基于遙感與GIS的渭庫綠洲生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空變化研究

馬依拉·熱合曼,買買提·沙吾提,3,*,尼格拉·塔什甫拉提,3,依克麗曼·阿布都米提,馬春玥,依爾夏提·阿不來提

1 新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,烏魯木齊 830046 2 新疆大學(xué)綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830046 3 新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院智慧城市與環(huán)境建模自治區(qū)普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830046

土地利用/覆蓋變化(Land use and Land cover,LULC)是人與自然交叉最為密切的環(huán)節(jié),已成為全球環(huán)境變化研究的前沿和熱點(diǎn)課題[1],LULC通過改變生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過程和功能,在生態(tài)系統(tǒng)維持其服務(wù)功能方面起重要作用[2]。因此,研究土地利用/覆蓋變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(Ecosystem Services Value,ESV)產(chǎn)生的影響具有重要的意義[3]。近年來,國內(nèi)外眾多學(xué)者在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)內(nèi)涵、類型劃分及其價(jià)值評估方法等多方面進(jìn)行了大量研究,并取得了一定的成果[4- 13]。如美國生態(tài)學(xué)家Costanza等人就對全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行分類,并提出了估算方法,引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[4]。另外,Daily等[5],David等[6]、Holmes等[7]、Swift等[8]、Yue等[9]、Dale等[10]對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的理論、評價(jià)、核算方法和應(yīng)用等方面開展了廣泛而深入的研究。國內(nèi)方面, 歐陽志云等[11]利用生態(tài)學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)方法,對中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及其生態(tài)價(jià)值進(jìn)行研究,得出中國陸地生態(tài)系統(tǒng)具有巨大的生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益,對維持我國社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展有不可替代的作用等結(jié)論；謝高地等[2]考慮中國國情利用專家知識對該方法進(jìn)行了改進(jìn),建立了中國不同陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,計(jì)算出各地類單位面積上不同功能的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的總和；石垚等[12]對中國1998—2008年來陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能所導(dǎo)致的價(jià)值變化進(jìn)行了時(shí)空變化與影響因素研究,揭示了中國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的空間格局及其變化特征。這些研究有效推動(dòng)了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值研究在國內(nèi)的快速傳播和發(fā)展。隨著研究的逐步深入以及3S等空間技術(shù)的快速發(fā)展,國內(nèi)眾多學(xué)者圍繞森林[13]、濕地[14]、草地[15]、河流[16]以及農(nóng)田[17]等不同類型生態(tài)系統(tǒng)、在區(qū)域[18]、流域[19]以及城市[20]等不同尺度下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評估等方面開展了研究,進(jìn)一步推進(jìn)了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的評估研究進(jìn)程。

渭干河-庫車河三角洲綠洲位于新疆塔里木盆地北緣,是典型農(nóng)業(yè)綠洲。它不但是阿克蘇地區(qū)土地開發(fā)利用較早的灌溉區(qū)及新疆重要的產(chǎn)棉區(qū)之一,也是塔里木石油天然氣開發(fā)的主要地區(qū)[21],具有自然災(zāi)害頻繁和生態(tài)環(huán)境脆弱特點(diǎn)[22]。受長期農(nóng)耕活動(dòng)和水土資源開發(fā)利用的影響,該綠洲土地利用導(dǎo)致的生態(tài)環(huán)境問題日漸突出[23]。前人對于該綠洲的研究多集中于綠洲土地利用動(dòng)態(tài)變化方面[24- 26]、且現(xiàn)有的生態(tài)服務(wù)價(jià)值研究[27- 29],從研究尺度和內(nèi)容上來看,生態(tài)服務(wù)價(jià)值變化分析缺乏時(shí)空視角,尤其是對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在空間上的聚集規(guī)律、關(guān)聯(lián)模式等分布特征的定量研究尚顯不足,而這種研究對揭示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的空間格局及其變化特征與機(jī)制很重要[30]。本研究基于渭庫綠洲1994和2016年兩期的遙感影像數(shù)據(jù),利用生態(tài)價(jià)值評估模型及GIS空間統(tǒng)計(jì)方法,對渭庫綠洲生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的時(shí)空變化規(guī)律進(jìn)行研究,旨在為干旱區(qū)典型綠洲土地資源可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

