茹克亞·薩吾提,阿斯婭·曼力克,李 虎,尼加提·卡斯木,鄭逢令,李學(xué)森,熱娜·阿不都克力木,亞森·喀哈爾

1 新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 烏魯木齊 830046 2 新疆大學(xué)綠洲生態(tài)教育部重點實驗室, 烏魯木齊 830046 3 新疆畜牧科學(xué)院草業(yè)研究所, 烏魯木齊 830011 4 滁州學(xué)院,安徽省高分辨率對地觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)產(chǎn)品與應(yīng)用軟件研發(fā)中心,滁州 239000

中國有近4×108hm2的天然草地,占國土總面積的41.14%,約占世界草地面積的13%[1]。草地生態(tài)系統(tǒng)是一種獨特的生態(tài)系統(tǒng)類型,通過提供(牧草、薪柴、淡水)、供給(土壤形成和保護(hù)、養(yǎng)分循環(huán))、水和氣候調(diào)節(jié)以及文化(例如,文化認(rèn)同、多樣性、美學(xué)、旅游業(yè))提供重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[2]。這表明草地在維持生態(tài)平衡、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和社會經(jīng)濟發(fā)展方面具有多重功能[3]。

然而,最新的研究表明,草地退化已成為世界諸多生態(tài)危機之一[4]。國內(nèi),北方近90%的草地在一定程度上退化,內(nèi)蒙古、新疆、青海、吉林退化面積占42%—64%,此區(qū)域草地退化帶來一系列環(huán)境和生態(tài)問題,如草地產(chǎn)量減少、土地荒漠化、生物多樣性喪失、土壤侵蝕和碳損失[5],草地結(jié)構(gòu)的變化對生態(tài)系統(tǒng)過程影響巨大。因此,人們迫切需要探究草地動態(tài)和結(jié)構(gòu)變化模式、速率和趨勢的準(zhǔn)確信息,監(jiān)測不同尺度的草地退化,進(jìn)而制定具有一致性、可重復(fù)性且空間明確的措施與策略[6]。開展保護(hù)草地生態(tài)環(huán)境的研究與實踐工作,加強草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的研究,對草地生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與重建、改善生態(tài)環(huán)境具有重要意義[7]。

近年來,國內(nèi)外眾多學(xué)者在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)內(nèi)涵、類型劃分及其價值評估方法等多方面進(jìn)行了大量研究,并取得了一定的成果,美國生態(tài)學(xué)家Costanza就全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進(jìn)行了分類,提出了定量估算方法,引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[8- 9]。謝高地等[10]考慮中國國情利用專家知識對該方法進(jìn)行了改進(jìn),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(wù)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(wù)價值的總和。在此研究的基礎(chǔ)上,謝高地等[11]對青藏高原天然草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值根據(jù)其生物量定值的基礎(chǔ)上,逐項估算了各種草地類型的各項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值,得出青藏高原天然草地生態(tài)系統(tǒng)每年提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值占全國草地生態(tài)系統(tǒng)每年服務(wù)價值的17.68%。李琳等[12]和高雅等[13]以草地綜合順序分類法為理論基礎(chǔ),以能值分析法為主要計算方法,選擇合適的6項評估指標(biāo),對三江源區(qū)草原生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進(jìn)行逐項評估。閔慶文等[5]對內(nèi)蒙古典型草原生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化進(jìn)行分析,結(jié)果表明各種服務(wù)中水土保持價值最為重要。這些研究涉及草原生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能分析與計算,既有針對全國或區(qū)域草原生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能經(jīng)濟價值的評價,也有對于如何發(fā)揮草原生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能與西部大開發(fā)問題的討論[14]。

烏魯木齊作為新疆維吾爾自治區(qū)的首府,是全疆的政治 、經(jīng)濟 、文化 、信息 、交通的中心,是我國向西開放的橋頭堡。烏魯木齊市雖具有典型都市特征,但草地資源比較豐富,各種草地類型在不同年份都呈現(xiàn)出不同的動態(tài)變化。但是,由于長期以來草地資源過牧、濫牧、搶牧、采挖藥材、蟲鼠害、開礦等導(dǎo)致了草地退化、沙化、鹽堿化面積的日益擴大及草地植被覆蓋度降低等一系列草地生態(tài)環(huán)境問題[15]。因此,研究烏魯木齊市天然草地不同類型動態(tài)變化及其生態(tài)功能對維護(hù)該市環(huán)境和氣候以及發(fā)展畜牧業(yè)有重要意義。

