吉林省自然保護區(qū)土地利用／覆被變化及生態(tài)系統(tǒng)服務價值動態(tài)

王 燕，高吉喜，王金生，張 慧，仇 杰，肖洛斌

自然保護區(qū)是生物多樣性和自然資源環(huán)境就地保護的主要載體，是野生動植物的寶貴棲息地。隨著全球生態(tài)環(huán)境的不斷惡化，人們自然保護意識不斷增強，各國政府和組織機構(gòu)紛紛行動，自然保護區(qū)的建設(shè)取得了顯著的成效。截至2010年10月，全球自然保護區(qū)數(shù)量超過16 100個，面積占全球陸地總面積的12.7%［1］。我國的保護區(qū)事業(yè)也發(fā)展積極，截止到2011年底，中國（不含港澳臺地區(qū)）共建立各種類型和不同級別自然保護區(qū)2 640個，總面積1.50×108hm2，占國土面積的14.93%，超過世界平均水平。其中，國家級自然保護區(qū)335個，面積9.32×107hm2，占國土面積的9.7%［2］。

雖然自然保護區(qū)建設(shè)規(guī)模不斷擴大，但生物多樣性減少和生態(tài)環(huán)境惡化的趨勢卻未得到有效遏制，這很大程度是由于棲息地的土地利用／覆蓋變化（LUCC）造成的［3－5］。研究表明［6－8］，氣候變化、人 類不合理活動及無效管理等是導致土地覆蓋變化的主要因素，土地覆蓋的變化將直接導致生態(tài)系統(tǒng)土壤侵蝕、生物多樣性和生物化學循環(huán)等過程的變化，進而影響生態(tài)系統(tǒng)服務功能的發(fā)揮［9－11］。通過開展自然保護區(qū)LUCC及生態(tài)服務價值變化的研究，可以對保護區(qū)的保護成效進行評定，從而為保護區(qū)的有效管理提供參考依據(jù)。目前，基于自然保護區(qū)LUCC生態(tài)服務價值動態(tài)的研究不多，主要是對單個保護區(qū)土地利用／覆蓋變化或靜態(tài)生態(tài)服務價值的研究［5，7，12－13］，缺 少 區(qū) 域 尺 度、不 同 類 別 自 然 保 護 區(qū)LUCC及生態(tài)服務價值變化的綜合定量研究。本研究選取了吉林省14個國家級自然保護區(qū)為分析對象，運用3S技術(shù)對2000年和2010年的土地覆蓋狀況進行了分析，并對該期間生態(tài)服務價值的變化進行了評估，旨在獲取該地區(qū)自然保護區(qū)土地覆蓋及生態(tài)服務價值的變化動態(tài)，為保護區(qū)資源的合理管理和有效保護提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

研究區(qū)位于中國東北地區(qū)中部的吉林省境內(nèi)，分布范圍在東經(jīng)122°05′—131°14′，北緯41°24—46°10′之間，涵蓋了14個不同類型的國家級自然保護區(qū)，包括6個內(nèi)陸濕地類保護區(qū)、3個野生動物類保護區(qū)、2個森林生態(tài)類保護區(qū)、2個地質(zhì)遺跡類保護區(qū)和1個野生植物類保護區(qū)。該區(qū)屬于溫帶大陸性季風氣候區(qū)，春季干燥多風，夏季溫暖多雨，秋季晴冷溫差大，冬季漫長干寒。年均氣溫在1.9～7℃之間，年降水量在400～1 400mm之間，全年無霜期平均為100～150d，年平均日照2 300～2 880h。

該區(qū)內(nèi)分布大量的珍稀動植物資源，據(jù)不完全統(tǒng)計，區(qū)內(nèi)有高等植物2 000多種，脊椎動物500多種，魚類300多種，鳥類近300種，以及大量的藥用植物資源、珍貴的自然歷史遺跡和地質(zhì)遺跡等，如人參、東北紅豆杉、紅松、水曲柳、黃蘗、鉆天柳、紫椴、胡桃楸、刺五加、野大豆、東北對開蕨、東北茶藨子、刺人參、巖高蘭、山楂海棠、狹葉瓶兒小草等國家Ⅰ和Ⅱ級保護植物，東北虎、金錢豹、梅花鹿、紫貂、黑鸛、大鴇、白鸛、金雕、白肩雕、丹頂鶴、中華秋沙鴨、豺、麝、黑熊、棕熊、水獺、猞猁、馬鹿等國家Ⅰ和Ⅱ級保護動物等。由于豐富的自然資源和優(yōu)質(zhì)環(huán)境，該區(qū)也是松花江、圖們江、鴨綠江等的重要水源地。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

