馬依拉·熱合曼,買買提·沙吾提,3,*,尼格拉·塔什甫拉提,3,依克麗曼·阿布都米提,馬春玥,依爾夏提·阿不來提

1 新疆大學資源與環(huán)境科學學院,烏魯木齊 830046 2 新疆大學綠洲生態(tài)教育部重點實驗室,烏魯木齊 830046 3 新疆大學資源與環(huán)境科學學院智慧城市與環(huán)境建模自治區(qū)普通高校重點實驗室,烏魯木齊 830046

土地利用/覆蓋變化(Land use and Land cover,LULC)是人與自然交叉最為密切的環(huán)節(jié),已成為全球環(huán)境變化研究的前沿和熱點課題[1],LULC通過改變生態(tài)系統(tǒng)的結構、過程和功能,在生態(tài)系統(tǒng)維持其服務功能方面起重要作用[2]。因此,研究土地利用/覆蓋變化對生態(tài)系統(tǒng)服務價值(Ecosystem Services Value,ESV)產生的影響具有重要的意義[3]。近年來,國內外眾多學者在生態(tài)系統(tǒng)服務內涵、類型劃分及其價值評估方法等多方面進行了大量研究,并取得了一定的成果[4- 13]。如美國生態(tài)學家Costanza等人就對全球生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行分類,并提出了估算方法,引起了國內外學者的廣泛關注[4]。另外,Daily等[5],David等[6]、Holmes等[7]、Swift等[8]、Yue等[9]、Dale等[10]對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的理論、評價、核算方法和應用等方面開展了廣泛而深入的研究。國內方面, 歐陽志云等[11]利用生態(tài)學和經(jīng)濟學方法,對中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務功能及其生態(tài)價值進行研究,得出中國陸地生態(tài)系統(tǒng)具有巨大的生態(tài)經(jīng)濟效益,對維持我國社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展有不可替代的作用等結論；謝高地等[2]考慮中國國情利用專家知識對該方法進行了改進,建立了中國不同陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值,計算出各地類單位面積上不同功能的生態(tài)系統(tǒng)服務價值的總和；石垚等[12]對中國1998—2008年來陸地生態(tài)系統(tǒng)服務功能所導致的價值變化進行了時空變化與影響因素研究,揭示了中國生態(tài)系統(tǒng)服務價值的空間格局及其變化特征。這些研究有效推動了生態(tài)系統(tǒng)服務價值研究在國內的快速傳播和發(fā)展。隨著研究的逐步深入以及3S等空間技術的快速發(fā)展,國內眾多學者圍繞森林[13]、濕地[14]、草地[15]、河流[16]以及農田[17]等不同類型生態(tài)系統(tǒng)、在區(qū)域[18]、流域[19]以及城市[20]等不同尺度下生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估等方面開展了研究,進一步推進了生態(tài)系統(tǒng)服務價值的評估研究進程。

渭干河-庫車河三角洲綠洲位于新疆塔里木盆地北緣,是典型農業(yè)綠洲。它不但是阿克蘇地區(qū)土地開發(fā)利用較早的灌溉區(qū)及新疆重要的產棉區(qū)之一,也是塔里木石油天然氣開發(fā)的主要地區(qū)[21],具有自然災害頻繁和生態(tài)環(huán)境脆弱特點[22]。受長期農耕活動和水土資源開發(fā)利用的影響,該綠洲土地利用導致的生態(tài)環(huán)境問題日漸突出[23]。前人對于該綠洲的研究多集中于綠洲土地利用動態(tài)變化方面[24- 26]、且現(xiàn)有的生態(tài)服務價值研究[27- 29],從研究尺度和內容上來看,生態(tài)服務價值變化分析缺乏時空視角,尤其是對生態(tài)系統(tǒng)服務價值在空間上的聚集規(guī)律、關聯(lián)模式等分布特征的定量研究尚顯不足,而這種研究對揭示生態(tài)系統(tǒng)服務價值的空間格局及其變化特征與機制很重要[30]。本研究基于渭庫綠洲1994和2016年兩期的遙感影像數(shù)據(jù),利用生態(tài)價值評估模型及GIS空間統(tǒng)計方法,對渭庫綠洲生態(tài)系統(tǒng)服務價值的時空變化規(guī)律進行研究,旨在為干旱區(qū)典型綠洲土地資源可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境保護提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

