寧 珊,張正勇,*,周紅武,李 麗,趙貴寧

1 石河子大學(xué)理學(xué)院, 石河子 832000 2 鴻合科技股份有限公司, 烏魯木齊 830000

生態(tài)系統(tǒng)通過其結(jié)構(gòu)和生態(tài)過程能夠提供人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)與自然環(huán)境,即人類生活所必需的生態(tài)產(chǎn)品和保證人類生活質(zhì)量的生態(tài)功能兩部分[1]。土地作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,其利用結(jié)構(gòu)與自然界生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能緊密相連,因而土地利用結(jié)構(gòu)的變化必將對生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價值產(chǎn)生一定影響[2]。近年來,伴隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,對土地的消耗和需求逐年上漲,土地供需矛盾日益突出,土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)控勢在必行[3],因此,在土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化背景下研究生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價值變化對促進(jìn)區(qū)域生態(tài)建設(shè)和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(Ecosystem Services Values,ESV)已成為生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)研究的熱點。目前,對于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的估算方法可分為兩類：一類是單位面積服務(wù)功能價格法[4]；另一類是基于單位面積價值當(dāng)量因子的方法[5]。其中前一種方法涉及的參數(shù)很多,計算非常復(fù)雜,而且各個參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)也難以統(tǒng)一[6]。而后種方法對數(shù)據(jù)需求和專業(yè)技術(shù)要求較簡單,能夠?qū)崿F(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的快速評估,評估結(jié)果直觀且易于理解,成為了近年來眾多學(xué)者常用的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估技術(shù)之一[7]。土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的維持起重要作用[8],其中土地利用結(jié)構(gòu)的變化直接決定區(qū)域土地生態(tài)效益,當(dāng)前土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法主要包括：注重土地利用數(shù)量、面積及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化模式,如：張磊和王元[9]采用灰色線性規(guī)劃法對土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,譚峻[10]建立最優(yōu)化非線性規(guī)劃模型,模擬得到土地利用最優(yōu)化結(jié)構(gòu),趙陽等[11]采用多目標(biāo)線性規(guī)劃法,通過調(diào)整土地利用類型實現(xiàn)流域生態(tài)服務(wù)的權(quán)衡優(yōu)化；另外還有部分學(xué)者通過改變土地利用的空間結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)其優(yōu)化,如魏麗娜[12]采用信息熵和模糊數(shù)學(xué)法、何鑫等[13]采用模擬退火遺傳算法及郭凌志[14]運用蟻群優(yōu)化算法分別對區(qū)域的土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化配置研究。灰色線性規(guī)劃是一種動態(tài)的線性規(guī)劃,可通過調(diào)整不同的參數(shù)得到不同的結(jié)果,從而使規(guī)劃靈活多變,為決策者提供更大的選擇空間,因此成為了眾多學(xué)者所采用的方式[15]。土地利用變化受到各種復(fù)雜因素的影響,涉及諸多變量,而有些影響因素又具有不確定性[16],據(jù)此,本文以生態(tài)服務(wù)功能為視角,將灰色線性規(guī)劃(Grey Linear Programming,GLP)與GIS空間分析相結(jié)合,同時關(guān)注各土地利用類型的面積、數(shù)量及空間結(jié)構(gòu)的變化,對區(qū)域生態(tài)服務(wù)價值進(jìn)行比較研究,探索適合研究區(qū)土地資源利用優(yōu)化的配置方案,進(jìn)而提出土地資源優(yōu)化的可行性措施與建議。

瑪納斯河流域擁有著獨特的山地-綠洲-荒漠生態(tài)系統(tǒng),形成了干旱區(qū)特有的景觀形態(tài)及空間格局,作為新疆最大的綠洲農(nóng)耕區(qū)和我國第四大灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)[17],其生態(tài)問題一直是科學(xué)家關(guān)注的焦點。本等文選取西北干旱區(qū)典型流域——瑪納斯河流域作為研究區(qū),借助遙感影像提取研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù),采用單位面積當(dāng)量因子法,估算流域生態(tài)服務(wù)價值并分析其時空變化規(guī)律；基于生態(tài)效益最大化原則,利用GLP進(jìn)行研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化,探討優(yōu)化前后土地利用結(jié)構(gòu)及生態(tài)服務(wù)價值變化,為實現(xiàn)干旱區(qū)內(nèi)陸河流域土地利用合理規(guī)劃及生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

