1980—2020 年新疆土地利用变化下生态系统服务价值时空演变分析

时间：2024-08-31

马丽娜，张飞云，翟玉鑫，滕伦，康建国

（1.新疆农业大学公共管理学院，新疆乌鲁木齐 830052；2.湖南农业大学资源环境学院，湖南长沙 410128）

自党的十八大以来，我国把生态文明建设摆在全局工作的突出位置，良好的生态环境是最普惠的民生福祉。土地利用变化能够直接影响生态系统，从而影响其结构和功能，最终导致生态系统服务价值（Ecosystem service value,ESV）也明显改变［1］。生态系统服务是指人类通过生态系统的结构、功能以及过程得到的提供支持产品和服务［2］，主要包括：供给服务、调节服务、支出服务和文化服务。近些年来，国内外学者对生态系统服务的研究取得了丰富的成果。1997 年Costanza 等［3］以货币形式对全球ESV 进行评估，提出了评价原理和方法。2003 年谢高地［4］结合中国的自然生境和社会经济，提出当量因子法，并在2015 年对其进行补充和修订［2］。从研究方法来看，主要是单位面积当量因子法和单位功能价值法，前者计算简单、可操作性较强，能够快速评估大尺度的区域ESV，应用较为广泛；后者计算复杂、操作繁琐，每种服务价值估算没有形成统一的标准，没有被广泛应用［5］。从研究尺度来看，主要分为宏观和中观，前者包括全国［6］、省域［7］、市域［8］、区域［9］、流域［10-12］、城市群［13］等，后者以格网［14］作为基本评价单元。

现有对新疆土地利用变化下ESV 的研究主要集中在博斯腾湖、和田河、塔里木河等流域［10-12］以及和田等市域［15］，新疆作为中国土地面积最大的省份，占中国面积的1/6，土地资源丰富且类型复杂，因此丰富新疆ESV 的研究十分必要。王希义等［11］对1990—2010 年新疆和田流域ESV 进行研究，发现ESV 下降了7.83%，主要受到草地、耕地、湿地面积减少的影响；张发等［10］对2000—2018 年博斯腾湖流域ESV 进行研究，分析了博斯腾湖流域的土地利用冲突现状及ESV 时空变化；刘川等［16］对2007—2016年新疆ESV 进行研究，但只是分析了新疆ESV 的时间变化，没有对ESV 的空间分布进行探究。本文将对新疆土地利用变化下ESV 的时空演变进行分析，为新疆生态环境保护提供科学依据。

本研究基于1980—2020 年8 期土地利用数据，在ArcGIS 和GeoDa 支撑下，利用当量因子法、空间自相关分析等方法，以10 km×10 km 格网为计算单元对新疆ESV 进行测算，分析新疆土地利用变化下ESV 的时空演变特征，为推动区域可持续发展提供参考意见。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

新疆（34°25′～48°10′N，73°40′～96°18′E）位于我国西北地区，亚欧大陆腹地，与巴基斯坦等八国接壤，总面积约为1.66×106km2，2020 年末常住人口数为2585.23×104人。新疆地貌特征以山地、盆地为主，山脉与盆地相间排列，盆地与高山环抱，简称为“三山夹两盆”，北部的阿尔泰山、南部的昆仑山以及中部的天山横亘于新疆中部，将新疆分为北疆和南疆（图1）。新疆属于典型的温带大陆性气候，年平均气温为8.7 ℃，年平均降水量为199.6 mm。

图1 研究区位置示意图Fig.1 Location of the study area

1.2 数据来源

1980—2020年共8期新疆土地利用遥感数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心（http://www.resdc.cn），数据以各期Landsat TM/ETM 遥感影像为主要数据源，通过人工目视解译生成。根据土地资源及其属性，将土地利用类型划分为草地、耕地、水域、林地、建设用地、未利用地。粮食的产量、价格和种植面积数据来源于《新疆统计年鉴2019》和《全国农产品成本收益资料汇编2019》。