渭干河-庫車河三角洲綠洲(以下簡稱渭庫綠洲)位于塔里木盆地北部的沖洪積平原,地理坐標介于81°25′—83°16′E、41°05′—41°39′N之間,南臨塔里木河北岸,北抵秋里塔格山,西與溫宿縣相接,東與輪臺縣相鄰,行政區(qū)劃上隸屬于庫車、沙雅、新和三縣(圖1),土地總面積約523.75萬hm2,占全省土地面積的3.16%,其中綠洲土地總面積約為56.09萬hm2,占全疆綠洲面積的3.8%[27]。該綠洲屬于大陸性溫暖帶干旱氣候,年均氣溫10.5—11.4C°,年平均降水量51.6 mm,年平均蒸發(fā)量達2123.7 mm,干旱指數(shù)為17.3—21.8[31]。該綠洲地勢北高南低,地形坡降1%—4%,東西寬約194 km,南北長約322 km,平原區(qū)海拔在940—980 m。種植業(yè)是渭庫綠洲經(jīng)濟的主導產業(yè),農業(yè)主要依賴中高山地區(qū)流下的渭干河、庫車河和塔里木河進行灌溉[32]。土地利用類型主要包括農田、林地、草地、荒地、鹽漬地等；作物主要包括小麥、玉米、棉花、油菜等。由于降水稀少,蒸發(fā)量強,耕地經(jīng)過蒸發(fā)后,大量的水分被吸走,而含在水中的鹽分滯留了下來。這種獨特的氣候造成該綠洲大面積耕地被鹽漬化,土壤有機質含量低,中低產田面積廣。土壤以輕壤土和沙壤土為主,土壤鹽分多以氯化物、硫酸鹽為主[33]。

圖1 渭-庫綠洲示意圖

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

研究區(qū)選擇渭庫綠洲1994年8月22日Landsat TM(30 m分辨)和2016年7月15日的Sentinel2(10 m分辨)影像為遙感信息源。采用ENVI5.1軟件利用6S 模型對兩景影像進行大氣校正,同時以研究區(qū)域1∶25萬地形圖為參考,選擇三次多項式和最近鄰域插值法進行幾何校正,再對校正后的影像數(shù)據(jù)進行波段選擇與組合(假彩色RTM4GTM3BTM2)和統(tǒng)一投影系統(tǒng)等,得到研究區(qū)域的遙感影像。據(jù)研究區(qū)土地利用的實際情況以及參照《土地利用現(xiàn)狀調查技術規(guī)程》和相關研究[26,34]將研究區(qū)的土地利用分為耕地、草地、水域、建設用地和未利用地等5種類型(圖2),采用最大似然分類方法和人機交互相結合的方法對影像進行分類,提取22 年來各期影像的土地利用類型數(shù)據(jù)。通過隨機取樣方法對分類結果進行精度檢驗,kappa系數(shù)分別為0.91,0.82,均高于0.80,可以達到研究所需要求。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值的評價法

本研究運用謝高地等[11]的研究成果,結合研究區(qū)域具體情況,參考相關研究[4- 13],采用生態(tài)服務價值(ESV)的區(qū)域修正系數(shù)(即將價值系數(shù)與地區(qū)修正系數(shù),新疆省為0.58)相乘,考慮到建設用地在水分供應和廢物處理方面對生態(tài)系統(tǒng)的負面影響,采用更換成本法估算建設用地的生態(tài)服務價值[35],可得生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)(VC)表1,如表1所示。ESV[19]的計算公式為:

(1)

ESVf=∑(Ak×VCfk)

(2)

式中,ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務價值；Ak是土地利用類型k的面積(hm2)；VCk是生態(tài)系統(tǒng)價值系數(shù)(元 hm-2a-1) ；ESVf為生態(tài)系統(tǒng)第f項服務功能價值；VCfk是土地利用類型k的第f項服務功能價值系(元 hm-2a-1) 。

表1 渭庫綠洲各地類生態(tài)系統(tǒng)單位面積服務價值系數(shù)/(元 hm-2 a-1)

本文利用生態(tài)系統(tǒng)服務價值動態(tài)度(KESV)分析研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化差異和變化趨勢[13],其計算公式為：

(3)

式中,ESVa為研究初期某區(qū)域或地類的ESV；ESVb為研究末期某區(qū)域或地類的ESV；T為研究時段。若k>0,生態(tài)系統(tǒng)服務價值呈增加趨勢；k<0,生態(tài)系統(tǒng)服務價值呈減少趨勢；k=0,生態(tài)系統(tǒng)服務價值不變[36]。