渭干河-庫車河三角洲綠洲(以下簡稱渭庫綠洲)位于塔里木盆地北部的沖洪積平原,地理坐標(biāo)介于81°25′—83°16′E、41°05′—41°39′N之間,南臨塔里木河北岸,北抵秋里塔格山,西與溫宿縣相接,東與輪臺縣相鄰,行政區(qū)劃上隸屬于庫車、沙雅、新和三縣(圖1),土地總面積約523.75萬hm2,占全省土地面積的3.16%,其中綠洲土地總面積約為56.09萬hm2,占全疆綠洲面積的3.8%[27]。該綠洲屬于大陸性溫暖帶干旱氣候,年均氣溫10.5—11.4C°,年平均降水量51.6 mm,年平均蒸發(fā)量達(dá)2123.7 mm,干旱指數(shù)為17.3—21.8[31]。該綠洲地勢北高南低,地形坡降1%—4%,東西寬約194 km,南北長約322 km,平原區(qū)海拔在940—980 m。種植業(yè)是渭庫綠洲經(jīng)濟(jì)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè),農(nóng)業(yè)主要依賴中高山地區(qū)流下的渭干河、庫車河和塔里木河進(jìn)行灌溉[32]。土地利用類型主要包括農(nóng)田、林地、草地、荒地、鹽漬地等；作物主要包括小麥、玉米、棉花、油菜等。由于降水稀少,蒸發(fā)量強(qiáng),耕地經(jīng)過蒸發(fā)后,大量的水分被吸走,而含在水中的鹽分滯留了下來。這種獨(dú)特的氣候造成該綠洲大面積耕地被鹽漬化,土壤有機(jī)質(zhì)含量低,中低產(chǎn)田面積廣。土壤以輕壤土和沙壤土為主,土壤鹽分多以氯化物、硫酸鹽為主[33]。

圖1 渭-庫綠洲示意圖

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

研究區(qū)選擇渭庫綠洲1994年8月22日Landsat TM(30 m分辨)和2016年7月15日的Sentinel2(10 m分辨)影像為遙感信息源。采用ENVI5.1軟件利用6S 模型對兩景影像進(jìn)行大氣校正,同時(shí)以研究區(qū)域1∶25萬地形圖為參考,選擇三次多項(xiàng)式和最近鄰域插值法進(jìn)行幾何校正,再對校正后的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行波段選擇與組合(假彩色RTM4GTM3BTM2)和統(tǒng)一投影系統(tǒng)等,得到研究區(qū)域的遙感影像。據(jù)研究區(qū)土地利用的實(shí)際情況以及參照《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》和相關(guān)研究[26,34]將研究區(qū)的土地利用分為耕地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地等5種類型(圖2),采用最大似然分類方法和人機(jī)交互相結(jié)合的方法對影像進(jìn)行分類,提取22 年來各期影像的土地利用類型數(shù)據(jù)。通過隨機(jī)取樣方法對分類結(jié)果進(jìn)行精度檢驗(yàn),kappa系數(shù)分別為0.91,0.82,均高于0.80,可以達(dá)到研究所需要求。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的評價(jià)法

本研究運(yùn)用謝高地等[11]的研究成果,結(jié)合研究區(qū)域具體情況,參考相關(guān)研究[4- 13],采用生態(tài)服務(wù)價(jià)值(ESV)的區(qū)域修正系數(shù)(即將價(jià)值系數(shù)與地區(qū)修正系數(shù),新疆省為0.58)相乘,考慮到建設(shè)用地在水分供應(yīng)和廢物處理方面對生態(tài)系統(tǒng)的負(fù)面影響,采用更換成本法估算建設(shè)用地的生態(tài)服務(wù)價(jià)值[35],可得生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)(VC)表1,如表1所示。ESV[19]的計(jì)算公式為:

(1)

ESVf=∑(Ak×VCfk)

(2)

式中,ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值；Ak是土地利用類型k的面積(hm2)；VCk是生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值系數(shù)(元 hm-2a-1) ；ESVf為生態(tài)系統(tǒng)第f項(xiàng)服務(wù)功能價(jià)值；VCfk是土地利用類型k的第f項(xiàng)服務(wù)功能價(jià)值系(元 hm-2a-1) 。

表1 渭庫綠洲各地類生態(tài)系統(tǒng)單位面積服務(wù)價(jià)值系數(shù)/(元 hm-2 a-1)

本文利用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值動(dòng)態(tài)度(KESV)分析研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化差異和變化趨勢[13],其計(jì)算公式為：

(3)

式中,ESVa為研究初期某區(qū)域或地類的ESV；ESVb為研究末期某區(qū)域或地類的ESV；T為研究時(shí)段。若k>0,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值呈增加趨勢；k<0,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值呈減少趨勢；k=0,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值不變[36]。

為了定量分析研究區(qū)生態(tài)服務(wù)價(jià)值的空間特征,將研究區(qū)劃分為1 km×1 km大小網(wǎng)格單元,分別計(jì)算每個(gè)格網(wǎng)的生態(tài)服務(wù)總價(jià)值,建立生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間格局圖。

2.2.1 敏感性指數(shù)

相關(guān)研究表明[37- 38],敏感性指數(shù)(Coefficient of Sensititive,CS)能夠反映生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值 (ESV) 對生態(tài)價(jià)值系數(shù)(VC)的依賴程度。CS的計(jì)算公式為：

(4)

