刘 芳1，仇 韪2，夏 楠3，米 巧1
(1.新疆财经大学公共管理学院，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市，830012；2.新疆财经大学经济学院，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市，830012；3.新疆大学地理与遥感科学学院，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市，830046)
摘 要 以准噶尔盆地东南部的煤炭资源富集区域为研究区，通过土地利用数据评估2005-2020年生态系统服务价值，借助空间统计方法探索土地利用转型与生态系统服务价值的时空变化特征，进一步分析了不同土地利用转型对生态系统服务价值产生的影响。研究结果表明，研究区土地利用转型明显，草地和未利用地相互转换规模较大；生态系统服务总价值呈下降趋势，主要受林地、草地和水域生态系统服务价值减少的影响；生态系统服务价值全局空间正相关性和聚集性显著但有减弱趋势，未利用地低值集聚面积增加；草地与未利用地之间的转换是生态系统服务价值变化的主要原因。为改善研究区生态系统服务价值，建议保持草地和林地的稳定性，合理规划建设用地并考虑增加水域面积，加强对未利用地的生态利用效率和生态修复措施。
关键词 准噶尔盆地；煤炭资源地区；土地利用转型；生态系统服务价值；时空格局
煤炭是我国的主体能源，煤炭资源开采对脆弱生态环境的影响，是我国西北部煤炭资源地区需要关注的重要问题[1-4]。土地是人类活动和生态环境最基本的空间载体[5]。土地利用转型是指一段时期内与社会经济发展转型相对应区域的土地利用形态的转变过程[6]。生态系统服务是指人类直接或间接从生态系统中获得的效益，包括供给服务、调节服务、文化服务和支持服务[7]。目前，众多国内外学者基于不同尺度区域的大量研究表明，土地利用转型可导致生态系统结构和功能改变，从而影响人类能够获得的生态系统服务价值[8-15]。因此，识别土地利用转型特征并探讨其对生态系统服务产生的影响，可为当前煤炭资源地区的绿色发展提供参考。
近年来，部分学者开展了矿区土地利用与生态系统服务的相关研究工作，如BLANCO C F等[16]分析了生命周期评价对智利采矿生态系统服务影响；AREENDRAN G等[17]研究表明，印度中央邦某矿区植被覆盖在组成和程度上正在经历持续的负变化；LARONDELLE Neele等[18]使用生态系统服务方法评估了德国东部欧洲最大的露天褐煤矿区100年内采矿活动的影响，并预测了未来潜在的3种土地利用情景；WORLANYO A S等 [19]评估采矿对采后土地恢复和土地利用的环境和经济影响；刘畅等[20]指出大同煤矿区的土地利用格局在采矿干扰下会发生巨大变化；夏倩柔等[21]研究表明国内生产总值对新疆伊犁河谷煤矿区土地利用变化有促进作用；李兵等[22]证实淮南矿区煤矿开采活动对土地利用变化影响较大；范沛薇等[23]基于多期高分辨影像提取的土地利用信息，分析表明平朔矿区绿色矿区建设效果显著；孟宪文等[24]分析了导致黄土高原平朔矿区生态系统服务价值损失和增益的土地类别；李晓菲等[25]基于土地利用对灵武煤矿区典型排矸场生态系统服务价值进行了估算；龙精华等[26]指出鹤岗煤矿区生态系统服务价值空间差异主要受由采矿活动引起的土地利用变化的影响。由上述研究可以看出，已有研究主要围绕不同时间节点的静态研究，针对新疆煤炭资源地区的土地利用转型与生态系统服务价值变化的动态研究较少。
新疆准噶尔盆地是我国大型内陆含煤盆地，该区域是典型的干旱半干旱区，脆弱的生态环境和外来扰动的双重压力下，导致生态系统功能的改变不容忽视。鉴于此，本文选择准噶尔盆地东南部的煤炭资源富集区域为研究区，利用2005-2020年的遥感解译土地利用数据评估生态系统服务价值，借助空间统计分析方法探索土地利用转型与生态系统服务价值的时空变化特征，并进一步分析不同土地利用转型对生态系统服务价值产生的影响，以期为研究区土地资源的合理利用和生态政策制定提供参考。
准噶尔盆地位于新疆北部阿尔泰山和天山之间，含煤地层广泛发育，其中以盆地东南缘最为富集。本文选取准噶尔盆地的东南部(以下简称“准东南”)煤炭资源地区作为研究区。该研究区地处亚欧大陆腹地，面积约为10.39 万km2，属典型的大陆性干旱气候，降水稀少、温差大，煤炭资源主要为荒漠戈壁露天开采。研究区范围包括准南煤田(玛纳斯县、呼图壁县、昌吉市、乌鲁木齐市、阜康市)、准东煤田(吉木萨尔县、奇台县)以及吐哈煤田(托克逊县、高昌区)等区域。准东煤田为新疆大型煤电基地与现代化煤化工基地，吐哈煤田为“疆煤外运、疆电外送”基地。
