伊犁河谷土地利用变化对生态服务价值的影响

汪 洋 靳瑰丽 李卫红 张 博

(1.新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830052； 2.中国科学院新疆生态与地理研究所荒漠与绿洲生态国家重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830011)

伊犁河谷土地利用变化对生态服务价值的影响

汪 洋1靳瑰丽1李卫红2张 博1

(1.新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830052； 2.中国科学院新疆生态与地理研究所荒漠与绿洲生态国家重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830011)

基于1990-2014年4期TM遥感影像解译方法，分析了国家重点水土开发区-新疆伊犁河谷25年来土地利用和生态系统服务价值的变化。结果表明：(1) 1990-2014年间，伊犁河谷耕地、居工用地及水体面积有所增加，耕地增长率高达59.3%，林地、草地及未利用地面积减少，草地以104.69km2/年的速度减少；(2) 近25年来研究区土地利用程度指数、信息熵及均衡度均有所上升，表明这一时期土地利用系统的无序化越来越剧烈，系统不稳定性增强，危及伊犁河流域的生态安全；(3) 研究区生态服务价值总体有所上升，25年来增加75.26×108元，上升了17.13%，特克斯县的增幅最大，约为20.66%，而伊宁市生态服务价值出现下降，幅度达到18.52%。研究区生态经济的发展已处于协调水平的边缘，需要加强对生态环境的保护力度。

土地利用变化；生态服务价值；生态经济协调度；伊犁河谷

1 引 言

土地利用/覆被变化与全球的气候变化、生物多样性减少、生态环境演变以及人类与环境之间相互作用的可持续性等密切相关，被认为是当前引起全球环境变化的主要原因之一[1]。自20世纪90 年代以来，土地利用/覆被变化受到越来越多的关注，在全球生态环境变化和可持续发展中占有重要的地位[2]。土地利用/覆被变化通过生态进程和服务间的相互作用直接或间接改变着生态系统的结构功能，同时也影响着生态系统服务[3]，对维持土地生态系统服务功能起着决定作用[4]。已有学者通过计算定量研究土地利用/覆被变化下土地生态系统服务价值的变化程度，以此来反映土地利用/覆被变化对生态系统服务功能价值造成的影响[5]。因此，土地利用作为人类最基本的实践活动，对维持生态系统服务功能起着决定性作用。

中国西北干旱区生态环境极为脆弱，水资源开发过程中的生态与经济的矛盾十分突出，严重影响着区域社会经济的可持续发展[6]。伊犁河谷是西北地区资源开发中的一块风水宝地，随着西北大开发战略的实施社会经济得到快速发展、人口数量的不断攀升，土地利用/覆被变化显著。因此，研究土地利用变化背景下的生态服务价值变化对促进生态建设，甚至对边疆的繁荣稳定具有重要的战略意义。本文结合1990-2014年TM遥感数据和社会经济数据对伊犁河谷土地利用变化进行解译，在研究土地利用变化的基础上，分析不同时段生态系统服务价值变化，通过定量探讨土地利用和生态系统服务价值的变化情况，为干旱区土地资源开发与保护提供科学依据，为西北地区土地资源可持续利用和社会经济的可持续发展提供决策支持。

2 数据与方法

2.1 研究区概况

伊犁河谷地处欧亚大陆中心，新疆天山北坡西部，区域总面积5.53×104km2，占新疆总面积的3.52%。地理坐标位于东经80°09′42″- 84°56′50″和北纬42°14′16″- 44°50′30″之间(图1)，东、南、北三面环山，西宽东窄成侧“U”字型为研究区提供了一个天然屏障，使之成为新疆地区的降水中心，为生态环境恶劣的干旱区孕育出一块“湿岛”和“气候资源宝库”[7]。伊犁河谷内行政区包括伊犁哈萨克自治州伊宁市、伊宁县、霍城县、新源县、昭苏县、巩留县、察布查尔县、特克斯县和尼勒克县8县1市，2014年末总人口约441.42万人，国民生产总值55.90×105万元，是新疆国民经济发展和社会稳定的重要区域。

伊犁河谷是新疆生态环境最好的地区之一，年均气温10.4℃，年降水量417.6mm，年均日照时数2898.4h，水、土、光、热等自然条件丰富，素有“塞外江南”之称，是新疆主要的粮油和畜牧业基地[8]。伊犁河谷土地资源由山地、河谷平原和丘陵构成，其中河谷面积约1.30×104km2，占研究区总面积的四分之一，是河谷内经济发展和人民生活的集中区域。