土地利用／覆蓋數(shù)據(jù)來源于2000年Landsat TM影像和2010年的環(huán)境遙感衛(wèi)星影像，通過人工目視解譯得到土地類型數(shù)據(jù)（所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的WGS＿1984坐標系和Albers投影下，橢球體為Krasovsky橢球體）。利用ERDAS 9.2和ENVI 4.8完成圖像的影像鑲嵌、數(shù)據(jù)融合、影像裁剪、圖像增強等預處理過程，以1∶100 000地形圖配準建立解譯標志，然后在ArcView環(huán)境中進行人機交互式判讀解譯。對解譯結(jié)果進行隨機選點，GPS點屬性校檢結(jié)果表明，土地利用類型判別的準確率達90%以上。對所得到的數(shù)據(jù)利用ArcGIS軟件進行編輯及處理，得到保護區(qū)不同時期的土地利用數(shù)據(jù)。

1.3 土地利用數(shù)據(jù)分類

依據(jù)我國遙感解譯分類標準和實際土地利用特點，將研究區(qū)的土地類型分為林地、草地、農(nóng)田、濕地、水域、荒地、建筑交通用地7個一級類型和針闊混交林、落葉闊葉灌木林、落葉闊葉林、落葉針葉林、常綠針葉林、稀疏林、草叢、草甸、草原、草本濕地、灌叢濕地、苔蘚／地衣、旱地、水田、河流、湖泊、水庫／坑塘、運河／水渠、工業(yè)用地、交通用地、居住地、裸巖、沙漠／沙地、鹽堿地24個二級類型。

1.4 土地利用／覆蓋變化分析方法

土地利用／覆蓋變化的指標可分為土地利用變化數(shù)量指數(shù)（包括變化幅度、變化速率）和土地利用變化類型間轉(zhuǎn)移指數(shù)（包括單一土地利用變化空間動態(tài)度和趨勢狀態(tài)指數(shù)、區(qū)域土地利用變化空間動態(tài)度和趨勢狀態(tài)指數(shù)）。具體模型［14－18］為：

（1）土地利用變化幅度（Pi）：

（2）土地利用變化速率：

單一土地利用動態(tài)度（Rs）：

綜合土地利用動態(tài)度（Rt）：

（3）單一土地利用變化：

空間動態(tài)度（Rss）：

趨勢狀態(tài)指數(shù)（Ps）：

（4）區(qū)域土地利用變化：

空間動態(tài)度（Rts）：

趨勢狀態(tài)指數(shù)（Pt）：

式中：Ua，Ub——研究初期和末期某一土地類型的面積；T——研究時段長；ΔUin－i——研究期間其它類型轉(zhuǎn)變?yōu)閕類型的面積之和；ΔUout－i——i類型轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌愋偷拿娣e之和；∑ni－1Uai——研究期初各種土地利用類型的面積之和；ΔUin——研究時段T內(nèi)其它類型轉(zhuǎn)變?yōu)樵擃愋偷拿娣e之和，ΔUout——某一類型轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌愋偷拿娣e之和。

1.5 生態(tài)服務價值計算

本研究生態(tài)服務價值的計算采用參數(shù)借用法，依據(jù)Costanza研究原理，按謝高地等［19］提出的中國生態(tài)服務價值當量因子表為基礎(chǔ)，結(jié)合吉林省單位面積糧食生產(chǎn)價值獲取研究區(qū)各地類單位面積生態(tài)服務價值，然后乘以對應土地類型面積得到各土地利用類型的生態(tài)服務價值量。

生態(tài)服務價值定量因子經(jīng)濟價值量計算模型為：

式中：VC0——生態(tài)服務價值當量因子的經(jīng)濟價值量〔元／（hm2·a）〕；qi——全國平均糧食價格（元／kg）；pi——吉林省糧食年平均產(chǎn)量（kg／hm2）；i——2000—2010年的各個年份。

生態(tài)服務價值計算模型為：

式中：ESV——生態(tài)系統(tǒng)服務價值；Ak——k類土地面積（hm2）；VCkf——k類土地f項生態(tài)服務功能價值單價〔元／（hm2·a）〕。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用變化

