古麗波斯坦·巴圖， 丁建麗， 李艷菊

(1. 新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院智慧城市與環(huán)境建模自治區(qū)普通高校重點實驗室，新疆烏魯木齊 830046；2. 新疆綠洲生態(tài)重點實驗室，新疆烏魯木齊 830046)

作為全球生態(tài)變化的主要原因之一，土地利用/覆被變化及其引起的生態(tài)過程變化已經(jīng)成為全球環(huán)境方向研究的熱點和前沿，引起了國際有關(guān)研究機構(gòu)的廣泛關(guān)注[1]。由于全球氣候變暖和城市化進程的加快[2]，人類活動已擴展到生態(tài)脆弱區(qū)[3]，土地利用/覆蓋的格局、深度和強度都發(fā)生著很大的變化[4]，因此深入開展土地利用/覆被變化對生態(tài)環(huán)境影響及效應(yīng)[5]，乃至全球環(huán)境變化都具有重要意義[6]。

關(guān)于土地利用引起的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究，國內(nèi)外最初從土地利用變化對水文、氣候、土壤等單一要素影響的研究，其中Turner等[7]通過各要素建模研究其效應(yīng)、蘇維詞[8]分析評述了城市土地利用變化所帶來的系列環(huán)境效應(yīng)，發(fā)展到李曉文[9]等和許俐俐[10]等對區(qū)域生態(tài)環(huán)境影響的研究。對于本研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值在土地利用方面的研究更多關(guān)注在如何影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值的結(jié)構(gòu)變化和空間變化[11-12]。張飛等[13]對位于塔克拉瑪干沙漠北緣的渭—庫綠洲的土地利用景觀空間格局和土地利用動態(tài)變化進行了研究。但是對于研究區(qū)進行區(qū)域生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的研究較少。

本文選擇渭-庫綠洲為研究對象，基于兩期遙感影像數(shù)據(jù)，分析了研究區(qū)土地利用變化過程，通過估算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，計算敏感性指數(shù)、生態(tài)貢獻率以及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，以分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的分布特征及其變化，進一步探討土地利用對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的影響，為當(dāng)?shù)貐^(qū)域生態(tài)環(huán)境保護和土地資源合理利用等方面提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

渭-庫綠洲，經(jīng)實地考察，確認研究區(qū)地理坐標為81°28′30″ ～84°05′06″ E，39°29′51″～42°38′01″ N，海拔1 500～2 000 m。研究區(qū)土地總面積為523.76萬hm2，綠洲面積為56.096萬hm2，占研究區(qū)土地總面積的10.7%，該綠洲是新和、沙雅和庫車三縣的核心經(jīng)濟帶。由于獨特的地理位置及生態(tài)環(huán)境，該綠洲可以作為我國西北干旱區(qū)綠洲的一個典型。渭-庫綠洲是完整而典型的扇形洪、沖積傾斜平原，是我國研究生物多樣性及全球變化的重要區(qū)域之一。

圖1 研究區(qū)概況圖Fig.1 Survey map of study area

1.2 數(shù)據(jù)獲取與處理

遙感影像來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)，分別為2005年(Landsat 7)和2015年的(Landsat8)的影像，影像質(zhì)量較好。借助 ENVI 5.1軟件對兩幅遙感影像進行輻射定標、大氣校正、幾何校正等預(yù)處理以及波段組合后，進行監(jiān)督分類。在對地類進行解譯時，通過土地利用現(xiàn)狀圖以及野外考察的經(jīng)驗建立了分類標準，利用地形圖等相關(guān)材料進行校準。利用ARCGIS10.3獲取兩期影像的土地利用布局圖和相對應(yīng)的現(xiàn)狀屬性數(shù)據(jù)庫，通過擴展模塊中的空間分析，得到研究區(qū)土地利用從2005年到2015年動態(tài)變化信息。

