都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)對(duì)區(qū)域生態(tài)服務(wù)價(jià)值變化的影響分析

顧曉鶴，王紀(jì)華，韓立建，黃文江，潘瑜春

（1.國(guó)家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心，北京，100097；2.鳥取大學(xué)干燥地研究中心，鳥取市浜坂1390，680-0001，日本）

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指通過生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過程和功能直接或間接得到的生命支持產(chǎn)品和服務(wù)[1]。生態(tài)服務(wù)價(jià)值主要體現(xiàn)于生態(tài)系統(tǒng)對(duì)人類、社會(huì)、環(huán)境所帶來(lái)的生態(tài)服務(wù)功能。開展生態(tài)服務(wù)價(jià)值評(píng)估，有助于深入分析自然因素與人類活動(dòng)對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量動(dòng)態(tài)變化過程的影響，從而優(yōu)化土地利用方式，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。

近年來(lái)生態(tài)服務(wù)價(jià)值評(píng)估研究已成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。許多學(xué)者在深入探討生態(tài)服務(wù)價(jià)值估算的理論與方法的同時(shí)，并嘗試對(duì)全國(guó)或區(qū)域的生態(tài)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行估算[2]，此外還有大量針對(duì)單個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值估算的研究成果[3，4]。一般認(rèn)為，土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能改變具有直接影響作用，進(jìn)而影響區(qū)域生態(tài)服務(wù)價(jià)值總量[5，7]。目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值估算方面的研究成果，基本上是利用單位面積價(jià)值對(duì)總量的靜態(tài)估算，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量狀況時(shí)空差異缺乏考慮，估算結(jié)果難以反映生態(tài)價(jià)值在空間分布上的真實(shí)情況。

都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)是在城市化過程中產(chǎn)生的，滿足城市功能完善需要城鄉(xiāng)融合的一種經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展的多功能農(nóng)業(yè)[8]。北京市被認(rèn)為是世界上生態(tài)質(zhì)量最差的國(guó)際化大都市之一。一些學(xué)者[9，10]從生態(tài)安全和生態(tài)健康的角度構(gòu)建指標(biāo)體系，評(píng)價(jià)了北京城市生態(tài)安全與生態(tài)健康的動(dòng)態(tài)變化，但這種評(píng)價(jià)往往引入了大量的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，容易掩蓋或弱化生態(tài)服務(wù)功能，不能有效分析都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)各個(gè)階段的土地利用結(jié)構(gòu)、生態(tài)系統(tǒng)過程和功能價(jià)值的內(nèi)在聯(lián)系。因此，針對(duì)都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)的各個(gè)階段，開展生態(tài)服務(wù)價(jià)值這一量化的綜合性指標(biāo)的變化分析，有助于全面掌握和定量分析都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)對(duì)于生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和修復(fù)作用，為構(gòu)建城市與農(nóng)田、綠地、水系相融合的城鄉(xiāng)生態(tài)系統(tǒng)提供決策支持。

本研究以多時(shí)相Landsat5-TM影像為主要數(shù)據(jù)源，分析2006-2009年京承路現(xiàn)代農(nóng)業(yè)各個(gè)建設(shè)時(shí)期的土地利用變化信息，以植被覆蓋度來(lái)表征生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量狀況，構(gòu)建基于生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量調(diào)整的生態(tài)服務(wù)價(jià)值定量估算模型，來(lái)定量分析和客觀評(píng)價(jià)都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)所帶來(lái)的生態(tài)環(huán)境修復(fù)效果。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