瑪納斯河流域位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣,發(fā)源于天山北坡,流域總面積5156 km2,地理范圍介于43°05′—45°55′N,85°00′—87°00′E之間(圖1)[18],地跨烏蘇市、和靜縣、奎屯市、沙灣縣、呼圖壁縣、尼勒克縣、瑪納斯縣、石河子市、克拉瑪依市和和布克賽爾縣等10個市縣。解放后興修水庫,渠灌事業(yè)迅速發(fā)展,成為著名的棉糧產(chǎn)地。西部大開發(fā)以來,土地利用已由傳統(tǒng)的水土開發(fā)、農(nóng)業(yè)墾殖主導(dǎo)型,轉(zhuǎn)向現(xiàn)代城市經(jīng)濟(jì)、生態(tài)經(jīng)濟(jì)模式,使流域土地利用變化過程及生態(tài)服務(wù)均發(fā)生了新的改變[19]。

圖1 研究區(qū)示意圖 Fig.1 Schematic diagram of the study area

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

本研究選擇瑪納斯河流域4期Landsat ETM影像(2000、2005、2010和2015年)和1期Landsat TM影像(1990年)作為遙感數(shù)據(jù)源,其由美國地質(zhì)勘察局(USGS)官方網(wǎng)站(https://glovis.usgs.gov/)提供,空間分辨率為30 m；DEM數(shù)據(jù)由地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)提供,空間分辨率為30 m?；贓nvi 5.3軟件,對遙感影像進(jìn)行大氣校正、拼接以及裁剪等預(yù)處理后,根據(jù)《中國土地分類系統(tǒng)》、流域內(nèi)景觀類型及遙感影像等特點,采用面向?qū)ο蠓ㄟM(jìn)行土地利用分類解譯,將土地利用類型劃分為冰川/永久積雪、草地、林地、耕地、水域、建工用地和未利用地等7種類型。糧食數(shù)據(jù)來源于《2016年新疆統(tǒng)計年鑒》、《2016年新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)統(tǒng)計年鑒》及文獻(xiàn)資料等。社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)主要來源于《石河子市總體規(guī)劃(2014年)》及統(tǒng)計年鑒等。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估

本研究結(jié)合瑪納斯河流域?qū)嶋H情況,對謝高地等提出的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)進(jìn)行訂正[5],基于瑪納斯流域所在的10個市縣的相應(yīng)年份平均農(nóng)田糧食單位面積產(chǎn)量作為流域逐年修訂系數(shù),制定出流域單位生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量表(表1),并且運用Costanza生態(tài)服務(wù)價值公式[20](式1)計算流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值。

(1)

式中：ESV為研究區(qū)年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值,元/a；Vci為第i類土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量,元/(hm2·a)；A2i為第i類土地利用類型的面積。

2.3 灰色線性規(guī)劃

灰色線性規(guī)劃模型借助于灰色GM(1,1)模型和灰數(shù)理論,在一定程度上避免了一般線性規(guī)劃中出現(xiàn)的問題,其形式如下：目標(biāo)函數(shù)為max(min)Z =?(C)X,約束條件為?(A) X≤?(B) 和∑X≤?(Y)或≥?(Y)；其中X=(X1,X2,…,Xn)為決策變量,Xj≥0 (j=1,2,…,n),Z為目標(biāo)函數(shù),?C=(?c1,?c2,…,?cn)為Xj的價值系數(shù),?B=(?b1,?b2,…,?bn)為資源限制量,可通過灰色GM(1,1)模型來預(yù)測[21]。最后采用Lingo軟件求出最優(yōu)解。

本文根據(jù)瑪納斯河流域土地利用現(xiàn)狀和生態(tài)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求,以2015年為基礎(chǔ)年,以2020年為目標(biāo)年,構(gòu)建了基于生態(tài)效益最大化的目標(biāo)函數(shù)(社會效益及經(jīng)濟(jì)效益為約束函數(shù)),即在保證社會效益和經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)上,生態(tài)效益最大時的土地利用結(jié)構(gòu)作為最優(yōu)土地利用結(jié)構(gòu)。

