新疆生产建设兵团生态系统服务价值时空分异特征

万 勤,孟 优,*,谢新辉, 张希明, 韩春丽, 李金芬

(1. 新疆生产建设兵团环境保护科学研究所，乌鲁木齐 830002； 2.中国科学院新疆生态与地理研究所，乌鲁木齐 830011)

生态系统服务功能是指生态系统与生态过程所形成及所维持的人类赖以生存的自然环境条件和效用，包括对人类生存及生活质量有贡献的生态系统产品和生态系统功能[1]。它是区域实现可持续发展的基础之一[2]，当前人类面临的多种生态问题的本质是由于生态系统服务功能受到破坏与退化的后果[3]。近年来，随着全球气候变暖、土地荒漠化等全球性生态环境问题的加剧，对于生态系统的服务功能研究越来越受到重视[4- 8]。而土地利用以及由此导致的土地覆盖变化严重影响着生态系统的结构和功能，进而影响生态系统的服务价值[9]。研究土地利用背景下的生态系统服务价值可定量了解区域土地利用变化对生态环境的影响程度，并以此为据对土地利用格局进行优化，可有效促进区域土地资源合理利用，提高资源利用效率，为生态环境保护及后续研究奠定基础，并为实现社会经济与环境的可持续发展提供理论及技术支持[10- 12]。

新疆兵团175个农牧团场主要分布在塔克拉玛干和古尔班通古特两大沙漠的周围和2019 km的边境线上，是新疆主要的绿色生态屏障。同时它对新疆农业发展、农业结构战略调整和布局、新疆经济建设、边疆繁荣稳定和民族团结等具有重大的战略意义[13]。但其生态环境十分脆弱，土地利用与生态系统服务功能之间关系更加敏感，基于土地利用/覆被变化的新疆兵团生态价值损益分析，将对区域土地规划与管理有重要的参考意义。

国内外诸多学者针对全球[14]、区域[15- 17]、流域[2]及城市[18]等不同尺度，森林[19]、草地[20]、湿地[21]、河流[2]以及农田[22]等不同类型的生态系统服务价值进行了研究分析。近年来，随着遥感技术、地理信息系统、全球定位系统的发展，一些学者开始对生态系统服务价值空间格局及影响进行了探讨，并取得了一定的成果[23- 24]。但目前，对生态系统服务价值的研究内容多偏向总体价值评价，缺乏研究区空间变异及内部差异性变化的研究[25- 26]。现有的新疆地区生态系统服务价值的研究多集中在新疆重要的绿洲(渭干河-库车河三角洲绿洲)[16]、河流(伊犁河流域和塔里木河流域)[2,27]和湖泊(艾比湖)[28]，对新疆兵团生态服务价值的研究较少，李浩基于生态系统服务价值对新疆兵团绿洲农业绿色GDP进行了估算[29]，但因为引用资料的不够完整，文中采用了简化处理，对2009年新疆兵团生态服务价值只做了粗略的估计。

基于以上认识，本研究以新疆兵团为研究区，对该区域生态服务价值的空间分异及土地利用变化引起的生态系统服务价值的时空变化进行分析，为新疆兵团资源开发利用和生态系统可持续管理提供科学依据。

1 研究区概况

新疆兵团分布在新疆维吾尔自治区境内，面积为7.4×106hm2，约占新疆总面积的4.6%。

其分布在自治区16个地(州、市)的69个县(市)境内，全兵团下辖14个师，175个农牧团场，其地理位置见图1。新疆兵团属温带大陆性气候，集中表现为降水稀少、相对湿度低、冬季漫长、春秋短、日照长、温差大。根据新疆兵团2001—2011年统计年鉴，新疆兵团地表水资源量为105.82亿m3，地下水资源量为20.13亿m3，林覆盖率约为5%。总人口为257.32万人，农业人口为125.2万人，占总人口数的48.6%。2010年兵团生产总值770.62亿元，与2000年相比，平均年增长29.7%，人均生产总值29948元，是2000年人均生产总值的4倍。

