基于土地利用變化的和田地區生態系統服務價值分析

郭亞紅,阿布都熱合曼·哈力克,*,魏天寶,木卡達斯·阿不都熱合曼

1 新疆大學資源與環境科學學院, 烏魯木齊 830046 2 新疆大學綠洲生態教育部重點實驗室, 烏魯木齊 830046

生態系統服務是指通過生態系統結構、功能和過程而獲得產品和服務,包括供給、調節、支持和文化四種功能[1- 3]。生態系統為人類福祉提供了眾多服務,例如提供食物、淡水以及清潔空氣等[1]。土地合理利用和有效配置直接關系社會經濟可持續發展[4]。土地利用變化是人類活動與自然環境相互作用的直接體現[5]。土地利用與生態系統服務相互影響,相互制約[6]。土地利用類型、格局和強度直接影響生態系統結構、功能和過程[7],是影響生態系統服務功能的重要動力[8]。生態系統服務的喪失和退化不僅影響土地利用結構和效率[9],也會威脅到人類福祉。眾多學者已對生態系統服務價值進行評估[10-12]。Costanza在總結先前研究基礎上實現了對生態系統服務價值的貨幣表達[13-14]。謝高地等參考Costanza等人研究成果,制定出適合我國生態現狀的生態系統服務價值當量因子表[15]。目前,國內學者相關研究多以謝高地修訂與補充的生態系統服務價值當量因子表為基礎[3,16],結合研究區單位生態系統服務的經濟價值來估算區域的生態系統服務價值[17-20]。隨著社會經濟發展,生態環境質量的提高[21],人們開始愿意為保護生態環境付出相應的費用。將支付意愿和支付能力納入生態系統服務價值評估體系,這對于建立生態補償機制和實現綠色社會經濟發展已十分重要。

和田地區處于塔克拉瑪干沙漠的南緣,氣候干旱與風沙天氣導致生態環境十分脆弱[22],加之過度墾荒,水資源匱乏,鹽堿地與沙地的增加,加劇了生態環境的不穩定性[23]。以和田地區為研究對象,對該區域土地利用及生態系統服務價值進行評估,為當地土地資源可持續利用以及環境保護提供決策支持。

1 研究區概況

和田地區位于新疆南部,北部與阿克蘇地區的沙雅和阿瓦提相接,深入塔克拉瑪干沙漠腹地。地處35.7°N—39.4°N,78.7°E—83.4°E之間,包括7縣1市。該區年平均氣溫13.4℃,年均降水量88.4mm,年均蒸發量2504.6mm,屬暖溫帶極干旱荒漠氣候。和田地區山地、戈壁沙漠、綠洲分別占到全疆33.3%、63%和3.7%,其中綠洲面積9.730×105hm2,耕地面積為1.827×105hm2,占綠洲面積的17.95%。

圖1 研究區位置圖Fig.1 Location of the study area

2 研究方法

2.1 數據來源

研究中采用的2010—2018年土地利用數據來源于和田地區自然資源局土地利用變更數據調查,土地利用類型包括:耕地、園地、林地、草地、城鎮村及工礦用地、交通用地、水域及未利用地；經濟數據來源于《中國統計年鑒》和《中國年度統計公報》,《新疆統計年鑒》和《和田年鑒》；氣候數據來源于國家氣象科學數據中心(http://data.cma.cn)中的地面氣候資料日值數據集(V3.0),和田地區的年均氣溫與年均降水量由4個站點的均值得到。以上經濟數據與氣象數據均以和田地區為研究單位。

2.2 研究方法

2.2.1土地利用動態度

土地利用動態變化研究是基于土地利用動態變化模型,分析了土地利用類型數量、程度及土地利用變化的區域差異[24]。單一土地利用動態度公式為：

式中,K為在a—b時段內特定土地利用類型的單一動態指數,Ua、Ub分別表示在時間a、b處某種土地利用類型的面積,T為a—b時段,在文中以a為單位。

2.2.2生態系統服務價值評估

以謝高地[16]等人在2007年提出的“中國生態系統單位面積生態服務價值當量表”為基礎,針對和田地區社會經濟發展狀況,對單位面積農田每年自然糧食產量的經濟價值進行修正,可獲得和田地區各土地利用類型的生態系統服務價值系數(VC)表。具體修正過程為：和田地區2010—2018年糧食平均單產為6415.76kg hm-2a-1,2010年全國糧食平均收購價格為2.23元/kg,根據“一個標準生態系統服務經濟價值等效系數是單位面積農田提供的食物生產經濟價值的1/7”[3,16],得到和田地區一個生態系統服務價值當量因子為2045.344元 hm-2a-1,最終得出和田地區生態系統服務價值系數(表1)。