2.3.1變量的設(shè)置

本文從流域土地利用的實際情況出發(fā),根據(jù)模型變量的設(shè)置原則,將土地利用優(yōu)化配置的模型設(shè)置為7個決策變量：冰川(x1)、草地(x2)、水域(x3)、林地(x4)、建工用地(x5)、耕地(x6)和未利用地(x7)。

2.3.2目標(biāo)函數(shù)及約束條件的建立

根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值理論,當(dāng)研究區(qū)各類土地資源利用的總體生態(tài)服務(wù)價值達(dá)到最大時,必然實現(xiàn)了土地用地優(yōu)化的目標(biāo),即各類土地利用產(chǎn)生的生態(tài)效益最大化。因此,生態(tài)效益目標(biāo)函數(shù)為：

Maxf(x)=109.89x1+387.23x2+1900.64x3+843.05x4+8.83x5+84.53x6+13.91x7

(2)

受社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的制約,并考慮到流域各種土地資源的限制,確定了8個約束條件如下：

(1)土地總面積：研究區(qū)總面積不會發(fā)生變化,故優(yōu)化后各土地利用類型總面積也不會發(fā)生變化,即S=340.1×104hm2。

(2)冰川：近幾十年來,隨著全球變化及人類活動的加劇,冰川面積呈現(xiàn)減少趨勢。但由于冰川生態(tài)服務(wù)價值較大,因此現(xiàn)有冰川面積不能繼續(xù)減少,且冰川增加非人力所能控制,即冰川面積需保持現(xiàn)狀,即x1=12.14×104hm2。

(3)草地：由于研究區(qū)生態(tài)較脆弱,容易發(fā)生沙漠化和鹽堿化,同時參照研究區(qū)草地資源現(xiàn)狀和后備資源條件及畜牧業(yè)的情況,研究區(qū)應(yīng)擴(kuò)大草地面積。即x2≥122.37×104hm2。

(4)水域：為保證研究區(qū)居民用水、生活用水及工業(yè)用水等及時供應(yīng),現(xiàn)有水域面積需要增多。5期數(shù)據(jù)中,2000年水域面積最大,其原因在于1995年左右發(fā)生了氣候突變,導(dǎo)致降水增多、氣溫上升以及徑流量增多。突變現(xiàn)象比較罕見,若在一般情況下,水域面積不會超過2000年水域面積。即2.35≤x3≤4.02×104hm2。

(5)林地：基于新疆脆弱的生態(tài)系統(tǒng),防風(fēng)固沙是主要治理目標(biāo)。因此,應(yīng)以現(xiàn)有林地面積為底線,優(yōu)化后林地面積不能少于7.4×104hm2。即x4≥7.4×104hm2。

(6)建工用地：根據(jù)《石河子市總體規(guī)劃(2014年)》,為保證社會經(jīng)濟(jì)正常發(fā)展,并且考慮到整個流域的生態(tài)文明建設(shè),在2015年的基礎(chǔ)上,2020年石河子市的建工用地面積需控制在4.97×104hm2范圍之內(nèi)。由于研究區(qū)內(nèi)其他城市的規(guī)劃資料難以獲取,為此本研究根據(jù)石河子規(guī)劃的限定條件去推算整個流域的面積限額。即7.62≤x5≤9.71×104hm2。

(7)耕地：其面積限定條件與建工用地大體一致,到2020年耕地面積不能超過71.23×104hm2。即70.83≤x6≤71.23×104hm2。

(8)未利用地：據(jù)流域?qū)嶋H情況,為實現(xiàn)土地的高效利用,將進(jìn)一步開發(fā)未利用地為其他土地利用類型,故其面積將減小。即x7≤117.35×104hm2。

表1 瑪納斯河流域不同土地利用類型單位面積生態(tài)服務(wù)價值/(元/hm2)

