典型內陸盆地生態系統服務價值對土地利用變化的響應

張 帥，汪 洋，安沙舟

(新疆農業大學草業與環境科學學院/新疆草地資源與生態重點實驗室，烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】生態系統服務是人類通過生態系統結構、過程和功能直接或間接獲取到與福祉關系密切相關的產品和服務[1]，是開展生態環境穩定可持續發展的基礎[2]。全球生態系統服務價值(Ecosystem services values，ESV)評估體系，使得生態系統服務研究逐漸成為了生態學中的熱點[3]。探尋ESV對土地利用格局演變的響應機制，對生態系統可持續發展與修復具有重要意義。【前人研究進展】Dawson等[4]認為是否考慮社會復雜性對于生態系統服務的影響，是有關生態系統服務的研究成果能否為實際社會中的生態環境管理和調配提供科學依據的關鍵。Hassan等[5]提出不同研究區生態系統存在空間異質性，在不同研究區的評估中使用同一套生態系統服務價值系數，其研究結果將會存在爭議。謝高地等[6]基于Costanza等的評估模型，依據中國生態系統的實際情況改進了生態系統服務價值系數，建立了一套可廣泛應用于評估中國城市[7]、島嶼[8]及流域[9]等生態系統的生態系統服務價值系數。目前，當量因子法以更為直觀，易于使用且所需數據少的優點，被廣泛應用在區域和全球范圍內評估ESV中[10]。土地利用/覆被變化(Land Use and Land Cover Change，LUCC)是反映人類活動與陸地生態系統之間耦合關系最根本的表現，是生態系統服務功能轉變的重要驅動因素[11]。土地利用變化的過程中引起了生態系統服務功能、結構和過程的變更，使ESV隨之變化[12]。然而，近年來人類活動的加劇和社會經濟發展的不斷提速[13]，不合理的土地覆被類型變動致使生態系統遭到嚴重破壞，ESV也隨之改變，使得生態系統服務功能退化[14]。【本研究切入點】塔里木河流域位于我國西北干旱區生態脆弱帶[15]流域屬于絲綢之路經濟帶的核心區[16]，是我國最大的內陸河流域和重要的棉花生產基地[17]。近年來，塔里木河流域土地利用格局演變劇烈[18]、天然草地退化[19]、冰川萎縮[20]、河流斷流[21]、水資源調配不合理和荒漠化進程加速等[22]，使得流域生態環境愈加脆弱[23]。關注塔里木河流域生態系統可持續發展與修復[24]。【擬解決的關鍵問題】研究提出1990～2018年間塔里木河流域ESV表現為損失趨勢的假設，選取塔里木河流域1990、2000、2010和2018年4期的土地利用數據，基于ESV估算模型與探索性空間分析手段，定量研究塔里木河流域土地利用變化對ESV的影響及ESV的時空動態變化趨勢，為干旱區土地資源可持續利用和區域生態環境的管理決策提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

塔里木河流域位于我國西北內陸干旱區腹地，塔克拉瑪干沙漠坐落于流域中部，地處73°10′～94°05′ E、34°55′～43°08′ N，平均海拔800～2 000 m，具有荒漠、綠洲、山地、高原等地貌景觀，是我國最大的內陸河流域；屬于暖溫帶大陸性干旱氣候，由于其獨特地理位置和特殊的地形，致使該流域氣候干燥(平均氣溫10.7℃)、少雨(年均降水量17.4～42.8 mm)[25]。該流域是葉爾羌河、和田河、阿克蘇河、開都-孔雀河4條主要源流及塔里木河干流組成的114條河流的總稱。行政區包括巴音郭楞蒙古自治州、阿克蘇地區、和田地區、喀什地區、克孜勒蘇柯爾克孜自治州5個地州的94個縣(市)，總面積1.02×106km2，約占全疆總面積的61.4%。圖1