1.3 研究方法

1.3.1 生态服务系统价值测算ESV 评价方法主要是功能价值法和当量因子法。本研究以Costanza等［3］和谢高地等［17］修正后的中国生态系统单位面积生态服务当量表为依据，结合新疆社会经济发展情况，对新疆单位面积粮食产量创造的经济价值进行修正。建设用地的ESV 较低且影响程度和范围小，目前尚未发现对建设用地ESV 测算比较好的量化方法，本文根据谢高地等修正后的当量因子表为依据，在该当量表中未对建设用地ESV进行计算，将其系数设为0。通过查询《新疆统计年鉴》可以得出，1980—2018年新疆平均粮食单产为5428.70 kg·hm-2，2018 年的新疆平均粮食价格为1.98 元·kg-1［10］，根据“一个标准生态系统服务经济价值等效系数是单位面积农田的食物生产经济价值的1/7”［18］，计算出新疆一个ESV 当量因子为1535.55 元·hm-2，其次通过与修正后的当量表相乘得出新疆生态系统单位面积服务价值系数表（表1），最后计算新疆ESV。EVS公式计算如下：

表1 新疆土地利用类型的ESV系数Tab.1 ESV coefficients of land use categories in Xinjiang /元·hm-2

式中：VC0为单位面积ESV 当量（元·hm-2）；i为主要粮食种类；mi为第i种粮食作物的播种面积（hm2）；pi为第i种粮食作物的当年价格（元·kg-1）；qi为第i种粮食作物的单位面积产量（kg·hm-2）；M为研究区主要粮食作物总面积（hm2）。

式中：Ak为k地类面积；VCk为ESV 系数；ESVf为第f项ESV；VCfk为地类k的第f项ESV系数。

1.3.2 全局空间自相关分析本研究采用Moran’sI对10 km×10 km 格网下新疆ESV 进行全局自相关度量和检验，Moran’sI可以表征整个新疆ESV 空间自相关的总体变化趋势，其取值范围在-1～1 之间，当Moran’sI>0 表示空间正相关，数值越大，正相关性越显著，空间集聚性越强；Moran’sI<0 则相反；当Moran’sI=0 表示空间不相关［18］，空间单元随机分布，其计算公式为：

式中：xi、xj分别为格网i、j的属性值；为属性的平均值；wij为空间权重矩阵；n为格网数量。

1.3.3 局部空间自相关分析局部空间自相关可用来检验局部区域的空间异质性和关联性［19］，局部Moran’sIi指数可以表征新疆ESV 空间相关性的局部特征，当局部Moran’sIi>0 表示ESV 值呈现出高-高或低-低集聚，当局部Moran’sIi<0 表示ESV 值呈现出低-高或高-低集聚［18］，其公式如下：

1.3.4 热点分析本研究采用热点分析（Getis-Ord检测新疆ESV 变化在空间上形成的热点和冷点的分布格局，当ESV 变化值大于邻近区域，将会形成明显的ESV 增值热点区，代表着该区域的ESV 涨幅显著［13］；当ESV 变化值小于邻近区域，则相反，其公式如下：

