李婧昕，許爾琪，張紅旗※

(1.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地表層格局與模擬重點(diǎn)實(shí)驗室，北京 100101； 2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引言

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指人類能夠從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的惠益[1-2]。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對于生態(tài)系統(tǒng)中自然資源的多元需求與日俱增。聯(lián)合國千年生態(tài)系統(tǒng)評估(The Millennium Ecosystem Assessment，MA)報告顯示，全球已有63%的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)急劇退化，其中人為因素是主要驅(qū)動力[3]。宏觀上，人類活動對資源的開發(fā)及自然環(huán)境的改造直接體現(xiàn)在承擔(dān)著不同的生態(tài)功能的土地覆被及土地利用類型的變化上，進(jìn)而對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給與調(diào)節(jié)能力產(chǎn)生影響[4-6]，因此合理的土地利用方式是保障生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)穩(wěn)定有序輸出、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。

然而土地資源的有限性、多功能性及人類需求的多元性決定了土地利用方式的競爭性[7]，并使得相應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間也存在權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系[8-10]，因此在土地利用狀況基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)重要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的量化是實(shí)現(xiàn)對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)定量分析的基礎(chǔ)。目前，基于年鑒等統(tǒng)計數(shù)據(jù)和相關(guān)計量方法實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)實(shí)際供給或潛在供給的數(shù)值分析是一種簡潔高效的評估手段[11-14]，優(yōu)點(diǎn)是可以聯(lián)合大量指標(biāo)對指定區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行分析，缺陷是這種方法通常建立在以最小行政區(qū)劃為單元的統(tǒng)計數(shù)據(jù)上，時間和空間分辨率受限，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能分布的空間異質(zhì)性表達(dá)急需進(jìn)行深入挖掘[15]； 更廣泛的方法則是將不同土地利用類型服務(wù)價值當(dāng)量與已有的土地利用圖關(guān)聯(lián)，直接利用當(dāng)量與相應(yīng)土地利用類型面積的乘積來表示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值[16-19]，這一方法存在的問題為實(shí)例研究是否真正實(shí)現(xiàn)當(dāng)量指數(shù)的本地化，此外以貨幣形式表示的絕對價值當(dāng)量人為主觀性較強(qiáng)。因此，客觀性、全面性、本地化是構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估體系的重要目標(biāo)。

在評估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的基礎(chǔ)上，明確生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的重要驅(qū)動因素及時空變化特征，是評估當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)及變化的前提。但驅(qū)動因素之間、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能之間錯綜復(fù)雜的關(guān)系，以及驅(qū)動因素與服務(wù)功能之間可能存在的一對多、多對一及多對多的關(guān)系極大增加了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)驅(qū)動力分析的難度[15]，加之目前生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)形成及傳輸理論尚不健全[1-2]，故對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能與驅(qū)動力之間關(guān)系的探索基本處于一對一的分析階段，因此首先需根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況識別重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能和關(guān)鍵驅(qū)動因素。如馬赫等[20]根據(jù)對瀘沽湖解譯得到的5種一級地類劃分出5種生態(tài)系統(tǒng)，通過不同指標(biāo)變化矩陣的形式分別分析每種生態(tài)系統(tǒng)變化與指標(biāo)變化的關(guān)系，最終針對生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生的變化提出相應(yīng)的規(guī)劃建議； 嚴(yán)恩萍等[21]將修訂后的生態(tài)服務(wù)價值當(dāng)量匹配到通過解譯得到的不同土地利用類型中，分析自然因素、人類活動和政策驅(qū)動3個驅(qū)動因素與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值空間變化的關(guān)聯(lián)度，進(jìn)而尋找出關(guān)鍵驅(qū)動因素；包翠榮[22]針對濕地生態(tài)系統(tǒng)，利用濕地資源調(diào)查數(shù)據(jù)并采用層次分析法評估每個指標(biāo)對生態(tài)系統(tǒng)的影響，從而尋找到主要驅(qū)動因素。關(guān)鍵驅(qū)動因素有助于理解當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的原因，在一定情況下，可以通過合理可控的人為活動促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)正向演變及生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)循環(huán)速率，從而得到更穩(wěn)定高效的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)輸出[12]。

