酒泉-金塔盆地綠洲土地利用變化與生態系統服務價值評估

崔志杰， 徐鐿欽， 高俊紅， 孫 朋， 鞏 杰

(1.蘭州大學 資源與環境學院； 2.蘭州大學 西部環境教育部重點實驗室， 甘肅 蘭州 730000)

生態系統服務是指人類通過生態系統的各種功能直接或間接得到的產品和服務[1]。生態系統服務功能是指生態系統與生態過程所形成及維持人類生存的自然環境條件與效用[2]，對其價值進行定量評估是高效、合理配置競爭性需要的環境資源的基礎[3]。近年來，分析與評價生態服務功能的間接價值已成為當前生態學與生態經濟學研究的前沿課題[4]。Daily[5]和Costanza等[6]推動了全球生態系統服務功能及其價值評估的研究[7]，謝高地等[8]總結了Costanza等[6]的研究成果及不足，制訂了中國不同陸地生態系統單位面積服務價值表，促進了國內學術界對生態系統服務價值評價的研究[9]。國內的研究主要集中在全球、區域、城市等不同尺度，以及森林、草地、濕地等[10-13]不同類型生態系統服務功能及價值評估的理論與方法方面[7]。近幾年土地利用方面的研究也頗為豐富，生境較差的干旱區行政單元、流域尺度上的土地利用變化也有所涉獵，如馮異星等[14]開展了新疆天山北坡瑪納斯河流域的LUCC過程與景觀格局的動態研究；朱磊等[15]對烏魯木齊市土地利用變化及其環境效應進行了探究。然而，從土地利用變化的角度進行生態系統服務價值的研究仍處于起步階段[16],針對環境極端脆弱的干旱區，從流域角度將上下游綠洲結合起來開展土地利用變化及生態系統服務價值評估的研究報道還相對較少。

人類社會的可持續發展取決于生態系統及其服務的可持續性，即保護地球生命支持系統、維持生物圈的可持續發展和生態系統服務功能的可持續性[17],人類從生態系統中獲益的同時會直接或間接引起生態系統服務功能的惡化。生態系統服務功能的退化是人類資產的損失，然而這種損失在現實市場、衡量經濟發展的指標以及宏觀經濟決策上都還沒有得到有效的體現[7]。西北干旱區是中國自然環境高度脆弱的地區之一，人地關系矛盾突出，面臨著一系列的生態破壞及環境退化問題，例如水土流失、土地荒漠化、土壤鹽漬化等，同時人類活動強烈干擾、環境退化和沙塵暴災害逐年增加等問題也日益嚴峻[18]。

酒泉—金塔盆地綠洲(簡稱“酒金盆地綠洲”)是西北水土資源開發極具代表性的區域之一，隨著人口增加和社會經濟的發展，人為不合理干預生態系統發展的力度加強，導致該區域生態破壞及退化現象顯著。生態環境的退化勢必降低流域生態系統服務功能，影響整個流域社會經濟的可持續發展[19]。只有量化研究這些價值，并將其納入國民經濟核算體系，才能促進自然資本開發的合理決策，有利于保護區域生態系統并最終有利于人類的可持續發展[9]。本文是在分析土地利用時空變化的基礎上，運用生態經濟學的方法分析評價酒金盆地綠洲生態系統提供的氣體調節、氣候調節、水源涵養等9項生態系統服務功能的間接價值，并以土地生態風險指數變化對研究結果進行驗證，以期為干旱區流域生態系統的管理和環境保護提供參考和建議。

1 研究區概況

酒金盆地綠洲位于甘肅省西北部河西走廊西端，主要由肅州綠洲、金塔綠洲、鼎新綠洲所構成，地處98°20′—99°18′E，39°10′—39°59′N。東、北與內蒙古額濟納旗毗連，西與肅北縣、嘉峪關市、玉門市接壤，南與張掖市高臺縣、肅南縣相鄰。行政區劃上包括肅州區和金塔縣，總面積1.98×104km2，占酒泉市面積的10.3%，總人口57.58萬人。該地區屬沙漠干旱性氣候，特點是氣候干旱，降水少，年均溫7.9 ℃，年平均降水量84 mm。土壤類型主要是灌淤土和風沙土，是全國土地資源整理開發示范區之一。綠洲周圍沙丘活化，沙帶向綠洲侵入，嚴重威脅著該地區的生態平衡和經濟發展。

本文采用同期拍攝的遙感影像進行人工目視解譯獲得研究區土地利用/覆被圖，影像的年份分別為1990，1999，2006和2010年，影像月份為8月。通過對2010年的土地利用分類結果進行實地考察驗證，確定分類結果。研究區土地利用/覆蓋分類系統參照中國科學院“中國資源環境數據庫”土地利用遙感分類體系并結合酒金盆地的實際土地利用狀況，將研究區土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、城鎮居民地和未利用地6類。