土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心，该数据以Land TM/OLI遥感影像为数据源，空间分辨率为30 m×30 m，通过人工目视解译获取。考虑到研究区于2006年开始大规模开发煤炭资源，本文选取2005年、2010年、2015年和2020年这4个时期的土地利用数据，依据中国科学院生态遥感监测土地利用分类体系并结合研究区土地资源特征，划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地这6种土地利用类型，其中建设用地指城镇村、工矿及交通用地，未利用地指沙地、盐碱地和裸地。社会经济数据来源于《中国统计年鉴》《新疆统计年鉴》《中国农产品价格调查年鉴》及煤田所在市县的统计年鉴。
根据统计年鉴资料，获取研究区2005-2020年平均粮食单产为72.12万kg/km2，2020年粮食平均收购价格为2.044元/kg，按照一个标准单位生态系统服务的经济价值等效于单位面积农田提供的平均粮食市场价值的1/7、中国陆地生态系统单位面积生态系统服务价值当量表以及新疆的生物量修正系数0.58，计算出研究区生态系统服务价值当量因子价值量为12.21万元/(km2·a)，进而计算出准东南煤炭资源地区不同用地类型单位面积生态系统服务价值系数，见表1[27-28]。
表1 准东南煤炭资源地区不同用地类型单位面积生态系统服务价值系数 元/(km2·a)
一级生态服务二级生态服务耕地林地草地水域建设用地未利用地供给服务食物生产103 80337 85826 86797 69701 221原料生产48 84886 70640 30028 08803 664水资源供给2 44245 18521 9821 012 38302 442调节服务气体调节81 821286 984139 21894 033013 433气候调节43 964858 511368 805279 657012 212净化环境12 212243 021122 121677 772037 858水文调节32 973428 645269 88712 485 651025 645支持服务保持土壤125 785349 266169 748113 573015 876维持养分循环14 65526 86713 4338 54801 221维持生物多样性15 876317 515155 094311 409014 655文化服务美学景观7 327139 21868 388230 80906 106总计489 7052 819 7741 395 84315 339 6190134 333
注：参考谢高地等[28]学者的研究成果，计算各地类生态系统服务价值系数，并将建设用地的价值系数设置为0。
生态系统服务总价值量及敏感性指数检验计算见式(1)～式(3)：
式中：VCif——ESV系数；
V——ESV当量因子价格，取12 121元/km2；
Cif——第i种地类的第f项ESV当量；
ESV——生态系统服务的总价值，亿元；
Ai——地类面积，km2；
CS——敏感性指数；
ESVy——价值系数调整±50%后的ESV，亿元；
ESVx——调整前的ESV，亿元；
VCy、VCx——调整后和调整前的ESV系数。
若CS>1，说明ESV计算结果的可信度低；若CS<1，表明ESV计算结果可靠。
采用莫兰指数(Moran's I)进行空间自相关分析，包括全局自相关和局部空间自相关。全局空间自相关从宏观层面判断观测值在整个空间范围内是否存在相关性和集聚性[30]，见式(4)：
(4)
式中：n——研究区空间网格单元总数；
xi、xj——在i、j位置上的观测值；
Wij——i和j之间的空间权重，当i和j相邻时为1，不相邻时则为0。
式(4)中Moran's I取值为[-1，1]。
当P值表现为显著且Global Moran's I>0时，表示观测值与其相邻空间单元具有相同的变化趋势，呈正向空间自相关，且数值越接近1，空间相关性越显著；当P值表现为显著且Global Moran's I<0时，表明观测值空间上呈现分散格局，为负向空间自相关，数值越接近-1，空间差异越大；当Global Moran's I=0时，表示观测值在空间上呈随机性分布，不存在空间自相关性。
如果全局空间自相关分析表明观测值在空间范围内具有相关性或聚集性，可采用局部空间自相关判断观测值与周围相邻位置的观测值是否具有相关性和局部集聚性，见式(5)：
(5)
