平原造林對土地利用格局及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響

鄭艷東，唐秀美，賈寶全，劉 玉

（1. 河北省國土整治中心，石家莊050031；2. 北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京100097；3. 中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所，北京100091；4. 國家林業(yè)局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100091）

0 引言

北京市平原地區(qū)約占全市總面積的38%，是城市分布的核心區(qū)和人口的集聚區(qū)，土地資源十分有限，環(huán)境問題也相對突出［1］。為推進(jìn)首都生態(tài)文明建設(shè)，加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式，推動經(jīng)濟(jì)與人口資源環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，北京市委市政府于2012年初提出要在城市人口密集、污染相對突出的平原地區(qū)新增林地6.67萬hm2［2］。截止2014年底，全市已完成平原造林6.81萬hm2，植樹5 000余萬株，平原地區(qū)森林覆蓋率凈增9.65個(gè)百分點(diǎn)［3］。生態(tài)公益林以發(fā)揮生態(tài)、社會效益為主，有助于涵養(yǎng)水源、保持水土、防風(fēng)固沙、凈化空氣和維護(hù)生物多樣性［4-6］。分析評價(jià)土地利用誘發(fā)的生態(tài)環(huán)境問題已成為可持續(xù)發(fā)展研究的熱點(diǎn)之一［7］，而土地利用方式變化將影響區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的種類和強(qiáng)度，從而造成生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的損益。平原造林是直接影響區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的一項(xiàng)人類活動，具有直接性、規(guī)模性的特點(diǎn)。從生態(tài)學(xué)角度看，平原造林工程實(shí)施前后，土地利用/覆被發(fā)生變化，生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、質(zhì)量和格局等也會改變，從而影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況。目前，北京市平原造林的研究集中在造林工程經(jīng)濟(jì)績效評價(jià)［8-10］、造林規(guī)劃［11-13］和造林后林木管護(hù)等［14］，造林前后土地利用格局及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化的定量化研究較少。

京承高速公路連接北京市和河北承德，北京市段內(nèi)從四環(huán)路望和橋起途經(jīng)朝陽、順義、懷柔和密云等4個(gè)區(qū)，沿線造林面積較大，適合作為分析北京市平原造林工程的“樣帶”。基于此，文章選擇京承高速公路北京市段沿線作為研究區(qū)，研究造林前后土地利用、景觀格局和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化特征，以期科學(xué)評價(jià)造林工程對區(qū)域土地利用和生態(tài)環(huán)境的影響，從而為平原造林工程的規(guī)劃選址提供技術(shù)支持。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域

京承高速公路密云區(qū)境內(nèi)的土地利用類型多為山地，因此選取京承高速公路北京市段從四環(huán)至密云區(qū)長度約100 km的高速公路沿線兩側(cè)各10 km范圍的土地，作為平原造林對土地利用及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值影響的“樣帶”區(qū)（圖1）。

圖1 京承高速公路位置及研究區(qū)土地利用圖Fig.1 Location of Beijing section of Jingcheng expressway and land use map in the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

該研究中平原造林地塊數(shù)據(jù)（2012—2014年）來源于北京市林業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院，該數(shù)據(jù)是在航片基礎(chǔ)上通過野外調(diào)繪而成（圖2）。選擇2011年研究區(qū)TM影像作為平原造林實(shí)施前的數(shù)據(jù)來源。通過對研究區(qū)TM影像進(jìn)行波段組合、投影轉(zhuǎn)換、圖像拼接和分辨率融合等操作，檢查修正矢量數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)對應(yīng)關(guān)系等，完成工作底圖制作。參照《土地利用現(xiàn)狀分類》［15］，建立包括耕地、園地、林地、草地、水域及水利設(shè)施用地、交通運(yùn)輸用地、建設(shè)用地及未利用地的分類體系，然后對影像進(jìn)行人工交互目視解譯和野外實(shí)地調(diào)查驗(yàn)證，提取土地利用/覆蓋變化信息。通過隨機(jī)生成100個(gè)檢驗(yàn)樣點(diǎn)，經(jīng)過目視對比解譯結(jié)果，得到研究區(qū)影像的解譯精度為91%。在獲取2011年土地利用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上（圖1），將2012—2014年平原造林圖斑進(jìn)行嵌入，進(jìn)而分析平原造林前后土地利用變化等情況。