3 結(jié)果與分析

3.1 瑪納斯河流域土地利用變化分析

圖2 瑪納斯河流域各土地利用類型面積比例 Fig.2 Percentage of land use types in the Manas River BasinGl：冰川,Glacier；Gr：草地,Grassland；We：水域,Wetland；Wo：林地,Woodland；Co：建工用地,Construction land；Cr：耕地,Cropland；Un：未利用地,Unutilized land

在Arc GIS軟件的支持下,運用馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣方法,對瑪納斯河流域1990—2015年間土地利用分類數(shù)據(jù)(圖2)分析得到：近30年來研究區(qū)林地、冰川、草地和未利用地等面積持續(xù)減少,建工用地和耕地的面積則逐期增加,且建工用地增加幅度顯著,其遞增速率為0.18×104hm2/a。流域草地和未利用地是主要的土地利用類型,占整個流域的70%左右；水域、建工用地和林地所占面積較小。研究期間,變化最大的是建工用地,其次是耕地,有12.24%的建工用地轉(zhuǎn)變?yōu)楦?新增的建工用地主要由耕地2.35×104hm2和草地0.98×104hm2轉(zhuǎn)變而來,新增的耕地主要由草地和林地轉(zhuǎn)變而來；冰川面積變化較小,有5.47%的冰川轉(zhuǎn)變?yōu)槲蠢玫亍?/p>

3.2 瑪納斯河流域生態(tài)服務(wù)價值時空變化

3.2.1生態(tài)服務(wù)價值時間變化

根據(jù)公式(1),計算了各年份的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值以及單項服務(wù)價值,由圖3可知,1990—2015年間流域ESV總體呈下降趨勢,由1990年的789.58×106元減少至2015年的671.34×106元,約減少了14.97%。研究區(qū)ESV從高到低排列依次是草地、林地、水域、耕地、未利用地、冰川/永久積雪和建工用地。草地是流域ESV主體,占整個流域72%。1990—2000年間,雖然水域、耕地和建工用地價值呈現(xiàn)增長趨勢,但是同期草地和林地分別減少了60.49×106和3.5×106元,因此,流域的總ESV在該時段實際損失41.19×106元。與1990—2000年相似,2000—2015年耕地和建工用地依舊增長,但草地、水域、林地和未利用地有所降低,尤其是草地和水域,分別減少58.62×106與31.7×106元,在該時段流域的總ESV損失77.04×106元。綜上所述,流域中各種土地利用類型的變化導(dǎo)致了生態(tài)服務(wù)價值的轉(zhuǎn)變,從而使生態(tài)效益逐期下降。

圖3 瑪納斯河流域1990—2015年生態(tài)總價值變化Fig.3 Changes in the total value of ecosystem in the Manas River Basin from 1990 to 2015

從表2中可知,在生態(tài)服務(wù)總價值結(jié)構(gòu)中水文調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、土壤保持和生物多樣性所占比例最高,這四者的ESV占總價值的70%左右,尤其調(diào)節(jié)服務(wù)功能對于流域的ESV起決定性作用,其次是支持服務(wù)；水資源供給最小,僅為0.12×106元。研究期間,只有食物生產(chǎn)逐期增加,且速率顯著,為0.25×106元/年,主要原因在于耕地(食物生產(chǎn)價值最高系數(shù)者)的增長；其他的二級服務(wù)類型均減少,特別是氣候調(diào)節(jié),其次為水文調(diào)節(jié),原因在于水域和林地(氣候調(diào)節(jié)和水文調(diào)節(jié)價值最高系數(shù)者)的減少。從一級服務(wù)功能類型服務(wù)4個單項來看,占總體比例從大到小依次是：調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)、供給服務(wù)和文化服務(wù)；從11個二級服務(wù)功能來看,從大到小依次是：水文調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、土壤保持、生物多樣性、氣體調(diào)節(jié)、凈化環(huán)境、美學(xué)景觀、食物生產(chǎn)、原料生產(chǎn)、維持養(yǎng)分循環(huán)和水資源供給。