京承高速公路所經(jīng)過地區(qū)是北京市最主要、最具代表性的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)帶，但存在農(nóng)田季節(jié)性裸露、荒灘地治理落后、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平較低、標(biāo)準(zhǔn)化程度低等方面問題。北京市于2006年底正式提出要建設(shè)都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)走廊，全長(zhǎng)67.8 km的京承高速路都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)走廊是北京最早啟動(dòng)建設(shè)的農(nóng)業(yè)走廊，涉及朝陽(yáng)、順義、昌平、懷柔和密云5個(gè)區(qū)（圖1），共經(jīng)過21個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、130個(gè)村莊,公路兩側(cè)1km范圍內(nèi)涵蓋了籽種農(nóng)業(yè)、設(shè)施農(nóng)業(yè)、休閑農(nóng)業(yè)等多種形態(tài)。京承路都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)走廊建設(shè)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，涉及園林綠化、土地規(guī)劃、鄉(xiāng)村居住環(huán)境整治等多項(xiàng)建設(shè)內(nèi)容，經(jīng)過2006-2009年的整治建設(shè)，兩側(cè)規(guī)劃范圍內(nèi)綠化面積大幅提高，漁場(chǎng)、沙坑、裸露農(nóng)田得到重點(diǎn)整治，并完成了多個(gè)生態(tài)園、花卉基地、苗木基地、溫室大棚等生態(tài)農(nóng)業(yè)項(xiàng)目建設(shè)。

圖1 研究區(qū)空間位置

1.2 數(shù)據(jù)獲取及處理

本研究所采用的遙感數(shù)據(jù)源是0.6m分辨率的航拍影像和30m分辨率的多時(shí)相Landsat5-TM影像。其中航片影像時(shí)相為2005年7月，主要用于提取地塊邊界和土地利用本底數(shù)據(jù)；TM影像共有4景，為了保證生態(tài)價(jià)值估算不受季相變化影響，TM數(shù)據(jù)均選擇為4月影像，分別為2006年4月7日、2007年4月26、2008年4月28日、2009年4月 15日，對(duì)應(yīng)于都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)之前、建設(shè)初期、建設(shè)中期、建設(shè)后期四個(gè)階段。遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理包括大氣校正、幾何糾正、投影轉(zhuǎn)換和裁剪拼接等過程。

本研究分別于2007年6月、2008年4月、2009年5月開展三次野外調(diào)查工作，在京承路沿線1km范圍內(nèi)獲取202個(gè)實(shí)測(cè)樣本地塊，并針對(duì)遙感影像難以目視識(shí)別的混淆地物實(shí)地重點(diǎn)觀測(cè)，為土地利用/覆蓋變化監(jiān)測(cè)提供樣本支持。

此外，本研究所采用的輔助數(shù)據(jù)還包括北京重點(diǎn)建設(shè)園區(qū)規(guī)劃圖、可耕地資源分布圖、設(shè)施農(nóng)業(yè)分布圖、2006年至2009年的冬春夏作物分布圖、季節(jié)性裸露農(nóng)田分布圖等輔助數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

1.3.1土地利用/覆蓋變化信息提取 參照《土地利用現(xiàn)狀分類》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，建立包括耕地、林地、草地、園地、建設(shè)用地、水域、未利用地在內(nèi)的分類體系，其中耕地包括裸露農(nóng)田和有作物覆蓋的農(nóng)田，園地主要為果園，建設(shè)用地包括居民住宅用地、工商業(yè)用地和交通道路用地，水域包括魚塘和河道。本研究首先通過高分辨率航片數(shù)據(jù)獲取京承路沿線1 km范圍內(nèi)的地塊邊界數(shù)據(jù)，然后對(duì)多時(shí)相TM影像進(jìn)行人工交互目視解譯和野外實(shí)地調(diào)查驗(yàn)證，提取四個(gè)建設(shè)階段的土地利用/覆蓋變化信息。以野外實(shí)測(cè)樣本對(duì)遙感解譯結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證，四個(gè)建設(shè)階段的京承路沿線土地利用/覆蓋遙感監(jiān)測(cè)總體精度分別可達(dá)88.3%、86.4%、89.2%和90.7%。

