1978～2018年喀什地區土地利用及其生態服務價值變化

王建平，阿依努爾·買買提，龐朝悅，馬元旭

(1.中國科學院遙感與數字地球研究所喀什衛星數據接收地面站，新疆喀什 844000；2.中國科學院遙感與數字地球研究所數字地球重點實驗室，北京 100094)

0 引 言

【研究意義】 生態系統服務是生態系統通過其結構、過程和功能直接或間接供給人類賴以生存和發展的物質基礎和效應[1]，維持與保育生態系統服務是實現可持續發展的基礎與前提要求[2]。干旱區生態環境相當脆弱，如退化或受到破壞，將產生不可恢復的后果，且干旱區主要出現的問題是主要由其生態系統結構的改變、生態系統服務功能的退化與破壞而造成[3]。土地利用/覆蓋變化是干旱半干旱地區人類活動在短時間內對自然環境影響最顯著的基本實踐活動[4]，影響著區域土壤、水資源、氣候、生物多樣性等自然因素的生態結構和過程[5]。基于土地利用變化對生態系統服務功能與價值進行定量研究，有助于了解干旱區生態環境的動態變化趨勢。【前人研究進展】針對不同類型生態系統，即流域、城市、森林、濕地以及農田[5]等不同類型的生態系統服務價值。喀什地區生態環境極為脆弱，多風天氣加上地表植被稀疏，極易形成沙塵暴的天氣[6]。【本研究切入點】對干旱區生態系統服務價值在土地利用方面的應用研究較多關注土地利用變化對生態系統服務總價值的影響，對土地利用變化如何影響生態系統服務總價值結構變化的研究較少。土地利用變化是干旱區環境變化的重要部分和主要影響因素，研究干旱區土地利用變化對生態系統服務價值的影響，將自然生態系統對人類的服務與經濟評價結合起來，能更好地解決自然資源的保護和合理配置問題。【擬解決的關鍵問題】研究土地利用變化背景下的生態系統服務功能與價值改變對干旱區生態建設與區域可持續發展的影響，研究喀什地區41a土地利用及其生態服務價值變化，為喀什地區土地資源的合理開發利用及促進區域經濟可持續發展提供重要參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

新疆喀什地區地處歐亞大陸中部，北有天山南脈橫臥，西有帕米爾高原聳立，南部是喀喇昆侖山，東部為塔克拉瑪干大沙漠[7]。喀什地區干旱炎熱，山區的冰雪融水給綠洲的開發創造了條件，形成了較集中的喀什噶爾和葉爾羌河兩大著名綠洲[8]。光照時間長、溫度變化大，降水稀少，蒸發旺盛。年潛在蒸發量2 500 mm以上，平原降水量59～60 mm，全年>10℃的有效積溫為4 200℃，年日照時數2 700～2 900 h，無霜期在22 d左右，屬典型的暖溫帶大陸性干旱氣候[9]。

該圖均基于國家測繪地理信息局標準地圖服務網站下載的審圖號為CS (2019) 3333號的標準地圖制作。

采用的1978(MSS)、1988(TM)、1998(TM)、2008(ETM)和2018(OLI)Landsat系列遙感數據來自中國地理空間數據云(http://www.gscloud.cn)和中國科學院遙感與數字地球研究所的數據共享網站 (http://eds.ceode.ac.cn/sjglb/dataservice.htm)。以Landsat系列數據為基礎，參照國家土地利用分類方式，把沙地和鹽堿地從未利用地景觀中劃分出來，把濕地從水體景觀中劃分出來并將土地利用景觀類型分為耕地、林地、草地、水域、建設用地、鹽堿地、濕地、沙地和未利用地等9種類型[10]。再應用中國科學院資源與環境科學數據共享網提供的全國土地利用數據以及2018年研究團隊收集的采樣點數據對每期土地利用數據進行精度檢驗。所獲得的精度大于80%，滿足對土地利用分類數據的精度要求。社會經濟數據來自于1980～2015年的“喀什地區統計年鑒”及相關資料。