烏魯木齊山區(qū)草地大都交通不便,若按常規(guī)的野外實地采樣調(diào)查方法對草地退化進(jìn)行監(jiān)測及研究則很難開展,且成本昂貴、耗時耗力、時效性差,不能滿足現(xiàn)勢調(diào)查研究。大部分草地生態(tài)服務(wù)功能相關(guān)研究以實測數(shù)據(jù)或者統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)分析草地生態(tài)功能的變化特征,雖然研究精度較高,但無法全面地表達(dá)大區(qū)域草地生態(tài)系統(tǒng)的時間和空間變化規(guī)律[16]。遙感技術(shù)以其快速、宏觀、信息豐富、成本低廉等優(yōu)勢被應(yīng)用于烏魯木齊山地草地生態(tài)系統(tǒng)研究中。因此,本研究的目的是：1)利用1994—2015年Landsat TM/OLI圖像對研究區(qū)主要草地類型進(jìn)行分類,確定草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的評價指標(biāo),并估算烏魯木齊市各草地生態(tài)系統(tǒng)的ESV變化。2)探討不同草地類型的單項服務(wù)功能及其動態(tài)變化對相應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的貢獻(xiàn)。3)進(jìn)行敏感性研究以探討結(jié)果的可靠性,應(yīng)用空間自相關(guān)分析對2 km×2 km網(wǎng)格尺度上的ESV變化進(jìn)行深入研究。4)探討引起草地ESV時空變化的人為因素和自然因素。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)遙感影像圖Fig.1 Remote sensing image of the study area

烏魯木齊市(86°37′33″—88°58′24″ E, 42°45′32″—44°08′00″ N)是新疆維吾爾自治區(qū)的首府,位于中國西北部。屬新疆中部地區(qū),位于天山北麓和準(zhǔn)噶爾盆地南緣(圖1)。烏魯木齊市區(qū)三面環(huán)山,最高峰達(dá)5000 m。氣候?qū)贉貛Т箨懶詺夂?年日照時數(shù)2400—3000 h,年平均最高溫度為38℃,年平均最低溫度約為-20℃,冬季平均溫度為-15℃,夏季平均氣溫為23℃,年平均降雨量260 mm,春雨約占年降水量的40%。研究區(qū)有豐富的太陽熱能資源[17]。

據(jù)20世紀(jì)80年代的研究,烏魯木齊草地面積占總面積的85.2%,隨著海拔高度的增加,荒漠草地、草甸草地、山地草甸草地和高寒草甸草地共有12類、21亞類、59種和201種類型[15]。近年來,研究區(qū)草地質(zhì)量和牧草質(zhì)量都有所下降和惡化,整個地區(qū)適宜的牲畜承載能力為34.1—90萬,但實際上有5700—6000萬的活畜,因此存在嚴(yán)重的過度放牧現(xiàn)象[18]。另外,造成草地退化的原因不僅包括氣候變化與不合理的畜牧業(yè)生產(chǎn)方式,還包括不合理開采藥用植物等人為活動[19]。

1.2 數(shù)據(jù)來源與方法

1.2.1數(shù)據(jù)來源

本文所用的遙感圖像包括Landsat TM/ETM和OLI影像(1994年8月(TM5),2000年7月(TM5),2005年8月(TM5),2010年8月(TM5)和2015年9月(OLI))以及數(shù)字高程圖像(DEM 30 m)。遙感影像從地理空間數(shù)據(jù)云下載(http://www.gscloud.cn/),氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象網(wǎng)站。

1.2.2決策樹分類

采用決策樹分類方法對五期的遙感圖像(平均云量均小于5%)進(jìn)行分類,得到7種主要草地分類圖。決策樹分類作為一種基于空間數(shù)據(jù)挖掘和知識發(fā)現(xiàn)(Spatial Data Mining and Know ledge Discovery, SDM& KD)的監(jiān)督分類方法,突破了以往分類樹或分類規(guī)則構(gòu)建過程中需利用分類者的生態(tài)學(xué)和遙感知識先驗的限制[20]。

本文在DEM數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,根據(jù)Landsat圖像的歸一化植被指數(shù)(NDVI),建立了決策樹(圖2)。根據(jù)中華人民共和國草地分類標(biāo)準(zhǔn),將研究區(qū)的主要草地類型劃分為七類：平原草地(Plain grassland),山地荒漠草地(Mountain-desert grassland,M-D-G),山地荒漠草原草地(Mountain desert steppe type rangeland, M-D-S-T-R),山地干草原草地(Mountain steppe type rangeland,M-S-T-R),山地草甸草原草地(Mountain meadow- steppe type rangeland,M-M-S-T-R),山地草甸草地(Mountain meadow type rangeland,M-M-T-R)和高寒草甸草地(Alpine meadow steppe type rangeland,A-M-S-T-R)?；谝巴庹{(diào)查和草地面積統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)一步提升分類精度,草地分類精度約達(dá)到89.43%。

