尉犁县土地利用/覆被变化的区域生态系统服务价值变化

帕茹克·吾斯曼江, 阿依吐尔逊·沙木西, 刘新平, 亚西尔·阿布力克木

(新疆农业大学 管理学院, 乌鲁木齐 830052)

20世纪90年代以来，全球环境变化受到国内外学术界的广泛关注，土地利用/覆被变化是引起全球变化并且制约人类社会可持续发展的主要因素之一[1]。土地利用/覆被变化能通过改变生态系统的功能和结构，对生态系统维持及其服务功能起到决定性作用[2]；而对生态系统服务进行价值评估则能为生态环境保护、生态功能区划、环境经济核算和生态补偿决策提供重要依据和基础[3]，因而土地利用/覆被变化对生态系统服务价值的影响研究成为了国际生态学和生态经济学的研究热点和前沿领域。1997年Costanza等对全球生态系统进行了分类并估算了其服务功能价值[4]，使生态系统服务价值评估有了相对科学的研究方法；国内外学者运用此方法针对土地利用变化所引起的生态系统服务价值变化评估开展了大量研究[5-9]，其中最具代表性的研究成果是我国学者谢高地提出的中国陆地生态系统单位面积生态系统服务价值当量表[10]，并与2015年对其进行了改进[3]。目前土地利用/覆被变化对生态系统服务价值的影响研究主要集中于两方面，一是生态系统服务价值的静态分析，如Gren等对欧洲多瑙河流域进行了生态服务价值的评估[11]；蔡中华等使用2010年中国生态系统的统计数据，对我国2010年生态系统服务价值进行了再计算[12]；二是区域生态系统服务价值的动态变化评价，主要探讨不同时段内区域土地利用/覆被变化引致的生态系统服务价值量的变化，如 Mendoza-González选取墨西哥湾中部3个研究区，分析了1995—2006年研究区土地利用变化及其生态系统服务价值的变化[13]；岳书平等选取东北样带典型区，分析了1976—2000年土地利用变化对生态系统服务价值的影响[14]。但目前关于我国西部干旱生态脆弱区基于土地利用变化引致的生态服务价值变化研究较少，致使区域生态安全，可持续发展缺少有力依据。

本文以塔里木河中下游区尉犁县为研究区，分析尉犁县1993年、2001年、2009年和2017年4个不同时期各土地利用类型的面积变化和单一土地利用类型的动态度变化，在此基础上，修正生态服务价值系数，以货币价值的形式解释研究时段内土地利用变化带来的生态服务价值的损益；通过对生态服务价值的定量研究，为提出恢复、改善、重建尉犁县生态环境的可能途径和政策建议提供背景资料和科学依据。

