基于山地-綠洲-荒漠系統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)服務正負價值測算
——以新疆瑪納斯河流域為例

夏鑫鑫,朱 磊,*,楊愛民,靳 含,張青青

1 新疆農(nóng)業(yè)大學草業(yè)與環(huán)境科學學院, 烏魯木齊 830052 2 新疆土壤與植物生態(tài)過程實驗室, 烏魯木齊 830052

生態(tài)系統(tǒng)服務是指通過生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構、過程和功能直接或間接得到生命支持產(chǎn)品和服務[1]。土地利用/覆被變化(Land Use and Cover Change,LUCC)是人類社會經(jīng)濟活動與自然環(huán)境相互作用的產(chǎn)物,驅(qū)動著生態(tài)系統(tǒng)服務提供能力的變化[2- 3]。生態(tài)系統(tǒng)服務作為溝通自然與社會的橋梁和紐帶,緊密地將土地利用/覆被變化與人類福祉聯(lián)系起來,被視為區(qū)域生態(tài)安全保障和社會經(jīng)濟發(fā)展的關鍵環(huán)節(jié)[4- 7]。然而伴隨著人口數(shù)量的急劇增加及社會經(jīng)濟的快速發(fā)展,一些不合理的土地利用方式使得生態(tài)系統(tǒng)遭受嚴重破壞,并對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務價值(Ecosystem Service Value,ESV)產(chǎn)生了顯著影響,導致生態(tài)系統(tǒng)服務能力也隨之降低和退化[8- 9]。因此,定量研究土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響,對協(xié)調(diào)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

目前,已有諸多國內(nèi)外學者采用Costanza和謝高地等[1,10]提出并修正的生態(tài)系統(tǒng)服務價值估算方法,針對不同生態(tài)單元、不同時空尺度開展生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響評估[11- 16],取得了豐富的成果,推動了生態(tài)系統(tǒng)服務價值研究的進程[17]。然而,大多數(shù)研究僅關注單一生態(tài)單元下生態(tài)系統(tǒng)服務價值影響研究,忽視了不同的生態(tài)單元對生態(tài)系統(tǒng)服務提供能力是有所差異的,且這些差異會直接或間接的影響生態(tài)系統(tǒng)服務的形成與供給,因而結(jié)合不同生態(tài)單元評價生態(tài)系統(tǒng)服務價值對于深入認知生態(tài)系統(tǒng)服務具有重要的科學意義。另外,生態(tài)系統(tǒng)在向人類提供好處的同時,也不可避免地產(chǎn)生負向生態(tài)系統(tǒng)服務,即自然生態(tài)系統(tǒng)或因生態(tài)系統(tǒng)退化對人類生產(chǎn)、生活造成的負面影響[18]。負向生態(tài)系統(tǒng)服務不僅產(chǎn)生于自然景觀,還源自人類活動,如空氣污染、水資源過度消耗等[18- 19]。盡管當前學術界對于負向生態(tài)系統(tǒng)服務的定義存在爭論,但對其真實存在是普遍認同的[20]。生態(tài)系統(tǒng)服務負向價值納入ESV評估鮮有報道,故而難以全面地了解生態(tài)系統(tǒng)服務的異質(zhì)性。

瑪納斯河流域位于我國西北干旱區(qū)生態(tài)脆弱帶,具有典型“山地-綠洲-荒漠系統(tǒng)”(Mountain-Oasis-Desert System,MODS)的特征[21]。流域?qū)儆谔焐奖逼陆?jīng)濟帶的核心區(qū),是我國最大的人工綠洲區(qū)和第四大灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)[22]。近年來,瑪納斯河流域開發(fā)加劇,土地利用發(fā)生顯著變化,草場退化、冰川萎縮、水源涵養(yǎng)功能減弱和湖泊干涸等一系列生態(tài)問題隨之突顯,使得流域生態(tài)環(huán)境更加脆弱[23]。因此,瑪納斯河流域生態(tài)系統(tǒng)服務功能對土地利用/覆被變化的響應研究已成為眾多學者所關注的焦點問題[12,21,24- 25]。鑒于此,本文以瑪納斯河流域1990—2015 年6 期土地利用數(shù)據(jù)為基礎,運用生態(tài)價值估算模型,定量研究瑪納斯河流域不同生態(tài)單元下生態(tài)系統(tǒng)服務正負價值,并進行空間顯式表達,以期為干旱區(qū)土地資源可持續(xù)利用和區(qū)域生態(tài)資源的規(guī)劃管理提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