式中,CS敏感性指數(shù)；i和j分別是初始價(jià)值和生態(tài)價(jià)值系數(shù)調(diào)整后的價(jià)值。當(dāng)CS<1,表明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值對于生態(tài)價(jià)值系數(shù)是缺乏彈性的；當(dāng)CS>1,表明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值對于生態(tài)價(jià)值系數(shù)是富有彈性的,比值越大,表明生態(tài)價(jià)值系數(shù)的準(zhǔn)確性越關(guān)鍵[39]。

2.2.2 空間自相關(guān)

(1)局部空間自相關(guān)指標(biāo)(Local indicators of spatial association, LISA)。

全局空間自相關(guān)是對整個(gè)研究空間的一個(gè)總體描述,僅僅對同質(zhì)的空間過程有效,不能有效反映局部區(qū)域單元的空間自相關(guān)性[40]。因此,本文局部空間自相關(guān)指標(biāo)(LISA) 和Moran 散點(diǎn)圖相結(jié)合的方法,進(jìn)行局部空間自相關(guān)分析。

空間位置為i的局部Moran′s I的計(jì)算公式為：

(5)

(2)Moran 散點(diǎn)圖可用來表達(dá)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的標(biāo)準(zhǔn)化向量ESV(橫軸) 與它的空間滯后向量W_ESV(縱軸) 之間的相關(guān)關(guān)系。Moran散點(diǎn)圖的四個(gè)象限,分別對應(yīng)于區(qū)域單元與其鄰居之間四種類型的局部空間聯(lián)系形式,分別為“高高(HH) ”、“高低(HL) ”、“低高(LH) ”和“低低(LL) ”。HH 類型和LL 類型為正的空間自相關(guān)關(guān)系,表示空間單元和周邊單元的空間差異程度小,而HL類型和LH 類型為負(fù)的空間自相關(guān)關(guān)系,表示空間單元和周邊單元的空間差異程度大。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用動(dòng)態(tài)變化

研究區(qū)土地利用面積變化見表2。從表2可以看出3個(gè)特點(diǎn)。首先,研究區(qū)域主要的土地利用類型為草地和耕地分別占研究區(qū)土地面積的41.16%—36.34%,16.5%—27.88%,兩者的面積之和約占整個(gè)研究區(qū)域面積的57.66%—64.22%,表明這2種土地利用類型所占比重較大,具有主體地位。

第二,1994—2016年渭庫綠洲土地利用類型的面積均發(fā)生了不同程度的變化,呈現(xiàn)2增3減趨勢：建設(shè)用地和耕地均有所增加,其變化率均為正,說明該土地利用類型為正向變化,總體增加。面積增加速度為建設(shè)用地>耕地,其中建設(shè)用地增加速度最為明顯。說明在這期間,研究區(qū)域城建化速度較快。另外,草地,水域和未利用地有所減少,其變化率為負(fù),說明呈負(fù)向變化,總體減少。面積減少速度依次為水域>草地>未利用地,其中草地減少面積最為明顯。

第三,在5類土地利用類型中,耕地由246451.8 hm2增加到416289.55 hm2,變化量為169837.74 hm2,是區(qū)域面積變化最大的土地利用類型,說明該期間,農(nóng)業(yè)用地變化趨勢較為劇烈。

總之,各類土地利用/覆蓋類型的時(shí)空變化各不相同。其中,耕地的時(shí)空動(dòng)態(tài)度在處于凈增加趨勢,水域和草地的動(dòng)態(tài)度基本上呈現(xiàn)減少趨勢。這說明研究區(qū)耕地和水資源之間的矛盾是該區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的關(guān)鍵問題之一。

表2 渭庫綠洲1994—2016年土地利用類型變化

圖2 渭庫綠洲土地利用-土地覆蓋圖

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值動(dòng)態(tài)變化

研究區(qū)1994年和2016年的ESV計(jì)算結(jié)果及ESV空間分布見表3和圖3。由表3可知,在1994—2016年間對渭庫綠洲生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值貢獻(xiàn)最大的兩種土地利用類型是草地和水域,兩者的合計(jì)貢獻(xiàn)量達(dá)80%—60%,其次是耕地為18%—38%,未利用地和建設(shè)用地貢獻(xiàn)較小。研究區(qū)總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(ESV)呈減少趨勢,由4895.67×106元減少到3864.78×106元,減少了1030.89×106元,年均減少0.96%。總體來說,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值呈現(xiàn)兩增三減的趨勢:草地、水域、未利用的動(dòng)態(tài)度KESV都小于0,表明ESV總體減少,其中草地減少最多,其次為水域；耕地和建設(shè)用地的動(dòng)態(tài)度KESV都大于0,表明ESV總體增加,其中耕地ESV增加最多,增幅為3.13%,建設(shè)用地ESV增加速度更快。通過以上分析并結(jié)合上述土地利用變化分析,可以發(fā)現(xiàn),研究區(qū)域ESV降低主要是由于對研究區(qū)內(nèi)草地的過度開墾以及水域面積的大幅衰減,使得綠州生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值從1994年開始下降,2016年的綠洲生態(tài)服務(wù)價(jià)值低于1994年的生態(tài)服務(wù)價(jià)值。