1.3.2單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值分析 各種土地利用類型的單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值核算比較復(fù)雜，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已開展大量的相關(guān)研究。本研究采用謝高地等制定的中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)價(jià)值當(dāng)量表[11]，一個(gè)當(dāng)量因子的生態(tài)價(jià)值為現(xiàn)有單位面積耕地的糧食生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的1/7，并參照已有研究對(duì)部分生態(tài)價(jià)值當(dāng)量因子進(jìn)行適當(dāng)修正，其中園地的生態(tài)價(jià)值當(dāng)量因子為林地與草地的生態(tài)價(jià)值當(dāng)量因子的平均值[12]。研究區(qū)內(nèi)建設(shè)用地所占面積比例較大，建設(shè)用地會(huì)對(duì)大氣調(diào)節(jié)、水分調(diào)節(jié)、廢物處理和食物生產(chǎn)等生態(tài)服務(wù)產(chǎn)生一定的影響[13]，本研究假定建設(shè)用地與未利用地的生態(tài)價(jià)值當(dāng)量因子相同。研究區(qū)各種生態(tài)服務(wù)功能的生態(tài)價(jià)值評(píng)估的當(dāng)量因子見表1。

由于研究區(qū)作物種植基本為一年兩熟制，但輪作作物類型多樣，為了便于計(jì)算，本研究以冬小麥生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)價(jià)值來(lái)核算當(dāng)量因子的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。從《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒2008》中獲取到北京地區(qū)2007年的小麥總產(chǎn)量和播種面積，同時(shí)期全國(guó)小麥最低收購(gòu)價(jià)為1.44元/kg，確定該地區(qū)2007年兩熟糧食的單產(chǎn)市場(chǎng)價(jià)值為14191.2元/hm2·a，得到1個(gè)生態(tài)價(jià)值當(dāng)量因子的經(jīng)濟(jì)價(jià)值量為2027.4元/hm2·a，研究區(qū)各個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的單位面積生態(tài)價(jià)值見表1。

表1 京承路沿線生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)價(jià)值表 （單位：元/hm2·a）

1.3.3基于質(zhì)量狀況分析的生態(tài)服務(wù)價(jià)值估算模型 一定區(qū)域內(nèi)的生態(tài)價(jià)值的總量是一個(gè)隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化的量值，它是區(qū)域內(nèi)所有生態(tài)系統(tǒng)類型提供的所有生態(tài)服務(wù)功能的總和，并隨著區(qū)域內(nèi)所含有的生態(tài)系統(tǒng)的類型、面積、質(zhì)量的變化而變化[14]。一定區(qū)域內(nèi)的生態(tài)價(jià)值總量（V）可以表示為：

其中：c=1,2...,n 表示生態(tài)系統(tǒng)的類型；Vc 表示第c 類生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)價(jià)值。

其中：i=1,2...,n表示第C生態(tài)系統(tǒng)的第i種生態(tài)服務(wù)功能；Vci表示第c生態(tài)系統(tǒng)的第i種生態(tài)服務(wù)功能類型的單位面積價(jià)值；j=1,2...,m表示研究區(qū)內(nèi)某種生態(tài)系統(tǒng)的斑塊，Sij表示各個(gè)斑塊的面積大小，Rij表示某個(gè)生態(tài)系統(tǒng)斑塊的質(zhì)量狀況系數(shù)。

同一生態(tài)系統(tǒng)由于其質(zhì)量狀況不同，其具備的生態(tài)服務(wù)價(jià)值也是不同的，如覆蓋度高的草地，其提供的生態(tài)服務(wù)價(jià)值也應(yīng)該高于覆蓋度低的草地。對(duì)于建設(shè)用地、水域和未利用地等非植被類型，生態(tài)服務(wù)價(jià)值變化主要取決于其面積變化而非質(zhì)量變化，不需要進(jìn)行質(zhì)量狀態(tài)調(diào)整。林地、草地、耕地和園地等生態(tài)系統(tǒng)的植被覆蓋度隨時(shí)間變化較大，因此本研究選取植被覆蓋度來(lái)構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量狀況的調(diào)整系數(shù)。覆蓋度（f）定義為植被投影面積在單位面積上所占比例，它可以作為衡量地表植被長(zhǎng)勢(shì)好壞的指標(biāo)。參考Gutman等[15]研究，植被覆蓋度和質(zhì)量狀況系數(shù)計(jì)算公式如下：