1.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(ESV)計算

以謝高地等[11]對中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值研究結(jié)果為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),利用新疆維吾爾自治區(qū)所在區(qū)域的調(diào)節(jié)系數(shù)獲得烏魯木齊生態(tài)經(jīng)濟區(qū)單位面積的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[21]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估以Costanza等[8]的研究方法為基礎(chǔ),具體公式為：

ESVt=∑Ak×Vk

(1)

(2)

式中,ESVt是總ESV,Ak是土地使用類型k的面積,Vk是土地利用類型k的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值,ESVki是土地利用類型k的i種ESV。

使用下述模型評估研究區(qū)ESV的變化[22]：

Ci=(Eend-Estart)/Estart×100%

(3)

式中,Ci是土地利用類型i中ESV的變化,Estart是初期土地利用類型i的ESV,Eend是末期土地利用類型i的ESV。

1.4 敏感性指數(shù)

由于不確定性與價值系數(shù)相關(guān),因此本研究使用敏感性模型,通過上下調(diào)整已確定的每個草地類型ESV系數(shù)的50%大小,計算ESV對價值系數(shù)VC變化的響應(yīng),最終確定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值隨著時間的變化情況和對價值系數(shù)的依賴程度。敏感度計算公式(Coefficient of Sensitive,CS)如方程(4)所示,通過將每種土地利用類型的ESV系數(shù)調(diào)整50%來計算ESV的相應(yīng)變化。CS計算公式為[23]：

CS=|(ESVj- ESVi)/ESVi)/(VCjk-VCik)/VCik)|

(4)

式中,ESV是計算出的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值,VC是調(diào)整系數(shù),i和j分別代表初始值和調(diào)整值(±50%),k代表土地利用類型。當(dāng)CS≤1時,表明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值對于生態(tài)價值系數(shù)是缺乏彈性的；當(dāng)CS>1,表明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(zhǔn)確性越關(guān)鍵。

1.5 ESV演變空間統(tǒng)計分析

1.5.1空間自相關(guān)

Moran′sI是空間自相關(guān)的常用指標(biāo)。其值范圍從“-1”到“1”。值“I>0”表示絕對正空間自相關(guān),而“I<0”表示絕對負(fù)空間自相關(guān),“I=0”表示絕對空間隨機性。該研究中,全局Moran′sI被用作空間自相關(guān)的第一個衡量標(biāo)準(zhǔn)[24]。Moran′sI的計算公式為：

(5)

式中,xi和xj分別為單元的i、j的ESV值；x為ESV的均值；Wij為二進(jìn)制空間權(quán)重矩陣；n為空間單元個數(shù)用標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計量。

1.5.2高低聚類分析

空間關(guān)聯(lián)的局部指標(biāo)(LISA)通過使用局部Moran′sI來測量每個特定位置的空間自相關(guān)程度。該指數(shù)(LISA)可用于檢測空間單元ESV是否存在高值或低值聚集的空間分布現(xiàn)象,計算方程可表示為[21]：

(6)

式中,xi和xj分別為單元的i、j的ESV值；x為ESV的均值；Wij為二進(jìn)制空間權(quán)重矩陣；n為空間單元個數(shù)用標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計量。LISA取值范圍為[0,1],值越高越趨向于高值聚集。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同草地類型的動態(tài)變化分析

根據(jù)研究區(qū)草地分布特征,根據(jù)NDVI和DEM值建立分類決策樹,將草地分為7種類型,分類結(jié)果所示(圖2)。7種草地類型的分布具有顯著的垂直地帶性。平原草地主要分布在近郊區(qū)、城市建成區(qū)附近,850

圖3 烏魯木齊市草地分布圖Fig.3 Grassland distribution map of Urumqi City

從表1可以看出,研究區(qū)主要的草地類型為山地草甸草原草地、山地草甸草地、山地荒漠草原和高寒草甸草地,占草地總面積的92.23%,平原草地和山地干草原草地面積占草地面積的7.77%。在整個研究期間(1994—2015年),草地類型面積的比例發(fā)生了一定程度的變化。1994—2000年,草地總面積呈快速下降趨勢,主要是由于山地荒漠草原草地和高寒草甸草地減少造成,短短的6年間分別減少2.11×104hm2、5.91×104hm2；其他草地類型也有減少趨勢,其中平原草地減少4.11×102hm2。2000—2005年,高寒草甸草地和山地荒漠草原草地面積的增加對草原總面積的增加起到了非常重要的作用,這兩種草地面積分別增加約4.33×104hm2和2.70×104hm2；在此期間,其他類型的草地處于良好的恢復(fù)狀態(tài)。2005—2010年,平原草地和高寒草甸草地面積分別增加1.43×104—9.35×104hm2,2.41×102—4.49×102hm2；然而山地荒漠草原草地和山地草甸草地面積呈明顯下降趨勢,分別下降2.37×104hm2和1.12×104hm2,山地干草原草地和山地草甸草原草地面積減少約1.28%和2.29%。2010—2015年草地面積變化主要由高寒草甸草地面積變化引起,其面積從2010年的9.35×104hm2下降到2015年的6.76×104hm2；山地荒漠草地和山地荒漠草原草地面積從2010年的2.62×104hm2增加到2015年的2.96×104hm2；然而,在此期間,草地總面積仍呈下降趨勢。

