基于土地利用变化的新疆生态系统服务价值研究

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　　摘要 [目的]分析生态系统服务价值在新疆土地利用变化前后的变化，具体探讨利用土地方式改变对其生态系统服务价值造成的影响。[方法]借鉴前人研究总结的评估方法和中国生态系统价值当量表，分析修正了不同类型生态系统服务价值系数，进而计算新疆生态系统服務价值。[结果]新疆的未利用土地达58%以上，2007—2016年园地、建设用地面积有较大增幅，牧草地面积呈现减少趋势;2007—2016年研究区生态系统服务价值由2007年的41 385.08亿元上升至2016年的41 694.78亿元，增加309.70亿元，表明研究区域总生态系统服务价值出现增长;通过计算敏感性指数，表明新疆生态系统服务价值相对于生态价值系数来说均缺乏弹性，因此所选取的价值系数对于研究区而言是较为合适的。[结论]该研究为干旱区的土地利用、维护生态安全提供科学依据。
　　关键词 土地利用;生态系统服务价值;敏感指数;新疆
　　中图分类号 F301文献标识码 A
　　文章编号 0517-6611（2019）10-0070-04
　　Abstract [Objective] The research aimed to analyze the changes of ecosystem service value before and after the change of land use in Xinjiang， and specifically explore the impact of land use change on the value of its ecosystem services.[Method]Based on the evaluation methods summarized by previous studies and the China Ecosystem Value Equivalent Table， the value coefficient of different types of ecosystem services was analyzed and corrected， and the value of ecosystem services in Xinjiang was calculated.[Result]The unused land in Xinjiang reached more than 58%， the area of garden and construction land increased greatly from 2007 to 2016， and the area of pasture decreased.From 2007 to 2016， the ecosystem service value of the research area increased from 4138.508 billion yuan in 2007 to 4169.478 billion yuan in 2016， with an increase of 30.970 billion yuan， indicating that the total ecosystem service value of the research area increased.By calculating the sensitivity index， it shows that the value of ecosystem services in Xinjiang was inelastic compared with the ecological value coefficient， so the value coefficient selected in this paper was appropriate for the research area. [Conclusion] This study provides a scientific basis for land use and ecological security in arid areas.
　　Key words Land use;Ecosystem service value;Sensitivity index;Xinjiang
　　人类间接或直接获取生态系统服务，以得到维持人类生存与社会发展的物质基础，如今生态系统面临着日益严重的威胁，并已成为制约人类可持续发展的全球性问题[1-2]，维持生态系统健康持续运转，维护国家生态安全是一项艰巨和迫切的任务。土地作为陆地各类生态系统的主要载体，了解利用土地方式和具体形式的改变对其服务价值造成的影响，并且了解两者作用影响的关系显然非常重要。新疆多数区域都是荒漠、沙漠和戈壁，气候类型为温带大陆型，干旱且极少降雨，全年降水均值仅150 mm，是典型的干旱区。近年来新疆工业化、城镇化迅速推进，加之新疆作为“一带一路”倡议推进的桥头堡，经济发展的需求与因生态环境脆弱的维护生态安全的目的，两者之间冲突日益加剧。因此认识新疆土地利用对生态系统服务功能的影响，可以从土地规划利用角度出发，为维护干旱区生态安全提供一条新思路。
