延邊朝鮮族自治州生態(tài)系統(tǒng)服務變化研究

侯焱臻， 韓旭龍， 耿 鑫， 李明玉

(延邊大學理學院，吉林 延吉 133002)

生態(tài)系統(tǒng)服務是指生態(tài)系統(tǒng)所形成和維持的人類賴以生存和發(fā)展的環(huán)境條件與效用，為人類直接或間接從生態(tài)系統(tǒng)得到的所有收益[1]。生態(tài)系統(tǒng)服務價值( ecosystem services value, ESV) 是指對生態(tài)系統(tǒng)為人類提供的有益的生態(tài)產(chǎn)品和生態(tài)功能進行經(jīng)濟度量[2]。隨著城市化在全球的快速推進，人類對生態(tài)系統(tǒng)的直接和間接作用顯著增加[3-4]。土地利用與覆被的變化( Land use and land cover change, LUCC)改變了生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能，從而影響生態(tài)系統(tǒng)的平衡[5-6]。Costanza等[2]對全球生態(tài)系統(tǒng)服務及其價值量進行評估。謝高地等[7]根據(jù)中國實際情況，對生態(tài)系統(tǒng)服務價值量系數(shù)進行修正，得到了中國陸地系統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)，被眾多中國學者用來估算中國生態(tài)系統(tǒng)的價值變化[8]，并取得顯著成果[9-15]。

在國家發(fā)展戰(zhàn)略“一帶一路”的背景下，作為邊境地區(qū)的延邊朝鮮族自治州具有重要的區(qū)域地理意義。本研究以延邊朝鮮族自治州(簡稱為延邊州)為研究區(qū)，進行土地利用變化及其對ESV的演變機理研究，結合2007、2016年的土地利用與土地覆被數(shù)據(jù)和其他輔助數(shù)據(jù)探討近10年研究區(qū)土地利用變化引起的生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化規(guī)律，為研究區(qū)土地利用規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展提供科學指導。

1 研究區(qū)概況

延邊州位于吉林省的東部，經(jīng)緯度為127°27′～131°18′E，41°59′～44°30′N，北接俄羅斯，東臨日本海，西通我國內(nèi)陸，南與朝鮮隔河相望，是中、朝、俄的金三角核心地帶。延邊州包括延吉、圖們、敦化、琿春、龍井、和龍、汪清、安圖8個縣市，轄地面積4.27×104km2。整體地勢呈西高東低，自西南、西北、東北向東南傾斜的趨勢，以琿春一帶為最低。地貌類型復雜多樣，呈山地、丘陵和盆地3個梯度，山嶺多分布在周邊地帶，丘陵則分布在山地邊沿，盆地主要分布在江河兩岸和山嶺之間。全州最高峰為長白山白云峰，海拔2 691 m，長白山脈貫穿全州。自然生態(tài)保存完好，動植物多樣性豐富。受東部日本海影響，屬于中溫帶濕潤季風氣候，春季干燥多風，夏季濕熱多雨，秋季涼爽少雨，冬季寒冷期長。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

從美國地質調查局網(wǎng)站(http://glovis.usgs.gov)下載延邊州2007和2016年Landsat TM/OLI影像數(shù)據(jù)。首先對遙感數(shù)據(jù)進行大氣校正、幾何精校正、圖像增強、拼接和裁剪等影像預處理。參考國內(nèi)外相關土地資源遙感分類系統(tǒng)[16-17]，結合研究區(qū)實際情況將統(tǒng)一劃分為林地、草地、水域、建設用地、旱地和水田6種土地利用類型。采用面向對象分類遙感分類提取和目視判讀的人機交互方式進行影像解譯，并通過野外實地調研將解譯結果進行驗證，平均解譯精度準確率為85%以上，滿足數(shù)據(jù)精度要求(圖1)。其他社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)均來源于《吉林省統(tǒng)計年鑒》和《延邊州統(tǒng)計年鑒》。

圖1 2007和2016年延邊州土地利用/土地覆被情況

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用類型動態(tài)度

本文引入單一土地利用動態(tài)度。土地利用類型動態(tài)度是評價土地利用類型數(shù)量變化、土地利用程度變化及土地利用變化的區(qū)域差異的指標[18]。其值越低表明土地系統(tǒng)內(nèi)部越穩(wěn)定，其表達式為：

(1)

式中:K為研究時段內(nèi)某一土地利用類型動態(tài)度，即該研究區(qū)某種土地利用類型年變化率；Ua、Ub為研究初期及研究末期某一種土地利用類型的數(shù)量；T研究相隔時間段，單位為年。

