2017, Vol. 37文章信息
- 李哲, 张飞, KungHsiang-te, 张月, 井云清
- LI Zhe, ZHANG Fei, Kung Hsiang-te, ZHANG Yue, JING Yunqing.
- 1998－2014年艾比湖湿地自然保护区生态系统服务价值及其时空变异
- Spatial and temporal ecosystem changes in the Ebinur Wetland Nature Reserve from 1998 to 2014
- 生态学报. 2017, 37(15): 4984-4997
- Acta Ecologica Sinica. 2017, 37(15): 4984-4997
- http://dx.doi.org/10.5846/stxb201604290823
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文章历史
- 收稿日期: 2016-04-29
- 网络出版日期: 2017-03-22
2. 新疆大学绿洲生态教育部重点实验室, 乌鲁木齐 830046;
3. 新疆智慧城市与环境建模普通高校重点实验室, 乌鲁木齐 830046;
4. 美国孟菲斯大学地球科学系, 田纳西州 孟菲斯 38152
2. Key Laboratory of Oasis Ecology, Urumqi 830046, China;
3. General Institutes of Higher Learning Key Laboratory of Smart City and Environmental Modeling, Xinjiang University, Urumqi 830046, China;
4. Department of Earth Sciences, University of Memphis, Memphis, USA 38152
实现人类可持续发展的基础是维持和保护生态系统服务[1], 生态系统是指通过生态系统的结构、过程和功能直接或间接得到的产品和服务[2], 是人类生存和发展的基本条件和自然资本。生态系统服务功能指生态系统与生态过程形成及维持人类生存发展的自然环境条件[3], 对其价值进行定量评估能够合理配置环境资源[4]。
湿地是生态系统的主要组成部分, 具有蓄洪防旱、调节气候、降解污染物、教育科研、促淤造陆等多重生态服务功能[5]。但随着工业化进程的加快和城市化的发展, 湿地生态环境遭到严重破坏, 国外众多学者开始重视湿地生态服务功能的研究。如Turner等在2003年提出的湿地生态经济分析的框架及空间分析方法, 为湿地生态系统经济价值的评估及在可持续发展战略中的应用提供依据[6]；Mitsch等分析了不同尺度湿地生态系统服务功能价值；Daubert等评价了水的娱乐价值[7]；Richard等全面总结了湿地生态系统服务功能的案例及价值评价方法[8]。此外, 生态系统服务价值在流域[9]、单个生态系统以及物种[10]和生物多样性保护[11]价值评估领域也开展了大量研究。21世纪初, 湿地评价研究在全国各地展开, 分别在鄱阳湖[12]、三洋[13]、黄河三角洲湿地[14]、南沙红树林[15]等地进行了湿地价值评价研究。但是国内的研究主要集中在全国尺度, 省域和市域等宏观尺度上, 而针对县域尺度, 特别是西北干旱区县域绿洲的研究报告较少[16]。
空间统计分析主要应用在空间数据的分类和综合评价, 其核心是了解数据间的依赖程度、空间关联度或空间自相关, 通过空间位置建立数据间的统计关系[17]。与各种地理实体一样, 生态系统服务价值同样存在空间关联性, 而之前大量研究停留在静态研究, 忽视了它的动态性和复杂性, 因此定量研究生态系统价值的关联度, 有利于全面理解生态系统服务价值的空间格局特征[18]。
针对西北干旱区应用生态系统价值评估和空间统计相结合的方法解决环境问题是一个新的尝试。多年来, 处于生态脆弱区的艾比湖湿地自然保护区生态环境不断恶化, 因此本文以艾比湖自然保护区为靶区, 通过对艾比湖湿地自然保护区生态系统服务功能价值定量研究, 对恢复和保护艾比湖湿地, 加快艾比湖流域生态环境综合治理, 具有一定的理论和实践意义。
1 研究区概况艾比湖湿地自然保护区位于新疆博尔塔拉蒙古自治州境内(44°30′－45°09′N, 82°36′－83°50′E)根据博州林业局统计年鉴, 在行政区划分上地跨博尔塔拉蒙古自治州精河县、博乐市和阿拉山口口岸。此处是准噶尔盆地西部最低洼地和水盐汇集中心, 处于亚欧大陆腹地, 是准噶尔盆地生态环境变化的重要地区[19]。艾比湖湿地是我国沙漠风口湖泊湿地, 湖水面和湖边植物具有良好的防风固沙作用。在2007年4月被国务院批准为国家级湿地自然保护区。本研究区为典型的中温带干旱大陆气候, 干旱少雨, 蒸发量大, 日照充足, 气候变化剧烈, 年均温5℃, 年均降水量105.17mm, 蒸发量1315mm。特殊的地理位置及气候条件, 使其形成了石漠、土漠、盐漠、沼泽等多种沙漠地类, 自然保护区内主要土地利用类型包括草地、林地、水域、沙地、盐渍地等。保护区内设置两个中心管护站, 下设11个保护站, 区内常住人口约400人, 主要从事游牧活动, 81%由哈萨克族构成。由于近代工农业生产活动频繁, 艾比湖急剧萎缩, 湖面面积减小, 直接威胁了流域内农牧业的可持续发展[19]。