瑪納斯河流域(圖1)地處天山北坡、準噶爾盆地南緣,位于84°42′—86°33′E,43°5′—45°58′N,海拔在250—5252 m之間。由南至北依次為山地、綠洲、荒漠,垂直景觀帶譜完整,南部山地區(qū)植被茂盛,是重要的水源涵養(yǎng)區(qū),中部綠洲區(qū)分布著大面積農(nóng)田,北部為古爾班通古特沙漠,沙丘類型以縱向沙隴和梁窩狀沙丘為主,多為固定和半固定沙丘,主要生長著以梭梭為主的灌木[24]。東西方向依次分布著塔西河、瑪納斯河、寧家河、金溝河、八音溝河等水系,其中瑪納斯河全長400 km,是準噶爾盆地水量最大、流程最長的內(nèi)陸河,注入準噶爾盆地西北部的瑪納斯湖。流域?qū)俚湫偷臏貛Т箨懶詺夂?年均氣溫在4.7—5.7℃,年平均降水量115—200 mm,由南向北遞減,且夏季多冬季少,年平均蒸發(fā)量1500—2100 mm[4]。該區(qū)域的綠洲熱量資源豐富,光熱條件組合優(yōu)勢明顯,適宜種植棉花、玉米和小麥[26]。流域轄石河子市、瑪納斯縣、沙灣縣以及和布克賽爾蒙古自治縣、和靜縣、克拉瑪依市、奎屯市和烏蘇市的部分地區(qū)。截止2015 年末,流域內(nèi)人口約為1.3×106人[27]。

圖1 瑪納斯河流域示意圖Fig.1 Location map of the Manas River Basin

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究采用的數(shù)據(jù)來源于美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS,https://glovis.usgs.gov/),包括1990 年、1995 年Landsat—TM影像,2000 年、2005 年、2010 年Landsat—ETM影像及2015 年Landsat—8 OLI影像,成像時間在7—8 月之間,云量均在5%以下,影像質(zhì)量較高。結(jié)合該地區(qū)的地形圖和土地利用類型特點,參考劉紀遠等提出的土地利用分類體系[28],將土地利用類型劃分為：耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地。通過人機交互解譯得到瑪納斯河流域6 期土地利用數(shù)據(jù),解譯結(jié)果通過野外實地考察和谷歌地球歷史影像驗證,并選取分層隨機抽樣方法,在研究區(qū)內(nèi)隨機選取300 個樣本點進行驗證,結(jié)果表明,六期影像分類數(shù)據(jù)精度均高于85%,滿足研究所需要求。

社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)及人口數(shù)據(jù)來源于1990—2016 年《新疆統(tǒng)計年鑒》、《新疆生產(chǎn)建設兵團統(tǒng)計年鑒》及新疆維吾爾自治區(qū)統(tǒng)計局網(wǎng)站(http://www.xjtj.gov.cn/)等。

2.2 土地利用類型變化特征

單一土地利用動態(tài)度可直觀反映不同土地利用類型在一定時段內(nèi)的變化速度。其公式為：

(1)

式中,S2,S1分別表示研究末期和研究初期某一土地利用類型的面積；T為研究時段,當設定為年時,公式結(jié)果表示該區(qū)此類土地利用類型的年變化率。其中,K值越大,則該土地利用類型在一定時間段內(nèi)變化速率越快。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務正向價值估算

本研究基于謝高地等[29]提出的中國不同陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務價值計算生態(tài)系統(tǒng)服務價值量,并將生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)進行修正。其中,耕地與未利用地分別對應農(nóng)田與難利用地,建設用地僅以文化娛樂生態(tài)服務功能價值來計[30],進而得到瑪納斯河流域生態(tài)系統(tǒng)單位面積服務價值系數(shù)表(表1)。生態(tài)系統(tǒng)服務價值(ESV)計算公式如下：