2 研究方法

2.1 生態系統服務價值評價方法

Costanza等[6]對生態系統服務價值的研究使其原理及方法從科學意義上得以明確，但研究的估算結果存在較大的偏差，如耕地的估計過低，濕地的估計又偏高[17]等。謝高地等[8]針對其不足，根據中國的實際情況，制定了中國陸地生態系統服務單位面積價值表(表1)。本文采用Costanza生態系統服務價值模型[20]對酒金盆地的生態系統服務價值進行了評估。具體的生態系統服務價值計算模型如下：

ESV=∑(Ai×VCk)

(1)

ESVf=∑(Ak×VCfk)

(2)

式中：ESV——研究區域土地生態系統服務價值(元)；Ai——研究區土地利用類型的面積(hm2)； VCk——第k類土地利用類型單位面積的生態系統服務價值〔元/(hm2·a)〕； ESVf——第f種類型生態系統服務功能的總價值(元)； VCfk——第f種類型的第k種生態系統服務功能的價值〔元/(hm2·a)〕。

2.2 敏感性分析方法

生態系統敏感度是指區域生態系統在人類活動影響下發生變化(退化或改善)的潛在可能性及其程度[21]。為驗證生態系統類型對于各景觀類型的代表性和價值系數的準確性，應用敏感性指數(CS)以確定生態系統服務總價值(ESV)隨時間變化對生態價值系數(VC)變化的依賴程度，即VC變動1%引起ESV的變化情況。如果CS>1，表明ESV對VC是富有彈性的；如果CS<1，則說明是缺乏彈性的。比值越大，表明VC的準確性越關鍵，生態服務價值對它的敏感性越大[22]。鑒于綠洲和荒漠生態系統的特殊性，本文將各土地覆蓋類型價值系數分別調整50%，以衡量總生態系統服務價值的變化情況。價值系數的敏感性指數CS計算公式如下：

(3)

式中：ESV——估算的總生態系統服務價值； VC——生態價值系數；i，j——初始總價值和生態價值系數調整以后的總價值；k——各土地利用類型[23]。

表1 2007年中國不同陸地生態系統單位面積生態系統服務價值當量 元/(hm2·a)

2.3 土地生態風險預測

生態風險(ecological risk，ER)是指生態系統及其組分所承受的風險，指在一定區域內，具有不確定性的事故或災害對生態系統及其組分可能產生的作用，這些作用的結果可能導致生態系統結構和功能的損傷，從而危及生態系統的安全和健康[21]。為建立土地利用類型與綜合區域生態風險之間的經驗聯系，利用各類型面積比例，構造各土地利用類型的生態風險指數(ecological risk index，ERI)[24]，用于描述綜合土地生態風險的相對大小，其計算模型如下：

(4)

式中：Ai——i種土地利用類型面積；Wi——第i種土地利用類型所反映的生態風險強度參數；A——總面積。

3 結果與分析

3.1 酒金盆地綠洲土地利用覆被時空變化

3.1.1 1990—2010年酒金盆地綠洲土地利用覆被的時間變化 近20 a酒金盆地綠洲土地利用變化明顯(表2)。主要表現為耕地在1990—1999, 1999—2006, 2006—2010年所占面積持續擴張，其增長率分別為10.94%，17.47%和9.58%。草地在1990—1999, 1999—2006年面積急劇增長，增長率分別為49.03%和19.34%，而2006—2010年基本保持不變(增長率為0.54%)。3個時段內林地所占面積也呈現逐年增長，增長率率分別為43.33%，42.46%和14.83%。而研究時段內城鎮居民地面積隨著經濟發展和快速城鎮化過程，擴張較迅速(圖1)，增長率分別為69.42%，94.08%和54.36%。水域在1990—2006年基本保持不變，面積所占比重維持在1%左右，在2006—2010年，水域面積減少2 715 hm2。在研究時段內，未利用地所占比例最大，達85%以上，但呈現逐漸減少的趨勢，3個研究時段內減少面積分別為27 070，35 379和1 6861 hm2。

研究區各類土地利用/覆被類型的面積變化在不同時期表現不同。由圖1中可知，1990—1999年耕地面積增加最大，達到12 615 hm2；草地次之，增加面積為8 284 hm2；林地增加面積為4 444 hm2；未利用地呈萎縮趨勢，減少面積為27 070 hm2；城鎮居民地和水域所占的比重較小，但變化的幅度較大，增長率分別為69.4%和5.2%。而在1999—2006年，耕地面積增長幅度較大，達到22 342 hm2；林地增長面積為6 242 hm2；草地增加4 869 hm2；城鎮居民地所占比重較小，但漲幅較大，增加面積達1 700 hm2；未利用地面積大幅度減少，減少的面積達35 379 hm2；2006—2010年，耕地增加14 401 hm2；林地面積增加3 109 hm2；城鎮居民地增加1 907 hm2；水域面積大幅度減少，總面積減少2 715 hm2；未利用地面積減少16 861 hm2。