2.2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值估算

生態(tài)系統(tǒng)服務價值( ESV) 計算公式為:

ESV=∑Ak×VCk

(2)

式中:Ak為k類土地利用類型的面積(hm2);VCk為生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)，即單位面積生態(tài)系統(tǒng)的服務價值。

謝高地等[19-20]根據(jù)中國實際情況對公布的生態(tài)系統(tǒng)服務系數(shù)進行修正，得到了中國陸地系統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)，并結合我國生態(tài)環(huán)境特征，將生態(tài)系統(tǒng)服務功能分為氣體調節(jié)、水源涵養(yǎng)、娛樂文化等9類，同時提出了利用當量因子表計算生態(tài)系統(tǒng)服務價值，定義全國平均 1 hm2的農(nóng)田年平均自然糧食產(chǎn)量的經(jīng)濟價值為 1，其它生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)服務價值當量因子是指生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的生態(tài)服務相對農(nóng)田食物生產(chǎn)服務貢獻的大小，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)提供食物生產(chǎn)功能的經(jīng)濟價值計算模型:

(3)

式中:Ea為單位農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)提供食物生產(chǎn)功能的經(jīng)濟價值(元/hm2)；i為作物種類，pi為i種糧食作物的平均價(元/kg)；qi為i種糧食作物單產(chǎn)(kg/hm2)；mi為i種糧食作物面積(hm2)；M為農(nóng)田總面積。

研究區(qū)主要糧食作物為玉米、水稻和大豆等，以2007和2016年的年平均產(chǎn)量3 989.57 kg/hm2為基準單產(chǎn)，糧食價格按3種農(nóng)產(chǎn)品的平均價格2.15元/kg。生態(tài)系統(tǒng)提供的經(jīng)濟價值是在沒有人力投入的情況下單位面積農(nóng)田提供的糧食生產(chǎn)經(jīng)濟價值的1/7[21-23]，可得到農(nóng)田自然糧食產(chǎn)量的經(jīng)濟價值約為1 225.37元/hm2，即為本文所采用的不同生態(tài)系統(tǒng)服務價值基準單價，參考“中國生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量因子表”[24]，結合研究區(qū)的實際情況，得到延邊州的生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)(表1)。

表1 延邊州不同土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)

2.2.3 敏感性分析

敏感性指數(shù) (Coefficient of Sensitivity，CS) 反映隨著時間變化，生態(tài)系統(tǒng)服務價值對生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)的依存度[25]。價值系數(shù)的敏感性指數(shù)計算公式為

(4)

式中:CS表示敏感度，VC表示生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)，VCik、VCjk分別表示初始價值系數(shù)和調整后的價值系數(shù)，K表示土地利用類型．將不同土地類型的生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)上下調整 50%，以此衡量研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值的變化[26]。

3 結果與分析

3.1 土地利用動態(tài)度分析

對研究區(qū)域2007和2016年延邊土地利用/土地覆蓋現(xiàn)狀數(shù)據(jù)分析，統(tǒng)計出各種土地利用/土地覆被類型的變化量、變化率和動態(tài)度(表2)。在延邊不同的土地類型中，林地類型始終保持83%以上；水田在2007和2016年所占比率處于1.4%以下。從面積變化上來看，2007和2016年，林地、水域和建設用地的面積都有所增加；而耕地和草地面積都呈現(xiàn)出不同程度的減少，水田的比例從2007年的1.37%至2016年下降到1.11%。

表2 2007和2016年延邊州各土地利用類型面積變化及其動態(tài)度

注：“-”為減少。

通過土地利用類型面積變化量可得出，林地在2007和2016年面積增加了171.92 km2，正變化量最大。耕地在2007和2016年面積減少最大，減少了260.17 km2。草地面積減少，旱地和水田面積分別減少了145.14和115.03 km2。建設用地面積增加了94.50 km2。水域面積也在2007和2016年增加40.93 km2。

就土地利用類型動態(tài)度而言(圖2)，水田面積變化較為劇烈，其次是建設用地。林地面積動態(tài)度指數(shù)最小，變化比較平穩(wěn)，其系統(tǒng)內(nèi)部較為穩(wěn)定。伴隨社會經(jīng)濟的發(fā)展，建設用地面積的增長大勢所趨，在2007和2016年始終處于增長的趨勢。也從側面反映出研究區(qū)在這段時期經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展，狀態(tài)良好，城鎮(zhèn)化進程不斷向前發(fā)展。耕地面積、草地面積的減少和林地面積的增加也說明延邊州在響應吉林省“十一五”和“十二五”規(guī)劃中的“東部長白山水源涵養(yǎng)用材林及產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟密集區(qū)”政策時取得了一定成效，有利于研究區(qū)生態(tài)文明的健康發(fā)展。

