农业用地变化对生态系统服务价值的影响<br/>——以新疆阿勒泰地区为例

农业用地变化对生态系统服务价值的影响
——以新疆阿勒泰地区为例

2023-12-20孙庆祥张万旭

湖北畜牧兽医 2023年11期

孙庆祥，张万旭

（新疆生产建设兵团农业技术推广总站，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与功能［1，2］。人类对环境的压力在空间和时间上都在变化，对地球的生物多样性和人类经济产生深远的影响［3］。生态系统服务研究为地理学中的人地关系研究提供了实践领域［4］，自服务类型、原理和方法被Costanza 等［5，6］提出并发展后，生态系统在国内外相关领域已成为研究热点［7，8］。中国已经开展的相关研究对于生态安全格局构建和提高人类福祉具有深远意义［9］。生态系统服务价值作为生态安全的量化指标，可为生态保护政策提供参考［10］。土地利用/覆盖变化（Land use/Land cover，LULC）是人类活动对环境影响的直观表达，土地利用图是人地关系的直接体现［11］。LULC通过改变地表覆盖类型影响生态系统的结构、过程和功能［12］。基于LULC的生态系统服务价值估算能从地表生态过程及效应、土地利用变化过程等方面来揭示生态系统服务价值的生态学意义［13］。中国农业用地生态价值巨大，加大对农业用地的保护力度并积极调整各农业用地类型的比例有利于促进农业生态价值发挥最大作用［14］。

生态系统服务价值（Ecosystem services values，ESV）是对生态系统的服务和自然资本用经济法则所做的估计。有关长时间序列和小尺度对区域ESV变化的研究较少，因此LULC、气候因素和社会经济因素对ESV变化的作用机制难以确定。阿勒泰地区位于中国西北干旱区，有丰富的农业生态系统服务如森林、草甸的水源涵养，荒漠耐盐耐旱的植物基因库等，同时，其地处“丝绸之路经济带”，对中国具有重要的战略影响［15］。为了解农业生态系统服务价值对LULC的响应及其驱动力对深化区域生态环境与社会经济发展的作用，本研究以阿勒泰地区为研究对象，对该区域1980—2020 年的农业用地ESV进行评估，旨在揭示阿勒泰地区农业用地ESV的时空变化特点及LULC变化对ESV的影响，分析人类活动及自然因素对研究区ESV的影响，以期为阿勒泰地区农业用地规划提供理论依据，对阿勒泰地区土地利用结构优化和经济发展具有理论和实践意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

阿勒泰地区位于新疆维吾尔自治区北部（85°31'37″—91°01'15″E，44°59'35″—49°10'45″N），西部开阔，地势东北高、西南低，阿尔泰山、沙吾尔山、准噶尔盆地分别位于其北部、西南部、南部。阿勒泰地区位于欧亚大陆中心腹地，属于北温带寒冷区大陆性气候［14］。年平均气温为0.7～4.9 ℃，气温年变化幅度较大，最冷月份（1 月）与最热月份（7 月）气温相差30 ℃以上［16］。年日照时数为2 850.0～3 157.3 h，平原地区年均降水量为139～268 mm，北部山区降水量达600 mm 以上，年蒸发量在1 397～2 140 mm。当地主要水系为额尔齐斯河和乌伦古河，流域覆盖面积较大［17］。

1.2 数据来源与处理

阿勒泰地区1980—2020 年6 期Landsat5 TM/Landsat8 OLI 遥感影像来自美国地质调查局（USGS，https：//earthexplorer.usgs.gov），选择6—8 月无云或少云（云量低于10%）的影像数据以确保地面特征识别和解译的高精度。对影像数据进行预处理，然后采用ArcGIS 10.3、ENVI 5.1 软件处理投影转换、几何校正和地物分类等数据。参照中国科学院土地利用分类，该地区分为耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用土地，经外业定点核查及项目组随机抽样精度验证，土地利用一级和二级类型分类综合精度均已通过Kappa 检验，且Kappa 系数均在90%以上，符合研究要求。其中，农业用地包括耕地、林地、草地和水域等以农业特征为主的景观生态系统［18］。恩格尔系数、农作物种植面积和单产数据来源于1980—2020 年《新疆统计年鉴》，主要粮食作物价格数据来源于《全国农产品成本收益资料汇编》。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用变化动态指标