1 研究区概况

尉犁县地处塔里木河中下游区(县境内流域254 km)，属塔克拉玛干大沙漠东北缘干旱荒漠区(县境内面积28530 km2)，位于新疆维吾尔自治区中部，巴音郭楞蒙古自治州腹地，行政区域面积5.97万km2，县域总人口11.72万人，地理坐标为东经84°02′50″—89°58′50″，北纬40°10′33″—41°39′47″，位于库尔勒市南50 km处，地势西北向东南倾斜，地域分北部库鲁塔格山前冲积戈壁平原，中部塔里木河和孔雀河冲积平原，南部为塔克拉玛干大沙漠三部分；土地以沙漠和未利用地为主，2017年尉犁县沙漠面积为2.89万km2，占土地总面积的48.41%；未利用地面积为1.71万km2，占土地总面积28.64%；尉犁县属暖温带大陆性荒漠气候，全年冷热差异悬殊，冬季干冷，夏季炎热，光照充足，年平均降水量为43 mm，年平均蒸发量为2700 mm，为棉花，枸杞等作物大规模高产奠定了良好的气候条件。尉犁县自实施“十三五”规划以来，积极深入推进供给侧结构性改革，2016年基本实现生产总值58.5亿元，同比增长8%。但近年来随着尉犁县经济的快速发展，由于土地资源的不合理利用，生态环境不断恶化，引起了流域水质恶化、土地沙漠化、土地沼泽化、土地盐碱化等诸多生态环境问题，对尉犁县社会经济的可持续发展构成了严重的威胁[15-16]。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本文以研究区1993年、2001年、2009年和2017年空间分辨率为30 m的landsat5/landsat8遥感影像为数据源，轨道号分别为：144/31，144/32，143/31，143/32，142/31，142/32，141/31，141/32。成像选定晴朗无云的7—8月份图像，数据获取地址为www.radi.cas.cn和www.gscloud.cn/。参考《中国资源环境遥感宏观调查与动态研究》土地分类系统，结合研究区的实际情况，划分为耕地、林地、草地、建设用地、水域、湿地、盐渍化地、沙漠和未利用地。通过ENVI 5.1软件对影像数据进行镶嵌，裁剪，辐射定标及大气校正等预处理工作；利用监督分类法中的最大似然法对土地利用与覆被类型进行分类；并运用ArcGIS的空间分析和数据统计功能提取数据、绘制出图；研究区1∶5万地形图，2017年研究区土地利用现状图作为辅助资料，并结合外业调查进一步对遥感数据进行了验证、编辑与修改，本次影像分类精度总体精度介于85.24%～90.33%，Kappa系数总体达0.873以上。尉犁县社会经济数据来自1993—2017年《新疆统计年鉴》。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用动态变化度 土地利用动态度是分析土地利用变化动态的重要指标，表达的是研究区某一时间段内某种土地利用类型的数量变化情况。其公式为：

(1)

式中：K为研究时段内某一土地利用类型的动态变化度；Ua，Ub分别为该研究区域初期和末期某种土地利用类型的具体数量,T为时段值，本研究中设定为年。

2.2.2 生态系统服务价值估算 根据Costanza划分的生态系统类型，本文选择在生态系统服务价值研究中常用的气体调节、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、材料生产、娱乐文化共9个生态服务功能[4]。主要参考谢高地等制定的中国陆地生态系统单位面积生态系统服务价值表，同时根据相关学者对新疆生态系统服务价值系数修正过程的研究[17-19]。针对尉犁县社会经济发展状况，对单位面积农田每年自然粮食产量的经济价值进行修正。修正过程为：尉犁县1993—2017年粮食平均产量为4978.08 kg/(hm2·a)；2017年尉犁县粮食平均收购价格为2.45元/kg，考虑到没有劳动力投入的情况下，现有生态系统服务价值是现有单位面积农田提供的食物生产服务经济价值的1/7[20]，利用公式(1)，得出尉犁县一个当量因子的价格为1742.33元/hm2。据此可计算出研究区不同土地利用类型生态系统服务价值系数表(表1)。ESV当量因子的价值量计算公式如下：

(2)

式中：VC0为ESV当量因子的价值量[元/(hm2·a)]；P为全国平均粮食价格(元/kg)；Q为研究区平均粮食产量(kg/hm2)；n为年份数。ESV的计算方式如下：

(3)

(4)

(5)

式中：ESVk，ESVf与ESV分别代表第k种土地利用/覆被类型的生态系统服务价值(元/a)，第f项生态服务功能价值(元/a)与区域生态系统服务总价值(元/a)；Ak指第k种土地利用/覆被类型的分布面积(hm2)；VCkf为第k种土地利用/覆被类型第f项生态服务功能价值指数[元/(hm2·a)]。

2.2.3 敏感性分析 本文借用敏感性指数CS来验证生态系统类型对各种土地类型的代表性和价值的准确性，也为了检验引用谢高地等人的生态系统服务价值系数和修正后的系数是否适合本研究区[19]。本文将各类土地利用类型的价值系数分别调整50%，估算总生态系统服务价值的变化。如果CS>1，表明ESV对VC是富有弹性的，其结果准确性、可信度低；如果CS<1，ESV则被认为是缺乏弹性，准确性高，结果可信。

(6)