為了定量分析研究區(qū)生態(tài)服務價值的空間特征,將研究區(qū)劃分為1 km×1 km大小網(wǎng)格單元,分別計算每個格網(wǎng)的生態(tài)服務總價值,建立生態(tài)系統(tǒng)服務價值空間格局圖。

2.2.1 敏感性指數(shù)

相關研究表明[37- 38],敏感性指數(shù)(Coefficient of Sensititive,CS)能夠反映生態(tài)系統(tǒng)服務價值 (ESV) 對生態(tài)價值系數(shù)(VC)的依賴程度。CS的計算公式為：

(4)

式中,CS敏感性指數(shù)；i和j分別是初始價值和生態(tài)價值系數(shù)調整后的價值。當CS<1,表明生態(tài)系統(tǒng)服務價值對于生態(tài)價值系數(shù)是缺乏彈性的；當CS>1,表明生態(tài)系統(tǒng)服務價值對于生態(tài)價值系數(shù)是富有彈性的,比值越大,表明生態(tài)價值系數(shù)的準確性越關鍵[39]。

2.2.2 空間自相關

(1)局部空間自相關指標(Local indicators of spatial association, LISA)。

全局空間自相關是對整個研究空間的一個總體描述,僅僅對同質的空間過程有效,不能有效反映局部區(qū)域單元的空間自相關性[40]。因此,本文局部空間自相關指標(LISA) 和Moran 散點圖相結合的方法,進行局部空間自相關分析。

空間位置為i的局部Moran′s I的計算公式為：

(5)

(2)Moran 散點圖可用來表達生態(tài)系統(tǒng)服務價值的標準化向量ESV(橫軸) 與它的空間滯后向量W_ESV(縱軸) 之間的相關關系。Moran散點圖的四個象限,分別對應于區(qū)域單元與其鄰居之間四種類型的局部空間聯(lián)系形式,分別為“高高(HH) ”、“高低(HL) ”、“低高(LH) ”和“低低(LL) ”。HH 類型和LL 類型為正的空間自相關關系,表示空間單元和周邊單元的空間差異程度小,而HL類型和LH 類型為負的空間自相關關系,表示空間單元和周邊單元的空間差異程度大。

3 結果與分析

3.1 土地利用動態(tài)變化

研究區(qū)土地利用面積變化見表2。從表2可以看出3個特點。首先,研究區(qū)域主要的土地利用類型為草地和耕地分別占研究區(qū)土地面積的41.16%—36.34%,16.5%—27.88%,兩者的面積之和約占整個研究區(qū)域面積的57.66%—64.22%,表明這2種土地利用類型所占比重較大,具有主體地位。

第二,1994—2016年渭庫綠洲土地利用類型的面積均發(fā)生了不同程度的變化,呈現(xiàn)2增3減趨勢：建設用地和耕地均有所增加,其變化率均為正,說明該土地利用類型為正向變化,總體增加。面積增加速度為建設用地>耕地,其中建設用地增加速度最為明顯。說明在這期間,研究區(qū)域城建化速度較快。另外,草地,水域和未利用地有所減少,其變化率為負,說明呈負向變化,總體減少。面積減少速度依次為水域>草地>未利用地,其中草地減少面積最為明顯。

第三,在5類土地利用類型中,耕地由246451.8 hm2增加到416289.55 hm2,變化量為169837.74 hm2,是區(qū)域面積變化最大的土地利用類型,說明該期間,農業(yè)用地變化趨勢較為劇烈。

總之,各類土地利用/覆蓋類型的時空變化各不相同。其中,耕地的時空動態(tài)度在處于凈增加趨勢,水域和草地的動態(tài)度基本上呈現(xiàn)減少趨勢。這說明研究區(qū)耕地和水資源之間的矛盾是該區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展中的關鍵問題之一。