图1 研究区概况

2.2 数据来源

论文中的数据包括遥感数据、属性数据以及空间数据。

(1)研究区遥感数据是从美国地质调查局网站(http：//earthexplorer.usgs.gov/)下载，选取的是1990年、1995、2005年和2014年7-8月份的空间分辨率为30 m的Landsat TM遥感数据；(2)属性数据源于《新疆辉煌50年》和《新疆统计年鉴》(1990-2014)；(3)空间数据源于1：400万国家基础地理数据库，包括伊犁河谷内各县市政府所在地中心坐标。

2.3 精度验证

目前国内外学者对遥感解译精度的评价主要采用混淆矩阵的方法。研究中以2010年的绿洲信息为基础，在野外中提取360个随机点来验证混淆矩阵，这些随机单位包括耕地、林地、草地、居工用地、水域和未利用地；再根据实地考察结果结合GoogleEarth高分辨率影像进行对比，对研究区内各土地类型进行验证。结果表明，研究区内耕地的分类精度达到91.5%，草地分类精度为90.3%，居工用地和水域的分类精度分别达到85.4%和92.7%，未利用地精度达到90.2%，林地为88.3%，Kappa系数为0.8，符合研究要求。

2.4 研究方法

2.4.1 土地利用程度综合指数

该指数反映区域内特定时期的土地利用程度的广度和深度。不同时段指数变化反映区域内土地利用程度变化。其表达式为：

(1)

式中：L为土地利用程度综合指数；Ai为区域内第i级土地利用程度分级指数；Pi为区域内第i级土地利用程度分级面积百分比；n为土地利用程度分级数(表1)。为了与其他分类系统统一标准，土地利用分类主要参照刘纪远[9]的分类方法。

2.4.2 土地利用结构信息熵与均衡度

熵是系统有序程度的度量。熵值越高，系统有序程度越低，稳定性越差。土地利用结构信息熵(H)高低可反映区域土地系统有序程度[10]。H值越高，表明土地利用系统有序程度越低；反之，有序程度越高。

(2)

土地利用结构均衡度(E)是基于信息熵函数构建的反映土地利用结构均衡性的量值。E∈[0，1]，E值越大，均衡性越强；E=0、E=1分别表示土地利用结构处于最不均衡、最理想平衡状态。

(3)

式中，m、Pi分别表示土地利用类型数、第i类土地利用类型的面积比例。

2.4.3 生态系统服务价值测评

在生态系统服务功能价值评价方面，有学者将生态系统服务功能划分为气体调节、气候调节、水源涵养、土壤形成与保护、废物处理、生物多样性保护、食物生产、原材料生产和娱乐文化等9项服务功能，制定出了中国陆地生态系统单位面积生态服务价值系数[11]。本文依据研究区实际情况，利用Costanza生态系统服务价值公式，参照中国陆地生态系统单位面积生态服务价值系数，计算伊犁河谷生态系统服务价值。

(4)

式中，ESV为生态系统服务总价值(元)；Ak为第k种景观类型的分别面积(hm2)；VCk为第k种景观类型的生态价值系数。

2.4.4 生态经济协调度

该指数是研究单位面积生态服务价值的变化程度(ESpr)与单位面积GDP变化程度(GDPpr)的比值：

(5)

(6)

(7)

公式中，ESpi与ESpj分布代表研究区某一阶段内起始年份与末尾年份的单位面积生态系统服务功能，GDPpi与GDPpj则代表研究区某时期始年份与末尾年份的单位面积GDP。如果EEH≥1表示该时期内生态系统服务价值的增长快于经济增长速度；0≤EEH<1则表示该时期内生态系统服务价值的增长速度比经济增长速度慢；-1≤EEH<0表示研究期内生态服务价值的增长为负，社会经济发展已经对生态环境产生负面影响，区域生态经济发展水平为不协调[12]。

3 结果分析

3.1 伊犁河谷土地利用变化分析

3.1.1 土地利用面积变化

1990-2014年，伊犁河谷土地利用/覆被发生了巨大变化(图2)。耕地、水体及居工用地面积明显增加，草地、林地和未利用地面积明显减少。25年来新增耕地面积3345.2km2，增长率达59.3%，主要集中于察布查尔县、巩留县、昭苏县及特克斯县；草地以104.69km2/年的速度减少；居工用地面积增加了123.89%；林地面积减少了31%；未利用地面积有所减少，减幅为10.51%；另外一些水利设施的修建使得水体面积增长了2.78%。自1990年以来研究区不同土地利用/覆盖类型的等级一直保持不变，呈现出草地>耕地>林地>未利用地>水域>居工用地。