注：1.巴音郭楞蒙古自治州；2.阿克蘇地區；3.和田地區；4.喀什地區；5.克孜勒蘇柯爾克孜自治州；地圖來源：該圖中底圖遙感數據來源于Google Earth(www.earth.goole.com)Note:1.Bayingol Mongolian Autonomous Prefecture;2.Aksu Prefecture;3.Hotan Prefecture;4.Kashgar Prefecture;5.Kizilsu Kirghiz Autonomous Prefecture;Map source:the remote sensing data of the base map in the map is from Google Earth(www.earth.goole.com)圖1 研究區概況Fig.1 Sketch map of study area

從中國科學院環境科學數據中心網站(http://www.resdc.cn/)選取1990、2000、2010和2018年4期的塔里木河流域土地利用現狀數據，空間分辨率30 m，分類精度達到90%以上[26]。依據全國土地利用分類體系，并根據研究區實際情況，將研究區內的土地利用類型分為耕地、林地、高覆蓋度草地、中覆蓋度草地、低覆蓋度草地、水域、建設用地和未利用地；數據來源于1990～2018年《新疆統計年鑒》[27]、《新疆生產建設兵團統計年鑒》[28]及新疆維吾爾自治區統計局網站(http://www.xjtj.gov.cn/)等。

1.2 方 法

1.2.1 土地利用動態度

該指標可定量描述研究區不同土地利用類型在一定時間范圍內的變化速率和幅度[27]，反映單一土地利用類型受到的影響。依據塔里木河流域1990、2000、2010和2018年土地類型數據，分析塔里木河流域28 a的土地利用/覆被變化。

(1)

式中，K為j到i的時間段內該土地利用類型的動態度，Ui、Uj分別表示研究時段開始與結束時該土地利用類型的面積；t為研究時長。

1.2.2 生態系統服務價值估算

研究參照謝高地等[28]提出的基于中國實際情況改進的Costanza評價模型[3]，得出的中國生態系統服務價值當量。將農田與難利用地劃分為耕地和未利用地[29]，高、中、低覆蓋度草地統一按照一級土地利用類型草地計入，根據研究區實際情況進行修正[30]，塔里木河流域生態系統單位面積服務價值系數。根據服務價值系數和塔里木河流域各土地利用類型的面積，計算研究區的ESV，計算公式如下：

ESV=∑Aa×VCa.

ESVb=∑Aa×VCba.

(2)

式中，ESV為生態系統服務價值，ESVb為第b項的生態系統服務價值；Aa為研究區a類土地利用類型的面積，VCa表示a類土地利用類型的生態服務價值系數，VCba表示a類土地利用類型的第b項生態系統服務價值。表1

表1 塔里木河流域生態系統服務價值系數(元/hm2)Table 1 ESV coefficient of Tarim River Basin(yuan/hm2)

1.2.3 空間自相關性

基于Geoga模型中的Global Moran’s I和Univariate local Moran’s I探究ESV空間分布格局的集聚和異常[31]。公式為：

(3)

(4)

2 結果與分析

2.1 土地利用類型時空變化特征

研究表明，該流域未利用地占據研究區總面積的64%以上，是該研究區分布最廣、面積最大的土地利用類型，耕地是研究區面積增長最多的土地利用類型，增長了1.75%；低覆蓋度草地是研究區面積第二大的土地利用類型，占總面積的14%以上，研究時段內表現為減少態勢，共減少了2.39%。林地、高覆蓋度草地、中覆蓋度草地、水域分別占總面積的1.25%、5.49%、6.12%及2.66%；建設用地面積最小，僅占總面積的0.29%。表2，圖2

表2 塔里木河流域1990～2018年土地利用類型結構Table 2 Land use type in the Tarim River Basin from 1990 to 2018(%)

圖2 塔里木河流域1990～2018年土地利用現狀Fig.2 Status of land use in the Tarim River Basin from 1990 to 2018

