长白山地区土地利用及生态系统服务价值变化研究

2012-12-21章后甜杜会石王世东

水土保持研究 2012年6期

章后甜，杜会石，王世东，雷军

（1.洛阳理工学院土木工程系，河南洛阳471023；2.北京师范大学资源学院，北京100875；3.河南理工大学测绘与国土信息工程学院，河南焦作454000；4.内蒙古师范大学地理科学学院，呼和浩特010022）

土地利用／覆被变化（Land Use and Land Cover Change，LUCC）是全球变化研究中的前沿领域和热点问题，是人类与自然交互影响的核心所在，已成为“国际地圈生物圈计划（IGBP）”的重要组成部分［1－2］。生态系统服务是指人类直接或者间接从生态系统功能中获得的收益，是生态过程所形成的人类赖以生存的自然环境条件和效用［3－4］，对其进行价值评价是将其纳入社会经济体系与市场化的必要条件，也是使环境与生态系统保育引起社会重视的重要措施［5－6］。LUCC通过改变生态系统的结构与功能，对生态系统维持其服务功能起决定性作用［7－8］。因而，研究LUCC背景下的区域生态系统服务价值（Ecosystem Services Value，ESV）变化具有重要意义。近30a来，国内外学者对ESV进行了大量的研究，代表性的成果有Costanza等［3］对全球生态系统服务价值进行的分类与评估，Daily［9］对生态系统服务各个方面进行了研究，并提出社会系统依赖于自然生态系统，欧阳志云等［10］对我国陆地生态系统服务价值进行的估算，谢高地等［11］建立的中国陆地生态系统单位面积服务价值当量等。但如何准确而有效地评估EVS，仍是当今研究的热点问题。

长白山地区的土地利用变化及其生态效应亦是全球变化的一种区域响应，通过对该区土地利用变化及生态系统服务价值进行研究，可以科学地把握土地利用变化与生态系统服务价值变化的过程和规律。文中集成遥感与GIS技术，以长白山地区为研究区，揭示该区土地利用变化的时空演化特征，评估土地利用变化引起的区域生态服务价值变化，为区域生态环境保护、区域可持续发展提供科学依据。

1 研究区概况

本文所指的长白山地区位于吉林省东部，行政区划上隶属长白山管委会、通化地区、延边地区、白山地区，下辖9市、3区、9县。位于125°45′—131°26′E，40°52′—44°30′N，总面积75 377km2。温带大陆性季风型气候，冬季盛行西北风，夏季盛行东南风。年平均气温－7～3℃，7月气温为18.1～22.3℃，1月气温为－23.3～－16.6℃。年降水量700～1 400 mm，85%的降雨集中在6—8月，无霜期65～120d。该区是中国东北地区典型的温带森林生态系统。

2 数据来源及研究方法

2.1 土地利用动态数据获取

研究所用的数据为2000年和2010年Landsat TM／ETM＋晴空影像，空间分辨率为30m。同时收集该区1∶10万地形图、地质地貌图和土壤类型图等。遥感影像的预处理包括：对单通道多光谱数据进行波段合成；以地形图为基准，对2010年各分幅影像进行几何精校正；以校正后的影像为基准，对2000年各分幅影像进行几何精校正；对同期的影像作直方图匹配和拼接处理；按研究区界限对影像裁剪。根据国家通用的土地利用分类系统，结合研究区的实际情况，将土地利用类型划分为旱田、水田、林地、水域、建筑用地和湿地。在GIS的支持下，采用基于知识的人机交互式解译方法，提取各土地利用类型信息（表1）。

表1 2000－2010年长白山地区土地利用变化统计

2.2 生态系统服务价值评价方法

虽然Costanza等［3］的研究使ESV估算原理和方法从科学上得以明确，但研究中某些数据仍存在偏差，如对耕地的评估偏低，而对湿地评估又偏高。谢高地等［12］根据我国的实际情况，制定了中国陆地生态系统单位面积生态服务价值量，并应用在青藏高原生态系统服务价值的估算中。生态系统服务价值的计算公式为：

