土地利用变化对松嫩平原腹地生态系统服务价值的影响

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LandsatTM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400-500mm，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。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LandsatTM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: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。图1松嫩平原腹地地理位置图Fig.1geographicpositionofthehinterlandofSongnenplain图21989年松嫩平原腹地土地利用解译图Fig.2landuseinterpretingofthehinterlandofSongnenplainin1989图32000年松嫩平原腹地土地利用解译图Fig.3landuseinterpretingofthehinterlandofSongnenplainin20002.2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：%1001TUaUbUaK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：KKVCAESV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.1typeofecosystemservicesinthehinterlandofSongnenplain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10.07t/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CostanzaR.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.2ecosystemservicesvalueperunitareaoflandinthehinterlandofSongnenplain生态系统耕地林地草地水域湿地沙地盐碱地气体调节1899.7100311201099915气候调节0116500000干扰调节01722304497637492179305水分调节017271748612424水分供应0251866031388150255侵蚀控制0793193001626土壤形成08360011营养循环0298200000废物处理07192632549334502212360授粉1160166001323生物控制20717153001221栖息地00149025111220食物生产557.535557233921154678原材料0114052087647基因资源013200000休闲娱乐0545295190047412440文化服务017433072773559合计2780.290078889701931221247151215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.3dataoflandusechangeinthehinterlandofSongnenplainfrom1989to2000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253.55717.242153.85574.86749.72722.37828.63369.428%37.862.5722.9711.187.433.344.2810.372000面积276.95623.888115.79658.06832.227.47933.714101.585%41.363.5717.298.674.814.105.0315.171989