图2 1990-2014年伊犁河谷土地利用变化

3.1.2 区域稳定性分析

依据1990年、1995年、2005和2014年4期土地类型数据，结合公式(3)和(4)对伊犁河谷内用地信息熵和均衡度进行计算(图3)。可以看出，1990-2014年土地利用信息熵一直呈现出上升趋势，由1990年的1.18上升至2014年的1.31，表明这一时期土地利用系统的无序化进程剧烈，2005年后上升速度有所减慢，伊犁河谷土地系统无序化进程减缓。从对土地利用类型数量变化的分析来看，耕地和草地面积的变化对这一进程具有重要作用。均衡度变化趋势与信息熵相似，其值由1990年的0.656上升到2014年的0.735，25年间增幅为12.04%，说明伊犁河谷地区土地利用结构均衡性日趋增强，各类型用地面积分布的均衡程度有所提高。1990-2014年，研究区土地利用程度指数呈上升趋势(图4)。同时，伊犁河谷北山坡(伊宁市、伊宁县、霍城县)发展林果业和生态经济林，土地生产力得到了提升。土地利用综合水平提高的同时，信息熵与均衡度也有所上升，河谷系统区域不稳定但均衡性日益增强。

图3 伊犁河谷土地利用结构信息熵与均衡度变化

图4 土地利用程度综合指数

3.2 土地利用变化对生态系统服务价值的影响

3.2.1 伊犁河谷生态服务价值变化

针对伊犁河谷地区土地利用导致的生态系统服务功能变化，采用生态系统服务价值评价方法对伊犁河谷生态系统价值进行评估，结果表明(表1)：1990-2014年，伊犁河谷生态服务能价值增加75.26×108元，增加了17.13%，呈上升趋势。从各生态系统服务价值的构成来看，林地、草地、水体的生态服务价值占整个系统的79.73%，是生态系统服务的主要构成部分。1990-2014年间，研究区林地、草地和未利用地的生态服务价值均呈现出减少，其中草地的生态服务价值减少最为明显，为8.57亿元；而耕地、水体和居工用地的生态服务价值均有一定程度的增加，其中耕地的生态服务价值增加幅度最为明显，为43.59亿元。耕地、水体和居工用地生态服务价值的增加值是造成伊犁河谷地区总生态服务价值增加的主要原因。从变化幅度来看，耕地的生态服务价值增幅最大，高达87.58%，其次是水体，达到55.45%。未利用地生态服务价值减幅最大，为11.34%。耕地和水体具有的单位生态服务价值均较大，这有效的补充了其他土地类型造成的生态服务价值损失，因此，耕地和水体的生态价值变化一定程度上影响着伊犁河谷地区生态系统服务价值的变化。

在空间分布上伊宁市生态服务价值出现下降(表2)，幅度达到18.52%；其余8县生态服务价值都增长较为明显，其中特克斯县的增幅最大，约为20.66%。这反映了过去的25年间，伊犁河谷土地利用变化对生态环境具有正效应，生态环境状况局部有所改善，总体上缓慢退化。

表1 1990-2014年伊犁河谷不同土地利用类型的生态服务价值变化(108元)

表2 1990-2014年伊犁河谷生态系统服务价值变化

3.2.2 生态系统单项服务功能价值变化

由表3可知，伊犁河谷生态服务功能总价值虽然有所上升，单并不代表生态系统各单项服务功能价值也在增加。由表3可以看出，研究区土地利用变化导致不同类型生态服务功能的变化趋势有所差异，其中食物生产、气候条件、水源涵养、废物处理和娱乐文化的生态服务功能均有不同程度的提高，最主要原因是水体面积增长使得水体当中的水源涵养、废物处理、娱乐文化等功能价值系数最高，耕地面积大量增加也使得食物生产价值系数增长趋势明显。气体调节、原材料生产、土壤形成与保护以及生物多样性保护生态价值系数在减小，其中气体调节价值系数较大的林地和草地面积的减少是造成这一变化趋势的原因。

3.2.3 生态经济协调性分析

伊犁河谷地处西北干旱区，生态环境脆弱，环境负荷率较低，当前对其开发与建设尚处于初级阶段。虽然在一定时期内，其生态经济的协调发展不一定要求生态系统服务价值的增长速度等于或高于经济的发展速度，但是两者的发展速度不协调，无疑会使区域社会经济发展面临潜在的生态危机。

伊犁河谷GDP由1990年的22.04×104万元增加到2014年的55.90×105万元，增长24.36倍。而生态经济协调度(EEH)仅为0.007，近乎为0的EEH值说明伊犁河谷地区的生态经济发展总体上接近不协调，处于低度协调水平。这说明在土地利用变化与社会经济同时发生的过程当中，生态环境问题没有得不到应有的重视。

