延边朝鲜族自治州生态系统服务变化研究

侯焱臻， 韩旭龙， 耿 鑫， 李明玉

(延边大学理学院，吉林 延吉 133002)

生态系统服务是指生态系统所形成和维持的人类赖以生存和发展的环境条件与效用，为人类直接或间接从生态系统得到的所有收益[1]。生态系统服务价值( ecosystem services value, ESV) 是指对生态系统为人类提供的有益的生态产品和生态功能进行经济度量[2]。随着城市化在全球的快速推进，人类对生态系统的直接和间接作用显著增加[3-4]。土地利用与覆被的变化( Land use and land cover change, LUCC)改变了生态系统的结构和功能，从而影响生态系统的平衡[5-6]。Costanza等[2]对全球生态系统服务及其价值量进行评估。谢高地等[7]根据中国实际情况，对生态系统服务价值量系数进行修正，得到了中国陆地系统的生态系统服务价值系数，被众多中国学者用来估算中国生态系统的价值变化[8]，并取得显著成果[9-15]。

在国家发展战略“一带一路”的背景下，作为边境地区的延边朝鲜族自治州具有重要的区域地理意义。本研究以延边朝鲜族自治州(简称为延边州)为研究区，进行土地利用变化及其对ESV的演变机理研究，结合2007、2016年的土地利用与土地覆被数据和其他辅助数据探讨近10年研究区土地利用变化引起的生态系统服务价值变化规律，为研究区土地利用规划、生态环境保护和可持续发展提供科学指导。

1 研究区概况

延边州位于吉林省的东部，经纬度为127°27′～131°18′E，41°59′～44°30′N，北接俄罗斯，东临日本海，西通我国内陆，南与朝鲜隔河相望，是中、朝、俄的金三角核心地带。延边州包括延吉、图们、敦化、珲春、龙井、和龙、汪清、安图8个县市，辖地面积4.27×104km2。整体地势呈西高东低，自西南、西北、东北向东南倾斜的趋势，以珲春一带为最低。地貌类型复杂多样，呈山地、丘陵和盆地3个梯度，山岭多分布在周边地带，丘陵则分布在山地边沿，盆地主要分布在江河两岸和山岭之间。全州最高峰为长白山白云峰，海拔2 691 m，长白山脉贯穿全州。自然生态保存完好，动植物多样性丰富。受东部日本海影响，属于中温带湿润季风气候，春季干燥多风，夏季湿热多雨，秋季凉爽少雨，冬季寒冷期长。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源及处理

从美国地质调查局网站(http://glovis.usgs.gov)下载延边州2007和2016年Landsat TM/OLI影像数据。首先对遥感数据进行大气校正、几何精校正、图像增强、拼接和裁剪等影像预处理。参考国内外相关土地资源遥感分类系统[16-17]，结合研究区实际情况将统一划分为林地、草地、水域、建设用地、旱地和水田6种土地利用类型。采用面向对象分类遥感分类提取和目视判读的人机交互方式进行影像解译，并通过野外实地调研将解译结果进行验证，平均解译精度准确率为85%以上，满足数据精度要求(图1)。其他社会经济数据均来源于《吉林省统计年鉴》和《延边州统计年鉴》。

图1 2007和2016年延边州土地利用/土地覆被情况

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用类型动态度

本文引入单一土地利用动态度。土地利用类型动态度是评价土地利用类型数量变化、土地利用程度变化及土地利用变化的区域差异的指标[18]。其值越低表明土地系统内部越稳定，其表达式为：

(1)

式中:K为研究时段内某一土地利用类型动态度，即该研究区某种土地利用类型年变化率；Ua、Ub为研究初期及研究末期某一种土地利用类型的数量；T研究相隔时间段，单位为年。

2.2.2 生态系统服务价值估算

生态系统服务价值( ESV) 计算公式为:

ESV=∑Ak×VCk

(2)

式中:Ak为k类土地利用类型的面积(hm2);VCk为生态系统服务价值系数，即单位面积生态系统的服务价值。

谢高地等[19-20]根据中国实际情况对公布的生态系统服务系数进行修正，得到了中国陆地系统的生态系统服务价值系数，并结合我国生态环境特征，将生态系统服务功能分为气体调节、水源涵养、娱乐文化等9类，同时提出了利用当量因子表计算生态系统服务价值，定义全国平均 1 hm2的农田年平均自然粮食产量的经济价值为 1，其它生态系统的生态服务价值当量因子是指生态系统产生的生态服务相对农田食物生产服务贡献的大小，农田生态系统提供食物生产功能的经济价值计算模型:

(3)

式中:Ea为单位农田生态系统提供食物生产功能的经济价值(元/hm2)；i为作物种类，pi为i种粮食作物的平均价(元/kg)；qi为i种粮食作物单产(kg/hm2)；mi为i种粮食作物面积(hm2)；M为农田总面积。

