天山北坡城市群土地利用及生态服务价值时空演变

刘亚茹, 李 莉, 菊春燕

(新疆农业大学 管理学院, 新疆 乌鲁木齐 830052)

土地利用/覆盖变化是影响全球环境变化的重要因素之一，作为联系枢纽连接着人类社会经济活动和自然物质生态循环的过程[1-2]。土地利用变化对生态服务价值的影响一直是生态服务价值研究的方面之一[3]，因为土地利用的变化直接影响着生态系统结构和功能，进而使生态服务价值发生改变[4]。生态系统服务价值是指(ecosystem services value， ESV)对生态系统提供商品和资源环境进行经济价值评估的表现形式[5]，对于ESV的测算能够为区域生态环境的保护、生态系统管理、生态规划以及生态资产转换相关政策等方面提供重要的基础和依据[6]。近些年来，ESV受到国内外众多生态环境学者的关注，1997年Costanza等[7]基于土地利用开展了生态服务价值的研究，促进了生态系统结构和功能的发展。我国学者谢高地等[8]结合我国的区域生态状况，修订和改进了一套适用于我国的生态服务功能当量因子测算法。根据此方法，我国先后分别从流域[9]、城市群[10]、省市[11-12]、县域[13]等多个尺度展开对ESV的研究。研究内容分为两方面，一方面是对单向ESV[14]和单一生态系统的评估[15]，另一方面趋向于土地利用变化、景观格局变化对ESV影响的研究[16]。整体上来看，静态评估的研究成果较多，未充分综合考虑研究区ESV在时间和空间变化的特征，导致难以体现ESV空间的差异性[17]。2017年，天山北坡城市群被正式列为国家重点建设的19个城市群之一，在稳疆兴疆，推进兵地融合和区域经济发展中发挥着关键性的作用[18]。近些年来，伴随着城镇化的推进和经济的快速发展，天山北坡城市群土地利用结构产生了一定程度的变化；人类活动的影响使土地生态环境问题变得岌岌可危，但是关于西北绿洲城市群土地生态服务价值的研究并不多，使得此区域在生态安全和可持续发展方面缺乏相关的依据。鉴于此，本文采用研究区2000，2010，2018年的LUCC数据，针对天山北坡城市群土地利用和生态服务价值的时空变化进行了定量分析和描述；为了更直观地体现出ESV在不同等级下人类活动的强弱，利用生态景观学知识，探索了研究区近20 a的ESV的景观格局变化。本研究可为天山北坡城市群的生态服务功能的改善和生态景观的建设提供相关的理论指导。

1 研究区概况

天山北坡城市群位于东经84°33′—90°32′，北纬42°78′—45°59′，北接古尔班通古特沙漠，南连天山山脉，资源禀赋优越，地理条件良好，是“一带一路”建设发展的重要驿站之一。年均气温和降水量分别约为7.5 ℃，185.34 mm，属于山地—绿洲—荒漠地带。高山冰雪融水为区域发展提供了水源，草地是主要的绿地覆被类型。天山北坡城市群范围较广，涵盖乌鲁木齐市、昌吉州六县一市、伊犁州奎屯市，塔城地区乌苏市和沙湾县以及吐鲁番地区的两县一区[19]。2018年底，研究区的总人口达到591.71万人，占新疆的总人口的25.09%；国民生产总值达6 566.45亿元，占新疆53.8%；第一、二、三产业的产值分别为484，2 822，3 260亿元；在新疆经济、科技、文化发展中占据着举足轻重的地位。

2 研究方法与数据来源

2.1 数据来源

本文采用基础数据包括：土地利用/覆被数据、粮食产量和价格数据、社会经济数据，具体时间、数据来源、用途详见表1。选取2000，2010，2018年为时间节点。

表1 数据类型及来源

2.2 土地利用动态度

土地利用动态度是指土地利用变化的速率[20]。因此采用单一动态度研究天山北坡城市群的土地利用情况。

单一动态度计算公式为：

(1)