当Local Moran's Ii>0 时，表示观测值与周围单元观测值存在空间正相关，表现为高值被高值包围的“高-高”状态，或者低值被低值包围的“低-低”状态；当Local Moran's Ii<0 时，表示观测值与周围单元观测值存在空间负相关，表现为高值被低值包围的“高-低”状态，或者低值被高值包围的“低-高”状态；当Global Moran's Ii=0时，表明观测值在空间上随机性分布，不存在空间自相关。
土地利用转型的生态贡献率是指某一时段内i地类转化为j地类所引起的生态系统服务价值变化在总体生态系统服务价值变化中的比率[11-12]，见式(6)：
(6)
式中：ELi-j——生态贡献率，%；
VCj、VCi——j地类和i地类的生态系统服务价值系数，元/( km2·a)；
LUCi-j——i地类转为j地类的面积，km2。
准东南煤炭资源地区以未利用地和草地为主，未利用地占总面积的50%以上，草地占30%以上，耕地占10%左右，2005-2020年间土地利用结构呈现“三增三减”的变化特征，耕地、建设用地和未利用地持续扩张，林地、草地和水域等生态用地则呈减少趋势，其中草地面积减少幅度最大。2005-2020年准东南煤炭资源地区土地利用结构变化见表2。
表2 2005-2020年准东南煤炭资源地区土地利用结构变化 %
地类2005年2010年2015年2020年2005-2020年耕地9.37 11.1611.6411.622.25林地2.95 1.75 1.75 1.71 -1.24草地35.4234.1233.2732.42-3.00水域1.32 0.78 0.76 0.80 -0.52建设用地0.94 1.42 1.98 2.02 1.08未利用地50.0050.7750.5951.431.43
2005-2020年共有2.481万km2土地发生了类型转换，约占研究区总面积的23.88%，2005-2020年准东南煤炭资源地区土地利用转移矩阵结果如下。
(1)耕地向林地、草地、水域、建设用地、未利用地的利用转入面积分别为303.0、2 243.4、42.4、217.3、987.5 km2，总转入面积3 793.6 km2；耕地向林地、草地、水域、建设用地、未利用地的利用转出面积分别为16.6、851.2、36.4、568.6、46.6 km2，总转出面积1 519.5 km2，变化量为2 274.1 km2。
(2)林地向耕地、草地、水域、建设用地、未利用地的利用转入面积分别为16.6、582.0、0.5、1.5、29.6 km2，总转入面积630.3 km2；林地向耕地、草地、水域、建设用地、未利用地的利用转出面积分别为303.0、1 528.2、13.1、40.8、45.7 km2，总转出面积1 930.8 km2，变化量为-1 300.5 km2。
(3)草地向耕地、林地、水域、建设用地、未利用地的利用转入面积分别为851.2、1 528.2、255.0、55.9、6 322.8 km2，总转入面积9 013.3 km2；草地向耕地、林地、水域、建设用地、未利用地的利用转出面积分别为2 243.4、582.0、172.4、513.8、8 574.4 km2，总转出面积12 086.0 km2，变化量为-3 072.7 km2。
(4)水域向耕地、林地、草地、建设用地、未利用地的利用转入面积分别为36.4、13.1、172.4、18.1、208.3 km2，总转入面积448.3 km2；水域向耕地、林地、草地、建设用地、未利用地的利用转出面积分别为42.4、0.5、255.0、14.6、663.9 km2，总转出面积976.5 km2，变化量为-528.2 km2。
(5)建设用地向耕地、林地、草地、水域、未利用地的利用转入面积分别为568.6、40.8、513.8、14.6、424.3 km2，总转入面积1 562.1 km2；建设用地向耕地、林地、草地、水域、未利用地的利用转出面积分别为217.3、1.5、55.9、18.1、32.4 km2，总转出面积325.3 km2，变化量为1 236.8 km2。
(6)未利用地向耕地、林地、草地、水域、建筑用地的利用转入面积分别为46.6、45.7、8 574.4、663.9、32.4 km2，总转入面积9 363.0 km2；未利用地向耕地、林地、草地、水域、建筑用地的利用转出面积分别为987.5、29.6、6 332.8、208.3、424.3 km2，总转出面积7 972.5 km2，变化量为1 390.5 km2。