新疆地處我國西北部干旱區(qū)腹地，降水稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈，具有典型的溫帶大陸性氣候特征。近些年在全球氣候變化的作用下，暖濕化趨勢顯著[23-28]，是對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響的重要外部因素，而不斷增長的人口對當(dāng)?shù)赜邢拶Y源的需求和不合理開發(fā)則形成激烈的內(nèi)部矛盾[29-32]，以土地鹽堿化、沙漠化為代表的生態(tài)問題嚴(yán)重制約當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)發(fā)展[33-35]。作為我國重要的生態(tài)屏障區(qū)及“一帶一路”戰(zhàn)略核心區(qū)，新疆的生態(tài)環(huán)境狀況關(guān)系到國家的生態(tài)安全和發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)施。文章基于這一背景，選取2000—2015年新疆全境為研究區(qū)，依據(jù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境和土地利用實(shí)際情況，明確生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)核心功能并建立評估體系； 選取當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)的關(guān)鍵驅(qū)動因子，并探究關(guān)鍵因子驅(qū)動下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的熱點(diǎn)與冷點(diǎn)，以期為當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

圖1 新疆地形

新疆維吾爾自治區(qū)位于我國西北部，地處歐亞大陸中心，面積166.31萬km2，約占中國國土面積的1/6。新疆有獨(dú)特的三山兩盆地形特征，北部的阿爾泰山、南部的昆侖山及橫亙于中部的天山將新疆分為北疆和南疆(圖1)。北疆為溫帶大陸性干旱半干旱氣候，年均氣溫約8.5℃[36]，由于受到西風(fēng)帶影響，全年降水量150～200mm； 而南疆則為溫帶大陸性干旱氣候，年均氣溫約12.8℃[36]，由于地形相對封閉，暖濕氣流無法到達(dá)，全年降水量僅為25～100mm。同時，南北疆經(jīng)濟(jì)發(fā)展也較不均衡，全疆經(jīng)濟(jì)核心區(qū)集中在北疆，南疆受資源匱乏、地形阻隔等因素影響，經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對滯后[37-38]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

該文選取了2000年、2010年、2015年基于landsat8解譯得到的土地利用數(shù)據(jù)， 3期數(shù)據(jù)的土地利用類型一致，包括耕地、林地、草地、水域、居民地和未利用土地6個一級類型及24個二級類型，分辨率30m； 另外參考相同年份的年均降水量數(shù)據(jù)及歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)，分辨率1km。以上數(shù)據(jù)均來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http：//www.resdc.cn)。數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分析前均重采樣為250m。

2 研究方法

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給潛力評估

該文基于遙感目視解譯的土地利用類型對應(yīng)的10個關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給潛力評估體系。為盡可能符合研究區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況，采取從一級地類至二級地類逐層分等定級原則使用非貨幣形式評價生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給潛力。

Ling等根據(jù)前人研究[16， 39-40]并結(jié)合新疆干旱區(qū)的環(huán)境特點(diǎn)，基于6個一級地類對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量本地化[15]。為避免人為因素對貨幣形式生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值產(chǎn)生干擾，該文對服務(wù)價值的相對大小進(jìn)行排序，排序結(jié)果為各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給潛力數(shù)值的整數(shù)部分，當(dāng)不同地類產(chǎn)生的相同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值相差懸殊時，小量級的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)可忽略不計。

對二級地類的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的評價則基于Burkhard[1-2]在CORINE土地覆被分類體系框架下構(gòu)建的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給能力矩陣。CORINE體系共分為44個土地覆被類型(https：//www.eea.europa.eu/publications/COR0-landcover)，通過對照兩種分類體系對各自土地覆被類型的定義將相同地類進(jìn)行關(guān)聯(lián)，能夠得到每個一級地類下的二級地類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)大小排序，并作為各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)影響力數(shù)值的小數(shù)部分，計算方法為：

(1)

式(1)中，ESVi表示第i種二級地類的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)；ESVi1表示二級地類i所在的一級地類的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)整數(shù)值，即Inti1；ESVi2表示二級地類i所表示的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)小數(shù)值；N代表某一級地類下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)不為0的二級地類數(shù)量，n表示地類i在這些二級地類中的倒序排序。當(dāng)一級地類對應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)為0而二級地類對應(yīng)同一服務(wù)不為0時，以0.1為間隔在整數(shù)0的基礎(chǔ)上進(jìn)行累積； 反之當(dāng)一級地類不為0而二級地類為0時，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)為0，最終結(jié)果見表1。