式中：Ka为研究区某种土地类型开始年份a的面积；Kb是该土地类型终止年份b的面积；T是研究时间； 是研究T时间段内单一土地利用动态度。

2.3 生态系统服务价值测算

2.3.1 当量因子生态系统服务价值的修正 参考谢高地等人[21]关于ESV当量因子的研究，确定一个单位面积当量因子的经济价格是全国平均粮食单产市场价格的1/7。2000—2018年，天山北坡城市群的平均粮食产量为6 922.02 kg/hm2，同期新疆平均粮食产量为6 441.05 kg/hm2，参照许丽敏等人[22]的研究以二者的比值进行修正(系数为1.07)，结合2005年谢高地等[23]制定生态系统生物量因子(系数为0.58)，最终确定研究区当量因子修正系数为0.62，2018年研究区的平均粮食价格为2.12元/kg(取自2018年研究区小麦和玉米价格的均值)。最后，参考刘川等人[24]的研究考虑到居民对生态系统的支付意愿和能力，所以引入社会经济发展系数对研究区的生态服务价值进行修正，根据公式的计算得到天山北坡城市群修正过后一个当量因子的经济价值为1 189.09 元/(hm2·a)。社会经济发展系数计算公式为：

(2)

式中：B为社会经济发展系数； BMx代表天山北坡城市群的恩格尔系数； BMc代表全国的恩格尔系数； gdp代表天山北坡城市群的人均国内生产总值； GDP代表全国人均国内生产总值。

2.3.2 生态服务价值评估模型的构建 根据修正后的一个当量因子的经济价值，构建研究区的生态服务价值评估评估模型，计算公式为：

ESV=∑Au·VCu

(3)

ESVk=∑Au·VCuk

(4)

式中：ESV，ESVk分别代表ESV总量(元)、第k项ESV；Au为第指u类土地利用类型的面积(hm2)； VCu为u类土地类型的面积； VCuk为第u类土地类型的第k项ESV。结果详见表2。

表2 天山北坡城市群各土地类型单位面积ESV系数估算结果 元/hm2

2.4 敏感性分析

本研究运用敏感性指数来揭示研究区生态服务价值随时间的变化对价值系数的依赖程度，同时也为了检测所选用和修正的价值系数是否适用于干旱区绿洲城市群的研究。若CS>1，则表明ESV对VC富有弹性，结果可信度低；若CS<1，则表明ESV对VC缺乏弹性，结果可信。计算公式为：

(5)

式中：CS为指敏感性系数； VCif，VCjf为i种土地用类型的价值系数； ESVa，ESVb为调整前后的生态服务价值量。

2.5 景观指数模型

景观指数是高度浓缩景观格局信息的简单定量指标，反映景观结构特征和空间格局的变化[25]。本文运用景观指数来定量化体现天山北坡城市群ESV低、中、高区的景观格局演变特征。

参照前人研究，结合研究区域的具体特征和研究的实际需要，从斑块类型水平上选取6项指标分别为斑块面积(CA)，斑块数量(NP)、景观形状指数(LSI)、最大斑块指数(LPI)、斑块分散度(SPLIT)、集聚度(AI)。通过这6项指标来探究城市群ESV的景观格局变化。具体景观指数的计算方法和意义详见表3。

表3 景观指数的算法与生态意义

3 结果与分析

3.1 天山北坡城市群土地利用变化分析

将研究区的25个二级地类，运用ArcGIS软件重分类为6个一级地类，分别为耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地。由表4可以看出，2000—2018年天山北坡城市群的未利用地分布最广，占总面积的比重达到53.90%～54.60%；草地是占比为第二位的土地利用类型，所占比例为30.47%～32.00%。耕地面积占比从2000年的10.03%上升到2018年的11.62%，建设用地、林地、水域用地的比重较小，研究期间3者面积约占研究区总面积的3.36%～4.00%。

