基于RS、GIS土地利用及其生態(tài)服務(wù)價值變化的研究

孔 達，王國強，龔文峰

（1.黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院，哈爾濱150080；2.哈爾濱市水務(wù)科學(xué)研究院，哈爾濱150001）

0 引 言

土地利用／覆被變化 （LUCC）是全球環(huán)境變化的重要組成部分和主要原因之一，已引起許多自然現(xiàn)象和生態(tài)過程的變化［1－4］。但土地利用是人類生存與發(fā)展不可缺少的活動，土地利用變化引起各類生態(tài)系統(tǒng)類型、面積以及空間分布格局的變化，直接影響生態(tài)系統(tǒng)所提供服務(wù)的種類和強度。因此，以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能來衡量土地利用類型和土地利用變化類型的改變所導(dǎo)致的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值變化具有重要意義［5－9］。因此，本文基于RS、GIS定量評價土地利用變化及其引起的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化情況的研究，對于探討區(qū)域內(nèi)的土地利用的變化及其對生態(tài)環(huán)境的影響，制定相應(yīng)的土地利用政策，改善人們的生存環(huán)境有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 研究區(qū)域

哈爾濱市阿城區(qū)位于黑龍江省南部，哈爾濱市東南23km處。阿城區(qū)地理坐標(biāo)為E126°40′～E127°39′，N45°11′～N46°00′。阿城區(qū)處于張廣才嶺和松花江平原的過渡地帶，是一個 “六山一水三分田”的半山區(qū)。阿城區(qū)位于松花江流域，屬北溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，大陸性氣候特點明顯。

2 數(shù)據(jù)處理

以1996年和2000年兩期Landsat TM遙感圖像為原始數(shù)據(jù)，1∶50 000地形圖為基礎(chǔ)，在ERDAS IMAGINE軟件中，對遙感圖像進行幾何校正。以 《中國土地分類系統(tǒng)》（2001）為標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合研究區(qū)實際土地利用狀況，在ArcGIS9.2軟件平臺下借助土地利用現(xiàn)狀圖和野外調(diào)查資料對影像進行機助解譯并數(shù)字化，建立空間拓撲關(guān)系，生成土地利用的圖形數(shù)據(jù)庫和相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)庫，土地利用方式分為耕地 （水田和旱田）、林地 （有林地、灌木林、疏林地）、草地、水域 （河流、湖泊和水庫池塘）、建設(shè)用地 （城鄉(xiāng)工礦居民用地、其它建設(shè)用地）和未利用地 （沙地、沼澤等）6個一級類型。

3 研究區(qū)域土地利用變化

3.1 土地利用狀況

利用處理后的遙感數(shù)據(jù)，在ArcGIS9.2軟件中繪制土地利用狀況圖，通過屬性表提取研究區(qū)域兩個時期的各土地利用類型面積 （表1）。

表1 研究區(qū)域土地利用面積及其百分比Table 1 Area and proportion of land use in study region

對研究區(qū)域兩期土地利用數(shù)據(jù)進行分析可知：

1）阿城區(qū)作為一個傳統(tǒng)的糧食產(chǎn)地，其耕地面積占整個土地面積的50%以上，而且在穩(wěn)步的逐年增加，這主要取決于國家對基本農(nóng)田的保護政策，以及當(dāng)?shù)剞r(nóng)民較高的種糧積極性；

2）阿城區(qū)的林地面積占整個土地面積的30%以上，植被覆蓋率高，城市生態(tài)環(huán)境相對較好，但是森林面積在減少，2000年較1996年減少了4.6 km2；

3）阿城區(qū)的草地面積占0.9%左右，盡管草地對于生態(tài)環(huán)境的改善具有一定的作用，但由于草地具有容易沙化和保持水土能力弱的缺點，要注意水土的保持和增加植樹造林的面積；

4）阿城區(qū)建設(shè)用地占土地的面積＜5%，且具有一定比率的未利用地，因而整個城區(qū)發(fā)展的土地資源充足，發(fā)展?jié)摿^大。1996至2000年社會經(jīng)濟發(fā)展而建設(shè)用地反而減少，主要是對過去過度依賴土地資源消耗的發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變，以及農(nóng)村的整體規(guī)劃。

3.2 單一土地利用類型變化的動態(tài)度

劉紀(jì)遠等把中國的土地利用的時間動態(tài)特征劃分為4種類型，并確立了相應(yīng)的判定標(biāo)準(zhǔn) （表2）。

由表3可見，水域變化和未利用地的變化屬于慢速變化，其余各類型土地變化均屬于極緩慢變化，除了與數(shù)據(jù)本身有關(guān)，更重要的是阿城區(qū)作為一個農(nóng)業(yè)城區(qū)，以農(nóng)業(yè)發(fā)展為主，社會經(jīng)濟發(fā)展不需要短時間內(nèi)大量土地的轉(zhuǎn)移，土地利用變化較慢。

表2 土地利用的時間動態(tài)特征分類標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Time dynamic characteristics classification of land use／%

表3 研究區(qū)域各類型土地時間動態(tài)特征Table 3 Time dynamic characteristics of land use

3.3 預(yù)測土地利用變化

馬爾柯夫模型用轉(zhuǎn)移概率矩陣模擬土地利用從一種類型向另一類型轉(zhuǎn)移的動態(tài)過程，公式表示為：

式中A（T＋1）為土地類型在T＋1時刻的狀態(tài)；A（T）為土地類型在T時刻狀態(tài)；P為轉(zhuǎn)移概率矩陣。見表4、表5。

表4 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Table 4 Land－use transfer matrix ／%

