農(nóng)業(yè)用地變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響
——以新疆阿勒泰地區(qū)為例

孫慶祥，張萬旭

（新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站，烏魯木齊 830011）

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能是指生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過程所形成及所維持的人類賴以生存的自然環(huán)境條件與功能［1，2］。人類對環(huán)境的壓力在空間和時間上都在變化，對地球的生物多樣性和人類經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響［3］。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究為地理學(xué)中的人地關(guān)系研究提供了實踐領(lǐng)域［4］，自服務(wù)類型、原理和方法被Costanza 等［5，6］提出并發(fā)展后，生態(tài)系統(tǒng)在國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域已成為研究熱點［7，8］。中國已經(jīng)開展的相關(guān)研究對于生態(tài)安全格局構(gòu)建和提高人類福祉具有深遠(yuǎn)意義［9］。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值作為生態(tài)安全的量化指標(biāo)，可為生態(tài)保護(hù)政策提供參考［10］。土地利用/覆蓋變化（Land use/Land cover，LULC）是人類活動對環(huán)境影響的直觀表達(dá)，土地利用圖是人地關(guān)系的直接體現(xiàn)［11］。LULC通過改變地表覆蓋類型影響生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過程和功能［12］。基于LULC的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值估算能從地表生態(tài)過程及效應(yīng)、土地利用變化過程等方面來揭示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的生態(tài)學(xué)意義［13］。中國農(nóng)業(yè)用地生態(tài)價值巨大，加大對農(nóng)業(yè)用地的保護(hù)力度并積極調(diào)整各農(nóng)業(yè)用地類型的比例有利于促進(jìn)農(nóng)業(yè)生態(tài)價值發(fā)揮最大作用［14］。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值（Ecosystem services values，ESV）是對生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)和自然資本用經(jīng)濟(jì)法則所做的估計。有關(guān)長時間序列和小尺度對區(qū)域ESV變化的研究較少，因此LULC、氣候因素和社會經(jīng)濟(jì)因素對ESV變化的作用機(jī)制難以確定。阿勒泰地區(qū)位于中國西北干旱區(qū)，有豐富的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)如森林、草甸的水源涵養(yǎng)，荒漠耐鹽耐旱的植物基因庫等，同時，其地處“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”，對中國具有重要的戰(zhàn)略影響［15］。為了解農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值對LULC的響應(yīng)及其驅(qū)動力對深化區(qū)域生態(tài)環(huán)境與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的作用，本研究以阿勒泰地區(qū)為研究對象，對該區(qū)域1980—2020 年的農(nóng)業(yè)用地ESV進(jìn)行評估，旨在揭示阿勒泰地區(qū)農(nóng)業(yè)用地ESV的時空變化特點及LULC變化對ESV的影響，分析人類活動及自然因素對研究區(qū)ESV的影響，以期為阿勒泰地區(qū)農(nóng)業(yè)用地規(guī)劃提供理論依據(jù)，對阿勒泰地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化和經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有理論和實踐意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

阿勒泰地區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)北部（85°31'37″—91°01'15″E，44°59'35″—49°10'45″N），西部開闊，地勢東北高、西南低，阿爾泰山、沙吾爾山、準(zhǔn)噶爾盆地分別位于其北部、西南部、南部。阿勒泰地區(qū)位于歐亞大陸中心腹地，屬于北溫帶寒冷區(qū)大陸性氣候［14］。年平均氣溫為0.7～4.9 ℃，氣溫年變化幅度較大，最冷月份（1 月）與最熱月份（7 月）氣溫相差30 ℃以上［16］。年日照時數(shù)為2 850.0～3 157.3 h，平原地區(qū)年均降水量為139～268 mm，北部山區(qū)降水量達(dá)600 mm 以上，年蒸發(fā)量在1 397～2 140 mm。當(dāng)?shù)刂饕禐轭~爾齊斯河和烏倫古河，流域覆蓋面積較大［17］。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

阿勒泰地區(qū)1980—2020 年6 期Landsat5 TM/Landsat8 OLI 遙感影像來自美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS，https：//earthexplorer.usgs.gov），選擇6—8 月無云或少云（云量低于10%）的影像數(shù)據(jù)以確保地面特征識別和解譯的高精度。對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后采用ArcGIS 10.3、ENVI 5.1 軟件處理投影轉(zhuǎn)換、幾何校正和地物分類等數(shù)據(jù)。參照中國科學(xué)院土地利用分類，該地區(qū)分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用土地，經(jīng)外業(yè)定點核查及項目組隨機(jī)抽樣精度驗證，土地利用一級和二級類型分類綜合精度均已通過Kappa 檢驗，且Kappa 系數(shù)均在90%以上，符合研究要求。其中，農(nóng)業(yè)用地包括耕地、林地、草地和水域等以農(nóng)業(yè)特征為主的景觀生態(tài)系統(tǒng)［18］。恩格爾系數(shù)、農(nóng)作物種植面積和單產(chǎn)數(shù)據(jù)來源于1980—2020 年《新疆統(tǒng)計年鑒》，主要糧食作物價格數(shù)據(jù)來源于《全國農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編》。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用變化動態(tài)指標(biāo)