表2 渭庫綠洲1994—2016年土地利用類型變化

圖2 渭庫綠洲土地利用-土地覆蓋圖

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值動態(tài)變化

研究區(qū)1994年和2016年的ESV計算結果及ESV空間分布見表3和圖3。由表3可知,在1994—2016年間對渭庫綠洲生態(tài)系統(tǒng)服務總價值貢獻最大的兩種土地利用類型是草地和水域,兩者的合計貢獻量達80%—60%,其次是耕地為18%—38%,未利用地和建設用地貢獻較小。研究區(qū)總生態(tài)系統(tǒng)服務價值(ESV)呈減少趨勢,由4895.67×106元減少到3864.78×106元,減少了1030.89×106元,年均減少0.96%?？傮w來說,生態(tài)系統(tǒng)服務價值呈現(xiàn)兩增三減的趨勢:草地、水域、未利用的動態(tài)度KESV都小于0,表明ESV總體減少,其中草地減少最多,其次為水域；耕地和建設用地的動態(tài)度KESV都大于0,表明ESV總體增加,其中耕地ESV增加最多,增幅為3.13%,建設用地ESV增加速度更快。通過以上分析并結合上述土地利用變化分析,可以發(fā)現(xiàn),研究區(qū)域ESV降低主要是由于對研究區(qū)內草地的過度開墾以及水域面積的大幅衰減,使得綠州生態(tài)系統(tǒng)服務價值從1994年開始下降,2016年的綠洲生態(tài)服務價值低于1994年的生態(tài)服務價值。

從研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值的空間分布可以發(fā)現(xiàn)(圖3),研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值ESV都具有一定的空間差異。研究區(qū)生態(tài)服務價值較高地區(qū)(ESV超過0.4×106元)主要分布在渭干河上游“克孜爾水庫”周圍區(qū)域和塔里木河北岸等,該區(qū)域屬于水資源較為豐富、草地和水域面積占比高,草地在生態(tài)服務價值計算模型中的權重較大,從而使該區(qū)域生態(tài)服務價值最高；另外,生態(tài)服務價值最高區(qū)域從1994—2016年逐漸縮小,且離散度變高,其中1994年的生態(tài)服務價值(ESV超過1.4×106元)的區(qū)域有一定分布,而到2016年僅存于渭干河上游“克孜爾”水庫周邊區(qū)域；生態(tài)服務價值最低地區(qū)(ESV低于0.1×106元)集中分布在綠洲南部靠近塔克拉瑪干沙漠邊緣和北部靠近天山中部的山區(qū)以及庫車河下游荒漠區(qū)域,該區(qū)土地利用類型主要以未利用地為主,水資源較為匱乏、自然環(huán)境較差,導致該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務價值很低；并且,人類活動干擾程度低,所以生態(tài)服務價值從1994—2016年未發(fā)生顯著變化；生態(tài)服務價值(ESV在0.31×106元—0.4×106元)的區(qū)域分布最多,主要集中分布在渭干河平原灌區(qū)、庫車灌區(qū)、沙雅灌區(qū)等農業(yè)種植區(qū),且2016年明顯多于1994年,這主要是因為該區(qū)域地勢平坦、具有較完善水利設施,適宜農業(yè)耕作,同時人口密度高,對自然生態(tài)系統(tǒng)的干擾程度大,導致該區(qū)域生態(tài)服務價值介于高低之間,且向周圍不斷擴張。生態(tài)服務價值(ESV在0.11×106元—0.3×106元)的區(qū)域相對較少且呈零星點狀分布在綠洲西南部和東部地區(qū),該區(qū)域屬于村居民用地以及未利用地,而這些土地利用類型在生態(tài)服務價值計算過程中的權重較低,導致該區(qū)域指數(shù)也偏低。

表3 渭庫綠洲 1994—2016年各地類生態(tài)系統(tǒng)服務價值(ESV)變化

△：生態(tài)服務價值增加；▽：生態(tài)服務價值減少

圖3 渭庫綠洲生態(tài)系統(tǒng)服務價值空間變化

從生態(tài)服務價值增減區(qū)域變化來看(圖3),減少區(qū)域較多且主要分布在庫車縣的東北,即烏尊鎮(zhèn)、亞哈真等地區(qū)和新和縣西和東南,即塔什力克鄉(xiāng)、尤都神巴格鄉(xiāng)、依其力克鄉(xiāng)等地。另外,還有沙雅縣的南部和東南部等地區(qū),即塔里木鄉(xiāng)、新墾農場、蓋孜庫木鄉(xiāng)等地區(qū)；生態(tài)服務價值增加區(qū)域相對較少且主要分布庫車縣東南的東闊坦鎮(zhèn)和新河縣的北部 “五一水庫”周圍及沙雅縣的西部英買力鄉(xiāng),努爾巴克鄉(xiāng)等均有分散性增加區(qū)域。

整體上來說,生態(tài)系統(tǒng)服務價值量減少的區(qū)域比增加的區(qū)域多,增值區(qū)及減值區(qū)呈包圍態(tài)勢,生態(tài)系統(tǒng)服務高值區(qū)域在不斷縮小,且塔里木河北岸地區(qū)生態(tài)服務價值減少量相對較多,要注重生態(tài)保護和生態(tài)恢復建設。