　　20世纪就已经有研究人员对于生态系统服务价值展开了研究，如Costanza等[3]就采用生态学和经济学相结合的方法对生态系统价值进行量化，建立了生态系统服务价值定量分析的方法和基本原理。此后，国内也涌现了许多相关研究[4-7]，如谢高地等[5]针对Costanza等的研究在中国运用的缺陷，同时结合生态专家团队（200人）的调查问卷分析结果，构建了新的单价评估系统;王岽等[6]结合谢高地等提出的生态系统服务价值系数，运用遥感技术获取到的安徽地区真实数据，进行了价值计算。目前，中国已有学者对新疆生态系统服务价值方面进行了相关研究[8-11]，如杨丽文等[8]在新疆和田河流域范围内展开研究，着重分析了其中怪柳灌木天然林地，评价了其生态系统服务价值;王燕等[10]在新疆结合RS技术和GIS技术展开研究，重点选取了自然保护区（6个保护区均为国家级）作为研究对象，基于研究地区内土地利用改变以及该地区生态系统，重点评估了相应服务价值的改变;万勤等[11]依据11年新疆兵土地利用数据，分析了新疆兵团生态服务价值在时间和空间上的变化特征。从已有的文献看出，关于新疆生态系统服务价值的研究大多从某一生态系统、某一地区来研究，较少从全区的尺度上来研究。笔者研究生态服务价值计算过程援用了Costanza等[3]提出的算法，并参考了谢高地等[5]针对我国陆地生态系统价值当量进行换算的模型，基于新疆真实状况，修正了系数表;利用数据建模方法，主要利用敏感性指数，对新疆地区土地利用、生态系统服务价值等进行量化分析，指出了前者的改变对后者造成的影响。 　　1 资料与方法
　　1.1 数据来源 该研究所用的土地利用/覆被的变更数据、社会经济数据来源于2008—2017年新疆维吾尔自治区国土资源厅详查数据和《新疆维吾尔自治区统计年鉴》。根据搜集数据结合中國科学院土地资源分类划分标准，对土地利用类型重新归并、分类。根据标准将土地利用类型分为7个类型、耕地类型、园地类型、林地类型、牧草地类型、建设用地类型、水域类型、未利用土地类型。
　　1.2 土地利用变化速率计算
　　该研究选取土地利用动态度作为研究指标，表示研究区一年内某种土地利用/土地覆盖类型的变化幅度，直接反映了研究区某种土地利用类型变化的速度[12]，其土地利用动态度（Rl）计算公式为：
　　1.3 不同土地利用类型生态系统服务价值确定方法
　　1.3.1 单位生态系统服务价值当量因子价值计算。
　　1个标准单位生态系统生态服务价值当量因子是指1 hm2全国平均产量的农田每年自然粮食产量的经济价值[13]。结合新疆实际的农业生产，以新疆主要农产品小麦、玉米和水稻的播种面积、产量为代表农产品;为避免因农产品价格而导致新疆生态系统服务价值量的过低估计，以各类产品在2016年的市价为计算基准数据。自然生态系统作用条件和人力生产条件2种不同条件下，创造经济价值的比值为1∶7，计算新疆农田自然条件下农作物产出经济价值约2 145.145元/hm2。其计算模型为：
　　式中，Ma为单位生态系统服务价值当量因子的经济价值（元/hm2）;i为某一种农产品;pi为第i种农产品全国平均价（元/kg）;qi为第i种农产品单产（kg/hm2）;ei为第i种农作物面积（hm2）;E为所有农作物种植总面积;n为农作物类型数量。
　　1.3.2 生态系统服务价值当量因子的确定。
　　在确定单位生态系统服务价值当量因子的经济价值之后，以此当量为参照可以确定其他生态系统服务的当量因子，其作用在于可以表征和量化不同类型生态系统对生态服务功能的潜在贡献能力[14]。
　　耕地、林地、牧草地、水域的生态系统服务价值当量确定参考中国生态系统服务价值当量因子表[5]。对于建设用地，Costanza等[3]研究指出建设用地不能造成任何生态系统服务价值，也少有研究对其生态系统服务价值进行研究和赋值。但建设用地是人为因素与自然因素相互交织、相互作用下形成的生态系统;对水的消耗造成水源涵养功能的减弱，人类活动减弱了废物处理能力，但增加了土壤形成与保护功能;由于建设用地对大气、气候等环境因素的影响具有累积效应，难以界定其影响范围和程度;所以结合文献[15]对工矿、交通和民居用地等建设用地的水源涵养、废物处理、土壤形成与保护3个方面的生态服务价值当量因子进行确定。基于园地利用特点对其生态服务价值当量因子的取值，取耕地和草地的平均值;未利用地主要由荒漠、荒草地和滩涂等构成，其生态服务价值当量因子取草地和荒漠的平均值。
　　1.3.3 生态服务价值系数修正。
　　在明确单位生态系统服务价值当量因子的经济价值后，结合已确定的不同类型生态系统服务价值当量因子、不同土地利用方式的面积数据，按照转化公式（3），分别求解利用方式不同时生态服务价值系数数值，即可得到系数修正表（表1）。
　　式中，VCi为第i种生态系统的生态服务价值系数[元/（hm2·a）];eij为第i种生态系统的j种生态服务功能的生态系统服务价值当量因子;i为某种生态系统类型;j为某种生态服务功能;Ma为单位生态系统服务价值当量因子的经济价值（元/hm2）。
　　对表1数据分析可知，生态系统类型不同则其相应的生态功能也完全不同，后者之强弱与系统内生物量之间存在紧密联系，通常来讲，内涵生物量规模越大，则系统也就具备更强的生态服务功能。从服务价值系数指标分析，该研究生态系统对象中林地和水域两类用地的这一指标数据较大，最小的为建设类且为负值，说明建设用地对新疆生态价值有严重损害。其中林地的气体、气候调节功能、废物处理、土壤形成与保护等功能较强，水域的水源涵养、娱乐文化功能的生态服务价值系数较高。