表1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給潛力矩陣

地類編碼氣候調(diào)節(jié)水資源調(diào)節(jié)土壤形成及保持廢物凈化生物多樣性營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)食物供給原料能源供給水源供給文化服務(wù)總值ⅠⅡⅠⅡFⅠⅡFⅠⅡFⅠⅡFⅠⅡFⅠⅡFⅠⅡFⅠⅡFⅠⅡFⅠⅡF111424.67323.67414.5313.5313.5616.5616.5000000212.535.341214.3313.3314.513.513.516.516.5000012.534.66221646.8535.75646.8545.8636.75343.8434.6646.8000545.852.92216.215.2516.215.216.2513.214.216.20015.247.92336.625.536.635.626.533.624.436.60035.6512426.435.7526.425.436.7523.444.826.40025.450.7331535.75434.75535.75424.67434.75434.75535.75000000333.7539.923225.524.525.514.3324.524.525.5000023.537.833315.2514.2515.250014.2514.2515.25000013.2531.75441323.5636.6000616.5515.5525.67414.5010.1616.33646.845.54223.526.4000015.515.3314.50016.3336.638.164323.526.4000015.515.3314.510.116.3336.638.264433.7546.800000000000026.6726.423.624613.2516.2000015.515.3300000016.226.48551000200000000000000200010.1000424.674.775200000000000012.510.10014.336.93530000000000000010.100000.1661010.1000000000200000100000000212.22.36210.1000000000000000012.22.36310.10000000010.111.5000022.44.16420.220.210.10012.520.200000042.866510.110.110.100000000000032.62.9660010.10000000000000032.62.76710.110.110.1000000000000000.3總值69.775.6551.844.571.2562.466526.525.6693.9 注:表中Ⅰ代表1級地類; Ⅱ代表2級地類; F為最終生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給潛力值

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)主要驅(qū)動力分析

人口增加導(dǎo)致的人為活動加劇和氣候暖濕化趨勢共同作用于新疆的生態(tài)環(huán)境，同時伴隨著土地覆被類型和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間、不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡和協(xié)同。研究表明西北干旱區(qū)蒸散發(fā)量自1950年到2010年整體無顯著波動且略呈下降趨勢，因此干旱區(qū)變濕趨勢主要由降水變化產(chǎn)生[41-44]。故該文以年均降水量代表當(dāng)?shù)氐臍夂蜃兓闆r； 人類活動干擾指數(shù)代表人口數(shù)量及空間分布對土地的利用強(qiáng)度的影響[13]； 歸一化植被指數(shù)表示當(dāng)?shù)夭煌恋乩妙愋偷闹脖桓采w情況。將3個因素作為研究區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要驅(qū)動力，分析三者的時空分布及變化對于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總量和時空分異特征的影響。其中改進(jìn)后的人為活動干擾指數(shù)計算方法為：

(2)

式(2)中，HDIk表示研究區(qū)任意柵格k的認(rèn)為活動干擾指數(shù)；Pki為柵格k對應(yīng)的土地利用類型i的人為活動干擾強(qiáng)度參數(shù)，參考貢璐等[45]在新疆干旱區(qū)內(nèi)陸河流域的研究結(jié)果，該研究區(qū)不同土地利用類型的取值見表2；d為柵格k到最近居民點(diǎn)或各類建設(shè)用地的歐式距離；IDW(d)是對歐式距離進(jìn)行反距離加權(quán)，歐氏距離及反距離加權(quán)過程通過Arcgis10.2的空間分析模塊實(shí)現(xiàn)；Norm(IDW(d))則是對加權(quán)結(jié)果進(jìn)行歸一化。

表2 人為活動干擾強(qiáng)度參數(shù)P

ID土地利用類型干擾強(qiáng)度ID土地利用類型干擾強(qiáng)度ID土地利用類型干擾強(qiáng)度11水田0.5433低覆蓋度草地0.2453其它建設(shè)用地0.9612旱地0.5441河渠0.1261沙地0.0821有林地0.1142湖泊0.1262戈壁0.0822灌木林0.1143水庫坑塘0.1263鹽堿地0.3823疏林地0.1144永久性冰川雪地0.0864沼澤地0.1524其它林地0.5446灘地0.1565裸土地0.0831高覆蓋度草地0.2451城鎮(zhèn)用地0.9666裸巖石質(zhì)地0.0832中覆蓋度草地0.2452農(nóng)村居民點(diǎn)0.9667其它0.08