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| 图 1 研究区位置图 Fig. 1 Location map of the study area |
获取了研究区1998年9月25日的TM影像、2006年8月22日Landsat ETM+影像和2014年8月20日的Landsat OLI影像(数据来源于http://earthexplorer.usgs.gov/), 轨道号为146/29。在ENVI5.1软件支持下完成了对遥感影像的几何校正、辐射校正和影像增强等预处理, 并对遥感影像进行裁剪获取研究区范围, 采用监督分类和目视解译相结合的方法, 将艾比湖湿地自然保护区划分为林草地、盐碱地、湿地、水体、沙漠、裸地及其他共6类。得到1998、2006、2014年土地覆被分类结果。基于混淆矩阵方法进行解译精度评价, 3期遥感影像解译平均精度达到95%以上。
2.2 研究方法 2.2.1 土地利用变化动态指标利用单一土地利用类型的净变化速度来描述艾比湖湿地自然保护区各土地利用类型的动态变化。净变化速度表达区域一定时间内某一土地利用/覆被类型的数量的速度变化[21-22], 模拟表达式为[20]：
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(1) |
式中，K为在研究区时段内某一土地利用类型的动态度；Ub, Ua为研究末期和初期的某一土地利用类型数量；T为研究的时间跨度, 将T的时段设定为年时, K值就代表该研究区单一土地利用类型的年变化率。
2.2.2 生态系统服务价值评估方法Costanza等[23]从科学角度明确了生态系统服务价值研究的意义和方法, 但研究估算结果仍然存在较大偏差, 如湿地的估计偏高, 耕地的估计偏低等[24]。谢高地等[25]在Costanza的评价模型基础上, 依据我国实际情况, 结合200位生态学家的问卷调查结果, 得出不同陆地生态系统单位面积生态服务价值表(表 1)。本文在前人研究基础上, 参考艾比湖流域的相关文献[26], 制定了艾比湖湿地自然保护区的生态系统服务价值, 具体计算模型如下[20]：
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(2) |
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(3) |
| 服务类型 Service type | 生态系统服务价值 Ecosystem service value/(元hm-2 a-1) | ||||
| 湿地 Wetland | 林地 Forest | 草地 Grassland | 水体 Water | 未利用地 Unutilized land | |
| 气体调节 Gas regulation | 1547.10 | 3097.00 | 707.90 | 0.00 | 0.00 |
| 气候调节 Climate regulation | 14697.50 | 2389.10 | 796.40 | 407.00 | 0.00 |
| 水源涵养 Water conservation | 13322.30 | 2831.50 | 707.90 | 18033.20 | 26.50 |
| 土壤形成与保护 Soil formation and protection | 1469.70 | 3450.90 | 1725.50 | 8.80 | 17.70 |
| 废物处理 Waste treatment | 15625.70 | 1159.20 | 1159.20 | 16086.60 | 8.80 |
| 生物多样性保护 Biodiversity conservation | 2148.80 | 2884.60 | 964.50 | 2203.30 | 300.80 |
| 食物生产 Food production | 257.90 | 88.50 | 265.50 | 88.50 | 8.80 |
| 原材料 Raw material | 60.20 | 2300.60 | 44.20 | 8.80 | 0.00 |
| 娱乐文化 Entertainment culture | 4770.20 | 1132.60 | 35.40 | 3840.20 | 8.80 |
| 合计 Total | 53899.40 | 19334.00 | 6406.50 | 40676.40 | 371.40 |
式中, ESV为生态系统服务价值；Ak为研究区第k种土地利用类型的分布面积；VCk为单位面积的生态系统服务价值；ESVf为单项生态系统服务功能价值；k为单项生态系统服务价值系数；f为土地利用类型。
