土地利用变化对松嫩平原腹地生态系统服务价值的影响.doc

土地利用变化对松嫩平原腹地生态系统服务价值的影响

斯蔼1 汤洁1 李海毅1 杜关记2
(1.吉林大学环境与资源学院 吉林长春 130026; 2.吉林大学建设工程学院 吉林长春 130026)

摘要: 应用1989年和2000年Landsat TM 影像解译数据分析松嫩平原腹地土地利用变化，在此基础上，制定了研究区单位面积生态系统服务价值系数，计算得到松嫩平原腹地生态系统服务价值。结果表明，11年间，松嫩平原腹地土地利用变化呈“5增3减” 趋势：耕地、城镇用地、碱地、林地、沙地迅速增加；草地、水域和湿地大幅度减少。土地利用变化的景观格局破坏了研究区的生态系统服务功能，生态系统服务总价值(人民币)从1366.070亿元/a下降到1017.044亿元/a。
关键词: 土地利用 生态系统服务 松嫩平原腹地

生态系统服务功能是指生态系统与生态过程所形成的维持人类生存的自然环境条件及其效用[1]，它是一种由自然资本的能流、物流、信息流构成的生态系统服务和非自然资本结合在一起所产生的人类福利[2]。生态系统为人类提供的服务包括两大类：第一类是可以商品化的生态功能，如人类生活必需的食物、药品、原材料等；第二类是难以商品化的生态功能，如气候调节、水源涵养、土壤形成等。由于第二类型的生态功能对人类的影响更为广泛和深远[3]，因此，量化评价其经济价值已经成为生态学与经济生态学等学科研究的前沿课题。
自20世纪50年代以来，松嫩平原开发和建设速度加快，已成为我国重要的重工业基地、粮食生产和能源基地。与此同时，人类活动对自然环境的干扰强度日益增大，大面积开荒、垦建脱节、重用轻养、超载过牧、环境污染等均导致了生态环境的恶化[4]，松嫩平原腹地（海拔低于150m的平原面积）土地沙化、碱化和草原退化（简称“三化”）问题尤为严重[5]。这些问题都与松嫩平原地区的土地利用结构、方式及程度密切相关。生态环境质量的下降削弱了生态系统服务功能，进而影响整个地区经济、社会和环境的可持续发展。本文以生态环境较为脆弱的松嫩平原腹地为研究区，以土地利用遥感解译数据为信息源，以生态系统服务价值为量化指标，估算出研究区1989年-2000年11年间的生态系统服务价值的变化量并对其变化原因进行了分析。
1、研究区概况
松嫩平原是东北三大平原（三江平原、辽河平原和松嫩平原）之一，西临大兴安岭东麓的丘陵台地，北部和东部以小兴安岭和张广才岭外围的山麓、丘陵台地为界，南部是以松辽分水岭为主的隆起带。松嫩平原腹地位于松嫩平原西南，海拔低于150m[5]，是松嫩平原最低平的地区。地理坐标为北纬44°20′-47°40′，东经122°10′-126°05′。总面积为670×104hm2。见图1。该区属于温带大陆性半湿润、半干旱季风气候，冬季严寒干燥，夏季温暖湿润。年降水量多年平均为400-500 mm，本区河流主要有松花江干流及其支流嫩江、松花江、第二松花江、洮儿河等。植被类型以草本植被为主，土壤以黑钙土、草甸土、沼泽土、盐土、碱土、风沙土为主。研究区覆盖4个省辖市，17个市县。笔者之所以强调平原腹地的概念，选其作为研究区域，是因为这一地理区位能更真实、明晰地反映生态环境变化趋势。
图1 松嫩平原腹地地理位置图
Fig. 1 geographic position of the hinterland of Songnen plain

2、研究方法
2.1数据来源及获取方法
2.1.1数据来源及预处理:
土地利用变化数据是以中国遥感卫星地面站1989年和2000年Landsat TM卫星影像为数据源，以圆锥等面积投影建立地理坐标系统，将两期TM卫星影像与研究区1:10万地形图进行几何精校正，配准误差小于0.5个像元。
2.1.2 土地利用变化数据获取方法:
图2 1989年松嫩平原腹地土地利用解译图
Fig.2 land use interpreting of the hinterland of Songnen plain in 1989
图3 2000年松嫩平原腹地土地利用解译图
Fig.3 land use interpreting of the hinterland of Songnen plain in 2000