從研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的空間分布可以發(fā)現(xiàn)(圖3),研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值ESV都具有一定的空間差異。研究區(qū)生態(tài)服務(wù)價(jià)值較高地區(qū)(ESV超過0.4×106元)主要分布在渭干河上游“克孜爾水庫”周圍區(qū)域和塔里木河北岸等,該區(qū)域?qū)儆谒Y源較為豐富、草地和水域面積占比高,草地在生態(tài)服務(wù)價(jià)值計(jì)算模型中的權(quán)重較大,從而使該區(qū)域生態(tài)服務(wù)價(jià)值最高；另外,生態(tài)服務(wù)價(jià)值最高區(qū)域從1994—2016年逐漸縮小,且離散度變高,其中1994年的生態(tài)服務(wù)價(jià)值(ESV超過1.4×106元)的區(qū)域有一定分布,而到2016年僅存于渭干河上游“克孜爾”水庫周邊區(qū)域；生態(tài)服務(wù)價(jià)值最低地區(qū)(ESV低于0.1×106元)集中分布在綠洲南部靠近塔克拉瑪干沙漠邊緣和北部靠近天山中部的山區(qū)以及庫車河下游荒漠區(qū)域,該區(qū)土地利用類型主要以未利用地為主,水資源較為匱乏、自然環(huán)境較差,導(dǎo)致該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值很低；并且,人類活動(dòng)干擾程度低,所以生態(tài)服務(wù)價(jià)值從1994—2016年未發(fā)生顯著變化；生態(tài)服務(wù)價(jià)值(ESV在0.31×106元—0.4×106元)的區(qū)域分布最多,主要集中分布在渭干河平原灌區(qū)、庫車灌區(qū)、沙雅灌區(qū)等農(nóng)業(yè)種植區(qū),且2016年明顯多于1994年,這主要是因?yàn)樵搮^(qū)域地勢平坦、具有較完善水利設(shè)施,適宜農(nóng)業(yè)耕作,同時(shí)人口密度高,對自然生態(tài)系統(tǒng)的干擾程度大,導(dǎo)致該區(qū)域生態(tài)服務(wù)價(jià)值介于高低之間,且向周圍不斷擴(kuò)張。生態(tài)服務(wù)價(jià)值(ESV在0.11×106元—0.3×106元)的區(qū)域相對較少且呈零星點(diǎn)狀分布在綠洲西南部和東部地區(qū),該區(qū)域?qū)儆诖寰用裼玫匾约拔蠢玫?而這些土地利用類型在生態(tài)服務(wù)價(jià)值計(jì)算過程中的權(quán)重較低,導(dǎo)致該區(qū)域指數(shù)也偏低。

表3 渭庫綠洲 1994—2016年各地類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(ESV)變化

△：生態(tài)服務(wù)價(jià)值增加；▽：生態(tài)服務(wù)價(jià)值減少

圖3 渭庫綠洲生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間變化

從生態(tài)服務(wù)價(jià)值增減區(qū)域變化來看(圖3),減少區(qū)域較多且主要分布在庫車縣的東北,即烏尊鎮(zhèn)、亞哈真等地區(qū)和新和縣西和東南,即塔什力克鄉(xiāng)、尤都神巴格鄉(xiāng)、依其力克鄉(xiāng)等地。另外,還有沙雅縣的南部和東南部等地區(qū),即塔里木鄉(xiāng)、新墾農(nóng)場、蓋孜庫木鄉(xiāng)等地區(qū)；生態(tài)服務(wù)價(jià)值增加區(qū)域相對較少且主要分布庫車縣東南的東闊坦鎮(zhèn)和新河縣的北部 “五一水庫”周圍及沙雅縣的西部英買力鄉(xiāng),努爾巴克鄉(xiāng)等均有分散性增加區(qū)域。

整體上來說,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量減少的區(qū)域比增加的區(qū)域多,增值區(qū)及減值區(qū)呈包圍態(tài)勢,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)高值區(qū)域在不斷縮小,且塔里木河北岸地區(qū)生態(tài)服務(wù)價(jià)值減少量相對較多,要注重生態(tài)保護(hù)和生態(tài)恢復(fù)建設(shè)。

