黄 婷，杜清运，邹金秋

(1.武汉大学 资源与环境科学学院，湖北 武汉 430079; 2.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081)

0 引 言

可持续发展是当代农业发展的主题，而生态农业是农业可持续发展的基础，随着景观生态学在农业方面的应用越来越广泛，由农业生态系统构成的农业景观逐渐被重视。农业景观是由相互作用的斑块以一定的规律组成的，具有高度空间异质性，是世界上分布最为广泛的景观类型[1]。在自然环境和人类活动的双重影响下，农业景观结构不断发生着变化，国内外学者对农业景观格局演变特征[2-3]、驱动力[4-5]及所带来的生态环境效应[6-7]等方面均进行了深入研究。农业生态系统具有气体调节、气候调节、水源涵养等功能，农业生态服务价值是农业生态效用的体现，科学评估农业生态系统的服务价值，为制定合理的生态保护政策提供重要参考。相关学者对不同尺度[8-9]、不同土地利用类型[10-11]的生态系统服务价值及其变化进行了广泛讨论，其中Costanza[8]对全球生态系统服务价值测算成果的影响最为深远。考虑到生态系统本身的复杂性和异质性[12]，谢高地等[13]结合中国实际建立了“中国陆地生态系统单位面积生态服务价值当量”表，为我国生态系统服务价值研究提供了重要依据。

本文研究新疆农业景观格局及其生态系统服务价值的时空变化特征，并进一步分析农业景观格局演变与生态系统服务价值的关联，旨在为生态农业发展提供科学依据，进而促进农业的可持续发展。

1 研究区域概况

新疆地处中国西北边陲，位于73°32′～96°21′E，34°22′～49°33′N，面积166万km2，约占中国国土总面积的1/6，气温温差较大，降水量少，气候干燥，年均降水量仅167.1 mm，年平均气温10℃。新疆以农业生产为主，耕地面积居全国首位，作为丝绸之路经济带的核心区，其农业发展对丝绸之路经济带的农业发展起着重要作用，并且新疆生态农业具有自身的特征，因此，研究该地区的生态农业时空变化特征具有重要意义，对推动新疆农业的发展提供科学依据。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源与处理

2000、2005、2010和2015年4期的新疆土地利用现状数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn)，该数据是根据 Landsat TM/ETM 遥感影像进行目视解译形成的，土地利用类型包括耕地、林地、草地、水域、居民地和未利用土地。目前大部分学者认为，农业景观一般是指农田、林地、草地、果园等以农业特征为主的景观生态系统[14-15]。根据研究区域的自然景观特征及农业景观格局的要求，农业景观包括耕地、林地、草地和水域。

粮食作物数据主要以《新疆统计年鉴》和《全国农产品成本收益资料汇编》公布的数据为依据，新疆的粮食主要包括水稻、小麦、玉米和大麦。

2.2 研究方法

2.2.1 景观指数分析

景观指数可以从结构组成和空间分布特征方面来有效反映景观格局的信息。目前，景观指数的种类繁多，指数之间有较强的相关性[16]，但信息重复率较大，因此，为了反映景观整体特征，避免信息冗余，本研究选择的指数包括斑块面积（TA）、斑块数（NP）、景观形状指数（LSI）、景观多样性指数（SHDI）、聚集度指数（AI），应用Fragstats 4.2 软件计算各景观指数。

各时间段的农业景观格局变化的计算公式[17]如下：

式中，R为t+n年与t年间的农业景观格局指数的变化率；Vt为第t年的景观格局指数值；n为时间间隔，本文中n取5。

2.2.2 生态系统服务价值测算

根据谢高地等的研究，在没有人力投入的自然生态系统，1个生态服务价值当量因子的经济价值量相当于当年全国平均粮食单产市场价值的1/7，计算公式为：

式中，Ea为单位当量因子的价值量(元/hm2)；i为粮食作物种类；mi为播种面积(hm2)；pi为全国平均价格(元/kg)；qi为播种面积单产(kg/hm2)；M为n种粮食作物总播种面积(hm2)。