注：“-”為減少

由圖2可知，延邊州各縣市在2007和2016年就林地面積而言，延吉市、圖們市、和龍市、琿春市、龍井市和汪清縣都有所增加，龍井市增加最為顯著，增加林地面積為113.4 km2；建設用地面積，各縣市都有所增加，敦化市增加最為顯著30.79 km2；延吉市、和龍市、敦化市和琿春市都出現(xiàn)草地面積減少的情況，敦化市減少最多，減少面積為71.3 km2；在水域面積方面，除敦化市、龍井市和安圖縣增加以外，其它縣市均出現(xiàn)水域面積減少的情況，琿春市減少最為顯著，減少面積為17.7 km2。另外，在旱地面積方面，敦化市、琿春市和安圖縣都出現(xiàn)不同程度的增加，其它縣市旱地面積都有所減少；而水田面積僅在和龍市與圖們市有少量的增加，其余縣市都有不同程度的減少。

圖3 延邊州各縣市土地利用類型面積變化

3.2 主要土地覆被類型轉化特征

由表3可知，2007和2016年，草地主要向林地、旱地轉移，其中草地向林地的轉移幅度最大，最大面積達340 km2；旱地主要向建設用地、林地轉移，其中向林地轉移面積最大，為833.6 km2；建設用地主要向草地、旱地轉移，以向草地轉移面積最大，為22.1 km2；林地用地主要向草地、旱地轉移，其中向旱地轉移面積最大，為751.7 km2；水域主要向水田轉移，轉移面積為24.8 km2；水田主要向旱地、水域轉移，以向旱地轉移面積最大，為58.4 km2。

表3 2007和2016年延邊土地利用面積變化轉移矩陣Table 3 Change transfer matrix of land use areas in counties and cities of Yanbian Prefecture in 2007&2016 (km2)

3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務價值

3.3.1 總體生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化

利用表1核算的延邊州單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值，通過ESV計算公式，確定延邊州2007和2016年生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化情況。由圖4可知，延邊州各土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化量依次為：水域、林地、旱地、草地、水田。因未對建設用地進行單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值估算，在此建設用地類型并未納入所討論的范圍之內(nèi)。

圖4 延邊2007和2016年生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化

延邊州總體生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化呈現(xiàn)較弱的增長趨勢，從2007年的1 003.43億元，到2016年的1 011.92億元，增加8.49億元。從各種土地利用類型的ESV來看，總體趨勢表現(xiàn)為“兩增三減”。旱地類型減少量最多(0.71億元)、其次為草地(0.7億元)和水田(0.55億元)；水域類型增加最多，為6.3億元，其次是林地，增加4.15億元。

3.3.2 單項生態(tài)系統(tǒng)功能價值變化

根據(jù)表4可知，各生態(tài)系統(tǒng)服務功能對延邊生態(tài)系統(tǒng)服務價值的貢獻價值率位居前3位是氣候調節(jié)、水文調節(jié)和土壤保持。

表4 延邊州2007和2016年單項生態(tài)系統(tǒng)功能價值

氣候調節(jié)的生態(tài)系統(tǒng)服務價值貢獻率最高，主要是林地、草地和水田3種土地利用類型在生態(tài)系數(shù)服務價值的數(shù)值較高(表1)，分別為2 337.39、1 478.61和1 360.16元/hm2。其次為水文調節(jié)，主要是取決于水域、林地和草地3種土地利用類型在生態(tài)系數(shù)服務價值系數(shù)的數(shù)值，分別為125 281.83、4 576.76和3 333.01元/hm2。但因土地利用類型林地面積始終保持在延邊州總面積的83%以上，并且林地類型在生態(tài)系數(shù)服務價值系數(shù)的氣候調節(jié)數(shù)值遠大于水文調節(jié)數(shù)值。所以，氣候調節(jié)的功能價值始終在延邊單項生態(tài)系統(tǒng)功能價值保持第1位。土壤保持的生態(tài)系統(tǒng)功能價值位于第3位。

維持養(yǎng)分循環(huán)的生態(tài)系統(tǒng)服務價值的貢獻率最小，在于其生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)過低?？傮w而言，延邊各單項生態(tài)系統(tǒng)功能價值大多處于穩(wěn)步增長的趨勢，增長最為顯著的是調節(jié)服務中的水文調節(jié)。唯有維持養(yǎng)分循環(huán)和食物生產(chǎn)處于減少趨勢。