草地空間分布表明南山草地區(qū)在整個研究期間呈現(xiàn)明顯的波動變化,變化類型為山地荒漠草原草地,山地草甸草原草地和高寒草甸草地(圖3)。

在博格達(dá)山區(qū),山地干草原草地和山地草甸草地的變化規(guī)模大于其他草地類型。山地草地容易受氣候變化、土壤質(zhì)量和過度放牧活動的影響,除上述因素外,研究區(qū)還有一些其他因素導(dǎo)致草地退化；如：鼠害嚴(yán)重(草原鼠的分布面積為1.06×105hm2,草原鼠有16種優(yōu)勢種,屬于10種草原主要危害之一),采草藥(烏魯木齊地區(qū)草地原生藥材常用品種有麻黃、甘草、肉蓯蓉、雪蓮、貝母、鎖陽等,由采集藥材破壞的草地面積約為10×105hm2,自2000年8月以來,烏魯木齊市畜牧行政主管部門決定對采集藥材活動進(jìn)行控制),荒山綠化活動不當(dāng),各種廠礦臨時使用草地,旅游活動等[25]。

2.2 草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值動態(tài)變化

對7種草地類型在1994—2015年的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值計算結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)(表2),1994年到2015年,烏魯木齊市草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值呈波動下降趨勢,年均減少2.67×106元,2000年草地ESVs值最小,為9.37×108元。在此期間山地草甸草原草地和山地草甸草地對ESV減少有較高的貢獻(xiàn)率,分別為25.73%和27.38%。1994年到2005年ESV值較高,1994年ESV值為1.38×109元。2005年ESV為1.51×109元,顯示最大值。此時,山地草甸草原草地、山地草甸草地和高寒草甸草地面積的增加引起草地總ESVs變化,這些草地類型的貢獻(xiàn)率分別為23.14%、22.93%、22.90%。2010年到2015年,草地總ESV沒有顯著變化,從1.18×109元下降到1.12×10元,僅造成5.41×108元的損失。在1994—2000,2005—2010,2010—2015年,ESV都在減少,僅在2000—2005年有增加趨勢。1994—2000年期間,ESV的總變化量約為46.22×107元,約為1994年的32.56%。在2000—2005年,總ESV迅速增加,增加額約為57.32×107元,相當(dāng)于2000年ESV值的61.19%。在2005—2010、2010—2015年期間,總ESV進(jìn)一步下降,分別減少約32.98×107元(約占2005年ESV的21.84%),5.42×107元(約占2010年ESV的4.59%)。

表1 烏魯木齊市1994—2015年7種草地類型面積變化表

表2 烏魯木齊市7種草地類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化表(1/6×107元)

1994年至2015年的整個研究期內(nèi),總ESV的變化約為26.29×107元,約占1994年ESV的18.93%,且每種草地類型的變化趨勢都不穩(wěn)定。1994—2000年,4種草地類型ESV顯著減少,即山地荒漠草地、山地荒漠草原草地、山地干草原草地和高寒草甸草地,分別減少約3.60×107元、7.84×107元、1.92×107元和21.97×107元,分別占1994年ESV值的30.29%、43.95%、36.07%和54.31%。2000—2005年,每種草地類型ESV都顯著增長,特別是平原草地的ESV從2000年的0.15×107元(占比為3.92%)增加到2005的1.47×107元(占比為39.19%)。2005—2010年,除平原草地和高寒草甸草地外,其他5種草地類型均呈現(xiàn)出不同程度的減少趨勢,特別是山地荒漠草原草地,減少量約為66.42×107(約占49.74%)。然而,2010—2015年,除山地草甸草地和高寒草甸草地,其他草地類型均呈現(xiàn)增加趨勢,特別是山地荒漠草原草地和山地干草原草地,增加量分別為4.75×107元(約占42.42%),1.15×107元(約占30.19%)。其中,在1994—2000年時期,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值出現(xiàn)最大幅度的下降。

