渭干河流域土地利用程度与生态系统服务价值的关系

摘要：基于1990、2000、2008年3个时期遥感影像数据，估算了渭干河流域不同时期的土地利用程度与生态系统服务价值，并利用ArcGIS空间分析功能对其空间特征与动态变化进行分析，探讨二者的相互关系。结果表明，①流域未利用地面积较大导致土地利用程度较低。1990～2008年流域平均土地利用程度综合指数为0.331 5，上、中、下游依次升高，该指数总体呈增长趋势，年均增长0.23%，变化动态度由大到小依次为下游、中游和上游。②1990、2000和2008年流域总生态系统服务价值分别为2 722 484万、2 709 389万和2 662 851万元，总体有所下降，林地、草地、沼泽面积的减少是其主要原因。下游未利用地面积小、林地比重较大，其单位面积生态系统服务价值为流域最高。研究期间上游生态系统服务价值略有增加，下游降幅较大。③生态系统服务价值随土地利用程度的加剧先增后减，增长期主要由于未利用地比重减小，减少期则表现为建设用地比重的增大，生态系统服务价值增加区域主要分布在流域上、中游，减少区域则中游略多于上游和下游。

关键词：土地利用程度；生态系统服务价值；时空变化；动态度；渭干河流域

中图分类号：X37；F301.24 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）02-0277-06

Relationships between Land Use Degree and Ecosystem Service Values

in the Weigan River Basin

YANG Yong-ju1，QIAO Xu-ning1，2，TANG Hong3，QIAO Xu-ming4，NIE Xiao-jun1，WANG Rui1

（1.School of Surveying and Land Information Engineering， Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454003，Henan， China； 2. Xinjiang Institute of Ecology and Geography， CAS， Urumqi 830011，China； 3. Rural Development Research Center of Sichuan Province，Sichuan Agricultural University，Chengdu 611130，China； 4.Center of Survey， Henan Bureau of Statistics，Zhengzhou 450008，China）

Abstract： Based on the remote sensing images of 1990， 2000 and 2008， the land use degree and ecosystem services value of the Weigan River Basin was calculated， and the temporal and spatial variation and relationship in 1990-2008 was analyzed by the module of spatial analysis in ArcGIS. The results showed that the average composite index of land use degree in 1990～2008 was 0.331 5， increasing from 1990 to 2008 with an average growth rate of 0.23%. The lower index was because of the larger area of unused land. The average composite index was higher in downstream and lower in upper stream. Dynamic degree index was on the same trend. The total value of ecosystem services of area studied in 1990， 2000 and 2008 were 272.248 4×108 yuan， 270.938 9×108 yuan and 266.285 1×108 yuan which showed a trend of decline. The main reasons were the reducing of forest land， meadowland and wetland area. The value of ecosystem services per unit area in downstream was more than that of upper stream and middle reaches because of the larger forest land area and smaller unused land area. The ecosystem services value in upper stream increased slightly and downstream showed a larger decline. With the increase of land use degree， the ecosystem services value increased first and then decreased. The growth period was mainly due to the decline in proportion of unused land area， and the increasing in proportion of construction land area was the main reason in decline period. The spatial difference in change of land use degree was insignificant. The regions with increasing ecosystem services value were mainly located at upper stream and middle reaches， while the regions with reducing ecosystem services value in middle reaches was more than that of upper stream and downstream.

Key words： land use degree； ecosystem service values； spatial-temporal change； dynamic degree index； Weigan river basin

生态系统是复杂的生命支持系统，为人类提供了赖以生存的自然环境和多种生态系统产品与功能[1，2]，生态系统服务及其价值核算成为生态经济学研究的热点。土地利用作为人类最基本的实践活动，其变化改变了生态系统的结构，影响着生态系统的服务功能[3-5]。Costanza等[6]提出了生态系统服务价值的定量评价模型，国内学者谢高地等[7]在此基础上制定了“中国生态系统服务价值当量因子表”，使得生态系统服务价值的估算更具操作性。大量学者采用该方法对不同区域的生态系统服务价值进行了估算[8-11]，探讨其与土地利用变化、城市化、社会经济发展水平的关系[12-14]，取得了丰富的研究成果；也有学者运用相关分析方法探讨了土地利用程度与生态安全[15]和生态效率[16]之间的关系，但针对土地利用程度与生态系统服务价值之间关系的研究相对较少。土地利用程度反映土地利用的经济效率，生态系统服务价值则是土地利用生态效率的一个反映，通过二者相互关系的研究，有助于全面分析区域土地利用变化所产生的多重效应，揭示由土地利用所产生的经济和生态效应的作用关系。渭干河流域是新疆重要的粮棉主产区[17]，随着社会经济的快速发展，流域的土地利用开发强度和利用程度加剧，对流域生态系统服务价值产生了较大影响[18，19]。本研究在借鉴前人研究成果的基础上，以渭干河流域为研究区，基于流域1990、2000、2008年3个时期的遥感影像数据分析了土地利用程度的变化过程，并估算了不同时期的生态系统服务价值及变化特征，以此为基础分析土地利用程度与生态系统服务价值的作用关系。研究有利于从流域尺度揭示多功能土地利用与生态系统服务形成与维持之间的关系，对理清土地类型转换、影响生态系统服务的机理有着重要意义。