利用公式(1)计算研究区2000—2018年的土地利用动态度(表4)。由表4可得，从单一土地利用动态度来看，研究期间天山北坡城市群土地利用类型面积呈“3增3减”的状态发展，即耕地、建设用地、水域的单一动态度呈正向发展，而林地、草地、未利用地单一动态度与之相反。2000—2018年耕地和建设用地动态较为活跃，二者面积分别增加了3 084.46 km2，1 073.77 km2，这两种土地类型面积的增多和研究区人口的增多以及城镇化的发展有密切的关系；水域面积增加89.96 km2，因为各个城市的发展建设需要修建人工湖和水库，所以水域会出现一定程度的增加。研究区草地开垦和破坏力度的加大，使其持续大量减少，近20 a来草地面积共计减少3 008.07 km2；与此同时，未利用地面积减少1 203.57 km2；林地面积呈现持续下降的趋势，因林地所占面积较少，所以变化并不明显。

表4 天山北坡城市群土地利用变化及单一动态度

为了更清楚地来展示天山北坡城市群的土地利用的时空转移变化，研究利用转移矩阵来表示不同时期土地类型的相互转移变化情况(表5—6)。研究期间，草地、耕地、未利用地、建设用地这4类用地类型转移变化较为显著，林地和水域转移变化幅度较小。2000—2010年，研究区草地和未利用地面积向耕地共转入1992.25 km2；原因是西部大开发政策实施以来，随着城市群城镇化速率的加快，人口的增多，对食粮的需求的越来越迫切，毁草开田项目相应增多，导致耕地面积扩张；2010—2018年，耕地和未利用地共向草地共转移630.6 km2；其中耕地向草地转移比前10 a更为显著，因为2010年后国家提出生态文明建设，随着天山北坡城市群“三北防护林”工程的推进，退耕还草还林政策的实施，使得耕地向草地转移明显。

社会经济的快速发展促进公共设施用地、工矿用地、城乡居民点的兴建，需开发未利用地和侵占大量的耕草地来满足建设用地的需要，因而2010—2018年未利用地、草地、耕地向建设用地共转移988.77 km2，是前10 a转移量的7.12倍；研究时间段内水域和林地与其他地类相互转移虽不太明显，但仍有少量的草地向水域和林地转移。

表5 天山北坡城市群2000-2010年土地利用转移变化矩阵 km2

表6 天山北坡城市群2010-2018年土地利用转移变化矩阵 km2

3.2 天山北坡城市群生态服务价值时空变化分析

3.2.1 生态服务价值时间变化分析 根据单位面积ESV系数表(表2)，计算得到2000，2010，2018年天山北坡城市群单项生态服务价值(表7)。2000—2018年，天山北坡城市群的ESV的总量分别为1 410.76，1 412.03，1 400.17亿元，整体减少10.59亿元。近20 a来，调节服务、支持服务、文化服务、供给服务的占比平均值由大到小分别为50.86%，33.18%，8.03%，7.92%。总体来看，除供给服务ESV呈上升趋势外，其他3类一级生态服务功能均减弱。调节服务主要由4类二级生态服务功能类型构成，2000—2018年气体、气候、水文调节和废物处理的平均ESV分别为150.33，182.34，184.54，198.97亿元；整个研究期，气体调节和气候调节服务功能呈下降趋势，二者价值共损失4.38亿元，这两种调节功能的变化和研究区的草地变化密切相关。天山北坡城市群的草地面积较大，变化也较为明显，调节服务ESV的变化和草地变化趋势一致；水文调节ESV呈现出先增加后减少又增加的发展态势，近20 a间废物处理ESV功能共增加1.50亿元，该功能和水域面积的变化情况相似。各类调节服务ESV由小到大排序为：气体调节<气候调节<水文调节<废物处理。支持服务中保持土壤和生物多样性ESV功能持续减弱，二者近20 a ESV减少量分别为2.9，3.33亿元，这2种支持服务ESV的减少与草地面积下降有关，除此之外还受到林地和裸地变化的影响。

