伊犁河谷土地利用變化對生態服務價值的影響

汪 洋 靳瑰麗 李衛紅 張 博

(1.新疆農業大學草業與環境科學學院，新疆 烏魯木齊 830052； 2.中國科學院新疆生態與地理研究所荒漠與綠洲生態國家重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011)

伊犁河谷土地利用變化對生態服務價值的影響

汪 洋1靳瑰麗1李衛紅2張 博1

(1.新疆農業大學草業與環境科學學院，新疆 烏魯木齊 830052； 2.中國科學院新疆生態與地理研究所荒漠與綠洲生態國家重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011)

基于1990-2014年4期TM遙感影像解譯方法，分析了國家重點水土開發區-新疆伊犁河谷25年來土地利用和生態系統服務價值的變化。結果表明：(1) 1990-2014年間，伊犁河谷耕地、居工用地及水體面積有所增加，耕地增長率高達59.3%，林地、草地及未利用地面積減少，草地以104.69km2/年的速度減少；(2) 近25年來研究區土地利用程度指數、信息熵及均衡度均有所上升，表明這一時期土地利用系統的無序化越來越劇烈，系統不穩定性增強，危及伊犁河流域的生態安全；(3) 研究區生態服務價值總體有所上升，25年來增加75.26×108元，上升了17.13%，特克斯縣的增幅最大，約為20.66%，而伊寧市生態服務價值出現下降，幅度達到18.52%。研究區生態經濟的發展已處于協調水平的邊緣，需要加強對生態環境的保護力度。

土地利用變化；生態服務價值；生態經濟協調度；伊犁河谷

1 引 言

土地利用/覆被變化與全球的氣候變化、生物多樣性減少、生態環境演變以及人類與環境之間相互作用的可持續性等密切相關，被認為是當前引起全球環境變化的主要原因之一[1]。自20世紀90 年代以來，土地利用/覆被變化受到越來越多的關注，在全球生態環境變化和可持續發展中占有重要的地位[2]。土地利用/覆被變化通過生態進程和服務間的相互作用直接或間接改變著生態系統的結構功能，同時也影響著生態系統服務[3]，對維持土地生態系統服務功能起著決定作用[4]。已有學者通過計算定量研究土地利用/覆被變化下土地生態系統服務價值的變化程度，以此來反映土地利用/覆被變化對生態系統服務功能價值造成的影響[5]。因此，土地利用作為人類最基本的實踐活動，對維持生態系統服務功能起著決定性作用。

中國西北干旱區生態環境極為脆弱，水資源開發過程中的生態與經濟的矛盾十分突出，嚴重影響著區域社會經濟的可持續發展[6]。伊犁河谷是西北地區資源開發中的一塊風水寶地，隨著西北大開發戰略的實施社會經濟得到快速發展、人口數量的不斷攀升，土地利用/覆被變化顯著。因此，研究土地利用變化背景下的生態服務價值變化對促進生態建設，甚至對邊疆的繁榮穩定具有重要的戰略意義。本文結合1990-2014年TM遙感數據和社會經濟數據對伊犁河谷土地利用變化進行解譯，在研究土地利用變化的基礎上，分析不同時段生態系統服務價值變化，通過定量探討土地利用和生態系統服務價值的變化情況，為干旱區土地資源開發與保護提供科學依據，為西北地區土地資源可持續利用和社會經濟的可持續發展提供決策支持。

2 數據與方法

2.1 研究區概況

伊犁河谷地處歐亞大陸中心，新疆天山北坡西部，區域總面積5.53×104km2，占新疆總面積的3.52%。地理坐標位于東經80°09′42″- 84°56′50″和北緯42°14′16″- 44°50′30″之間(圖1)，東、南、北三面環山，西寬東窄成側“U”字型為研究區提供了一個天然屏障，使之成為新疆地區的降水中心，為生態環境惡劣的干旱區孕育出一塊“濕島”和“氣候資源寶庫”[7]。伊犁河谷內行政區包括伊犁哈薩克自治州伊寧市、伊寧縣、霍城縣、新源縣、昭蘇縣、鞏留縣、察布查爾縣、特克斯縣和尼勒克縣8縣1市，2014年末總人口約441.42萬人，國民生產總值55.90×105萬元，是新疆國民經濟發展和社會穩定的重要區域。

伊犁河谷是新疆生態環境最好的地區之一，年均氣溫10.4℃，年降水量417.6mm，年均日照時數2898.4h，水、土、光、熱等自然條件豐富，素有“塞外江南”之稱，是新疆主要的糧油和畜牧業基地[8]。伊犁河谷土地資源由山地、河谷平原和丘陵構成，其中河谷面積約1.30×104km2，占研究區總面積的四分之一，是河谷內經濟發展和人民生活的集中區域。

