哈尔滨市土地利用与生态系统服务价值演变研究
2020-11-14吴子媛万鲁河
吴子媛，万鲁河
（哈尔滨师范大学，黑龙江哈尔滨150025）
引言
作为人类生存与现代文明基础的生态系统服务，同时是科学技术所无法取代的自然生态系统服务功能[1]，在人类健康、生存、区域安全和全球生态安全方面起着重要的作用[2-4]，更是生态学和地理学研究的前沿和热点[5]。近年来，学者们致力于不断地加强研究生态系统尺度方面的问题[6，7]，但相关生态服务价值评价研究大多是单一尺度、静态分析的方式，而对区域生态系统服务价值评估的适宜尺度及其尺度变化的响应特征、驱动机制等问题研究较少[8]。作为可定量揭示地理变量的空间关联性问题的空间统计分析方法，可以研究区域土地利用变化与ESV 空间格局特征，也是地理学领域研究的重要方向[9-11]。
目前在生态系统服务价值研究中，主要聚焦在城市化进程速度较快且土地利用类型变化剧烈的东部发达地区[12，13]。哈尔滨市位于中国东北平原的东北部地区，随着近年来城市化进程的加快，土地利用变化剧烈，与生态系统之间的矛盾也逐步凸显。分析2000～2015年哈尔滨市生态系统服务价值时空分布格局，探讨生态系统服务价值的尺度响应特征，研究结果可为哈尔滨市生态系统功能调控、生态安全格局构建及生态文明建设等提供决策理论依据。
1 研究区概况与数据来源
1.1 研究区概况
哈尔滨是黑龙江省省会、副省级市、哈尔滨都市圈核心城市。截至2018年，总面积5.31万平方公里，其中市区面积1.01万平方公里；户籍总人口951.5万人，比上年末减少3.5万人，其中，城镇人口467.5万人；气候属中温带大陆性季风气候，冬长夏短，全年平均降水量569.1 毫米，降水主要集中在6～9月，夏季占全年降水量的60%，集中降雪期为每年11月至次年1月。四季分明，冬季1月平均气温约零下19 度，夏季7月的平均气温约23 度。哈尔滨市区及双城区、呼兰区地域平坦、低洼，东部县（市）多山及丘陵地；东南临张广才岭支脉丘陵，北部为小兴安岭山区，中部有松花江通过，山势不高，河流纵横，平原辽阔（图1）。
图1 哈尔滨市高程图
1.2 数据来源
本文采用中国科学院资源环境科学数据中心（http://www.resdc.cn/Default.aspx）的土地利用遥感监测数据，通过ArcGIS 中数据提取、裁剪等步骤，得到哈尔滨市2000、2005、2010 和2015年的土地利用覆被数据，空间分辨率为1 km×1 km。 结合哈尔滨市的特点，将土地利用类型分为6 类：耕地（1）、林地（2）、草地（3）、水域（4）、建设用地（5）、未利用地（6）。另外，用于修正哈尔滨市单位面积生态系统服务价值系数表的统计数据来源于《黑龙江省统计年鉴》和《中国统计年鉴》。
2 研究方法
由《黑龙江省统计年鉴2011》资料可知，哈尔滨市粮食单位面积产量为7627 kg/hm2，而同年全国粮食单位面积产量为4974 kg/hm2，中国2010年1个生态系统价值当量的经济价值为3406.50 元/hm2[14]，本文选用谢高地[15]等学者修订的生态服务价值当量因子法进行评估，对生态服务价值当量进行修正，计算出哈尔滨市生态系统服务价值当量因子系数为1.53,1个生态服务价值当量为2226.47 元/hm2。最终确定哈尔滨市不同土地类型单位面积生态系统服务价值当量表（表1）。
表1 哈尔滨市单位面积生态系统服务价值当量表单位：元·hm-2·a-1
3 结果与分析
3.1 哈尔滨市土地利用类型变化特征
哈尔滨市土地利用类型为耕地、林地、草地、水域、居民用地和未利用地六种，总面积53045 km2。具体来看，面积从2000～2015年一直增加的是耕地和居民用地，耕地的面积从2000年的23699 km2增加到2005年的23761 km2，增加比例为0.11%；随着城镇化的进展，哈尔滨市的居民用地也随之增加，面积增加了138 km2，比例增加了0.26%；面积逐年减少的是林地和未利用地，从2000年到2015年，林地面积减少了144 km2，比例减少了0.27%，是变化面积最大的土地利用类型；未利用地也呈现逐年减少的趋势，未利用地在哈尔滨市所占比例并不高，从925 km2减少到847 km2，比例减少了0.14%；而草地和水域都呈现出先增加后减少的趋势，草地总体呈现为增加的趋势，从2000～2010年，草地增加了62 km2，到2015年减少了7 km2，总体增加了55 km2，占哈尔滨市面积比例在1.87%～1.99%之间；水域总体则呈现出减少的趋势，从2000～2010年，水域增加了22 km2，到2015年减少了55 km2，总体减少了33 km2，占哈尔滨市面积比例在4.42%～4.52%之间（表2）。
