和田河流域土地生態系統服務價值變化及敏感性研究

王希義, 徐海量, 潘存德, 凌紅波, 張廣朋

(1.新疆農業大學, 烏魯木齊 830052; 2.中國科學院 新疆生態與地理研究所, 烏魯木齊 830011)

和田河流域土地生態系統服務價值變化及敏感性研究

王希義1, 徐海量2, 潘存德1, 凌紅波2, 張廣朋1

(1.新疆農業大學, 烏魯木齊 830052; 2.中國科學院 新疆生態與地理研究所, 烏魯木齊 830011)

為了探究和田河流域綜合治理項目的生態效益，基于和田河流域1990年、2000年、2010年的遙感解譯數據，并選取符合干旱區特點的Constanza價值系數，依據研究區的實際情況進行修正，分析了1990—2010年的土地類型面積變化、生態服務價值變化，探討了服務價值對系數變動的敏感性。結果表明：(1) 1990—2010年林地面積增加29.33%，變化幅度最大；草地、耕地、濕地的面積分別減少7.42%，17.45%，7.1%，變化幅度相對較小；河湖與荒漠面積的減少幅度均在1%以下；(2) 和田河流域生態系統服務總價值在1990年、2000年、2010年分別為380.62億元、341.82億元、350.83億元，2000年比1990年減少了10.19%，2010年比1990年減少了7.83%；(3) 經敏感性分析驗證，估算結果對生態服務價值系數的敏感性指數均在0.35以下，所選價值系數合理，研究結果可信。

土地利用類型; 價值系數; 生態服務價值; 敏感性; 和田河流域

土地利用/覆被變化(LUCC，land use/cover change)是全球環境變化研究的核心內容之一[1-2]，現已成為“全球環境變化的人文因素計劃(IHDP)”的重要組成部分[3]。土地利用/覆被變化主要受到經濟、技術、社會以及政治文化的影響，因而受到國內外研究學者的高度重視[4-5]。土地利用/覆被變化導致區域生態系統的結構和功能發生改變，進而對生態系統的服務價值產生影響[6-7]。因此，研究土地利用/覆被的變化特征，分析區域生態系統服務價值變化過程，可以為合理利用區域的土地資源提供指導意見，對于區域經濟的可持續發展具有重要意義。

自20世紀90年代以來，土地利用/覆被研究日益成為國內外學者研究的熱點問題[8-9]，并在近幾年有了快速發展[10-11]。在國外，Searchinger等[12]和Warner等[13]研究了土地利用變化與溫室氣體含量之間的關系，Kalnay等[14]和Dirmeyer等[15]分析了土地利用變化對氣候的影響，Keeler等[16]探討了土地利用對地下水資源的影響方式，Mendoza等[17]和Helin等[18]探討了土地變化與系統服務價值間的關系等，其他一些研究也表明土地利用/覆被變化對生態環境和服務價值產生了很大影響[19-21]。在國內，有關土地利用變化的研究主要有土地與碳排放[22-23]，土地利用與水質變化[24-25]，土地生態服務價值變化[26-27]等方面。由此可見，國內外針對土地變化與環境間的關系、土地生態服務價值變化等方便的研究都有了一系列的進展。

塔里木河流域是中國最大的內陸河流域，和田河是塔里木河上游的三源流之一。2001年，國家投入107億開展塔里木河流域綜合治理工程，旨在恢復塔里木河下游的生態環境，受到全世界的關注[28]。和田河是塔里木河的主要源流，目前針對和田河流域的研究主要集中在土地利用動態變化及環境效應[29-31]，流域綠洲特征[32-33]等方面，針對和田河流域土地生態系統服務價值的研究較為少見。本文利用和田河流域1990年、2000年、2010年的遙感解譯數據，結合價值量評價法分析了生態系統服務價值的變化特征，試圖為流域的生態經濟狀況評價提供參考依據。

1 研究區概況

和田河流域位于塔克拉瑪干沙漠南緣，東鄰克里雅河流域，南以昆侖山和喀喇昆侖山與西藏和克什米爾為界，西與葉爾羌河流域接壤，北接塔里木盆地腹地，位于34°52′—40°29′N，77°25′—81°43′E，總面積約為4.89×106hm2。流域年均氣溫為12.4℃，是我國典型的干旱地區，干燥度大于60，風沙災害嚴重，生態環境比較脆弱。和田河由上游玉龍喀什河和喀拉喀什河兩大支流匯合組成，全長1 127 km[34]，是塔里木盆地三條(塔河干流、葉爾羌河中下游、和田河中下游)綠色走廊中保存最好的一條自然生態體系[35]。和田河上、中、下游的劃分是以出山口以上為上游區，出山口至兩河交匯處闊什拉什為中游，闊什拉什至肖夾克為下游。流域的上游海拔在3 500 m以上，終年積雪；流域下游在1 250 m以下，具有廣闊的戈壁沙漠，絕大部分為荒漠景觀。上游山地與下游荒漠之間通過和田—墨玉—洛浦綠洲相聯系。和田河流域綠洲面積僅占流域總面積的8%左右，干旱荒漠景觀占主導地位[36]。近些年來，人類活動對土地的利用強度加大，加之自然條件的變化，土地利用/覆被狀況發生改變，對生態系統產生了一些直接或間接、宏觀或微觀的影響。