式中：wij(d)为空间评价单元i、j的空间权重系数；为值的数学期望；为值的方差。

2 结果与分析

2.1 新疆土地利用类型时空演变分析

通过计算新疆1980—2020 年土地利用面积（图2）可以发现，新疆土地利用类型主要以草地和未利用地为主，约占总面积的91.00%。1980—2020年新疆水域面积减少最多，减少了1.51×104km2（29.95%），林地和未利用地面积减少次之，分别减少1.00×104km2（26.62%）、0.95×104km2（0.94%）。草地和未利用地之间有着频繁的相互转换过程且二者流转面积最大，未利用地转为草地的面积为11.43×104km2（13.00%），草地转未利用地的面积为12.75×104km2（77.97%）。新疆存在介于荒漠和其他草地之间的过渡类型——荒漠草地，而这种用地类型使得草地和未利用地转化频繁［20］。1980—2020年新疆建设用地和耕地面积呈增长趋势，分别增长0.56×104km2（166.79%）、3.33×104km2（58.89%），其中，建设用地面积的增加主要是由耕地转为建设用地，是随着经济社会的发展以及城市土地扩张造成的；耕地面积的增加是由草地和建设用地转为耕地，近20 a 新疆耕地面积增加主要得益于国家土地政策和可持续发展理念。水域在1980—2015 年变化不显著，从1980 年的5.05×104km2增加到2015 年的5.24×104km2（3.76%），但在2015—2020 年出现了大幅下降趋势，减少了1.70×104km2（32.49%），其变化可能与气候变化导致的冰雪储存下降、冰川融化、零平衡线提升［21］有关。林地面积从1980 年的3.75×104km2下降到2020 年的2.75×104km2，减少了1.00×104km2（26.62%），其中，2015—2020 年减少了0.95×104km2（25.64%）。

图2 1980—2020新疆土地利用面积Fig.2 Area of land use in Xinjiang from 1980 to 2020

从土地利用转移矩阵空间分布（图3）来看，新疆土地利用变化最频繁的区域主要集中在“三山”和绿洲地区。草地和未利用地转换频繁，未利用地转草地主要集中在山区，而草地转未利用地主要集中在绿洲。在全球气候变化影响下，新疆三大山系冰川有着不同幅度的消退［22］，冰川的消融改善了山区气候条件，使得山区未利用地尤其是之前被冰川积雪覆盖的地区很容易转化为草地。1997 年以来，新疆气候特征也由“暖湿化”向“暖干化”转变［23］，使得绿洲本就不稳定的草地更容易向未利用地转化。建设用地转出的面积最小，仅有0.68×104km2（0.59%）；水域主要向草地和未利用地转化，主要发生在天山和昆仑山地区。

图3 1980—2020年新疆土地利用转移图Fig.3 Land use transfer map in Xinjiang from 1980 to 2020

2.2 新疆生态系统服务价值时空变化

2.2.1 生态系统服务价值总价值时序变化根据新疆土地利用数据和ESV 系数，得到1980—2020 年ESV 变化情况（图4）。1980—2020 年新疆生态系统服务总价值呈现“先增后减”的变化趋势，由1980年的166.95×1010元增加到1995 年的167.51×1010元，增加了0.34%，之后逐渐减少，2020 年达到最低值155.80×1010元。2015—2020 年新疆生态系统服务总价值快速下降，减少了11.324×1010元（6.78%）。通过分析发现，林地和水域的ESV 系数较大且大规模减少是造成ESV变化的主要原因之一。

图4 1980—2020新疆各土地类型ESV变化Fig.4 ESV changes of each land use type of Xinjiang from 1980 to 2020

2.2.2 单项生态系统服务价值时序变化1980—2020 年新疆土地单项ESV 变化中，除食物生产价值有小幅度的提升外，其他各项ESV 均有不同程度的减少（表2）。水文调节、废物处理、美学景观、原料生产价值减少幅度较大，分别减少15.39%、11.07%、8.72%、6.19%，直接导致新疆生态系统服务总价值降低。食物生产价值不减反增得益于耕地和草地面积的增加。水文调节、废物处理、美学景观、原料生产价值等在1980—2015年变化较小，但在2015—2020 年出现大幅度下降趋势，主要原因是水域和林地的大面积缩减。水域和林地是重要的生态系统，二者具有涵养水源、保育土壤、固碳释养、维持全球物质循环和水循环等功能。

表2 1980—2020新疆土地单项生态系统服务价值变化Tab.2 Changes of individual service value of land ecosystem in Xinjiang from 1980 to 2020 /108元

从ESV 的构成来看，新疆各年各单项ESV 占土地生态系统服务总价值的比例是：水文调节>生物多样性>废物处理>土壤保持>气候调节>气体调节>美学景观>食物生产>原料生产。其中，水文调节、生物多样性、废物处理、土壤保持价值占各年生态系统服务总价值的60%以上。