表1 瑪納斯河流域各地類生態(tài)系統(tǒng)單位面積服務價值系數(shù)/(元 hm-2 a-1)

ESV=∑(Ak×VCk)

(2)

式中,Ak為第k種土地利用類型面積(hm2)；VCk為該類型土地單位面積的生態(tài)服務價值系數(shù)(元 hm-2a-1)。

為了定量分析研究區(qū)生態(tài)服務價值的空間分布特征,將研究區(qū)劃分為1 km×1 km大小網(wǎng)格單元[31],并對生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行空間顯式表達。

2.4 生態(tài)系統(tǒng)服務負向價值估算

2.4.1 負向價值評價指標選取

生物多樣性降低(如瑪納斯湖的干涸導致湖周及廊道周圍低地沼生植被等因缺水而逐漸干枯死亡,湖中鯉、鯽魚等水生生物消失)[32]、冰川退化[15]、融雪性洪水[33]等是流域內(nèi)常見的由自然景觀引起的負向生態(tài)系統(tǒng)服務,鑒于上述負向生態(tài)系統(tǒng)服務較少有人為活動影響,且數(shù)據(jù)難以獲取并量化表達,因此本文尚不考慮計算荒漠區(qū)及山地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務負向價值。以受人類活動干擾的綠洲區(qū)為例,表征其產(chǎn)生的生態(tài)系統(tǒng)服務負向價值。以綠洲區(qū)耕地、建設用地為研究對象選取負向價值指標,其中耕地選取化肥流失、農(nóng)藥污染、地膜污染、水資源消耗及溫室氣體排放作為負向價值評價指標,建設用地選取化石燃料燃燒所產(chǎn)生的溫室氣體作為負向價值評價指標,通過上述指標對綠洲區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務負向價值進行估算。

2.4.2 化肥流失

為了保持土壤肥力,保證農(nóng)作物的產(chǎn)出,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中會使用大量化肥維持農(nóng)業(yè)生產(chǎn)?；试谧魑镌霎a(chǎn)的同時,也會帶來如水體富營養(yǎng)化等生態(tài)環(huán)境問題[16]。因化肥流失導致的水體富營養(yǎng)化的價值難以計算與量化,本文僅考慮化肥流失的價值,由此計算化肥施用所產(chǎn)生的負向價值。

V1=U×(1-r)×S

(3)

式中,V1表示化肥流失負價值(元)；U為化肥使用量(t)；r為化肥利用率(%),文中取36.04%[34]；S為化肥價格(元/t),文中取2015 年尿素及復合肥均值2935 元/t。

2.4.3 農(nóng)藥污染

在農(nóng)藥使用過程中,有40%—60%的農(nóng)藥降落到地面上,不能被有效利用,本文取均值50%作為農(nóng)藥利用率[35],農(nóng)藥價格通過實地調(diào)查取29800 元/t,通過上述數(shù)據(jù)估算農(nóng)藥所產(chǎn)生的負向價值。

V2=Vp×(1-n)×Pp

(4)

式中,V2表示農(nóng)藥污染負價值；Vp表示農(nóng)藥使用量(t)；n為農(nóng)藥利用率；Pp為農(nóng)藥價格(元/t)。

2.4.4 地膜污染

農(nóng)用地膜殘留不僅阻隔水肥的運輸,而且影響作物對于養(yǎng)分的吸收。據(jù)調(diào)查,新疆農(nóng)田地膜殘留率在24%左右[36],地膜使用量按60 kg/hm2計算[37],以此計算處理廢棄薄膜所產(chǎn)生的負向價值。

V3=P×I×A

(5)

式中,V3表示地膜污染負價值；P表示處理單位地膜所需價格(元/hm2),文中取143 元[38]；I表示地膜殘留率(%)；A表示地膜覆蓋面積(hm2)。

2.4.5 水資源消耗

水資源消耗價值可用水庫蓄水成本法計算[39]：

V4=W×R×Cw

(6)

式中,V4表示水資源消耗負價值；W為農(nóng)業(yè)灌溉用水量(m3)；R為農(nóng)業(yè)耗水率(%)；Cw為水庫蓄水成本(取1.17 元/m3)；農(nóng)業(yè)耗水率取35%[40]。