土地利用分類過程中，分類系統(tǒng)參考 2000 年國家環(huán)?？偩帧吨袊鞑康貐^(qū)生態(tài)環(huán)境遙感調(diào)查》采用的土地利用與土地覆蓋變化的 2 級分類系統(tǒng)。具體分類系統(tǒng)如(表1)所示: 一級分類為草地、耕地、林地、水域、建設(shè)用地和未利用地 6 類; 二級分類為水田、旱地、有林地等 20 個類型。二級分類具有較高的分辨率，因此本文將生態(tài)環(huán)境變化的分析納入二級分類。參考該地區(qū)的其他研究，再結(jié)合相關(guān)專家評分和層次分析法，對二級分類體系下的土地利用類型及其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)進行賦值[14]。

表1 土地利用分類系統(tǒng)及其生態(tài)環(huán)境指數(shù)賦值Table 1 Land use classification and eco-environmental indicators

1.3 研究方法

1.3.1土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 利用ARCGIS10.3與ENVI 5.1對兩期土地利用/覆被數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和疊加分析，得到土地利用/覆被類型面積轉(zhuǎn)移矩陣，并計算貢獻率等參數(shù)，從時空尺度上分析研究區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況。

轉(zhuǎn)移矩陣能夠?qū)⒀芯繀^(qū)域各個土地類型轉(zhuǎn)移的數(shù)量、去向及來源進行全面具體的描述，對兩期土地利用/覆被類型圖，根據(jù)地圖代數(shù)原理[15-16]，利用ARCGIS進行空間疊加分析，得到各個時段的轉(zhuǎn)移矩陣

(1)

1.3.2土地利用/覆被相對變化率 土地利用/覆被類型的空間變化差異：研究區(qū)土地利用/覆被情況主要從時間尺度上反映，而土地利用類型的變化情況一般是從空間尺度上去研究，公式(2)土地利用/覆被變化區(qū)域差異.

(2)

1.3.3土地利用的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值 由于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值被多種因素以不同形式影響，因此應(yīng)運而生多種測算模型。開始的研究方向基本都是估算區(qū)域平均系統(tǒng)服務(wù)價值[17]。近年來，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及價值方面的研究在國內(nèi)逐漸成為熱點及研究趨勢[18-20]。Costanza等[21]在這領(lǐng)域的研究成果使生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估的原理與方法在科學(xué)意義上得以明確。眾多國內(nèi)學(xué)者根據(jù)中國實際狀況，同時參閱了Costanza等[21]學(xué)者在這方面取得的部分可靠的研究成果，制定了中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值表即表2。本研究參考其研究成果對研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進行分析與評價。其公式為:

ESV=∑(Ak×VCk)

(3)

ESVf=∑(Ak×VCfk)

(4)

式中:ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值(元)；

Ak為研究區(qū)k種土地利用類型的面積(hm2)；VCk為生態(tài)價值系數(shù)(元·hm-2·a-1)；ESVf為單項服務(wù)功能價值系數(shù)(元·hm-2·a-1)。

表2 中國不同陸地生態(tài)系統(tǒng)單位生態(tài)服務(wù)價值表Table 2 The ecosystem service value per unit area of different land ecosystems in China

1.3.4敏感性分析方法 目前，相關(guān)的研究大都通過借助敏感性指數(shù)(coefficient of Sensitivity, CS)，進而確定ESV隨時間變化對VC變化的依賴程度[22-24]。為了說明ESV對VC的敏感程度，分別調(diào)整50%的VC來計算相應(yīng)的CS。有相關(guān)研究可知，利用敏感性分析結(jié)果可以判斷生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的穩(wěn)健性[25]。因此本研究中利用CS指數(shù)來檢驗謝高地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)是否對本研究區(qū)合適。其中敏感性指數(shù)CS的含義如下：當(dāng)CS>1時，表明ESV對VC是富有彈性的；當(dāng)CS<1時，表明ESV對VC是缺乏彈性的，如果比值越大，則表明VC的準確性越關(guān)鍵。即便CS值小于1，對于生態(tài)系統(tǒng)價值系數(shù)過高或過低的賦值，都會很大程度的影響生態(tài)系統(tǒng)價值隨時間變化的準確性和真實性。

(5)