圖4 渭庫綠洲單項(xiàng)生態(tài)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化

3.3 單項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化分析

研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)1994—2016年單項(xiàng)服務(wù)價(jià)值的分布情況(圖4),各項(xiàng)功能的構(gòu)成比例變化呈現(xiàn)一定差異,其中廢物處理、水源涵養(yǎng)、土壤形成與保護(hù)、生物多樣性保護(hù)四項(xiàng)對總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的貢獻(xiàn)最大,合計(jì)貢獻(xiàn)率為76.42%—70.11%;其次是氣候調(diào)節(jié)、氣體調(diào)節(jié)、食物生產(chǎn)、娛樂文化四項(xiàng)所占比例22.99%—28.97%；原材料的所占比例很小,在0.58%—0.91%之間。其中,食物生產(chǎn)、氣候調(diào)節(jié)、氣體調(diào)節(jié)和原材料、土壤形成與保護(hù)增加,其他服務(wù)功能均有所減少,這與該時(shí)期具有重要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的草地和水域面積均減少以及耕地和建設(shè)用地增加有關(guān)。

3.4 敏感性分析

本文將將各類土地利用類型的價(jià)值指數(shù)分別調(diào)整50% 衡量總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化[18],計(jì)算結(jié)果及敏感性指數(shù)如表4所示。生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)(VC)對于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(ESV)變化的影響,使用敏感性指數(shù)(CS)來表達(dá),計(jì)算結(jié)果如表4所示。結(jié)果表明,所有土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)的敏感性指數(shù)(CS)均小于1,表明渭庫綠洲兩期土地利用類型的ESV對VC缺乏彈性,也就是即使VC具有不穩(wěn)定性,但研究區(qū)ESV仍是穩(wěn)健的,這說明生態(tài)價(jià)值系數(shù)對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化影響較小。建設(shè)用地的敏感性指數(shù)最小而草地最大,說明草地對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的貢獻(xiàn)最大。另外,從不同時(shí)期的敏感性指數(shù)變化來看,由于耕地面積增加較大,其CS值增加較為明顯,其余的敏感性指數(shù)減少。未利用地,建設(shè)用地的敏感性指數(shù)接近0,兩個(gè)地類的VC變化對研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化影響不大。敏感性分析表明,采用的生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)適合研究區(qū)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況,研究結(jié)果可信。

3.5 空間自相關(guān)性

由圖5可見,散點(diǎn)圖定性地區(qū)分出每個(gè)格網(wǎng)單元與周圍鄰近單元單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值間的相互關(guān)系,在圖中,研究區(qū)2個(gè)年份空間自相關(guān)系數(shù)Moran′s I均為正,且大于0.7,表明研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值ESV分布空間相關(guān)性較高；在變化趨勢上,Moran′s I由1994年的0.807下降到2016年的0.746,說明近22年來研究區(qū)ESV空間自相關(guān)性趨于減弱；研究區(qū)域生態(tài)服務(wù)價(jià)值散點(diǎn)主要分布在第一和第三象限,第二和第四象限散點(diǎn)分布較少,說明研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值 ESV的空間分布并非表現(xiàn)出完全隨機(jī)性,而是表現(xiàn)出空間相似值之間的空間聚集,即ESV較高的區(qū)域趨于和ESV較高的區(qū)域相鄰,ESV較低的區(qū)域也趨于和ESV較低的相鄰；1994年第一和第三象限的點(diǎn)較為集中,表明在生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值較高的區(qū)域和較低區(qū)域各格網(wǎng)間差異不大,2016年,第一象限的點(diǎn)較為分散,說明在生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值較高的區(qū)域各格網(wǎng)之間存在較大差別。

表4 渭庫綠洲生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(ESV)對其價(jià)值系數(shù)的敏感程度(CS)

圖5 1994—2016年渭庫綠洲生態(tài)服務(wù)價(jià)值Moran 散點(diǎn)圖

鑒于Moran散點(diǎn)圖不能判斷各區(qū)域的局部相關(guān)類型及其聚集區(qū)是否在統(tǒng)計(jì)意義上顯著,利用Geoda形成聚集圖LISA (圖6)和顯著性水平圖(圖7),旨在更為直觀的觀察研究區(qū)域ESV的空間分布情況。觀察上圖可知,研究區(qū)ESV較高的區(qū)域和ESV較低的區(qū)域呈現(xiàn)出兩極集聚,這進(jìn)一步印證了Moran散點(diǎn)圖所揭示的研究區(qū)ESV的空間相關(guān)性。研究區(qū)生態(tài)服務(wù)價(jià)值高值聚集區(qū)主要分布在渭干河上游“克孜爾水庫”周圍和塔里木河北岸,并呈減少趨勢,低值區(qū)主要集中在綠洲南部靠近塔克拉瑪干沙漠邊緣和北部靠近天山中部的山區(qū)以及庫車河下游荒漠區(qū)域,這類區(qū)域在空間范圍上呈連片連綿趨勢,空間分布格局上基本保持穩(wěn)定。而低高以及高低聚集范圍很小且變化不明顯。