① 根据松嫩平原实际情况，参照国家土地利用分类系统，将松嫩平原腹地景观解译为耕地（水田、旱田）、林地、草地（高覆盖草地、中覆盖草地、低覆盖草地）、水域（水体、滩地）、湿地、城镇用地、未利用地（沙地、盐碱地）等7个一级地类和12个二级地类。根据影像，参照研究区地形图、野外GPS点位及其它辅助资料，建立不同地类的解译标志。② 在ERDAS软件支持下，对影像进行非监督分类及栅格矢量转换。形成初步分级的coverage图件。③ 借助ARC/INFO操作命令，将人工勾绘及拓扑成区后coverage图件转换成ARCGIS可编辑的shape文件。④ 在ARCGIS中，根据地类的解译标志，进行人机交互式判读解译，对shape文件的土地利用类型代码进行属性赋值，制作形成不同时期的土地利用/覆盖分布图，见图2和图3。
2.2 土地利用类型动态度
引入土地利用类型动态度（K）来描述不同类型土地的变化情况，它是指研究区一定时间范围内某种土地利用类型的数量变化情况。其公式：

式中:Ua、Ub分别为研究初期及研究末期某一种土地利用类型的数量；T为研究时段,当T的时段设定为年时，K值就是该研究区某种土地利用类型年变化率。
2.3 生态系统服务价值的评价方法
自20世纪70年代起，人类就开始了对生态系统服务及其价值的研究，但由于地球生态系统提供的服务绝大部分价值难以准确计量，以及缺乏相应的价值评估理论与方法体系等原因而进展缓慢。1997年Costanza等人[6]的研究成果使生态系统服务价值评估的原理与方法从科学意义上得以明确，将生态系统服务研究推向生态经济学研究的前沿。因此，本文应用Costanza等人提出的估算方法来评估研究区的生态系统服务价值，具体计算公式为：

式中，ESV是生态系统服务价值；Ak是研究区k类土地利用类型的面积；VCk为生态系统服务功能的价值系数，即单位面积生态系统的服务价值(元/hm2·a)。
根据嫩平原腹地具体情况，参照谢高地等人的生态资产类型划分[7]，将松嫩平原腹地生态系统服务类别划分为耕地、林地、草地、水体、沙地、盐碱地和湿地等7个类型，见表1。

