2000—2020 年新疆土地利用變化及其對生態系統服務價值的影響

趙 玉，張永福，卜 祥，李宇飛，賀忠發

（1.新疆大學地理與遙感科學學院，烏魯木齊 830017；2.新疆大學綠洲生態教育部重點實驗室，烏魯木齊 830017）

土地利用結構在時間序列和空間位置上的變化會引起生態系統面積、類型和分布格局的變化，從而影響生態系統服務平衡[1]，是生態系統服務功能變化的主要原因[2]. 生態系統服務功能是評估區域可持續發展情況的重要視角[3]，其衰退和喪失會大大影響土地利用系統的結構和效率，影響人類可持續發展.城市化進程的快速發展和人類活動范圍的擴大加速了土地利用類型結構的變化，自然環境和人類之間的矛盾不斷加劇.因此，科學合理地認識土地利用變化對生態系統服務價值（ecosystem service values，ESV）的影響可以為區域的可持續發展提供科學指導.相關學者在不同尺度、不同流域和不同情景模式下研究了土地利用變化對ESV 的影響.例如丘海紅等[4]從時間角度分析探討2000—2020 年廣西省的ESV，揭示了土地利用類型與ESV 變化之間的內在聯系；侯春飛等[5]研究發現，城鎮化進程的加快使雄安新區城鎮用地急劇增加，原有土地利用類型發生改變，從而影響ESV；張曉瑤等[6-7]通過模擬4 種情景（自然發展情景、城市發展情景、耕地保護情景、生態保護情景），多角度多情景分析了1995—2015 年深圳市城市土地利用變化對ESV 的影響.模型[8-9]和當量因子法是計算生態系統服務價值最常用的2 種方法[10]. 當量因子法在區分不同種類生態系統服務功能的基礎上，基于可量化標準，構建不同類型生態系統服務功能的價值當量，結合生態系統的分布面積進行生態系統服務價值評估[11-13].與其他方法相比，當量因子法數據需求少、直觀易用，適用于大尺度生態系統服務價值的評估[3，14-15].在研究區尺度大且研究數據易獲取的前提下，本研究采用綜合評價性較高和適用性較強的當量因子法計算生態系統服務價值.

新疆與多國接壤，不僅是古代絲綢之路的必經之地，還是亞歐大陸橋的重要交通節點，具有重要的戰略地位與軍事地位. 自國家實施西部大開發戰略以來，新疆城市化進入前所未有的發展階段.近20 a 的城鎮化快速發展使得新疆土地利用結構的空間分布已經發生改變，這必定引起生態系統服務功能的變化.本研究以新疆為研究對象，基于2000—2020 年土地利用變化數據，結合研究區社會經濟發展情況，修正生態系統服務價值當量，分析新疆生態系統服務價值的變化，為建立資源節約型和環境友好型社會以及國土資源優化合理配置提供科學依據.

1 研究區概況

新疆（34°25′N～48°10′N，73°40′E～96°18′E）位于中國西北內陸，屬典型的溫帶大陸性氣候，早晚溫差大，日照時間充足，降水量少，氣候干燥.新疆境內盆地與高山相間分布，高山呈現東西走向，環抱盆地，土質疏松，地形開闊，植被覆蓋率極低且分布有三大山脈.境內多河流和湖泊，有中國最大的內流河（塔里木河）和最大的沙漠（塔克拉瑪干沙漠）. 截至2020年，研究區總人口為2 523.22 萬，城市人口1 308.79萬，城市化率51.87%. 新疆由4 個地級市、5 個地區、5個自治州和11 個自治區直轄縣級市組成，研究區面積為1 631 785.41 km2.

2 數據來源與方法

2.1 數據來源

研究區2000 年、2010 年和2020 年3 期土地利用基礎數據和高程數據（1 km）來源于中國科學院資源環境科學數據中心，數據分辨率統一為30 m×30 m，根據研究需要將土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地6 大類.社會經濟數據來源于2000—2020 年《新疆統計年鑒》和《全國農產品成本收益資料匯編》，主要包括人口數據、城鎮化率、糧食價格和產量等.

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用變化

（1）土地凈變化量

土地凈變化量是研究期內某一類土地的變化面積，是土地利用面積變化幅度的指標.公式為

式中：i為土地利用類型；Ci是研究期間第i類土地的凈變化量，km2；Uic和Uib分別是研究初期和末期第i類土地的面積，km2.

（2）土地利用動態度

土地利用動態度是研究期內某一類土地的變化速率，與土地利用變化程度成正比.公式為

式中：Di為第i類土地的土地利用動態度，%；T為研究時段，a；綜合土地利用動態度為各地類Di之和.

（3）土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣表示研究期內各種土地利用類型之間相互轉換的情況，表明土地利用類型轉移的方向和面積.表示為

式中：A1n為研究初期第1 類土地在研究期末變化成第n類土地的面積，km2；n代表土地利用類型總數，為6.