考慮到不同降水量、干擾強(qiáng)度和植被覆被情況對當(dāng)?shù)?0種主要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能有不同程度的供給和調(diào)節(jié)作用，即不同的驅(qū)動強(qiáng)度，因此先對3種驅(qū)動力進(jìn)行驅(qū)動強(qiáng)度分級，其數(shù)值范圍為0～1，共分為5個等級[15]，每個等級對應(yīng)的驅(qū)動強(qiáng)度值見表3。

表3 3種驅(qū)動因子對不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的驅(qū)動強(qiáng)度值

驅(qū)動因素強(qiáng)度分級數(shù)值范圍生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能氣候調(diào)節(jié)水資源調(diào)節(jié)土壤形成及保持廢物凈化生物多樣性營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)食物供給原料能源供給水源供給文化服務(wù)NDVI10～0.10.050.050.10.10.050.050.050.050.050.0520.1～0.30.40.250.40.40.250.250.250.40.250.2530.3～0.50.60.50.60.60.50.50.50.60.50.540.5～0.70.80.750.80.80.750.750.750.80.750.755>0.71111111111HDI1<0.010.050.10.050.10.050.050.050.050.050.120.01～0.03111110.750.510.5130.03～0.080.90.750.80.750.750.60.750.750.750.540.08～0.130.750.50.750.80.6110.610.255>0.130.50.250.50.750.40.80.850.250.850.1降水1>0.8111111111120.4～0.80.80.750.90.60.850.90.90.90.90.7530.2～0.40.60.50.80.40.750.80.550.550.550.540.05～0.20.40.250.70.20.40.70.250.250.250.255<0.050.20.10.60.10.10.60.10.10.10.1

單一驅(qū)動因子對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的驅(qū)動力、所有因子產(chǎn)生的總驅(qū)動力及各驅(qū)動因子的驅(qū)動強(qiáng)度計算方法為：

(3)

(4)

(5)

式(3)～(5)中，DFj為第j個驅(qū)動因子的驅(qū)動力(j=1， 2， 3)αi為第i種土地利用類型對應(yīng)的驅(qū)動強(qiáng)度數(shù)值，DF為所有納入分析的驅(qū)動因子產(chǎn)生的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)驅(qū)動力，DFIj表示驅(qū)動因子j對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的驅(qū)動強(qiáng)度或生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化對驅(qū)動因子的響應(yīng)程度。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化及熱點(diǎn)分析

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度變化是多因素作用下生態(tài)環(huán)境變化的直接體現(xiàn)，分析研究區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時空變化及原因?qū)Ξ?dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)、實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需平衡具有重要意義。基于前文所述方法，分別計算關(guān)鍵因素驅(qū)動下不同時期生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給潛力的差異，并對其進(jìn)行熱點(diǎn)分析。該文參考Cai等對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熱點(diǎn)地區(qū)的提取方法[46]，判斷如下：

H>X+δ

(6)

C

(7)

式(6)、(7)中，H和C分別代表熱點(diǎn)和冷點(diǎn)地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)潛力值，X和δ分別代表研究區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)潛力平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，即服務(wù)潛力值高于全區(qū)平均值與一倍標(biāo)準(zhǔn)差之和的地區(qū)均被視為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的熱點(diǎn)地區(qū)。進(jìn)一步將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的熱點(diǎn)區(qū)與非熱點(diǎn)區(qū)范圍視為二值化圖，可以通過對不同時期熱點(diǎn)區(qū)重心位置的提取直觀反映生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)高值區(qū)總體分布遷移特征； 而通過分析不同時期多因素驅(qū)動下的遷移特征有助于分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡形成的原因[47]。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給潛力空間分析