圖4 渭庫綠洲單項生態(tài)生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化

3.3 單項生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化分析

研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)1994—2016年單項服務價值的分布情況(圖4),各項功能的構成比例變化呈現(xiàn)一定差異,其中廢物處理、水源涵養(yǎng)、土壤形成與保護、生物多樣性保護四項對總生態(tài)系統(tǒng)服務價值的貢獻最大,合計貢獻率為76.42%—70.11%;其次是氣候調節(jié)、氣體調節(jié)、食物生產、娛樂文化四項所占比例22.99%—28.97%；原材料的所占比例很小,在0.58%—0.91%之間。其中,食物生產、氣候調節(jié)、氣體調節(jié)和原材料、土壤形成與保護增加,其他服務功能均有所減少,這與該時期具有重要生態(tài)系統(tǒng)服務功能的草地和水域面積均減少以及耕地和建設用地增加有關。

3.4 敏感性分析

本文將將各類土地利用類型的價值指數(shù)分別調整50% 衡量總生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化[18],計算結果及敏感性指數(shù)如表4所示。生態(tài)服務價值系數(shù)(VC)對于生態(tài)系統(tǒng)服務價值(ESV)變化的影響,使用敏感性指數(shù)(CS)來表達,計算結果如表4所示。結果表明,所有土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)的敏感性指數(shù)(CS)均小于1,表明渭庫綠洲兩期土地利用類型的ESV對VC缺乏彈性,也就是即使VC具有不穩(wěn)定性,但研究區(qū)ESV仍是穩(wěn)健的,這說明生態(tài)價值系數(shù)對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的變化影響較小。建設用地的敏感性指數(shù)最小而草地最大,說明草地對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的貢獻最大。另外,從不同時期的敏感性指數(shù)變化來看,由于耕地面積增加較大,其CS值增加較為明顯,其余的敏感性指數(shù)減少。未利用地,建設用地的敏感性指數(shù)接近0,兩個地類的VC變化對研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值的變化影響不大。敏感性分析表明,采用的生態(tài)服務價值系數(shù)適合研究區(qū)當?shù)貙嶋H情況,研究結果可信。

3.5 空間自相關性

由圖5可見,散點圖定性地區(qū)分出每個格網(wǎng)單元與周圍鄰近單元單位面積生態(tài)服務價值間的相互關系,在圖中,研究區(qū)2個年份空間自相關系數(shù)Moran′s I均為正,且大于0.7,表明研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值ESV分布空間相關性較高；在變化趨勢上,Moran′s I由1994年的0.807下降到2016年的0.746,說明近22年來研究區(qū)ESV空間自相關性趨于減弱；研究區(qū)域生態(tài)服務價值散點主要分布在第一和第三象限,第二和第四象限散點分布較少,說明研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值 ESV的空間分布并非表現(xiàn)出完全隨機性,而是表現(xiàn)出空間相似值之間的空間聚集,即ESV較高的區(qū)域趨于和ESV較高的區(qū)域相鄰,ESV較低的區(qū)域也趨于和ESV較低的相鄰；1994年第一和第三象限的點較為集中,表明在生態(tài)系統(tǒng)價值較高的區(qū)域和較低區(qū)域各格網(wǎng)間差異不大,2016年,第一象限的點較為分散,說明在生態(tài)系統(tǒng)價值較高的區(qū)域各格網(wǎng)之間存在較大差別。

表4 渭庫綠洲生態(tài)系統(tǒng)服務價值(ESV)對其價值系數(shù)的敏感程度(CS)

圖5 1994—2016年渭庫綠洲生態(tài)服務價值Moran 散點圖

鑒于Moran散點圖不能判斷各區(qū)域的局部相關類型及其聚集區(qū)是否在統(tǒng)計意義上顯著,利用Geoda形成聚集圖LISA (圖6)和顯著性水平圖(圖7),旨在更為直觀的觀察研究區(qū)域ESV的空間分布情況。觀察上圖可知,研究區(qū)ESV較高的區(qū)域和ESV較低的區(qū)域呈現(xiàn)出兩極集聚,這進一步印證了Moran散點圖所揭示的研究區(qū)ESV的空間相關性。研究區(qū)生態(tài)服務價值高值聚集區(qū)主要分布在渭干河上游“克孜爾水庫”周圍和塔里木河北岸,并呈減少趨勢,低值區(qū)主要集中在綠洲南部靠近塔克拉瑪干沙漠邊緣和北部靠近天山中部的山區(qū)以及庫車河下游荒漠區(qū)域,這類區(qū)域在空間范圍上呈連片連綿趨勢,空間分布格局上基本保持穩(wěn)定。而低高以及高低聚集范圍很小且變化不明顯。