表2 瑪納斯河流域1990—2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值表/×106元

3.2.2生態(tài)服務(wù)價值空間變化

結(jié)合瑪納斯河流域生態(tài)服務(wù)價值分布情況及地貌、海拔等分析,將全流域劃分為4個區(qū)域(圖1),按照海拔的高低依次是高山區(qū)、低山區(qū)、綠洲區(qū)和荒漠區(qū)。圖4是利用Arc GIS繪制出的研究區(qū)5個時期ESV空間分異圖,ESV按照從低到高劃分為6個等級,從圖中可以看出,瑪納斯河流域ESV空間分布差異顯著,ESV最高的區(qū)域主要分布在流域550—2000 m的中南部的低山區(qū),其ESV為258.88×106元,占總ESV的35.84%,氣候調(diào)節(jié)和水文調(diào)節(jié)是主要的生態(tài)服務(wù)功能,其原因主要在于草地覆蓋面積大(氣候調(diào)節(jié)和水文調(diào)節(jié)價值系數(shù)較高者)；ESV最低的區(qū)域分布在最北部的荒漠區(qū),其ESV僅為82.41×106元,占總ESV的11.41%,主要的土地類型是未利用地,其所有生態(tài)服務(wù)功能價值均較低；高山區(qū)和綠洲區(qū)的ESV相差不大,高山區(qū)ESV占總價值的27.73%,綠洲區(qū)ESV占總價值的25.02%,高山區(qū)位于流域最南部(海拔2000 m以上),廣泛分布著裸土和裸巖等未利用地,雖然人類活動對北部和南部影響較小,但其區(qū)域土地類型限制了ESV的高低；綠洲區(qū)位于流域中部其主要土地類型是耕地,耕地由于需要大量水資源(水資源供給為負(fù)值),所以ESV較低；四個區(qū)域中,主要的生態(tài)功能有氣候調(diào)節(jié)和水文調(diào)節(jié),其兩者ESV占總價值的50%左右,在荒漠區(qū)和綠洲區(qū)中,水文調(diào)節(jié)最高,而低山區(qū)和高山區(qū)中以氣候調(diào)節(jié)為主。總體來看,瑪納斯河流域生態(tài)服務(wù)價值呈片狀分布,ESV等級分界線較明顯。

圖4 瑪納斯河流域ESV的空間分異Fig.4 Spatial differentiation of the ESV in the Manas River Basin

3.3 優(yōu)化前后生態(tài)服務(wù)價值變化

通過計算,得到生態(tài)效益最大化的瑪納斯河流域各類土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化下的生態(tài)服務(wù)價值結(jié)果。由表3和圖6可知,土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,研究區(qū)總ESV由671.34×106元增加到706.83×106元,增加了5.29%；且各項生態(tài)服務(wù)功能也均增加,特別是水文調(diào)節(jié)和氣候調(diào)節(jié)。結(jié)合土地利用結(jié)構(gòu)變化分析,可知未利用地面積明顯減少,幅度達(dá)0.2×104hm2/a,其價值減少了0.69×106元,主要是鹽堿地、沙漠化土地以及荒草地被開發(fā)利用的緣故；而林地增加顯著,幅度達(dá)19.57%,其價值增加12.26×106元；此外,草地、水域、建工用地及耕地也都呈略微增加趨勢；作為生態(tài)系統(tǒng)脆弱的干旱區(qū),林地、草地及水域面積的增加無疑大大提高了其生態(tài)服務(wù)價值,改善了當(dāng)?shù)氐木植啃夂颍唤üび玫爻试黾于厔?這有利于區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高；不同類型土地利用面積的變化極大地改善了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境,增加了單位面積土地的經(jīng)濟(jì)價值。

表3 優(yōu)化前后瑪納斯河流域土地利用及生態(tài)價值變化

本文以實現(xiàn)生態(tài)效益最大化為目標(biāo)建立模型,以生態(tài)服務(wù)價值為基礎(chǔ)計算各類用地的優(yōu)化面積,以流域土地利用類型及生態(tài)服務(wù)價值優(yōu)化前后進(jìn)行比較,使各類土地利用產(chǎn)生的生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和滿足人類各項需求的社會效益都有了一定程度的提高和改善,最終實現(xiàn)了優(yōu)化目標(biāo)。該優(yōu)化方案有利于保證瑪納斯河流域社會經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展及生態(tài)效益的最大化。

