農業用地變化對生態系統服務價值的影響
——以新疆阿勒泰地區為例

孫慶祥，張萬旭

（新疆生產建設兵團農業技術推廣總站，烏魯木齊 830011）

生態系統服務功能是指生態系統與生態過程所形成及所維持的人類賴以生存的自然環境條件與功能［1，2］。人類對環境的壓力在空間和時間上都在變化，對地球的生物多樣性和人類經濟產生深遠的影響［3］。生態系統服務研究為地理學中的人地關系研究提供了實踐領域［4］，自服務類型、原理和方法被Costanza 等［5，6］提出并發展后，生態系統在國內外相關領域已成為研究熱點［7，8］。中國已經開展的相關研究對于生態安全格局構建和提高人類福祉具有深遠意義［9］。生態系統服務價值作為生態安全的量化指標，可為生態保護政策提供參考［10］。土地利用/覆蓋變化（Land use/Land cover，LULC）是人類活動對環境影響的直觀表達，土地利用圖是人地關系的直接體現［11］。LULC通過改變地表覆蓋類型影響生態系統的結構、過程和功能［12］?；贚ULC的生態系統服務價值估算能從地表生態過程及效應、土地利用變化過程等方面來揭示生態系統服務價值的生態學意義［13］。中國農業用地生態價值巨大，加大對農業用地的保護力度并積極調整各農業用地類型的比例有利于促進農業生態價值發揮最大作用［14］。

生態系統服務價值（Ecosystem services values，ESV）是對生態系統的服務和自然資本用經濟法則所做的估計。有關長時間序列和小尺度對區域ESV變化的研究較少，因此LULC、氣候因素和社會經濟因素對ESV變化的作用機制難以確定。阿勒泰地區位于中國西北干旱區，有豐富的農業生態系統服務如森林、草甸的水源涵養，荒漠耐鹽耐旱的植物基因庫等，同時，其地處“絲綢之路經濟帶”，對中國具有重要的戰略影響［15］。為了解農業生態系統服務價值對LULC的響應及其驅動力對深化區域生態環境與社會經濟發展的作用，本研究以阿勒泰地區為研究對象，對該區域1980—2020 年的農業用地ESV進行評估，旨在揭示阿勒泰地區農業用地ESV的時空變化特點及LULC變化對ESV的影響，分析人類活動及自然因素對研究區ESV的影響，以期為阿勒泰地區農業用地規劃提供理論依據，對阿勒泰地區土地利用結構優化和經濟發展具有理論和實踐意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

阿勒泰地區位于新疆維吾爾自治區北部（85°31'37″—91°01'15″E，44°59'35″—49°10'45″N），西部開闊，地勢東北高、西南低，阿爾泰山、沙吾爾山、準噶爾盆地分別位于其北部、西南部、南部。阿勒泰地區位于歐亞大陸中心腹地，屬于北溫帶寒冷區大陸性氣候［14］。年平均氣溫為0.7～4.9 ℃，氣溫年變化幅度較大，最冷月份（1 月）與最熱月份（7 月）氣溫相差30 ℃以上［16］。年日照時數為2 850.0～3 157.3 h，平原地區年均降水量為139～268 mm，北部山區降水量達600 mm 以上，年蒸發量在1 397～2 140 mm。當地主要水系為額爾齊斯河和烏倫古河，流域覆蓋面積較大［17］。

1.2 數據來源與處理

阿勒泰地區1980—2020 年6 期Landsat5 TM/Landsat8 OLI 遙感影像來自美國地質調查局（USGS，https：//earthexplorer.usgs.gov），選擇6—8 月無云或少云（云量低于10%）的影像數據以確保地面特征識別和解譯的高精度。對影像數據進行預處理，然后采用ArcGIS 10.3、ENVI 5.1 軟件處理投影轉換、幾何校正和地物分類等數據。參照中國科學院土地利用分類，該地區分為耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用土地，經外業定點核查及項目組隨機抽樣精度驗證，土地利用一級和二級類型分類綜合精度均已通過Kappa 檢驗，且Kappa 系數均在90%以上，符合研究要求。其中，農業用地包括耕地、林地、草地和水域等以農業特征為主的景觀生態系統［18］。恩格爾系數、農作物種植面積和單產數據來源于1980—2020 年《新疆統計年鑒》，主要糧食作物價格數據來源于《全國農產品成本收益資料匯編》。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用變化動態指標