式中:i和j代表初始價值和生態(tài)價值系數(shù)調(diào)整以后的價值。

1.3.5區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù) 綜合考慮區(qū)研究區(qū)各土地利用所具有的生態(tài)質(zhì)量及面積比例，定量表征某一該研究區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的總體狀況[26-27]，其表達式為：

(6)

式中，EVt為區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)；LUi為該區(qū)域內(nèi)t時期第i種土地利用類型的面積；Ci為該區(qū)域內(nèi)t時期第i種土地利用類型的生態(tài)環(huán)境指數(shù)；TA為該區(qū)域總面積；N為土地利用類型數(shù)量。

1.3.6區(qū)域土地利用變化類型生態(tài)貢獻率 土地利用變化類型生態(tài)貢獻率[14,26]指由于某種土地利用類型變化而導(dǎo)致的區(qū)域生態(tài)質(zhì)量的改變，其表達式為：

LEi=(LEt+1-LEt)LA/TA

(7)

式中，LEi為土地利用變化類型生態(tài)貢獻率；LEt+1和LEt分別為某種土地利用變化類型所反映的變化初期和末期土地利用類型所具有生態(tài)質(zhì)量指數(shù)；LA為該變化類型的面積；TA為區(qū)域總面積。

2 結(jié)果與分析

2.1 渭-庫綠洲土地利用變化分析

根據(jù)公式，對渭-庫綠洲2005年和2015年兩期數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計及空間疊置分析，得到渭-庫綠洲土地利用類型面積及變化幅度，土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣和空間分布圖。結(jié)果如圖2和表3，圖3所示。

圖2 2005—2015年渭-庫綠洲土地利用類型面積變化幅度Fig.2 Change areas of land use in Ugan-Kuqa River Delta Oasis in 2005—2015

表3 2005—2015年渭-庫綠洲土地利用類型面積轉(zhuǎn)移矩陣Table 3 Transition matrix of land use areas in Ugan-Kuqa River Delta Oasis in 2005—2015

土地利用類型Type of land use林地Forestland/104hm2耕地Farmland/104hm2草地Grassland/104hm2鹽漬地Salty land/104hm2水體Water/104hm2其他Others/104hm2林地Forestland5.238.012.970.030.202.34耕地Farmland1.356.670.620.180.367.85草地Grassland0.562.030.180.160.103.14鹽漬地Salty land0.600.610.000.830.075.58水體Water0.140.110.000.020.220.33其他Others1.571.950.140.340.275.59

注：表中其他土地利用類型中包括未利用地、建設(shè)用地等

Note：Other types of land use in the table include unused land, construction land, etc

圖3 2005—2015年渭-庫車綠洲土地覆被類型變化圖Fig.3 Change of land use/land covers in Ugan-Kuqa River Delta Oasis in 2005—2015

從圖表中看出，2005—2015年研究區(qū)林地面積明顯增加，面積增加了9.34×104hm2，主要由草地和耕地轉(zhuǎn)移而來，其中耕地轉(zhuǎn)移為林地的面積為8.01×104hm2?？梢娧芯繀^(qū)在10年期間，耕地面積減少，面積減少了2.35×104hm2，年變化幅度為-0.21×104hm2,說明當(dāng)?shù)卦谘芯繒r期內(nèi)，實施的退耕還林政策效果明顯。草地的主要轉(zhuǎn)出方式是林地，轉(zhuǎn)移面積2.97×104hm2。鹽漬地面積增加明顯，面積增加了6.14×104hm2，年變化幅度為0.56×104hm2，變化量占2015年鹽漬地總量的79.83%，表明研究區(qū)在10年期間，鹽漬化程度加重。鹽漬地面積增加主要靠草地、耕地轉(zhuǎn)換而來，其中耕地轉(zhuǎn)移為鹽漬地的面積最多，為0.61×104hm2。水域面積有所減少，面積減少0.42×104hm2，其減少量占2015水域總量的51.11%，水域面積主要轉(zhuǎn)出方向是耕地和其他，轉(zhuǎn)移面積分別為0.36×104hm2，0.27×104hm2。