天山北坡城市群20 a来食物生产功能共计增加2.14亿元，食物生产服务功能受耕地的影响较大，研究期间耕地面积不断地扩张，食物生产ESV的变化和耕地动态变化具有一致性；原材料生态服务功能波动较小，基本维持原状。文化服务功能的变化受林地和草地的影响较大，研究期间娱乐文化ESV从2000年114.32亿元下降到2018年的111.89亿元，共计损失2.43亿元；且平均ESV为113.19亿元，仅占总ESV的8.03%。

表7 天山北坡城市群单项ESV估算表 108元

3.2.2 生态服务价值空间分异 为了对比天山北坡城市群ESV的空间差异性，基于ArcGIS 10.5空间分析功能构建渔网图，利用渔网图和研究区的土地类型进行叠加运算，计算得出每个格网的ESV。通过ESV的值对研究区的ESV进行分区，制作出3期天山北坡城市群ESV空间分区分异图。2000，2010，2018年的ESV分区均以0(元/hm2)≤ESV<6 000(元/hm2)为低ESV区、6 000(元/hm2)≤ESV<12 000(元/hm2)为中ESV区、ESV≥12 000(元/hm2)为高ESV区进行划分。

从ESV空间分布分析的结果可以看出(图1)，2000，2010，2018年天山北坡城市群ESV空间分布特征相似，城市群空间分布呈现出西北部和中部高，北部和东南部低的空间分布特征，高ESV区主要沿玛纳斯河和乌鲁木齐河流域、北疆山地(博格达山、天山)分布；中ESV区主要延绿洲城市由东向西呈条状蔓延；而低ESV区小部分聚集在城市的建成区，大部分分布在乌鲁木齐市达坂城区、吐鲁番盆地、以及昌吉州北部地区；因该地区属于荒漠地带，年降水量较小，加上恶劣的自然环境导致ESV较低。研究区低ESV区>高ESV区>中ESV区，近20 a来(表5)，低ESV区和高ESV区平均面积分别超过1.15×107hm2，5.00×106hm2，且分布比较集中。近些年来，低ESV区和高ESV区的面积也在不断地缩减，并开始向中ESV区转移，中ESV区面积上升率为11.43%，高ESV面积的下降率为4.57%。由此可以看出研究区生态环境发展不容乐观，需要加大生态环境的治理力度。

图1 天山北坡城市群2000-2018年低、中、高ESV区空间分布

单纯从ESV空间分布来看，并不能完全展现出研究区各行政区域的空间生态服务价值分布状况，因此计算出各行政区的不同年份的ESV总量(表8)。由结果可知，乌苏市ESV总量最大，2000—2018年平均ESV约为164.90亿元；石河子市的ESV总量最小，近20 a年平均ESV仅为3.98亿元。综合空间和时间变化对比发现，2000—2010年、10 a间ESV总量变化波动较小，研究区ESV总量呈现出小幅度上升的特点；其中克拉玛依市和沙湾县ESV总量增加最为明显，其余县市变化较为平稳。2010—2018年出现了幅度较大、范围较广的生态服务价值减少趋势，主要集中在乌鲁木齐市、石河子市、五家渠市、昌吉市、玛纳斯县、奎屯市等经济较发达的县市ESV减少最为剧烈。

总体来看2000—2018年，天山北坡城市群中有6个县市的ESV总量上升，11个县市ESV总量下降；ESV总量提升的县市主要分布在天山北坡城市群的东部的木垒县、吐鲁番地区的县市以及西北部的克拉玛依市；其中克拉玛依市的ESV总量增加最为明显，ESV总量净增加1.31亿元。