圖5 瑪納斯河流域不同區(qū)域不同服務(wù)功能價值Fig.5 Value of different service functions in different areas of the Manas River BasinDd：荒漠區(qū),Desert district；Od：綠洲區(qū),Oasis district；低山區(qū)：Ld,Low altitude district；高山區(qū)：Hd,High altitude district；Fp：食物生產(chǎn),Food production；Rp：原材料生產(chǎn),Raw material production；Ws：水資源供給,Water supply；Gr：氣體調(diào)節(jié),Gas regulation；Cr：氣候調(diào)節(jié),Climate regulation；Pe：凈化環(huán)境,Purifying the environment；Hr：水文調(diào)節(jié),Hydrological regulation；Sr：土壤保持,Soil retention；Mc：維持養(yǎng)分循環(huán),Maintain nutrient cycling；Bi：生物多樣性,Biodiversity；Al：美學(xué)景觀,Aesthetic landscape；Ov：優(yōu)化生態(tài)價值,Optimize ecological value；Cv：現(xiàn)狀生態(tài)價值,Current ecological value

圖6 優(yōu)化前后生態(tài)系統(tǒng)各項服務(wù)價值Fig.6 Before and after the optimization of ecosystem services

4 討論

參照已有流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的研究成果,將研究區(qū)生態(tài)功能價值與其進(jìn)行對比,結(jié)果顯示：我國流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值呈現(xiàn)復(fù)雜多樣性；調(diào)節(jié)服務(wù)為各個流域生態(tài)服務(wù)的結(jié)構(gòu)主體。近20年來西北干旱區(qū)流域的生態(tài)服務(wù)價值總體呈下降趨勢[22-26],在人類干擾和自然因素的雙重影響下,生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)惡化趨勢,大部分生態(tài)服務(wù)功能減弱,特別是土壤保持與水源涵養(yǎng)功能；而近30年來西南濕潤區(qū)[27-28]和青藏高原地區(qū)[29-30]的生態(tài)服務(wù)價值基本呈上升趨勢,流域內(nèi)林地和水域面積在逐年增加,水源涵養(yǎng)與廢物處理功能價值也相應(yīng)增加,說明退耕還林、退耕還湖等生態(tài)保護(hù)工程措施起到了一定效果；除了塔里木河流域外[33],新疆地區(qū)的生態(tài)服務(wù)價值呈下降趨勢,南北部流域有一定差異,南部流域的調(diào)節(jié)服務(wù)功能稍弱于北部流域,南部流域以凈化環(huán)境為主,而北部則以水文調(diào)節(jié)為主。各流域的單位面積生態(tài)服務(wù)價值系數(shù)有所差異,其原因在于訂正方法的不同,例如：白元等[31]利用貨幣量的價值量評價法,對塔里木河流域價值系數(shù)進(jìn)行了修正；劉海等[28]采用江西省相應(yīng)年份農(nóng)田糧食單位面積產(chǎn)量與全國的比值作為潘陽湖流域逐年修訂系數(shù)；王原等[30]運用青藏高原平均自然糧食產(chǎn)量的經(jīng)濟(jì)價值計算納木錯流域各當(dāng)量因子的生態(tài)價值；本研究則是基于瑪納斯流域所在市縣的相應(yīng)年份平均農(nóng)田糧食單位面積產(chǎn)量作為逐年修訂系數(shù),計算得到單位面積生態(tài)服務(wù)價值。