研究区主要粮食作物为玉米、水稻和大豆等，以2007和2016年的年平均产量3 989.57 kg/hm2为基准单产，粮食价格按3种农产品的平均价格2.15元/kg。生态系统提供的经济价值是在没有人力投入的情况下单位面积农田提供的粮食生产经济价值的1/7[21-23]，可得到农田自然粮食产量的经济价值约为1 225.37元/hm2，即为本文所采用的不同生态系统服务价值基准单价，参考“中国生态系统服务价值当量因子表”[24]，结合研究区的实际情况，得到延边州的生态系统服务价值系数(表1)。

表1 延边州不同土地利用类型的生态系统服务价值系数

2.2.3 敏感性分析

敏感性指数 (Coefficient of Sensitivity，CS) 反映随着时间变化，生态系统服务价值对生态系统服务价值系数的依存度[25]。价值系数的敏感性指数计算公式为

(4)

式中:CS表示敏感度，VC表示生态系统服务价值系数，VCik、VCjk分别表示初始价值系数和调整后的价值系数，K表示土地利用类型．将不同土地类型的生态系统服务价值系数上下调整 50%，以此衡量研究区生态系统服务价值的变化[26]。

3 结果与分析

3.1 土地利用动态度分析

对研究区域2007和2016年延边土地利用/土地覆盖现状数据分析，统计出各种土地利用/土地覆被类型的变化量、变化率和动态度(表2)。在延边不同的土地类型中，林地类型始终保持83%以上；水田在2007和2016年所占比率处于1.4%以下。从面积变化上来看，2007和2016年，林地、水域和建设用地的面积都有所增加；而耕地和草地面积都呈现出不同程度的减少，水田的比例从2007年的1.37%至2016年下降到1.11%。

表2 2007和2016年延边州各土地利用类型面积变化及其动态度

注：“-”为减少。

通过土地利用类型面积变化量可得出，林地在2007和2016年面积增加了171.92 km2，正变化量最大。耕地在2007和2016年面积减少最大，减少了260.17 km2。草地面积减少，旱地和水田面积分别减少了145.14和115.03 km2。建设用地面积增加了94.50 km2。水域面积也在2007和2016年增加40.93 km2。

就土地利用类型动态度而言(图2)，水田面积变化较为剧烈，其次是建设用地。林地面积动态度指数最小，变化比较平稳，其系统内部较为稳定。伴随社会经济的发展，建设用地面积的增长大势所趋，在2007和2016年始终处于增长的趋势。也从侧面反映出研究区在这段时期经济持续发展，状态良好，城镇化进程不断向前发展。耕地面积、草地面积的减少和林地面积的增加也说明延边州在响应吉林省“十一五”和“十二五”规划中的“东部长白山水源涵养用材林及产业经济密集区”政策时取得了一定成效，有利于研究区生态文明的健康发展。

注：“-”为减少

由图2可知，延边州各县市在2007和2016年就林地面积而言，延吉市、图们市、和龙市、珲春市、龙井市和汪清县都有所增加，龙井市增加最为显著，增加林地面积为113.4 km2；建设用地面积，各县市都有所增加，敦化市增加最为显著30.79 km2；延吉市、和龙市、敦化市和珲春市都出现草地面积减少的情况，敦化市减少最多，减少面积为71.3 km2；在水域面积方面，除敦化市、龙井市和安图县增加以外，其它县市均出现水域面积减少的情况，珲春市减少最为显著，减少面积为17.7 km2。另外，在旱地面积方面，敦化市、珲春市和安图县都出现不同程度的增加，其它县市旱地面积都有所减少；而水田面积仅在和龙市与图们市有少量的增加，其余县市都有不同程度的减少。

图3 延边州各县市土地利用类型面积变化

3.2 主要土地覆被类型转化特征

由表3可知，2007和2016年，草地主要向林地、旱地转移，其中草地向林地的转移幅度最大，最大面积达340 km2；旱地主要向建设用地、林地转移，其中向林地转移面积最大，为833.6 km2；建设用地主要向草地、旱地转移，以向草地转移面积最大，为22.1 km2；林地用地主要向草地、旱地转移，其中向旱地转移面积最大，为751.7 km2；水域主要向水田转移，转移面积为24.8 km2；水田主要向旱地、水域转移，以向旱地转移面积最大，为58.4 km2。

表3 2007和2016年延边土地利用面积变化转移矩阵Table 3 Change transfer matrix of land use areas in counties and cities of Yanbian Prefecture in 2007&2016 (km2)

3.3 生态系统服务价值

3.3.1 总体生态系统服务价值变化

利用表1核算的延边州单位面积生态系统服务价值，通过ESV计算公式，确定延边州2007和2016年生态系统服务价值变化情况。由图4可知，延边州各土地利用类型的生态系统服务价值变化量依次为：水域、林地、旱地、草地、水田。因未对建设用地进行单位面积生态系统服务价值估算，在此建设用地类型并未纳入所讨论的范围之内。