1）單一土地利用動態(tài)度。其是分析不同土地利用類型在一定時間段內(nèi)的變化速度和幅度的指標(biāo)［19］，反映人類活動對單一土地利用類型的影響。計算式如下。

式中，Ki為單一土地利用類型動態(tài)度；Sit1、Sit2分別表示t1、t2時間i類土地利用類型面積；t1、t2分別表示變化前的時間與變化后的時間。

2）綜合土地利用動態(tài)度。其是分析整個研究區(qū)在一定時間段內(nèi)的土地利用類型變化快慢差異的指標(biāo)，反映人類活動對土地利用類型變化的綜合影響［20］。計算式如下。

式中，S為土地利用綜合動態(tài)度；ΔSij為t年內(nèi)第i類土地利用類型轉(zhuǎn)換為非i類型面積之和；Si為第i類土地利用類型初始面積；t為研究時間段。

1.3.2 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值計算 根據(jù)Costanza等［5］、謝高地等［21，22］的研究，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)功能通常劃分為9 種類型，包括食物生產(chǎn)、原材料生產(chǎn)、氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、水文調(diào)節(jié)、凈化環(huán)境、土壤保持等功能。

1）阿勒泰地區(qū)因子價值量計算。謝高地等［21，22］在Costanza 等［5］的評價模型基礎(chǔ)上，計算出中國生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值當(dāng)量表。在全國平均價格的基礎(chǔ)上，阿勒泰地區(qū)各糧食作物單位當(dāng)量因子的價值量計算式如下。

式中，Ea表示單位當(dāng)量因子的價值量（元/hm2）；i為不同糧食作物；mi為第i種糧食作物播種面積（hm2）；pi為第i種糧食作物全國平均價格（元/kg）；qi為第i種糧食作物單產(chǎn)（kg/hm2）；M為n種糧食作物總播種面積（hm2）。

阿勒泰地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值計算式如下。

式中，Vij表示研究區(qū)地類j的第i種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值；Aj表示地類j的面積；VCij表示調(diào)整后地類j的第i種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值系數(shù)；ESV表示總的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值。

2）農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的理論估算。由式（3）計算得到單位當(dāng)量因子的價值量，再結(jié)合農(nóng)業(yè)用地類型數(shù)據(jù)和生態(tài)價值當(dāng)量表，計算農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，計算式如下。

式中，Et為理論生態(tài)價值（元）；Ak為研究區(qū)第k種農(nóng)業(yè)用地面積（hm2）；Ck為第k種農(nóng)業(yè)用地面價值當(dāng)量因子；Ea為單位當(dāng)量因子的價值量（元/hm2）。

1.3.3 敏感性分析 敏感性分析是指從定量分析的角度研究有關(guān)因素發(fā)生某種變化對某一個或一組關(guān)鍵指標(biāo)影響程度的不確定分析技術(shù)。本研究利用敏感性指數(shù)（Coefficient of sensitivity，CS）［23］確定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值在時間變化過程中對單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)（Valuation coefficient，VC）的依賴程度。若CS＞1，表示VC具有彈性，VC變動1%會導(dǎo)致CS大于1%的變動，則其準(zhǔn)確度較差、可信度較低；若CS＜1，表示ESV對VC缺乏彈性，結(jié)果是可信的。CS計算式如下所示。

式中，VCjk和VCik指變化后及變化前的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)；ESVj和ESVi指變化后及變化前的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總量；k指地類。

2 結(jié)果與分析

2.1 阿勒泰地區(qū)農(nóng)業(yè)用地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值量

參考文獻(xiàn)［5，21，22］，計算得到1980—2020 年阿勒泰地區(qū)農(nóng)業(yè)用地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)，詳見表1。

表1 1980—2020 年阿勒泰地區(qū)農(nóng)業(yè)用地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)（單位：元/hm2）

2.2 阿勒泰地區(qū)農(nóng)業(yè)用地的變化特點

在阿勒泰地區(qū)土地利用類型中，未利用土地面積占比最大，為主要土地利用類型，農(nóng)業(yè)用地以草地、林地、耕地、水域為主。根據(jù)1980—2020 年阿勒泰地區(qū)土地利用變化數(shù)據(jù)，得到農(nóng)業(yè)用地各土地利用類型占比（表2）和農(nóng)業(yè)用地利用動態(tài)度（表3）。