式中：ESV——生态系统服务总价值（元）；VCk——生态价值系数（元／hm2·a）；Ak——研究区内土地利用类型k的分布面积（hm2）；ESVf——生态系统单项服务总价值（元）；VCfk——单项服务功能价值系数（元／hm2·a）。

在现有的生态系统服务价值评价体系中，由于各研究存在区域差异，尚难对各价值当量形成共识。一般均将水田和旱田视为一类进行价值评价，但由于耕作方式、作物类型等诸多差异，它们的服务功能尚存差异，如水田的土壤与局地小气候均与湿地相似［13］。因此，本文以谢高地的中国陆地生态系统服务价值表为基础，并作如下修订来计算该区的生态系统服务价值：水田的气体调节、气候调节、水源涵养、土壤形成与保护等单位价值取旱田和湿地相应服务价值的平均值；水田多处于水域旱田过渡地带，兼具农田、湿地、水体3种生态系统特点，其生物多样性保护功能优于旱田，取旱田、湿地、水体生物多样性保护价值的平均值为水田的该项服务价值［14］；研究区稻田的单位产量与所有耕地单位产量之比约为1.5∶1，故以旱田食物生产价值的1.5倍作为水田的该项服务价值［15］；水田的废物处理、原材料及娱乐休闲等价值与旱田差异不显著，可用旱田的相应服务价值代替。据此得到修订后的该区单位面积服务价值量（表2）。

2.3 敏感性分析方法

敏感性指数（Coefficient of Sensitivity，CS）用以确定ESV随时间变化对VC变化的依赖程度［16］。CS的含义是指VC变动1%引起ESV的变化情况，如果CS＞1，说明ESV对VC是富有弹性的；如果CS＜1，则说明ESV对VC是缺乏弹性的。比值越大，表明VC的准确性越关键。本文通过分别调整50%的VC来计算CS，从而来说明ESV对VC的敏感程度。CS的计算公式如下：

式中：ESV，VC，k的含义同前；i，j——初始价值和生态价值系数调整以后的价值。

表2 长白山地区生态系统单位面积生态服务价值元／（hm2·a）

3 结果与分析

3.1 土地利用幅度变化分析

通过对长白山地区土地利用幅度变化的分析，可了解该区土地利用变化的态势（表1）：耕地总量有所减少，10a间净减1 261.60hm2，占期内土地利用变化总量的55.81%，其中旱田面积呈增加趋势，增加了6 688.00hm2；水田面积呈减少趋势，减少了7 949.60hm2，水田面积变化较剧烈，变幅达－4.75%，从土地利用变化的数量特征可以看出，这一时期人类活动是影响耕地面积变化的主要因素。林地呈减少趋势，10a减少了4 981.69hm2，变化量占期内土地利用变化总量的19.00%，说明该区森林资源已遭到破坏，应加强森林经营，使其可持续发展。水域面积呈减少趋势，减少面积为115.21hm2。建筑用地急剧增加，增加面积6 424.22hm2，变化幅度达4.27%，年变化率为0.43%，主要是由于人口的增长和经济的发展，导致城乡居民用地与公交建设用地的增加所致。湿地面积呈减少趋势，面积减少65.72hm2，变化幅度达－0.35%，说明应切实保护该区现有珍稀湿地资源。