圖6 渭庫綠洲生態(tài)系統(tǒng)服務價值LISA 聚集圖

LISA顯著性水平圖表示和周圍單元具有顯著空間聯(lián)系。從檢驗結果來看,研究區(qū)域大部分區(qū)域相關性不顯著,相關性主要存在于高高類型區(qū)以及低低類型區(qū),這兩種聚集類型的空間單元存在較強的空間正相關。在綠洲邊緣、山區(qū)和河流周圍等局部地區(qū)在0.001的顯著性水平下顯著,表明這些區(qū)域ESV與其相鄰區(qū)域的ESV存在著很強的正空間相關性。2016年達到顯著水平(P=0.001)的范圍明顯大于1994年的范圍,這種變化主要發(fā)生在綠洲東北部及渭干河上游山區(qū)一帶。

圖7 渭庫綠洲生態(tài)系統(tǒng)服務價值LISA 顯著性水平圖

圖8 渭庫綠洲年平均降水量變化

3.6 驅動力分析

(1)氣候變化

影響生態(tài)服務價值變化的因子很多,既受到自然因素的制約,又受到人文因素的強烈影響,其中氣溫和降水作為最直接的自然因素,必然影響生態(tài)系統(tǒng)的變化。已有的觀測資料表明(圖8),在中國西北地區(qū)氣候變濕的大背景下,從20世紀60年代以來,渭庫綠洲的年降水有逐年增長的趨勢,渭庫綠洲徑流量總體上也呈上升趨勢(表5)[34- 36]。這為渭庫綠洲耕地開墾提供了相對有利的氣候條件,使得耕地面積快速增加,但侵占了其他土地利用類型的必需耗水,且水資源利用率并不高,僅有52%左右[23],導致了水域和草地等土地利用類型的減少,而給大面積的天然綠洲生態(tài)環(huán)境產生了負面影響。從以上分析可以看出,盡管耕地面積有較大幅度增加,促使研究區(qū)生態(tài)服務價值增高,但其增高幅度難以彌補其草地和水域等地類型變化所導致的生態(tài)服務價值下降,因此總體呈下降趨勢。

(2)人口數(shù)量是當前生態(tài)環(huán)境演變,尤其是環(huán)境的退化的一個主要驅動力,隨著人口增長,人們對自然環(huán)境的影響程度也日益增加[36]。

根據(jù)渭庫綠洲歷史時期人口變化(表6)分析發(fā)現(xiàn)[31],該綠洲人口從民國5年(1916) 到民國3(1948)年波動性增加趨勢,而新中國成立以后綠洲的人口發(fā)展進入新的階段。據(jù)統(tǒng)計,渭庫綠洲總人口從1949年的26.98萬增加到2010年的89.2154萬,變化率為231%,年均約增加1.02萬人。隨著人口劇增,土地壓力加重,過墾現(xiàn)象日益突出,興建了大量灌溉、防洪、水土保持、節(jié)水灌溉、治堿等水利基礎設施,造成了水域面積不斷減少,會對該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務價值的降低造成一定影響。同時,雖然2004年該綠洲城市化水平為22.40%,雖然低于全疆平均水平(36.67%),但該區(qū)目前正處于城市化加速發(fā)展時期[25],隨著農村城鎮(zhèn)化加快,鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)興起,非農業(yè)人口比重上升與建設用的擴大也是導致生態(tài)系統(tǒng)服務價值降低的原因之一。

表5 渭庫綠洲氣候和徑流量變化

表6 渭庫綠洲歷史時期人口變化/人

總體上,受氣候變化和人類活動的雙重影響下,草地和水域面積的大幅度下降,耕地和建設用地面積的增加,導致服務價值系數(shù)較高的土地越來越少,使得研究區(qū)的生態(tài)服務價值趨于減弱。