研究表明，1990～2018年間，塔里木河流域各土地利用類型之間轉化頻繁，且變化特征存在顯著差異，主要以耕地、建設用地及未利用地的增加和林地、草地及水域的減少為主。耕地是各類土地利用類型中增長趨勢最顯著的，增長了226.91×104hm2，其中2010～2018年增長速率最快，動態度為1.920，主要由中覆蓋度草地(56.37×104hm2)、低覆蓋度草地(73.84 ×104hm2)和未利用地(47.94×104hm2)轉化而來；建設用地1990～2018年間增長了25.32×104hm2，其中2010～2018年增長速率最快，動態度為3.689，主要由耕地(12.91×104hm2)和未利用地(7.30×104hm2)轉化而來；未利用地1990年為6 634.59×104hm2，2018年為6 748.77×104hm2，增長速率最快的時間段為2010～2018年，動態度為0.088，主要由中覆蓋度草地(928.85×104hm2)、低覆蓋度草地(928.85×104hm2)和水域(152.57×104hm2)轉化而來，由于近些來氣溫增長、水資源的不合理調配與人類活動強度加重，使得荒漠化進程加速；林地28年間共減少了5.27×104hm2，減少速率最快的時間段為2000～2010年間，動態度為-0.45，主要轉化為高、中、低覆蓋度草地(23.24×104hm2、18.12×104hm2、14.94×104hm2)、未利用地(16.16×104hm2)及耕地(18.95×104hm2)；高覆蓋度草地在1990～2018年間增加了90.11×104hm2，中、低覆蓋度草地確呈現下降趨勢，分別減少了31.98×104hm2和243.24×104hm2，高覆蓋度草地在2010～2018年間增加最快，動態度為0.957，中、低覆蓋度草地減少速度最快的時間段分別為2000～2010年、2010～2018年，動態度分別為-0.157、-0.468，高覆蓋草地主要由中覆蓋度草地轉化而來，中覆蓋度草地主要轉化為了低覆蓋度草地，低覆蓋度草地主要轉化為未利用地(769.19×104hm2)和耕地(73.84×104hm2)。表3，表4

表3 塔里木河流域1990～2018年土地利用類型動態度Table 3 Dynamic degree of land use types in the Tarim River Basin from 1990 to 2018(%)

表4 塔里木河流域1990～2018年土地利用轉移矩陣Table 4 Land use transfer matrix of the Tarim River Basin from 1990 to 2018(104 hm2)

2.2 生態系統服務價值時空變化特征

2.2.1 生態系統服務價值時間維度的變化特征

研究表明，1990～2018年塔里木河流域ESV整體呈現出下降趨勢，減少了1 057.19×108元，約12.11%。1990、2000和2010年研究區ESV分別為8 728.84、8 778.50和8 754.76×108元，變化趨勢較為平緩；2018年研究區ESV為7 671.65×108元，呈現明顯下降趨勢。依據各地類的生態系統服務價值變化可以發現水域和草地的ESV下降，28 a分別減少了1 026.32×108和261.65×108元，而耕地和未利用地的ESV呈現上升趨勢，分別增長了236.14×108和9.42×108元。表5

表5 1990～2018年塔里木河流域各土地利用類型生態系統服務價值變化Table 5 Changes in ESV of various land use types in the Tarim River Basin from 1990 to 2018(108 yuan)

塔里木河流域的氣體調節、氣候調節、水源涵養和廢物處理服務功能整體上均呈現出下降趨勢，其中氣體調節、水源涵養和廢物處理服務功能在1990～2000年出現了輕微的回升，水源涵養和廢物處理功能在2010～2018年呈現劇烈下降的趨勢，分別下降了493.5、425.29×108元。調節服務功能主要受到耕地、林地、草地和水域的影響，由于研究區草地面積占總面積的比重較其他3個地類大，研究區調節服務的變化與草地面積的變化保持較高的相關關系。水源涵養和廢物處理服務功能呈現先上升后下降的趨勢，與草地、水域面積的變化一致。