1.2 方 法

1.2.1 遙感圖像的分類

采用精度和穩定性都比較高的復合分類法 (Combinedoptimumfuzzyclusteringandsupervisedclassification—COFCS)，使用該方法進行土地覆蓋分類主要有2個步驟：用模糊最優聚類法對訓練樣本做最優聚類分析，并將所得結果進行識別，確定信息類別及部分噪聲；用監督分類中最大似然分類對整個區域進行分類，得到最后的結果[11]。

1.2.2 土地利用/覆被變化

土地利用動態度 (W) 與土地利用綜合指數 (R) 是描述區域土地利用/覆蓋變化速度的關鍵指標。

土地利用動態度：土地利用動態度定量地闡述土地利用變化的時空差異，描述土地利用歷史變化過程、判斷當前土地利用的結構狀態，以及預測未來土地利用趨勢[12]。其公式為：

(1)

式中：W是指研究時段內某一種土地類別的動態度；Ua和Ub是指研究區a和b時期的第U種土地類別的面積；T是指研究時間段。

土地利用程度綜合指數：土地利用程度反映的是人類依賴土地資源的程度、和人類活動對土地利用影響的強度和深度，同時表示土地資源本身的自然屬性和社會發展與生態環境之間的耦合效應[13]。其公式為：

△I=Ib-Ia=100×

(2)

(3)

式中：△I為研究區土地利用程度變化量；Ia和Ib是分別表示為a、b時間點其程度綜合指數；R為土地利用程度變化率；Ai為第i類土地利用程度分級指數；當R>0時表示某一區域的土地利用正處于發展階段；當R<0時表示某一區域的土地利用正處于衰退階段[14]；當R=0時表示某一區域的土地利用正處于穩定期。表1

表1 喀什地區土地利用程度分級指數[15]Table 1 Grading index of land use degree of Kashgar Region

1.2.3 生態系統服務價值評估

得到中國陸地生態系統單位而積生態服務價值[16]。研究采用謝高地等的研究成果，結合根據研究區實際情況，對喀什地區1978、1988、1998、2008和2018年的生態系統服務價值與功能進行評估，其公式為：

(4)

(5)

式中：ESVk，ESVf代表k種土地利用類別的f種生態系統服務功能價值總量，Ak代表k種土地利用類別的分布面積；VCkf代表為k種土地利用類型的f種生態服務功能價值系數[17]。利用公式5計算喀什地區1978～2018年生態系統單項服務功能估算價值 (ESVf)。其中“↑”代表貢獻率上升，“↓”代表貢獻率下降，“-”代表貢獻率穩定不變。

1.2.4 敏感性

敏感性指數 (Coefficient of sensitivity，CS) 是表明生態服務價值 (ESV) 隨時間變化對價值指數 (VC)變化的依賴程度[18]。如果CS>1時，表示生態服務價值相對于CS是具有彈性的；如果CS<1時，生態服務價值則被定為缺乏彈性，敏感性指數計算公式如下：

(6)

式中：CS代表敏感指數、ESVj和ESVi分別代表生態服務價值系數調整前及調整后的生態系統服務總價值。VCik和VCjk分別表示初始和調整后的生態系統服務價值系數；k代表土地利用類別[19]。

2 結果與分析

2.1 土地利用變化時空

研究表明，1978～2018年間喀什地區土地利用出現顯著的時空變化。

41a間各類土地利用相互轉化，變化動態度都存在著明顯差異，其中，建設用地的面積變化率最顯著，從1978年的29.5×103hm2增加到2018年的84.7×103hm2，動態度最大，動態度為4.56%；其次為耕地的動態度比較明顯，從1978年的895.3×103hm2增加到2018年的1 419×103hm2，動態度為1.43%。與這相反，濕地與未利用地的動態度最小，其中濕地面積增加了4.5×103hm2，動態度最小，為0.2%；未利用地面積減少了242.5×103hm2，動態度為-0.18%；林地面積增加了41.7×103hm2，動態度為0.77%；草地面積減少383.20×103hm2，動態度為-0.26%；水域面積減少了139.1×103hm2，動態度為-0.57%；沙地面積增加了262.3×103hm2，動態度為0.26%；鹽堿地面積減少了122.6×103hm2，動態度為-0.9%。在1978～2018年間，喀什地區耕地與建設用地面積呈現大幅度增加的趨勢，在41 a間耕地與建設用地增加率分別為58.5%與187.1%。圖2，表2

