艾比湖流域生态系统服务价值时空分异特征及其对土地利用/土地覆被的响应

贺子康　张永福　 张严俊等

摘要 基于遙感与GIS技术，运用中国陆地生态系统服务价值当量表，并结合艾比湖流域景观类型，分析了2001～2009年生态系统服务价值变化，探讨了干旱区内陆湖流域生态系统服务变化对土地利用/覆被变化（LUCC）的响应。结果表明：艾比湖流域土地利用类型变化明显，综合土地利用动态度为6.84，其中从单一动态度得出变化最为明显的是耕地、荒漠、林地的扩大，草地和水体的较少；艾比湖流域生态系统服务价值整体变化不大，研究期间总价值由395.70亿元减少到390.14亿元，原因是草地、水体面积的减少，耕地、灌木和林地面积的增加补偿了总价值的部分损失，但损失大于收益；研究区生态系统服务价值的空间差异明显，2001～2009年生态系统服务价值发生变化最频繁的地区主要位于流域中部荒漠和绿洲交错带，这里荒漠面积扩大，生态系统服务价值明显降低，有向绿洲扩散的趋势。研究结果可为艾比湖流域国家生态保护区土地科学管理、保护与开发提供参考。

关键词 生态系统服务价值；土地利用/土地覆被；时空变化；艾比湖流域

中图分类号 S181.3 文献标识码

A 文章编号 0517-6611（2014）08-02452-05

Spatiotemporal Variation in the Value of Ecosystem Services and Its Response to LUCC in Ebinur Lake Basin

HE Zikang et al （College of Resources and Environment Sciences， Xinjiang University， Urumqi， Xinjiang 830046）

Abstract Based on remote sensing and GIS technology， using China inland ecosystem service value as gauge， combined with landscape types of Ebinur watershed， the changes of ecosystem services value during 2001-2009 were analyzed， the reaction of the inland lake basin in arid zone ecosystem services change on land use/cover change（LUCC） was discussed. The results showed that： the change of land use type is obvious in Ebinur watershed， and the integrated land use dynamic degree is 6.84， among which the most obvious change is plowland， desert， forest land from a single dynamic， but the grassland and water change slightly. The entirety change is not so much in ecosystem services value in Ebinur watershed， and the total value changes from 39.57 billion yuan to 39.014 billion yuan during the research period， and the result is that the grassland and water area is declining， but the increasing of plowland ， brush and forest land makes up the partial lose of total value； The spatial difference of ecosystem service value is remarkable in the research area， and the ecosystem service value change most frequently area is located in the desert of the middle part of the watershed and the oasis ecotone， in which the area of desert is keeping expanding， and the ecosystem service value declines so obvious， meanwhile this trend is spreading to oasis. The achievement of the study provide the basis for national ecological reserve land science management， protection and development.

Key words Ecosystem services value； Land use/cover； Spatiotemporal change； Ebinur Lake

生态系统给人类提供了自然资源和生态环境两方面的多种服务功能，这些服务功能的可持续供给是经济社会可持续发展的基础。生态系统服务功能是指生态系统形成和所维持的人类赖以生存和发展的环境条件与效用，是人类赖以生存的基础，与人类福利息息相关[1-4]，随着人们对生态系统服务功能重要性的理解逐渐加深，众多研究者在生态系统服务的产生原因、影响因素、管理措施等方面开展了大量的研究[5-8]。土地利用变化蕴含大量人类活动的信息，可以通过改变生态系统类型、格局以及生态过程直接影响生态系统服务功能，是生态系统服务功能变化的重要驱动力[9-11]，随着土地利用变化成为全球变化的焦点，其对生态系统服务功能的影响也受到越来越多的关注[12-14]。定量评估土地利用变化与生态系统服务功能变化之间的关系成为当前生态学研究的热点[15-16]。