由此可知，2005-2020年准东南煤炭资源地区土地利用总转入和总转出面积为2.481万 km2，草地和未利用地之间的转换规模最大，草地向耕地的转出仅次于向未利用地的转出规模，表明除自然因素影响外，农业种植以及工业发展占用了一定草地面积；未利用地和林地是草地的主要转入地类。未利用地主要与草地发生类型转换之外，还转出为耕地和建设用地。建设用地的持续扩张，导致其转入量远远高于转出量，主要来自于对耕地、草地和未利用地的占用，其中对未利用地的占用主要用于煤炭开采。
准东南煤炭资源地区土地利用时空格局如图1所示。
由图1可以看出，各地类分布较为集中且界限明显，未利用地主要分布于北部和南部戈壁荒漠地区，草地与未利用地相邻并分布于中部地区，林地主要沿天山山脉分布，耕地与建设用地主要分布于人类聚集的建成区。中部草地面积以及南部沿天山山脉的水域面积持续减少，2005年以后中部建成区和未利用地区域内的建设用地增加明显。
准东南煤炭资源地区土地利用时空转型格局如图2所示。
图1 准东南煤炭资源地区土地利用时空格局
图2 准东南煤炭资源地区土地利用时空转型格局
由图2可以看出，时间尺度上，2005-2010年研究区土地利用转换规模和强度明显高于其他时段，表明这一时期经济社会发展对土地利用形态的影响最为强烈。空间尺度上，相互转换规模最大的草地和未利用地主要分布于研究区的北部和南部，草地和耕地的相互转换主要分布于中部，草地和林地的相互转换也较为明显。建设用地增加主要占用耕地和未利用地，分布于中部建成区以及南部和北部的煤炭资源开采区。南部沿天山山脉减少的水域面积主要转换为草地，建设用地向其他地类的空间转换较少。
2005-2020年研究区生态系统服务总价值呈减少趋势，共损失149.62亿元，2005-2020年准东南煤炭资源地区生态系统服务价值结构及变化见表3。
由表3可以看出，2005-2010年这一时段降低幅度最大，2010-2020年下降相对平稳，表明近10年研究区生态环境状况整体趋向变优。不同地类生态系统服务价值变化差异较大，耕地和未利用地生态系统服务价值有所增加，但林地、草地和水域的生态系统服务价值明显减少。变化量最大的为水域，减少了近84亿元，其次是草地和林地；变化率最大为林地，其次是水域和耕地。表明水域等生态用地面积大量并快速减少是导致研究期内生态系统服务总价值减少的主要原因，需采取适当生态修复措施扭转或遏制降低趋势。
表3 2005-2020年准东南煤炭资源地区生态系统服务价值结构及变化
地类2005年ESV/亿元比例/%2010年ESV/亿元比例/%2015年ESV/亿元比例/%2020年ESV/亿元比例/%2010-2020年变化量变化率/%耕地47.685.1456.787.1159.247.5559.127.6011.4423.99林地86.439.3151.396.4451.416.5550.176.45-36.26-41.95草地513.7755.37494.8761.99482.6161.50470.3060.43-43.47-8.46水域210.2522.66124.4015.58120.9115.41126.9216.31-83.33-39.63建设用地----------未利用地69.807.5270.878.8870.629.0071.799.221.992.85总计927.93100.00798.32100.00784.79100.00778.31100.00-149.62-16.12
注：“-”表示不计算建设用地的生态系统服务价值，表4同。
根据式(3)可以计算出各土地利用类型的敏感性指数均小于 1，表明本研究修订的生态系统服务价值系数适用于该地区，研究结果较为可靠，2005-2020年准东南煤炭资源地区生态系统服务价值敏感性检验见表4。由表4可以看出，同一地类不同年份的敏感性差别较小，但同一年份的不同地类敏感性差别较大。其中，林地在各个年份的敏感性指数最高，其次为草地和水域，表明当这些地类的价值系数发生变化时，生态系统服务价值相对比较敏感。
表4 2005-2020年准东南煤炭资源地区生态系统服务价值敏感性检验
类型2005年2010年2015年2020年耕地0.014 2720.016 5070.016 6960.016 829林地0.100 1190.115 7990.117 1230.118 052草地0.052 8080.061 0780.061 7760.062 266水域0.062 4650.072 2480.073 0740.073 653建设用地----未利用地0.004 4090.005 1000.005 1580.005 990
根据研究区土地利用分布格局及生态服务价值分析可知，中部草地和林地为生态系统服务价值的高值区，北部和南部未利用地为低值区。在此基础上，利用空间自相关分析判断生态系统服务价值在整个空间范围内的相关性和集聚性，2005-2020年准东南煤炭资源地区生态系统服务价值全局空间自相关性见表5。