圖1 研究區概況

2.2 數據來源

論文中的數據包括遙感數據、屬性數據以及空間數據。

(1)研究區遙感數據是從美國地質調查局網站(http：//earthexplorer.usgs.gov/)下載，選取的是1990年、1995、2005年和2014年7-8月份的空間分辨率為30 m的Landsat TM遙感數據；(2)屬性數據源于《新疆輝煌50年》和《新疆統計年鑒》(1990-2014)；(3)空間數據源于1：400萬國家基礎地理數據庫，包括伊犁河谷內各縣市政府所在地中心坐標。

2.3 精度驗證

目前國內外學者對遙感解譯精度的評價主要采用混淆矩陣的方法。研究中以2010年的綠洲信息為基礎，在野外中提取360個隨機點來驗證混淆矩陣，這些隨機單位包括耕地、林地、草地、居工用地、水域和未利用地；再根據實地考察結果結合GoogleEarth高分辨率影像進行對比，對研究區內各土地類型進行驗證。結果表明，研究區內耕地的分類精度達到91.5%，草地分類精度為90.3%，居工用地和水域的分類精度分別達到85.4%和92.7%，未利用地精度達到90.2%，林地為88.3%，Kappa系數為0.8，符合研究要求。

2.4 研究方法

2.4.1 土地利用程度綜合指數

該指數反映區域內特定時期的土地利用程度的廣度和深度。不同時段指數變化反映區域內土地利用程度變化。其表達式為：

(1)

式中：L為土地利用程度綜合指數；Ai為區域內第i級土地利用程度分級指數；Pi為區域內第i級土地利用程度分級面積百分比；n為土地利用程度分級數(表1)。為了與其他分類系統統一標準，土地利用分類主要參照劉紀遠[9]的分類方法。

2.4.2 土地利用結構信息熵與均衡度

熵是系統有序程度的度量。熵值越高，系統有序程度越低，穩定性越差。土地利用結構信息熵(H)高低可反映區域土地系統有序程度[10]。H值越高，表明土地利用系統有序程度越低；反之，有序程度越高。

(2)

土地利用結構均衡度(E)是基于信息熵函數構建的反映土地利用結構均衡性的量值。E∈[0，1]，E值越大，均衡性越強；E=0、E=1分別表示土地利用結構處于最不均衡、最理想平衡狀態。

(3)

式中，m、Pi分別表示土地利用類型數、第i類土地利用類型的面積比例。

2.4.3 生態系統服務價值測評

在生態系統服務功能價值評價方面，有學者將生態系統服務功能劃分為氣體調節、氣候調節、水源涵養、土壤形成與保護、廢物處理、生物多樣性保護、食物生產、原材料生產和娛樂文化等9項服務功能，制定出了中國陸地生態系統單位面積生態服務價值系數[11]。本文依據研究區實際情況，利用Costanza生態系統服務價值公式，參照中國陸地生態系統單位面積生態服務價值系數，計算伊犁河谷生態系統服務價值。

(4)

式中，ESV為生態系統服務總價值(元)；Ak為第k種景觀類型的分別面積(hm2)；VCk為第k種景觀類型的生態價值系數。

2.4.4 生態經濟協調度

該指數是研究單位面積生態服務價值的變化程度(ESpr)與單位面積GDP變化程度(GDPpr)的比值：

(5)

(6)

(7)

公式中，ESpi與ESpj分布代表研究區某一階段內起始年份與末尾年份的單位面積生態系統服務功能，GDPpi與GDPpj則代表研究區某時期始年份與末尾年份的單位面積GDP。如果EEH≥1表示該時期內生態系統服務價值的增長快于經濟增長速度；0≤EEH<1則表示該時期內生態系統服務價值的增長速度比經濟增長速度慢；-1≤EEH<0表示研究期內生態服務價值的增長為負，社會經濟發展已經對生態環境產生負面影響，區域生態經濟發展水平為不協調[12]。

3 結果分析

3.1 伊犁河谷土地利用變化分析

3.1.1 土地利用面積變化

1990-2014年，伊犁河谷土地利用/覆被發生了巨大變化(圖2)。耕地、水體及居工用地面積明顯增加，草地、林地和未利用地面積明顯減少。25年來新增耕地面積3345.2km2，增長率達59.3%，主要集中于察布查爾縣、鞏留縣、昭蘇縣及特克斯縣；草地以104.69km2/年的速度減少；居工用地面積增加了123.89%；林地面積減少了31%；未利用地面積有所減少，減幅為10.51%；另外一些水利設施的修建使得水體面積增長了2.78%。自1990年以來研究區不同土地利用/覆蓋類型的等級一直保持不變，呈現出草地>耕地>林地>未利用地>水域>居工用地。

