生态系统服务是指通过生态系统的结构、过程和功能直接或间接得到的生命支持产品和服务^[1~6]。中国对生态系统服务功能价值的研究很多^[7~10],但是对干旱区绿洲生态服务价值方面的研究较少^[11]。绿洲是干旱区人类活动最敏感的环境系统^[12],其主要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^[13]。目前,对干旱区绿洲生态系统服务价值在土地利用方面的应用研究较多关注绿洲土地利用变化对生态系统服务总价值的影响,对绿洲土地利用变化如何影响生态系统服务总价值结构变化的研究较少。

近年来,随着克里雅绿洲出现绿内部盐渍化、绿洲外围沙漠化、河流水量减少、湿地消失等生态环境问题^[14]。1958年盐渍化耕地面积为953 hm²,1990年达到4 987 hm²,占总耕地面积23.7%^[14]。耕地面积从1949年1.58×10⁴hm²增加至2005年2.85×10⁴hm²,增加为初期的155%,净增加1.27×10⁴hm²,平均年增加0.982%^[15]。因大量开荒,农田年引用水量由1949年的3×10⁸m³增到2002年的5.37×10⁸m³,增加1.7倍,致使下泄水量减少,河流流程缩短。克里雅河在1949年能流到距县城298 km处,到2006年只能流到距县城150 km处,50多年内总缩短148 km^[16]。近20 a来,塔里木盆地南缘地下水位普遍下降0.5~2.0 m,地下水溢出带向盆地内迁移2~3 km,泉水流量减少15%~35%,使沙漠南缘脆弱的绿洲生态带处于不稳定沙漠化加快发展^[14]。本研究以克里雅绿洲为例,在研究绿洲土地利用变化基础上,分析不同时段生态系统服务总价值、结构变化,反映绿洲土地利用变化产生的生态效应。

1 研究区概况

克里雅绿洲位于昆仑山中段的北麓,塔克拉玛干沙漠南缘克里雅河流域,是一个典型的绿洲—荒漠交错地区（图1）。地处东经81°08′59˝~82°00′03˝E,北纬36°44′59˝~37°12′04˝N,总面积为376 498 hm²。该区南高北低,最高海拔5 460 m,最低海拔1 180 m,在气候上属暖温带大陆性干旱气候,热量与光照丰富,多年平均气温12.4℃,≥10℃积温为4 340℃,多年平均降水量为44.7 mm,多年平均蒸发能力为2 498 mm,无霜期为200 d^[17]。克里雅绿洲有大小河流11条,其中可利用的河流5条,年总径流量9.61×10⁸m³。天然植被以芦苇（Phragmites communis）、柽柳（Tamarix spp.）、胡杨（Populus euphratica）、骆驼刺（Alhagi sparisifolia）为主。克里雅河源于昆仑山北麓,流经克里雅绿洲消失在塔克拉玛干沙漠腹地。

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图1   克里雅绿洲位置

Fig.1   Location of Keriya Oasis

2 数据来源与研究方法

2.1 数据获取

研究采用的土地利用动态数据的获取以克里雅绿洲1991年、2002年9月Landsat影像以及2008年9月Alos影像作为基本信息源。首先,利用克里雅绿洲1∶10 000地形图对2008年的遥感图像进行几何校正,接着以2008年的图像为基准,校正1991和2002年的图像,使该三景影像具有同样的地图投影方式,RMS校正误差均在0.5个像元以内。根据研究区的特点,将研究区土地利用类型划分水域（包括湖泊、水库、河流、渠道、滩地）、湿地（经常积水或渍水,生长湿生植物的土地）、沙地、盐碱地、高密草（植被盖度大于50%的草地）、中密草（植被盖度大于20%,小于50%的草地）、低密草（植被盖度大于5%,小于20%的草地）和耕地等8类。在ArcGIS 8.0支持下按照土地利用分类系统建立解译标志,通过进行监督分类和目视解译相结合,获取了研究区1991、2002和2008年土地利用变化图与相关数据（图2）。应用野外调查采样点的数据与研究区地形图和土壤图,在ENVI 4.3软件下对遥感影像分类结果进行精度检验后得知3个时期的总精确度和Kappa指数等均大于0.83,其分类结果符合精度要求^[18]。

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图2   克里雅绿洲1991、2002与2008年土地利用

Fig.2   Land use of Keriya Oasis in 1991, 2002 and 2008

2.2 生态系统服务价值评估

国内外学者已重视并开展不同尺度以及单个生态系统和生态系统单项服务的价值评估研究。1997年Costanza等人的研究成果使生态系统服务价值评估的原理与方法从科学意义上得以明确^[19]。谢高地等人根据中国的实际情况,参考Costanza等研究成果,得到中国陆地生态系统单位面积生态服务价值^[20],但这些研究忽略了同一类型生态群落的空间异质性。因此,本研究引入生态群落二级分类单位面积生态价值修正系数,以反映草地在不同覆盖度情况下的生态服务价值的不同。根据草地的覆盖度,引入生态价值修正系数,结合中国陆地生态系统单位面积生态服务价值,乘以修正系数m_i,得到不同覆盖度草地单位生态价值^[21]。修正系数的确定基于以下两方面：

