長白山地區(qū)土地利用及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化研究

章后甜，杜會石，王世東，雷 軍

（1.洛陽理工學(xué)院 土木工程系，河南 洛陽471023；2.北京師范大學(xué) 資源學(xué)院，北京100875；3.河南理工大學(xué) 測繪與國土信息工程學(xué)院，河南 焦作454000；4.內(nèi)蒙古師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，呼和浩特010022）

土地利用／覆被變化（Land Use and Land Cover Change，LUCC）是全球變化研究中的前沿領(lǐng)域和熱點問題，是人類與自然交互影響的核心所在，已成為“國際地圈生物圈計劃（IGBP）”的重要組成部分［1－2］。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指人類直接或者間接從生態(tài)系統(tǒng)功能中獲得的收益，是生態(tài)過程所形成的人類賴以生存的自然環(huán)境條件和效用［3－4］，對其進(jìn)行價值評價是將其納入社會經(jīng)濟體系與市場化的必要條件，也是使環(huán)境與生態(tài)系統(tǒng)保育引起社會重視的重要措施［5－6］。LUCC通過改變生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能，對生態(tài)系統(tǒng)維持其服 務(wù) 功 能 起 決 定性作用［7－8］。因 而，研 究LUCC背景下的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值（Ecosystem Services Value，ESV）變化具有重要意義。近30a來，國內(nèi)外學(xué)者對ESV進(jìn)行了大量的研究，代表性的成果有Costanza等［3］對全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進(jìn)行的分類與評估，Daily［9］對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)各個方面進(jìn)行了研究，并提出社會系統(tǒng)依賴于自然生態(tài)系統(tǒng)，歐陽志云等［10］對我國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進(jìn)行的估算，謝高地等［11］建立的中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積服務(wù)價值當(dāng)量等。但如何準(zhǔn)確而有效地評估EVS，仍是當(dāng)今研究的熱點問題。

長白山地區(qū)的土地利用變化及其生態(tài)效應(yīng)亦是全球變化的一種區(qū)域響應(yīng)，通過對該區(qū)土地利用變化及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進(jìn)行研究，可以科學(xué)地把握土地利用變化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化的過程和規(guī)律。文中集成遙感與GIS技術(shù)，以長白山地區(qū)為研究區(qū)，揭示該區(qū)土地利用變化的時空演化特征，評估土地利用變化引起的區(qū)域生態(tài)服務(wù)價值變化，為區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護、區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本文所指的長白山地區(qū)位于吉林省東部，行政區(qū)劃上隸屬長白山管委會、通化地區(qū)、延邊地區(qū)、白山地區(qū)，下轄9市、3區(qū)、9縣。位于125°45′—131°26′E，40°52′—44°30′N，總面積75 377km2。溫帶大陸性季風(fēng)型氣候，冬季盛行西北風(fēng)，夏季盛行東南風(fēng)。年平均氣溫－7～3℃，7月氣溫為18.1～22.3℃，1月氣溫為－23.3～－16.6℃。年降水量700～1 400 mm，85%的降雨集中在6—8月，無霜期65～120d。該區(qū)是中國東北地區(qū)典型的溫帶森林生態(tài)系統(tǒng)。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 土地利用動態(tài)數(shù)據(jù)獲取

研究所用的數(shù)據(jù)為2000年和2010年Landsat TM／ETM＋晴空影像，空間分辨率為30m。同時收集該區(qū)1∶10萬地形圖、地質(zhì)地貌圖和土壤類型圖等。遙感影像的預(yù)處理包括：對單通道多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行波段合成；以地形圖為基準(zhǔn)，對2010年各分幅影像進(jìn)行幾何精校正；以校正后的影像為基準(zhǔn)，對2000年各分幅影像進(jìn)行幾何精校正；對同期的影像作直方圖匹配和拼接處理；按研究區(qū)界限對影像裁剪。根據(jù)國家通用的土地利用分類系統(tǒng)，結(jié)合研究區(qū)的實際情況，將土地利用類型劃分為旱田、水田、林地、水域、建筑用地和濕地。在GIS的支持下，采用基于知識的人機交互式解譯方法，提取各土地利用類型信息（表1）。

表1 2000－2010年長白山地區(qū)土地利用變化統(tǒng)計

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評價方法

雖然Costanza等［3］的研究使ESV估算原理和方法從科學(xué)上得以明確，但研究中某些數(shù)據(jù)仍存在偏差，如對耕地的評估偏低，而對濕地評估又偏高。謝高地等［12］根據(jù)我國的實際情況，制定了中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值量，并應(yīng)用在青藏高原生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的估算中。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的計算公式為：