圖2 研究區(qū)平原造林圖斑Fig.2 Afforestation Patches of Plains in the study area

2 結(jié)果分析

2.1 土地利用變化

2.1.1 平原造林占用土地的地類統(tǒng)計(jì)

2012—2014年，研究區(qū)平原造林工程涉及4 086個(gè)圖斑共計(jì)造林1.009 198萬hm2，平均圖斑面積為2.47 hm2，最大的圖斑面積為154.13 hm2。對各地類進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，占用面積最大的是耕地，共計(jì)5 563.59 hm2，占總面積的55.13%；其次是林地和建設(shè)用地，面積分別為 1 258.35 hm2和1 050.04 hm2，占比為12.47% 和 10.40%；占用園地、未利用地和水域的面積較少，分別為713.78 hm2、695.62 hm2和540.38 hm2；占用交通運(yùn)輸用地面積為 234.59 hm2；占用草地面積最小，僅 35.64 hm2。

2.1.2 平原造林占用耕地的質(zhì)量分析

根據(jù)分析，研究區(qū)平原造林占用地類最多的是耕地，達(dá)到5 563.59 hm2。疊加北京市耕地質(zhì)量等級評價(jià)結(jié)果，分析其占用耕地的質(zhì)量等級情況。由圖3可知，平原造林所占用耕地的自然等級分布在8～15等之間，主要為13～15等之間的低等級耕地。占用耕地的平均自然等級為12.5等，而北京市耕地的平均自然等級為10.95等，說明平原造林占用耕地的質(zhì)量相對較低。

2.2 平原造林前后土地利用面積變化

由表1可知，平原造林工程實(shí)施前后，研究區(qū)各土地利用類型面積及比例發(fā)生了一定變化。造林前，主要的用地類型是林地、建設(shè)用地和耕地；造林后，這3種地類的比例還是最大的。由于平原造林工程，林地面積比例由37.77%增加到42.55%；建設(shè)用地面積變化不大；耕地面積比例由17.10%降低到14.08%；其他地類面積和比例變化較小。

圖3 研究區(qū)平原造林占用耕地等級質(zhì)量Fig.3 Grade quality of cultivated land occupied by afforestation in plain

表1 平原造林前后各土地利用類型面積及比例Table 1 Area and proportion of land use types before and after afforestation

2.3 平原造林前后景觀格局變化

基于景觀指數(shù)定量分析平原造林對研究區(qū)景觀格局的影響。將土地利用圖轉(zhuǎn)成Grid格式后導(dǎo)入景觀格局分析軟件FRAGSTATS 4.2中，根據(jù)實(shí)際情況選取部分景觀指標(biāo)，分別計(jì)算平原造林前后景觀尺度和斑塊類型尺度的景觀指數(shù)變化。

由表2可知，研究區(qū)景觀總斑塊數(shù)由造林前的3 943個(gè)增加到造林后的4 825個(gè)，斑塊密度也呈現(xiàn)上升趨勢，景觀的破碎化程度增加，表明平原造林活動對景觀造成一定干擾；景觀平均分維數(shù)降低，說明斑塊形狀相似性變小，形狀變得不規(guī)則；景觀分離度一直處于較高水平，略有增加，說明造林前后景觀的分離度提高，分布更分散；景觀多樣性指數(shù)略有降低，均勻度指數(shù)也呈現(xiàn)下降趨勢，最大斑塊指數(shù)略有增加，表明各類景觀組分面積比例差別增加，景觀中各組分分配變得不均勻。