圖6 渭庫綠洲生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值LISA 聚集圖

LISA顯著性水平圖表示和周圍單元具有顯著空間聯(lián)系。從檢驗(yàn)結(jié)果來看,研究區(qū)域大部分區(qū)域相關(guān)性不顯著,相關(guān)性主要存在于高高類型區(qū)以及低低類型區(qū),這兩種聚集類型的空間單元存在較強(qiáng)的空間正相關(guān)。在綠洲邊緣、山區(qū)和河流周圍等局部地區(qū)在0.001的顯著性水平下顯著,表明這些區(qū)域ESV與其相鄰區(qū)域的ESV存在著很強(qiáng)的正空間相關(guān)性。2016年達(dá)到顯著水平(P=0.001)的范圍明顯大于1994年的范圍,這種變化主要發(fā)生在綠洲東北部及渭干河上游山區(qū)一帶。

圖7 渭庫綠洲生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值LISA 顯著性水平圖

圖8 渭庫綠洲年平均降水量變化

3.6 驅(qū)動(dòng)力分析

(1)氣候變化

影響生態(tài)服務(wù)價(jià)值變化的因子很多,既受到自然因素的制約,又受到人文因素的強(qiáng)烈影響,其中氣溫和降水作為最直接的自然因素,必然影響生態(tài)系統(tǒng)的變化。已有的觀測資料表明(圖8),在中國西北地區(qū)氣候變濕的大背景下,從20世紀(jì)60年代以來,渭庫綠洲的年降水有逐年增長的趨勢,渭庫綠洲徑流量總體上也呈上升趨勢(表5)[34- 36]。這為渭庫綠洲耕地開墾提供了相對有利的氣候條件,使得耕地面積快速增加,但侵占了其他土地利用類型的必需耗水,且水資源利用率并不高,僅有52%左右[23],導(dǎo)致了水域和草地等土地利用類型的減少,而給大面積的天然綠洲生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了負(fù)面影響。從以上分析可以看出,盡管耕地面積有較大幅度增加,促使研究區(qū)生態(tài)服務(wù)價(jià)值增高,但其增高幅度難以彌補(bǔ)其草地和水域等地類型變化所導(dǎo)致的生態(tài)服務(wù)價(jià)值下降,因此總體呈下降趨勢。

(2)人口數(shù)量是當(dāng)前生態(tài)環(huán)境演變,尤其是環(huán)境的退化的一個(gè)主要驅(qū)動(dòng)力,隨著人口增長,人們對自然環(huán)境的影響程度也日益增加[36]。

根據(jù)渭庫綠洲歷史時(shí)期人口變化(表6)分析發(fā)現(xiàn)[31],該綠洲人口從民國5年(1916) 到民國3(1948)年波動(dòng)性增加趨勢,而新中國成立以后綠洲的人口發(fā)展進(jìn)入新的階段。據(jù)統(tǒng)計(jì),渭庫綠洲總?cè)丝趶?949年的26.98萬增加到2010年的89.2154萬,變化率為231%,年均約增加1.02萬人。隨著人口劇增,土地壓力加重,過墾現(xiàn)象日益突出,興建了大量灌溉、防洪、水土保持、節(jié)水灌溉、治堿等水利基礎(chǔ)設(shè)施,造成了水域面積不斷減少,會對該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的降低造成一定影響。同時(shí),雖然2004年該綠洲城市化水平為22.40%,雖然低于全疆平均水平(36.67%),但該區(qū)目前正處于城市化加速發(fā)展時(shí)期[25],隨著農(nóng)村城鎮(zhèn)化加快,鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)興起,非農(nóng)業(yè)人口比重上升與建設(shè)用的擴(kuò)大也是導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值降低的原因之一。

表5 渭庫綠洲氣候和徑流量變化

表6 渭庫綠洲歷史時(shí)期人口變化/人

總體上,受氣候變化和人類活動(dòng)的雙重影響下,草地和水域面積的大幅度下降,耕地和建設(shè)用地面積的增加,導(dǎo)致服務(wù)價(jià)值系數(shù)較高的土地越來越少,使得研究區(qū)的生態(tài)服務(wù)價(jià)值趨于減弱。

4 討論

本文基于遙感數(shù)據(jù)獲得的土地利用數(shù)據(jù),以空間統(tǒng)計(jì)分析方法結(jié)合GIS技術(shù),定量分析了土地利用背景下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空變化及其驅(qū)動(dòng)因子,雖然只是一個(gè)嘗試和初步估算的宏觀參考值,由于加入了空間因素,可以客觀地反映了研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在空間上的聚集規(guī)律、關(guān)聯(lián)模式等分布特征,有助于揭示動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,進(jìn)而探討構(gòu)建更為合理的生態(tài)系統(tǒng)空間格局。國內(nèi)外雖然生態(tài)服務(wù)價(jià)值時(shí)空變化研究較多,但基于空間統(tǒng)計(jì)與分析來探索ESV 的時(shí)空格局演變的研究尚顯不足,本研究補(bǔ)充了這方面的缺陷。另外,由于新疆渭庫綠洲是干旱區(qū)的典型縮影,對反映干旱區(qū)的山地綠洲荒漠系統(tǒng)具有一定的代表性,本研究方法也可為干旱區(qū)內(nèi)陸河流域生態(tài)安全問題的解決提供一種思路。