3.1.1 土地利用狀況分析

新疆地區(qū)2000年、2010年和2015年3個時期土地利用圖級統(tǒng)計數(shù)據(jù)如圖2和表4所示。從全疆來看，由于中國面積最大的兩大沙漠塔克拉瑪干沙漠和古爾班通古特沙漠分別位于南疆和北疆地區(qū)，使得全疆未利用地占比超過60%，而3個時期沙地占比分別為22.52%,22.49%和22.47%，成為全疆面積占比最高的二級地類。15年來以耕地和建設(shè)用地為代表的高人為活動干擾區(qū)面積增加顯著，而林地、草地數(shù)量略有減少。北疆和南疆地區(qū)土地覆被類型均以草地和未利用地為主，但北疆地區(qū)草地面積多于未利用地， 3個時期平均面積占比分別為45.02%和38.30%； 南疆地區(qū)則呈現(xiàn)完全相反的景觀， 3個時期草地平均面積占比為25.30%，而未利用地面積高達(dá)67.94%； 未利用地中近95%為難以利用的沙地、戈壁和裸巖石質(zhì)地，與北疆地區(qū)相比南疆可供開發(fā)利用的土地資源極為有限。

表4 2000—2015年全疆一級土地利用類型占比

%

圖2 3個時期新疆土地利用狀況分布

3.1.2 關(guān)鍵因子驅(qū)動下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分布

3個關(guān)鍵驅(qū)動因子作用下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)潛力空間分布如圖3所示?？梢钥闯霰苯貐^(qū)覆蓋了全疆大部分生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)高值區(qū)域，其中天山地區(qū)為全疆生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)最為集中的區(qū)域，另一個范圍相對較小的高值區(qū)位于阿爾泰山邊緣； 南疆高服務(wù)潛力區(qū)主要位于塔里木盆地西側(cè)及昆侖山北緣，雖然在2010年有局部提升，但15年來這兩個重要區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)均有顯著下降。

圖3 關(guān)鍵因子驅(qū)動下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分布

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化熱點(diǎn)及遷移分析

對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化顯著區(qū)域的識別有助于探索生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系。不同時期3個關(guān)鍵驅(qū)動因子共同作用下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化如圖4所示。其中2000—2010年總體呈增加趨勢，平均增效為2.27/柵格，且覆蓋范圍較廣，北疆主要體現(xiàn)在天山北緣的人工綠洲區(qū)和阿爾泰山南緣的天然綠洲區(qū)，變化主要由于這一區(qū)域10年來植被覆蓋增加； 南疆則主要體現(xiàn)在塔里木盆地以北、以南及西側(cè)邊緣，是降水與植被覆蓋增加同時驅(qū)動的效果。然而前10年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)增加顯著的區(qū)域卻在2010—2015年出現(xiàn)較大幅度的下降(圖5)，通過圖層間的相關(guān)性分析可知，南疆地區(qū)年降水量與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)下降的相關(guān)性為0.79，而北疆地區(qū)兩者的相關(guān)性高達(dá)0.83，由此可見當(dāng)?shù)卮嗳醯纳鷳B(tài)環(huán)境對以降水為代表的氣候變化極強(qiáng)的敏感性； 經(jīng)過兩個不同變化趨勢的階段后， 15年來生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)表現(xiàn)為總體上微弱的下降趨勢，平均減小幅度為1.45/柵格。減小幅度最大的地區(qū)出現(xiàn)在阿爾泰山北緣，使得降水對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)的驅(qū)動強(qiáng)度大幅降低。2010—2015年NDVI變化出現(xiàn)零散的低值斑塊，意味著植被覆蓋也出現(xiàn)較為破碎地退化； 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)增幅最大的地區(qū)位于天山北緣，另外南疆地區(qū)在塔里木盆地西側(cè)邊緣整體也呈現(xiàn)較明顯的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)增加趨勢。

圖4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化空間格局

圖5 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化熱點(diǎn)冷點(diǎn)空間格局

不同時期的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化重心及其遷移路徑更直觀地體現(xiàn)出熱點(diǎn)與冷點(diǎn)的總體變化特征。由圖6可知，分區(qū)后的熱點(diǎn)遷移總體表現(xiàn)出由西向東的趨勢，而冷點(diǎn)遷移則基本呈現(xiàn)相反方向的變化。遷移路徑長度代表服務(wù)遷移強(qiáng)度。北疆地區(qū)熱點(diǎn)、冷點(diǎn)遷移路徑長度遠(yuǎn)小于南疆地區(qū)，這雖然與北疆疆域較小有關(guān)，但相對封閉的小區(qū)域中的生態(tài)環(huán)境變化更容易打破當(dāng)?shù)卦械纳鷳B(tài)系統(tǒng)平衡。北疆冷點(diǎn)遷移強(qiáng)度遠(yuǎn)小于熱點(diǎn)，說明北疆生態(tài)系統(tǒng)在面對外界干擾時表現(xiàn)出整體性，且抗性較強(qiáng)，同時在有適宜的物質(zhì)或能量輸入介入生態(tài)系統(tǒng)時，易產(chǎn)生更高效的輸出，故熱點(diǎn)能夠形成較遠(yuǎn)距離的遷移。而南疆的熱點(diǎn)與冷點(diǎn)遷移則呈現(xiàn)方向幾乎相反、距離相差不大的情況，一定程度上可以說明這一地區(qū)受到外界有利和不利因素影響后的響應(yīng)程度相似，對不利因素的抗性不強(qiáng)。