2 試驗材料與方法

2.1 數據來源與處理

基礎數據為和田河流域的Landsat-TM影像數據和中巴資源衛星數據，成像時間均為1990年、2000年與2010年的7—9月份，圖像分辨率為30 m，每景覆蓋范圍為185 km×185 km，影像主要采用2，3，43個波段合成。首先，利用Erdas軟件對三期遙感影像進行幾何校正與配準，在ArcGIS 10軟件支持下利用Arcinfo模塊分別對和田河流域3期遙感影像進行目視判讀和數字化工作；其次，通過實地考察進行校準，對流域的解譯結果進行修正，通過精度檢驗，使3期數據精度均在80%以上以符合研究的需求。第三，根據國家決策以及本次調查需要，將調查區的土地利用方式采用兩級分類系統進行分類，一級為6類，主要是依據土地的資源和利用屬性進行分類，包括：林地、草地、農田、河湖、荒漠；二級為22個類型，主要依據土地資源的經營特點、利用方式和覆蓋特征進行分類。在本研究中，著重針對一級分類中的6種土地類型生態服務價值變化方式進行探討與評價。

2.2 研究方法

2.2.1 土地覆被變化分析方法 本文利用單一土地類型變化率(Rk)以及土地利用總體變化速度(R)來闡述土地覆被變化特征。設研究區內包括n種土地利用類型，則第k種土地動態度(一定時間范圍內某種土地利用類型數量的變化速度)可由公式(1)計算而得。

(1)

式中：Uak，Ubk分別表示第k種土地利用類型在研究初期和研究末期的面積。

2.2.2 生態服務價值評估方法

(1) 價值系數的選擇及修正。目前國內外有關的價值系數研究主要有Constanza提出的價值系數[37]，謝高地等[38]對200位生態學者調查而提出的“中國陸地生態系統服務價值當量因子表”等。師慶三等[39]在對比分析幾種價值系數后，指出Constanza價值體系更符合干旱區的實際情況：(1) 能夠突顯干旱區水的價值和作用；(2) 荒漠系統賦值為0符合干旱區的實際情況。因此，本文將Constanza價值系數作為研究區生態服務價值計算的基礎。Constanza價值系數考慮了人的主觀價值認知因素，而支付意愿則體現了這種主觀價值認知。人們對生態服務價值的認知是隨著社會經濟的發展在不斷變化的，這種認知和社會的發展階段有關，因此可以運用社會發展階段系數(l)來反映人們對生態服務價值的支付意愿[40]。社會發展階段系數(l)的計算公式為：

(2)

式中：l即為社會發展階段系數；En為恩格爾系數。在本研究中，En取和田地區的恩格爾系數。

社會發展階段系數雖然可以反應人們對生態服務價值的總體支付意愿，但不能區分對生產性功能(食物生產和原材料生產)與服務性功能(氣體調節、氣候調節、水文調節、廢物處理、保持土壤、維持生物多樣性和提供美學景觀)的偏好，在這里引入Shi等[41]的研究成果，定義T為基于社會發展階段系數區分對不同服務功能的偏好的修正系數，計算公式分別為：

T生產=l研究區

(3)

T服務=l研究區/l全國

(4)

式中：T生產與T服務分別為生產性功能與服務性功能修正系數；l研究區和l全國分別為研究區和中國社會發展階段系數。

綜上，提出本研究的生態服務價值系數修正模型：

e修正=eT

(5)

式中：e修正即為修正后的價值系數；e即為Constanza價值系數；T為修正系數。

(2) 生態服務價值計算。研究區的生態服務價值量運用Constanza等的估算方法，其計算公式為：

(6)

式中：ESV為研究區生態系統生態服務價值總量；eij為修正后第i類土地類型的第j項生態服務功能價值當量；Si為第i類土地利用類型的面積；V為單位農田生態系統提供食物生產服務功能的經濟價值。V可根據公式(7)[42]進行計算。

(7)