2.2 土地利用/覆被變化生態(tài)環(huán)境效應(yīng)定量分析

2.2.1生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化 由于Costanza[21]等人對全球生態(tài)系統(tǒng)類型的劃分與本研究區(qū)土地利用類型的分類不完全一致，為了獲得與不同土地利用類型相應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，本研究將Costanza[21]劃分的生態(tài)系統(tǒng)類型與本研究區(qū)土地利用類型進行對照表4。進一步結(jié)合渭-庫綠洲土地詳實數(shù)據(jù)和中國不同陸地生態(tài)系統(tǒng)單位生態(tài)服務(wù)價值表即表2，估算本研究區(qū)在10年間不同土地利用對應(yīng)的生態(tài)價值變化情況見表5，估算時將鹽漬地劃分在未利用地之中，建設(shè)用地的生態(tài)價值不予考慮，將其設(shè)為零[28]。

表4 與土地利用類型相對應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)類型及生態(tài)價值系數(shù)Table 4 Ecosystem types corresponding to land use types and their ecological value coefficients

表5 2005—2015年渭-庫綠洲生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化Table 5 Change of ecosystem services value in the Ugan-Kuqa River Delta Oasis

2005—2015年間，對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值具體的分析如下：2005—2015年，研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值減幅最大的為水體，增幅最大的為林地。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總量從2005年的3.90億元增至2015年的5.50億元，共增加了1.6億元。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值增加的主要原因是林地面積的增加，而草地面積的減少是導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)總量部分損失的一個重要原因。從表5中可以看出，未利用地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)遠小于林地、水體、耕地和草地的價值系數(shù)。由計算結(jié)果可以得出：未利用地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值遠小于林地、水體、草地、和耕地。結(jié)合2.1對土地利用變化情況的分析得出：由于各類土地利用類型相應(yīng)的服務(wù)價值系數(shù)存在一定的差異，因此不同土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響也隨之出現(xiàn)一定的差異。

2.2.2敏感性分析 根據(jù)敏感性指數(shù)的計算公式，將各項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)上下調(diào)整50%，進一步計算出調(diào)整之后的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(ecosystem services value,ESV)總量，分析其變化；與此同時計算出相應(yīng)的敏感性指數(shù)(CS)，以此來分析某一種土地利用/覆蓋類型的變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化的重要程度。

表6 調(diào)整價值系數(shù)后總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化及敏感性指數(shù)(2005—2015年)Table 6 The total ecosystem services value and the sensitivity coefficients after adjusting value coefficients (2005—2015)

由表6可知，研究區(qū)所有不同土地利用類型的敏感性指數(shù)均小于1，由高到低依次為水體、林地、耕地、草地、未利用地。計算結(jié)果中最小值為0.004，其表明當(dāng)未利用地的生態(tài)價值系數(shù)(VC)增加1%時，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值只增加0.04%；最大值為0.629，說明當(dāng)耕地的生態(tài)價值系數(shù)(VC)增加1%時，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值只增加6.29%。數(shù)據(jù)表明：研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(ESV)對生態(tài)價值系數(shù)(VC)是缺乏彈性的，雖然不同土地利用類型的生態(tài)價值系數(shù)具有不確定性，但是利用該系數(shù)估算研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值較為準確，結(jié)果具有穩(wěn)健性。

2.2.3生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的變化特征 根據(jù)公式(5)，得到研究區(qū)2005年，2015年區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)分別是0.38和0.43。在10年間，研究區(qū)區(qū)域生態(tài)環(huán)境指數(shù)從0.38上升至0.43，增加了0.05。根據(jù)表7的計算結(jié)果可以得出以下結(jié)論：研究區(qū)在10年間整體的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)出逐年好轉(zhuǎn)并上升的態(tài)勢，而生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性基本維持。即使區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體上維持這穩(wěn)定的狀態(tài)，但是在區(qū)域內(nèi)部生態(tài)環(huán)境質(zhì)量依然存在著改善和惡化兩種趨勢。在一定程度上兩種趨勢相互抵消，致使整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

表7 2005—2015年渭-庫綠洲生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)Table 7 Variation of eco-environmental quality index in the Ugan-Kuqa River Delta Oasis in 2005—2015