式中：ESV代表初始生态价值；ESV′代表系数调整后的生态价值；VC为调整前ESV系数；VC′为调整后ESV系数。

表1 尉犁县不同土地利用类型单位面积生态服务价值系数 元/(hm2·a)

3 结果与分析

3.1 土地利用变化分析

从尉犁县土地利用类型的构成来看(表2)，1993-2017年沙漠是研究区占地面积最大，分布最广的土地利用类型，其面积约占总面积的46.50%～57.63%，体现了研究区土地利用类型特征；其次为未利用地，所占比例为28.69%～36.58%；建筑用地所占比例最小，在研究期内建设用地面积均未超过总面积的1%，约占总面积的0.01%～0.04%，在整体变化中反应不明显。

1993-2017年，尉犁县不同土地利用类型面积总体呈“六增三减”态势；即耕地、建设用地、水域、湿地、盐渍化地与沙漠面积有所增加，林地、草地与未利用地面积有所减少。在研究时段内耕地和建设用地的面积持续增加，耕地由1993年的31 212.99 hm2增加到2017年的143 399.97 hm2，增加了112 186.98 hm2，其中1993—2001年变化速度较快，动态度为16.24%；建设用地由1993年的149.94 hm2增加到2017年的2 212.83 hm2，1993—2017年动态度远高于其他土地利用类型，变化速度最快，动态度达57.33%；这一变化主要是1993—2017年，研究区人口的增长致使对建设用地和耕地的需求加大以及研究区大量开荒行为所致。湿地和水域面积经过了先增后减再增几个阶段，湿地面积由1993年的28 203.84 hm2增加到2017年的72 930.51 hm2,其中2009—2017年动态度达58.77%；水域面积由1993年21 832.38 hm2增加到2017年的24 660.45 hm2，但在整体变化中，变化不明显。草地、林地、未利用地面积经过了先减后增再减几个阶段，草地由385 006.32 hm2减少到301 686.84 hm2，在研究期内，2009—2017年动态度最低；林地由66 060.36 hm2减少到19 886.49 hm2，其整体变化中，变化速度较慢；未利用地由2 184 465.06 hm2减少到1 714 269.51 hm2；虽然1993—2017年动态度仅为-0.90%，但其面积在所有土地利用类型中面积变化量最大，面积减少了470 195.55 hm2,主要是因为研究区加大土地开发力度，加剧了未利用地的转移。1993—2017年不同年间，研究区各土地利用类型土地利用变化较为明显，进而影响着生态系统服务价值的变化。

3.2 生态系统服务价值变化分析

根据尉犁县不同土地利用类型单位面积生态系统服务价值表，利用生态系统服务价值计算公式(3),(4)和(5)，结合尉犁县1993—2017年土地利用类型面积，计算尉犁县1993年、2001年、2009年和2017年生态系统服务价值和变化(表3)。

从表3可以看出，1993—2017年尉犁县生态系统服务总价值总体呈现增长趋势，由1993年173.61亿元减少到2001年的164.97亿元，再减少到2009年的143.18亿元，最后逐渐增加到2017年的206.30亿元，增加了32.69亿元，变化率为18.83%；在研究期间林地生态系统服务价值减少量最大，共减少了17.58亿元，变化率为-69.90%；湿地生态系统服务价值增加量最大，增加了44.54亿元，变化率为158.68%。从整体来看，林地、草地、水域、湿地、沙漠、未利用地生态系统服务价值是总生态系统服务价值的主要构成部分；在研究期间，林地生态系统服务价值1993年达到最高，为25.15亿元，仅次于草地和湿地；草地在1993年和2009年对生态系统服务总价值的贡献最大，分别为48.57亿元和40.59亿元；湿地在2001年和2017年对生态系统服务总价值的贡献最大，分别为46.81亿元和72.63亿元。2001—2009年期间尉犁县生态系统服务总价值量明显下降，减少了21.79亿元，主要是因为湿地和水域所提供的生态系统服务价值大幅度减少所致，湿地减少了34.07亿元，水域减少了11.12亿元，与此同时，林地和草地面积的增加从一定程度上补偿了生态系统服务总价值近19.06亿元的部分损失。湿地、水域、林地、草地单位面积生态系统服务价值系数在各土地利用类型中占据第一，第二，第三，第四位，如果其面积大幅度减少，就会失去对生态系统服务总价值的重要支撑作用，说明保护湿地和水域、林地、草地具有重要生态意义。虽然沙漠和未利用地单位面积生态系统服务价值系数较低，但其分布较广，1993年、2001年、2009年二者生态系统服务价值甚至超过了水域生态系统服务价值，沙漠最高达22.96亿元，未利用最高达24.55亿元。