表8 天山北坡城市群2000-2018年各行政县市ESV变化

3.3 敏感性分析

利用敏感性分析公式，将各土地类型的生态服务价值系数上下调整0.5，计算出了天山北坡城市群各土地利用类型的敏感性指数。由表9可以看出，2000—2018年的各土地利用类型的敏感性指数均小于1，说明天山北坡城市群的生态服务总价值对生态服务价值系数缺乏弹性，修正系数适合研究区，由此可以证明结果可信。2000—2018年耕地和水域的敏感性指数增大，说明近20 a来耕地和水域的生态服务价值系数对天山北坡城市群的生态服务总价值的作用增强。研究期林草地和未利用地的敏感性系数不断地下降，说明这3种土地类型的生态服务价值系数对研究区总的生态服务价值产生了减弱的作用。草地的敏感性指数为0.581 3～0.610 9，是敏感性指数最大的土地类型，其次是耕地和未利用地，敏感型指数分别为0.129 6～0.167 0,0.124 1～0.122 7，林地和水域的敏感型指数较小，为0.061 0～0.084 6。

表9 天山北坡城市群生态系统服务价值的敏感性

3.4 生态服务价值景观格局变化分析

基于天山北坡城市群2000，2010，2018年ESV空间分区分异图，采用Fragstats 4.2软件计算研究区低、中、高ESV区的景观指数，选用斑块类型水平的指数(表10)，探讨研究区近20 a来天山北坡城市群的ESV景观格局变化，通过斑块类型水平上的景观格局的变化来进一步展示人类活动对生态环境的影响。研究期时间段内，低ESV区的NP呈现出先增加后减少的变化趋势，2000—2010年，低ESV区的NP不断地增加，表明这段时间里景观破碎化严重。与此同时，最大斑块指数LPI呈下降趋势，表明低ESV区的景观优势度削弱，人类活动在低ESV区逐渐增强。城镇化的发展影响着低ESV区的景观结构，导致景观破碎化加剧；同时在这段时间内大众的环保意识薄弱，为了快速提高GDP，工业发展迅速，导致三废的排放增加，产生一系列空气河流污染的严重环境问题，造成低ESV区的景观破碎化严重。2010—2018年，低ESV区的NP减少，这段时间内，环境保护受到重视，人口资源环境协调发展成为城市群关注的重点，低ESV区的破碎度减小。研究期间，低ESV区的AI不断地增加，说明随着社会的发展，斑块聚集度增加。中ESV区的NP最多，且整体呈下降趋势；同时，LSI指数逐渐减小，说明中ESV区内部生态功能加强，景观破碎度减弱，斑块复杂度降低。中ESV区LPI和AI分别由2000年的6.73，54.75增加到2018年的8.01和59.87，因为中ESV区食物生产ESV功能逐年增强，粮食作物种植的增多使得中ESV区景观斑块更趋向于集中连片，连片斑块规模增加，集聚度上升明显，景观优势也在不断地增强。高ESV区受人类活动的影响，SPLIT不断地增加，LPI不断地下降，说明生态系统的破坏强度增大，景观优势度减弱，景观分散度加大。因受气候变化和社会畜牧业不合理因素的影响，以及人类在高ESV区进行开垦和挖掘，导致高ESV区的植被稀疏、水土流失严重，高ESV区的土壤保持和生物多样性的生态功能锐减，景观优势度减小，景观破碎化程度加深，研究前期聚集度大于后期，说明研究后期高ESV区环境受人类活动更为频繁。

表10 天山北坡城市群2000-2018年低、中、高ESV区斑块类型水平指数

4 结论和讨论

4.1 结 论

(1) 天山北坡城市群未利用地、草地约占研究区总面积的85%，研究区土地利用呈现出耕地、建设用地、水域面积增加，草地、林地、未利用地面积减少的特点；2000—2018年耕地、草地、建设用地、水域的动态变化较为明显，动态度分别为0.88%，-0.27%，2.77%，-0.29%；土地利用转移主要表现出草地与未利用地—耕地、耕地与未利用地—草地、耕草地与未利用地—建设用地转移的局势，其他地类转移幅度较小。