式中：i為作物種類，和田河流域作物主要為水稻、小麥、玉米和豆類；pi為i種糧食作物的當年價格(元/t)；qi為糧食作物的單位面積產量(t/hm2)；mi為i種糧食作物面積(hm2)；M為糧食作物總面積(hm2)。本文通過查閱《新疆統計年鑒》[43]和《新疆生產建設兵團年鑒》[44]計算得出，研究區一個生態服務價值當量因子的經濟價值量V為1 765.5元/(hm2·a)。

(3) 敏感性分析。利用敏感性分析檢驗價值系數的準確性對計算結果的影響程度，通過對相對應的森林、草地、農田、濕地、河流湖泊和荒漠的生態服務價值系數進行調正，運用敏感度進行分析，計算公式為：

(8)

式中：ESV為總服務價值量；e為價值系數；i和j分別為最初的價值系數和調正后的價值系數；k為土地利用類型；CS為敏感度，是指e變動1%引起的ESV的變化情況，如果CS>1，說明ESV對e富有彈性，如果CS<1，說明ESV對e缺乏彈性，比值越大，表明e的準確性越關鍵。

3 結果與分析

在生態服務價值計算的過程中，根據研究區土地分類結果和生態服務價值當量表的特點，本研究將林地作為森林計算，高中低覆蓋度草地均歸為草地，耕地即為農田，灘涂、沼澤視為濕地，河渠、水庫、湖泊為河湖，沙地、鹽堿地、裸土地、裸巖石礫地和其他未利用土地視為荒漠計算。

3.1 流域內土地利用方式變化特征

在干旱半干旱區，土地的利用主要是在綠洲內部或綠洲與荒漠的交界處，其利用方式反作用于綠洲發展的方式和規模，并對生態環境產生重要影響。本研究通過分析遙感解譯及實地調查數據，得出了和田河流域6種不同類型土地面積的變化特征(表1)。由表1得出，1990—2010年荒漠所占的面積一直在70%以上，這也與和田河流域地處塔克拉瑪干沙漠區域的狀況相一致。總體而言，除了林地面積增加了29.33%以外，其余5種類型的土地均有所減少。1990—2000年，耕地、濕地增加顯著，分別為18.14%和10.18%，而林地、草地面積有所減少，分別減少1.61%，3.8%；2000—2010年，耕地、濕地減少十分顯著，減少比例分別為30.13%，15.68%，而林地面積迅速增加了31.44%。在整個時期，河湖、荒漠的變化均不明顯。

3.2 生態系統單位面積生態服務價值當量

結合公式(2)—(5)，借助新疆統計年鑒資料和國家統計局年鑒中的相關資料，可得1990年、2000年和2010年和田河流域生態系統單位面積生態服務價值當量(表2)。

基于1990年、2000年和2010年的生態系統單位面積生態服務價值當量，可以分別計算這些年份不同土地類型的生態服務價值。

表1 和田河流域1990-2010年不同土地利用類型面積比重及變化率

表2 和田河流域不同年份生態系統單位面積生態服務價值當量表

3.3 土地生態服務價值動態變化

3.3.1 生態服務價值對土地利用變化的響應 結合修正后的價值系數以及相應公式計算出和田河流域的生態服務價值量(表3)。由表3中可以看出，生產性功能(食物生產和原材料生產)價值呈增加趨勢，如食物生產增加了16.78%，原材料生產增加了50.55%；在服務性功能中，氣候調節價值增加12.77%，保持土壤價值增加9.28%；然而一些服務型功能如氣體調節、水文調節、廢物處理、維持生物多樣性、提供美學景觀等有所減少。和田河流域生態系統服務總價值呈減少趨勢，1990—2010年總價值減少了7.83%。

表3 和田河流域生態系統服務價值變化特征

3.3.2 生態服務敏感度分析 根據敏感性指數計算公式，將各種土地利用類型的生態價值系數上下調整50%，應用調整后的價值系數計算出研究區1990年、2000年與2010年的敏感性指數(圖1)。由圖1可以看出，在1990年、2000年、2010年，將各種類型土地的價值系數上下調整50%以后，和田河流域的生態系統服務價值敏感性指數均在0.35以下。以河湖和林地價值系數的調整引起的敏感性指數最高，介于0.201 7～0.326 9；草地和濕地次之，介于0.04～0.09；耕地與荒漠為最小，均在0.01以下。

圖1 和田河流域生態服務價值的敏感性指數變化

4 討 論

人類活動的加劇使生態環境問題日益突出，土地利用變化所引起的生態系統服務價值變化日益受到人們的關注[45]。本文在收集統計年鑒資料的基礎上，結合遙感數據，得出在1990—2000年耕地與濕地的面積有所增加，林草地面積減少，主要原因是人類活動加劇，對農作物的需求量加大以及濫墾濫伐等現象加劇；2000—2010年，耕地和濕地面積顯著減少，林地面積增加明顯，這主要是此時期加大了對森林的保護工作，堅持以草、灌木為主的自然植被恢復方針，并開展了一系列退耕還林、還草工程，使得自然植被的面積增加。然而，本文只針對1990—2010年的土地面積進行了研究，而最近幾年土地又發生了變化，面積變化與服務價值變化需要進一步研究，以便連接1990—2010年的結果，并為以后的研究做好鋪墊。