图1 新疆兵团地理位置示意图

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源及处理

本研究数据来源于新疆地区2000年美国陆地卫星(TM)影像和2010年中国环境减灾卫星(HJ1A-CCD1)影像，二者的分辨率都为30 m。因TM影像具较高空间分辨率、波谱分辨率、极为丰富的信息量和较高定位精度，成为世界各国广泛应用的重要的地球资源与环境遥感数据源。中国环境减灾卫星于2008年发射，目前已经成为中国重要的环境遥感数据源。

遥感图像预处理包括辐射校正、影像配准、几何纠正、影像增强、影像镶嵌、影像融合等，影像解译采用基于面向对象的分类方法，依据国土资源部2007年第二次土地大调查土地利用现状分类系统，将土地利用类型分为耕地、林地、草地、水域、湿地、建设用地和未利用地7类。

2.2 研究方法

2.2.1 生态系统服务价值评价方法

本研究借鉴谢高地等人[30]提出的中国陆地生态系统单位面积生态服务价值表，确定新疆兵团与土地利用类型相对应的生态系统类型及生态价值系数(表1)。运用Costanza等[1]计算公式计算新疆兵团各土地利用类型的生态系统服务价值。其公式为：

ESV=∑(AK×VCK)

(1)

式中,Ecological service value(ESV)为生态系统服务价值(元)；AK为研究区K种土地利用类型的面积(hm2)；VCK为生态系统价值系数元 hm-2a-1。

2.2.2 生态系统服务价值变化的空间差异

生态系统服务价值相对变化率是反应生态服务价值变化空间差异的重要指标，其计算公式借鉴土地利用相对变化率公式[31]，其计算公式为：

(2)

式中，Ka和Kb分别为区域某一特定土地利用类型生态服务价值研究期初及期末的面积；Ca和Cb分别代表全研究区某一特定土地利用类型生态服务价值研究期初及期末的面积。如果某区域某种土地类型生态服务价值的相对变化率R>1，则表明该区域这种土地类型生态服务价值变化较全区域大，且变化方向相同；如果0

表1 不同土地利用类型生态服务价值系数

3 结果与分析

3.1 生态服务价值的空间分异

运用Costanza等人计算生态服务价值方法，对新疆兵团各师的生态服务价值进行计算，结果如表2、图2和图3。从表2可以看出，2010年，各师单位面积的生态服务价值差别很大，一师单位面积生态服务价值最高，为9546.66元 hm-2a-1，这主要因为2010年一师耕地面积为2.24×105hm2，占到一师国土面积的51.68%，生态服务价值为13.73×108元。另外，一师有2.73×104hm2的水域和2.38×104hm2的湿地，水域和湿地的面积占到一师总面积的11.76%，其生态服务价值占到总生态服务价值的58.61%。相对于其他师，六师单位面积生态服务价值也较高，2010年为7117.06元 hm-2a-1，因为六师林地、耕地和草地面积分别占到国土总面积的14.36%、34.85%和19.53%，三者生态服务价值占整个系统的68.73%。

十三师单位面积生态服务价值最低，2010年为1923.76元 hm-2a-1，这主要因为一方面十三师未利用地面积为5.16×105hm2，占十三师总面积的74.57%，其生态服务价值为1.92×108元，只占总生态服务价值的14.4%，另一方面十三师水域和湿地的面积非常小，只占其国土面积的0.07%。

2010各师单位面积生态服务价值基本分布规律为一师>六师>十师>四师>九师>八师>五师>十四师>七师>二师>十二师>三师>十三师。这与不同土地利用类型生态服务价值指数的差别和各师的土地利用程度存在密切关系。

3.2 生态系统服务价值时空变化分析

3.2.1 生态系统服务价值时间变化

从表2可以看出，2000—2010年间全兵团单位面积生态服务价值增加了204.61元 hm-2a-1，年增长率为0.41%。耕地和林地生态服务价值呈增长趋势，草地、水域、湿地、未利用地生态服务价值呈减少趋势。耕地和林地生态服务价值在十年间分别增长26×108元和11.99×108元，年增长率为2.51%和3.71%；草地、水域、湿地、未利用地生态服务价值在十年间依次减少16.35×108、4.99×108、1.3×107、9.5×107元，年减少率为1.15%、0.94%、0.04%、0.81%。