1）单一土地利用动态度。其是分析不同土地利用类型在一定时间段内的变化速度和幅度的指标［19］，反映人类活动对单一土地利用类型的影响。计算式如下。

式中，Ki为单一土地利用类型动态度；Sit1、Sit2分别表示t1、t2时间i类土地利用类型面积；t1、t2分别表示变化前的时间与变化后的时间。

2）综合土地利用动态度。其是分析整个研究区在一定时间段内的土地利用类型变化快慢差异的指标，反映人类活动对土地利用类型变化的综合影响［20］。计算式如下。

式中，S为土地利用综合动态度；ΔSij为t年内第i类土地利用类型转换为非i类型面积之和；Si为第i类土地利用类型初始面积；t为研究时间段。

1.3.2 农业生态系统服务价值计算根据Costanza等［5］、谢高地等［21，22］的研究，农业生产服务功能通常划分为9 种类型，包括食物生产、原材料生产、气体调节、气候调节、水文调节、净化环境、土壤保持等功能。

1）阿勒泰地区因子价值量计算。谢高地等［21，22］在Costanza 等［5］的评价模型基础上，计算出中国生态系统单位面积生态服务价值当量表。在全国平均价格的基础上，阿勒泰地区各粮食作物单位当量因子的价值量计算式如下。

式中，Ea表示单位当量因子的价值量（元/hm2）；i为不同粮食作物；mi为第i种粮食作物播种面积（hm2）；pi为第i种粮食作物全国平均价格（元/kg）；qi为第i种粮食作物单产（kg/hm2）；M为n种粮食作物总播种面积（hm2）。

阿勒泰地区生态系统服务价值计算式如下。

式中，Vij表示研究区地类j的第i种生态系统服务功能价值；Aj表示地类j的面积；VCij表示调整后地类j的第i种生态系统服务功能价值系数；ESV表示总的生态系统服务价值。

2）农业生态系统服务价值的理论估算。由式（3）计算得到单位当量因子的价值量，再结合农业用地类型数据和生态价值当量表，计算农业生态系统服务价值，计算式如下。

式中，Et为理论生态价值（元）；Ak为研究区第k种农业用地面积（hm2）；Ck为第k种农业用地面价值当量因子；Ea为单位当量因子的价值量（元/hm2）。

1.3.3 敏感性分析敏感性分析是指从定量分析的角度研究有关因素发生某种变化对某一个或一组关键指标影响程度的不确定分析技术。本研究利用敏感性指数（Coefficient of sensitivity，CS）［23］确定生态系统服务价值在时间变化过程中对单位面积生态系统服务价值系数（Valuation coefficient，VC）的依赖程度。若CS＞1，表示VC具有弹性，VC变动1%会导致CS大于1%的变动，则其准确度较差、可信度较低；若CS＜1，表示ESV对VC缺乏弹性，结果是可信的。CS计算式如下所示。

式中，VCjk和VCik指变化后及变化前的生态系统服务价值系数；ESVj和ESVi指变化后及变化前的生态系统服务价值总量；k指地类。

2 结果与分析

2.1 阿勒泰地区农业用地生态系统服务价值量

参考文献［5，21，22］，计算得到1980—2020 年阿勒泰地区农业用地生态系统服务价值系数，详见表1。

表1 1980—2020 年阿勒泰地区农业用地生态系统服务价值系数（单位：元/hm2）

2.2 阿勒泰地区农业用地的变化特点

在阿勒泰地区土地利用类型中，未利用土地面积占比最大，为主要土地利用类型，农业用地以草地、林地、耕地、水域为主。根据1980—2020 年阿勒泰地区土地利用变化数据，得到农业用地各土地利用类型占比（表2）和农业用地利用动态度（表3）。

表2 1980—2020 年阿勒泰地区农业用地类型占比（单位：%）

表3 1980—2020年阿勒泰地区农业用地利用动态度（单位：%）

由表2 可知，1980—2020 年，研究区耕地面积在不断增加，从1980 年的1.86%增至2020 年的4.37%，其中，2000—2010 年增加了1.04 个百分点，增加最为明显。林地面积变化不大，但是2010—2020 年从5.23%减少到5.17%，这可能与过度放牧而林木更新慢，当地水土流失，使得林地环境恶化有关［24］。草地面积总体呈减少趋势，由1980 年的38.19%减少到2020 年的37.31%，可能是牲畜养殖量的增加以及人类对耕地需求面积的扩大，使得研究区草地面积减少，造成草地退化［25］。水域面积从1980 年的1.26%增至2020 年的1.69%。增加的农业用地来自于未利用土地的开发，表明阿勒泰地区在不断地进行农业用地结构的调整［26］。

在土地利用类型的动态度方面，阿勒泰地区农业用地类型的动态度差异明显。由表3 可知，动态度为正的有耕地和水域，说明这2 类农业用地面积在增加，其中，耕地在1980—2010 年呈增加趋势，2010—2020 年略减少；水域在1980—2010 年呈减少趋势，在2010—2020 年出现了增加，但是水域面积整体平稳，动态度一直维持在0.55%～1.70%；林地和草地的动态度在1980—2010 年表现为负值，表明这2 类农业用地面积在减少，但是草地的面积在2010—2020 年出现增加，表明当地为生态环境发展实施了积极的治理措施［27］。