1 研究区概况

渭干河流域地处天山山脉中段南麓、塔里木盆地北部，行政区属阿克苏地区，辖拜城县、新和县、库车县大部分、沙雅县大部分及温宿县部分区域，流域总面积27 849 km2。地域广阔，按地形地貌可分为北部山区、中部山间盆地和南部冲洪积平原三大地貌单元。流域冬冷夏凉，昼夜温差和气温年内变化大，多年平均气温7.5 ℃。降水时空分布不均，山区大于平原，降水量自北向南、自西向东递减。流域水资源丰沛，但年内季节分配极为不均，夏季水量多、变化大，冬季水量小但较为稳定。根据渭干河流域水资源利用分区，拜城县、温宿县范围为流域上游，库车县、新和县范围为中游，沙雅县范围为下游（图1）。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

以新疆1990年土地利用本底数据库、2000年TM影像（空间分辨率30 m）和2008年Quick Bird遥感影像（空间分辨率0.6 m）为基本数据源，利用新疆县界矢量图、新疆地形图、渭干河流域分区图等辅助数据，经过ArcGIS和Erdas等软件的处理、判别与解译，并结合统计年鉴等相关资料进行校对修正。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用程度计算方法 土地利用程度变化可以反映不同区域的自然基础对土地利用的制约，也可以反映人类对土地的开发利用程度，进而表示人类对不同类型生态系统造成的影响。参照文献[20-22]的土地利用程度分级标准进行分级（表1），计算渭干河流域的土地利用程度综合指数，以量化土地利用程度的高低。计算公式如下：

式（1）中，D表示土地利用程度综合指数；Ai为第i级土地利用程度分级指数；CCi为第i级土地利用面积；HJ为土地利用评价区域内土地的总面积。

2.2.2 生态系统服务价值计算模型 根据流域土地资源特征，参照中国《土地利用现状调查技术规程》和Costanza等[6]、谢高地等[7]采用的土地分类系统，将流域土地利用类型划分为林地、草地、耕地、沼泽、水域、未利用地和建设用地7个类别。采用Costanza等[6]提出的生态系统服务价值评估方法和谢高地等[7]2007年基于500份调查问卷修订后的中国生态系统服务价值当量因子表估算流域的生态系统服务价值。根据统计资料，渭干河流域1990～2008年平均粮食单产为

3 结果与分析

3.1 土地利用程度变化分析

渭干河流域土地利用类型以草地和未利用地为主，研究期间二者所占比重分别在34%和45%以上，在流域总面积中占有绝对优势，未利用地面积比重较大导致流域的土地利用程度较低。根据公式（1）算得流域1990、2000、2008年3个时期的土地利用程度综合指数分别为0.422 6、0.423 8和0.440 5，流域平均土地利用程度综合指数为0.331 5，上、中、下游土地利用程度综合指数依次升高（表3）。上游地区土地面积占流域总面积的62.96%，其中林地、草地、水域等生态用地类型面积均较大，尤其是土地利用程度较低的未利用地比重远大于下游地区，而建设用地、耕地等土地利用程度较高的地类所占比重则较低，导致其土地利用程度综合指数较低，1990～2008年上游土地利用程度综合指数平均值仅为0.266 3。下游地区主要是沙雅县城及周边人类活动较多的区域，建设用地比重远大于中、上游，耕地面积比重在50%左右，未利用地和湿地比重则很小，分别低于4.25%和0.02%，故土地利用程度综合指数较高，3个时期均值为0.618 2。中游地区未利用地比重较大导致其土地利用程度综合指数也相对较低。