表2 尉犁县1993年、2001年、2009年和2017年间土地利用变化及动态度情况

1993—2017年，耕地和建设用地面积均呈增加趋势，引致其生态系统服务价值也呈现持续增加趋势，耕地由1993年的3.76亿元增加至2017年的17.27亿元，增加了13.51亿元；建设用地由0.000 2亿元增加至0.003 3亿元，增加了0.003 1亿元，因为建设用地因其面积小，单位面积生态系统服务价值系数低，所以在研究时段内建设用地提供的生态系统服务价值不对生态系统服务总价值变化产生直接影响，但不能忽视。纵观4个研究时期，研究区各土地利用类型生态服务价值增减趋势与各土地利用类型面积增减趋势基本保持一致；其中耕地、水域与湿地增加的生态系统服务价值对区域生态系统服务总价值变化贡献率会明显增加；研究区应更加合理有效利用土地资源，防止荒漠化的蔓延。

3.3 敏感性分析

利用敏感性分析公式(6)，将单位面积的耕地、林地、草地、建设用地、水域、湿地、盐渍化地、沙漠和未利用地生态系统服务价值系数上下调整50%，得到不同土地利用类型生态系统服务价值系数的敏感性指数(表4)。

结果表明，不同年份不同土地利用类型单位面积生态系统服务价值的敏感性指数均小于1，说明研究区各土地利用类型的在研究时段内单位面积生态系统服务价值系数变化对生态系统服务总价值的影响不大，并缺乏弹性，研究结果是可信的。1993—2017年，耕地、湿地、盐渍化地的敏感性指数总体呈增长趋势，表明其单位面积生态系统服务价值系数变化对生态系统服务总价值产生了放大作用；林地、草地、水域、沙漠、未利用地敏感性指数总体呈减少趋势，表明其单位面积生态系统服务价值系数变化对生态系统服务总价值产生了缩小作用；由于建设用地单位面积生态系统服务价值上下调整50%后，敏感性指数非常小(1993年为115-8，2017年为1 551-8呈增长趋势)，故在此暂定为0。草地在1993年、2009年较其他土地利用类型敏感性指数最大，分别为0.31，0.28，即草地1993年、2009年单位面积生态系统服务价值系数增加1%，总价值分别增加0.31%，0.28%；湿地在2001年、2017年较其他土地利用类型敏感性指数最大，分别为0.28，0.35，即湿地在2001年、2017年单位面积生态系统服务价值增加1%，总价值分别增加0.28%，0.35%；由此可以看出，敏感性指数越小，对生态系统服务价值的影响也就越小。忽略建设用地敏感性指数不计，四年间各土地利用类型敏感性指数最大值与最小值差值分别为0.29，0.26，0.22，0.32，说明不同土地利用类型单位面积生态系统服务价值系数的变化对生态系统服务总价值的影响不大。