3.2 土地利用转移分析

借助GIS的Spatial Analysis工具，可获得近10a长白山地区各土地利用类型面积转移情况（表3）。首先，从各土地利用类型的转移方向来看，旱田主要转出为建筑用地和水田，转出面积分别为5 575.48，1 774.21hm2，转化率分别为1.12%，0.36%；水田主要转化为旱田和建筑用地，转移面积分别为9 236.45 hm2和16.56hm2，转化率分别为5.52%，0.37%，耕地面积的转出主要是建筑用地占用耕地及改变耕作方式所致；林地主要转化为旱田和水域，转移面积为4 409.12hm2和365.24hm2，转化率分别为0.07%和0.01%，主要是由于山区毁林开荒所致；水域主要转化为旱田和水田，转移面积分别为403.71，127.28 hm2，转化率分别为0.49%和0.16%。从各土地利用类型转移来源来看，旱田主要是由部分水田、林地、水域转化而来，10a间面积转化率分别为1.82%，0.87%，0.08%；水田主要由旱田、水域、湿地转化而来，转化率分别为1.11%，0.08%，0.04%，说明该区湿地农田化现象在一定程度上存在；建筑用地主要是由旱田、水田、林地转化而来，转化率分别为3.55%，0.39%，0.13%。分析表明，人类活动是影响土地利用类型变化的主要因素，人口的增长和经济的发展，增加了人们对粮食和住房的需求，促使耕地和建筑用地面积急剧增加。

表3 2000－2010年长白山地区土地利用类型面积转化情况 hm2

3.3 生态系统服务价值（ESV）变化

研究区ESV总体呈减少趋势（表4），由2000年的1 507.37亿元减少到2010年的1 505.57亿元，10 a减少了1.79亿元，减少幅度为－0.12%。占面积变化绝对值30.31%的水田，ESV减少0.97亿元，占ESV变化绝对值的37.16%；占变化面积总绝对值19.00%的林地，ESV损失了0.96亿元，占ESV变化绝对值的36.78%；而占面积变化绝对值25.50%的旱田，ESV减少了0.41亿元，占ESV变化绝对值的15.71%。因此，从各土地利用类型在两个时期对总ESV的贡献来看，土地利用变化的影响是较大的，它是区域生态系统服务价值减少的根本原因，而水田和林地面积的减少是该区生态系统服务价值降低的直接原因。同时，旱田面积的增加在一定程度上对总价值作了补偿。

3.4 生态系统单项服务功能价值（ESVf）变化

生态系统各单项服务功能价值（ESVf）呈减少趋势（表5）：水源涵养减少剧烈，达0.55亿元，变化率为20.00%，主要是由于占价值系数较大的水田和林地面积减少所致；气体调节减少的变率最大，为20.95%，主要由林地和湿地面积减少所致；而气候调节、土壤形成与保护、生物多样性保护减少显著，变率分别为15.24%，12.37%，14.29%。

表5 2000－2010年研究区生态系统服务功能价值变化

3.5 敏感性分析

根据CS计算公式，本研究把VC分别上下调整50%，计算出了研究区2000年和2010年的CS。结果表明，ESV对VC的敏感性指数都小于1，最高值为0.55～0.58，即说明当水域的 VC增加1%时，ESV增加0.55%～0.58%。表明研究区内ESV对VC是缺乏弹性的，研究结果可信。

4 结论

2000—2010年，长白山地区旱田和建筑用地的面积呈增加趋势，其余土地利用类型面积呈减少趋势，这种变化主要是人口和经济的发展，对粮食和住房用地的需求增加所致。水田面积减少剧烈，变化面积为7 949.60hm2，林地面积锐减4 981.69hm2，变化量占期内土地利用变化总量的19.00%，人类活动是影响土地利用变化的主要因素。

该区生态系统服务总价值呈减少趋势，亏损了1.79亿元，减少幅度为－0.12%。这种损失主要是受林地和水田面积减少的影响。土地利用变化对生态系统服务价值的亏损起决定作用，而人类活动是导致景观格局变化和生态系统服务价值缺失的根本原因。因此，应及时采取有效措施，促进该区生态系统服务功能的恢复和维护该区的可持续发展。

本文根据研究区实际情况，对中国陆地生态系统服务价值表进行修订，使研究结果更具合理性。但应指出，由于区域的差异或评估方法的制约，评估结果可能不尽准确，但将同样的方法和结果应用到具体区域后，不同时间的价值变化趋势具有可比性，仍能反映该区生态服务价值的变化状况以及存在的问题，从而为生态环境建设、土地持续利用与管理等提供科学依据。

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