從研究結(jié)果可以看出,盡管渭庫綠洲耕地面積有一定增加,但草地和水域面積的大幅度下降,導(dǎo)致服務(wù)價(jià)值系數(shù)較高的土地越來越少,使得研究區(qū)生態(tài)服務(wù)價(jià)值趨于減弱。尤其是在塔里木河中游兩岸這一帶生態(tài)服務(wù)價(jià)值減少趨勢更為明顯。值得關(guān)注的是,塔里木河兩岸的胡楊林、天然草地和草本植物是渭庫綠洲的天然屏障,它阻擋著塔克拉瑪干沙漠的侵移,維護(hù)著綠洲的生態(tài)安全,其生態(tài)作用是十分巨大,在當(dāng)?shù)氐膰窠?jīng)濟(jì)發(fā)展中具有極其重要的作用,一旦被破壞,將較難重建起原有的生態(tài)體系。在今后的發(fā)展中應(yīng)加強(qiáng)草地和水域等資源的保護(hù)和管理,需要進(jìn)一步明確耕地資源和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量底線,切實(shí)做到人口、土地資源及生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)持續(xù)發(fā)展。

研究區(qū)生態(tài)服務(wù)價(jià)值減少趨勢與新疆其他一些典型區(qū)域生態(tài)服務(wù)價(jià)值變化趨勢有相似性,也有差異性。如葉爾羌河流域生態(tài)服務(wù)價(jià)值總量呈減少趨勢,且減少的速率加快[32]；焉耆盆地的生態(tài)服務(wù)價(jià)值在波動(dòng)性增加趨勢[33]；阿克蘇河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值整體變化較小,總價(jià)值先減后增趨勢[16]；這些區(qū)域雖然都地處塔里木盆地周邊地區(qū),但是生態(tài)服務(wù)價(jià)值變化趨勢有一定差異。另外,對于北疆來說,也有類似的情況。如瑪納斯縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總體減少趨勢[41]；艾比湖濕地自然保護(hù)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值整體變化不大,但近年ESV有所降低[42]；天山北坡生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值基本穩(wěn)定[43]。造成這種生態(tài)服務(wù)價(jià)值變化地域差異性的原因是生態(tài)服務(wù)價(jià)值的尺度依賴型[44],生態(tài)價(jià)值服務(wù)評估方法,驅(qū)動(dòng)力等方面的不同,其價(jià)值評估結(jié)果也存在較大差異[42]。上述研究成果對于干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在價(jià)值評估方面積累了重要的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

近年來一些學(xué)者對于渭庫綠洲生態(tài)服務(wù)價(jià)值的評估結(jié)果也存在一定的差異性,主要原因一是對不同系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)價(jià)值單價(jià)的計(jì)算方法不同。在生態(tài)服務(wù)價(jià)值計(jì)算中產(chǎn)量因子和當(dāng)量因子選取應(yīng)盡量精確,否則將忽略不同區(qū)域差異。如對于生態(tài)價(jià)值系數(shù)來說,張飛[45]、王雪梅[27]等學(xué)者直接采用謝高地等的研究成果,此方法是一種全國的平均狀態(tài),將它分別運(yùn)用于不同區(qū)域時(shí), 忽略了不同區(qū)域差異；還有學(xué)者將流域劃分為上、中、下游,在謝高地等的研究成果基礎(chǔ)上,結(jié)合當(dāng)?shù)丶Z食產(chǎn)量和糧食平均收購價(jià)格[28],對生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子進(jìn)行了修訂來評價(jià)生態(tài)服務(wù)價(jià)值,喬旭寧等[46]通過調(diào)查當(dāng)?shù)鼐用竦闹Ц兑庠竵矸从吃搮^(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,因此最終生態(tài)服務(wù)價(jià)值計(jì)算結(jié)果存在差異。

二是研究所采用的遙感數(shù)據(jù)、生態(tài)系統(tǒng)分類、信息提取方法等不同。如,楊永菊等[47]以Landsat和Quick Bird等遙感數(shù)據(jù)為基本數(shù)據(jù)源,將該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(shè)用地7個(gè)類別,比本研究增加了林地和沼澤等生態(tài)系統(tǒng)類型；與不同于本研究所使用的數(shù)據(jù),喬旭寧等[29]主要利用農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟(jì)社會、水資源利用等方面的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),分析了本流域農(nóng)田生態(tài)服務(wù)價(jià)值變化。因此,這些也會對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總量計(jì)算帶來一定的偏差和不確定性,但仍然豐富了生態(tài)服務(wù)價(jià)值評估方法在干旱典型綠洲的應(yīng)用,為本綠洲生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)的制訂提供科學(xué)依據(jù)。