2.4.6 溫室氣體排放

記V51為耕地溫室氣體排放價值,V52為建設用地溫室氣體排放價值,則溫室氣體排放負價值V5為：

V5=V51+V52

(7)

(1)耕地溫室氣體排放計算：N2O和CO2是北方旱地排放溫室氣體的主要成分,1 kg N2O的增溫效應是1 kg CO2的298 倍[41]。根據(jù)已有研究,新疆農(nóng)田N2O排放量為1.955 t hm-2a-1,CO2排放量為0.088 t hm-2a-1[42],本文采用全球增溫趨勢(GWP)估算兩種溫室氣體排放價值,其中CO2排放成本取造林成本法(中國標準)260.9 元/t[41]。由下列公式計算農(nóng)田溫室氣體排放價值。

GWP=fN2O×298

(8)

Vp-N2O=CL×PCO2×GWP

(9)

Vp-CO2=CL×PCO2

(10)

V51=Vp-N2O+Vp-CO2

(11)

式中,GWP為溫室氣體的綜合增溫趨勢,fN2O為N2O的排放量,Vp-N2O為N2O的排放價值,CL為農(nóng)田面積,PCO2為二氧化碳交易成本,Vp-CO2是CO2的排放價值。

(2)建設用地溫室氣體排放計算：表2是瑪納斯河流域1990—2015 年建設用地CO2排放現(xiàn)狀,據(jù)下述公式對建設用地溫室氣體排放價值進行估算：

表2 瑪納斯河流域1990—2015 年CO2排放估算/×106t

Dg=ahj×(1-Lg)×Mg

(12)

V52=Dg×Yg

(13)

式中,Dg表示g種物質(zhì)產(chǎn)生CO2量；ahj表示CO2排放系數(shù)；Lg表示化石燃料用作生產(chǎn)原料的比例系數(shù)；Mg表示產(chǎn)生(排放)CO2物質(zhì)生產(chǎn)(消費)量；V52表示建設用地溫室氣體排放價值；Yg治理單位煤炭、石油、天然氣排放CO2的價值。其中,煤炭、石油、天然氣的CO2排放系數(shù)按照國家計委能源所測定的排放系數(shù)計算,分別取0.651、0.543和0.404；比例系數(shù)依次取3%、22%和36%[43]。

“*”表示106m3

2.5 敏感性指數(shù)

本研究采用敏感性指數(shù)(CS)表示ESV對VC的依賴程度,其計算公式為：

(14)

式中,CS為生態(tài)系統(tǒng)價值系數(shù)的敏感性系數(shù)；i和j分別表示初始生態(tài)系統(tǒng)服務價值和生態(tài)價值系數(shù)調(diào)整后的價值。若CS>1,表明ESV對VC富有彈性,其準確度差、可信度較低；反之,若CS<1,則表明ESV對VC缺乏彈性,研究結(jié)果可信。

2.6 人均生態(tài)系統(tǒng)服務凈價值估算

將人口數(shù)量與生態(tài)系統(tǒng)服務凈價值有機結(jié)合,可以更加直觀有效地反映區(qū)域的環(huán)境壓力情況[44],其計算公式如下：

(15)

ΔY=Ye-Yb

(16)

式中,Yi指某區(qū)域i年的人均生態(tài)系統(tǒng)服務凈價值量,ESVi指該地區(qū)i年生態(tài)系統(tǒng)服務凈價值量,Ri指該地區(qū)i年的人口總數(shù)；ΔY為人均生態(tài)系統(tǒng)服務凈變化量,Yb和Ye分別指研究時段內(nèi)始末的人均生態(tài)系統(tǒng)服務凈價值量。若ΔY>0,說明該地區(qū)的人均生態(tài)系統(tǒng)服務凈價值量在增加,即研究區(qū)的環(huán)境壓力在逐漸減低,環(huán)境在朝著健康方向發(fā)展,反之則朝著惡化方向發(fā)展。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化及動態(tài)度分析

1990—2015 年瑪納斯河流域土地利用構成(表3)及土地利用/覆被(圖2)表明,研究時段內(nèi),未利用地是研究區(qū)占地面積最大,分布最廣的土地利用類型,其面積約占總面積的46.69%—57.72%；其次為耕地和草地,分別占13.47%—24.19%和16.94%—19.22%；建設用地占比最小,約占總面積的0.44%—1.00%,在整體變化中反應較不明顯。