图4 延边2007和2016年生态系统服务价值变化

延边州总体生态系统服务价值变化呈现较弱的增长趋势，从2007年的1 003.43亿元，到2016年的1 011.92亿元，增加8.49亿元。从各种土地利用类型的ESV来看，总体趋势表现为“两增三减”。旱地类型减少量最多(0.71亿元)、其次为草地(0.7亿元)和水田(0.55亿元)；水域类型增加最多，为6.3亿元，其次是林地，增加4.15亿元。

3.3.2 单项生态系统功能价值变化

根据表4可知，各生态系统服务功能对延边生态系统服务价值的贡献价值率位居前3位是气候调节、水文调节和土壤保持。

表4 延边州2007和2016年单项生态系统功能价值

气候调节的生态系统服务价值贡献率最高，主要是林地、草地和水田3种土地利用类型在生态系数服务价值的数值较高(表1)，分别为2 337.39、1 478.61和1 360.16元/hm2。其次为水文调节，主要是取决于水域、林地和草地3种土地利用类型在生态系数服务价值系数的数值，分别为125 281.83、4 576.76和3 333.01元/hm2。但因土地利用类型林地面积始终保持在延边州总面积的83%以上，并且林地类型在生态系数服务价值系数的气候调节数值远大于水文调节数值。所以，气候调节的功能价值始终在延边单项生态系统功能价值保持第1位。土壤保持的生态系统功能价值位于第3位。

维持养分循环的生态系统服务价值的贡献率最小，在于其生态系统服务价值系数过低。总体而言，延边各单项生态系统功能价值大多处于稳步增长的趋势，增长最为显著的是调节服务中的水文调节。唯有维持养分循环和食物生产处于减少趋势。

3.3.3 各县市生态系统服务价值变化

由图5可知，延边大多数县市始终保持增长的趋势，其中以龙井市和图们市增长趋势较快。在2007和2016年，敦化市和汪清县在延边各县市生态系统服务价值中保持第1位和第2位，得益于敦化市和汪清县拥有较为广阔的林地面积。而龙井市、图们市和延吉市由于较小的区域面积，在延边州各县市生态系统服务价值数值中始终处于较低状态。而珲春市的生态系统服务价值则处于下降趋势。

2016年珲春市生态系统服务价值较2007年下降0.017×108元。从单项生态系统服务来看，下降明显主要是由于生态系统服务总价值中贡献较大的气候调节和土壤保持的减少所造成的。同样，2016年珲春市在生态系统服务价值贡献较为突出的草地、水域和水田3种土地利用/覆被类型面积方面，比2007年都有不同程度的下降。

图5 延边州各县市生态系统服务价值

3.4 生态系统服务价值敏感性分析

根据前面所述的敏感性指数计算方法，本文将林地、水域、草地、旱地和水田的生态价值系数分别上下调整50%，然后采用调整后的生态价值系数对研究区延边2007和2016年总服务价值进行了计算和估值，估算的结果及敏感性指数如表5所示。各种生态系数分别上下调整50%的情况下，价值系数的敏感性指数CS都小于1，最低值为0.002。即当草地的生态系数增加1%时，总价值只增加0.011%；最高值范围为0.869～0.873，即当林地的生态价值系数增加1%时，总价值增加0.869到0.873个百分点。这表明相对于生态系统服务价值系数(VC)来说，研究区总的生态系统服务价值缺乏弹性。

表5 调整价值系数后总生态系统服务价值的变化及敏感性指数

就CS值而言，即使CS值小于1，过高或过低赋值的生态系统也可能很大程度上影响生态价值随时间变化的真实性。因此，本研究进一步分析了较大的生态价值系统的变化对生态系统服务价值变化的影响。各土地利用类型的生态价值系数增减50%，研究区生态系统服务价值2007和2016年的变化率为0.56%～1.13%，与生态价值系数调整前的变化率0.78%相差不大。

4 讨论与结论

1) 2007和2016年，研究区延边州旱地、水田和草地面积减少，建设用地、水域和林地面积增加。土地利用类型的变化主要是由于研究区“退耕还林”政策的实施，以及研究区随着经济社会的发展，城镇现代化建设占用大量的耕地和草地。各种土地利用类型面积的变动有利于利益相关者可以更好的宏观把握土地利用类型的变化趋势，为政策的制定奠定准确的数据基础。

2) 就研究区延边州生态系统服务价值而言，2007和2016年研究区土地利用的生态系统服务价值呈现出较弱增长的趋势。草地、旱地和水田生态系统服务价值减少，林地和水域生态系统服务价值增加。从研究区单项生态系统功能价值来看，气候调节等生态服务价值增加，而食物生产和维持养分循环则在减少。气候调节、水文调节和土壤保持是延边朝鲜自治州生态系统服务功能的主要构成。从延边州各县市的生态系统服务价值来看，各县市大多呈现出良好的增长趋势。而珲春市却呈现出下降趋势。

3) 延边州各土地利用类型的生态系统服务价值敏感性指数的值都小于1，并且每年的变化幅度较小，总体上比较稳定,表明研究区的生态系统服务价值相对价值系数缺乏弹性。即估算的生态服务价值系数对研究区而言相对合理，与当地实际情况相符合。