2.2.3 敏感性指数借用敏感性指数(CS)确定生态系统服务价值(ESV)随时间变化对生态系统价值(VC)的依赖程度, 以此为依据验证所选生态价值系数是否适合本研究区。CS指VC变动1%引起ESV的变化状况, CS > 1, 代表ESV对VC富有弹性, CS越大, VC的准确性越关键；CS < 1, 表明ESV对VC缺乏弹性。即使CS < 1, VC的值过高或过低, 都会一定程度上影响生态价值随时间变化的准确性。本研究拟将各土地利用类型的生态价值系数分别上下调整50%来衡量ESV的变化情况。其计算公式如下[27]：
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(4) |
式中，ESV、VC、k的含义同前, i和j代表初始价值和生态价值系数调整以后的价值。
2.2.4 空间自相关分析本文在利用生态系统服务价值评估模型计算出各年的生态系统服务总价值基础上, 采用全局Moran散点图和空间联系的局部指标(LISA)相结合的方法, 进行空间自相关分析, 计算公式参见[28, 30], 构建了生态系统服务价值空间关联模式, 得出了空间关联模式的显著性水平。
参考相关文献[18], 制作出详细流程(图 2), 分为A、B、C三部分。A为数据的预处理, 包括利用Arcgis10.0对图层进行重采样, 格网化, 最终得到ESV格网数据；B为探索局部空间关联模式, 对空间权重矩阵进行计算得到Moran散点图；C为计算Moran′s Ⅰ指数, 并进行显著性水平检验, 反映空间关联模式的显著性水平, 最终得到LISA聚类图和LISA显著性水平图。
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| 图 2 艾比湖湿地自然保护区ESV时空变异分析流程图 Fig. 2 The flowchart of spatial-temporal variation analysis of Ecosystem Services Values in Ebinur Wetland natural reserve |
本文利用Geoda095i软件计算空间权重矩阵, 绘制Moran散点图, 计算局部Moran′s Ⅰ指数, 并在显著性p=0.01的情况下, 利用99次置换方法对局部Moran′s Ⅰ指数进行显著性检验。
3 结果与分析 3.1 土地利用/覆被变化过程分析对比1998年、2006年、2014年3期的遥感图像, 通过统计得出1998－2014年近20 a来艾比湖湿地自然保护区土地利用/覆被变化(表 2)。结果表明, 林草地和沙漠是主要变化的土地利用/覆被类型, 变化速度分别为10.22%和6.30%, 其他土地利用/覆被类型都有不同程度变化, 湿地面积增加9269 hm2, 年变化速度最小, 占2.23%。沙漠面积增加16949 hm2, 年变化速度为6.30%, 盐碱地面积增加19925 hm2, 年变化速度为2.34%, 水体面积减少17825 hm2, 年变化速度为-2.18%, 裸地及其他面积减少39796 hm2, 年变化速度为-1.53%。
| 年份 Year | 项目 Items | 林草地 Forest | 盐碱地 Saline land | 湿地 Wetland | 水体 Water | 沙漠 Desert | 裸地及其他 Bare land and other |
| 1998 | 面积/hm2 | 7023 | 53326 | 26035 | 51217 | 16816 | 162695 |
| 2006 | 8940 | 36373 | 45751 | 59235 | 9063 | 157750 | |
| 2014 | 18502 | 73251 | 35304 | 33392 | 33765 | 122899 | |
| 1998－2006 | 面积变化/hm2 | 1917 | -16953 | 19716 | 8018 | -7753 | -4945 |
| 净变化速度/% | 3.41 | -3.97 | 9.47 | 19.57 | 5.76 | 0.38 | |
| 2006－2014 | 面积变化/hm2 | 9562 | 36878 | -10447 | -25843 | 24702 | -34851 |
| 净变化速度/% | 13.37 | 12.67 | -2.85 | -5.45 | 34.07 | -2.76 | |
| 1998－2014 | 面积变化/hm2 | 11479 | 19925 | 9269 | -17825 | 16949 | -39796 |
| 净变化速度/% | 10.22 | 2.34 | 2.23 | -2.18 | 6.30 | 1.53 |