根据新疆不同土地类型的面积及其单位面积生态系统服务价值计算其农业生态系统服务价值，计算公式为：

式中，ESV代表生态服务价值（元）；Ak代表k类土地利用类型的面积(hm2)；VCk代表第k类土地利用类型的生态服务系数（元/hm2·a）。

2.2.3 生态系统服务价值变异系数

变异系数可以衡量新疆不同年份或不同地区农业生态系统服务价值的空间离散程度，其计算公式为：

式中，CV为变异系数；n为样本数；Ki为生态系统服务价值；为其平均值。

3 结果与分析

3.1 农业景观格局时空变化

2000～2015年，新疆地区农业景观格局面积分布：草地>耕地>水域>林地，其中，草地面积占75%以上。由于受各种自然和社会因素的影响，特别是自2007年以来，国家要求一定要守住全国耕地不少于1.2亿hm2的红线，新疆对未利用地开发力度不断加大，耕地面积不断增加。此外，草地逐渐减少，林地和水域面积先增加后减少，如图1所示。由表1可知，农业景观总面积呈现增长趋势，随着时间推移，农业景观总面积的变化率由0.37%逐渐减小到0.17%，表明随着西部大开发的不断推进，未利用地的开发强度增大，新疆地区农业发展区域逐步扩大，且增长趋于稳定。

图1 新疆2000～2015年农业景观面积Fig.1 Area of agricultural landscape in Xinjiang from 2000 to 2015

由表1可知，整体上新疆地区NP、LSI和SHDI均逐渐增大，表明农业景观破碎程度增加，斑块内部的异质性增大，斑块形状越来越复杂，人类干扰强度增强，景观类型更加多样化；AI逐渐减小，表明同类型的斑块聚合程度降低。此外，2000～2015年NP的变化程度最大，TA的变化程度最小，各景观指数的变化率均逐渐减小。

新疆各地市州的景观指数有增有减，在一定程度上造成了新疆景观格局的空间差异，其中博尔塔拉蒙古自治州和克拉玛依市分别在2000～2005和2005～2015年期间各指数变化率较大，如图2所示。2000～2005年、2005～2010年和2010～2015年，各类景观指数的变化程度均不断变小，农业景观格局逐渐趋于稳定。此外，从空间差异来看，北疆景观格局的变化比南疆明显。

3.2 农业生态系统服务价值时空变化

随着新疆生态农业的发展，耕地面积、作物产量逐渐提升，并且物价大幅度增长，导致农业生态单位当量因子价值量呈上升趋势，由公式（2）计算得到新疆4个时期的价值量分别为1 034元/hm2、1 060元/hm2、1 713元/hm2和2 159元/hm2。

结果显示（见表2），2000～2015年新疆地区整体的农业生态系统服务总价值不断地增长，由714.67×109元增长到1527.64×109元。各地市州的农业生态系统服务价值均逐渐增大且时序变化较大，其中博尔塔拉蒙古自治州和克拉玛依市农业生态系统服务价值的时序变化最明显。4个时期各地市州农业生态系统服务价值的空间分布变异系数分别为86.1%、86.0%、86.3%和86.4%，表明区域间的价值差异较大，随着时间推移，差异有先减小后增大的趋势。

图2 新疆各地市州农业景观指数变化率的空间分布Fig.2 Spatial distribution of change rate of agricultural landscape metrics in cities and counties of Xinjiang

表1 新疆2000～2015年农业景观指数Tab.1 Agricultural landscape metrics in Xinjiang from 2000 to 2015

以4个时期的农业生态系统服务价值的地均平均值代表2000～2015年的总体水平，利用ArcGIS的自然间断法将其分为低、较低、一般、较高和高5个等级（如图3所示），结果显示，新疆各地市州的农业生态系统服务价值存在着明显的空间差异，其中，2个地区农业生态系统服务价值处于高水平，4个地区处于较高水平，5个地区处于一般水平，3个地区处于较低水平，2个地区处于低水平，总体呈现北疆高南疆低的分布格

表2 新疆各地市州2000～2015年农业生态系统服务价值Tab.2 AESV in cities and counties of Xinjiang from 2000 to 2015

图3 新疆农业生态系统服务价值的空间分布Fig.3 Spatial distribution of the AESV in Xinjiang

从各地类生态系统服务价值来看，草地生态系统服务价值最高，占总价值的45%以上，其次是水体、林地和耕地，水体、林地和耕地的生态服务价值均不断地增长，草地的在2010年有所下降。耕地生态系统服务价值时序变化最显著，其次是水域、林地和草地（如图4a所示）。在研究的4个年度中，水域农业生态系统服务价值的空间分布变异系数最大，表明在不同地区水域的价值差异最大，其次是林地、草地和耕地，如图4b所示。