圖2 瑪納斯河流域1990—2015 年土地利用/覆被Fig.2 Land use and cover change in Manas River Basin from 1990 to 2015

表3 瑪納斯河流域1990—2015 年土地利用結(jié)構/%

流域土地利用/覆被變化在各時期均呈現(xiàn)不同的變化特征,主要表現(xiàn)為耕地、建設用地及水域的增加和林地、草地、未利用地的減少。研究時段內(nèi)耕地和建設用地面積持續(xù)增加,耕地由1990 年的4.51×105hm2增加至2015 年的8.10×105hm2,增加了3.59×105hm2,其中2010—2015 年變化速度快,動態(tài)度達到3.71(圖3)；建設用地25 年累計增加0.19×105hm2,其在2000—2005 年變化速度較快,動態(tài)度達5.42；這一變化的原因主要是流域內(nèi)不斷增長的人口對耕地和建設用地的需求加大所致。林地面積整體呈現(xiàn)減少趨勢,至研究期末,林地面積共計減少0.13×105hm2,其中1995—2000 年動態(tài)度達-1.88,在整體變化中,變化不明顯；水域面積在研究時段內(nèi)波動增加0.78×105hm2,2005—2010 年水域動態(tài)度達到14.84,遠高于其他土地利用類型,變化速度最快。草地面積由研究初期的6.43×105hm2減少至研究期末的5.68×105hm2,在研究期內(nèi),1990—1995 年動態(tài)度最低。未利用地由1990 年19.32×105hm2減少至2015 年的15.64×105hm2,在所有土地利用類型中變化量最大,總計減少3.68×105hm2,這是由于隨著人類活動強度增大及灌溉技術進步致使未利用地被大量開墾所致,其面積急劇下降。

圖3 瑪納斯河流域1990—2015 年土地利用動態(tài)度Fig.3 Dynamic degree of land use in Manas River Basin from 1990 to 2015

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務正向價值變化

1990—2015 年,瑪納斯河流域山地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務正向價值最大,綠洲區(qū)次之,荒漠區(qū)正向價值最小(表4、圖4)。山地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務正向價值總體表現(xiàn)為上升趨勢,并于2010 年達到最高。其原因是2009—2011 年天山北麓出現(xiàn)了近60 年少有的暴雪天氣,引起大面積雪災、雪崩和災害性融雪洪水[45],冰雪覆蓋面積增加,導致山地區(qū)水域面積的增加,進而引起山地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務正向價值的升高。

圖4 瑪納斯河流域1990—2015 年生態(tài)系統(tǒng)服務正向價值分布Fig.4 Positive value of ecosystem services in Manas River Basin from 1990 to 2015

表4 瑪納斯河流域1990—2015 年不同生態(tài)單元下生態(tài)系統(tǒng)服務正向價值/×106元

隨著綠洲內(nèi)部水資源緊缺,維護綠洲穩(wěn)定的大片農(nóng)田防護林因缺水而枯死,加之大量林地遭受砍伐及綠洲內(nèi)部廣闊的天然草地被開墾[46],導致綠洲區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務正向價值在1990—1995 年出現(xiàn)下降趨勢。在1995 年至2015 年生態(tài)系統(tǒng)服務正向價值則保持持續(xù)增加的趨勢,并在研究末期達到最高的3807.17×106元。

荒漠區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務正向價值在1990—2000 年期間持續(xù)增加,且增幅較大,并于2000 年達到峰值,2000—2015 年表現(xiàn)為持續(xù)減少。這是由于自20 世紀70 年代至1999 年,瑪納斯湖迅速萎縮并干涸,1999 年9 月瑪納斯河上游水庫因洪水潰壩導致大量洪水重新注入瑪納斯湖,湖泊面積達到最大,但從2000 年以后,湖水面積又呈現(xiàn)遞減趨勢[47- 48],荒漠區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務正向價值也因此隨之下降,但總體來看,荒漠區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務正向價值有所增加。