1）單一土地利用動態度。其是分析不同土地利用類型在一定時間段內的變化速度和幅度的指標［19］，反映人類活動對單一土地利用類型的影響。計算式如下。

式中，Ki為單一土地利用類型動態度；Sit1、Sit2分別表示t1、t2時間i類土地利用類型面積；t1、t2分別表示變化前的時間與變化后的時間。

2）綜合土地利用動態度。其是分析整個研究區在一定時間段內的土地利用類型變化快慢差異的指標，反映人類活動對土地利用類型變化的綜合影響［20］。計算式如下。

式中，S為土地利用綜合動態度；ΔSij為t年內第i類土地利用類型轉換為非i類型面積之和；Si為第i類土地利用類型初始面積；t為研究時間段。

1.3.2 農業生態系統服務價值計算 根據Costanza等［5］、謝高地等［21，22］的研究，農業生產服務功能通常劃分為9 種類型，包括食物生產、原材料生產、氣體調節、氣候調節、水文調節、凈化環境、土壤保持等功能。

1）阿勒泰地區因子價值量計算。謝高地等［21，22］在Costanza 等［5］的評價模型基礎上，計算出中國生態系統單位面積生態服務價值當量表。在全國平均價格的基礎上，阿勒泰地區各糧食作物單位當量因子的價值量計算式如下。

式中，Ea表示單位當量因子的價值量（元/hm2）；i為不同糧食作物；mi為第i種糧食作物播種面積（hm2）；pi為第i種糧食作物全國平均價格（元/kg）；qi為第i種糧食作物單產（kg/hm2）；M為n種糧食作物總播種面積（hm2）。

阿勒泰地區生態系統服務價值計算式如下。

式中，Vij表示研究區地類j的第i種生態系統服務功能價值；Aj表示地類j的面積；VCij表示調整后地類j的第i種生態系統服務功能價值系數；ESV表示總的生態系統服務價值。

2）農業生態系統服務價值的理論估算。由式（3）計算得到單位當量因子的價值量，再結合農業用地類型數據和生態價值當量表，計算農業生態系統服務價值，計算式如下。

式中，Et為理論生態價值（元）；Ak為研究區第k種農業用地面積（hm2）；Ck為第k種農業用地面價值當量因子；Ea為單位當量因子的價值量（元/hm2）。

1.3.3 敏感性分析 敏感性分析是指從定量分析的角度研究有關因素發生某種變化對某一個或一組關鍵指標影響程度的不確定分析技術。本研究利用敏感性指數（Coefficient of sensitivity，CS）［23］確定生態系統服務價值在時間變化過程中對單位面積生態系統服務價值系數（Valuation coefficient，VC）的依賴程度。若CS＞1，表示VC具有彈性，VC變動1%會導致CS大于1%的變動，則其準確度較差、可信度較低；若CS＜1，表示ESV對VC缺乏彈性，結果是可信的。CS計算式如下所示。

式中，VCjk和VCik指變化后及變化前的生態系統服務價值系數；ESVj和ESVi指變化后及變化前的生態系統服務價值總量；k指地類。

2 結果與分析

2.1 阿勒泰地區農業用地生態系統服務價值量

參考文獻［5，21，22］，計算得到1980—2020 年阿勒泰地區農業用地生態系統服務價值系數，詳見表1。

表1 1980—2020 年阿勒泰地區農業用地生態系統服務價值系數（單位：元/hm2）

2.2 阿勒泰地區農業用地的變化特點

在阿勒泰地區土地利用類型中，未利用土地面積占比最大，為主要土地利用類型，農業用地以草地、林地、耕地、水域為主。根據1980—2020 年阿勒泰地區土地利用變化數據，得到農業用地各土地利用類型占比（表2）和農業用地利用動態度（表3）。