其中，NDVImax和NDVImin分別表示研究區(qū)各種植被類型NDVI的最大值和最小值；NDVIj表示某個(gè)斑塊的平均NDVI值；fmean表示某種生態(tài)系統(tǒng)所有斑塊的平均覆蓋度。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用變化分析

京承路沿線1km范圍內(nèi)的所有地塊總面積為17700 hm2，其土地利用變化遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果見表2。京承路都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)走廊建設(shè)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，包括綠化隔離帶建設(shè)、平整土地、拆除違法建筑、裸露農(nóng)田治理、生態(tài)觀光園建設(shè)等，涉及園林綠化、土地規(guī)劃、鄉(xiāng)村居住環(huán)境整治等多方建設(shè)內(nèi)容。隨著都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)的開展，各種土地利用類型均發(fā)生了一定的變化。

表2 京承路都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)各階段土地利用變化分析

（1）京承路沿線土地利用結(jié)構(gòu)隨著都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)未發(fā)生根本性變化，面積比例大小依次為建設(shè)用地＞耕地＞林地＞水域＞草地＞園地＞未利用地,說明都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)主要根據(jù)原有的土地利用結(jié)構(gòu)特征，僅針對(duì)少量不合理的地塊進(jìn)行整治，如沙坑、違法建筑、水塘、未利用地等，有助于降低都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)的成本。

（2）從建設(shè)之前到建設(shè)后期，面積增加的土地利用類型有林地、草地、園地、水域，說明京承路沿線大力提倡綠色隔離帶建設(shè)和未利用地整治，使得研究區(qū)具有較高生態(tài)價(jià)值的土地利用類型面積大幅提高。

（3）耕地在京承路沿線占有較大比例，由于北京市日益重視裸露農(nóng)田治理，一些不適宜種植的耕地地塊得到整治，使得建設(shè)中期的耕地面積最小，而水域面積最大；同時(shí)由于2008年北京奧運(yùn)會(huì)的召開，使得裸露農(nóng)田治理工作得到較大關(guān)注，而部分水塘也得到恢復(fù)。說明政策因素對(duì)土地利用變化具有較大影響作用。

2.2 生態(tài)服務(wù)價(jià)值變化分析

從表3中可以看出，隨著都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)的深入，土地利用變化改變了生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)和能量分配，這些影響會(huì)從生態(tài)價(jià)值的變動(dòng)中表現(xiàn)出來(lái)，京承路沿線的生態(tài)服務(wù)價(jià)值逐步提高，四個(gè)階段的生態(tài)價(jià)值總量分別為3.70億元、3.73億元、3.80億元、3.82億元，建設(shè)后期與建設(shè)之前相比生態(tài)價(jià)值總量增長(zhǎng)0.062億元，說明都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)雖然時(shí)間較短，但具有較明顯的生態(tài)價(jià)值。

表3 京承路沿線各土地利用類型的生態(tài)價(jià)值變化分析

（1）從建設(shè)后期與建設(shè)之前的生態(tài)價(jià)值變化量看，林地、草地、園地、水域均有所增加，其中草地的增長(zhǎng)率最高，為35.52%，林地、園地和水域的增長(zhǎng)率分別為3.84%、7.80%、1.96%，而耕地、建設(shè)用地、未利用地生態(tài)價(jià)值明顯降低，但林地、草地和水域面積的增加彌補(bǔ)了由于耕地面積減少所造成的區(qū)域生態(tài)價(jià)值總量的下降，使得研究區(qū)四年來(lái)生態(tài)價(jià)值總量持續(xù)增加，這說明都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)走廊建設(shè)明顯改善了區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