表3 1990-2014年伊犁河谷不同生态服务功能价值变化

4 结 论

土地利用/覆被变化通过生态进程和服务间的相互作用直接或间接改变着生态系统的结构功能，同时也影响着生态系统服务对维持土地生态系统服务功能起着决定作用。中国西北干旱区生态环境极为脆弱，水资源开发过程中的生态与经济的矛盾十分突出，严重影响着区域社会经济的可持续发展。伊犁河谷是西北地区资源开发中的一块风水宝地，随着西北大开发战略的实施社会经济得到快速发展、人口数量的不断攀升，土地利用/覆被变化显著。因此，研究土地利用变化背景下的生态服务价值变化对促进生态建设，甚至对边疆的繁荣稳定具有重要的战略意义。本文基于1990-2014年4期TM遥感影像解译方法，分析了国家重点水土开发区-新疆伊犁河谷25年来土地利用和生态系统服务价值的变化。得出以下结论：

(1)1990-2014年间，伊犁河谷土地利用类型呈现较大变化。耕地、居工用地及水体面积有所增加，林地、草地及未利用地面积减少；其中耕地变化率最为显著，增长率高达59.3%。与此同时，各类型土地利用情况变化显著，1990-2014年研究区耕地扩张趋势明显，土地利用动态度不断增加；草地与林地动态度出现较大负值，这与其区域总体变化相一致，同时反映了1990年以来草地、林地面积迅速缩小。

(2)伊犁河谷土地利用程度指数呈上升趋势。信息熵有所上升，表明这一时期土地利用系统的无序化越来越剧烈，草地、林地和耕地面积的变化对这一进程具有重要作用；均衡度变化趋势与信息熵相似，其值由1990年的0.656增长到2014年的0.735，研究区土地利用结构均衡性日趋增强，各类型用地面积分布均匀程度有所提高。

(3)对伊犁河谷生态服务功能价值变化的研究表明，25年来研究区生态服务价值增加了75.26×108元，增加幅度约17.13%。从土地利用类型的生态服务功能上看，草地生态服务功能最强，而耕地的增长率最快，增幅达87.58%；从空间分布上看，特克斯县的增幅最大，约为20.66%，而伊宁市生态服务价值出现下降，幅度达到18.52%。目前研究区生态服务价值增长速度要低于经济发展速度，尽管生态服务价值近年来持续增长，但生态经济发展总体上已处于低度协调水平的边缘，接近不协调。为了实现伊犁河谷生态系统服务功能的长期维持和持续利用，应该加强对研究区生态环境问题的重视。

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The Spatial Coupling of Land Use/Cover Change and Its Environmental Effects on Ili Valley

WANG Yang1JIN Guili1LI Weihong2ZHANG Bo1

(1.College of Pratacultural and Environmental Sciences，Xinjiang Agricultural University，Urumqi 830052； 2.State Key Laboratory of Desert and Oasis Ecology，Xinjiang Institute of Ecology and Geography， Chinese Academy of Sciences，Urumqi，Xinjiang 830011，China)

Changes in land use and land cover are among the most important key issues in global change research.This study takes China′s largest humid region-Ili Valley，in the arid region of Northwest China-as its research area.Based on land use/cover classification data derived from the Landsat TM imageries in 1990-2014，as well as governmental socioeconomic statistics，we investigate land use/cover change (LUCC) in the Ili Valley from 1990 to 2014 using spatial coupling. The results are as follows：(1)The LUCC in the Ili River Valley was considerable during 1990-2014. The cultivated land，residential and industrial area，and water body have increased during the study period，whereas the forest land，grassland decreased. The natural grassland in the area decreased with a rate of 104.69km2/year，whereas the cultivated land increased about 59.3%.(2)Over the designated 25-year time-span，integrated index，information entropy and balanced degree all increased in the study area.This reflects an increasing instability in the land use system as well as instability of the Ili Valley，which then poses a threat to the ecological security of the Ili River Basin.(3) Ecosystem services value has increased 75.26×108RMB (increased about 17.13%) during the past 25 years. The gross ecosystem service value increased most quickly in Tekesi county，which was 20.66%，while it decreased most quickly in Yining city，which was 18.52%.The development of eco-economy in the Ili Valley has been on the verge of incoordination. The ecological environmental protection should be further enhanced.

Land use/cover change；spatial coupling；environmental effect；Ili Valley

国家自然科学基金项目(编号：31360571)和国家科技支撑计划项目(编号：2014BAC15B03)

汪洋，博士，讲师，主要从事干旱区土地利用变化研究

汪洋，E-mail：ktwangyang@163.com

X21

A

1673-288X(2017)02-0151-05

引用文献格式：汪 洋 等.伊犁河谷土地利用变化对生态服务价值的影响[J].环境与可持续发展，2017，42(2)：151-155.