式中：ESV——生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值（元）；VCk——生態(tài)價值系數(shù)（元／hm2·a）；Ak——研究區(qū)內(nèi)土地利用類型k的分布面積（hm2）；ESVf——生態(tài)系統(tǒng)單項服務(wù)總價值（元）；VCfk——單項服務(wù)功能價值系數(shù)（元／hm2·a）。

在現(xiàn)有的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評價體系中，由于各研究存在區(qū)域差異，尚難對各價值當(dāng)量形成共識。一般均將水田和旱田視為一類進(jìn)行價值評價，但由于耕作方式、作物類型等諸多差異，它們的服務(wù)功能尚存差異，如水田的土壤與局地小氣候均與濕地相似［13］。因此，本文以謝高地的中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值表為基礎(chǔ)，并作如下修訂來計算該區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值：水田的氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)、土壤形成與保護等單位價值取旱田和濕地相應(yīng)服務(wù)價值的平均值；水田多處于水域旱田過渡地帶，兼具農(nóng)田、濕地、水體3種生態(tài)系統(tǒng)特點，其生物多樣性保護功能優(yōu)于旱田，取旱田、濕地、水體生物多樣性保護價值的平均值為水田的該項服務(wù)價值［14］；研究區(qū)稻田的單位產(chǎn)量與所有耕地單位產(chǎn)量之比約為1.5∶1，故以旱田食物生產(chǎn)價值的1.5倍作為水田的該項服務(wù)價值［15］；水田的廢物處理、原材料及娛樂休閑等價值與旱田差異不顯著，可用旱田的相應(yīng)服務(wù)價值代替。據(jù)此得到修訂后的該區(qū)單位面積服務(wù)價值量（表2）。

2.3 敏感性分析方法

敏感性指數(shù)（Coefficient of Sensitivity，CS）用以確定ESV隨時間變化對VC變化的依賴程度［16］。CS的含義是指VC變動1%引起ESV的變化情況，如果CS＞1，說明ESV對VC是富有彈性的；如果CS＜1，則說明ESV對VC是缺乏彈性的。比值越大，表明VC的準(zhǔn)確性越關(guān)鍵。本文通過分別調(diào)整50%的VC來計算CS，從而來說明ESV對VC的敏感程度。CS的計算公式如下：

式中：ESV，VC，k的含義同前；i，j——初始價值和生態(tài)價值系數(shù)調(diào)整以后的價值。

表2 長白山地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值 元／（hm2·a）

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用幅度變化分析

通過對長白山地區(qū)土地利用幅度變化的分析，可了解該區(qū)土地利用變化的態(tài)勢（表1）：耕地總量有所減少，10a間凈減1 261.60hm2，占期內(nèi)土地利用變化總量的55.81%，其中旱田面積呈增加趨勢，增加了6 688.00hm2；水 田 面 積 呈 減 少 趨 勢，減 少 了7 949.60hm2，水田面積變化較劇烈，變幅達(dá)－4.75%，從土地利用變化的數(shù)量特征可以看出，這一時期人類活動是影響耕地面積變化的主要因素。林地呈減少趨勢，10a減少了4 981.69hm2，變化量占期內(nèi)土地利用變化總量的19.00%，說明該區(qū)森林資源已遭到破壞，應(yīng)加強森林經(jīng)營，使其可持續(xù)發(fā)展。水域面積呈減少趨勢，減少面積為115.21hm2。建筑用地急劇增加，增加面積6 424.22hm2，變化幅度達(dá)4.27%，年變化率為0.43%，主要是由于人口的增長和經(jīng)濟的發(fā)展，導(dǎo)致城鄉(xiāng)居民用地與公交建設(shè)用地的增加所致。濕地面積呈減少趨勢，面積減少65.72hm2，變化幅度達(dá)－0.35%，說明應(yīng)切實保護該區(qū)現(xiàn)有珍稀濕地資源。