生态系统服务指通过生态系统结构、过程和功能直接或间接为人类福利提供的产品和服务，是人类生存和发展的物质基础和基本条件，是人类所拥有的关键自然资本[10]。土地利用/覆被变化（LUCC）能改变生态系统的结构、过程和功能，进而影响生态系统服务[11-12]。自人类开始管理环境开始，土地利用就不断地发生变化，然而，在近50年里发生的变化尤为重要和强烈[13]。已有很多学者对LUCC引起的生态系统服务价值变化进行了定量研究[14-17]，但这些研究的时段多为有遥感影像的近30年，超过50年的案例尚不多见，且研究的尺度也以大尺度为主，对流域尺度生态系统服务价值变化的研究还不够深入，尤其对跨境河流流域生态系统服务价值的研究相对薄弱[18-19]。

艾比湖是新疆维吾尔自治区第一大咸水湖，新中国成立初期湖面面积1 200 km2，如今湖面已经萎缩至500 km2左右，湖滨地区荒漠化程度加剧，成为我国西部沙尘暴主要发源地之一，直接威胁到天山北坡经济带的可持续发展和新亚欧大陆桥的安全运行。因此开展艾比湖流域生态服务价值的动态研究，对流域由LUCC引起的生态与环境变化有重要的指导作用，同时将为流域土地资源可持续利用和生态环境保护提供决策支持，并为艾比湖流域生态系统服务价值变化提供新的思路。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

艾比湖深居亚欧大陆腹地新疆北部79°53′～85°02′E、43°38′～45°52′N；邻近我国和哈萨克斯坦边境，面积约4.75万km2，是准噶尔西部的低洼地和水盐汇集中心，远离海洋，北、西、南3面被高山阻隔，气候干燥异常，属温带干旱大陆性气候，常年多风沙天气，蒸发量大，降水稀少，年均降水量为188.50 mm，年均蒸发量2 042.25 mm，蒸降比为10.8，年均风速6 m/s，沙盐尘危害加剧，生态环境十分脆弱，对人类活动和景观变化十分敏感。近年由于人口规模增大，耕地面积扩大和社会经济的发展，对水资源的需求量日益增加，使得艾比湖水面面积大幅缩小，天然植被严重退化衰败，沙漠化扩散，生物多样性锐减，严重威胁绿洲生态安全。

1.2 数据来源与预处理

数据来源于美国国家航空航天局NASA的EOS/MODIS数据（http：//ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search），选择2001、2005和2009年MOD12Q1土地利用标准分类产品，空间分辨率为1 km×1 km。运用MCTK（MODIS Conversion Toolkit）将获取的MOD12Q1数据产品进行Bowtie形变处理，选用傅里叶变换法进行噪声去除，同时以1∶10的地形图为标准地理空间，对影像进行几何校正处理，最后利用艾比湖流域边界矢量图剪取艾比湖流域MODIS栅格图像数据。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用类型划分。

MODIS土地覆盖产品数据是基于IGBP（International GeosphereBiosphere Program）体系的土地覆盖数据产品18种地物景观类型，通过监督决策树分类方法将其分为7种不同的地物景观类型，分别为水体、林地、灌木、草地、耕地、建设用地和裸地[19]。最后，根据解译结果进行随机抽样，并作野外实地精度检验，水体分类精度最高达到96%，耕地为90%，灌木为92%，草地为88%，裸地为95%，草地最低为85%，建设用地为92%，满足该研究需求。

1.3.2 土地利用动态度。土地利用动态度分为单一土地利用动态度和综合土地利用动态度[20]。单一土地利用动态度表示研究区一年内某种土地利用/土地覆被类型的变化幅度，直接反映了研究区某种土地利用/土地覆被类型变化的快慢。计算公式为：

K=Ub-UaUa×1T×100%（1）

式中，Ua、Ub分别为研究初期与末期某种土地利用类型的数量；T为研究时段。

综合土地利用动态度从总体上反映研究区一定时间范围内各土地利用/覆被类型相互转化的剧烈程度[21]，计算公式为：

LC=ni=1ΔLUi-j2ni=1LUi×1T×100%（2）

式中，LUi为监测起始时间第类土地利用类型面积；ΔLUi-j为监测时段第i类土地利用类型转化为非i类土地利用类型面积的绝对值；T为监测时段长度。

1.3.3 生态系统服务价值评价方法。

Costanza等于1997年在Nature杂志发表的研究成果中，运用经济学原理定量分析生态系统服务价值，该方法使生态系统服务价值评估得以量化实现，将生态系统服务研究推向生态经济学研究的应用领域，但由于Costanza等是对全球尺度上的生态服务价值进行估算，为了减少其应用于中国陆地生态系统所造成的误差[22]，谢高地等在Costanza等提出的评价模型基础上，结合对我国200位生态学者进行生态问卷调查结果，建立了中国陆地生态系统，单位面积服务价值表（表1）[23]。该研究引用谢高地等的研究成果，利用Costanza提出的生态服务价值分析模型[22]计算艾比湖流域生态系统服务价值，其计算公式为：