表1 与土地利用对应的松嫩平原腹地生态系统服务类型
Tab.1 type of ecosystem services in the hinterland of Songnen plain
土地利用
水田
旱田
林地
高覆盖草地
中覆盖草地
低覆盖草地
水体
滩地
湿地
盐碱地
沙地
生态资产类型
农田
森林
草地
水面
湿地
荒漠
松嫩平原腹地
生态系统服务类型
耕地
林地
草地
水域
湿地
盐碱地
沙地
2.4 生态系统服务价值的系数修正
依据Costanza等对生态系统服务类型的划分，本文将生态服务分为气体调节、水分调节、侵蚀控制、营养循环、废物处理、生物控制、食物生产、文化服务等17类。
结合研究区实际情况，在借鉴谢高地[8 ]、卢远[9]等人的研究成果基础上，对耕地、林地、草地、沙漠及盐碱地等部分生态系统服务价值系数进行修正，制定了适用于估算松嫩平原生态系统服务价值的价值系数，见表2。
1．林地气体调节
根据光合作用反应式[10]，推算每生成1g干物质需要吸收1.62g的CO2，释放1.2g 的O2；徐德应研究结果表明[11]，中国北方森林的CO2吸收率为13.60t/hm2，O2释放率为10.07 t/hm2，Ｃ吸纳率为3.67t/hm2；按造林成本法[12]，固碳造林和生产氧气的成本分别为273.3元/t和369.7元/t，则林地固定CO2和提供O2的价值均为1003元/hm2。因此，本文取1003元/(hm2·a)作为林地气体调节功能的价值。
2．耕地气体调节
松嫩平原耕地主要分为水田和旱田。根据肖玉等人的实验研究[13]，水稻气体调节功能的综合价值范围在5467～12842元/(hm2·a)之间。考虑松嫩平原水田以种植单季水稻为主，故取其低值1/2作为水田气体调节的经济价值，即2734元/ (hm2·a)。
旱田作物以玉米和大豆为主。据统计资料，松嫩平原地区玉米和大豆的年均单产分别为7.2t/hm2和1.65t/hm2左右。按玉米和大豆的经济系数分别取0.43和 0.3计[14]，得出玉米和大豆生物产量分别为16.7t/hm2和5.5t/hm2。同理，根据光合作用原理和造林成本法，玉米固定CO2和释放O2价值为1995.1元/hm2；大豆固定CO2和释放O2价值为656.0元/ (hm2·a)。按2000年种植面积结构(玉米和大豆种植面积比1:0.16)对固碳制氧价值进行折算，即得旱田的固定CO2和释放O2价值为1809.5元/(hm2·a)。耕地的生态系统服务价值取二者面积（水田和旱田面积比0.108:1）的加权值，取为1899.7元/ (hm2·a)。
3．草地
谢高地等人[9]对东北温带半湿润草甸草原和草甸区、西北温带、暖温带干旱荒漠和山地草原区等在内的11种草地生态系统服务价值评估。因此，以东北温带半湿润区的草地价值系数为基础，根据遥感目视解译时的草地覆盖度等级划分情况进行系数修正，松嫩平原草地以中、低覆盖草地为主（2000年高覆盖草地仅占24%）。因此，草地的价值系数按0.75系数进行修正，取值为8889元/(hm2·a)。
4．盐碱地和沙地
Costanza R.等人在计算全球生态系统服务功能时并没有考虑荒漠类型的生态服务功能，实际上荒漠并非完全没有生态价值，而是相对于其他类型价值较低。根据松嫩平原腹地实际情况，本文取谢高地等人[9]的温带沙质荒漠的价值系数715元/（hm2·a）作为将沙地生态服务价值系数；取温带盐碱荒漠的价值系数1215元/(hm2·a)作为盐碱地的生态服务价值系数。

表2 松嫩平原腹地不同地类单位面积生态系统服务价值表
Tab.2 ecosystem services value per unit area of land in the hinterland of Songnen plain
生态系统
耕地
林地
草地
水域
湿地
沙地
盐碱地
气体调节
1899.7
1003
112
0
1099
9
15
气候调节
0
1165
0
0
0
0
0
干扰调节
0
17
2230
44976
37492
179
305
水分调节
0
17
27
17486
124
2
4
水分供应
0
25
1866
0
31388
150
255
侵蚀控制
0
793
193
0
0
16
26
土壤形成
0
83
6
0
0
1
1
营养循环
0
2982
0
0
0
0
0
废物处理
0
719
2632
5493
34502
212
360
授粉
116
0
166
0
0
13
23
生物控制
207
17
153
0
0
12
21
栖息地
0
0
149
0
2511
12
20
食物生产
557.5
355
572
339
2115
46
78
原材料
0
1140
52
0
876
4
7
基因资源
0
132
0
0
0
0
0
休闲娱乐
0
545
295
1900
4741
24
40
文化服务
0
17
433
0
7277
35
59
合计
2780.2
9007
8889
70193
122124
715
1215
注:单位：元/(hm2.a)
3、结果与分析
3.1 松嫩平原腹地土地利用变化
土地利用是一个将土地的自然生态系统变为人工生态系统的过程。土地利用的变化是土地覆盖格局变化的外在驱动力，它一方面改变了生态系统的结构，使生态景观格局多样性损失，生态系统初级生产力下降；另一方面改变了生态系统的功能，导致水土保持能力降低，原有生态平衡破坏。随着人类对土地资源开发利用强度的加大，松嫩平原腹地的土地利用结构发生了显著的变化，见表3。
表3 松嫩平原腹地1989-2000土地利用变化数据
Tab.3 data of land use change in the hinterland of Songnen plain from 1989 to 2000
年份
地类
耕地
林地
草地
水域
湿地
城镇用地
沙地
盐碱地
1989
面积
253.557
17.242
153.855
74.867
49.727
22.378
28.633
69.428
%
37.86
2.57
22.97
11.18
7.43
3.34
4.28
10.37
2000
面积
276.956
23.888
115.796
58.068
32.2
27.479
33.714
101.585
%
41.36
3.57
17.29
8.67
4.81
4.10
5.03
15.17
1989-2000
变化面积
23.399
6.646
-38.059
-16.799
-17.527
5.101
5.081
32.157
变化率%
9.23
38.55
-24.74
-22.44
-35.25
22.84
17.75
46.32
K
0.84
3.50
-2.25
-2.04
-3.20
2.07
1.61
4.21
注：面积单位：104hm2