1） 某一级生态群落的二级分类生态群落平均单位价值仍为中国陆地生态系统单位面积生态服务价值,即：

1/n∑i=1nmi=1(1)

式中,n为草地的二级分类数,m_i为草地第i类二级群落的单位生态价值修正系数。

2） 假设草地单位生态价值与生态系统提供的生物量呈正比,则草地覆盖度越大,生态系统的单位生态价值修正系数也大,反之则小。结合专家咨询法确定的生态价值修正系数,尽管有主观性,但能更客观地反映不同覆盖度草地生态服务价值的差异^[21]。

采用的生态系统服务价值与功能计算式为：

EESVk=∑Ak×VVCkf(2)

EESVf=∑Ak×VVCkf(3)

EESV=∑∑Ak×VVCkf(4)

式中, EESVk、 EESVf、 EESV分别代表k种土地利用类型的生态系统服务价值,f种生态服务功能价值与区域总生态服务价值;A_k指k种土地利用类型的分布面积（hm²）; VVCkf为k种土地利用类型、f种生态服务功能的生态服务功能价值指数[元/（hm²·a）]^{[22, 23]}（表1）。

2.3 敏感性分析方法

相关研究^{[24, 25]}借用敏感性指数以确定生态服务价值随时间变化对价值指数变化的依赖程度。以此来检验中国陆地生态系统单位面积生态服务价值系数是否适合本研究区。将各类土地利用类型的价值指数分别调整50%,来衡量总生态系统服务价值的变化。如果C_CS>1,表明生态服务价值相对于C_CS是富有弹性的;如果C_CS<1,生态服务价值则被认为是缺乏弹性的,比值越大,表明生态服务功能价值指数的准确性越关键。敏感性指数计算公式如下：

CCS=(EESVj-EESVi)/EESVi(VVCjk-VVCik)/VVCik(5)

式中,E_ESV代表总生态服务价值量;V_VC代表价值系数,i和j分别表示初始的生态系统服务价值和生态服务功能价值指数调整后的价值;k代表土地利用类型;C_CS代表敏感度^{[24, 25]}。

3 结果与分析

3.1 土地利用变化过程分析

对比1991、2002与2008年三期的影像解译数据结果可以看出（表2）,1991~2008年间,克里雅绿洲土地利用变化明显。耕地面积增加4 795 hm²,年变化率最大,为0.76%。低密草面积增加379 hm²,年变化率最小,为0.03%,主要是因为低密草总面积在土地利用中所占比重仅次于荒漠（占33.90%）,是研究区内较稳定的土地利用类型;水域面积减少901 hm²,年变化率达1.97%;湿地面积减少2 599 hm²,年变化率达3.06%;沙地面积减少3 514 hm²,年变化率为0.11%,由于沙地在研究区土地利用中所占比重最大（约占52%）,也属于较稳定的土地利用类型;盐碱地面积增加163 hm²,年变化率达0.57%;高密草面积减少331 hm²,年变化率达0.23%;中密草面积增加2 008 hm²,年变化率达0.25%。1991~2002年间土地利用变化的趋势为草地面积增大,水域、湿地、沙地、盐碱地与耕地面积减少。2002~2008年间土地利用变化的趋势为盐碱地与耕地面积增大,其它土地利用类型面积减少。总的来说,1991~2008年间土地利用变化的趋势为盐碱地、中密草、低密草与耕地面积增大,其他土地利用类型面积减少,湿地面积变化的绝对量最大,荒漠面积变化的绝对量最小。

表2看出,1991~2002年间草地面积有增加趋势。近20多年来克里雅河流域小气候呈现向有利于草地的生长的趋势,研究区草地面积增加与荒漠面积减少^[14]。当地政府推行退耕还林还草与治理沙化政策,一定程度改善研究区的生态环境,草地面积增加同时耕地、荒漠面积减少。随着克里雅绿洲人口增加,增加农业用水量,在水资源总量没有增加的情况下,势必会减少生态用水量,导致湿地与水体总面积减少^[16]。干旱气候背景下,湿地与水体面积往往与区域生态环境稳定性密切相关,湿地与水体面积减少表明该区域生态环境退化趋势。2002~2008年间,棉花价格上张,农民扩大耕地面积,造成耕地面积的增加,增加农业用水量,导致湿地与水域面积继续减少,导致绿洲外围地下水位下降,土壤水分含量降低,保持高水分的时间缩短,植被生存环境条件恶化,导致植被退化、土地沙漠化^[15]。