2.2.2 生態系統服務價值

本研究在Costanza 等[12-13]和謝高地等[16-17]研究的基礎之上，結合新疆實際社會發展情況，修正研究區單位面積糧食生產的經濟價值，計算生態系統服務價值，公式為

式中：ESV 為研究區土地生態系統服務價值，元/a；VCi是第i類土地的單位面積生態系統服務價值系數，元/（hm2·a）；Ai是第i類土地面積，hm2；f為生態系統服務價值的項數；ESVf是第f項生態系統服務價值；VCfi是第i類土地利用類型的第f項生態系統服務價值當量；En為研究區單位面積農田生態系統提供食物生產服務的經濟價值，元/hm2，即當量因子，計算公式為

式中：n為研究區主要糧食作物類別總數；qi為農作物i的價格，元/kg；pi為農作物i的總產量，kg；M為糧食作物總面積，hm2.

考慮到不同年份農作物價格波動的影響，本研究選取2000—2019 年新疆玉米、大麥、小麥和水稻4 種主要農作物的種植面積、產量和平均價格作為基礎數據，計算得到2000—2019 年新疆平均糧食產量為8 988.54 kg/hm2.參考文獻[4]，2019 年全國糧食平均價格為2.7 元/kg，結合公式（7），計算出新疆生態系統服務當量因子為3 467.01 元/hm2，在此基礎上利用第f項生態系統服務價值系數（VCfi）計算研究區單位面積生態系統服務價值系數（VCi），結果如表1 所示.

表1 新疆單位面積生態系統服務價值系數Tab.1 Ecosystem service value coefficient per unit area in Xinjiang 元/（hm2·a）

2.2.3 生態貢獻率

生態貢獻率是指研究期內不同土地利用類型的生態系統服務價值變化量占總生態系統服務價值變化量的百分比，可以用來探究研究區生態系統服務價值量變化的主要貢獻因子和敏感因子.生態貢獻率計算公式為

式中：i為土地利用類型；Si為第i種土地利用類型在研究期內的生態貢獻率；ΔESVi為第i種土地利用類型在研究期內的生態系統服務價值變化量.

3 結果與分析

3.1 研究區土地利用時空變化

3.1.1 土地利用結構變化

2000—2020 年新疆各種土地利用類型的面積及占比如表2 所示.

表2 2000—2020 年新疆各種土地利用類型面積及占比Tab.2 Area and proportion of various land use types in Xinjiang from 2000 to 2020

由表2 可以看出，未利用地和草地是新疆最主要的土地利用類型，分別約占研究區面積的60%和30%.從時間角度看，2000—2020 年耕地面積持續增加，總增加30.86×103km2，是增加面積最大的地類；建設用地面積也持續增加；林地、水域和未利用地面積持續性減少，未利用地減少面積最大（18.44×103km2）.結合新疆發展歷程來看，社會發展階段和政策性引領對地類變化影響巨大.人類活動導致建設用地面積在2000—2010 年劇烈增長，并造成水域面積減少和自然環境的破壞，2000—2010 年期間是新疆土地利用類型發生質變的過程.

2000—2020 年研究區3 期土地利用類型分布圖如圖1 所示.

圖1 2000—2020 年新疆土地利用類型分布Fig.1 Distribution of land use types in Xinjiang from 2000 to 2020

由圖1 可以看出，研究區呈現明顯的“三山夾兩盆”特征，三大山脈主要地類為林地、草地、耕地和水域，兩盆主要為未利用地.2000—2020 年，阿爾泰山西南部草地和耕地面積增加明顯，主要由未利用地轉化而來；天山北坡建設用地和耕地面積增加明顯，主要由草地轉化而來；天山南坡水域面積減少明顯，草地面積增加；塔里木盆地邊緣耕地增加明顯，草地面積減少，尤其塔里木盆地南部邊緣，耕地由集中連片變為碎片化；昆侖山脈水域面積減少明顯，最南端未利用地轉為草地，且集中連片.研究期間準格爾盆地內零星分布的草地轉化為未利用地，塔里木盆地內水域轉化為未利用地，內流河出現斷裂，水域面積減少，除了內流河減少明顯，其他區域無明顯變化.

3.1.2 土地利用動態度

2000—2020 年新疆單一土地利用動態度如表3所示.由表3 可知，2000—2020 年，新疆耕地和建設用地動態度為正且較大，分別為1.712%、2.474%；草地動態度接近于0，其余地類動態度均為負，人們通過對林地、草地和未利用地的干預來增加耕地面積和擴大建設用地活動范圍.2000—2020 年新疆土地利用綜合動態度較高，為7.635%.從時間序列看，2000—2010 年新疆土地利用變化比2010—2020 年變化更加明顯.2000—2010 年耕地和建設用地的動態度分別為3.584%和8.364%，后期動態度減小.與前一階段相比，2010—2020年水域得到保護，面積出現增加.由此可以看出，隨著人們對生態環境重要性認知的加深，人為干預手段開始出現，一定程度上遏制了生態系統的退化.