从表3中可看出，耕地面积分布最广， 1989年和2000年比例均为最大，分别为37.86%和41.36%，呈增加的趋势；草地面积所占比例分别为22.97%和17.29%，呈下降的趋势；水域和盐碱地在1989年面积相差不大，所占比例在11%左右，至2000年，水域面积萎缩、盐碱地面积扩张，两者形成强烈的反差，使得盐碱地面积为水域的1.75倍，其比例攀升至15.17%，面积达101.585×104hm2，仅次于草地，为第三大地类。湿地、沙地、林地及城镇用地这四种地类面积总和比例在两个时段中均较小，在17%左右，其中，湿地呈减少趋势，其它三者呈增加趋势，从以上分析可看出，研究区内土地利用/覆盖变化呈“5增3减”的现象：耕地、盐碱地、林地、沙地和城镇用地增加；草地、水域和湿地减少。
进一步分析松嫩平原腹地土地利用类型动态度（K）发现，在所有增加的地类中，盐碱地变化率最大，每年增加4.21%；林地、城镇用地和沙地的增长速率也较大，分别为3.5%/a、2.07%和1.61%/a，但由于它们的面积底数不大，故空间变化不显著；耕地增加幅度最小，为0.84%/a，但因其基数最大，所以面积比例最大；另一方面，在减少的地类中，湿地下降速度最快，每年减少3.2%，草地和水域的下降速度较快，年减少率分别2.04%和2.07%。从以上分析可得出，盐碱地、沙地等荒漠化土地的大量增加主要是由湿地、草地及水域转化而来。
3.2 松嫩平原腹地生态系统服务价值变化分析
按照公式（1）计算了松嫩平原腹地基于土地利用的生态系统服务总价值（见表4）。
表4 松嫩平原腹地1989年-2000年生态系统服务价值变化
Tab.4 change of ecosystem services value in the hinterland of Songnen plain from 1989 to 2000
年份
生态价值
土地利用类型
合计
耕地
林地
草地
水域
湿地
沙地
盐碱地
1989
ESV(108元)
70.494
15.530
136.767
525.512
607.285
2.047
8.435
1366.070
2000
ESV(108元)
76.999
21.516
102.935
407.598
393.242
2.411
12.343
1017.044
△ESV (108元)
6.505
5.986
-33.832
-117.914
-214.044
0.363
3.907
-349.026
注：△ESV为生态价值变化量
从表4中可看出，1989年研究区生态系统服务总价值为1366.07亿元，2000年为1017.044亿元，在这11年中生态价值减少量为349.026亿元，约占2000年全年GDP总量的40%。
从各种地类的生态经济价值变化上看，湿地生态服务的经济价值减少量和幅度最大，生态服务的经济价值量减少214.044亿元，减少幅度达35.25%；其次是水域和草地，生态服务的经济价值量分别减少117.914亿元和33.832亿元，减少幅度分别为22.43%和24.74%；这三者生态服务经济价值量减少量之和达365.79亿元。另一方面，耕地、林地、沙地和盐碱地生态服务经济价值随着面积增加呈增加趋势，其中耕地生态服务经济价值增加6.505亿元，增加幅度为9.22%；林地生态服务经济价值增加5.986亿元，增加幅度为38.54%；沙地和盐碱地生态服务经济价值增加4.27亿元，增加幅度为40%，但这三者价值增加量之和仅为16.761亿元，不足以弥补湿地、水域和草地这三者面积减少造成的整体生态服务经济价值的减少量。
图4 1989年生态系统服务价值评价等级图
Fig.4 evaluating grade of ecosystem service value in 1989
图5 2000年生态系统服务价值评价等级图
Fig.5 evaluating grade of ecosystem service value in 2000