（2）通過分析建設(shè)后期的生態(tài)價(jià)值構(gòu)成，林地和水域的生態(tài)價(jià)值所占比重較大，分別為36.62%和33.53%；其次是耕地、園地和草地，分別占總生態(tài)價(jià)值的17%、7%和4%；建設(shè)用地和未利用地僅占很小比重。這是由于生態(tài)價(jià)值構(gòu)成與土地利用類型單位面積生態(tài)價(jià)值密切相關(guān)，其中水域的當(dāng)量因子最大，其面積僅為總面積的8%，卻貢獻(xiàn)33%的生態(tài)價(jià)值；建設(shè)用地的面積比例為35%，但其當(dāng)量因子極小，僅貢獻(xiàn)1.4%的生態(tài)價(jià)值。由此可見，注重對(duì)林地和水域生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)對(duì)于提高區(qū)域生態(tài)環(huán)境具有十分重要的意義。

（3）從整體上看，京承路沿線通過裸露耕地和沙化廢棄地治理，加強(qiáng)籽種農(nóng)業(yè)、設(shè)施農(nóng)業(yè)、休閑農(nóng)業(yè)的建設(shè)，土地利用呈現(xiàn)多樣化、均勻化趨勢(shì)，各生態(tài)系統(tǒng)在景觀中均勻分布，生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能增強(qiáng)。以耕地的轉(zhuǎn)化為例，大量植被覆蓋度低的裸露農(nóng)田轉(zhuǎn)化為設(shè)施農(nóng)業(yè)、防護(hù)林、觀光園和郊野公園，食物生產(chǎn)和休閑娛樂等生態(tài)服務(wù)功能得到增強(qiáng)。此外，由于生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量狀況隨著都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)而逐步提高，生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能明顯加強(qiáng)，通過對(duì)廢棄地、荒灘和沙坑等的治理，提高生態(tài)系統(tǒng)的植被覆蓋度，使得都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)帶來(lái)明顯的生態(tài)價(jià)值提高。

3 結(jié)論與討論

本研究以多時(shí)相TM遙感影像作為基本信息源，提取京承路沿線都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)各個(gè)階段的土地利用/覆被變化信息，參考謝高地等人的單位面積生態(tài)價(jià)值評(píng)估方法，建立基于質(zhì)量狀況分析的生態(tài)服務(wù)價(jià)值估算模型，通過生態(tài)價(jià)值變化分析來(lái)表達(dá)土地利用變化所造成的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善程度，可以快速對(duì)都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的生態(tài)價(jià)值進(jìn)行定量分析。

京承路都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)四個(gè)階段的生態(tài)價(jià)值總量分別為3.70億元、3.73億元、3.80億元、3.82億元。在都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)之前，京承路沿線采用傳統(tǒng)的土地利用方式，其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能較弱。通過都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)，對(duì)各個(gè)地塊的土地利用方式進(jìn)行合理規(guī)劃和有效建設(shè)，該區(qū)域生態(tài)服務(wù)功能增強(qiáng)，生態(tài)價(jià)值明顯提高。加強(qiáng)林地和水域生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和修復(fù)對(duì)于提高區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的貢獻(xiàn)率較大。但該區(qū)域土地利用的動(dòng)態(tài)變化并不很合理，作為都市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)示范區(qū)，要嚴(yán)格控制耕地面積的減少，合理轉(zhuǎn)化未利用土地，這樣才能實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境改善和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)雙豐收。

本研究在以下幾個(gè)方面還需要進(jìn)一步改進(jìn)：①都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)土地利用類型復(fù)雜多樣，本研究的分類體系過于籠統(tǒng)，難以區(qū)分更細(xì)的土地利用類型之間的生態(tài)服務(wù)價(jià)值差異，有必要建立更為科學(xué)、且能量化評(píng)估的土地利用分類體系；②本研究對(duì)京承路沿線1km范圍進(jìn)行生態(tài)價(jià)值評(píng)估，但生態(tài)系統(tǒng)是個(gè)開放的系統(tǒng)，必然存在研究區(qū)內(nèi)部與外界的物質(zhì)和能量交換，若能在今后的研究中區(qū)分外部生態(tài)系統(tǒng)對(duì)京承路沿線的生態(tài)價(jià)值的干擾，有望進(jìn)一步提高生態(tài)價(jià)值評(píng)估模型的可信度。

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