為評估ESV結(jié)果的可靠性,基于公式(8)計算敏感指數(shù)(圖4)。結(jié)果表明,在1994—2015年期間,各草地類型的敏感指數(shù)(CS)均低于1,估算的研究區(qū)總ESV相對缺乏彈性。對平原草地和山地干草原草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)的調(diào)整對總ESV的估算幾乎沒有影響(對應(yīng)值系數(shù)的變化小于6%)。當(dāng)草地類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)的敏感性指數(shù)調(diào)整為50%時,平原草地的CS為0.02—0.03,高寒草甸草地的CS為0.20—0.28。由CS結(jié)果可知,盡管修正后的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)存在不確定性,但ESV估算仍然穩(wěn)健。因此,本文結(jié)果是可信的,并且使用的ESV系數(shù)指是合理的。

圖4 草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值對其系數(shù)的敏感指數(shù)Fig.4 Sensitivity index of ESV to its Value coefficient of grasslands

從草地ESV的空間分布(圖5)可以看出,ESV具有一定的空間差異性。1994—2015年,在2 km×2 km格網(wǎng)尺度內(nèi)研究區(qū)的ESV密度約為4.98×107—0.75×107元。為更清楚地表示整個研究期間(21a)的ESV空間變化,基于年ESV值將ESV密度重分類為5類,即最高ESV區(qū),高ESV區(qū),中等ESV區(qū),低ESV區(qū)和最低ESV區(qū)。草地ESV的空間變異格局為西南高,東北低。在研究區(qū)內(nèi),這五個ESV類混合分布。在1994年、2005年和2010年最高ESV區(qū)分別分布于南山草地區(qū)西部和中部,2000年和2015年博格達(dá)山西北坡和南山草地區(qū)東部,基本包括山地草甸草原草地、山地草甸草地和高寒草甸草地。在南山西部山地草地亞區(qū),高山和西部的冷濕氣流形成的冰川在干旱沙漠氣候調(diào)控中具有重要作用,整個山區(qū)氣候潮濕,從而具有完整的植被垂直帶結(jié)構(gòu)；在南山中部草地亞區(qū),由于山地的高山氣候,整個山區(qū)的氣候相比西部的山區(qū)更加干旱,草地的垂直帶結(jié)構(gòu)復(fù)雜,植物種類豐富,草地產(chǎn)量和生產(chǎn)力穩(wěn)定性均低于西部山區(qū),在海拔1500 m處,垂直帶開始于山地荒漠草地,因此山地荒漠草地和干旱草地生長非常茂盛,海拔2300—2800 m處,干旱特性較強的草甸草地密集分布,而在同一海拔高度,西部山區(qū)很少出現(xiàn)山地草甸植被。中等ESV區(qū)覆蓋著山地荒漠草地、山地荒漠草原草地,其主要分布于博格達(dá)山地草地區(qū)的西北和東北坡。1994年中等ESV區(qū)主要分布在南山東部草地亞區(qū),博格達(dá)山地草地亞區(qū),這里地勢低,位于博格達(dá)山脈最西端,缺少原山帶,低山丘陵與沖積平原直接相連,導(dǎo)致沙漠、盆地和戈壁的干燥風(fēng)無阻地進(jìn)入山區(qū),削弱西部寒冷潮濕氣流的影響,從而出現(xiàn)山地氣候；與天山北坡西部相比,這里更加干旱,山地地貌強且發(fā)育良好,在垂直帶結(jié)構(gòu)中,荒漠和荒漠草地發(fā)育良好,而且山地森林帶并未完全發(fā)育；大部分中央山帶被草甸草地和草地所取代,其間也生長著一些亞高山植被。整個研究期間,低ESV區(qū)主要出現(xiàn)在博格達(dá)山草地亞區(qū)東北坡。平原草地、高寒草甸草地和山地草甸草地等一些山地草地的ESV最低,形成1994—2015年最低ESV區(qū)。

圖5 烏魯木齊市草地ESV等級空間分布Fig.5 Spatial distribution of the ESV grades of grasslands in Urumqi City

從1994年到2015年,格網(wǎng)單元尺度草地的ESV下降約0.61×1011元,ESV增加約1.66×109,ESV總變化為1.35×1011元。其中,ESV減少占101.22%,生態(tài)服務(wù)量大幅下降主要是由于山地荒漠草原草地、山地草甸草原草地和高寒草甸草地退化造成(表3)。