4 討論

本文基于遙感數(shù)據(jù)獲得的土地利用數(shù)據(jù),以空間統(tǒng)計分析方法結合GIS技術,定量分析了土地利用背景下的生態(tài)系統(tǒng)服務價值時空變化及其驅動因子,雖然只是一個嘗試和初步估算的宏觀參考值,由于加入了空間因素,可以客觀地反映了研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值在空間上的聚集規(guī)律、關聯(lián)模式等分布特征,有助于揭示動態(tài)變化規(guī)律,進而探討構建更為合理的生態(tài)系統(tǒng)空間格局。國內外雖然生態(tài)服務價值時空變化研究較多,但基于空間統(tǒng)計與分析來探索ESV 的時空格局演變的研究尚顯不足,本研究補充了這方面的缺陷。另外,由于新疆渭庫綠洲是干旱區(qū)的典型縮影,對反映干旱區(qū)的山地綠洲荒漠系統(tǒng)具有一定的代表性,本研究方法也可為干旱區(qū)內陸河流域生態(tài)安全問題的解決提供一種思路。

從研究結果可以看出,盡管渭庫綠洲耕地面積有一定增加,但草地和水域面積的大幅度下降,導致服務價值系數(shù)較高的土地越來越少,使得研究區(qū)生態(tài)服務價值趨于減弱。尤其是在塔里木河中游兩岸這一帶生態(tài)服務價值減少趨勢更為明顯。值得關注的是,塔里木河兩岸的胡楊林、天然草地和草本植物是渭庫綠洲的天然屏障,它阻擋著塔克拉瑪干沙漠的侵移,維護著綠洲的生態(tài)安全,其生態(tài)作用是十分巨大,在當?shù)氐膰窠?jīng)濟發(fā)展中具有極其重要的作用,一旦被破壞,將較難重建起原有的生態(tài)體系。在今后的發(fā)展中應加強草地和水域等資源的保護和管理,需要進一步明確耕地資源和生態(tài)環(huán)境質量底線,切實做到人口、土地資源及生態(tài)環(huán)境協(xié)調持續(xù)發(fā)展。

研究區(qū)生態(tài)服務價值減少趨勢與新疆其他一些典型區(qū)域生態(tài)服務價值變化趨勢有相似性,也有差異性。如葉爾羌河流域生態(tài)服務價值總量呈減少趨勢,且減少的速率加快[32]；焉耆盆地的生態(tài)服務價值在波動性增加趨勢[33]；阿克蘇河流域生態(tài)系統(tǒng)服務價值整體變化較小,總價值先減后增趨勢[16]；這些區(qū)域雖然都地處塔里木盆地周邊地區(qū),但是生態(tài)服務價值變化趨勢有一定差異。另外,對于北疆來說,也有類似的情況。如瑪納斯縣生態(tài)系統(tǒng)服務價值總體減少趨勢[41]；艾比湖濕地自然保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值整體變化不大,但近年ESV有所降低[42]；天山北坡生態(tài)系統(tǒng)服務價值基本穩(wěn)定[43]。造成這種生態(tài)服務價值變化地域差異性的原因是生態(tài)服務價值的尺度依賴型[44],生態(tài)價值服務評估方法,驅動力等方面的不同,其價值評估結果也存在較大差異[42]。上述研究成果對于干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務在價值評估方面積累了重要的理論和實踐經(jīng)驗。

近年來一些學者對于渭庫綠洲生態(tài)服務價值的評估結果也存在一定的差異性,主要原因一是對不同系統(tǒng)生態(tài)服務價值單價的計算方法不同。在生態(tài)服務價值計算中產量因子和當量因子選取應盡量精確,否則將忽略不同區(qū)域差異。如對于生態(tài)價值系數(shù)來說,張飛[45]、王雪梅[27]等學者直接采用謝高地等的研究成果,此方法是一種全國的平均狀態(tài),將它分別運用于不同區(qū)域時, 忽略了不同區(qū)域差異；還有學者將流域劃分為上、中、下游,在謝高地等的研究成果基礎上,結合當?shù)丶Z食產量和糧食平均收購價格[28],對生態(tài)服務價值當量因子進行了修訂來評價生態(tài)服務價值,喬旭寧等[46]通過調查當?shù)鼐用竦闹Ц兑庠竵矸从吃搮^(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務價值,因此最終生態(tài)服務價值計算結果存在差異。

二是研究所采用的遙感數(shù)據(jù)、生態(tài)系統(tǒng)分類、信息提取方法等不同。如,楊永菊等[47]以Landsat和Quick Bird等遙感數(shù)據(jù)為基本數(shù)據(jù)源,將該流域土地利用類型劃分為林地、草地、耕地、沼澤、水域、未利用地和建設用地7個類別,比本研究增加了林地和沼澤等生態(tài)系統(tǒng)類型；與不同于本研究所使用的數(shù)據(jù),喬旭寧等[29]主要利用農業(yè)、經(jīng)濟社會、水資源利用等方面的統(tǒng)計數(shù)據(jù),分析了本流域農田生態(tài)服務價值變化。因此,這些也會對生態(tài)系統(tǒng)服務價值總量計算帶來一定的偏差和不確定性,但仍然豐富了生態(tài)服務價值評估方法在干旱典型綠洲的應用,為本綠洲生態(tài)補償標準的制訂提供科學依據(jù)。