圖2 1990-2014年伊犁河谷土地利用變化

3.1.2 區域穩定性分析

依據1990年、1995年、2005和2014年4期土地類型數據，結合公式(3)和(4)對伊犁河谷內用地信息熵和均衡度進行計算(圖3)。可以看出，1990-2014年土地利用信息熵一直呈現出上升趨勢，由1990年的1.18上升至2014年的1.31，表明這一時期土地利用系統的無序化進程劇烈，2005年后上升速度有所減慢，伊犁河谷土地系統無序化進程減緩。從對土地利用類型數量變化的分析來看，耕地和草地面積的變化對這一進程具有重要作用。均衡度變化趨勢與信息熵相似，其值由1990年的0.656上升到2014年的0.735，25年間增幅為12.04%，說明伊犁河谷地區土地利用結構均衡性日趨增強，各類型用地面積分布的均衡程度有所提高。1990-2014年，研究區土地利用程度指數呈上升趨勢(圖4)。同時，伊犁河谷北山坡(伊寧市、伊寧縣、霍城縣)發展林果業和生態經濟林，土地生產力得到了提升。土地利用綜合水平提高的同時，信息熵與均衡度也有所上升，河谷系統區域不穩定但均衡性日益增強。

圖3 伊犁河谷土地利用結構信息熵與均衡度變化

圖4 土地利用程度綜合指數

3.2 土地利用變化對生態系統服務價值的影響

3.2.1 伊犁河谷生態服務價值變化

針對伊犁河谷地區土地利用導致的生態系統服務功能變化，采用生態系統服務價值評價方法對伊犁河谷生態系統價值進行評估，結果表明(表1)：1990-2014年，伊犁河谷生態服務能價值增加75.26×108元，增加了17.13%，呈上升趨勢。從各生態系統服務價值的構成來看，林地、草地、水體的生態服務價值占整個系統的79.73%，是生態系統服務的主要構成部分。1990-2014年間，研究區林地、草地和未利用地的生態服務價值均呈現出減少，其中草地的生態服務價值減少最為明顯，為8.57億元；而耕地、水體和居工用地的生態服務價值均有一定程度的增加，其中耕地的生態服務價值增加幅度最為明顯，為43.59億元。耕地、水體和居工用地生態服務價值的增加值是造成伊犁河谷地區總生態服務價值增加的主要原因。從變化幅度來看，耕地的生態服務價值增幅最大，高達87.58%，其次是水體，達到55.45%。未利用地生態服務價值減幅最大，為11.34%。耕地和水體具有的單位生態服務價值均較大，這有效的補充了其他土地類型造成的生態服務價值損失，因此，耕地和水體的生態價值變化一定程度上影響著伊犁河谷地區生態系統服務價值的變化。

在空間分布上伊寧市生態服務價值出現下降(表2)，幅度達到18.52%；其余8縣生態服務價值都增長較為明顯，其中特克斯縣的增幅最大，約為20.66%。這反映了過去的25年間，伊犁河谷土地利用變化對生態環境具有正效應，生態環境狀況局部有所改善，總體上緩慢退化。

表1 1990-2014年伊犁河谷不同土地利用類型的生態服務價值變化(108元)

表2 1990-2014年伊犁河谷生態系統服務價值變化

3.2.2 生態系統單項服務功能價值變化

由表3可知，伊犁河谷生態服務功能總價值雖然有所上升，單并不代表生態系統各單項服務功能價值也在增加。由表3可以看出，研究區土地利用變化導致不同類型生態服務功能的變化趨勢有所差異，其中食物生產、氣候條件、水源涵養、廢物處理和娛樂文化的生態服務功能均有不同程度的提高，最主要原因是水體面積增長使得水體當中的水源涵養、廢物處理、娛樂文化等功能價值系數最高，耕地面積大量增加也使得食物生產價值系數增長趨勢明顯。氣體調節、原材料生產、土壤形成與保護以及生物多樣性保護生態價值系數在減小，其中氣體調節價值系數較大的林地和草地面積的減少是造成這一變化趨勢的原因。

3.2.3 生態經濟協調性分析

伊犁河谷地處西北干旱區，生態環境脆弱，環境負荷率較低，當前對其開發與建設尚處于初級階段。雖然在一定時期內，其生態經濟的協調發展不一定要求生態系統服務價值的增長速度等于或高于經濟的發展速度，但是兩者的發展速度不協調，無疑會使區域社會經濟發展面臨潛在的生態危機。

伊犁河谷GDP由1990年的22.04×104萬元增加到2014年的55.90×105萬元，增長24.36倍。而生態經濟協調度(EEH)僅為0.007，近乎為0的EEH值說明伊犁河谷地區的生態經濟發展總體上接近不協調，處于低度協調水平。這說明在土地利用變化與社會經濟同時發生的過程當中，生態環境問題沒有得不到應有的重視。