2.3 草地單項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化分析

生態(tài)環(huán)境調(diào)節(jié)功能被視為人類在生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程中獲得的服務(wù)和利益。本研究計算的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的調(diào)節(jié)功能類型包括氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、水調(diào)節(jié)、土壤形成。根據(jù)貢獻(xiàn)率、調(diào)節(jié)服務(wù)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值主要來自土壤形成服務(wù)。平均ESV約為33.08×107元。在7種草地類型中的山地草甸草原草地,山地草甸草地和高寒草甸草地為土壤形成做出巨大貢獻(xiàn)(圖6),從1994年到2015年平均貢獻(xiàn)率分別為22.64%,23.97%和18.61%。調(diào)節(jié)服務(wù)的ESV按以下順序遞增：氣體調(diào)節(jié)=水調(diào)節(jié)<氣候調(diào)節(jié)<土壤形成。Burke等[26]人研究認(rèn)為草地退化可能會導(dǎo)致氣候的巨大變化,草地退化過程中釋放的一些氣體,特別是CH4可能對氣候變化產(chǎn)生重大影響,因天然草地可捕獲2.6 g·C·hm2·d。從這一觀點來看,山地草甸草原草地、高山草甸草地和高寒草甸草地對研究區(qū)氣候變化具有重要意義。

圖6 各草地類型的單項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值Fig.6 Individual ecosystem services values of every grassland types

對于草地支持服務(wù),從1994年到2015年,廢物處理、生物多樣性和糧食生產(chǎn)的平均ESV分別為22.22×107、18.49×107和5.09×107元,其中廢物處理與生物多樣性約占支持服務(wù)的48.51%和40.37%(圖6)。1994—2000年草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值呈急劇下降趨勢,支持服務(wù)的ESV損失達(dá)到16.86×107元。從2010年到2015年,支持服務(wù)的ESV損失呈小幅下降趨勢,約為1.96×107元。在草地食品生產(chǎn)服務(wù)方面,從1994年到2015年,ESV的平均值為5.09×107元,各類支持服務(wù)在整個研究期間都有波動變化,支持服務(wù)的ESV順序如下：廢物處理>生物多樣性>糧食生產(chǎn)。1994—2015年,草地供應(yīng)服務(wù)和文化服務(wù)的平均ESV為0.85×107元和0.68×107元,原材料服務(wù)的ESV從0.96×107元減少到0.78×107元,娛樂服務(wù)的ESV從0.77×107元降至0.62×107元。與其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相比,草地供應(yīng)和文化服務(wù)的貢獻(xiàn)相對較低,僅占ESV總量的0.69%和0.55%。

一般來說,從1994年到2015年,每年草地資源為研究區(qū)提供32.33×107元的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值,在整個研究期間,ESV經(jīng)歷不穩(wěn)定的變化,在1994—2000和2005—2010期間,ESV呈現(xiàn)出極大的減少趨勢并造成巨大的生態(tài)損失,分別約為45.22×107和32.98×107元。在2000年至2005年,草地為研究區(qū)提供57.32×107元的經(jīng)濟利潤,此時各ESV都達(dá)到峰值。由于山地草甸草原草地,山地草甸草地和高寒草甸草地在研究區(qū)草地中占較大比例。因此,整個研究期這些草地類型表現(xiàn)出較高的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值并在研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)平衡中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

2.4 草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值自相關(guān)性

Moran散點圖定性地區(qū)分每個格網(wǎng)單元的ESV與其相鄰格網(wǎng)之間的關(guān)系。5個(1994年、2000年、2005年、2010年和2015年)研究時間的Moran′sI值顯示正值(圖7)。1994—2000年,Moran′sI值從0.8921下降到0.8551,因此在此期間ESV自相關(guān)有弱化趨勢,在2000—2005年期間從0.8551增加到0.8876,在2005—2015年減少0.04。整個研究期烏魯木齊市草地ESV空間分布經(jīng)歷波動變化,Moran′sI均值為0.869(1994—2015年),因此草地ESV與鄰近格網(wǎng)單元具有較高的空間相關(guān)性。研究區(qū)ESV散點主要分布于第一和第三象限,這意味著草地ESV的空間分布具有集聚特征,相似的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值分布在一起,即ESV較高的區(qū)域是高ESV的鄰居區(qū)域,與低ESV區(qū)相鄰的是低ESV區(qū)。1994年,散點主要集中在第一和第三象限,表明低ESV和高ESV區(qū)在格網(wǎng)單元尺度上差異較小,其他研究期(2000年,2005年,2010年,2015年)散點分散。因此,低ESV和高ESV區(qū)在格網(wǎng)單元尺度上具有顯著差異。

圖7 1994—2015年烏魯木齊市草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的Moran′s I 散點圖Fig.7 Moran′s I scatter of grassland ecosystem service values in Urumqi City from 1994 to 2015

計算1994—2015年ESV的部分自相關(guān)LISA值(圖8)。結(jié)果表明,在整個研究期間,烏魯木齊市草地ESV的高低值在各研究期內(nèi)集聚在同一地區(qū),即較高ESV區(qū)基本上分布在山地草地地區(qū),尤其是南山區(qū),該區(qū)域形成較為一致的分布格局,這些區(qū)域包括的低ESV區(qū)主要分布在平原草地區(qū),博格達(dá)山區(qū)呈現(xiàn)隨機分布格局,ESV低高混合分離區(qū)僅占研究區(qū)非常小的部分并且變化不顯著。