塔里木河流域土壤形成與保護和生物多樣性保護2項服務功能并稱為支持服務，這2項功能在1900～2018年間始終保持平緩下降趨勢。支持服務主要受耕地、林地和草地的影響，林地的波動性下降、耕地的持續性擴增與草地的持續性下降，但在面積仍然占比很高的三者綜合作用下致使該項服務保持平緩下降的趨勢。

食物生產與原材料生產2項服務功能在研究區中生態系統服務價值所占比重較小。其中，供給功能主要受耕地、林地和草地的影響，耕地面積的擴增與草地面積下降，使得農作物和畜產品的產量增加，食物生產功能在1990～2010年呈現出平緩上升的趨勢，在2010～2018年出現了較為劇烈的增長；原材料生產服務功能在1990～2000年間呈現輕微的回升趨勢，在2000～2018年則保持持續平緩下降趨勢，這一變化與耕地和草地的面積變化趨勢相似，供給服務的變化主要由于耕地、林地和草地3個地類綜合作用，整體上保持上升趨勢。文化服務功能在1990～2000年呈現上升趨勢，在2000～2018年呈現出下降趨勢，其中2010～2018年的下降趨勢較為劇烈，該項服務功能主要受到林地、草地和水域的影響，其變化趨勢與林地和水域面積的變化趨勢一致。

塔里木河流域1990～2018年生態系統服務價值整體上保持下降趨勢，與調節服務變化趨勢一致，2000年以前呈現出輕微上升趨勢，2000年以后保持下降趨勢，2010～2018年下降趨勢劇烈。表6

2.2.2 生態系統服務價值空間維度的變化特征

借助ArcGIS 10.2軟件的漁網工具將研究區劃分為大小10 km×10 km[32]的10 641個網格，分別計算網格內各地類面積，采用自然斷點法對研究區生態系統服務價值與生態系統服務價值的損益進行空間化展示。

研究表明，除了塔里木河流域東北部地區以外，ESV存在中部地區低、四周高的空間分布特征，這與研究區獨特的地貌類型分布特征高度契合，即盆地中部分布著大面積的沙漠，屬于未利用地，ESV較低；四周的平原地區則環繞著沙漠分布著以耕地為主的綠洲地帶以及分布著大面積草地的山地地區，ESV較高；ESV的高值區主要分布在研究區的北部、西部和西南部地區的草地和水域。對比1990和2018年ESV空間分布變化，高值區呈現出縮減態勢，低值區的面積逐年擴大，整體上來看，研究區ESV呈現出顯著下降趨勢。

在過去的28 a間，塔里木河流域ESV整體上減損較大，主要是由于人類活動和城市經濟發展進程加速造成流域內ESV較高的用地類型(如草地、水域)大量轉化為ESV較低的用地類型(如未利用地)。而在研究區的東南部地區出現板塊狀分布的增益區域，主要是由于水域和草地面積的增長；研究區東北部地區還存在一些以點狀分布的增益區，主要得益于生態修復后局部的草地、水域面積的增長；研究區西部地區的ESV增益區則主要得益于水資源開發使得部分區域草地覆蓋度增加。圖3

表6 1990～2018年塔里木河流域各項生態系統服務價值變化Table 6 Changes in ESV in the Tarim River Basin from 1990 to 2018(108 yuan)

圖3 塔里木河流域ESV空間變化分布特征Fig.3 Spatial distribution characteristics of ESV in the Tarim River Basin

2.3 生態系統服務價值空間相關性

2.3.1 空間自相關性

研究表明，并通過Local Moran’s I指數分析出研究區ESV的空間集聚結構。研究區的ESV分布存在非常顯著的空間自相關性，即ESV值高的區域空間分布集聚，反之亦然。Global Moran’s I指數呈現出逐年下降趨勢，1990年為最大值，0.661，研究區ESV的空間相關性逐年下降，這一變化體現出研究區草地和水域ESV價值較高的區域面積逐年下降。ESV動態變化相關性為先降低再升高的變化趨勢，且在2010～2018年達到最大值，為0.598，這一現象主要是由于2010～2018年間土地利用類型變化劇烈。