表3 1990-2014年伊犁河谷不同生態服務功能價值變化

4 結 論

土地利用/覆被變化通過生態進程和服務間的相互作用直接或間接改變著生態系統的結構功能，同時也影響著生態系統服務對維持土地生態系統服務功能起著決定作用。中國西北干旱區生態環境極為脆弱，水資源開發過程中的生態與經濟的矛盾十分突出，嚴重影響著區域社會經濟的可持續發展。伊犁河谷是西北地區資源開發中的一塊風水寶地，隨著西北大開發戰略的實施社會經濟得到快速發展、人口數量的不斷攀升，土地利用/覆被變化顯著。因此，研究土地利用變化背景下的生態服務價值變化對促進生態建設，甚至對邊疆的繁榮穩定具有重要的戰略意義。本文基于1990-2014年4期TM遙感影像解譯方法，分析了國家重點水土開發區-新疆伊犁河谷25年來土地利用和生態系統服務價值的變化。得出以下結論：

(1)1990-2014年間，伊犁河谷土地利用類型呈現較大變化。耕地、居工用地及水體面積有所增加，林地、草地及未利用地面積減少；其中耕地變化率最為顯著，增長率高達59.3%。與此同時，各類型土地利用情況變化顯著，1990-2014年研究區耕地擴張趨勢明顯，土地利用動態度不斷增加；草地與林地動態度出現較大負值，這與其區域總體變化相一致，同時反映了1990年以來草地、林地面積迅速縮小。

(2)伊犁河谷土地利用程度指數呈上升趨勢。信息熵有所上升，表明這一時期土地利用系統的無序化越來越劇烈，草地、林地和耕地面積的變化對這一進程具有重要作用；均衡度變化趨勢與信息熵相似，其值由1990年的0.656增長到2014年的0.735，研究區土地利用結構均衡性日趨增強，各類型用地面積分布均勻程度有所提高。

(3)對伊犁河谷生態服務功能價值變化的研究表明，25年來研究區生態服務價值增加了75.26×108元，增加幅度約17.13%。從土地利用類型的生態服務功能上看，草地生態服務功能最強，而耕地的增長率最快，增幅達87.58%；從空間分布上看，特克斯縣的增幅最大，約為20.66%，而伊寧市生態服務價值出現下降，幅度達到18.52%。目前研究區生態服務價值增長速度要低于經濟發展速度，盡管生態服務價值近年來持續增長，但生態經濟發展總體上已處于低度協調水平的邊緣，接近不協調。為了實現伊犁河谷生態系統服務功能的長期維持和持續利用，應該加強對研究區生態環境問題的重視。

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The Spatial Coupling of Land Use/Cover Change and Its Environmental Effects on Ili Valley

WANG Yang1JIN Guili1LI Weihong2ZHANG Bo1

(1.College of Pratacultural and Environmental Sciences，Xinjiang Agricultural University，Urumqi 830052； 2.State Key Laboratory of Desert and Oasis Ecology，Xinjiang Institute of Ecology and Geography， Chinese Academy of Sciences，Urumqi，Xinjiang 830011，China)

Changes in land use and land cover are among the most important key issues in global change research.This study takes China′s largest humid region-Ili Valley，in the arid region of Northwest China-as its research area.Based on land use/cover classification data derived from the Landsat TM imageries in 1990-2014，as well as governmental socioeconomic statistics，we investigate land use/cover change (LUCC) in the Ili Valley from 1990 to 2014 using spatial coupling. The results are as follows：(1)The LUCC in the Ili River Valley was considerable during 1990-2014. The cultivated land，residential and industrial area，and water body have increased during the study period，whereas the forest land，grassland decreased. The natural grassland in the area decreased with a rate of 104.69km2/year，whereas the cultivated land increased about 59.3%.(2)Over the designated 25-year time-span，integrated index，information entropy and balanced degree all increased in the study area.This reflects an increasing instability in the land use system as well as instability of the Ili Valley，which then poses a threat to the ecological security of the Ili River Basin.(3) Ecosystem services value has increased 75.26×108RMB (increased about 17.13%) during the past 25 years. The gross ecosystem service value increased most quickly in Tekesi county，which was 20.66%，while it decreased most quickly in Yining city，which was 18.52%.The development of eco-economy in the Ili Valley has been on the verge of incoordination. The ecological environmental protection should be further enhanced.

Land use/cover change；spatial coupling；environmental effect；Ili Valley

國家自然科學基金項目(編號：31360571)和國家科技支撐計劃項目(編號：2014BAC15B03)

汪洋，博士，講師，主要從事干旱區土地利用變化研究

汪洋，E-mail：ktwangyang@163.com

X21

A

1673-288X(2017)02-0151-05

引用文獻格式：汪 洋 等.伊犁河谷土地利用變化對生態服務價值的影響[J].環境與可持續發展，2017，42(2)：151-155.