圖6 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化熱點(diǎn)與冷點(diǎn)遷移特征

3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)主要驅(qū)動力分析

3.3.1 人為干擾驅(qū)動分析

根據(jù)公式(4)可計算得到每個時期不同驅(qū)動因子的總驅(qū)動力，結(jié)果如圖7所示。2000—2015年間，新疆總?cè)丝跀?shù)從1 846萬人增至2 360萬人[48-49]。人口數(shù)量的增加伴隨著建設(shè)用地面積的擴(kuò)張。北疆地區(qū)由于經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)和自然資源稟賦相對南疆受到的限制較小，故建設(shè)用地增長比例相對較高，土地利用類型的變化主要體現(xiàn)在北疆北部地區(qū)，南疆則主要體現(xiàn)在塔里木盆地北緣。2000年，2010年及2015年3個時期北疆人為活動干擾強(qiáng)度平均值分別為0.209、0.213和0.217，而南疆地區(qū)分別為0.145、0.146和0.148。在人為干擾強(qiáng)度增大的背景下，由其驅(qū)動的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)數(shù)值在北疆和南疆也均呈下降趨勢，北疆3個時期分別為7.108、7.106和7.104，南疆3個時期分別為6.721、6.696、6.650。

3.3.2 氣候變化驅(qū)動分析

3個時期北疆地區(qū)降水驅(qū)動的服務(wù)平均值分別為16.02，17.24和13.01，與之形成強(qiáng)烈反差的南疆地區(qū)則僅為6.78，7.86和5.49，由此可見，相比于人為活動對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的干擾，自然環(huán)境對南疆地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提升的短板效應(yīng)更顯著； 而從時間序列變化上看，無論北疆或南疆地區(qū)2015年較另外兩個時期生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)均相對較低，這與2015年降水量少有直接關(guān)系。由此也可知，生態(tài)系統(tǒng)脆弱、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)低下的干旱半干旱地區(qū)對氣候因素的不穩(wěn)定性會有極敏感的響應(yīng)。

3.3.3 植被覆蓋驅(qū)動分析

與降水相似，總體上植被覆蓋度與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給、調(diào)節(jié)功能呈正相關(guān)(表3)。由于北疆地區(qū)草地覆蓋占比約為45%，遠(yuǎn)高于南疆地區(qū)，故植被覆蓋對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的驅(qū)動作用主要體現(xiàn)在北疆除沙地之外的大部分地區(qū)； 而對南疆地區(qū)的驅(qū)動則主要體現(xiàn)在天山以南及塔里木盆地狹長的邊緣地區(qū)。北疆地區(qū)3個時期NDVI驅(qū)動下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)值分別為14.30，16.74和15.25，與之相比南疆地區(qū)僅為3.79，4.58和3.93。

3.3.4 關(guān)鍵因子驅(qū)動強(qiáng)度分析

由圖8結(jié)果可知， 3個因子在南北疆驅(qū)動強(qiáng)度差異較大。在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展較好、草被覆蓋度高的北疆地區(qū)，人為活動及植被覆蓋對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響已相對穩(wěn)定，而本身不確定性較大的年降水量對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響波動較大； 在南疆地區(qū)，由于植被覆蓋度極低，故從數(shù)值上分析NDVI所代表的植被覆蓋能夠提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)最低； 3個時期降水對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)驅(qū)動強(qiáng)度與年降水量大小變化也呈現(xiàn)相同趨勢。