2.2 土地利用程度綜合指數

研究表明，1978～2018年間，喀什地區土地利用程度綜合指數呈直線上升趨勢，由1978年的115.33上升至2018年的389.23，始終處于發展狀態，并2018年達到最高值。在過去41a間，喀什地區土地利用程度1978～1988年為-0.1、1988～1998年為0.59、1998～2008年為0.95、2008～2018年為1.71、1978～2018年為2.66，整個時間段內，在1978～1988年土地利用程度處R<0，而1988～2018年土地利用程度處R>0，土地利用程度均呈遞增的直線型變化趨勢，而從1988年開始呈現持續增長趨勢。表3

圖2 喀什地區1978、1988、1998、2008和2018年土地利用Fig.2 Land use distribution map of Kashgar Region in 1978, 1988, 1998, 2008 and 2018

表2 喀什地區1978～2018年間土地利用面積變化與動態度變化Table 2 Land use change and dynamic degree change of Kashgar Region within 1978-2018

表3 喀什地區1978～2018年不同時期土地利用程度綜合指數Table 3 Changes of integrated index of land use in the Kashgar Region in 1978-2018

2.3 喀什地區生態服務價值變化

研究表明，1978～2018年喀什地區生態系統服務價值呈現先減少后增加又減少的變化趨勢，總體而言，呈減少趨勢。喀什地區生態服務價值從1978年的593.23×108元減少到1988年的585.06×108元，減少了8.1×108元，而到1998年增加到592.89×108元，10 a中增加了7.83×108元，到2018年的生態服務價值又減少到552.70×108元，并在這20 a中減少了40.19×108元，由此看到生態服務價值表現為減少—增加—又減少的變化過程。單項生態系統服務價值中，耕地、林地、草地、水域與濕地的生態服務價值占總生態服務價值的91.1%，其中水域的生態服務價值最大，占比例為42.1%；而建設用地的生態服務價值最小，占比例為0.01%。在1978～2018年間，喀什地區耕地、林地、建設用地與鹽堿地的生態服務價值均有較大變動 (變化率均大于30%)，其中建設用地生態服務價值的變化最大，變化率達到187.1%，其次為耕地、鹽堿地和林地的生態服務變化率分別達到58.5%、-36.8%和31.6%。喀什地區的生態服務價值呈現先減少 (1978～1988) 后增加(1988～1998) 之后再減少 (1998～2018) 的變化趨勢，這種變化主要由于水域和濕地生態服務功能價值指數較大于其它土地利用類型并且水域面積大于濕地面積的原因，水域的面積變化引起喀什地區生態系統服務總價值的先減少后增加之后又減少的變化。在單項生態系統服務價值變化中，1978～2018年間，耕地、林地、建設用地、濕地與沙地的生態服務價值分別增加了58.5%、31.6%、187.1%、8.2%、10.7%，而草地、水域、未利用地與鹽堿地的生態服務價值分別減少了10.7%、23.6%、7.4%和36.8%。表4

表4 喀什地區1978、1988、1998、2008和2018 a生態服務價值 (108￥)Table 4 The ecosystem services value of Kashgar Region in 1978，1988，1998，2008 and 2018 (108￥)

2.4 喀什地區生態服務功能變化

研究表明，1978～2018年間喀什地區各單項服務功能變化度有較大的區別，景觀結構改變導致的喀什地區生態系統服務功能變化明顯，單項功能差異顯著，生態服務功能大部份呈現下降趨勢，如水源涵養功能損失為25.92×108元、廢物處理功能損失為18.05×108元、生物多樣性保護功能損失為1.69×108元、娛樂文化功能損失為6.97×108元、總生態系統服務功能損失為40.53×108元，而氣體調節功能增加為0.76×108元、氣候調節功能增加為2.57×108元、土壤形成功能增加為4.22×108元、食物生產功能增加為4.18×108元、原材料功能增加為0.38×108元。由生態系統服務功能組成可知，水源涵養功能和廢物處理功能貢獻最大，而食物生產功能和原材料功能貢獻最小，喀什地區生態系統調節性功能價值遠遠大于生產性功能價值，可確定喀什地區生態服務功能屬于調節性功能。表5