本研究的研究方法也存在一些不足之處。雖然本研究根據(jù)渭庫綠洲的實(shí)際情況對謝高地等生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子進(jìn)行了修訂來評價(jià)生態(tài)服務(wù)價(jià)值,此方法具可操作性、直觀性和突出研究區(qū)特點(diǎn)被廣泛接受和認(rèn)可,但是這種方法估算的結(jié)果仍較粗糙,需結(jié)合當(dāng)?shù)厝藗兊闹Ц兑庠负椭Ц赌芰硇抻喕蛘呓⒁粋€(gè)針對渭庫綠洲生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的指標(biāo)體系以及相應(yīng)的價(jià)值系數(shù),才能使結(jié)果更加符合實(shí)際,后期研究將對此方法做進(jìn)一步改進(jìn)。同時(shí),需加強(qiáng)不同數(shù)據(jù)源對比和尺度銜接研究[44]。

此外,本文主要側(cè)重研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值分布格局的空間展示,受限于資料方面的局限,關(guān)于生態(tài)服務(wù)價(jià)值變化驅(qū)動(dòng)力及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制不夠深入研究。其實(shí)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化受自然因素的制約,又受社會、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、政治等人文因素的共同作用的結(jié)果[36]。

今后,如何將諸多因子綜合考慮, 更多利用主成分分析、多元回歸分析、相關(guān)性分析、灰色系統(tǒng)分析法等數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法,進(jìn)一步定量化氣候變化和人類活動(dòng)對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響,有待深入研究。

5 結(jié)論

(1)渭庫綠洲土地利用/覆被方式以耕地和草地為主；土地利用變化顯著,1994—2016年,土地利用類型呈現(xiàn)兩增三減趨勢,其中耕地、建設(shè)用地面積增加,而草地、水域和未利用地的面積減少,耕地和草地面積變化最為劇烈,分別為169837.74hm2,-71988.05hm2。

(2)1994—2016年渭庫綠洲的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值呈減少趨勢,由4895.67×106元減少到3864.78×106元,減少了1030.89×106元,年均減少0.96%；盡管耕地面積有較大幅度增加,促使研究區(qū)生態(tài)服務(wù)價(jià)值增高,但其增高幅度難以彌補(bǔ)其草地和水域等地類型變化所導(dǎo)致的生態(tài)服務(wù)價(jià)值下降,因此總體呈下降趨勢。空間上表現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量減少的區(qū)域比增加的區(qū)域多,增值區(qū)及減值區(qū)呈包圍態(tài)勢,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)高值區(qū)域在不斷縮小,且塔里木河北岸地區(qū)生態(tài)服務(wù)價(jià)值減少量相對較多,要注重生態(tài)保護(hù)和生態(tài)恢復(fù)建設(shè)；同時(shí)生態(tài)系統(tǒng)單項(xiàng)服務(wù)價(jià)值出現(xiàn)有增有減的趨勢,廢物處理、水源涵養(yǎng)、生物多樣性保護(hù)、娛樂文化等四項(xiàng)單項(xiàng)服務(wù)價(jià)值出現(xiàn)下降趨勢,而食物生產(chǎn)、氣候調(diào)節(jié)、氣體調(diào)節(jié)和原材料、土壤形成與保護(hù)等其他五項(xiàng)單項(xiàng)服務(wù)價(jià)值出現(xiàn)上升趨勢。

(3)敏感性分析表明,研究區(qū)生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)的敏感性指數(shù)都小于1,說明研究區(qū)ESV對于VC是缺乏彈性的,價(jià)值系數(shù)適用于渭庫綠洲,研究結(jié)果可信。

(4)研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值表現(xiàn)出明顯的空間自相關(guān)與空間聚集現(xiàn)象,生態(tài)服務(wù)價(jià)值高值聚集區(qū)主要分布在渭干河上游“克孜爾水庫”周圍和塔里木河北岸,并且減少趨勢,注意保護(hù)高值區(qū)的空間穩(wěn)定性；低值聚集區(qū)主要集中在綠洲南部靠近塔克拉瑪干沙漠邊緣和北部靠近天山中部的山區(qū)以及庫車河下游荒漠區(qū)域,這類區(qū)域在空間范圍上呈連片連綿趨勢,空間分布格局上基本保持穩(wěn)定。

(5)受氣候變化和人類活動(dòng)的雙重影響下,草地和水域面積的大幅度下降,耕地和建設(shè)用地面積的增加,導(dǎo)致服務(wù)價(jià)值系數(shù)較高的土地越來越少,使得研究區(qū)到生態(tài)服務(wù)價(jià)值趨于減弱。