2.3 阿勒泰地区农业生态系统服务价值分析

由表4 可知，阿勒泰地区农业生态系统服务价值增加了1 700 万元，总体呈先增加后减少，最后又增加的趋势。从各种农业用地类占比可知，草地占比最高，其次为林地。1980—2020 年，耕地呈稳定增加的趋势，占比由1980 年的1.21%增至2020 年的2.56%。林地从1980 年的16.02%减少到2020 年的14.92%。草地呈不断减少的趋势，由1980 年的69.90%减少到2020 年的65.73%，减少了4.17 个百分点。水域呈稳定增加的趋势，由1980 年的12.87%增加到2020 年的16.78%，增加了3.91 个百分点。

表4 1980—2020 年阿勒泰地区农业用地生态系统服务价值变化

阿勒泰地区生态系统服务价值存在“减少”和“增加”2 个趋势。“减少”与单位面积ESV较高的草地大量减少有关，主要是因为人口和放牧量的增加造成草地减少。“增加”与耕地及水域增加有关。在社会发展过程中农业用地结构发生变化，在促进当地经济水平提高的同时也造成一系列问题，如环境污染、生态破坏等，鉴于阿勒泰地区本身生态系统脆弱、草地退化［28］，因此，农业用地生态系统服务价值的这种变化对阿勒泰地区造成负面结果。

2.4 敏感性分析

根据敏感性指数计算式，将各地类VC分别调整50%（VC±50%），得到1980 年、1990 年、2000 年、2010年、2020 年的敏感性指数（表5）。由表5 可知，5 个时期不同农业用地类型的CS均小于1，最高值为草地，CS为0.666 1（CS＜1），即当草地的VC增加1%，总价值增加0.666 1%；最低值为耕地，CS为0.018 0。1980—2020 年，耕地、水域CS逐渐增加，这与耕地、水域面积不断增加有关。敏感性分析表明，相对于VC而言，研究区ESV相对稳定且缺乏弹性。即使VC具有一定的不确定性，研究区ESV的结果也是稳定的，说明计算结果可信。

表5 不同农业用地类型生态系统服务价值敏感指数（CS）

3 讨论

阿勒泰地区农业用地ESV以林地和草地为主，二者的占比超过80%，但是，由于人口的增加以及生态环境的破坏，人类为满足生存需求，使得林地和草地的面积减少。耕地主要提供食物生产、原料生产、气体调节、土壤保持等生态系统服务，水域主要提供水资源供给、净化环境、水文调节等生态系统服务。耕地、水域面积的增加，促进粮食产量的增加。研究区在退耕还林、天然林保护工程方面取得了良好的效果，在未来的发展中还应尽量减少耕地对林地、草地的侵占，根据当地实际情况注重耕作技术优化和农业种植结构调整，提升农田品质，整体提高废物处理、土壤保持以及生物多样性保护等服务［29］。生态保护工程短期可能存在初始成本高的问题，但是从地区发展的长远利益出发，当地政府、人以及环境净收益都会增加［30］。政府在考虑地区经济发展的同时，应重视各类生态系统服务、物种保护和人的经济收益之间的平衡［31］。

本研究从自然和社会经济因素2 个方面对影响研究区生态系统服务价值的驱动因素进行讨论。阿勒泰地区处于干旱区，气候变化对其环境影响显著［32］，因此本研究主要分析气候要素对生态系统服务价值的影响。通过中国气象科学数据共享服务网，获取阿勒泰地区5 个站点的气象数据，计算阿勒泰地区1980—2020 年年平均气温和年降水量，同时进行回归分析。结果表明，年平均气温呈增长趋势（k=0.029 8），年降水量呈增长趋势（k=1.485 7），气候变化导致阿勒泰地区水域面积增加。水域在水资源供给、净化环境、水文调节等生态系统服务中起重要作用，以水体为主要类型的研究区生态系统服务价值随着水体面积的增加而增加。研究区生态系统服务价值与该地区生产总值关系紧密，GDP 的增加可以促进研究区ESV的增加。同时，为满足常住人口的粮食需求，应保护耕地，促进农业发展［33］。

生态系统服务价值和经济发展可以协同提高。阿勒泰地区的耕地、水资源储备、森林及草地资源在新疆发挥着重要作用［34］。随着经济的发展，该地区多项供给、调节、支持服务会持续增加。提高林地、草地覆盖度，合理规划耕地面积，对阿勒泰地区的中长期发展十分重要。此外，还应加强跨区域联防联治，促进生态环境持续改善，完善基础设施，促使阿勒泰地区生态环境建设与社会经济发展步入可持续发展的道路。