表3 2000—2020 年新疆單一土地利用動態度變化Tab.3 Changes of single land use dynamics in Xinjiang from 2000 to 2020%

3.1.3 土地利用轉移矩陣

2000—2020 年新疆土地利用轉移矩陣如表4 所示.由表4 可以看出，草地和未利用地相互轉化面積最大，這與過度放牧行為、草原保護政策等密切相關；水域轉出面積最大的部分為未利用地，可能受氣候和人類活動的影響；建設用地面積轉移變化較小，轉入面積比轉出面積大4 272.52 km2，主要是人類活動干預造成的；社會經濟因素可能導致耕地面積減少，但政策性文件（基本農田保護制度、高標準農田建設以及土地復墾和整合優化等）使耕地面積得到保護和增加；林地主要轉化為草地.草地和水域轉化為未利用地以及耕地轉化為建設用地是高級生態系統向低級生態系統退化的過程，建設用地轉化為林地以及未利用地轉化為草地是生態系統提質的過程.

表4 2000—2020 年新疆土地利用轉移矩陣Tab.4 Land use transfer matrix in Xinjiang from 2000 to 2020 km2

2000—2020 年新疆各種土地利用類型轉移情況 分布如圖2 所示.

圖2 2000—2020 年新疆土地利用轉移分布Fig.2 Distribution of land use transfer in Xinjiang from 2000 to 2020

由圖2 可以看出，土地利用轉出面積最大的是草地，轉出區域分布于環塔里木盆地周邊、阿爾泰山和天山北坡以及伊犁河谷；未利用地轉出面積較大，轉出區域主要分布于新疆南部昆侖山脈和阿爾金山山脈附近，新疆北部轉出區域分布在北天山和準格爾盆地西北部與阿爾泰山之間；林地面積轉出區域主要分布于環塔里木盆地北部、天山山脈和阿爾泰山區域；水域轉出區域主要分布在天山山脈中間、巴音郭勒蒙古自治州西北地區；耕地轉出區域主要分布在環塔里木盆地邊緣的阿克蘇河流域、葉爾羌河流域、喀拉喀什河流域、渭干河流域等以及天山北路的昌吉回族自治州等；建設用地面積小且零星分布，轉移分布不明顯.

3.2 生態系統服務價值時空變化

3.2.1 生態系統服務價值總體變化

2000 年、2010 年和2020 年新疆各種土地利用類型的生態系統服務價值如表5 所示.

表5 2000—2020 年新疆各地類生態系統服務價值Tab.5 Service value of various types of ecosystems in Xinjiang from 2000 to 2020

由表5 可知，研究期間新疆ESV 呈現波動下降的趨勢，總體下降6 183.66 億元，下降率為6%. 2000—2020 年，耕地ESV 處于穩定上升的階段，增長率最大，為52%；林地ESV 逐步下降，下降率最大，為-28%；草地ESV 較穩定，變化不明顯，水域ESV 波動下降，變化量最大.草地為研究區生態系統服務價值主要提供者，占比都在58%以上.2000—2020 年，水域和林地的負向變化引起生態系統服務價值下降.

3.2.2 單項生態系統服務價值變化

2000—2020 年新疆土地生態系統單項服務價值如表6 所示.由表6 可知，對研究區ESV 變化貢獻最大的服務功能是氣候調節和水文調節；土壤保持、生物多樣性和凈化環境功能對研究區ESV 變化的貢獻次之；食物生產ESV 增加量最大，為180.02 億元，變化率為9.34%，與同期耕地ESV 持續性增加相呼應；維持養分循環的ESV 也為正向變化；其余生態系統服務功能價值都是負向變化. 雖水域的水文調節功能好，但水域面積波動減少，所以總體水文調節呈負向變化，且負向變化量最大（4 341.69 億元），負向變化率為12.53%，因此，水域面積的減少是導致新疆ESV 下降的主要原因.水文調節、水資源供給、土壤保持和生物多樣性等功能的生態系統服務價值較高，因此應注意保護水資源和動植物的多樣性.

表6 2000—2020 年新疆土地生態系統單項服務價值Tab.6 The value of individual services of Xinjiang′s land ecosystem from 2000 to 2020

3.2.3 生態系統服務價值空間變化

將ESV 取值劃分為高（18 401～60 651 億元）、較高（7 801～18 400 億元）、中（3 401～7 800 億元）、較低（2 705～3 400 億元）、低（1～2 704 億元）5 個等級.利用ArcGIS 軟件將研究區土地利用類型的ESV 進行空間可視化，結果如圖3 所示.