从表 2可以看出, 1998－2014年间艾比湖湿地自然保护区土地利用/覆被变化总体的趋势是林草地、盐碱地、湿地、沙漠的面积增加, 其中增加面积最多的为盐碱地, 增加面积19925 hm2, 水体和裸地及其他面积减少, 裸地及其他面积减少最多, 减少39796 hm2。16年间, 沙漠的面积持续增加, 在2006－2014年期间增幅最快, 达到了34.07%。裸地及其他面积持续下降, 而湿地和水体的面积呈先增加再减少的趋势, 盐碱地和沙漠的面积呈先减少后增加的趋势。盐碱地和沙漠面积增加的主要驱动因子是人口和GDP的增长, 导致水资源总量逐年下降, 艾比湖水面积萎缩；林草地面积的持续增加是由于本世纪末, 尤其是“九五”期间实施艾比湖流域植树造林综合治理方案, 实现造林育林8.55×104 hm2, 治理沙漠面积9.86×104hm2。
3.2 生态系统服务价值的动态变化由于研究区土地利用/覆被类型的划分与Costanza等[23]人的全球生态系统类型的划分不完全一致, 为得到不同土地利用/覆被类型的生态系统服务价值, 本文将Costanza[23]定义的生态系统类型和研究区划分的土地利用/覆被类型进行对照(表 3)。参考不同陆地生态系统单位服务价值表(表 1), 对研究区1998－2014年间的生态价值的变化情况进行了估算(表 4), 在计算过程中, 林草地取林地和草地的平均值[29]。盐碱地、沙漠和裸地及其他土地覆被类型划分到未利用地之中[20]。
| 土地利用/覆盖类型 land use/cover types | 林草地 Forest /grass land | 湿地 Wetland | 水域 Water | 未利用地 Unutilized land |
| 对应的生态系统 Ecosystem types corresponding to land use/cover types | 森林和草地 | 湿地 | 水体 | 盐碱地/沙漠/裸地及其他 |
| 生态价值系数 Ecological value coefficients | 12870.25 | 53899.40 | 40676.40 | 371.40 |
| 土地利用/覆盖类型 Land use/cover types | 1998 | 2006 | 2014 | |||||
| 价值Value/108元/a | % | 价值Value/108元/a | % | 价值Value/108元/a | % | |||
| 林草地 Forest/grass land | 0.86 | 2.35% | 1.09 | 2.15% | 2.27 | 6.35% | ||
| 盐碱地 Saline land | 0.19 | 0.52% | 0.14 | 0.27% | 0.27 | 0.76% | ||
| 湿地 Wetland | 14.03 | 38.37% | 24.66 | 48.74% | 19.03 | 53.25% | ||
| 水体 Water | 20.83 | 56.96% | 24.09 | 47.61% | 13.58 | 37.99% | ||
| 沙漠 Desert | 0.06 | 0.16% | 0.03 | 0.06% | 0.13 | 0.36% | ||
| 裸地及其他 Bare land and other | 0.60 | 1.64% | 0.59 | 1.17% | 0.46 | 1.29% | ||
| 总计 Total | 36.57 | 100.00% | 50.60 | 100.00% | 35.74 | 100.00% | ||
水体和湿地土地覆被类型的生态价值系数较高, 这类用地的变化将极大地影响流域生态系统服务价值的变化。根据艾比湖湿地自然保护区不同土地利用/覆被类型的生态系统服务价值系数, 计算1998－2014年研究区的生态系统服务价值及其变化(表 4, 表 5)。
| 时间段 Time interval | 生态系统服务价值及其变化 Change of the ecosystem service value | 林草地 Forest | 盐碱地 Saline land | 湿地 Wetland | 水体 Water | 沙漠 Desert | 裸地及其他 Bare land and other |
| 1998－2006 | 生态系统服务价值变化/×108元 | 0.23 | -0.05 | 10.63 | 3.26 | -0.03 | -0.01 |
| 年变化率/% | 3.34 | -3.29 | 9.47 | 1.96 | -6.25 | -0.21 | |
| 2006－2014 | 生态系统服务价值变化/×108元 | 1.18 | 0.13 | -5.63 | -10.51 | 0.10 | -0.13 |
| 年变化率/% | 13.53 | 11.61 | -2.85 | -5.45 | 41.67 | -2.75 | |
| 1998－2014 | 生态系统服务价值变化/×108元 | 1.41 | -0.59 | 5.00 | -7.25 | 0.07 | -0.14 |
| 年变化率/% | 10.25 | -19.40 | 4.45 | -2.18 | 0.73 | -1.46 |