2.1.1 土地利用變化總體分析 研究區(qū)在2000—2010年土地利用類型發(fā)生了較大的變化。建設(shè)用地、草地和農(nóng)田的面積有所增加，增加幅度依次為22.65%，15.65%和5.13%；林地、濕地、水域和未利用地的面積均有所減少，其中，未利用地減少幅度最大，為9.00%，林地減少幅度最小，為0.31%。由圖1可以看出，林地在保護區(qū)土地利用中始終占主導地位，其次為農(nóng)田和水域，3者所占面積占保護區(qū)總面積的85%以上。近10a間，農(nóng)田增加面積1.08×104hm2，為所有土地類型中面積增加最大，建設(shè)用地增長幅度雖然最大，但增長面積最小，僅為992.95hm2；濕地和水域減少面積最大，分別為5181.53和5 109.19hm2。

圖1 吉林省國家級自然保護區(qū)2000－2010年各地類面積比例變化

從表1可以看出，保護區(qū)分布的7種土地利用類型中建設(shè)用地的變化速率最大，為2.27%，其次為草地，其余依次為未利用地、濕地、水域、農(nóng)田和林地，林地分布相對穩(wěn)定，變化速率最小。從土地利用動態(tài)變化的空間轉(zhuǎn)移過程來看，草地空間動態(tài)度最大，其次為未利用地和建設(shè)用地，說明草地、未利用地和建設(shè)用地面積相對于其初始值在研究時段內(nèi)輸入和輸出的轉(zhuǎn)化比較顯著；林地空間動態(tài)度最小，其次為農(nóng)田和水域，說明該時段內(nèi)林地、農(nóng)田、水域面積相對初始值轉(zhuǎn)化不顯著或轉(zhuǎn)移不頻繁。研究區(qū)土地利用的平均變化率為0.15%，空間動態(tài)度為0.43%。

表1 研究區(qū)土地利用變化動態(tài)度

2.1.2 土地利用類型轉(zhuǎn)移特征分析 從圖1和表2可以看出，2000—2010年期間，濕地和水域面積減少劇烈，其中很大部分轉(zhuǎn)化為農(nóng)田，轉(zhuǎn)化面積分別為4248.25和5263.91hm2，轉(zhuǎn)化為未利用地和林地的面積次之，轉(zhuǎn)化為未利用地的面積分別為1 154.24和1 027.13hm2，轉(zhuǎn)化為林地的面積分別為1 199.90和943.71hm2。近10a間，濕地和水域相互轉(zhuǎn)化的面積差異不大，分別為1 840.39和1 580.40hm2。未利用地面積減少幅度最大，減少面積為2 363.11hm2，從表2可以看到，未利用地主要轉(zhuǎn)化為草地和農(nóng)田，轉(zhuǎn)化面積分別為3 888.88和1 641.43hm2。林地減少面積1 704.73hm2，主要轉(zhuǎn)化對象為農(nóng)田3 085.10hm2，濕地1 235.92hm2，草地966.43hm2。

農(nóng)田增加面積最多，除建設(shè)用地外，其余土地利用類型都有較大面積轉(zhuǎn)化，其貢獻分別為：水域5 263.91hm2，濕地4 248.25hm2，林地3 085.10hm2，草地2 699.06hm2，未利用地1 641.43hm2。草地增加面積次之，主要轉(zhuǎn)化來源有未利用地3 888.88hm2，農(nóng)田1135.31hm2，林地966.43hm2，濕地736.15 hm2。建設(shè)用地增加992.95hm2，增加幅度最大，其轉(zhuǎn)化來源主要有農(nóng)田719.23hm2，林地264.15hm2，草地131.16hm2，說明保護區(qū)內(nèi)占用農(nóng)田進行建設(shè)的情況比較嚴重。

表2 研究區(qū)2000－2010年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣 hm2

趨勢狀態(tài)指數(shù)Ps反映了某一土地利用類型的發(fā)展方向，當0≤Ps≤1時，說明該土地類型朝著規(guī)模增大的方向發(fā)展，即處于“漲勢”，Ps越接近于0，則該土地類型規(guī)模增長越緩慢，且雙向轉(zhuǎn)換頻繁，呈現(xiàn)平衡態(tài)勢，但轉(zhuǎn)換為其它類型的面積略小于其它類型轉(zhuǎn)換為該類型的面積；當－1≤Ps≤0時，說明該土地類型朝著規(guī)模減少的方向發(fā)展，即該類型處于“落勢”，Ps越接近于0，則該類型規(guī)模減少越緩慢，且雙向轉(zhuǎn)換頻繁，呈現(xiàn)平衡態(tài)勢，但面積轉(zhuǎn)換為其它類型面積略大于其它類型轉(zhuǎn)為該類型的面積［17］。表1中，草地Ps最接近0，說明草地處于相對平衡的“漲勢”，建設(shè)用地Ps最接近1，說明建設(shè)用地正在不斷膨脹；林地Ps最接近0，說明保護區(qū)林地處于相對平衡的“落勢”狀態(tài)，濕地和水體Ps最接近－1，說明保護區(qū)濕地和水體規(guī)模正在逐步萎縮。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化