圖8 烏魯木齊市草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的LISA聚類圖Fig.8 The LISA cluster graph of grassland ecosystem services value in the Urumqi City

LISA相關(guān)關(guān)系分析發(fā)現(xiàn),在研究區(qū)內(nèi)草地ESV在不同水平上均具有顯著的相關(guān)性(圖9)。高-高型區(qū)域在0.001水平上顯著相關(guān),而低-低型區(qū)域在0.05和0.01水平上顯著相關(guān)。這些集合類型具有強烈的正空間相關(guān)性。南山區(qū)與博格達(dá)山區(qū)西部地區(qū)在0.001水平上顯著相關(guān),說明這些地區(qū)草地ESV與鄰近地區(qū)具有較強的空間相關(guān)性。1994—2005年,顯著相關(guān)區(qū)域面積大于其他研究期,并且主要出現(xiàn)在南山山地草地區(qū)。

圖9 烏魯木齊市草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的LISA顯著性水平圖Fig.9 LISA significance level of grassland ecosystem services value in Urumqi City

3 驅(qū)動力分析

盡管相關(guān)部門為保育草地資源做了大量工作,但由于過度放牧、藥用植物的過度開發(fā)、城市化、嚙齒動物的破壞以及氣候變暖和干旱、草地退化持續(xù)存在[27]。草地退化導(dǎo)致的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)下降可歸因于生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成的變化、生物多樣性的喪失、生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的下降、土壤肥力的下降。2000年,烏魯木齊地區(qū)80%以上的草地和牧草受畜牧業(yè)中不合理的生產(chǎn)要素、采礦和挖掘等人類活動的影響發(fā)生顯著退化。2010—2012年,各類草地(溫性草甸草原類、溫性草原類、溫性荒漠草原類、溫性草原化荒漠類、溫性荒漠類、高寒草甸類)的各年理論載畜量一直下降趨勢,到了2013年略有增加[18]。低地草甸和高山草甸的牲畜承載力一直在下降。除了過度放牧,該研究去害蟲災(zāi)害也是威脅草地系統(tǒng)的因素之一。烏魯木齊市蝗蟲分布面積為1×105hm2,有18種優(yōu)勢種,是10種害蟲之一。草原鼠分布達(dá)到1.06×105hm2,有16種優(yōu)勢種,也是10種害蟲之一[28]。

除過度放牧和害蟲災(zāi)害外,影響研究區(qū)草地退化的最顯著因子是氣候,Gang等[29]和Zhou等[30]等提出中國西北部區(qū)域,即新疆、青海和甘肅地區(qū)氣候變化是加快草地退化的主要原因。山地草地因具有明顯垂直地帶性,對氣候變化更為敏感。正如先前的研究所表明氣候和土壤條件獨立和交互地影響植被動態(tài)[31]。如：干旱草地中,降水控制植物物種的豐富度、組合和生產(chǎn)力。在研究區(qū),草地受氣候變化的影響非常顯著。從氣候因素的變化規(guī)律來看,氣溫和地表溫度的變化規(guī)律較相似,烏魯木齊年平均氣溫及其氣溫距平如圖10所示。在1990—2015年期間,烏魯木齊年平均氣溫和地表溫度的變化速率分別為0.31℃/25a,0.40℃/25a,其整體上升趨勢非常明顯,25年的平均氣溫和地溫為7.764℃,10.06℃；平均氣溫上升了約1.22℃,地溫上升了4.75℃。

圖10 1990—2015年烏魯木齊年氣象因素(氣溫,地表溫度,降水量,相對濕度,蒸散發(fā)量和風(fēng)速)變化曲線圖Fig.10 Annual average of climate factors in Urumqi City from 1990 to 2015