表5 馬爾科夫模型預(yù)測結(jié)果Table 5 Prediction of Markov model ／%

3.4 預(yù)測模型簡化

利用馬爾柯夫模型模擬的數(shù)據(jù)，借助Excel表格的數(shù)據(jù)分析功能，對預(yù)測的各類型土地比率變化情況進行了線性擬合 （表6）。

表6 各土地類型變化預(yù)測線性擬合Table 6 Prediction linear fitting of land use

由表6可見，6種土地利用類型的線性模擬效果均較好，能夠達到與馬爾柯夫類似的預(yù)測土地利用類型變化的作用，線性模型的簡便性較馬爾科夫模型的矩陣運算有一定的優(yōu)勢。但同時線性模型與馬爾柯夫模型存在一定的缺陷，因為是以確定的轉(zhuǎn)移矩陣來預(yù)測未來土地利用類型的變化，沒有外界條件變化的修正，當(dāng)發(fā)生一些劇烈的變化時，如國家政策的改變、自然災(zāi)害造成土地利用類型的劇烈變化等，此類模型就失去意義，所以此類模型只適用于在較短年限、相似條件下的土地利用類型變化的預(yù)測。即使如此，這類模型對于制定相應(yīng)土地政策以保持土地的可持續(xù)利用仍具有一定現(xiàn)實意義。

4 研究區(qū)域生態(tài)服務(wù)價值

4.1 生態(tài)服務(wù)價值分析方法

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評價方法Costanza等提出的價值系數(shù)在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評價中得到了廣泛應(yīng)用。本文采用謝高地的生態(tài)服務(wù)價值表，并結(jié)合Costanza提出的ESV計算公式進行估算。計算公式為［10－11］：

式中ESVf為生態(tài)系統(tǒng)單項服務(wù)功能價值 （元）；Ak為研究區(qū)中土地利用類型的面積 （hm2）；VCfk為單項服務(wù)功能價值系數(shù) （元／hm2·a）。

表7 研究區(qū)域土地利用類型單位面積生態(tài)服務(wù)價值表Table 7 Area ecological service value scale of land use types per unit／元·（hm2·a）－1

4.2 生態(tài)服務(wù)價值的變化

依據(jù)上文中的數(shù)據(jù)和計算方法，算得研究區(qū)域1996年和2000年的生態(tài)價值（表8）。

表8 研究區(qū)各土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值及其變化Table 8 Total ecosystem services value and its change of each land use type

在馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣的基礎(chǔ)上，本文采用生態(tài)價值轉(zhuǎn)移貢獻率來研究土地利用類型之間相互轉(zhuǎn)化所引起的生態(tài)價值的變化，用來反映動態(tài)變化過程中特定類型轉(zhuǎn)移過程的重要性程度差異［12－13］。

式中i，j為土地利用類型；t為發(fā)生土地利用類型轉(zhuǎn)化的時間段；Ait－Ajt為在時間t內(nèi)由于土地利用類型i轉(zhuǎn)變?yōu)閖所引起的生態(tài)價值的變化量；∑｜ΔAijt｜為生態(tài)價值的變化總量；Tijt為轉(zhuǎn)移貢獻率。

由主要土地利用變化類型及其對生態(tài)環(huán)境的貢獻率表9分析可知：在生態(tài)價值增加的土地類型轉(zhuǎn)換中貢獻率最高的是耕地到林地的轉(zhuǎn)換，為15.96%；在生態(tài)價值減少的土地類型轉(zhuǎn)換中貢獻率最高的是林地到耕地的轉(zhuǎn)換，為36.81%；草地、耕地、未利用地、建設(shè)用地到水域的轉(zhuǎn)換的貢獻率為17.41%?？梢娏值嘏c耕地之間存在時間和空間上的相互轉(zhuǎn)換，但是以林地到耕地的轉(zhuǎn)換為主，這是影響研究區(qū)域生態(tài)價值增長的主要原因。由于2000年左右降水較豐的原因，阿城的水域面積增加，整個生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值有少量增加。

表9 主要土地利用變化類型及其對生態(tài)環(huán)境的貢獻率Table 9 Main types of land use change and its contribution to the ecological environment

5 結(jié) 論

通過對研究區(qū)域土地利用類型及其生態(tài)服務(wù)價值變化的分析，得到如下結(jié)論：

1）1996～2000年阿城區(qū)的各土地類型中耕地面積所占比率最大，1996年為54.38%，且以年均0.08%的速率增長為2000年的54.55%。

2）從研究區(qū)域單一土地類型時間動態(tài)特征和土地轉(zhuǎn)移矩陣分析，1996～2000年研究區(qū)域土地轉(zhuǎn)移速率較慢，除未利用地之外，其余各土地利用類型均有較高的保留率。

3）1996年研究區(qū)域的生態(tài)服務(wù)價值為308.29 ×107元，2000年較1996年增長了9.6×106元，為309.25×107元。通過馬爾柯夫模型和簡化后的線性模型預(yù)測，研究區(qū)域的生態(tài)服務(wù)價值 （y）以y＝0.538x＋308.8（x表示年份）的函數(shù)增長。

4）生態(tài)環(huán)境增值區(qū)域，耕地到林地的轉(zhuǎn)化貢獻率最大，為15.96%，生態(tài)環(huán)境減值區(qū)域，林地轉(zhuǎn)化為耕地的貢獻率最大，為36.81%。

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