2.3 生态系统服务价值的空间分析

2.3.1 生态系统服务价值的空间布局为了进一步揭示新疆ESV 的时空演变特征，本文使用格网法对研究区进行空间划分，在全面考虑研究区面积和最小可塑性单元对测算结果的尺度效应，经过多次反复试验，选择最适合研究区范围大小的10 km×10 km 作为格网单元大小，对1980—2020 年新疆ESV进行空间可视化，并采用自然间断点法将其划分为5 个等级：低（0～0.6×108元）、较低（0.6×108～1.3×108元）、中等（1.3×108～2.2×108元）、较高（2.2×108～3.8×108元）、高（3.8×108～6.9×108元）（图5a～h）。研究表明：新疆ESV 空间分布较为明显，整体呈现“西高东低”的空间分布格局，与新疆“三山夹两盆”的地形相吻合。ESV较高和高价值区主要分布在“三山”以及伊犁河谷地区，这些区域植被茂盛，区域水资源和生物多样性较为丰富；中等和较低价值区主要分布在绿洲，该区域植被较为稀疏，受人类活动影响大；低价值区主要分布在盆地，该区域主要是以沙漠为主，植被覆盖率低、生态环境脆弱。从空间格局演变来看，前7期的ESV 等级分布变化不太明显，高值区和较高值区分布零散且分布面积小，主要分布在“三山”地区。2015—2020 年高值区和较高值区面积显著减少，其主要原因可能还是水域和林地面积的减少，其中变化最为显著的是北、中天山地区。

图5 1980—2020年新疆ESV的空间分布Fig.5 Spatial distributions of ESV in Xinjiang from 1980 to 2020

2.3.22015—2020年新疆北、中天山地区ESV空间分布天山山系主要包括北天山、中天山、南天山，本文中提到的天山山脉具体指北、中天山。根据1980—2020 年新疆整体ESV 空间分布可知，2015—2020 年新疆北、中天山地区ESV 的变化十分显著（图6a～b），所以本研究选取北、中天山地区所在区域进行重点分析。根据范围大小以及最小可塑性单元对测算结果的尺度效应规则将北、中天山地区按5 km×5 km 格网进行详细地分析。新疆北、中天山地区ESV 从2015 年的6255.92×108元下降到2020年的5391.20×108元，减少了864.72×108元（13.82%）。主要是因为水域和林地面积的减少，分别减少1.16×104km2（56.23%）、0.60×104km2（35.26%）。林地面积减少主要是向草地和耕地转变，林地转为草地主要分布在天山山区，林地转为耕地主要分布在绿洲地区，天山地区林地面积的减少可能与林业活动有关，如森林砍伐等。根据图6 可知，新疆北、中天山ESV高、较高质量区呈减少趋势，其中高质量区减少最为明显，减少75.29%，空间分布特征也由集中走向分散。高、较高质量区位于海拔较高的山区，受人类活动影响小，其面积缩减主要是气候变化的结果。中等、较低质量区呈增长趋势，分别增长13.64%、10.78%，主要分布在绿洲，受到人类活动影响大，其范围有向高、较高质量区扩散趋势。低质量区增长率为2.36%，范围向中等质量区扩散。

图6 2015、2020年新疆中天山地区ESV空间分布Fig.6 Spatial distributions of ESV around the middle Tianshan Mountains area in Xinjiang in 2015 and 2020

从空间分布上来看，天山北坡中等、较低质量区增多，主要是从高、较高质量区转换而来。天山北坡高、较高质量区的减少与天山北坡经济带的建设有一定关系，田浩等认为天山北坡经济带有超过半数的耕地和建设用地处于底线型和危机型生态空间，存在很大的生态安全冲突，加剧了盐渍化、沙漠化的进程［24］，进而影响了天山北坡的ESV。天山南坡高、较高质量区的减少与水域面积的转出有着密切的关系。