图2 2000年新疆兵团生态服务价值空间分布

图3 2010年新疆兵团生态服务价值空间分布

3.2.2 单项生态系统服务价值空间变化

从表2可以看出，耕地生态服务价值的变化以十师和八师为最大，其相对变化率分别为1.93和1.65，十三师最小，相对变化率仅为0.30；林地生态服务价值的变化以六师为最大，相对变化率达到1.79，十四师最小，相对变化率是-0.05；草地生态服务价值的变化以一师和十二师最为突出，一师相对变化率为3.11，十二师相对变化率为-3.39，十二师草地生态服务价值变化与全兵团草地生态服务价值变化方向相反，十三师草地生态服务价值的变化最小，相对变化率为0.01；水域生态服务价值的变化以三师最为显著，相对变化率是3.84，六师最小，相对变化率为-0.12；各个师湿地生态服务价值的变化都较为突出，其相对变化率都在10以上，其中四师相对变化率为-145.74，这主要因为全兵团湿地生态服务价值的变化较小，年变化率仅为0.035%；未利用地生态服务价值的变化以八师最为突出，相对变化率为4.94，十三师最小，相对变化率为0.06。

表2 新疆兵团2000—2010年各师生态系统服务价值/(108元)

图4 新疆兵团生态系统服务价值相对变化率

3.2.3 生态系统服务价值空间变化

从表2和图4可以看出，单位面积生态服务价值显著提高的有六师、八师、十师和十二师，相对变化率依次为4.53、4.11、6.41。六师生态服务价值显著提高得益于林地面积的增加，在这十年间森林面积增加了4.13×104hm2，年变化率为6.63%，生态服务价值增加了7.99×108元；八师和十师生态服务价值显著提高的原因是耕地的大幅增加，2000—2010年间八师耕地面积增加1.31×105hm2，年增长率为4.14%，十师耕地面积增加面积4.52×104hm2，年变化率为4.84%；十二师服务功能具有较为明显增加是因为在这十年间十二师草地、水域和湿地面积都有增加，变化率在3.0%以上。十三师最小，相对变化率为0.31。三师和五师单位面积生态服务价值下降明显，相对变化率分别为-3.85和-1.39，这主要因为是三师和五师草地面积的减少，2000—2010年间三师和五师草地年减少率为2.89%、2.43%。另外三师水域面积减少1.19×104hm2，年变化率为-3.60%。

一师、二师、四师、六师、七师、八师、十师、十二师单位面积生态服务价值呈增加趋势，相对变化率依次为0.73、0.64、0.98、4.53、1.49、4.11、4.08、6.14；三师、五师、九师、十三师、十四师单位面积生态服务价值呈减少趋势，其相对变化率分别为-3.85、-1.39、-0.72、-0.31、-0.60。

4 讨论

(1)生态系统服务价值的变化受自然和人为等多种因素的影响[32]。生态系统服务价值的空间分异也是随机性因素(人为)和结构性因素(自然)共同作用的结果[8]。本研究时段较短，使得结构性因素对生态系统服务价值的空间变异性影响较小，因此人类活动主导下土地利用变化是影响新疆兵团生态系统服务价值时空变化的主要因素，从土地利用变化与生态服务的相互作用看，新疆兵团伴随着耕地大面积增加，草地大面积减少，说明存在着绿洲化和荒漠化共同发展的情况。这与白元[27]、陈忠升[33]的研究结果相同。

(2)2000—2010年除十二师、十三师、十四师外，各师林地生态系统服务价值呈增长趋势，这主要因为新疆兵团的175个农牧团场主要分布在塔克拉玛干和古尔班通古特两大沙漠的周围和2019 km的边境线上。风头水尾的恶劣自然环境使得兵团人非常重视防护林体系建设，在这十年间，新疆兵团依托“三北”防护林、天然林保护和退耕还林等工程，初步形成了防风基干林、农田林网和职工居民点绿化林相结合的综合防护林体系，垦区荒漠化趋势在一定程度有所遏制。