3.2 生态服务价值的动态变化

运用公式（2~4）计算克里雅绿洲生态服务价值与功能（表3、4）。由表3可知,克里雅绿洲生态服务价值从1991年的144 224.8万元降低到2002年的132 180.2万元与2008年的128 716.3万元,生态服务价值损失10.8%,达15 508.5万元,每年净损失生态服务价值达24.2元/hm²。在1991~2002年间,水域和湿地生态服务价值均有较大变动（变化率均大于30%）,其中湿地生态服务价值的变化最大,变化率高达37.54%,其次为水域,变化率高达31.80%。在2002~2008年间,湿地、耕地、高密草和盐碱地的生态服务价值变动较大。其中湿地生态服务价值的变化最大,变化率高达23.7%,其次为高密草,变化率为19.14%,耕地生态服务价值变化率为17.70%。沙地生态服务价值的变化最小,变化率为0.6%。总的来说,在1991~2008年间,湿地生态服务价值变动最大,其变化率高达52.0%,沙地生态服务价值的变化最小,变化率为1.8%。研究区内湿地、水域、中密草、低密草与耕地合计生态服务价值约占研究区总生态服务价值的89%,表明这些土地类型在研究区生态服务中处于重要的地位。研究区生态系统服务价值的减少主要是由湿地与水域面积的减少而引起的。由于湿地与水域生态服务功能价值指数也远大于其它土地利用类型,其面积的减少导致生态系统服务总价值降低。其中湿地面积17 a间净减少2 599 hm²,生态服务价值净损失15 778.3万元,对研究区生态服务价值减少的影响最大。

表4中,“↑”表示贡献增大,“↓”表示贡献减少,“–”表示贡献不变。可以看出,各生态服务功能对区域总生态服务价值贡献率由高到低依次为：废物处理、土壤形成、生物多样性保护、水源涵养、气候调价、气体调价、食物生产、娱乐休闲和原材料。废物处理与土壤形成为研究区内生态服务价值结构中所占比例最大的2个生态服务功能类型。气候调节、水源涵养、废物处理与娱乐休闲服务功能价值比例减少,气体调价、土壤形成、生物多样性保护与食物生产服务功能价值比例增加。由于研究区内湿地和水域面积减少较快,水源涵养服务功能价值比例下降最多。

3.3 敏感性分析

利用公式（5）,把生态系统价值系数分别上下调整50%,计算克里雅绿洲1991、2002与2008年的生态系统服务价值敏感性指数（表5）。可见,中密草、低密草和耕地敏感性指数呈增长趋势,水域和湿地敏感性指数呈减少趋势,表明中密草、低密草和耕地的生态系统价值系数变化会对研究区生态系统服务总价值产生放大作用,水域和湿地生态系统价值系数变化对研究区生态系统服务总价值产生缩小的作用。总的来说,不同年份不同土地利用类型生态系统服务价值对生态服务功能价值指数的敏感性指数的变动小,均小于1,表明研究区内生态服务价值对生态服务功能价值指数是缺乏弹性的,研究结果可信的。中国陆地生态系统单位面积生态服务价值系数适合量化研究区土地利用变化对区域生态服务价值的影响。‘

4 结 论

绿洲在干旱区生态系统中具有十分重要的地位。绿洲土地利用变化影响生态环境^[26],研究绿洲土地利用与生态系统服务价值的时空变化对掌握绿洲的发展演化规律,揭示维持绿洲生态安全的机理,促进干旱区资源环境及绿洲经济可持续发展具有重要的意义。

1） 在1991~2008年间土地利用变化的趋势为盐碱地、中密草、低密草与耕地面积增大,水域、湿地、沙地与高密草面积减少。湿地面积变化的绝对量最大,荒漠面积变化的绝对量最小。

2） 在1991、2002与2008年间,生态系统服务价值分别为144 224.8、132 180.2与128 716.3万元,生态服务价值损失10.8%湿地生态服务价值变动最大,沙地生态服务价值的变化最小。研究区生态系统服务总价值的减少主要是由湿地、水域总面积变化的绝对量与生态服务功能价值指数大于其它土地利用类型而导致的。

3） 研究区各生态服务功能对区域总生态服务价值贡献率由高到低依次为：废物处理、土壤形成、生物多样性保护、水源涵养、气候调价、气体调价、食物生产、娱乐休闲和原材料。废物处理与土壤形成为研究区内生态服务价值结构中所占比例最大的2个生态服务功能类型。气候调节、水源涵养、废物处理与娱乐休闲服务功能价值比例减少,气体调价、土壤形成、生物多样性保护与食物生产服务功能价值比例增加。研究区不同年份不同土地利用类型生态服务价值对生态服务功能价值指数的敏感性指数均小于1,表明运用生态服务价值系数,结合敏感度分析,研究绿洲土地利用变化对区域生态服务价值的影响是切实可行的。

克里雅绿洲土地利用变化使生态系统服务功能发生改变,生态系统服务价值受到影响,最终导致了整个生态系统失去原有的平衡。因此,对于克里雅绿洲而言,区域发展规划必须把生态环境保护放在重要位置。要实现经济、社会和环境可持续发展的目标,就必须维持生态系统服务功能的完整性和稳定性。因此,有步骤地实施土地沙漠化治理工程,绿洲应该划定禁垦区和禁伐区,加强湿地保护,并实行退耕还草还湖是恢复克里雅绿洲生态系统服务功能的有效途径,也是保护绿洲稳定性与绿洲生态安全,实现可持续发展的重要举措。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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