以2003年為界,烏魯木齊年平均地溫經(jīng)歷了冷暖兩個時期。前期地溫雖有小幅波動,但自2003年年平均地溫呈現(xiàn)急劇升高。2010—2012年,由于3月至4月的低溫,草地生長延遲,在6月至8月的大部分草地上,氣溫高于正常水平,降水量較少,導(dǎo)致不同程度的干旱,平均產(chǎn)草量呈下降趨勢。2013年草地植被生長季節(jié),草地區(qū)氣溫適宜、降水量較大、水熱條件匹配較好,草地植被總體增長優(yōu)于上年。因此,2013年的產(chǎn)量增加[24]。平均相對濕度在1998年呈現(xiàn)最小值,50.50%,到了2008年也呈現(xiàn)較小值51.59%,其他年份變化幅度不大,變化速率為0.061℃/25a。而降水量一直在不規(guī)則的波動性變化,變化速率為91 mm。1999年,2007年和2015年間降水量呈現(xiàn)高值,最高值達(dá)到了149 mm。在1997年,2008年呈現(xiàn)低值,最低值達(dá)到了43 mm。烏魯木齊平均蒸散發(fā)量的變化速率為19 mm/25a,在1997年達(dá)到了最高值,64.1 mm; 從1997年起快速減少,在2000年呈現(xiàn)最小值 47.4 mm。平均風(fēng)速變化以2000年為界經(jīng)歷了兩次變化,波動差異較大,前期風(fēng)速較低,平均風(fēng)速為4.17m/s; 后期平均風(fēng)速為5.57m/s,風(fēng)速變化會影響植物的生長速率和葉片形態(tài),適當(dāng)?shù)娘L(fēng)速能夠促進(jìn)植物生長發(fā)育、提高植被初級生產(chǎn)力,而強風(fēng)或持續(xù)大風(fēng)不僅會對植物產(chǎn)生破壞作用,還會影響其生長發(fā)育[32]。烏魯木齊年平均風(fēng)速的變化速率為0.21m/s,其整體波動性變化趨勢非常明顯,25年的平均風(fēng)速為5.32m/s。

對研究區(qū)草地ESV與6個氣候因子的相關(guān)性分析,發(fā)現(xiàn)在整個研究期間影響每種草地類型的氣候因子具有一定的差異(圖11)。對于平原草地,主要是平均氣溫和平均地表溫度帶來一些影響,相關(guān)系數(shù)大于0.90,平均濕度與平原草地呈負(fù)相關(guān)。山地荒漠草地、山地荒漠草原草地、山地干草原草地和山地草甸草原草地受蒸散量和風(fēng)速的影響,與這些氣候因子呈顯著負(fù)相關(guān)。山地草甸草地和高寒草甸草地與降水量和風(fēng)速呈現(xiàn)較高的相關(guān)性。因此,氣候變化在一定程度上對山區(qū)的各種草地類型都有不同的影響。

圖11 草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值與6種主要氣象因素相關(guān)性圖Fig.11 Correlation map of the six climate factors and grassland ESVs

4 結(jié)論

在本文中草地退化被定義為草地提供生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)品和服務(wù)能力的降低。研究得出以下結(jié)論：

(1)近20年(1994—2015),烏魯木齊市山地草地發(fā)生波動變化。2000—2005年草地面積迅速增加,2005—2015年再次下降1.87%,約為2.85×105hm2,此時大部分草地轉(zhuǎn)移為裸地,林地,城市建設(shè)用地和耕地。本文研究證實,在烏魯木齊市山地草甸草原草地、山地干草甸草地、山地荒漠草地和高寒草甸草地的草地質(zhì)量和生長狀況起重要作用。

(2)1994—2015年的整個研究期間,總ESV的變化約為26.29×107元。21年來,烏魯木齊市草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值呈波動下降趨勢,年均減少0.27×107元。生態(tài)損失主要是由山地荒漠草地(7.44%)、山地荒漠草原草地(10.71%)、山地草甸草地(18.32%)和高寒草甸草地(40.69%)面積減少造成的。單項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能中草地土壤形成服務(wù)的貢獻(xiàn)率較高,平均ESV約為33.09×107元。廢物處理、生物多樣性和糧食生產(chǎn)的平均ESV為22.22×107元、18.49×107元和5.09×107元。

(3)整個研究期內(nèi)烏魯木齊市草地ESVs空間分布不穩(wěn)定,Moran′sI均值為0.869,草地ESV與相鄰格網(wǎng)單元的空間相關(guān)性較高。烏魯木齊市草地ESV高低值集聚在同一地區(qū),即ESV較高的地區(qū)主要分布在山區(qū),特別是南山區(qū),低ESV區(qū)主要分布在平原草地區(qū),博格達(dá)山草地亞區(qū)呈現(xiàn)隨機分布格局。草地ESV在不同水平上具有顯著的相關(guān)性。

(4)研究區(qū)草地退化導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)下降可能歸因于生態(tài)系統(tǒng)組成的變化、生物多樣性的喪失、生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力及土壤肥力的下降。由過度放牧、藥用植物的過度開發(fā)、城市化、嚙齒動物的破壞及氣候變暖和干旱驅(qū)動的草地退化仍在繼續(xù)。研究區(qū)氣候變化對草地的影響非常顯著,特別是氣溫、地表溫度、濕度、蒸發(fā)和風(fēng)速等氣候因子的變化。山地草甸型草地和高寒草甸草原型草地與降水量和風(fēng)速呈現(xiàn)較高的相關(guān)性。