由表 4可以得到, 1998年、2006年和2014年艾比湖湿地自然保护区生态系统服务价值分别为36.57×108元, 50.60×108元和35.74×108元, 呈现出先增加后减少的趋势。从生态系统服务价值所占比例来看, 水体和湿地所占比例最多, 水体和湿地的生态系统服务价值是生态系统服务的主体。其中, ESV呈现持续增长的为林草地, ESV呈现先增加后减少的为湿地和水体, ESV呈现先减少后增加的为盐渍地和沙漠, ESV呈现持续减少的为裸地及其他土地覆被类型。
由表 5可以得到, 1998－2014年期间, 林草地的ESV增长的变化率最大, 最大值为10.25%, 增加了1.41×108元, 增加的变化率次之的是湿地, 增加了5×108元, 盐碱地减少的变化率最大, 最大值为-19.40%。1998－2006年期间, ESV增幅最大的是湿地, ESV减少幅度最大的是沙漠, 年变化率达到-6.25%。2006－2014年期间, ESV增幅最大的是沙漠, 年变化率达到41.67%, ESV减少幅度最大的是水体, 年变化率达到-5.45%。总体来看, 近20年流域的生态系统服务价值出现减少的趋势, 这与流域资源的过度开发利用密切相关。
为方便艾比湖湿地自然保护区各土地利用/覆被类型的ESV差异对比, 本文利用Arcgis10.0绘制出研究区3个时期ESV的空间分异图(图 3)。将艾比湖湿地自然保护区1998－2014年生态系统服务价值从低到高划分为6个等级, 从图中可以看出, 研究区的ESV存在明显的空间分异差异。从空间上看, 在近20年内, 水体和湿地的ESV一直保持在高值范围内, 水体周围的其他土地覆被类型处于低值范围。从时间的变化情况看, 1998－2006年期间, 由于湖面面积和湿地的增加, 致使水域和湿地ESV升高, 其他类型的土地覆被类型ESV没有明显变化；2006－2014年期间, 研究区西北地区的湖面面积萎缩, 加上生态环境的恶化, 致使ESV整体呈现下降趋势。
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| 图 3 艾比湖湿地自然保护区ESV的空间分异 Fig. 3 Spatial differences of the ecosystem services values in Ebinur Wetland natural reserve |
根据公式(3) 计算出各生态系统服务功能的价值(表 6)。分析可知, 水源涵养和废物处理2项生态系统服务功能所占比例超过60%, 食物生产和原材料所占比例小于1%, 说明研究区服务性价值大于生产性价值；水体和湿地相对于其他类型的ESV较大, 整体来看, 近20年来, 由于艾比湖湖面萎缩, 水源涵养的ESV持续下降, 废物处理、生物多样性保护、食物生产和娱乐文化的ESV先增加后减少, 其余服务类型的ESV都有不同比例的增加。
| 服务类型 Service type | 1998 | 2006 | 2014 | ||||||||
| 价值Value/(108元) | % | 排序 Rank | 价值Value/(108元) | % | 排序 Rank | 价值Value/(108元) | % | 排序 Rank | |||
| 气体调节 Gas regulation | 0.54 | 1.47 | 7 | 0.88 | 1.73 | 7 | 0.90 | 2.51 | 7 | ||
| 气候调节 Climate regulation | 4.15 | 11.33 | 3 | 7.11 | 14.03 | 3 | 5.62 | 15.72 | 3 | ||
| 水源涵养 Water conservation | 12.89 | 35.23 | 1 | 16.99 | 33.54 | 1 | 11.11 | 31.08 | 2 | ||
| 土壤形成与保护 Soil formation and protection | 0.61 | 1.67 | 6 | 0.94 | 1.87 | 6 | 1.04 | 2.91 | 6 | ||
| 废物处理 Waste treatment | 12.41 | 33.91 | 2 | 16.80 | 33.16 | 2 | 11.12 | 31.11 | 1 | ||
| 生物多样性保护 Biodiversity conservation | 2.52 | 6.90 | 5 | 3.07 | 6.06 | 5 | 2.54 | 7.11 | 5 | ||
| 食物生产 Food production | 0.10 | 0.27 | 9 | 0.20 | 0.40 | 8 | 0.08 | 0.23 | 9 | ||
| 原材料 Raw material | 0.10 | 0.28 | 8 | 0.14 | 0.27 | 9 | 0.24 | 0.67 | 8 | ||
| 娱乐文化 Entertainment culture | 3.27 | 8.94 | 4 | 4.53 | 8.94 | 4 | 3.09 | 8.66 | 4 | ||