近年來,隨著研究的逐步深入以及3S技術(shù)的發(fā)展,有關(guān)于區(qū)域生態(tài)服務(wù)價值的研究越來越多,并取得了一系列成果,例如：王宗明等[32]利用當(dāng)量因子法,探討了三江平原土地利用變化及其引起的生態(tài)服務(wù)價值變化；羅維等[33]估算了洋河流域土地遙感數(shù)據(jù)對其生態(tài)服務(wù)價值的影響并從行政區(qū)劃角度進(jìn)行時空分析；王學(xué)超等[24]以新疆瑪納斯河流域為研究區(qū),將土地利用變化、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與人類福祉聯(lián)系起來,探討三者之間關(guān)系。但以往的相關(guān)研究,大多側(cè)重于區(qū)域生態(tài)服務(wù)價值時空研究及社會經(jīng)濟(jì)方面相關(guān)研究,而通過土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化提高生態(tài)服務(wù)價值的研究較少。此外,土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究方法眾多,灰色線性規(guī)劃方法相比其他方法效果較好,不僅能彌補(bǔ)一般線性規(guī)劃方法的缺陷,還能根據(jù)研究區(qū)土地利用總體規(guī)劃和生態(tài)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求,充分考慮到各種因素的影響,制定最優(yōu)規(guī)劃方案,為合理調(diào)整土地結(jié)構(gòu)提供科學(xué)的參考依據(jù)[34]。根據(jù)流域土地利用類型及生態(tài)服務(wù)價值現(xiàn)狀與優(yōu)化后結(jié)構(gòu)比較看,本文利用此方法建立的模型能夠較好地實現(xiàn)優(yōu)化目標(biāo),使得生態(tài)服務(wù)總價值增加了5.29%,各單項服務(wù)價值也均增加,進(jìn)一步促進(jìn)了該區(qū)域生態(tài)與經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

針對流域內(nèi)不同區(qū)域的現(xiàn)有土地利用變化特點,據(jù)優(yōu)化目標(biāo),為優(yōu)化配置方案更好的實施提出保障措施：從可持續(xù)發(fā)展的觀念出發(fā),在保障流域內(nèi)耕地保有量及滿足人類各項需求的基礎(chǔ)上,合理分配有限的土地資源,實現(xiàn)土地資源可持續(xù)利用與社會經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展。在綠洲區(qū)和低山區(qū)可以打造觀光發(fā)展農(nóng)業(yè),保護(hù)、發(fā)展了土地資源且極大的改善了生態(tài)環(huán)境。除去耕地,草地、林地和水域均是維持生態(tài)服務(wù)價值穩(wěn)定不可或缺的,應(yīng)合理利用避免其面積持續(xù)減少。根據(jù)土地利用總體規(guī)劃,對未利用地進(jìn)行因地制宜的開發(fā)利用,使得其他土地類型得以補(bǔ)充；另外,可以通過征收閑置費等手段減少對土地的閑置,加強(qiáng)對閑置土地的管理以提高土地利用率。加強(qiáng)土地信息化建設(shè)以土地現(xiàn)代化的管理對其進(jìn)行動態(tài)實時監(jiān)測,可及時獲取土地資源的利用情況便于從宏觀角度對所有地類進(jìn)行調(diào)整從而保障土地資源的合理利用。

5 結(jié)論

(1)1990—2015年間瑪納斯河流域草地和未利用地是主要的土地利用類型,建工用地和耕地面積逐期增加,而其他土地利用類型均逐漸減少。變化最大的是建工用地,新增的建工用地主要由耕地2.35×104hm2和草地0.98×104hm2轉(zhuǎn)變而來。

(2)研究期內(nèi)流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總體呈下降趨勢,與1990年相比,2015年減少14.97%。草地是ESV構(gòu)成中貢獻(xiàn)最大的,占總價值的72%。各單項ESV大小依次為：水文調(diào)節(jié)>氣候調(diào)節(jié)>土壤保持>生物多樣性>氣體調(diào)節(jié)>凈化環(huán)境>美學(xué)景觀>食物生產(chǎn)>原料生產(chǎn)>維持養(yǎng)分循環(huán)>水資源供給。550—2000 m的低山區(qū)ESV最高,占總價值的35.84%,氣候調(diào)節(jié)和水文調(diào)節(jié)是主要的生態(tài)功能,其原因在于草地覆蓋面積大。總體來看,瑪納斯河流域生態(tài)服務(wù)價值呈片狀分布,ESV等級分界線較明顯。

(3)基于GLP進(jìn)行土地結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,未利用地面積明顯減少,其他土地類型均有所增加,總ESV和單項ESV與優(yōu)化前相比均有顯著增加,特別是水文調(diào)節(jié)和氣候調(diào)節(jié)。通過建立模型進(jìn)行優(yōu)化計算,對流域土地利用類型及生態(tài)服務(wù)價值優(yōu)化前后進(jìn)行比較,較好地實現(xiàn)了優(yōu)化目標(biāo)。