表5 2005-2020年准东南煤炭资源地区生态系统服务价值全局空间自相关性
年份Moran's I值Z统计量P值2005年0.735 2234.14002010年0.718 9228.96002015年0.704 0224.21002020年0.697 6222.1700
由表5可以看出，全局Moran's I值为正数，均值约为0.7，表明研究区生态系统服务价值在0.001水平上具有显著的空间正相关性。Z得分表示标准差倍数且值较高，P值表示概率且等于0，表明置信度在99%，可以拒绝零假设，说明生态系统服务价值的空间分布模式不太可能产生于随机过程，而是呈现聚集分布的。从变化情况来看，整个研究期间生态系统服务价值的全局空间正相关性有减弱趋势。准东南煤炭资源地区ESV局部空间自相关集聚如图3所示。
由图3可以看出，研究区生态系统服务价值以高-高值和低-低值聚类为主。高-高值聚类主要分布在中部林地和水域的分布区域，低-低值聚类主要分布在北部和南部未利用地区域。2005年与其他年份相比，不显著区域面积较大，2010-2020年北部和南部的低-低值聚类区域均向中部区域扩展，表明2005年煤炭资源开发初始阶段，研究区生态系统服务价值受自然因素影响较多，受人类活动影响较少，而呈现随机性分布特征；随着未利用地区域的煤炭资源产业发展，建设用地增加，原始荒漠植被受到破坏等人类活动的影响，导致生态系统服务有一定损失并演变成了低-低集聚区。
未利用地、草地和水域的相互转换是研究区生态系统服务价值变化的主导因素，占地规模较大的草地和未利用地之间的相互转换，以及单位面积价值系数较高的水域与未利用地之间的相互转换，极大地影响了生态系统服务价值变化，其贡献率之和分别占导致生态系统服务价值增加和减少的68.28%和69.34%。草地和水域的转入是生态系统服务价值增加的主要原因，而草地和水域的转出是生态系统服务价值降低的主要原因。草地和水域的生态属性，对区域生态系统服务功能改善可起到较大的正向作用。准东南煤炭资源地区土地利用转型的生态系统服务价值贡献率见表6。
表6 准东南煤炭资源地区土地利用转型的生态系统服务价值贡献率
导致ESV增加的土地利用转型类型贡献率占比/%导致ESV减少的土地利用转型类型贡献率占比/%未利用地草地53.31148.87草地未利用地-72.29535.87未利用地水域21.16919.41水域未利用地-67.47033.47草地水域16.06714.73水域草地-23.76511.79草地林地5.5395.08林地草地-14.5447.22耕地草地5.1554.73草地耕地-13.5876.74耕地水域3.6133.31林地耕地-4.7192.34未利用地耕地2.3452.15水域耕地-4.2082.09林地水域1.0961.00林地未利用地-0.8200.41未利用地林地0.5310.49耕地未利用地-0.1110.06耕地林地0.2590.24水域林地-0.0420.02总计109.085100.00总计-201.561100.00
准噶尔盆地东南部煤炭资源地区生态系统服务价值变化主要受草地、水域与未利用地这3种地类相互转换的影响。由于未利用地单位面积生态系统服务价值较小，且煤炭资源主要分布于未利用地区域，提升未利用地的质量，对其进行生态化开采利用，可改善研究区生态系统服务价值的降低水平。研究区内准东煤田于2006年开始大规模开发，因此土地利用转型在2005-2010年间的变化较为剧烈，2010年以后研究区土地利用转型较为缓和，符合环境库兹涅茨U型曲线，与其他学者研究表明随着生态恢复治理等措施的实施，人类对生态环境的影响程度到达一定水平后呈现缓和趋势的研究结果较为一致[29]。
为提升准噶尔盆地东南部煤炭资源地区生态系统服务价值，可考虑控制建设用地规模扩张趋势，对耕地进行合理规划；加强草地、林地的稳定性，增加水域面积；探索未利用地生态化利用效率和生态修复措施，构建准噶尔盆地煤炭资源地区精细化生态环境管理方案[30-31]。
由于不同区域生态系统的复杂性，目前还没有构建全国统一的生态系统服务价值估算标准体系。本文借鉴采用本地平均粮食市场价值和生物量修正系数进行修正，与其他研究者的测算结果可能会存在一定差异。已有学者还考虑社会因素对生态系统服务价值估算，因此本文后续研究将从自然生态和社会经济这2个角度对生态系统服务价值的时空变化驱动力进行分析，使评估结果能有更好的参考作用。