从不同类型生态系统服务功能产生的服务价值来看，价值大小依次为：废物处理、水源涵养、土壤形成与保护、生物多样性保护、气候调节、气体调节、娱乐文化、食物生产和原材料，其中娱乐文化、原材料和水源涵养的生态系统服务价值时序变化较明显，土壤形成与保护的时序变化最不明显，如图5a所示。在研究的4个年度中，娱乐文化和水源涵养农业生态系统服务价值在空间上变异系数较大，表明其价值的空间差异较大，农业已经不是以食物生产为主，娱乐文化功能地位明显加强，如图5b所示。

为进一步研究新疆各地类与各生态系统服务功能的关系，采用Person相关系数，以新疆15个地市州的农业生态系统服务价值为样本进行定量分析。结果显示，耕地与食物生产、原材料的相关性最大，相关系数分别为0.89和0.606；林地与原材料的相关性最大，相关系数达0.888；草地与除原材料的其他8类生态系统服务功能之间的相关系数均达到0.8以上；水域与水域涵养、娱乐文化、废物处理的相关性最大，相关系数分别为0.9和0.898和0.89。结合图4和图5得知新疆地区草地和水域的废物处理能力及水源调节功能非常强大。

图4 新疆2000～2015年各地类的农业生态系统服务价值Fig.4 AESV of different land use types in cities and counties of Xinjiang from 2000 to 2015

图5 新疆2000～2015年不同类型农业生态系统服务价值Fig.5 AESV of different service functions in cities and counties of Xinjiang from 2000 to 2015

表3 各生态系统服务价值与农业景观指数的相关系数（**表示在0.01水平上显著相关）Tab.3 The correlation coefficient of ecosystem service value and agricultural landscape index(** indicates a significant correlation at 0.01 level)

3.3 农业景观格局对生态系统服务价值的影响

农业生态系统服务功能在景观结构和生态过程中形成，不同的景观结构和生态过程决定着生态系统服务的变化。农业景观格局的演变，改变了生态系统原有的格局和结构，并通过与生物过程和非生物过程的相互作用，最终导致生态系统服务发生变化。以农业景观指数和各类生态系统服务价值数据为样本，通过计算Person相关系数定量分析农业景观格局与生态系统服务价值的关系。

结果显示（见表3），各类型生态系统服务价值与TA、NP和LSI均呈现明显正相关关系，与SHDI和AI无明显相关性，表明景观面积、斑块数和景观形状对新疆地区农业生态系统服务价值影响较大。其中，TA与生物多样性保护和土壤形成与保护功能的相关性最高，分别达0.893和0.889；NP与生物多样性保护和食物生产相关性最高，分别达0.881和0.879；LSI与食物生产、气候调节、气体调节相关性最高，分别达0.779、0.750和0.746。2000～2015年新疆农业景观面积增加，斑块数量增加，景观形状复杂化，各类生态系统服务价值均增加。其中，农作物和林地增加，使得其光合作用加强，气体调节和气候调节能力增加； 农业景观面积增加和破碎化程度增加，使得农业产生的废弃物数量增加，废物处理能力加强；林地面积的提高使得土壤保持的作用增强，原材料功能增加；生态农业的发展导致娱乐文化功能显著提升。

4 结束语

本文分析了新疆近十五年农业景观格局的时空变化特征，测算了农业生态系统服务价值并揭示其时空变化特征，并进一步分析了农业景观格局与生态系统服务

价值的关联，结果显示：

1）2000～2015年，新疆农业景观以草地为主，随着西部大开发的不断推进，新疆地区农业发展区域逐步扩大，农业景观破碎化程度加剧，异质性增强，多样性指数升高，农业生态系统正朝着多样化、稳定化的方向发展，北疆的景观格局变化程度明显高于南疆。

2）新疆农业生态系统服务价值增长趋势明显，各地市州农业生态系统服务价值的时序变化差别不大，但随着农业生态系统服务价值的不断升高，区域间的差异呈现先减小后增加的趋势。草地强大的废物处理能力以及水体的水源调节能力是新疆地区最重要的生态系统服务功能。

3）景观面积、斑块数和景观形状对新疆地区农业生态系统服务价值影响较大且均呈现明显正相关关系。

随着新疆生态农业的不断发展，通过与科研机构合作、建立生态农业示范基地以及制定相应政策等方式，新疆农业生态环境效益日渐良好，农业生态系统服务价值显著提升，但各地区的农业生态系统服务价值差异仍较大，呈现北疆高南疆低的分布格局，仍需进一步对区域土地利用结构进行调整，以缩短南北疆的发展差距。由于农业景观演变对其生态系统的影响是一个潜在、长期的过程，加上农业生态系统受人类的控制和支配，如何定量分析其驱动力及影响机理仍需更加深入地研究。