表2 1980—2020 年阿勒泰地區(qū)農(nóng)業(yè)用地類型占比（單位：%）

表3 1980—2020年阿勒泰地區(qū)農(nóng)業(yè)用地利用動態(tài)度（單位：%）

由表2 可知，1980—2020 年，研究區(qū)耕地面積在不斷增加，從1980 年的1.86%增至2020 年的4.37%，其中，2000—2010 年增加了1.04 個百分點，增加最為明顯。林地面積變化不大，但是2010—2020 年從5.23%減少到5.17%，這可能與過度放牧而林木更新慢，當(dāng)?shù)厮亮魇?，使得林地環(huán)境惡化有關(guān)［24］。草地面積總體呈減少趨勢，由1980 年的38.19%減少到2020 年的37.31%，可能是牲畜養(yǎng)殖量的增加以及人類對耕地需求面積的擴(kuò)大，使得研究區(qū)草地面積減少，造成草地退化［25］。水域面積從1980 年的1.26%增至2020 年的1.69%。增加的農(nóng)業(yè)用地來自于未利用土地的開發(fā)，表明阿勒泰地區(qū)在不斷地進(jìn)行農(nóng)業(yè)用地結(jié)構(gòu)的調(diào)整［26］。

在土地利用類型的動態(tài)度方面，阿勒泰地區(qū)農(nóng)業(yè)用地類型的動態(tài)度差異明顯。由表3 可知，動態(tài)度為正的有耕地和水域，說明這2 類農(nóng)業(yè)用地面積在增加，其中，耕地在1980—2010 年呈增加趨勢，2010—2020 年略減少；水域在1980—2010 年呈減少趨勢，在2010—2020 年出現(xiàn)了增加，但是水域面積整體平穩(wěn)，動態(tài)度一直維持在0.55%～1.70%；林地和草地的動態(tài)度在1980—2010 年表現(xiàn)為負(fù)值，表明這2 類農(nóng)業(yè)用地面積在減少，但是草地的面積在2010—2020 年出現(xiàn)增加，表明當(dāng)?shù)貫樯鷳B(tài)環(huán)境發(fā)展實施了積極的治理措施［27］。

2.3 阿勒泰地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值分析

由表4 可知，阿勒泰地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值增加了1 700 萬元，總體呈先增加后減少，最后又增加的趨勢。從各種農(nóng)業(yè)用地類占比可知，草地占比最高，其次為林地。1980—2020 年，耕地呈穩(wěn)定增加的趨勢，占比由1980 年的1.21%增至2020 年的2.56%。林地從1980 年的16.02%減少到2020 年的14.92%。草地呈不斷減少的趨勢，由1980 年的69.90%減少到2020 年的65.73%，減少了4.17 個百分點。水域呈穩(wěn)定增加的趨勢，由1980 年的12.87%增加到2020 年的16.78%，增加了3.91 個百分點。

表4 1980—2020 年阿勒泰地區(qū)農(nóng)業(yè)用地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化

阿勒泰地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值存在“減少”和“增加”2 個趨勢?！皽p少”與單位面積ESV較高的草地大量減少有關(guān)，主要是因為人口和放牧量的增加造成草地減少?！霸黾印迸c耕地及水域增加有關(guān)。在社會發(fā)展過程中農(nóng)業(yè)用地結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，在促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)水平提高的同時也造成一系列問題，如環(huán)境污染、生態(tài)破壞等，鑒于阿勒泰地區(qū)本身生態(tài)系統(tǒng)脆弱、草地退化［28］，因此，農(nóng)業(yè)用地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的這種變化對阿勒泰地區(qū)造成負(fù)面結(jié)果。

2.4 敏感性分析

根據(jù)敏感性指數(shù)計算式，將各地類VC分別調(diào)整50%（VC±50%），得到1980 年、1990 年、2000 年、2010年、2020 年的敏感性指數(shù)（表5）。由表5 可知，5 個時期不同農(nóng)業(yè)用地類型的CS均小于1，最高值為草地，CS為0.666 1（CS＜1），即當(dāng)草地的VC增加1%，總價值增加0.666 1%；最低值為耕地，CS為0.018 0。1980—2020 年，耕地、水域CS逐漸增加，這與耕地、水域面積不斷增加有關(guān)。敏感性分析表明，相對于VC而言，研究區(qū)ESV相對穩(wěn)定且缺乏彈性。即使VC具有一定的不確定性，研究區(qū)ESV的結(jié)果也是穩(wěn)定的，說明計算結(jié)果可信。