“—”表示該土地利用類型無生態(tài)系統(tǒng)服務正向價值

整體而言,流域生態(tài)系統(tǒng)服務正向價值呈現(xiàn)上升趨勢,空間分布上呈現(xiàn)山地區(qū)>綠洲區(qū)>荒漠區(qū)的特征,這是由于生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)較高的林地及水域多分布于山地區(qū)。截止研究期末,流域生態(tài)系統(tǒng)服務總正向價值共增加2642.81×106元,年均增加105.71×106元。結(jié)合土地利用變化類型中水域面積的動態(tài)變化可以看出,研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務總正向價值的變化與水域面積的變化是線性相關的,這使得研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務總正向價值隨著水域面積的波動而上下浮動。

3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務負向價值變化

研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務總負向價值呈現(xiàn)持續(xù)增長趨勢(表5、圖5),至研究末期已增至1907.28×106元,25 a間共計增加1180.71×106元,年均增加47.23×106元。各類負效應所產(chǎn)生的負向價值均逐年增加?？臻g上主要分布于瑪納斯縣、石河子市和沙灣縣及周圍耕地,并逐漸呈現(xiàn)連片連綿趨勢。在構成上,溫室氣體排放、化肥流失及水資源消耗三者之和占比最大,各時期均達到90%以上,其中,溫室氣體排放是總負服務中最大的提供者,結(jié)合土地利用變化可以看出隨著耕地及建設用地的不斷擴張,化肥、農(nóng)藥、地膜、水資源的投入及溫室氣體排放量也隨之增加。

表5 瑪納斯河流域1990—2015 年生態(tài)系統(tǒng)服務負向價值/×106元

3.4 生態(tài)系統(tǒng)服務凈價值變化

研究時段內(nèi),生態(tài)系統(tǒng)服務凈價值存在一定的空間差異性(圖6)。研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)價值以正值區(qū)為主,并呈現(xiàn)山地區(qū)>綠洲區(qū)>荒漠區(qū)的特征；生態(tài)系統(tǒng)服務凈價值總體增加,由1990 年的8947.91×106元增加至2015 年的10409.99×106元,空間上主要分布在山地區(qū)、綠洲區(qū)瑪納斯河中游及水庫周圍、荒漠區(qū)瑪納斯湖附近；負值區(qū)主要集中在建設用地,這是由于人口數(shù)量的增加導致建設用地不斷擴張,溫室氣體排放量也隨之增加。

圖6 瑪納斯河流域1990—2015 年生態(tài)系統(tǒng)服務凈價值分布Fig.6 Composite value of ecosystem services in Manas River Basin from 1990 to 2015

3.5 敏感性分析

據(jù)式(14),將各地類VC分別上下調(diào)整50%,計算瑪納斯河流域各地類敏感性指數(shù)(圖7)。結(jié)果表明,6 個時期不同土地利用類型的CS均小于1,最高值為水域,CS值為0.1123,即當水體的VC增加1%,總價值增加0.1123%；最低值為建設用地,其CS值為0.0000。研究時段內(nèi),耕地CS呈現(xiàn)增加趨勢,林地、草地及未利用地CS值均呈現(xiàn)下降趨勢,這是由于流域研究期內(nèi)高強度采伐林地、毀草開荒、開荒造田,導致耕地面積不斷增加,林地、草地及未利用地面積銳減,因此耕地CS呈現(xiàn)上升趨勢,林地及草地CS值表現(xiàn)為下降。水體CS值于2010 年達到最高,這與2009—2011 年天山北麓出現(xiàn)的暴雪天氣有關。CS敏感性分析表明,ESV對VC是缺乏彈性的,研究結(jié)果可信。

圖7 瑪納斯河流域生態(tài)服務價值敏感性分析Fig.7 Sensitive cofficients of ecosystem service values of land use types in Manas River Basin from 1990 to 2015

3.6 人均生態(tài)系統(tǒng)服務凈價值估算分析

圖8 瑪納斯河流域1990—2015 年生態(tài)系統(tǒng)服務價值趨勢圖Fig.8 The value trend chart of ecosystem services in Manas River Basin from 1990 to 2015