表2 1980—2020 年阿勒泰地區農業用地類型占比（單位：%）

表3 1980—2020年阿勒泰地區農業用地利用動態度（單位：%）

由表2 可知，1980—2020 年，研究區耕地面積在不斷增加，從1980 年的1.86%增至2020 年的4.37%，其中，2000—2010 年增加了1.04 個百分點，增加最為明顯。林地面積變化不大，但是2010—2020 年從5.23%減少到5.17%，這可能與過度放牧而林木更新慢，當地水土流失，使得林地環境惡化有關［24］。草地面積總體呈減少趨勢，由1980 年的38.19%減少到2020 年的37.31%，可能是牲畜養殖量的增加以及人類對耕地需求面積的擴大，使得研究區草地面積減少，造成草地退化［25］。水域面積從1980 年的1.26%增至2020 年的1.69%。增加的農業用地來自于未利用土地的開發，表明阿勒泰地區在不斷地進行農業用地結構的調整［26］。

在土地利用類型的動態度方面，阿勒泰地區農業用地類型的動態度差異明顯。由表3 可知，動態度為正的有耕地和水域，說明這2 類農業用地面積在增加，其中，耕地在1980—2010 年呈增加趨勢，2010—2020 年略減少；水域在1980—2010 年呈減少趨勢，在2010—2020 年出現了增加，但是水域面積整體平穩，動態度一直維持在0.55%～1.70%；林地和草地的動態度在1980—2010 年表現為負值，表明這2 類農業用地面積在減少，但是草地的面積在2010—2020 年出現增加，表明當地為生態環境發展實施了積極的治理措施［27］。

2.3 阿勒泰地區農業生態系統服務價值分析

由表4 可知，阿勒泰地區農業生態系統服務價值增加了1 700 萬元，總體呈先增加后減少，最后又增加的趨勢。從各種農業用地類占比可知，草地占比最高，其次為林地。1980—2020 年，耕地呈穩定增加的趨勢，占比由1980 年的1.21%增至2020 年的2.56%。林地從1980 年的16.02%減少到2020 年的14.92%。草地呈不斷減少的趨勢，由1980 年的69.90%減少到2020 年的65.73%，減少了4.17 個百分點。水域呈穩定增加的趨勢，由1980 年的12.87%增加到2020 年的16.78%，增加了3.91 個百分點。

表4 1980—2020 年阿勒泰地區農業用地生態系統服務價值變化

阿勒泰地區生態系統服務價值存在“減少”和“增加”2 個趨勢?！皽p少”與單位面積ESV較高的草地大量減少有關，主要是因為人口和放牧量的增加造成草地減少?！霸黾印迸c耕地及水域增加有關。在社會發展過程中農業用地結構發生變化，在促進當地經濟水平提高的同時也造成一系列問題，如環境污染、生態破壞等，鑒于阿勒泰地區本身生態系統脆弱、草地退化［28］，因此，農業用地生態系統服務價值的這種變化對阿勒泰地區造成負面結果。

2.4 敏感性分析

根據敏感性指數計算式，將各地類VC分別調整50%（VC±50%），得到1980 年、1990 年、2000 年、2010年、2020 年的敏感性指數（表5）。由表5 可知，5 個時期不同農業用地類型的CS均小于1，最高值為草地，CS為0.666 1（CS＜1），即當草地的VC增加1%，總價值增加0.666 1%；最低值為耕地，CS為0.018 0。1980—2020 年，耕地、水域CS逐漸增加，這與耕地、水域面積不斷增加有關。敏感性分析表明，相對于VC而言，研究區ESV相對穩定且缺乏彈性。即使VC具有一定的不確定性，研究區ESV的結果也是穩定的，說明計算結果可信。