2 结果与分析

2.1 艾比湖流域土地利用动态变化

根据IGBP土地分类体系，并参照土地利用二级分类，对艾比湖流域2001、2005、2009年3期不同土地利用类型进行归并，得到2001～2009年艾比湖流域土地利用的面积变化及空间格局的差异（图1）。

图1 2000～2009年艾比湖流域土地利用變化

根据土地景观类型分类结果，对2001～2009年艾比湖流域土地利用/覆被的数量和结构进行统计分析 （表2）。2001～2009年艾比湖流域各土地类型发生了较大变化，草地共减少了590 002.0 hm2，是面积变化最大的地类，变化幅度占草地总面积的17.92%。在整个变化过程中，草地呈不断减少的趋势，主要原因是耕地和荒漠面积的扩大，其间耕地增加了99 249.4 hm2，荒漠面积扩大了265 797.6 hm2；水体面积在2001～2009年共增加了9 560.76 hm2，2001～2005年水体面积减少了55 719.11 hm2，主要原因是湖面的萎缩；2005～2009年，水体面积增加了65 279.88 hm2，主要分布于天山北坡，主要原因是由于天山北坡的积雪面积扩大。林地面积2001～2009年间稍有增加，但变化幅度不大，比较平稳；荒漠面积由原来的344 282.8 hm2增加至610 080.4 hm2，增加近2倍，并有向流域上游蔓延的趋势（图1）。说明景观格局由人为作用影响愈来愈明显。

由动态度指数计算结果可更加直观的得出各地类面积变化。2001～2009年草地和水体面积在明显下降，分别为-1.99%和-0.91%；荒漠、灌木、林地、建设用地和农用地面积均有不同程度的增加，其中增加最为明显的荒漠、灌木和农用地，分别为8.58%、7.67%和2.87%。

2.2 艾比湖流域生态系统服务价值变化 2001年艾比湖流域总生态系统服务价值为395.70亿元（表3），草地、水体生态系统服务价值是其主要构成部分。2005年总生态系统服务价值有所减少为394.91亿元，其中，草地面积的减少18.33亿元，减幅为8.95%，是导致2001～2005年生态系统服务价值损失的主要原因，水体次之，减少了5.22亿元，减幅为-5.22%；林地和灌木增加了20.96亿元，增幅分别为19.13%和41.64%，这在一定程度上补偿了生态系统服务价值的部分损失。2005～2009年，流域总生态系统服务价值进一步减小，造成这一现象的原因是草地和水体生态系统服务价值系数大的土地利用类型减少速度比农用地、灌木和林地增加的速度快，其中减幅最大的是草地，减少了18.38亿元，增幅最大的是灌木，增加了10.44億元。

由表3可知，2001～2009年艾比湖流域总生态系统服务价值呈减少趋势，总计减少了5.33亿元，减幅为1.35%，造成这一变化的原因主要是：土地利用/覆被类型的改变，草地和水体这种高生态系统服务价值系数的土地类型向荒漠、农用地等低生态系统服务价值系数的土地类型转化，这是导致该流域生态系统服务价值减少的主要原因，虽然耕地和灌木面积的在一定程度上补偿了该流域生态系统服务价值的部分损失，但并没有完全弥补草地面积减少所造成的生态系统服务价值的损失；建设用地面积有所增加，由于其生态系统服务价值系数为0，其面积变化不会对生态系统服务价值变化产生直接的影响。

2.3 艾比湖流域生态系统服务价值空间分析

为了分析艾比湖流域生态系统服务价值的异质性，需要对该流域生态系统服务价值在空间上分布的不均匀性及复杂性进行描述，为达到这一目的，该研究在艾比湖流域土地利用/覆被类型的基础上，按网格划分的方法将艾比湖流域划分为10 km（10 km的网格，计算每个网格的生态系统服务价值，得到艾比湖流域生态系统服务价值空间分布（图2）。