本研究的研究方法也存在一些不足之處。雖然本研究根據(jù)渭庫綠洲的實際情況對謝高地等生態(tài)服務價值當量因子進行了修訂來評價生態(tài)服務價值,此方法具可操作性、直觀性和突出研究區(qū)特點被廣泛接受和認可,但是這種方法估算的結果仍較粗糙,需結合當?shù)厝藗兊闹Ц兑庠负椭Ц赌芰硇抻喕蛘呓⒁粋€針對渭庫綠洲生態(tài)系統(tǒng)服務價值的指標體系以及相應的價值系數(shù),才能使結果更加符合實際,后期研究將對此方法做進一步改進。同時,需加強不同數(shù)據(jù)源對比和尺度銜接研究[44]。

此外,本文主要側重研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值分布格局的空間展示,受限于資料方面的局限,關于生態(tài)服務價值變化驅動力及其驅動機制不夠深入研究。其實生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化受自然因素的制約,又受社會、經(jīng)濟、技術、政治等人文因素的共同作用的結果[36]。

今后,如何將諸多因子綜合考慮, 更多利用主成分分析、多元回歸分析、相關性分析、灰色系統(tǒng)分析法等數(shù)理統(tǒng)計方法,進一步定量化氣候變化和人類活動對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響,有待深入研究。

5 結論

(1)渭庫綠洲土地利用/覆被方式以耕地和草地為主；土地利用變化顯著,1994—2016年,土地利用類型呈現(xiàn)兩增三減趨勢,其中耕地、建設用地面積增加,而草地、水域和未利用地的面積減少,耕地和草地面積變化最為劇烈,分別為169837.74hm2,-71988.05hm2。

(2)1994—2016年渭庫綠洲的生態(tài)系統(tǒng)服務總價值呈減少趨勢,由4895.67×106元減少到3864.78×106元,減少了1030.89×106元,年均減少0.96%；盡管耕地面積有較大幅度增加,促使研究區(qū)生態(tài)服務價值增高,但其增高幅度難以彌補其草地和水域等地類型變化所導致的生態(tài)服務價值下降,因此總體呈下降趨勢?？臻g上表現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務價值量減少的區(qū)域比增加的區(qū)域多,增值區(qū)及減值區(qū)呈包圍態(tài)勢,生態(tài)系統(tǒng)服務高值區(qū)域在不斷縮小,且塔里木河北岸地區(qū)生態(tài)服務價值減少量相對較多,要注重生態(tài)保護和生態(tài)恢復建設；同時生態(tài)系統(tǒng)單項服務價值出現(xiàn)有增有減的趨勢,廢物處理、水源涵養(yǎng)、生物多樣性保護、娛樂文化等四項單項服務價值出現(xiàn)下降趨勢,而食物生產、氣候調節(jié)、氣體調節(jié)和原材料、土壤形成與保護等其他五項單項服務價值出現(xiàn)上升趨勢。

(3)敏感性分析表明,研究區(qū)生態(tài)服務價值系數(shù)的敏感性指數(shù)都小于1,說明研究區(qū)ESV對于VC是缺乏彈性的,價值系數(shù)適用于渭庫綠洲,研究結果可信。

(4)研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值表現(xiàn)出明顯的空間自相關與空間聚集現(xiàn)象,生態(tài)服務價值高值聚集區(qū)主要分布在渭干河上游“克孜爾水庫”周圍和塔里木河北岸,并且減少趨勢,注意保護高值區(qū)的空間穩(wěn)定性；低值聚集區(qū)主要集中在綠洲南部靠近塔克拉瑪干沙漠邊緣和北部靠近天山中部的山區(qū)以及庫車河下游荒漠區(qū)域,這類區(qū)域在空間范圍上呈連片連綿趨勢,空間分布格局上基本保持穩(wěn)定。

(5)受氣候變化和人類活動的雙重影響下,草地和水域面積的大幅度下降,耕地和建設用地面積的增加,導致服務價值系數(shù)較高的土地越來越少,使得研究區(qū)到生態(tài)服務價值趨于減弱。