(3)2000—2010年各师耕地生态系统服务价值呈增长趋势，耕地生态系统服务价值增长主要与部分草地和未利用地被开垦成耕地有关，这也是导致草地生态系统服务价值减少的主要原因。由于气候变暖导致积温的增加促进了传统的牧草地向耕地的转变[34]，加之，团场农牧民通过垦殖草原而获得短期经济效益的驱动，导致新疆兵团耕地面积的增加。另外，现代农业技术的实验成功和大面积推广，农业龙头企业与农户的密切合作等驱动因素促进了新疆兵团耕地面积的迅速扩大[35]。

(4)虽然2000—2010年间全兵团单位面积生态服务价值呈增长趋势。但二师、十二师和十三师单位面积生态系统服务价值相对较低，三师、五师、十三师和十四师单位面积生态系统服务价值呈减少趋势。耕地面积的增加促进了新疆兵团生态系统服务价值的增长，但由于新疆兵团大多数农牧团场地处沙漠边缘，水资源短缺，沙尘天气频繁，过度开垦农田会造成农业用水量的增加，生态用水量的减少，以及沙尘天气的增多。因此要限制农田的开垦，尤其草地开垦农田，且要大力发展林果业，减少漫灌农田数量，大力推广膜下滴灌技术。

(5)提高林地面积、实施退耕还草措施、严禁草地开垦耕地是提高生态系统服务价值的主要措施。新疆兵团水体和湿地面积较少，但其对生态服务功能以及生物多样性有重要的意义，必须采取措施保护新疆兵团水体和湿地，保护重点六师青格达湖、八师玛纳斯河流域中下游湿地、八师巴音沟河中上游湿地、三师叶河胡杨林、十师额尔其斯河湿地等。研究区生态系统服务价值变化的主要原因是土地利用变化造成各自然生态系统面积变化，但政策因素对生态系统服务价值变化的影响不容忽视[18]，因此相关部门在制定区域发展政策时，应当加强生态环境建设，实现区域社会效益、经济效益、生态效益相协调发展。此外，新疆兵团和新疆自治区由于政策的不同，可能导致新疆兵团生态系统服务价值的时空变化和周边县市不同，由于受数据的限制，本研究没做对比分析，在以后的研究中，需要进一步的探讨。

5 结论

(1)研究表明，2010年，各师单位面积的生态服务价值差别很大，一师单位面积生态服务价值最高，为9546.66元 hm-2a-1，十三师单位面积生态服务价值最低，为1923.76元 hm-2a-1，2010年各师单位面积的生态系统服务价值基本规律为一师>六师>十师>四师>九师>八师>五师>十四师>七师>二师>十二师>三师>十三师。这与不同土地利用类型生态服务价值指数的差别和各师的土地利用程度存在密切关系。

(2)2000—2010年间全兵团单位面积生态服务价值增加了204.61元 hm-2a-1，年增长率为0.41%。耕地和林地生态服务价值呈增长趋势，草地、水域、湿地、未利用地生态服务价值呈减少趋势。

(3)耕地生态服务价值的变化以十师和八师为最大，十四师最小；林地生态服务价值的变化以六师为最大，十四师最小；草地生态服务价值的变化以一师和十二师最为突出，十三师最小；水域生态服务价值的变化以三师最为显著，六师最小；各个师湿地生态服务价值的变化都较为突出，其相对变化率都在10以上；未利用地生态服务价值的变化以八师最为突出，十三师最小。一师、二师、四师、六师、七师、八师、十师、十二师单位面积生态服务价值呈增加趋势，相对变化率依次为0.73、0.64、0.98、4.53、1.49、4.11、4.08、6.14；三师、五师、九师、十三师、十四师单位面积生态服务价值呈减少趋势，其相对变化率分别为-3.85、-1.39、-0.72、-0.31、-0.60。

(4)人类活动主导下土地利用变化是影响新疆兵团生态系统服务价值时空变化的主要因素，从土地利用变化与生态服务的相互作用看，新疆兵团伴随着耕地大面积增加，草地大面积减少，说明存在着绿洲化和荒漠化共同发展的情况。

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