ESV高值區主要分布在研究區的北部、西部和南部地區，該區域主要是分布著草地、耕地和水域資源ESV價值較高的地類資源豐富，是研究區社會經濟發展水平較高的區域；ESV低值區主要分布在研究區的西部和東南部地區，該類型區域分布主要地類為未利用地和部分草地，ESV價值高的地類資源較少；研究區中部和東北部地區ESV分布較為離散，主要地類為ESV價值低的未利用地，且生態環境脆弱，多為難開發利用區域。表7，圖4

表7 1990～2018年塔里木河流域全局莫蘭指數Table 7 Changes in the Global Moran’s I in the Tarim River Basin from 1990 to 2018

圖4 1990～2018年塔里木河流域全局莫蘭指數Fig.4 Changes in the Global Moran's I in the Tarim River Basin from 1990 to 2018

3 討 論

塔里木河流域在發展經濟的同時，應重視草地面積的大幅減少對脆弱生態環境的沖擊，以及塔里木河上游耕地面積增加和水利設施增多造成水資源浪費和下游生態供水量短缺等生態問題[33]。

通過對比研究區與新疆其他地區的生態系統服務價值的變化特征，發現變化趨勢不盡相同。1994～2016年塔里木河流域北緣生態系統服務價值表現為持續下降態勢[34]；以全疆為尺度，2007～2016年生態系統服務價值總體上表現為增長[35]。各地區生態系統服務價值差異主要是由土地利用結構差異性、地形、時間尺度和研究區尺度的不同而導致的。研究認為塔里木河流域1990～2000年生態系統服務價值呈現出上升趨勢，2000～2018年則呈現出下降趨勢。白元等[36]基于貨幣量的價值評價法估算出2005～2010年塔里木河干流生態系統服務價值表現為上升的趨勢；黃湘等[37]基于謝高地等制定的中國陸地生態系統服務價值當量因子估算了塔里木河流域生態系統服務價值，結果表明，流域1994～2005年的整體生態系統服務價值呈現出上升趨勢。在當量因子法評估生態系統服務價值時，當量因子是否根據研究區的實際情況進行修正以及當量因子修正方法的選取與參數選擇的不同是造成使用相同評估方法但評估結果存在差異的主要原因之一，且研究時段的選取也會造成生態系統服務價值評估結果呈現出差異。

通過基于網格單元的空間自相關分析方法能夠從空間角度較好的表達生態系統服務價值對土地利用變化的響應，利用生態系統服務價值LISA聚類圖，ESV分布變化特征，為探究土地利用演變對生態系統服務的影響提供一種可行的方式。但對造成流域土地利用變化與生態系統服務價值的變化背后的自然和社會經濟驅動因素尚未開展有效的工作，且空間關聯性不明確。

4 結 論

4.1未利用地、草地和耕地是研究區面積占比較大的土地利用類型，三者之和占比均在85%以上。流域內耕地面積呈現為持續增長趨勢，未利用地和建設用地呈現出波動式增長趨勢；中、低覆蓋度草地表現為持續下降，水域表現為波動式減少趨勢。其中建設用地的漲幅最高，達到74%，耕地次之，未利用地漲幅最低；減幅最大的土地利用類型為水域，未利用地和林地次之。

4.2研究區生態系統服務價值1990～2000年表現為輕微上升趨勢，2000～2018年表現為下降趨勢，總體流域生態系統服務價值呈現出下降趨勢。其中2010～2018年間ESV下降趨勢劇烈，流域內草地面積下降趨勢加劇，ESV高值土地利用類型轉向低值土地利用類型頻繁。

4.3研究區1990～2018年ESV的增值區主要集中分布在研究區的東南部地區；ESV的損失區主要分布在研究區北部和西部地區，塔里木河流域生態系統服務價值處于損失狀態。