2.5 敏感性

研究表明，在41a間，敏感性指數CS都小于1，其中耕地、林地、濕地和沙地，敏感性指數呈增加趨勢，建設用地敏感性指數穩定不變，而草地、水域、未利用地和鹽堿地的敏感性指數呈減少趨勢，表明耕地、林地、濕地和沙地的生態系統價值系數增加趨勢對喀什地區生態系統服務總價值產生放大性作用，而草地、水域、未利用地和鹽堿地的生態系統價值系數變化對研究區生態系統服務總價值產生了縮小性的作用。表6，圖3

圖3 1978～2018年喀什地區耕地面積變化曲線Fig.3 Cultivated land and population change chart of Kashgar Region in 1978-2018

3 討 論

對干旱區進行的眾多研究[3,10,11,16,18]結果表明，干旱區土地利用變化在短期時間內受到的水量和氣候等自然因素的影響較小，而農業生產是干旱區活動的主要內容。從土地利用變化與生態服務的相互作用分析可知，喀什地區伴隨著耕地大面積擴大，草地和水域面積大量縮小，自然生態系統結構由非農業用地方式向農業用地方式轉變，這是生態系統衰退的明顯特征，表明存在著綠洲化和荒漠化同時共同發展的情況[10, 19]。耕地和建設用地的生態服務價值在這41 a過程中逐漸的增加，但未能阻止喀什地區生態系統服務功能總價值減少的趨勢，這主要是由于耕地和建設用地生態系統增墾面積擴大的來源主要由生態服務價值較高的草地轉換而來，且耕地和建設用地的擴大對喀什地區生態系統服務價值的貢獻不明顯[20]。研究區耕地面積的擴大在短時期內對提高當地人民收入、促進當地經濟發展具有明顯的經濟效果，但耕地面積的無限制增加則為當地的生態安全造成了較大的隱患[10]。對干旱區而言，耕地主要由草地開墾轉來，因此，造成自然植被面積的持續縮小。近幾十年來，隨著耕地面積的擴大，農業用水需求也隨之增加，一直占用生態用水，易造成當地自然植被面積的快速減少，使研究區阻止沙漠化、鹽漬化等自然災害的能力下降[21-22]。

4 結 論

4.11978～2018年41a間喀什地區土地利用結構發生較大的變化，耕地、林地、濕地、建設用地與沙地面積呈現增加趨勢，而草地、水域、鹽堿地與未利用地面積呈現減少趨勢。耕地、林地、水域、建設用地和鹽堿地面積變化的絕對量最大，濕地與未利用地面積變化的絕對量則最小。

4.2喀什地區1978、1988、1998、2008與2018年的生態系統服務總價值分別為593.23×108、585.06×108、592.89×108、576.62×108和552.70×108元，生態系統服務價值呈現減少-增加-又減少的變化趨勢。喀什地區生態系統服務總價值的變化主要由1978～2018年間各單項服務功能的變化、景觀結構的改變以及水域與濕地生態服務功能價值指數大于其它土地利用類型等原因而造成的。

4.3水源涵養功能和廢物處理功能價值貢獻最大，而食物生產功能和原材料功能的價值貢獻最小，喀什地區生態系統的調節性功能價值遠遠大于生產性功能價值，喀什地區生態服務功能屬于調節性功能。生態系統服務功能下降的主要原因，單項生態服務功能中對總生態服務價值貢獻率較大的水源涵養功能和廢物處理功能分別呈現下降趨勢，因而導致總生態服務功能的下降。

4.4喀什地區5期的土地利用類型生態服務價值對生態服務功能價值指數的敏感性指數均小于1。