表5 不同農(nóng)業(yè)用地類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值敏感指數(shù)（CS）

3 討論

阿勒泰地區(qū)農(nóng)業(yè)用地ESV以林地和草地為主，二者的占比超過80%，但是，由于人口的增加以及生態(tài)環(huán)境的破壞，人類為滿足生存需求，使得林地和草地的面積減少。耕地主要提供食物生產(chǎn)、原料生產(chǎn)、氣體調(diào)節(jié)、土壤保持等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，水域主要提供水資源供給、凈化環(huán)境、水文調(diào)節(jié)等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。耕地、水域面積的增加，促進(jìn)糧食產(chǎn)量的增加。研究區(qū)在退耕還林、天然林保護(hù)工程方面取得了良好的效果，在未來的發(fā)展中還應(yīng)盡量減少耕地對林地、草地的侵占，根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H情況注重耕作技術(shù)優(yōu)化和農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整，提升農(nóng)田品質(zhì)，整體提高廢物處理、土壤保持以及生物多樣性保護(hù)等服務(wù)［29］。生態(tài)保護(hù)工程短期可能存在初始成本高的問題，但是從地區(qū)發(fā)展的長遠(yuǎn)利益出發(fā)，當(dāng)?shù)卣⑷艘约碍h(huán)境凈收益都會增加［30］。政府在考慮地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時，應(yīng)重視各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、物種保護(hù)和人的經(jīng)濟(jì)收益之間的平衡［31］。

本研究從自然和社會經(jīng)濟(jì)因素2 個方面對影響研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的驅(qū)動因素進(jìn)行討論。阿勒泰地區(qū)處于干旱區(qū)，氣候變化對其環(huán)境影響顯著［32］，因此本研究主要分析氣候要素對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響。通過中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，獲取阿勒泰地區(qū)5 個站點的氣象數(shù)據(jù)，計算阿勒泰地區(qū)1980—2020 年年平均氣溫和年降水量，同時進(jìn)行回歸分析。結(jié)果表明，年平均氣溫呈增長趨勢（k=0.029 8），年降水量呈增長趨勢（k=1.485 7），氣候變化導(dǎo)致阿勒泰地區(qū)水域面積增加。水域在水資源供給、凈化環(huán)境、水文調(diào)節(jié)等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中起重要作用，以水體為主要類型的研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值隨著水體面積的增加而增加。研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值與該地區(qū)生產(chǎn)總值關(guān)系緊密，GDP 的增加可以促進(jìn)研究區(qū)ESV的增加。同時，為滿足常住人口的糧食需求，應(yīng)保護(hù)耕地，促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展［33］。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值和經(jīng)濟(jì)發(fā)展可以協(xié)同提高。阿勒泰地區(qū)的耕地、水資源儲備、森林及草地資源在新疆發(fā)揮著重要作用［34］。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，該地區(qū)多項供給、調(diào)節(jié)、支持服務(wù)會持續(xù)增加。提高林地、草地覆蓋度，合理規(guī)劃耕地面積，對阿勒泰地區(qū)的中長期發(fā)展十分重要。此外，還應(yīng)加強(qiáng)跨區(qū)域聯(lián)防聯(lián)治，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境持續(xù)改善，完善基礎(chǔ)設(shè)施，促使阿勒泰地區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展步入可持續(xù)發(fā)展的道路。

4 小結(jié)

本研究以阿勒泰地區(qū)的農(nóng)業(yè)用地為研究對象，結(jié)合實際情況，校正生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量因子，估算了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)用地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，探討了研究區(qū)農(nóng)業(yè)用地生態(tài)服務(wù)價值對土地利用變化的響應(yīng)及驅(qū)動因素，小結(jié)如下。

1）1980—2020 年，阿勒泰地區(qū)農(nóng)業(yè)用地土地利用/覆被變化明顯。阿勒泰地區(qū)耕地、水域面積呈增加趨勢，林地、草地面積呈下降趨勢。其中，各類型農(nóng)業(yè)用地中草地面積的占比最大，耕地面積的增長率最大。

2）1980—2020 年，林地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值減少200 萬元，草地減少600 萬元，同時耕地和水域用地的生態(tài)服務(wù)價值有所增加，耕地增加600 萬元，水域增加1 900 萬元。各地類敏感性指數(shù)（CS）均小于1，表明該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值相對穩(wěn)定且不具有彈性。

3）驅(qū)動因素表明自然因素和社會經(jīng)濟(jì)因素都會影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值。研究區(qū)生產(chǎn)總值與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值相關(guān)性強(qiáng)。在生態(tài)保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展相互促進(jìn)下，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值和經(jīng)濟(jì)發(fā)展可以協(xié)同提高。