表2 2000～2015年哈尔滨市土地利用类型面积
3.2 生态系统服务价值分析
3.2.1 生态系统服务价值测度。由表3 可知，2000～2005年哈尔滨市生态系统服务价值（ESV）呈现增长趋势，ESV 从2000年的2111.34 亿元增长到2005年的2113.51 亿元；2005～2010年哈尔滨市ESV 略有减少，减少了0.94 亿元；2010～2015年哈尔滨市ESV 减少的较多，ESV 从2010年的2112.57 亿元减少到2015年的2096.76 亿元。11 种单项生态服务功能价值中，水文调节价值贡献率最大，其次是气候调节、土壤保持、气体调节和生物多样性，上述5 种单项生态服务功能价值构成了哈尔滨市ESV 的主体。此外养分循环和水资源供给的价值贡献率较小。其中，2000～2015年水文调节的ESV 分别为776.39 亿元、778.81 亿元、780.76亿元、和768.18 亿元，ESV 贡献率在36.64%～36.96%之间。15年间（2000～2015年）哈尔滨市ESV 演变由前期（2000～2005年）增加和中期（2005～2010年）缓慢减少到后期（2010～2015年）迅速减少，说明其生态系统服务价值呈现下降的趋势。
从土地利用类型来看，由表4 可知，2000～2015年哈尔滨市林地的ESV 贡献最大，2000～2015年林地ESV 分别为1209.64 亿元、1207.58 亿元、1202.49 亿元和1202.23 亿元，ESV 贡献率在56.92%～57.34%之间；水域和耕地也是ESV 的主要构成部分，ESV 贡献率分别为31.24%～31.73%和9.94%～10.04%。2000～2015年各类土地利用类型贡献量一致，草地、未利用地和居民用地对哈尔滨市的ESV 贡献量较少。
3.2.2 生态系统服务价值时空分异特征。为了能够更精确的分析哈尔滨市ESV 时空分异特征，本研究以格网为研究单元，参考相关文献，发现大多数研究中构建的格网单元有1 km×1 km[16]、3 km×3 km[17]、5 km×5 km[18]等。为了考虑不同格网尺度对研究结果的影响，本文比较了不同格网尺度下ESV 时空格局特征及其差异，发现5km 格网尺度的分析结果能够表达出哈尔滨市ESV 分布特征。
表3 2000～2015年哈尔滨市生态系统服务价值变化
表4 2000～2015年哈尔滨市不同土地利用类型生态系统服务价值及变化
自然断点法可以有效表征要素的空间分异特征，它是通过设置边界在数值差异相对较大处，对相似值进行适当的分组，使各组数据之间差异最大化[19]。据此本文在计算每个格网的ESV 后，通过自然断点法使用ArcGIS 的重分类工具将哈尔滨市的ESV 从低到高划分为 一级、二级、三级、四级、五级等5个等级，得到ESV 的时空格局图（图2）。
图2 可以看出，哈尔滨市ESV 存在的空间分异特征表现为中部高、东西低，即中部ESV 高值区（主要地类为水域和林地）和周边的ESV 低值区（主要为耕地和建设用地）。其中ESV 高值部分主要围绕松花江流域，而西部低值区则为建设用地和耕地。具体到行政区来说，五常市、尚志市、方正县和通河县的生态系统服务价值明显高于其他区域，主要由于这些区域良好的自然生态本底；而道里区、道外区、南岗区和香坊区生态系统服务价值较低，主要是因为建设用地所占比例较大，15年间变化较快。
图2 2000～2015年ESV 的时空格局图
4 结论
本文以哈尔滨市为研究区，从格网尺度分析了2000～2015年土地利用变化以及生态系统服务价值的分析，结果表明以下几点。
4.1 土地利用变化方面，随着城镇化进程的加快，哈尔滨市土地利用发生了变化。从2000～2015年，耕地、草地、居民用地增加，其中居民用地面积增加最多，为138 km2；林地、水域和未利用地减少，其中林地减少最多，为144 km2。
4.2 2000～2015年的整个研究期间，总ESV 的变化约为14.58 亿元。15年来，哈尔滨市生态系统服务总价值呈波动下降趋势，生态损失主要是由林地（57.29%）和水域（31.46%）面积减少造成的，林地是哈尔滨市ESV 的最主要构成部分，其次为水域、耕地和草地。单项生态系统服务功能中水文调节服务的贡献率最高，平均ESV 约为776.03 亿元。 气候调节、土壤保持和气体调节的平均ESV 为408.43 亿元、198.68 亿元和170.86 亿元。