3.2 土地利用轉(zhuǎn)移分析

借助GIS的Spatial Analysis工具，可獲得近10a長白山地區(qū)各土地利用類型面積轉(zhuǎn)移情況（表3）。首先，從各土地利用類型的轉(zhuǎn)移方向來看，旱田主要轉(zhuǎn)出為建筑用地和水田，轉(zhuǎn)出面積分別為5 575.48，1 774.21hm2，轉(zhuǎn)化率分別為1.12%，0.36%；水田主要轉(zhuǎn)化為旱田和建筑用地，轉(zhuǎn)移面積分別為9 236.45 hm2和16.56hm2，轉(zhuǎn)化率分別為5.52%，0.37%，耕地面積的轉(zhuǎn)出主要是建筑用地占用耕地及改變耕作方式所致；林地主要轉(zhuǎn)化為旱田和水域，轉(zhuǎn)移面積為4 409.12hm2和365.24hm2，轉(zhuǎn)化率分別為0.07%和0.01%，主要是由于山區(qū)毀林開荒所致；水域主要轉(zhuǎn)化為旱田和水田，轉(zhuǎn)移面積分別為403.71，127.28 hm2，轉(zhuǎn)化率分別為0.49%和0.16%。從各土地利用類型轉(zhuǎn)移來源來看，旱田主要是由部分水田、林地、水域轉(zhuǎn)化而來，10a間面積轉(zhuǎn)化率分別為1.82%，0.87%，0.08%；水田主要由旱田、水域、濕地轉(zhuǎn)化而來，轉(zhuǎn)化率分別為1.11%，0.08%，0.04%，說明該區(qū)濕地農(nóng)田化現(xiàn)象在一定程度上存在；建筑用地主要是由旱田、水田、林地轉(zhuǎn)化而來，轉(zhuǎn)化率分別為3.55%，0.39%，0.13%。分析表明，人類活動是影響土地利用類型變化的主要因素，人口的增長和經(jīng)濟的發(fā)展，增加了人們對糧食和住房的需求，促使耕地和建筑用地面積急劇增加。

表3 2000－2010年長白山地區(qū)土地利用類型面積轉(zhuǎn)化情況 hm2

3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值（ESV）變化

研究區(qū)ESV總體呈減少趨勢（表4），由2000年的1 507.37億元減少到2010年的1 505.57億元，10 a減少了1.79億元，減少幅度為－0.12%。占面積變化絕對值30.31%的水田，ESV減少0.97億元，占ESV變化絕對值的37.16%；占變化面積總絕對值19.00%的林地，ESV損失了0.96億元，占ESV變化絕對值的36.78%；而占面積變化絕對值25.50%的旱田，ESV減少了0.41億元，占ESV變化絕對值的15.71%。因此，從各土地利用類型在兩個時期對總ESV的貢獻(xiàn)來看，土地利用變化的影響是較大的，它是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值減少的根本原因，而水田和林地面積的減少是該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值降低的直接原因。同時，旱田面積的增加在一定程度上對總價值作了補償。

3.4 生態(tài)系統(tǒng)單項服務(wù)功能價值（ESVf）變化

生態(tài)系統(tǒng)各單項服務(wù)功能價值（ESVf）呈減少趨勢（表5）：水源涵養(yǎng)減少劇烈，達(dá)0.55億元，變化率為20.00%，主要是由于占價值系數(shù)較大的水田和林地面積減少所致；氣體調(diào)節(jié)減少的變率最大，為20.95%，主要由林地和濕地面積減少所致；而氣候調(diào)節(jié)、土壤形成與保護、生物多樣性保護減少顯著，變率分別為15.24%，12.37%，14.29%。

表5 2000－2010年研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值變化

3.5 敏感性分析

根據(jù)CS計算公式，本研究把VC分別上下調(diào)整50%，計算出了研究區(qū)2000年和2010年的CS。結(jié)果表明，ESV對VC的敏感性指數(shù)都小于1，最高值為0.55～0.58，即說明當(dāng)水域的 VC增加1%時，ESV增加0.55%～0.58%。表明研究區(qū)內(nèi)ESV對VC是缺乏彈性的，研究結(jié)果可信。

4 結(jié)論

2000—2010年，長白山地區(qū)旱田和建筑用地的面積呈增加趨勢，其余土地利用類型面積呈減少趨勢，這種變化主要是人口和經(jīng)濟的發(fā)展，對糧食和住房用地的需求增加所致。水田面積減少劇烈，變化面積為7 949.60hm2，林地面積銳減4 981.69hm2，變化量占期內(nèi)土地利用變化總量的19.00%，人類活動是影響土地利用變化的主要因素。

該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值呈減少趨勢，虧損了1.79億元，減少幅度為－0.12%。這種損失主要是受林地和水田面積減少的影響。土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的虧損起決定作用，而人類活動是導(dǎo)致景觀格局變化和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值缺失的根本原因。因此，應(yīng)及時采取有效措施，促進(jìn)該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的恢復(fù)和維護該區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。

本文根據(jù)研究區(qū)實際情況，對中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值表進(jìn)行修訂，使研究結(jié)果更具合理性。但應(yīng)指出，由于區(qū)域的差異或評估方法的制約，評估結(jié)果可能不盡準(zhǔn)確，但將同樣的方法和結(jié)果應(yīng)用到具體區(qū)域后，不同時間的價值變化趨勢具有可比性，仍能反映該區(qū)生態(tài)服務(wù)價值的變化狀況以及存在的問題，從而為生態(tài)環(huán)境建設(shè)、土地持續(xù)利用與管理等提供科學(xué)依據(jù)。

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