研究時段內(nèi),瑪納斯河流域生態(tài)系統(tǒng)服務凈價值總量增加,但人均生態(tài)系統(tǒng)服務凈價值卻從1990 年的10622 元減少至2015 年的8008 元,并整體呈現(xiàn)下降趨勢(圖8)。其中在1990—1995 年及2005—2010 年有兩個增長期,這是由于兩個時段生態(tài)系統(tǒng)服務凈價值增加量分別為844×106元、2281×106元,人口增加量分別為4.1×105人、1.4×105人,從而引起兩個子時段內(nèi)人均生態(tài)系統(tǒng)服務價值小幅上漲。整體而言,瑪納斯河流域生態(tài)系統(tǒng)服務凈價值總量增長,環(huán)境質(zhì)量提高；但隨著人口數(shù)量的增加,人均生態(tài)系統(tǒng)服務凈價值減少,瑪納斯河流域的環(huán)境壓力逐漸加大。

4 討論

在山地-綠洲-荒漠系統(tǒng)(MODS)中,各子系統(tǒng)通過物質(zhì)交換和能量流動緊密關聯(lián)。山地區(qū)是干旱區(qū)綠洲和荒漠的水源和物源,是MODS下生態(tài)耦合的“物流高地”；綠洲區(qū)作為“信息流高地”,是三大子系統(tǒng)能量、物質(zhì)、信息高效集中和集約交換的節(jié)點與核心,同時也是人類賴以生存和發(fā)展的中心,受人類活動影響最為顯著；荒漠區(qū)是生態(tài)耦合的“能流高地”,它是綠洲形成發(fā)育的背景環(huán)境和基質(zhì),雖環(huán)境相對惡劣,但由于其增溫效應造就了綠洲區(qū)獨有的熱量資源,并因此創(chuàng)造了獨具特色的棉花等優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)[49- 50]。

研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)價值增加的趨勢與新疆其他區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化不盡相同。如北疆伊犁河流域生態(tài)系統(tǒng)服務價值在1985—2005 年表現(xiàn)為持續(xù)增加的趨勢[51]；1964—2007 年南疆焉耆盆地的生態(tài)服務價值在波動中呈現(xiàn)下降趨勢[52]；就全疆尺度而言,生態(tài)系統(tǒng)服務價值整體在1996—2008 年呈現(xiàn)上升趨勢[53]。景觀組成異質(zhì)性、地形分異及研究區(qū)尺度的選取是導致生態(tài)系統(tǒng)服務價值存在差異的原因[54]。此外,近些年學者對于瑪納斯河流域生態(tài)系統(tǒng)服務價值的估算結(jié)果也存在一定的差異。凌紅波等采用修正后的當量因子對1958—2006 年瑪納斯河流域生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行評估,得出流域生態(tài)系統(tǒng)服務價值呈現(xiàn)下降的趨勢[24]；Wang等分別計算瑪納斯河流域2003 年和2013 年生態(tài)系統(tǒng)單位面積服務價值系數(shù),結(jié)果表明流域生態(tài)系統(tǒng)服務價值總量呈現(xiàn)升高趨勢[4]；黃湘等基于流域內(nèi)消費指數(shù)以及不變價格訂正的基礎上,采用謝高地等提出的中國生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量因子表對瑪納斯河流域進行生態(tài)系統(tǒng)服務價值估算,研究表明2005 年瑪納斯河流域農(nóng)田、林地、草地及水域生態(tài)系統(tǒng)服務價值均高于1994 年[25]。當量因子修正與否及單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)的不同是估算結(jié)果產(chǎn)生差異的主要原因。此外,研究時段的不同及土地利用/覆被變化導致的生態(tài)服務價值損失未被納入總價值的評估也是導致生態(tài)系統(tǒng)服務價值存在差異性的原因。