　　1.3.4 生态系统服务价值计算。
　　1.4 生态服务价值敏感性计算
　　为验证土地利用发生的改变导致生态系统类型变化进而导致生态系统服务价值改变的有效性，所以选择用敏感性指数（CS）计算生态系统服务价值对生态价值系数的敏感性，进而来反映生态价值参数改变的有效性和准确性。方程式如下：
　　式中，i、j代表初始的状态值和调整以后的状态;k为各类土地利用类型。 如果CS>1，表明ESV对VC是富有弹性的，CS取值越高，表明VC的精准性越重要;如果CS<1，表明ESV对VC是缺乏弹性的，CS越小，表明生态系统服务价值系数的准确性对计算生态系统服务价值影响越小。该研究通过对生态价值系数上下调整50%，来计算CS并分析ESV对其变化的敏感性。
　　2 结果与分析
　　2.1 土地利用变化
　　从表2可看出，10年来新疆地区对土地的利用方式有较为明显的改变，水域、耕地、园地和建设等类型用地规模连年扩张，牧草地规模则逐步萎缩退化，同时原本土地中未利用部分也逐步得到了开发利用。其中以园地面积增加的幅度最多、速度最快，其次是建设用地面积。园地增加主要原因是由于新疆的地理位置使其具有日照时间长、昼夜温差大等独特的气候资源，这对发展特色林果业具有明显的优势。近年来，新疆城镇化进程高速推进，基础设施建设投入加大，使建设用地面积快速增加。在不同的土地利用方式中，值得警惕的是新疆的牧草地退化趋势明显，共减少22.34×104 hm2;主要由于新疆极端荒漠气候造成牧草地生态系统脆弱极易退化，人为因素影响下造成的对牧草地的侵占，这严重地威胁干旱区生态安全。新疆大面积的土地处于未利用状态，得益于近年新疆快速的发展，在垦荒、开发建设等因素的影响下，对其土地资源得到更充分利用。 　　2.2 生态系统服务价值分析
　　从表3可看出，研究期内新疆省生态系统服务价值由2007年的41 385.08×108元上升至2016年的41 694.78×108元，9年间增加309.70×108元，增加率达0.75%。研究期間因为不同类型土地利用的占比发生的变化，所以全省生态服务价值发生了极大改变，两者之间存在紧密关联。水域对新疆生态系统服务价值的贡献最大，产生的影响最为显著，次之是牧草地，所以水域、牧草地两类用地在全省生态服务价值体系内极为重要。
　　研究时段中使用类型不同的土地生态系统服务价值的改变状况并不相同。2007—2016年，耕地、园地和林地的生态系统服务功能持续增加，水域增加数量最多，达348.79×108元，园地增加率最大，为16.27%，而牧草地、未利用土地生态系统服务价值减少，数量减少最多的是牧草地，达-52.76×108元。
　　2.3 生态系统服务价值敏感性分析
　　该研究将对VC指标增减50%予以修正调节，随后分别求解修正后的敏感性指数以及服务价值。从表4可看出，所得这2个时期指标数值都比1小，最大值为0.322 9，最小值为0.001 5。2007年研究区各土地利用类型的敏感性指数（CS）由低到高的顺序依次是园地、建设用地、耕地、林地、未利用土地、牧草地、水域;2016年园地敏感性指数最低，即当园地生态系统价值系数增加1%时，总价值只增加0.001 8%，其中水域的敏感性指数最高，即当水域的生态价值系数增加1%时，生态系统服务总价值将增加0.322 9%，其中主因在于研究区有较大水域面积，水域VC较大。因此，就CS指标而言，该研究区域内，新疆生态系统服务价值对生态民服务系数缺乏任何弹性，说明该研究计算所得结果非常可靠，与当地实际状况完全吻合。
　　3 结论与讨论
　　（1）2007—2016年新疆土地利用以牧草地为主，有超过58%的土地处于未开发状态，其他土地利用类型相对于新疆总体面积占比较小。由于特色林果业快速发展，导致园地面积快速增加;建设用地总量迅速扩张，大量牧草地、耕地被用于建设，同时对于未被利用的土地增加了开发程度;土地利用变化趋势是各类型的土地之间相互转化，其面积、所占比例及变化快慢均有不同的变化。
　　（2）2007—2016年新疆区域内因各土地利用类型的面积发生不同程度变化及相互转化，其新疆的生态服务价值由2007年的41 385.08×108元上升至2016年的41 694.78×108元，增加了309.70×108元，增加率达0.75%。不过研究期内不同生态系统对于服务价值做出的贡献率的差异很大，其中做出较大贡献（超过50%）的类型是牧草地和水域。
　　（3）计算所得敏感性指数都小于1，其值处于0.001 5～0.322 9，可见此区域的生态系统服务价值对于各生态系统的服务价值系数变化缺乏弹性。
　　（4）由于生态系统的复杂性、生态系统功能效果在空间上的差异性等问题，在确定各生态系统的生态服务价值系数时，仍然存在不估计因素，与准确值存在一定偏差。因此该研究基于Costanza等[3]、谢高地等[5]研究提出的计算方法和参数当量表，粗略估算了新疆生态系统的静态服务价值。
　　（5）在现有研究中，未对建设用地的生态系统服务价值进行系统而全面的研究，计算生态系统服务价值过程中多数采用记零值。该研究考虑建设用地作为一个复合生态系统存在废物处理、水源涵养等生态功能，因此研究借鉴了前人的相关研究成果，对建设用地具有的功能进行了相应的赋值。由于建设用地的生态功能的复杂性，该研究没有做深入的研究。
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