表2 近20 a酒金盆地綠州土地利用/覆被變化特征

圖1 酒泉盆地綠洲土地利用類型面積變化量

注：1指耕地； 2指草地； 3指林地； 4指城鎮居民地； 5指水域； 6指未利用地。

3.1.2 1990—2010年酒金盆地綠洲土地利用覆被的空間變化 采用Envi 4.7變化檢測工具對4期影像進行對比分析，人工目視解譯和實地驗證得到研究區土地利用圖(附圖4)。分析表明，變化劇烈區域有羊井子灣鄉、西移村、大莊子鄉等。通過實地調研發現，金塔縣羊井子灣鄉雙古城耕地擴張明顯，主要是由于“兩西移民”政策促使當地人口迅速增加，開荒種植行為涌現，使得耕地小規模擴張。金塔縣西壩鎮西移村處于綠洲邊緣，變動較劇烈，低覆蓋度草地增加，棄耕復耕現象頻繁。當水利設施不到位或灌溉不當時，土壤鹽分大量表聚而誘發表土鹽堿化，不再適合耕種而被迫棄耕，當水利設施便利，合理灌溉或成功洗鹽時便出現復墾行為，形成棄耕—有水—復墾—缺水—棄耕的惡性循環。金塔縣中東鎮上三分村的林地面積擴張明顯，主要是退耕還林政策、村民自發種植耐寒植物紅柳和各個事業單位積極完成樹木種植任務等行為所造成的。處在綠洲荒漠過渡帶的金塔縣大莊子鄉新八分村由于土壤鹽堿性和沙化明顯，部分農田被棄耕。可見，移民、水資源量、水質、水利設施建設、退耕還林等政策是影響綠洲耕地面積和綠洲時空變化的主要因素。

3.2 酒金盆地綠洲生態系統服務價值變化

根據式(1)計算結果，研究區生態系統服務的價值1990年24.53億元/a，1999年26.99億元/a，2006年29.84億元/a，2010年30.16億元/a(表3)。由于缺乏長期觀測數據，本研究對城鎮居民地、荒地和戈壁等生態系統服務價值的合理估算過于粗糙，也就是說，上述數據是對研究區生態系統服務總價值的保守估計，但總體來說，研究區的生態系統服務價值呈現增加趨勢。

表3 酒金盆地綠洲1990，1999，2006和2010年生態系統服務價值

綜合表1，2，4可以看出，林地和水域的生態系統服務單項價值較高，在研究時段內，林地面積持續增加，林地提供的生態系統服務價值在年生態系統服務價值中比重較小；水域的生態系統服務價值在1990—1999年最大，所占比例分別為31.27%和29.91%，隨著耕地面積的持續擴大和區域用水依賴程度的增強，2006—2010年水域面積減少2 715 hm2，其提供的生態系統服務價值下降1.10億元；耕地生態系統服務單項價值僅為6 114.3元，但耕地面積在研究時段內劇烈擴張，其提供的生態系統總價值在2006和2010年的比例均為最大，分別為30.79%和33.38%；未利用地面積所占比例持續降低，轉化為其他土地利用類型。

3.3 酒金盆地綠洲生態系統單項服務價值變化

根據公式(2)計算出各生態系統服務功能的價值如表4所示。分析可知，生物多樣性保護，廢物處理，水源涵養3項生態系統服務功能所占比例超過60%，食物生產和原材料所占比例小于8%，說明研究區服務性價值大于生產性價值；水源涵養與娛樂文化生態服務價值在2006—2010年分別下降0.33和0.07億元，水域相對于其他土地利用類型提供的生態系統服務價值較大，在2006—2010年水域面積減少，導致水源涵養及娛樂文化生態系統服務價值下降；未利用地面積持續減少，由于對荒漠戈壁等的研究較少，生態系統服務當量價值較小，對生態系統總服務價值影響較小；耕地、林地、草地在不同時期都有不同比例的增長，除水源涵養及娛樂文化生態服務功能價值外，其他7種生態系統服務價值都有不同比例的增加。

表4 酒金盆地綠州1990，1999，2006和2010年生態系統各服務類型價值變化 109 元

3.4 生態服務價值敏感性分析

根據式(3)計算出1990，1999，2006和2010年各土地利用類型敏感度指數(表5)，結果表明，CS的敏感度指數都小于1，其中最為敏感的是水域，當水域的CS增加1%時，總價值CS增加0.18%(1996年)。最不敏感的是草地。由此可見，研究區生態服務價值對生態服務價值指數缺乏彈性，生態系統服務價值估算的結果是可信的。