由于流域土地开发利用程度的加剧，近年来耕地与建设用地面积迅速增加，未利用地比重有所下降，土地利用程度综合指数总体呈增长趋势，年均增长0.23%。整个研究时段内，上、中游的土地利用程度综合指数均呈增长趋势，下游地区则前期略有降低，后期大幅增长，土地利用程度动态度由大到小依次为下游、中游和上游地区。

3.2 生态系统服务价值特征分析

3.2.1 生态系统服务价值的动态变化 草地、林地和耕地是流域生态系统服务价值的主要构成部分，其中草地面积比重较大，生态系统服务价值系数较高，在总生态系统服务价值中占绝对比重，1990、2000、2008年草地所占比例分别为57.84%、57.48%和55.65%。沼泽、水域和林地的生态系统服务价值系数远大于未利用地，3种土地类型的生态系统服务价值占流域总价值的比例远大于其面积所占比例，研究期间未利用地面积比例均大于45%，但其生态系统服务价值比例均小于9%。

1990、2000和2008年流域总生态系统服务价值分别为2 722 484万、2 709 389万和2 662 851万元，流域总生态系统服务价值呈现下降趋势，1990～2008年流域总生态系统服务价值减少了59 633万元，年均下降0.12%，流域生态系统服务价值减幅最大的是沼泽，其次为林地，增幅较大的是耕地和水域。林地、草地、沼泽面积的减少是流域生态系统服务价值损失的主要原因，耕地和水域面积的增加则在一定程度上补偿了生态系统服务价值的部分损失，流域整体的土地利用类型变化趋势是其他类型土地向耕地转变。

不同时段流域的生态系统服务价值变化速度不同。1990～2000年流域生态系统服务价值减幅最大的是林地，其次是草地，这一时期耕地、沼泽和水域面积均有所增加，削弱了流域总的生态系统服务价值的减少幅度，年均降幅为0.05%。2000～2008年，耕地、水域面积增加幅度大于前期，但林地、草地面积减少幅度也较大，且沼泽面积由前期的增加变为减少，流域总的生态系统服务价值有较大幅度的减少，年均降幅为0.22%。

3.2.2 生态系统服务价值的空间差异

3.3.2 土地利用程度与生态系统服务价值的动态关系

4 结论

基于1990、2000、2008年3个时期的遥感影像图，分析渭干河流域土地利用程度与生态系统服务价值的时空变化特征，并基于格网划分探讨二者的相互关系，得出以下结论。

1）流域未利用地面积较大导致土地利用程度较低，1990～2008年平均土地利用程度综合指数为0.331 5，上、中、下游依次升高，分别为0.266 3、0.402 5、0.618 2。未利用地、林地、草地、水域面积比重较大导致上游土地利用程度较低，下游建设用地和耕地比重较大、未利用地面积小，故其土地利用程度较高。由于流域土地开发利用程度的加剧，耕地与建设用地面积迅速增加，未利用地比重有所下降，土地利用程度综合指数总体呈增长趋势，年均增长0.23%，变化动态度由大到小依次为下游、中游和上游。

2）草地、林地和耕地是流域生态系统服务价值的主要构成部分，1990、2000、2008年流域总生态系统服务价值分别为2 722 484万、2 709 389万和2 662 851万元，总体有所下降，其主要原因是林地、草地、沼泽面积的减少。上、中、下游的草地提供的生态服务价值均最多，下游未利用地面积小、林地比重较大，故其单位面积生态系统服务价值为流域最高。1990～2008年上、中、下游的生态系统服务价值动态度分别为0.03%、-0.23%和-0.76%，上游略有增加，下游降幅较大。

3）随着土地利用程度的加剧，生态系统服务价值先增后减，波峰位于土地利用程度综合指数为0.5左右，前期主要是未利用地比重减小，后期则表现为建设用地比重的增加。未利用地比重较大的区域其生态系统服务价值与土地利用程度均较低，该类区域的比例最大，达40%以上。土地利用程度变化的空间差异不大，生态系统服务价值增加的区域主要分布在流域上、中游，减少区域的空间分布差异不大，中游略多于上游和下游。未利用地面积减少使得生态系统服务价值增加，耕地增加、林地和草地减少导致生态系统服务价值下降，耕地和建设用地面积增加则是土地利用程度加剧的主要原因。

4）流域应社会经济发展与生态环境保护并重，依据流域生态服务功能及未来用地需求，制定严格的土地开发与生态环境保护政策，以保障流域的生态系统服务功能。不应盲目开垦耕地，尤其要防止林地和草地向耕地的转变；保护和恢复流域生态环境，使未利用地向草地和林地转变。中下游地区应注重林地的保护，提高区域的生态环境质量。

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