表1 和田地區各地類生態系統單位面積服務價值系數/(元 hm-2 a-1)

表2 和田地區生態系統服務經濟價值修正系數

同時,結合生物量因子調整系數來反映研究區的實際情況。考慮到研究區的實際情況和數據收集的便利性,可以根據植被凈初級生產力(NPP)來計算(表2)。生態系統服務價值公式為：

ESV=(VCk×Ak×PI×Si)

式中,ESV為生態系統服務總價值(元)；VCk為生態系統服務價值系數(元 hm-2a-1)；Ak為第k類土地利用類型的面積；Si為對生物量因子調整系數；PI為社會經濟因子調整系數；對Si、PI的詳細計算可通過Su等[25]的研究得到。

2.2.3敏感性分析

為確定生態系統服務價值評價是否準確,需引入敏感性指數(CS)來衡量。公式如下：

式中,CS為敏感性指數,VC為生態價值系數,i和j分別為ESV、VC調整前后的值,k為土地利用類型。文中將各土地利用類型的VC±50%,對ESV的變化進行分析。

圖2 各土地利用動態度與變化率Fig.2 Land use dynamic and rate of different types

3 結果分析

3.1 和田地區土地利用類型變化特征

和田地區不同土地利用類型中,未利用地為研究區的主要土地利用類型,其次為草地,分別占總面積的81.21%—81.27%,12.09%—12.13%,兩者面積之和占總面積的93.31%—93.40%,在土地利用類型中占主體地位。交通用地所占比例最小,為0.09%—0.1%。各土地利用類型所占總面積比例依次為：未利用地>草地>水域>林地>耕地>城鎮村及工礦用地>園地>交通用地。

根據土地利用動態評估結果(圖2)可知,2010—2018年和田地區土地利用變化率與動態度基本一致。表現為：耕地、城鎮村及工礦用地、交通用地均有所增加,其中城鎮村及工礦用地的變化幅度最大,其次為交通用地,分別為13.48%、7.52%,說明在研究期間,和田地區城建化速度較快。園地、林地、草地、水域及未利用地有所減少,其中園地面積減少速度最明顯,其次為林地,變化率分別為-2.43%、-0.11%。水域的變化幅度最小,僅為0.05%,變化較為穩定。

3.2 和田地區生態系統服務價值變化特征

3.2.1生態系統服務價值總體變化特征

2010—2018年和田地區生態系統服務價值呈下降趨勢,生態系統服務價值減少了5.89×108元,價值變化率為-59.47%。

從圖3來看,水體與草地對生態系統服務總價值貢獻最大,兩者占總價值比例為65.93%—66.08%。耕地的生態系統服務價值所占比例最小,為1.40%—1.48%,未利用地的生態系統服務價值所占比例高于耕地與林地主要是和田地區大部分區域被沙漠與戈壁所覆蓋,未利用地面積遠多于其他土地利用類型的面積。總體來說,各地類生態系統服務價值均有所減少,主要是由于城鎮村及工礦用地,交通用地等建設用地的快速擴張所致。建設用地的擴張導致園地、林地、草地、水域及未利用地有所減少。耕地面積有所增加,但耕地的生態系統服務價值有所降低,主要是不僅考慮到土地面積對生態系統服務價值的影響,同時也考慮到氣溫與降水對生態系統服務價值的影響。

圖3 各土地利用類型提供的生態系統服務價值所占比例Fig.3 Proportion of ecosystem services provided by various land use types

圖4 和田地區生態系統服務價值變化Fig.4 Changes in the value of ecosystem services in Hotan area

從生態系統服務功能來看(圖4),四大功能總體上呈下降趨勢,調節服務>支持服務>文化服務>供給服務。

和田地區生態系統服務價值變化受諸多因素影響,但土地利用類型面積變化與生物量因子調整系數的修正起著主要的作用。和田地區生物量因子調整系數從2010年的0.1646下降到2015年的0.0309,之后又上升到2018年的0.0813,這表明在2015年該地的氣溫,降水,土地利用和土壤狀況的變化對植被生產潛力產生作用較小,相反在2010年與2018年所起作用較大。尤其在2010年和田地區生態系統服務價值高于其他年份,主要是由于受生物量因子調整系數所影響,即氣溫和年降水量對該地的生態系統服務價值有重要影響。