表8 2005—2015導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)環(huán)境改善和惡化的主要土地利用類型變化及貢獻率Table 8 Major contribution rate to influence regional eco-environment in 2005—2015

由表8可得出以下結(jié)論：研究區(qū)10年期間導(dǎo)致區(qū)域環(huán)境質(zhì)量好轉(zhuǎn)的主要驅(qū)動因子是未利用地向耕地的轉(zhuǎn)化和耕地向林地的轉(zhuǎn)化。導(dǎo)致研究區(qū)環(huán)境質(zhì)量惡化的主要驅(qū)動因子是林地面積的減少，即林地轉(zhuǎn)換為未利用地。雖然總體上研究區(qū)區(qū)域環(huán)境質(zhì)量保持著一定的穩(wěn)定趨勢，但是在區(qū)域環(huán)境內(nèi)部生態(tài)改善與惡化兩種趨勢并存。

3 討論與結(jié)論

土地利用方式作為人類利用土地各類活動的綜合反映，是影響土壤質(zhì)量變化最普遍、最直接、最深刻的因素，是影響陸地生態(tài)系統(tǒng)有效的主要因素。在干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中，綠洲處于較為重要的地位。渭-庫綠洲是塔里木盆地北緣的具有代表性的綠洲之一，因此研究該綠洲土地利用對區(qū)域生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的影響，有利于進一步了解塔里木盆地北緣綠洲的發(fā)展與變化規(guī)律，同時有利于揭示綠洲生態(tài)穩(wěn)定性的機理，促進綠洲以及干旱區(qū)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。本文以渭-庫綠洲為研究區(qū)，在前人的研究基礎(chǔ)上，加入對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)、生態(tài)環(huán)境改善和惡化貢獻率、以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值和敏感性指數(shù)的計算，不僅有利于對該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)資本價值量的估算，而且對其生態(tài)系統(tǒng)資本價值量的估算以及GDP的估算都起到了很重要的作用。

2005—2015年研究區(qū)土地面積減少的土地類型依次為有未利用地、水體和耕地。林地、草地、鹽漬地則呈增加趨勢，這些特征均說明在此研究時期對綠洲影響最大的因素是人類活動。土地利用變化轉(zhuǎn)移過程中，草地轉(zhuǎn)化為林地、耕地轉(zhuǎn)化為林地變化類型分布最為廣泛，其中耕地轉(zhuǎn)化為林地的轉(zhuǎn)換率最大，轉(zhuǎn)化面積為8.01×104hm2。

對2005—2015年由渭-庫綠洲土地利用變化而導(dǎo)致的ESV的變化進行初步探討，得出2005—2015年間渭-庫綠洲總ESV增加，增加了1.6億元，總年變化率為3.71%。導(dǎo)致總ESV增加的重要因素是林地的ESV增加。

通過對研究區(qū)2005—2015年之間生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的計算，可以看出區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量保持著一定程度上的相對平衡，即使內(nèi)部存在生態(tài)環(huán)境改善與惡化兩種趨勢，但是總體來看有一定的好轉(zhuǎn)，呈上升趨勢，生態(tài)環(huán)境指數(shù)從0.38上升至0.43。其中，引起生態(tài)環(huán)境變化的主導(dǎo)因素是生態(tài)貢獻率高的土地利用類型向生態(tài)貢獻率低的土地利用類型的轉(zhuǎn)變。

雖然研究區(qū)近10年間生態(tài)環(huán)境在一定程度上維持著相對平衡，但是不能忽略區(qū)域內(nèi)部發(fā)生的局部生態(tài)環(huán)境惡化。不同土地利用方式會影響全球環(huán)境變化和社會的可持續(xù)發(fā)展，因此在土地利用過程中，當(dāng)?shù)匾e極有效地調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)和布局[29]，對致使生態(tài)環(huán)境負向發(fā)展的人類活動給予一定的限制，加強當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境修復(fù)與重建的力度，同時通過生態(tài)系統(tǒng)的自我修復(fù)功能，從而使生態(tài)系統(tǒng)改善并恢復(fù)。