表5 不同農業用地類型生態系統服務價值敏感指數（CS）

3 討論

阿勒泰地區農業用地ESV以林地和草地為主，二者的占比超過80%，但是，由于人口的增加以及生態環境的破壞，人類為滿足生存需求，使得林地和草地的面積減少。耕地主要提供食物生產、原料生產、氣體調節、土壤保持等生態系統服務，水域主要提供水資源供給、凈化環境、水文調節等生態系統服務。耕地、水域面積的增加，促進糧食產量的增加。研究區在退耕還林、天然林保護工程方面取得了良好的效果，在未來的發展中還應盡量減少耕地對林地、草地的侵占，根據當地實際情況注重耕作技術優化和農業種植結構調整，提升農田品質，整體提高廢物處理、土壤保持以及生物多樣性保護等服務［29］。生態保護工程短期可能存在初始成本高的問題，但是從地區發展的長遠利益出發，當地政府、人以及環境凈收益都會增加［30］。政府在考慮地區經濟發展的同時，應重視各類生態系統服務、物種保護和人的經濟收益之間的平衡［31］。

本研究從自然和社會經濟因素2 個方面對影響研究區生態系統服務價值的驅動因素進行討論。阿勒泰地區處于干旱區，氣候變化對其環境影響顯著［32］，因此本研究主要分析氣候要素對生態系統服務價值的影響。通過中國氣象科學數據共享服務網，獲取阿勒泰地區5 個站點的氣象數據，計算阿勒泰地區1980—2020 年年平均氣溫和年降水量，同時進行回歸分析。結果表明，年平均氣溫呈增長趨勢（k=0.029 8），年降水量呈增長趨勢（k=1.485 7），氣候變化導致阿勒泰地區水域面積增加。水域在水資源供給、凈化環境、水文調節等生態系統服務中起重要作用，以水體為主要類型的研究區生態系統服務價值隨著水體面積的增加而增加。研究區生態系統服務價值與該地區生產總值關系緊密，GDP 的增加可以促進研究區ESV的增加。同時，為滿足常住人口的糧食需求，應保護耕地，促進農業發展［33］。

生態系統服務價值和經濟發展可以協同提高。阿勒泰地區的耕地、水資源儲備、森林及草地資源在新疆發揮著重要作用［34］。隨著經濟的發展，該地區多項供給、調節、支持服務會持續增加。提高林地、草地覆蓋度，合理規劃耕地面積，對阿勒泰地區的中長期發展十分重要。此外，還應加強跨區域聯防聯治，促進生態環境持續改善，完善基礎設施，促使阿勒泰地區生態環境建設與社會經濟發展步入可持續發展的道路。

4 小結

本研究以阿勒泰地區的農業用地為研究對象，結合實際情況，校正生態系統服務價值當量因子，估算了當地農業用地的生態系統服務價值，探討了研究區農業用地生態服務價值對土地利用變化的響應及驅動因素，小結如下。

1）1980—2020 年，阿勒泰地區農業用地土地利用/覆被變化明顯。阿勒泰地區耕地、水域面積呈增加趨勢，林地、草地面積呈下降趨勢。其中，各類型農業用地中草地面積的占比最大，耕地面積的增長率最大。

2）1980—2020 年，林地生態系統服務價值減少200 萬元，草地減少600 萬元，同時耕地和水域用地的生態服務價值有所增加，耕地增加600 萬元，水域增加1 900 萬元。各地類敏感性指數（CS）均小于1，表明該區域生態系統服務價值相對穩定且不具有彈性。

3）驅動因素表明自然因素和社會經濟因素都會影響生態系統服務價值。研究區生產總值與生態系統服務價值相關性強。在生態保護與經濟發展相互促進下，生態系統服務價值和經濟發展可以協同提高。