圖7 3個時期不同驅(qū)動因子驅(qū)動力空間分布

圖8 南北疆不同因子驅(qū)動強(qiáng)度對比

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

該文結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能供給矩陣兩種方法的優(yōu)勢，與兩級土地利用類型逐級匹配，構(gòu)建出符合研究區(qū)實(shí)際情況的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給潛力矩陣，結(jié)果表明該體系能夠很好展現(xiàn)出該區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時空分布特征。耦合人類活動干擾指數(shù)、降水和歸一化植被指數(shù)作為干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及變化的關(guān)鍵驅(qū)動因子并分析三者對于環(huán)境背景差異較大的北疆和南疆的驅(qū)動強(qiáng)度，結(jié)果表明不同環(huán)境下關(guān)鍵因子的驅(qū)動強(qiáng)度差異顯著，這一方面直觀展現(xiàn)出不同環(huán)境中3個因子的重要性程度，另一方面則說明該文構(gòu)建的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給潛力評估和關(guān)鍵驅(qū)動力組合對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境具有相當(dāng)?shù)拿舾谐潭?。通過關(guān)鍵驅(qū)動力作用下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化熱點(diǎn)與冷點(diǎn)分析，可以明確造成當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境變化的首要因素，進(jìn)而在人為可控范圍內(nèi)通過政策調(diào)整等方式指導(dǎo)當(dāng)?shù)厝藶榛顒酉蚶谏鷳B(tài)環(huán)境正向演化的方向進(jìn)行。

該文在熱點(diǎn)冷點(diǎn)識別時采用了根據(jù)均值和方差的和與差來計算閾值的方法，除意義簡潔明確外，這一方法在研究區(qū)域較大時相對于Gi*統(tǒng)計法、核密度估計、莫蘭指數(shù)法等[50]有極高的計算效率，且基本不存在斑塊破碎化、只存在統(tǒng)計意義而無實(shí)際意義的情況。但這一方法只體現(xiàn)出生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)數(shù)值上的熱點(diǎn)與冷點(diǎn)，對空間聚集情況分析不足，Gi*等方法能夠很好地對空間聚集情況加以計算。在未來的研究中，可以考慮將該文方法與Gi*等方法融合，結(jié)合熱點(diǎn)與冷點(diǎn)區(qū)變遷與研究區(qū)內(nèi)重點(diǎn)保護(hù)區(qū)域的空間重疊度，分析不同的環(huán)境保護(hù)措施的保護(hù)成效，從而為當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)政策的建立或調(diào)整提供依據(jù)。

4.2 結(jié)論

該文通過對兩級土地利用類型逐層分等定級原則評估研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給潛力，并耦合人類活動干擾指數(shù)、年降水量及歸一化植被指數(shù)3個驅(qū)動因素，評估三者的驅(qū)動強(qiáng)度并分析在其作用下新疆生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時空分布集變化情況，結(jié)果表明如下。

(1)新疆生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給潛力的高值主要集中在天山周邊地區(qū)，最大值出現(xiàn)在阿爾泰山北緣，此外塔里木盆地以西也有分布狹長的高值區(qū)。北疆地區(qū)由于植被覆蓋度較高、氣候相對濕潤，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)潛力遠(yuǎn)高于沙漠廣布、植被稀少的南疆地區(qū)。

(2)2010—2015年， 5年來生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的減少大于2000—2010年10年來生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)增加，導(dǎo)致整個研究期間生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)平均值呈小幅度下降。前10年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熱點(diǎn)分布區(qū)大部分轉(zhuǎn)變?yōu)槌蔀楹?年的冷點(diǎn)區(qū)，其中降水變化驅(qū)動下的阿爾泰山北緣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)降低幅度最大。北疆生態(tài)系統(tǒng)在外界干擾下能夠體現(xiàn)出更強(qiáng)的抗性和整體性，也更易形成高效的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)輸出，而南疆地區(qū)對有利和不利因素的響應(yīng)程度相似。

(3)3個時期北疆和南疆人為干擾強(qiáng)度均呈增加趨勢，由此驅(qū)動的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相應(yīng)呈減小趨勢。北疆地區(qū)3個時期由降水驅(qū)動的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)遠(yuǎn)高于南疆地區(qū)；降水驅(qū)動的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)高于人類活動，但其不確定性造成的波動也較大。南北疆土地覆被類型的巨大差異使得植被覆蓋驅(qū)動下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)懸殊。相比于人類活動的干擾，北疆地區(qū)以降水和植被覆蓋為代表的自然環(huán)境對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)驅(qū)動強(qiáng)度更高，而南疆人類活動和降水對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的驅(qū)動則交替處于主導(dǎo)地位。