| 合计 Total | 36.59 | 100.00 | - | 50.66 | 100.00 | - | 35.76 | 100.00 | - | ||
根据CS计算公式, 本文把生态价值系数分别上下调整了50%, 计算价值系数调整后的艾比湖湿地自然保护区1998年、2006年和2014年各土地利用/覆被类型的生态系统服价值, 并估算敏感性指数(表 7)。结果表明, 研究区所有土地利用/覆被类型生态系统服务价值系数的敏感性指数(CS)均小于1, 由高到底依次为湿地、水体、林草地、裸地及其他、盐碱地和沙漠, 最低值为0, 即当沙漠生态价值系数(VC)增加1%, 总价值无变化, 最高值为0.57, 即当水体生态价值系数(VC)增加1%, 总价值增加0.57%；除了水体和湿地, 其他的地类生态系统价值系数变化对研究区生态系统服务总价值的变化影响不大。敏感性分析表明, 艾比湖湿地自然保护区的ESV对VC是缺乏弹性的, 即使价值系数存在一定的不确定性, 但是整个研究区的ESV计算仍然是稳定的, 证明研究结果是可信的。
| 价值系数 Value coefficient | ESVESV/108元 | 1998－2014年变化情况 Years of change from 1998 to 2014 | 价值系数变化的影响 The influence of the change about value coefficient | |||||||
| 1998 | 2006 | 2014 | 变化量/×108元Change quantity | 变化百分率/%Change percentage | 1998年敏感性指数 Sensitivity coefficientsof 1998 | 2006年敏感性指数 Sensitivity coefficientsof 2006 | 2014年敏感性指数 Sensitivity coefficients of 2014 | |||
| 林草地 VC+50%Forest/grass land VC+50% | 37.02 | 51.18 | 36.93 | -0.09 | 0.25 | 0.02 | 0.02 | 0.07 | ||
| 林草地 VC-50%Forest/grass land VC-50% | 36.12 | 50.02 | 34.55 | -1.57 | 4.34 | |||||
| 盐碱地 VC+50%Saline land VC+50% | 36.67 | 50.89 | 35.88 | -0.79 | 2.16 | 0.01 | 0.01 | 0.01 | ||
| 盐碱地 VC-50%Saline land VC-50% | 36.47 | 50.31 | 35.60 | -0.87 | 2.38 | |||||
| 湿地 VC+50%Wetland VC+50% | 43.59 | 62.93 | 45.25 | 1.67 | 3.83 | 0.38 | 0.49 | 0.53 | ||
| 湿地 VC-50%Wetland VC-50% | 29.55 | 38.27 | 26.23 | 11.53 | 11.26 | |||||
| 水体 VC+50%Water VC+50% | 46.99 | 62.65 | 42.53 | -4.46 | 9.48 | 0.57 | 0.48 | 0.38 | ||
| 水体 VC-50%Water VC-50% | 26.15 | 38.55 | 28.95 | 2.80 | 10.69 | |||||
| 沙漠 VC+50%Desert VC+50% | 36.60 | 50.62 | 35.80 | -0.80 | 38.42 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | ||
| 沙漠 VC-50%Desert VC-50% | 36.54 | 50.58 | 35.68 | -0.86 | 2.36 | |||||
| 裸地及其他 VC+50%Bare land and other VC+50% | 36.87 | 50.89 | 35.97 | -0.90 | 2.45 | 0.02 | 0.01 | 0.01 | ||
| 裸地及其他 VC-50%Bare land and other VC-50% | 36.27 | 50.31 | 35.51 | -0.76 | 2.08 | |||||
Moran散点图用于研究区域空间的异质性[30], 应用Geoda095i软件进行全局空间自相关指标计算, 获得1998、2006和2014年的Moran散点图(图 4)。
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| 图 4 艾比湖湿地自然保护区3个时期ESV的Moran散点图 Fig. 4 Moran scatter plots of the Ecosystem Services Values in Ebinur Wetland natural reserve |