为了直观地展示松嫩平原腹地生态系统服务的空间分布状况，依据1989年和2000年生态系统服务价值的计算结果（表4），将其取值区间均匀划分为7个等级，运用GIS-EIS集成技术，根据划分等级基准，将图2和图3转换为相应的生态系统服务价值的评价图，实现评价结果的可视化（见图4和图5）。图4、图5中色调越深，表示等级越高，则生态系统服务价值量越大，相应地类的生态服务贡献率越大；反之，则生态服务贡献率越小。
从图4、图5中可看出，1989年，湿地的生态服务贡献率最高，为VII级；水域次之，VI级。草地为II级。耕地、林地、沙地和碱地贡献率较低，为I级。随着土地利用结构变化，至2000年，水域的生态服务贡献率相对最高，为V级，但与1989年相比，下降1个级别；湿地下降3个级别，为IV级；其它地类等级不变。从生态系统服务价值评价等级变化情况也可看出，整个研究区生态服务贡献率呈现下降趋势。
4、讨论
1、在1989-2000年的11年间，松嫩平原腹地土地利用空间格局发生了巨大的变化，呈现5增3减的现象：①盐碱地、耕地、林地、城镇用地和沙地面积增加。其中，盐碱地面积增加量和上升幅度均为最大。②草地、水域和湿地面积减少。其中草地面积减少量最多，为38.059×104hm2；湿地面积下降幅度最大，以3.2%/a的速度在急剧萎缩；各种地类面积变化使得松嫩平原腹地的生态系统景观组分趋于单一化、自我调节能力下降，稳定性降低。土地沙化、碱化、草地退化、水体及湿地萎缩等环境问题是研究区生态系统趋于脆弱、生态系统功能破坏的外在表现。
2、应用Costanza等人的评价模型对松嫩平原腹地的生态系统功能进行了量化研究，结果表明：11年来，土地利用/覆盖变化引起的松嫩平原腹地生态系统服务总价值呈下降趋势：1989年生态系统服务总价值为1366.070亿元，2000年为1017.044亿元，生态价值损失量为349.026亿元。由于土地利用结构变化，破坏了松嫩平原腹地生态系统的服务功能，使生态系统服务价值损失了25.5％。
3、在全球气候干暖化的大背景下，松嫩平原近50年来气温上升了0.6℃，降水量减少了17.91％[15]。再加上人类对松嫩平原地区水资源的不合理利用，研究区水域面积不断减少，湖泊蓄水量下降，从而导致水源涵养功能受到较大影响；而超载过牧、过度开垦等人类活动的胁迫作用，又使得松嫩平原腹地湿地生态系统面积不断萎缩，其结构和功能有受到严重破坏，湿地植被种类减少，动物种类和数量也不断下降；毁草开荒、超载过牧等人类活动的影响，也使得草地面积大幅度减少，草地生态系统的结构和功能受到不同程度的影响，部分过牧草场甚至出现沙漠化和盐碱化等荒漠化现象。由此可见，研究区生态环境的演变直接地体现在生态系统服务价值的量化指标上。在生态系统中，环境因子的生态系统服务功能发生改变，最终都会导致整个生态系统失去原有的平衡[16]。因此，松嫩平原地区要实现经济、社会和环境可持续发展的目标，就必须维持生态系统服务功能的完整性和稳定性。当前，积极退耕还草，保护天然林和水源涵养林，遏制景观破碎化，保护湿地，实施盐碱地改良是恢复区域生态系统服务功能的有效途径，同时也是实现可持续发展的重要举措。

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Effects of land use change on ecosystem services value
in the hinterland of Songnen plain

Si Ai1, Tang Jie1, Li Hai-yi1, Du Guan-ji2
(1.College of environment and Resources, Jilin University, Changchun, 130026 China
2.College of Construction Engineering Jinlin university ChangChun 130026 China)
Abstract: Based on the data of land use changes from1989 to 2000, the paper put forward the coefficient of ecosystem services value per unit area of the in the hinterland of Songnen plain and calculated the ecosystem services value. The results showed that the area of such five lands as saline-alkali land, arable land, woodland, urban area and sand land had increased rapidly during the 11 years. Meanwhile, the area of grassland, inland water and wetland had extremely decreased. The landscape pattern of land use changes led to the damage of ecosystem services function in the study area, and declined the value of which from 136.6070 billion to 101.7044 billion Yuan annually.
Key words: land use ecosystem services the hinterland of Songnen plain