表5 酒金盆地綠州生態系統服務價值敏感性指數變化

3.5 土地生態風險指數動態

參考臧淑英等[25]和岳書平等[26]的研究成果，耕地、草地、林地、水域、城鎮居民地和未利用地的土地生態風險強度參數分別取0.140 5,0.046 3,0.027 8,0.249 7,0.057 0,0.109 9，依據式(4)得出研究區不同時段的土地利用生態風險指數(表6)。可見，1996—2006年生態風險指數下降，生態安全趨勢有所好轉，且生態系統服務總價值劇烈增加，增長率為10.56%；2006—2010年，生態風險系數有所增大，區域的生態安全趨勢下降，且這一時段生態系統服務價值增長率下降為1.07%，主要表現為水域面積萎縮，耕地和城鎮居民地面積擴張，研究區的生態風險系數增加，生態系統服務價值變化率趨勢與生態風險指數的變化趨勢相一致。

表6 酒金盆地綠洲土地生態風險指數

4 結 論

(1)近20 a來酒金盆地綠洲土地利用/覆被變化時空變化明顯。主要表現為耕地面積持續增加，在空間上表現為金塔縣羊井子灣鄉雙古城、大莊子鄉胡家灣、天生場榆樹溝、東壩鎮小河口、肅州區陳家樓莊等地耕地擴張明顯。受水資源量、水質和土壤屬性的影響，綠洲荒漠過渡帶的耕地開墾、棄耕和復墾現象多發。研究時段林地面積持續增長，主要是受當地居民點防護林建設及一系列退耕還林還草政策的影響。科技進步和社會經濟的發展促使了城鎮建設用地面積的急劇增加；而由于水資源總量限制和用水需求的增加，研究時段內水域面積呈現減少趨勢。退耕還林還草還牧、圍欄封育、沙漠化防治、生態建設等政策使研究區的草地得到有效保護，表現為草地面積增加。綜合分析可見，在干旱區，水資源的稀缺程度、灌溉水質質量及水利設施的便利程度直接影響著水土資源開發利用和土地利用變化。

(2)酒金盆地綠洲生態系統服務價值1990年為24.53億元/a，1999年為26.99億元/a，2006年為29.84億元/a，2010年為30.16億元/a，可以看出總價值在增長，變化率在減少，增長率分別為10.02%，10.56%，1.07%。2006—2010年水域貢獻的價值減少3.96億元，由于水質較差及水利設施不便利等因素，導致部分地區頻頻出現農地棄耕現象。水環境生態服務是流域居民和管理者最關心的生態系統服務，只有將其納入區域環境、經濟核算體系，才能合理有效地利用有限的水土資源，促進綠洲產業發展和環境保護。

(3)干旱區生境狀況與全國平均水平有巨大的差異，同一種生態系統類型在不同的空間位置和景觀形態中提供的生態系統服務價值也不同，本文評價過程中忽略了不同的生態系統服務功能有機聯系，采取分別計算累加的方法，因而存有較大誤差，但生態系統服務價值評估不是單純追求某一種生態系統服務價值的準確性，而是要提醒人們認識到生態景觀的經濟價值及變化趨勢，從而協調經濟開發和生態保護的關系。

(4)研究區1996—2006年的生態風險指數下降，生態安全趨勢有所好轉，生態系統服務總價值大幅增加；而在2006—2010年，研究區的生態風險系數增大，生態安全趨勢下降，期間生態系統服務價值增長率下降為1.07%，水域面積萎縮，耕地、城鎮居民地面積擴張，導致生態風險系數增加。可見，研究區的生態系統服務價值變化趨勢與生態風險指數變化結果基本一致，應合理開發干旱區水土資源，加強綠洲區資源管理，促進人類活動合理化，降低綠洲資源利用的生態風險，為區域可持續發展服務。

(5)為了更好地開展酒金盆地綠洲水土資源的可持續利用，維護和提高綠洲生態系統服務功能，建議強化耕地資源合理開發與保護措施，研究發現，受不合理開墾和灌溉及土壤鹽堿屬性的影響，農地開墾、棄耕和復墾現象頻發，帶來一系列新的環境問題，因此，應強化耕地資源的合理開發利用和有效管理，實現耕地資源的開發與生態環境保護的有機結合; 合理開發水資源，發展節水農業，加快水利設施的建設，推廣和普及使用滴灌、噴灌等節水技術; 進行植被恢復和生態建設，發展防護性林草帶，防風林帶和農田防護林網是綠洲農業生態環境的主體，可有效地固定沙丘，降低風速，減輕風沙危害，提高土地生產力，為區域可持續發展提供環境支撐。

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