图2 不同时期艾比湖流域生态系统服务价值空间分布

由图2可知，

生态系统服务价值<2万元/（km2·a）的区域主要分布于艾比湖流域荒漠地区和草地和荒漠交错带；生态系统服务价值介于2万～4万元/（km2·a）的区域主要分布于流域草地和农用地覆盖区域；4万～6万元/（km2·a）的区域主要分布于流域的海拔较高的林地和灌木地区；6万～8万元/（km2·a）和8万元/（km2·a）以上的地区主要分布于流域湖区和积雪区域。2001～2009年生态系统服务价值发生变化最频繁的地区主要位于流域中部荒漠和绿洲交错带，这里荒漠面积扩大，生态系统服务价值明显降低，有向绿洲扩散的趋势；随着湖区面积减小，生态系统服务价值也随之明显较少；相对而言，绿洲西部和南部生态系统服务价值变化较小，主要是由于其土地覆盖类型多为永久性冰川积雪和高山草地所致。

3 结论与讨论

遥感卫星数据是估算大尺度区域生态系统服务价值变化的一种科学、实用的数据源，一般情况下，遥感技术是获取大区域土地利用/覆被时空变化信息的切实可行的方法[24]。该研究所采用的MODIS卫星数据具有监测范围广、时间分辨率高的优势，可根据研究需要选择不同空间尺度的遥感数据；现有大部分土地利用/覆被数据是基于行政区划划分的，为研究流域尺度土地利用和生态系统服务价值带来诸多不便，破坏了流域的完整性。

Costanza等提出的生态系统服务价值被诸多学者用于研究不同区域生态系统服务价值，由于该方法是基于全球尺度，对某些区域生态系统单位面积的价值估计存在很大误差[22]。谢高地等基于该方法的参数，制定出中国生态系统服务价值当量因子表，在一定程度上更加能准确的反应中国生态系统服务价值[23]。笔者运用该研究成果，评估了艾比湖流域不同土地类型及不同生态系统服务功能的服务价值，深入研究了生态系统服务价值对LUCC的响应，对生态系统服务价值随时间变化的研究具有重要意义。但是，由于生态系统的复杂性、动态性和非线性等问题，使估算结果带有一定的偏差和不确定性。此外，由于生态系统的异质性，其平均生态系统服务价值系数的精确性也具有不确定性，如建设用地的价值系数定义为0，从而忽略了其对环境污染所带来的负面效应，因此，利用LUCC的面积乘以带有不确定性的生态系统价值服务系数所得到的生态系统服务价值，必然具有不确定性。

通过对2001、2005和2009年艾比湖流域土地利用变化对生态系统服务价值进行估算并分析其变化特点，主要结论如下：

（1）2001～2009年艾比湖流域农用地、林地和灌木面积均有不同程度的增加，但草地的退化和荒漠的扩张速度大于农用地、林地和灌木面积的增长，这是导致艾比湖流域ESV缓慢减少的原因，从土地利用动态度可以得出土地类型变化明显。

（2）从时间上看，艾比湖流域生态系统服务价值整体上呈下降趋势，由395.70亿元降至390.14亿元，后期（2005～2009年）生态系统服务价值的下降的年际变化率明显高于前期（2001～2005）；从空间分布上看出，高服务价值的地区主要集中于艾比湖流域的中部和西南部水域地区，低服务价值的地区主要集中在艾比湖流域荒漠中部和南部的荒漠地区，2001～2009年生态系统服务价值发生变化最频繁的地区主要位于流域中部荒漠和绿洲交错带，这里荒漠面积扩大，生态系统服务价值明显降低，有向绿洲扩散的趋势。

（3）根据分析，艾比湖流域生态系统服务价值变化的原因如下：一是土地利用/覆被格局的改变造成各生态系统面积变化；二是自然生态系统健康程度直接造成单位面积生态系统提供的服务功能价值的变化。但不可忽视政策因素对生态系统服务价值变化的影响，艾比湖流域作为国家重点生态保护区，应加强生态环境建设，以实现区域社会效益、经济效益、生态效益协调发展。

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