本研究選取了符合干旱區實際情況的Constanza價值系數作為基礎，結合研究區實際情況對Constanza價值系數進行修正，以使和田河流域生態服務價值的評估結果更加合理。2010年，和田河流域GDP為103.497億元，而生態服務價值總量為350.83億元。和田河流域自然生態系統服務價值是GDP的3倍多，這與陳仲新等[46]的研究結果“中國生態服務價值是GDP的1.25倍”差距較大，但這從另一個方面說明和田河流域人民生活水平低，但是對自然的破壞較少，生態系統生產總值較高，說明自然系統保存較好[47]，生態價值高。因此，僅用GDP單一核算體系會造成不計生態環境赤字、經濟虛假的局面，對需要長周期的生態建設和環境恢復項目不利，因此需要啟動GEP(生態系統生態總值)的核算，以提高衡量區域生態價值的科學性。

在1990年、2000年、2010年，和田河流域生態服務價值敏感性指數均在0.35以下，這表明研究區的ESV對指數變動的響應不顯著，研究結果可信。另外，河湖和林地的單位面積價值當量較高，面積也較大，因此河湖與林地的變動引起的敏感性系數最高；草地的面積較大，濕地單位面積服務價值當量最高，因此二者的變動所引起的敏感性指數處于中等水平；耕地和荒漠的單位面積服務價值當量都很小，荒漠為0，因此二者價值系數的變動所引起的敏感性指數變化最小。這與李艷超[48]，陳美球[49]等的研究結果相類似，都表明了生態服務價值的敏感性指數受到各種類型土地單位面積服務價值當量和總面積的雙重影響。

5 結 論

(1) 1990—2010年林地面積增加29.33%，草地、耕地、濕地分別減少7.42%，17.45%，7.1%，河湖與荒漠面積減少不足1%。

(2) 1990年、2000年、2010年和田河流域生態系統服務總價值分別約為380.62億元、341.82億元、350.83億元；2000年比1990年減少了10.19%，2010年比1990年減少了7.83%。

(3) 和田河流域生態系統服務價值對土地類型價值系數變動的敏感性均在0.35以下，說明前者對于后者缺乏彈性，本文所選生態價值系數比較合理，結果可信。

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StudyontheServiceValueofLandEcosystemandSensitivityinHotanRiverBasin

WANG Xiyi1, XU Hailiang2, PAN Cunde1, LING Hongbo2, ZHANG Guangpeng1

(1.XinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi830052,China; 2.XinjiangInstituteofEcologyandGeography,ChineseAcademyofSciences,Urumqi830011,China)

In order to explore the ecological benefits of comprehensive reclamation in Hotan river basin, the remote sensing data in 1990, 2000 and 2010 were collected. Then, the Constanza value coefficient, which was conformed to the characteristics of arid region, was amended according to the practical situation of study area. At last, the change of land area and ecological service value from 1990 to 2000 were analyzed, and the sensibility of service value to fluctuating of coefficient was discussed. The results are as follows. (1) From 1990 to 2010, the changes in the area of forest was biggest, and the area of forest increased by 29.33%; the changes of the areas of grassland, cultivated land, wetland were smaller relatively, and areas of grassland, cultivated land, wetland decreased by 7.42%, 17.45%, 7.1%, respectively; what′s more, the decrease ranges of river lake and desert area were all below 1%. (2) The values of ecosystem service were 38.062 billion yuan, 34.182 billion yuan, 35.083 billion yuan in 1990, 2000, 2010, respectively; the value of ecosystem service in 2000 was decreased by 7.83% compared to that in 1990, it was decreased 7.83% in 2010 compared to that in 1990. (3) The sensibility of estimated results to ecological service value coefficients was all under 0.35 based on the sensitivity analysis, thus the value coefficients were reasonable and the results were reliable.

land-use type; value coefficient; ecological service value; sensitivity; Hotan River Basin

K902

A

1005-3409(2017)06-0334-07

2016-05-31

2016-07-07

中國科學院“西部之光”人才培養計劃(XBBS-2014-13);國家自然科學基金(31370551,41471099,31400466)

王希義(1987—),男,山東濱州人,博士研究生,主要從事恢復生態學研究。E-mail:binzhouwxy@163.com

徐海量(1971—),男,江蘇寶應人,博士,研究員,碩士生導師,主要從事恢復生態學研究。E-mail:xuhl@ms.xjb.ac.cn