3.2.2生態系統單項服務價值變化特征

和田地區不同類型生態系統服務價值估算(圖5)可知,各單項生態系統服務功能均呈減少趨勢。其中,水文調節功能減少最多,變化率為-59.48%。食物生產功能減少最少,相對于其他服務功能而言,變化幅度較為穩定。

在2010年、2015年和2018年各單項生態服務功能所占比例完全相同：水文調節>廢物處理>維持生物多樣性>提供美學景觀>保持土壤>氣候調節>氣體調節>原材料生產>食物生產,服務性功能高于生產性功能。單項生態系統服務價值功能主要以水文調節、廢物處理和維持生物多樣性為主,三者之和占總價值比例超過57%,主要是由于水體、林地與草地的面積以及價值修正系數較大所造成的。

圖5 和田地區單項生態系統服務價值變化Fig.5 Change of individual ecosystem service value in Hotan area

3.2.3生態系統服務價值空間分布

在研究期間,和田地區各縣市生態系統服務價值均呈降低趨勢(圖6)。其中,民豐縣生態系統服務價值最高,分別占和田地區生態系統服務總價值的26.27%和26.28%。和田市生態系統服務價值最低,占總價值的0.42%和0.51%。和田地區各縣市生態系統服務價值變化率均高于-50%,表明該地區的生態系統服務價值大幅度減少,生態服務功能受到嚴重影響。

各縣市單項生態系統服務價值均呈減少趨勢(圖7)。和田市各單項服務價值變化率均低于其他各縣,其中水文調節變化幅度最大,為-52.71%,保持土壤變化幅度最小,為-46.82%。其他各縣單項服務價值變化幅度比較相似,變化率均在-59%左右。和田縣、墨玉縣和策勒縣氣體調節功能下降幅度最大,變化率分別為-60.05%、-59.51%、-59.49%；皮山縣、洛浦縣和于田縣提供美學景觀功能下降幅度最為明顯,變化率為-59.48%、-59.49%、-59.48%；民豐縣原材料生產功能下降幅度最顯著,變化率為-59.47%。除和田市與和田縣外,其他各縣下降幅度最小的單項服務功能均為食物生產。和田河與克里雅河徑流量的變化對局部小氣候的改善以及生態系統服務調節功能具有一定影響。

圖6 和田地區各縣市生態系統服務價值變化Fig.6 Changes in the value of ecological services in each county in Hotan area

民豐縣除原材料生產與食物生產功能價值減少較少外,其他單項生態服務功能價值變化量均為較明顯,尤其水文調節、廢物處理、保持土壤和維持生物多樣性功能下降最為顯著。和田縣與策勒縣的水文調節與廢物處理功能下降最為顯著。

圖7 和田地區各縣市單項生態系統服務價值變化分析Fig.7 Change of ecosystem service value in every city of Hotan area

4 生態系統服務價值敏感性分析

按照敏感性指數計算方法,對各地類的生態價值系數在原始基礎上增加(或減少)50%,獲得和田地區各地類的敏感性指數(圖8)。結果表明,各地類生態服務價值系數的敏感性指數均小于1,表明相對于價值系數而言,該地區的生態系統服務價值是缺少彈性、不敏感的,研究結果是相對可靠的,價值系數適用于計算該地區的生態系統服務價值。其中,敏感性指數最高的為水體,最低為耕地,說明水體對生態系統服務價值的貢獻最大。

圖8 和田地區生態系統服務價值系數敏感性分析 Fig.8 Ecosystem service value and the coefficient of sensitivity in Hotan area

5 結論與討論

5.1 討論

生態系統服務價值變化是自然因素和人文因素共同作用的結果[26],根據前人研究[27-28]可知,生態系統服務價值在短時間內主要受人為因素干擾。以下對和田地區生態系統服務價值變化的驅動力因素予以討論。