新疆天山的水资源养育着天山南北坡人们的生产和生活活动。随着气候的变暖，冰川退缩和消融［23］减少了水资源供给，同时加剧了干旱和荒漠化现象［25］，农业灌溉和社会经济发展等人类活动也在大量消耗着天山地区的水资源［26］，导致了新疆北、中天山地区的ESV下降。

2.3.3 生态系统服务价值的空间自相关分析通过Moran 指数对新疆ESV 进行全局自相关分析，发现1980—2020 年8 个时期的新疆ESV 全局Moran’sI值均在0.7 以上且P值均小于0.001，说明新疆ESV在0.001 水平上具有显著的空间正相关性和聚集性。其中2020 年Moran’sI值最低，为0.7021，说明新疆ESV的空间正相关性有减弱趋势。

根据1980—2020 年新疆ESV 的局部空间自相关（图7a～b）和冷热点分析（图7c～d）发现，二者在1980—2015年变化不大，但在2015—2020年变化显著。整体来讲，新疆ESV 的空间聚集特征和冷热点分布是一致的，呈现“西高-东低”趋势。高-高集聚区、热点区主要分布在“三山”和伊犁河谷地区；低-低集聚区、冷点区分布较为集中，主要分布在盆地和沙漠地区；局部空间自相关和冷热点的不显著区域在全疆范围内均匀分布。2015—2020 年新疆ESV 高值聚类和低值聚类均增强，但是低-低集聚区依然占据主导位置，其中高值聚类增强是由ESV的低价值区向中等价值区转变造成的，低-低集聚区、冷点区由分散向集中转变。

图7 2015—2020年新疆ESV的LISA集聚图和冷热点分布Fig.7 LISA cluster diagram and distribution of cold and hot spots of ESV in the study area from 2015 to 2020

3 讨论

水域和林地面积的减少是造成新疆ESV 下降的主要原因。近40 a新疆水域和林地面积的减少最为显著，特别是在2015—2020 年出现在大幅度下降，水域和林地价值系数大且是重要的生态系统，新疆ESV 受到水域和林地面积的影响且与二者变化一致。随着社会经济的发展，2018 年新疆积极落实城乡建设用地增减挂钩节余指标跨省调剂政策是建设用地增加的重要原因，建设用地面积增加导致新疆ESV 下降。自2000年以来，新疆建设用地面积不断扩大，建设用地面积由1980年的0.34×104km2增长至2020 年的0.90×104km2，其中包括大型水利设施的修建，水利设施的修建对地形要求较高，主要分布在河流、山地地区，使得山地林、草土地利用向建设用地和耕地转变［27］。新疆ESV 下降可能受到人类活动的影响，在过去的40 a 新疆人口呈快速增长趋势，从1980 年的1283.24×104人增加到2020年的2590×104人，尤其是2015—2020 年，人口增长速度最快，增长了205×104人；GDP 从1980 年的53.24×108元增长到2020 年的13797.58×108元，扩大近260倍，新疆人口增加、经济发展均与土地利用变化有着密切的联系。新疆属于干旱地区，作为“一带一路”的枢纽核心，可以预见新疆ESV 下行压力巨大。

本文的研究成果与郭亚红等［15］、张帅等［12］对新疆和田地区、塔里木河流域ESV 研究成果一致，研究期内区域林地和水域面积减少，ESV呈下降趋势，新疆生态环境质量恶化［28］。但与刘川等［16］对新疆ESV 研究的成果不太相符，其采用新疆维吾尔自治区国土资源厅详查的土地利用数据对新疆的ESV进行测算，认为2007—2016 年新疆ESV 呈增加趋势，增加309.70×108元（0.75%），而本文采用中国科学院资源环境科学与数据中心的土地利用数据计算ESV，研究表明2005—2015 年新疆的ESV 减少了21.97×108元（0.13%）。可能是由于数据源的差异（前者属于调查数据，后者属于遥感数据）与时间范围不同所导致结果存在差异。