在研究區(qū)負向價值的構成中,溫室氣體排放的負向價值占據(jù)總負向價值的半數(shù)以上。已有的研究多針對農(nóng)田溫室氣體排放進行估算,其中城市在溫室氣體排放量中也占據(jù)一定的比重[55]。由于耕地及建設用地集中分布于綠洲區(qū),溫室氣體主要產(chǎn)生于綠洲區(qū),因此如何在保證社會經(jīng)濟發(fā)展的前提下減少溫室氣體排放量是基于LUCC的生態(tài)系統(tǒng)服務價值研究的重點和難點問題。另外,研究時段內(nèi),新疆地區(qū)化肥、農(nóng)藥使用量表現(xiàn)為雙增的現(xiàn)象[56],如若不采取措施加以管控,則化肥流失及農(nóng)藥污染的負向價值將會逐年加大,進而對綠洲區(qū)生態(tài)環(huán)境的發(fā)展進程造成一定的制約。值得關注的是,水是干旱區(qū)的生命線,貫穿于山地—綠洲—荒漠復合生態(tài)系統(tǒng)中。綠洲區(qū)處于MODS中的核心區(qū)域,是水資源的主要消耗區(qū)。綠洲區(qū)水資源的高消耗迫使下游來水減少、河流萎縮、尾閭湖干涸、地表徑流對地下水的補給減弱,造成大量生態(tài)用水被擠占,下游生態(tài)和環(huán)境惡化問題日趨嚴重[57]。因此,為了流域生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展,應注重加強對水資源的管控,以水定地,依靠綠洲繁榮的物質(zhì)及經(jīng)濟促進山地生態(tài)系統(tǒng)和荒漠生態(tài)系統(tǒng)的改善與發(fā)展,實現(xiàn)社會、經(jīng)濟和生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展。

荒漠區(qū)產(chǎn)生的增溫效應一定程度上促進了綠洲區(qū)農(nóng)業(yè)資源的發(fā)展[50],如何將其量化并納入生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行估算仍有待深入討論。此外,瑪納斯湖的干涸雖導致荒漠區(qū)生物多樣性的減少,但其干涸湖盆已成為新疆最大的鹽湖,鹽儲量達15.8×108t,被正式列為新疆三大鹽業(yè)基地之一,80 年代已大規(guī)模開發(fā)、生產(chǎn)食鹽及其他化工產(chǎn)品[32],這在一定程度上提升了建設用地供給服務中原材料生產(chǎn)的功能。謝高地將原材料生產(chǎn)定義為“將太陽能轉(zhuǎn)化為生物能,給人類作建筑物或其他用途[10]”,因此不能簡單將建設用地的生態(tài)系統(tǒng)服務功能以零計算,如何正確認知建設用地生態(tài)系統(tǒng)服務功能的價值將是今后研究的熱點所在。

5 結(jié)論

本文基于瑪納斯河流域6 期土地利用數(shù)據(jù),采用修正后的生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù),對瑪納斯河流域1990—2015 年不同生態(tài)單元下生態(tài)系統(tǒng)服務正負價值進行定量估算,結(jié)論如下：

(1)未利用地、耕地和草地始終是研究區(qū)所占比例最大的土地利用/覆被類型,各時期三者之和占比均在85%以上。研究時段內(nèi)耕地和建設用地面積持續(xù)增加,水域經(jīng)歷了增加—減少—減少—增加—減少的波動過程,未利用地先小幅度增加后持續(xù)減少,林地和草地總體表現(xiàn)為減少趨勢。其中,建設用地增幅最大,達到230%,耕地次之,水域增幅最??；減幅由大到小依次為林地、草地及未利用地。

(2)近25 年瑪納斯河流域生態(tài)系統(tǒng)服務總正向價值呈現(xiàn)上升趨勢,且呈現(xiàn)山地區(qū)>綠洲區(qū)>荒漠區(qū)的特征。其中,山地區(qū)正向價值在波動中呈現(xiàn)增加趨勢；綠洲區(qū)正向價值在1990—1995 年經(jīng)歷小幅下降后表現(xiàn)為持續(xù)上升的趨勢；荒漠區(qū)正向價值在1990—2000 年呈現(xiàn)上升趨勢,在2000—2015 年表現(xiàn)為持續(xù)下降,于2000 年達到峰值。綠洲區(qū)總負向價值增加顯著,研究末期達到初期的2.63 倍。

(3)研究時段內(nèi)研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務凈價值增加,但人均生態(tài)系統(tǒng)服務凈價值卻總體呈現(xiàn)下降趨勢,年均減幅為0.98%,流域環(huán)境壓力呈逐年增大的趨勢。