从图 4可以看出, 生态系统服务价值散点主要分布在一、二、三象限, 生态系统服务价值具有空间正相关性；从沿趋势线分布的散点情况看, 1998年的自相关程度最强, Moran指数达到了0.76, 从2006－2014年自相关程度减弱；1998年, 第一象限的点较为分散, 说明在生态系统价值较高的区域各格网之间存在较大差别, 2006年和2014年第一, 二象限的点较为集中, 表明在生态系统价值较高的区域和低高区域各格网间差异缩小。
为了检验Moran′s Ⅰ是否显著, 在Geoda中采用蒙特卡罗模拟的方法检验(图 5)。P值三期均等于0.001, 说明在99.9%的置信度下的空间自相关是显著的。
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| 图 5 Moran′s Ⅰ检验图 Fig. 5 Moran′s Ⅰ test Ⅰ代表统计值, E[Ⅰ]代表理论平均值, mean代表平均值, sd代表标准差, z-value代表z值 |
聚集图是对Moran散点图中通过显著性检验的区域单元的地理表达, ESV之间的空间聚集主要表现为空间相似值的聚集, 利用Geoda生成了三期生态系统服务价值LISA聚集图(图 6)。
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| 图 6 LISA聚集图 Fig. 6 LISA Cluster Map |
如图 6所示, 图中高值聚集区(红色)主要分布在艾比湖的水域和周边湿地, 并且高值区有由增加向减少转变的趋势, 低值聚集区(蓝色)在湖区周围, 并且逐年增加, 低高聚集区(黄色)从1998－2006年期间增加明显, 2006－2014年无显著变化, 而研究区几乎没有高低(紫色)聚集区。同时, 绘制出LISA显著性水平图(图 7)。
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| 图 7 LISA显著性水平图 Fig. 7 LISA Significance Map |
LISA显著性水平图表示和周围单元具有显著空间联系。由图 7可知，从空间上看, 相关性主要存在于高值聚集区和低值聚集区, 这些区域的ESV表现出较强的空间相关性(P=0.05)：这些区域的ESV与邻近地区的ESV呈正相关性。在水域和湿地区域达到了0.001的显著性水平, 表明这一区域ESV在空间分布上差异性小, 趋同性强, 表现出很强的相关性。从时间上看, 显著水平(P=0.05) 和较高显著水平(P=0.01) 的区域面积呈先增长后减少的趋势。
3.5 ESV时空变化驱动力分析 3.5.1 自然因素依据国家气象中心公布的博州精河县的气候数据可以得出(如图 8), 气候暖干化是湖泊萎缩的主要原因。
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| 图 8 艾比湖年降水变化和年均气温变化 Fig. 8 The curve of annual precipitation and mean temperature in Ebinur Lake |
20世纪90年代新疆平均气温升高了0.3℃[31], 由图 8看出, 艾比湖流域典型区域在1990－2013年期间总体温度呈缓慢上升趋势。其中2013年的年均气温最高, 年均气温达到9.7℃, 1993年的年均气温最低, 年均气温达到6.8℃, 24a年均气温为8.5℃。另一方面, 从1990－2013年年均降水量变化图可以看出, 气温的升高导致降水的相应减少, 这种现象在一定程度上加剧了流域生态系统退化的过程。
3.5.2 人为因素艾比湖流域临近博尔塔拉蒙古自治州, 该地区人口众多, 从20世纪50年代到70年代人口急剧增长, 年均人口增长率高达19.9%, 1981－1990年人口年均增长率为1.38%[32], 人口的过快增长带来需水量的增加, 因此大量的人类活动, 如在中游地区兴修水利工程, 引水灌溉使流域水体不断减少。水域面积的萎缩导致裸露湖床的增加, 也致使研究区成为北疆主要的风沙源地。
由图 9可示, 艾比湖的沙尘日数与干涸湖底呈现正相关性, 干涸湖床面积的逐年扩大, 导致沙尘日数增加。20世纪末, 精河县浮尘天气平均达到112d, 是60年代的9倍, 每年降尘达每平方公里2.89×108kg。艾比湖湖面积由1200km2锐减到500 km2, 西北部裸露湖底面积最多, 此区域除个别地点外尚无其他植被发育, 基本上为完全裸露区域, 盐节木密度最高不过每隔700－800m一株[33]。
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| 图 9 艾比湖年干涸湖床和沙尘日数变化趋势 Fig. 9 The curve of annual dry lake bed and dust days in Ebinur Lake |