3.3.3 各縣市生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化

由圖5可知，延邊大多數(shù)縣市始終保持增長的趨勢，其中以龍井市和圖們市增長趨勢較快。在2007和2016年，敦化市和汪清縣在延邊各縣市生態(tài)系統(tǒng)服務價值中保持第1位和第2位，得益于敦化市和汪清縣擁有較為廣闊的林地面積。而龍井市、圖們市和延吉市由于較小的區(qū)域面積，在延邊州各縣市生態(tài)系統(tǒng)服務價值數(shù)值中始終處于較低狀態(tài)。而琿春市的生態(tài)系統(tǒng)服務價值則處于下降趨勢。

2016年琿春市生態(tài)系統(tǒng)服務價值較2007年下降0.017×108元。從單項生態(tài)系統(tǒng)服務來看，下降明顯主要是由于生態(tài)系統(tǒng)服務總價值中貢獻較大的氣候調節(jié)和土壤保持的減少所造成的。同樣，2016年琿春市在生態(tài)系統(tǒng)服務價值貢獻較為突出的草地、水域和水田3種土地利用/覆被類型面積方面，比2007年都有不同程度的下降。

圖5 延邊州各縣市生態(tài)系統(tǒng)服務價值

3.4 生態(tài)系統(tǒng)服務價值敏感性分析

根據(jù)前面所述的敏感性指數(shù)計算方法，本文將林地、水域、草地、旱地和水田的生態(tài)價值系數(shù)分別上下調整50%，然后采用調整后的生態(tài)價值系數(shù)對研究區(qū)延邊2007和2016年總服務價值進行了計算和估值，估算的結果及敏感性指數(shù)如表5所示。各種生態(tài)系數(shù)分別上下調整50%的情況下，價值系數(shù)的敏感性指數(shù)CS都小于1，最低值為0.002。即當草地的生態(tài)系數(shù)增加1%時，總價值只增加0.011%；最高值范圍為0.869～0.873，即當林地的生態(tài)價值系數(shù)增加1%時，總價值增加0.869到0.873個百分點。這表明相對于生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)(VC)來說，研究區(qū)總的生態(tài)系統(tǒng)服務價值缺乏彈性。

表5 調整價值系數(shù)后總生態(tài)系統(tǒng)服務價值的變化及敏感性指數(shù)

就CS值而言，即使CS值小于1，過高或過低賦值的生態(tài)系統(tǒng)也可能很大程度上影響生態(tài)價值隨時間變化的真實性。因此，本研究進一步分析了較大的生態(tài)價值系統(tǒng)的變化對生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化的影響。各土地利用類型的生態(tài)價值系數(shù)增減50%，研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值2007和2016年的變化率為0.56%～1.13%，與生態(tài)價值系數(shù)調整前的變化率0.78%相差不大。

4 討論與結論

1) 2007和2016年，研究區(qū)延邊州旱地、水田和草地面積減少，建設用地、水域和林地面積增加。土地利用類型的變化主要是由于研究區(qū)“退耕還林”政策的實施，以及研究區(qū)隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，城鎮(zhèn)現(xiàn)代化建設占用大量的耕地和草地。各種土地利用類型面積的變動有利于利益相關者可以更好的宏觀把握土地利用類型的變化趨勢，為政策的制定奠定準確的數(shù)據(jù)基礎。

2) 就研究區(qū)延邊州生態(tài)系統(tǒng)服務價值而言，2007和2016年研究區(qū)土地利用的生態(tài)系統(tǒng)服務價值呈現(xiàn)出較弱增長的趨勢。草地、旱地和水田生態(tài)系統(tǒng)服務價值減少，林地和水域生態(tài)系統(tǒng)服務價值增加。從研究區(qū)單項生態(tài)系統(tǒng)功能價值來看，氣候調節(jié)等生態(tài)服務價值增加，而食物生產(chǎn)和維持養(yǎng)分循環(huán)則在減少。氣候調節(jié)、水文調節(jié)和土壤保持是延邊朝鮮自治州生態(tài)系統(tǒng)服務功能的主要構成。從延邊州各縣市的生態(tài)系統(tǒng)服務價值來看，各縣市大多呈現(xiàn)出良好的增長趨勢。而琿春市卻呈現(xiàn)出下降趨勢。

3) 延邊州各土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務價值敏感性指數(shù)的值都小于1，并且每年的變化幅度較小，總體上比較穩(wěn)定,表明研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務價值相對價值系數(shù)缺乏彈性。即估算的生態(tài)服務價值系數(shù)對研究區(qū)而言相對合理，與當?shù)貙嶋H情況相符合。