表2 平原造林前后景觀格局總體特征值變化Table 2 The total parameter of the landscape patterns of land use types before and after afforestation

表3 平原造林前后景觀斑塊類型特征值變化Table 3 The patches’ parameter of the landscape patterns of land use types before and after afforestation

表3為平原造林前后各個(gè)地類斑塊類型的景觀特征值變化。結(jié)果顯示：（1）平原造林前后，耕地、園地、草地、水域及水利設(shè)施用地、交通用地、未利用地的面積減少。同時(shí)，其斑塊數(shù)量和景觀密度增加，平均分維數(shù)降低，景觀分離度增加，說明這幾類用地類型在面積減少的同時(shí)，景觀破碎度增加，分離度變大，分布趨于分散，且形狀變得更不規(guī)則。（2）林地面積增加，斑塊數(shù)量和斑塊密度大幅度增加，平均分維數(shù)降低，說明林地面積增加，但比較破碎，景觀形狀不規(guī)則且分布分散。

2.4 平原造林前后生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化

當(dāng)前有關(guān)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的研究成果和研究方法多樣。其中，Costanza等關(guān)于全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的計(jì)算方法影響較大［16］，謝高地將該成果進(jìn)行改進(jìn)，形成了中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量表［17］。參考謝高地等的成果，用糧食價(jià)格將全國當(dāng)量校正到2016年，用NPP將全國尺度校正到北京市［18］，形成了北京市不同土地利用類型單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，并據(jù)此計(jì)算研究區(qū)土地利用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化。

由表4可知，研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值由造林前的31.39億元提高到造林后的31.86億元。在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值組成中，林地、耕地、水域和園地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值占比較高。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化與土地利用面積變化一致，林地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值比例由52.99%提高到58.82%；耕地和水域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值明顯降低，其中耕地的價(jià)值比例由16.77%降低到13.61%，水域與水利設(shè)施用地的價(jià)值比例由18.57%降低到16.61%；園地和草地的價(jià)值比例也有一定的降低；其他地類的價(jià)值變化較小。

表4 造林前后土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值Table 4 The total ecosystem service value and proportion of each land use type before and after afforestation

3 結(jié)論與討論

該文基于TM影像提取平原造林前的土地利用/覆被信息，在此基礎(chǔ)上疊加平原造林圖斑數(shù)據(jù)，研究了平原造林工程實(shí)施前后研究區(qū)土地利用、景觀格局和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：（1）研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，平原造林工程主要占用的是自然質(zhì)量較低的耕地，其次是林地和建設(shè)用地等。（2）平原造林工程實(shí)施對區(qū)域景觀有一定的干擾，景觀分布變得更加破碎和分散，景觀形狀總體變得不規(guī)則，且各景觀面積比例差別增加，景觀分布變得不均勻；斑塊類型尺度上的結(jié)果顯示，耕地、園地、草地、水域和水利設(shè)施用地、建設(shè)用地和未利用地的面積都有所減少，造林后景觀變得更分散和破碎，形狀變得更不規(guī)則。（3）平原造林工程實(shí)施后，區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值有所提高。

研究發(fā)現(xiàn)，平原造林工程實(shí)施有助于增加林地面積、提高區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。但是，平原造林占用了大量耕地，造林斑塊在總體景觀中的分布較為分散，未形成較為規(guī)則和連片的林地景觀，影響了區(qū)域景觀的整體性和協(xié)調(diào)性。在后續(xù)的平原造林過程中，不僅要注意造林面積，更要重視造林地塊的布局選址，統(tǒng)籌景觀布局，最大程度的提高造林的生態(tài)效益乃至綜合效益。由于數(shù)據(jù)基礎(chǔ)原因，該研究僅選擇了京承高速公路沿線區(qū)域作為樣帶分析平原造林的影響，將來應(yīng)加強(qiáng)不同區(qū)域平原造林效果的對比研究。