表3 尉犁县1993年、2001年、2009年、2017年生态系统服务价值

年份生态服务价值耕地林地草地建设用地水域湿地盐渍化地沙漠未利用地总计1993ESV/亿元3.7625.1548.570.000217.7928.097.1818.5324.55173.612001ESV/亿元8.6411.6730.170.001119.8846.814.1922.9620.65164.972009ESV/亿元9.9220.3040.590.00138.7612.749.8519.4521.56143.182017ESV/亿元17.277.5738.060.003320.0972.6312.1319.2919.26206.301993—2001净变化量/亿元4.88-13.48-18.400.00092.0918.72-2.994.43-3.90-8.64变化率/%16.24-53.60-4.7449.441.478.34-5.203.00-1.99-4.982001—2009净变化量/亿元1.288.6310.420.0002-11.12-34.075.66-3.510.91-21.79变化率/%14.8473.9934.5518.18-55.96-72.78135.02-15.284.42-13.212009—2017净变化量/亿元7.34-12.73-2.540.002011.3459.892.28-0.17-2.3063.11变化率/%73.97-62.71-6.25153.85129.48470.1223.11-0.87-10.6544.081993—2017净变化量/亿元13.51-17.58-10.510.00312.3044.544.950.76-5.2832.69变化率/%359.42-69.90-21.641550.0012.95158.5868.864.09-21.5218.83

表4 不同土地利用类型生态系统服务价值敏感性指数变化

4 结 论

(1) 尉犁县1993—2017年土地利用变化的趋势为耕地、建设用地、水域、湿地、盐渍化地与沙漠面积增加，林地、草地与未利用地面积减少，其中，湿地面积2009—2017年变化速度较快，增加了60 138.54 hm2，动态度为58.77%，耕地和建设用地面积则保持持续增加，耕地面积增加了112 186.98 hm2，动态度为14.98%，建设用地面积变化较为明显，增加了2 062.89 hm2，动态度为57.33%；林地减少了46 173.87 hm2，草地减少了83 319.48 hm2，未利用地面积减少趋势，动态度为-0.90%，但其面积变化绝对量在所有土地利用类型中最大，减少了470 195.55 hm2。

(2) 研究区不同年间土地利用变化引致的生态系统服务价值计算和分析结果表明：1993—2017年，尉犁县生态系统服务总价值整体上呈增加趋势，共增加了32.689亿元，表明研究期间土地利用/覆被的变化产生了较好的生态效益，生态系统服务功能得到了一定程度的改善，其中耕地、建设用地、水域、湿地、盐渍化地与沙漠生态系统服务价值总体呈增加趋势；林地、草地与未利用地生态系统服务价值总体呈减少趋势，这与研究区各土地利用类型面积变化趋势保持一致。在研究期间，不同土地利用类型对生态系统服务总价值的贡献大小从高到低依次为：湿地>草地>未利用地>沙漠>水域>林地>耕地>盐渍化地>建设用地，湿地和草地是尉犁县生态系统服务总价值的主要构成部分，湿地共提供了160.27亿元，草地共提供了157.38亿元；从生态角度上看，未利用地和沙漠单位面积生态系统服务价值系数较低，但二者面积较大，反而带来研究区生态系统服务总价值的增加；相反，水域和林地单位面积生态系统服务价值系数较高，但二者面积相比于沙漠和未利用地较小，所提供的生态系统服务价值也随之变小。

(3) 敏感性分析表明：在研究时段内，尉犁县所有土地利用类型敏感性指数均小于1，各土地利用类型生态系统服务价值的变化对生态系统服务总价值的影响较小，是缺乏弹性的，说明研究结果可信。尉犁县2017年各土地利用类型敏感性指数由高到低依次为：湿地、草地、水域、沙漠、未利用地、耕地、盐渍化地、林地与建设用地，湿地为0.35，草地为0.19，说明目前湿地和草地生态系统服务价值对生态系统服务总价值的影响较大，由于建设用地提供的生态系统服务价值最小，其对生态系统服务总价值的影响不大。

尉犁县作为生态环境脆弱的西北干旱区，在研究期内，土地利用/覆被变化较为明显，主要是受城市化进程中研究区人口的增长致使对建设用地和耕地的需求加大以及大量开荒行为等人类活动的影响。尉犁县应在保障和完善生态系统服务功能的前提下，提高土地利用水平，优化土地利用结构和布局，有效合理的控制建设用地的扩展，在保护林地、草地的情况下合理适度开发未利用地，与此同时，提高全民的生态保护意识，加大环境保护力度，合理配置水资源的管理，实现土地利用和生态环境的和谐发展。