(2) 2000—2018年天山北坡城市群生态服务价值发展趋势先增加后减少，ESV净减少10.59亿元。从单向生态服务价值来看，表现为：调节服务>支持服务>供给服务>文化服务；其中支持服务ESV损失最多，草地大量减少是造成该模块ESV减少的主要原因。从研究区各个行政区的ESV变化总量上来看，近20 a乌鲁木齐市和乌苏市的ESV总量下降较多，克拉玛依市ESV总量增加最多；从ESV的空间格局变化上来看，研究区ESV呈现出西北部和中部高、北部和东南部低的空间分布特征，并且低ESV区和高ESV区的面积在不断地缩减，并开始向中ESV转移。

(3) 天山北坡城城市群的ESV景观格局的特征可以看出：低ESV区的集聚度最高是研究区的优势景观，景观破碎化严重；中ESV区的景观形状最为复杂，景观分散度减小，景观优势度增加，景观趋于连片发展；高值区的聚集度先上升后下降，景观优势度弱化。

(4) 草地对天山北坡城市群的生态服务价值维系起着主导性的作用，草地所分布的区域是高ESV区，由于草地面积大量流失，所以高ESV区的生态变化明显，景观优势度削弱；因此将来的生态保护需要更加侧重于草地生态系统的保护。

4.2 讨 论

城市群作为新型城镇化的空间主体，城市群的发展不可避免会对生态环境产生重大影响，这种影响对于山地—绿洲—荒漠的天山北坡城市群尤为明显，所以对于干旱区绿洲城市群的生态服务价值的研究非常必要。从研究结果可以看出，近20 a来研究区的生态环境不容乐观，从而致使研究区的ESV总量有所减少。针对不同的ESV等级需要采取不同的措施治理城市群的生态环境，对于高ESV区(乌鲁木齐市、木垒哈萨克自治县、奇台县、呼图壁县)，减少或者禁止对林草地的破坏和开垦，采用更多元的生态修复工程，政府强化落实监管责任，加之引导人们树立正确生态保护理念，减轻人为对生态环境的干扰程度；对于中ESV区，尤其是以农业发展为主的县市(石河子市、玛纳斯县、沙湾县、乌苏市、奎屯市)，通过改善研究区的农业种植结构和技术来提高粮食的单位面积产量，大力推广林果业的种植，进而使研究区的ESV有所提高；对于低ESV区，要因地适宜合理进行开发未利用土地，科学合理地划定城市群建设用地的生态红线，增加建成区的生态用地，人工开发小湖泊，积极调整产业结构，保持生态和经济发展和谐共生，对于未利用地根据当地的实际情况适当开发和利用，从而减轻对生态系统的压力。

本研究利用空间统计分析等方法，揭示了研究区在土地利用变化背景下ESV时空演变规律，并在此基础上探究了低、中、高ESV区受人类活动强弱的影响状况。近年来，我国关于ESV的研究涌现出丰硕的成果，以往的研究多是对土地利用类型的景观指数进行计算，但是从景观格局角度出发对不同等级ESV景观变化特征进行探索的不多，该研究在一定程度上丰富了ESV的研究内容。在单位面积ESV系数的核算方面，虽然在谢高地当量因子法的基础上对价值系数进行了适当的修订，但是鉴于干旱区城市群生态系统的复杂性，本文的研究考虑仍是不全面的。今后ESV研究中应采用一套更为合理的修正方法，更能准确地体现出干旱区城市群的生态服务价值变化，比如可以结合遥感影像将研究区生态系统净初级生产力(NPP)和绿值指数纳入到研究中来，使研究的结果更有价值性和说服力。