2.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務價值單價 依據(jù)2000—2010年中國統(tǒng)計年鑒中公布數(shù)據(jù)，吉林省2000—2010年的平均糧食產(chǎn)量為5 651.66kg／（hm2·a），按國家統(tǒng)計局2011年公布的全國平均糧食價格為2.73元／kg，經(jīng)計算得到吉林省生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量因子的經(jīng)濟價值量為2 204.15元／（hm2·a）。結(jié)合中國生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量因子表得到單位面積生態(tài)服務價值量（表3）。

表3 吉林省生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務價值 元／（hm2·a）

2.2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值 吉林省14個國家級自然保護區(qū)各地類生態(tài)系統(tǒng)服務價值詳見表4。從表4可以看到，2000—2010年期間，生態(tài)系統(tǒng)服務價值構(gòu)成比例變化不大，林地始終占據(jù)主導地位，占總價值的60%左右，其次為水域和濕地，所占比例相近。自然保護區(qū)生態(tài)服務價值總量有所下降，降低1.73%，總計9.95×108元／a，這主要是由于占生態(tài)系統(tǒng)服務價值主要構(gòu)成地位的林地、水域和濕地的面積減少所造成的。林地、濕地、水域和未利用地價值量有所降低，分別減少0.31%，6.78%，5.15%和8.96%，草地、農(nóng)田價值量有所增加，分別增加了15.67%和5.13%。濕地的生態(tài)系統(tǒng)服務價值降低最大，對整體價值變化的貢獻率也最大，這主要是由于其減少面積較大且具有較高的生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)所致。農(nóng)田價值量增加最為明顯，主要是由于農(nóng)田增加面積過大所致。

表4 不同土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化

自然保護區(qū)2000和2010年生態(tài)服務價值構(gòu)成如圖2所示。從圖2可以看出，水文調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、廢物處理、維護生物多樣性、氣體調(diào)節(jié)、保持土壤等各項構(gòu)成了自然保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值的主體，食物生產(chǎn)、原材料生產(chǎn)等價值相對較低，這與保護區(qū)目前的管理宗旨一致，而由于保護區(qū)生態(tài)旅游目前還在探索和初步發(fā)展階段，故相應的提供美學景觀價值的潛力還有待于進一步發(fā)揮。除保持土壤和食物生產(chǎn)的價值量有所增加外，其余各項價值量均有所下降。其中，降低最顯著的是廢物處理、水文調(diào)節(jié)和氣候調(diào)節(jié)價值，降低率分別為3.53%，3.01%和1.98%。

圖2 吉林省自然保護區(qū)單項生態(tài)系統(tǒng)服務價值

3 結(jié)論

2000—2010年，吉林省國家級保護區(qū)內(nèi)建設(shè)用地、草地和農(nóng)田的面積有所增加，而林地、濕地、水域和未利用地的面積均有所減少。各土地類型的變化幅度有所差異，相比較區(qū)域土地利用的平均變化，除林地外的所有類型都有較大幅度的變化，特別是建設(shè)用地和草地的變化幅度相對突出。不同土地利用類型之間均有轉(zhuǎn)化，但各自轉(zhuǎn)化規(guī)模差異顯著，彼此間轉(zhuǎn)化差異的累計導致了其不同的變化結(jié)果。林地始終占保護區(qū)的主體地位，在所有土地利用類型中變化最緩慢，處于相對平衡的“落勢”狀態(tài)，表明保護區(qū)對森林資源的保護效果比較理想。在此10a期間，隨著人類生產(chǎn)活動的加劇，農(nóng)田大面積增加，建設(shè)用地正逐步膨脹。受氣候等自然因素和人文因素的共同作用，濕地和水域大面積減少，呈現(xiàn)明顯的“落勢”狀態(tài)，作為我國眾多珍稀瀕危鳥類的棲息地，需要加強對其后期的保護和建設(shè)。

