區域社會效益、經濟效益、生態效益協調發展。

參考文獻

[1]

DAILY G C，POLASKY S，GOLDSTEIN J，et al. Ecosystem services in decision making：time to deliver[J]. Frontiers in Ecology and the Environment，2009，7（1）：21-28.

[2] KAREIVA P T H，RICKETTS T H，DAILY G C，et al.Natural Capital：Theory and Practice of Mapping Ecosystem Services[M]. New York：Oxford University Press，2011.

[3] WESTMAN W E.How much are nature's service worth？[J].Science，1977，197：960-964.

[4] 歐陽志云，王效科，苗鴻.中國陸地生態系統服務功能及其生態經濟價值的初步研究[J].生態學報，1999，19（5）：607-613.

[5] VITOUSEK P M，MOONEY H A，LUBCHENCO J，et al.Human domination of earth's ecosystems[J].Science，1997，277：494-499.

[6] DAILY G C，MATSON P A. Ecosystem services：from theory to implementation[J]. Proc Natl Acad Sci USA，2008，105（28）：9455-9456.

[7] BATTIN J，WILEY M W，RUCKELSHAUS M H，et al. Projected impacts of climate change on salmon habitat restoration[J].Proc Natl Acad Sci USA，2007，104（16）：6720-6725.

[8] 岳書平，張樹文，閆業超.東北樣帶土地利用變化對生態服務價值的影響[J].地理學報，2007，62（8）：879-886.

[9] 石龍宇，崔勝輝，尹鍇，等.廈門市土地利用/覆被變化對生態系統服務的影響[J].地理學報，2010，65（6）：708-714.

[10] 胡和兵，劉紅玉，郝敬鋒，等.城市化流域生態系統服務價值時空分異特征及其對土地利用程度的響應[J].生態學報，2013，33（8）：2565-2576.

[11] 李景保，代勇，殷日新，等.三峽水庫蓄水對洞庭湖濕地生態系統服務價值的影響[J].應用生態學報，2013，24（3）：809-817.

[12] 呂一河，馬志敏，傅伯杰，等.生態系統服務多樣性與景觀多功能性——從科學理念到綜合評估[J].生態學報，2013，33（4）：1153-1159.

[13] 鄭華，李屹峰，歐陽志云，等.生態系統服務功能管理研究進展[J].生態學報[J].應用生態學報，2013，33（3）：702-710.

[14] TURNER R K，PAAVOLA J，COOPERA P，et al.Valuing nature lessons learned and future research directions[J].Ecological Economics，2003，46：493-510.

[15] 楊光梅，李文華，閔慶文.生態系統服務價值評估研究進展——國外學者觀點[J].生態學報，2006，26（1）：205-212.

[16] 張舟，吳次，芳譚榮.生態系統服務價值在土地利用變化研究中的應用：瓶頸和展望[J].應用生態學報，2013，24（2）：556-562.

[17] GASCOIGNE W R，HOAG D，KOONTZ L，et al.Valuing ecosystem and economic services across landuse scenarios in the Prairie Pothole Region of the Dakotas，USA[J].Ecological Economics，2011，70（10）：1715-1725.

[18] 鄒秀萍，齊清文，徐增讓，等.怒江流域土地利用/覆被變化及其景觀生態效應分析[J].水土保持學報，2005，19（5）：147-151.

[19] 周德成，羅格平，許文強，等.1960～2008年阿克蘇河流域生態系統服務價值動態[J].應用生態學報，2010，21（2）：399-408.

[20] 李忠鋒，王一謀，馮毓蓀，等.基于RS 與GIS 的榆林地區土地利用變化分析[J].水土保持學報，2003，17（2）：97-99，140.

[21] 李云生，周廣金，梁濤，等.巢湖流域的土地利用變化及其生態系統功能損益[J].地理研究，2009，28（6）：1656-1664.

[22] COSTANZA R， FARBER S，GRASSO M，et al.The value of the world's ecosystem services and natural capital[J]. Nature，1997，387（6630）：253-260.

[23] 謝高地，魯春夏，冷允法，等.青藏高原生態資產的價值評估[J].自然資源學報，2003，18（2）：189-196.