(1)2005-2020年间，准噶尔盆地东南部煤炭资源地区土地利用转型明显。其中，草地和未利用地相互转换规模较大，草地持续减少，建设用地持续增加。建设用地增加主要占用中部建成区的耕地，以及北部和南部煤炭开采区的未利用地。
(2)生态系统服务总价值呈下降趋势，林地、草地和水域的生态系统服务价值伴随面积减少而有所下降。生态系统服务价值空间格局表现为中部草地和林地分布区域较高，南北部未利用地分布区域较低。
(4)草地与未利用地之间的转换是研究区生态系统服务价值变化的重要原因。草地和水域的转入是生态系统服务价值增加的主要原因，而草地和水域的转出是生态系统服务价值降低的主要原因。
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LIU Fang1, QIU Wei2, XIA Nan3, MI Qiao1
Abstract Taking the coal resource rich area in the southeast of the Junggar Basin as the study area, the ecosystem service value from 2005 to 2020 was evaluated by land use data, the spatial-temporal characteristics of land use transition and ecosystem service value were explored by spatial statistical methods, and the impact of different land use transition on ecosystem service value was further analyzed. The research results indicated that the land use transition in the study area was significant, with a large scale of conversion between grassland and unused land and a downward trend of total ecosystem service value, which mainly affected by the decrease in the value of ecosystem services in forests, grasslands, and water bodies; the global spatial positive correlation and clustering of ecosystem service value were significant but showed a weakening trend, with an increase in the low value clustering area of unused land; the conversion between grassland and unused land was the main reason for the change in ecosystem service value. To improve the ecosystem service value of the study area, it was suggested to maintain the stability of grassland and forest land, plan construction land reasonably and consider increasing water area, and strengthen the ecological utilization efficiency and ecological restoration measures of unused land.
Keywords Junggar Basin; coal resource area; land use transition; ecosystem service value; spatial-temporal pattern
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基金项目：新疆财经大学科研基金项目：新一轮城镇化背景下新疆“一圈一带一群”城镇体系生态系统服务价值及土地利用结构优化(2022XGC033)；新疆维吾尔自治区自然科学基金项目：新疆资源型产业与非资源型产业共生发展优选路径(2021D01B28)