2000—2010年，自然保護區(qū)總生態(tài)系統(tǒng)服務價值呈下降趨勢，凈減少9.95×108元／年，降低率為1.73%。生態(tài)系統(tǒng)服務價值構(gòu)成比例基本保持穩(wěn)定。林地、濕地、水域和未利用地價值量有所降低，其余各地類價值量有所增加。價值量的變化趨勢與土地面積的變化基本一致。在自然保護區(qū)單項生態(tài)系統(tǒng)服務價值中，除保持土壤和食物生產(chǎn)的價值量有所增加外，其余各項價值量均有所下降。其中，以廢物處理、水文調(diào)節(jié)和氣候調(diào)節(jié)價值最顯著，降低率分別為3.53%，3.01%和1.98%。由此可見，應加強自然保護區(qū)的管理，遏制濕地、水域及林地的減少趨勢，從而進一步保障其生態(tài)服務作用的發(fā)揮。

目前，生態(tài)系統(tǒng)服務價值計算方法較多，計算過程受具體因素的影響，方法選取多樣，彼此之間難以統(tǒng)一，生態(tài)服務價值絕對價值的意義不大；而價值變化能更好地反映出生態(tài)系統(tǒng)變化和人為作用產(chǎn)生的效果，對環(huán)境資源管理和相關(guān)政策的制定更具有指導意義。價值系數(shù)的選取是本方法的關(guān)鍵，由于生態(tài)系統(tǒng)的復雜性和異質(zhì)性，采用統(tǒng)一的價值系數(shù)可能會對價值量的計算造成一定的誤差，對價值系數(shù)進行時空異質(zhì)的校正是本研究以后需要關(guān)注的重點。

［1］ United Nations.The Millennium Development Goals Report 2011［R］.New York：United Nations Department of Economic and Social Affairs，2011.

［2］ 環(huán)保部.2011年中國環(huán)境狀況公報［EB／OL］（20120606）［20140206］.http：∥ jcs.mep.gov.cn／hjzl／zkgb／2011zkgb／201206／t20120606＿231056.htm.

［3］ Vasconcelos M J P，MussáBiai J C，Araújo A，et al.Land cover change in two protected areas of Guinea—Bissau（1956—1998）［J］.Applied Geography，2002，22（2）：139－156.

［4］ Liu Jianguo，Linderman M，Ouyang Zhiyun，et al.Ecological degradation in protected areas：The case of Wolong Nature Reserve for giant pandas［J］.Science，2001，292（5514）：98－101.

［5］ 趙晶晶，張瑋，高偉明.昌黎黃金海岸國家級自然保護區(qū)土地利用／覆被變化及驅(qū)動力分析［J］.水土保持研究，2012，19（6）：211－216.

［6］ Araújo M B，Alagador D，Cabeza M et al.Climate change threatens European conservation areas［J］.Ecology Letters，2011，14（5）：484－492.

［7］ 王天偉，高照良，李永紅，等.土地利用類型變化對生態(tài)服務價值的影響［J］.水土保持通報，2011，31（3）：225－228.

［8］ Ervin J.Protected area assessments in perspective［J］.BioScience，2003，53（9）：819－822.

［9］ Wiens J A.Landscape ecology as a foundation for sustainable conservation［J］.Landscape Ecology，2009，24（8）：1053－1065.

［10］ Bolliger J，Bttig M，Gallati J，et al.Landscape multifunctionality：A powerful concept to identify effects of environmental change ［J］. Regional Environment Change，2011，11（1）：203－206.

［11］ Yue Tianxiang，F(xiàn)an Zemeng，Liu Jiyuan.Scenarios of land cover in China［J］.Global and Planetary Change，2007，55（4）：317－342.

［12］ 覃德華，畢曉麗，葛劍平.近30年來臥龍自然保護區(qū)土地覆蓋變化動態(tài)分析［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學，2007，35（23）：7237－7239.

［13］ 趙志平，劉紀遠，邵全琴.三江源自然保護區(qū)土地覆被變化特征分析［J］.地理科學，2010，30（3）：415－420.

［14］ 王秀蘭，包玉海.土地利用變化研究方法探討［J］.地理科學進展，1999，18（1）：81－87.

［15］ 王根緒，劉進其，陳玲.黑河流域典型區(qū)土地利用格局變化及影響比較［J］.地理學報，2006，61（4）：339－348.

［16］ 何春陽，周海麗，于章濤，等.區(qū)域土地利用／覆蓋變化信息處理分析［J］.資源科學，2002，24（2）：64－70.

［17］ 趙小汎，代力民，王慶禮.基于RS和GIS的縣域土地利用變化特征分析［J］.土壤，2007，39（3）：415－420.

［18］ 羅格平，周成虎，陳曦.干旱區(qū)綠洲土地利用與覆被變化過程［J］.地理學報，2003，58（1）：63－72.

［19］ 謝高地，魯春霞，冷允法，等.青藏高原生態(tài)資產(chǎn)的價值評估［J］.自然資源學報，2003，18（2）：189－196.