(1)氣候變化

氣溫與降水作為最直接的因素在各種生態過程中起著重要作用[29]。已有研究[30]表明,在中國西北地區氣候變濕的大背景下,從20世紀90年代到至今,和田地區氣候總體呈現“暖濕化”趨勢,為和田地區耕地的開墾提供了充足的水源,但耕地面積快速增加及對農田灌溉會過度占用其他土地利用的需水量,導致其他土地利用類型減少及次生鹽漬化的出現[31],對水文調節和維持生物多樣性等功能產生負面影響。耕地面積增加雖會促使生態系統服務價值的提高,但無法彌補草地與水體所缺失的生態系統服務價值,所以在整個研究期內,生態系統服務價值總體呈下降趨勢。研究區總價值在2015年減少隨后又增加不僅是因為各土地利用類型面積的變化,同時也是因為在制定生態系統服務價值系數時考慮了研究區的氣候環境。Fu等[32]發現變暖和干燥的氣候會導致生態系統服務下降和生態系統損害增加,導致綠洲地區降水減少。和田地區在2015年的年平均氣溫(13.7℃)最高,年均降水量最少(47.43mm),干燥的氣候會造成研究區水文調節和維持生物多樣性等功能的衰退。

(2)社會經濟因素

參考相關研究[[26,33-35],并結合數據可獲得性,以2010—2018年和田地區各縣市為研究單位來選取人口、經濟和旅游3個方面的人文因素指標,然后對各指標進行相關性分析篩選出對生態系統服務價值影響較大的因子,并進行逐步回歸分析。

表3 和田地區生態系統服務價值回歸模型

從表3可知,和田地區生態系統服務價值主要受總人口、城鎮人口和農村人口的影響。和田地區總價值在2015年減少隨后又增加,主要是因為在2015—2018年,總人口變化率與城鎮人口變化率均低于2010—2015年,尤其是在2010—2015年城鎮人口變化率為82.90%,城鎮人口大幅度增加,城建化速度加快,加劇生態系統壓力。在2015—2018年城鎮人口變化率為-11.29%,利于生態系統恢復。農村人口在前期增加較緩,在后期增加幅度有所上升,變化率為16.18%。人口因素是環境退化的一個主要驅動力[36],人口增長導致食物生產與原材料生產等需求增加,造成生態系統服務價值減少[28]。城鎮人口增加必然會致使建設用地擴張,造成其他土地面積損失,影響調節服務等功能價值。農村人口增加導致土地壓力加劇,過度墾荒現象日益突出,灌溉、防洪等水利設施興建改變了水資源的時空分布,致使水體的水文調節和維持生物多樣性等功能出現較大的時空波動[31]。同時農業用水的增加加速了河水與地下水的開發和利用[37],是區域生態系統服務變化的主要因素[38-39]。

從研究結果來看,和田地區生態系統服務價值下降是受各土地面積、氣溫、降水和人口因素共同作用的結果。尤其在近年來,人口和社會經濟發展導致人工平原綠洲區面積不斷擴大,加劇了水資源短缺,使綠洲外圍土地荒漠化程度有所加劇,區域生態系統進一步惡化[38]。

研究區在評估生態系統服務價值時首次考慮了當地居民支付意愿與支付能力修訂生態價值系數,生態系統服務價值研究結果與前人研究[40]相符合。

不足之處在于未考慮建設用地對生態系統服務的影響。近年來,和田地區城建化速度加快,建設用地增加對生態系統服務價值如何影響,有待深入研究。

5.2 結論

(1)和田地區不同土地利用類型中,未利用地為研究區的主要土地利用類型,其次為草地。耕地、城鎮村及工礦用地、交通用地均呈增加趨勢,園地、林地、草地、水域及未利用地呈減少趨勢。

(2)和田地區生態系統服務價值呈下降趨勢,減少了5.89×108元,變化率為-59.47%。各地類生態系統服務價值均呈減少趨勢,其中水體構成生態系統服務價值的主體。區域生態功能的調節服務>支持服務>文化服務>供給服務,水文調節是最主要的單項服務功能。

(3)在空間尺度,和田地區各縣市生態系統服務總價值與單項服務價值均呈減少趨勢,和田市生態系統服務總價值波動最小。

(4)和田地區各地類生態價值系數的敏感性指數均小于1,表明生態系統服務價值對價值系數是缺少彈性的,研究結果相對可靠,價值系數適用于計算該地區的生態系統服務價值。