生态系统服务价值评估未形成一套完整的评价体系[34], 不同的生态价值服务评估方法, 在计算模型、生态系统分类、参数选择等方面不同[35], 其价值评估结果也存在较大差异。如对全球生态系统服务价值的评价, Pimentel[36]和Costanza[23]的结果产生了数量级差异。黄静等[37]和石龙宇等[35]基于不同方法估算的厦门市生态系统服务价值相差达5倍多。因此, 导致研究结果不一致的主要原因可能是生态系统服务价值评估方法的不同。此外, 过少的样本数量对统计结果也会有一定程度的影响。因此, 本文采用重采样的方法, 通过对3期影像图系统采样, 分别获得364、352和352个样本点, 克服有限数据影响, 有利于更准确凸显规律。
本文对生态系统服务价值的研究过程进行了动态评估, 利用GIS空间分析技术, 定量研究生态系统价值的空间关联模式和空间聚集规律, 国内西北干旱区湿地生态系统服务价值研究很少从空间分布角度分析生态系统服务价值的变化规律, 针对西北干旱区应用生态系统价值评估和空间统计相结合的方法解决环境问题是本文一个新的尝试。本研究可为干旱脆弱区可持续发展和管理, 维护、恢复和改善生态系统服务提供一定参考。
由于我国陆地生态系统服务价值当量表以民众对各项服务的生态服务的支付意愿与支付能力为基础, 将它分别用到各个城市中, 不能体现其差异性, 因此在构建区域生态系统服务价值评估模型时, 应该具体考虑到当地民众对各项生态系统服务的支付能力和支付意愿, 制定出较全面的艾比湖湿地自然保护区生态系统单位面积生态服务价值表。
4.1.2 与内陆湖相关研究对比分析参照已有的湿地生态系统服务价值研究结果[38], 将研究区湿地功能价值与我国内陆湖泊的其他相关研究进行对比, 研究结果显示：地处西北干旱区的湿地生态系统的生态服务价值总体偏低, 主要受气候环境的影响, 湿地生物多样性少, 净化水质、土壤保持、水源涵养等生态服务功能减弱, 加上人为活动的双重影响, 其生态系统服务价值进一步下降。新疆艾比湖湿地属于干旱内陆区代表性湿地, 生态环境极其脆弱, 间接降低了该湿地生态服务功能价值；而同属干旱内陆区的宁夏平原湿地, 却能够提供较高的生态系统服务价值, 可能因为宁夏湿地是以黄河干流两侧为主的黄河湿地, 景观类型多样, 其形成、演替、消长与黄河密切相关[38]；银川平原湿地与青海湖湿地地理位置相似, 但青海湖湿地的服务功能远低于银川平原湿地, 可能由于青海湖湿地生态环境脆弱, 高寒气候显著, 多年水资源利用不合理, 土流失严重, 人为因素的长期干扰, 导致湿地生态功能较小；而黑河湿地保护区的生态服务价值较高, 这是由于该地开发较晚, 受人类活动影响小, 进而保存了较高的生态功能价值[39]。
4.2 结论(1) 近20年来, 研究区的土地利用处于发展阶段, 总体处于粗放利用和集约利用型之间。土地利用变化显著, 1998－2014年间艾比湖湿地自然保护区土地利用/覆被变化总体的趋势是林草地、盐碱地、湿地、沙漠面积增加, 水体和裸地及其他面积减少。由于水资源总量减少和用水需求的增加, 研究时段内水体面积呈现减少趋势；艾比湖湖面的萎缩, 最终导致土壤盐渍化, 土地沙漠化不断加重；退耕还林、沙漠化治理、生态建设等政策使林草地得到一定程度的保护, 致使林草地的面积增加。
(2) 艾比湖湿地自然保护区在1998、2006、2014年这3年的生态系统服务价值(ESV)分别为22.63×108元, 26.11×108元和16.84×108元, 呈现出先增加后减少的趋势。从生态系统服务价值所占比例来看, 水体和湿地所占比例最多, 是生态系统服务的主体。从空间分布来看, 研究区的ESV总体呈现中间高, 两边低的分布格局。从时间的变化情况看, 1998－2006年期间, 由于湖面面积的增加, 致使水体的ESV升高, 其他类型的土地覆被类型ESV没有明显变化；2006－2014年期间, 研究区西北地区的湖面面积萎缩, 加上生态环境的恶化, 致使ESV整体呈现下降趋势。在整个研究时段内。水源涵养和废物处理的贡献率最大, 综上分析体现了艾比湖水资源对整个区域生态系统的重要性。
(3) 敏感性分析表明, 艾比湖湿地自然保护区的ESV对VC是缺乏弹性的, 即使价值系数存在一定的不确定性, 但是整个研究区的ESV计算仍然是稳定的, 证明研究结果是可信的。
(4) 研究区生态系统服务价值存在显著的正空间相关性, 空间集聚程度高值区主要集中在艾比湖水域, 并且高值区有由增加向减少转变的趋势, 低值聚集区在湖区四周, 并且逐年增加, 低高聚集区从1998－2006年期间增加明显, 2006－2014年无显著变化, 而研究区几乎没有高低聚集区。
(5) 影响研究区生态系统服务价值时空变化的驱动力因素主要包括自然因素和人为因素, 由于短时间内自然因素对艾比湖湿地自然保护区的影响因素较小, 因此人为因素是研究区生态系统服务价值时空变化的主要驱动因素。
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