圖3 2000—2020 年新疆生態系統服務價值空間分布Tab.3 Spatial distribution of ecosystem service value in Xinjiang from 2000 to 2020

由圖3 看出，空間布局上，研究區生態系統服務價值高、較高、中等級的區域主要分布在三大山脈、河流和環盆地周邊.三大山脈海拔高，冰山積雪豐富，也是境內眾多河流的發源地，由于山地氣候垂直變化顯著，因此動植物分布明顯且豐富，草地和林地面積分布廣.山麓地帶降水多和河流沖積扇等水源充足的地區氣候環境好，比較適宜農作物的種植.低等級生態系統服務價值的面積較小，主要分布在天山北坡和天山南坡以及塔里木河下游.較低等級生態系統服務價值的面積占比最大，主要分布在塔里木盆地和準格爾盆地，以沙漠和戈壁為主，不適宜動植物存活.從時間來看，低等級區域雖然零星分布且面積較小，但天山北坡和環塔里木邊緣的低等級面積不斷增加.阿爾泰山和塔里木盆地南部高和較高等級退化到中等級較明顯.

3.3 各地類對生態系統服務價值變化的生態貢獻率

新疆各土地利用類型對生態系統服務價值變化的貢獻率如表7 所示.

表7 新疆各土地利用類型對生態系統服務價值變化的貢獻率Tab.7 Contribution rate of various land use types in Xinjiang to changes in ecosystem service value %

由表7 可知，2000—2020 年對ESV 變化貢獻率最高的土地利用類型是水域（51.06%），其次是林地、耕地、草地和未利用地.2000—2010 年是城市快速發展階段，水域面積減少明顯，而2010—2020 年水域得到保護，面積增加，因此水域貢獻率前期比后期低.2000—2020 年耕地和未利用地的貢獻率呈增加趨勢，草地和林地貢獻率下降.水域貢獻率最大，原因可能是水域生態系統服務功能強.因此，新疆ESV 的變動主要與水域的轉變相關.

4 討論與結論

本研究基于2000—2020 年新疆土地利用變化數據，結合研究區社會經濟發展情況，修正生態系統服務價值當量，分析新疆土地利用變化情況及其對生態系統服務價值的影響.主要結論如下：

（1）2000—2020 年，未利用地和草地是研究區主要土地利用類型，分別占研究區總面積的60%和30%.未利用地分布于準格爾盆地和塔里木盆地，草地、林地和耕地主要分布于三大山脈的高原、平原、丘陵和山麓地帶.研究期間，建設用地、耕地和草地面積增加，林地、水域和未利用地面積減少且未利用地減少面積最大.

（2）2000—2020 年，研究區綜合土地利用動態度為7.635%. 建設用地（2.474%）和耕地（1.712%）的土地利用動態度為正，面積增加.2000—2010 年各地類動態度絕對值高于2010—2020 的數值，說明研究期間土地利用變化出現減緩趨勢.

（3）2000—2020 年新疆ESV 波動下降，下降率為6%.2000—2020 年，耕地ESV 一直穩定上升，正向變化率最高（52%）.林地ESV 逐步下降，負向變化率最大（28%）.氣候調節和水文調節是研究區主要的土地生態系統服務功能，水文調節功能的ESV 下降率最大，為12.53%.

（4）2000—2020 年各地類對生態系統服務價值變化的貢獻率由大到小排序為水域、林地、耕地、草地、未利用地.表明水域是新疆ESV 變化的主要敏感因子和貢獻因子.

每種土地利用類型的生態系統服務價值不同，土地利用類型之間的相互轉化就是生態系統服務價值的高低轉變，耕地和建設用地、草地和未利用地、水域和未利用地之間的相互轉化，都是高ESV 與低ESV之間的轉化，這將打破原有生態系統的平衡.從研究結果來看，2000—2020 年，新疆ESV 下降，水域和林地面積明顯減少，耕地和建設用地面積急劇增加，土地利用變化顯著，生態系統服務出現退化.因此，在干旱區環境保護過程中，應根據國土空間規劃工作，加強三線的劃定，注意國土資源的整合優化和配置，嚴格落實生態保護紅線管理，規劃好城市與工業用地布局與生態保護區關系，嚴格管理人類活動范圍，嚴格限制與生態保護理念不一致的開發活動，進一步促進人地關系協調發展.

ESV 的時空分布及其演變規律是一個整體系統，因此，在日后研究中要重視ESV 影響因素的確定及衡量，構建一個整體性高、科學合理的指標體系；在空間尺度上要結合大、中、小尺度，實現大區域內小格局的變化研究；應注重生態系統服務價值的協同發展、空間流動以及影響因素探究.