基于RS、GIS土地利用及其生态服务价值变化的研究

孔 达，王国强，龚文峰

（1.黑龙江大学水利电力学院，哈尔滨150080；2.哈尔滨市水务科学研究院，哈尔滨150001）

0 引 言

土地利用／覆被变化 （LUCC）是全球环境变化的重要组成部分和主要原因之一，已引起许多自然现象和生态过程的变化［1－4］。但土地利用是人类生存与发展不可缺少的活动，土地利用变化引起各类生态系统类型、面积以及空间分布格局的变化，直接影响生态系统所提供服务的种类和强度。因此，以生态系统服务功能来衡量土地利用类型和土地利用变化类型的改变所导致的生态系统服务功能价值变化具有重要意义［5－9］。因此，本文基于RS、GIS定量评价土地利用变化及其引起的区域生态系统服务价值的变化情况的研究，对于探讨区域内的土地利用的变化及其对生态环境的影响，制定相应的土地利用政策，改善人们的生存环境有十分重要的现实意义。

1 研究区域

哈尔滨市阿城区位于黑龙江省南部，哈尔滨市东南23km处。阿城区地理坐标为E126°40′～E127°39′，N45°11′～N46°00′。阿城区处于张广才岭和松花江平原的过渡地带，是一个 “六山一水三分田”的半山区。阿城区位于松花江流域，属北温带季风气候区，大陆性气候特点明显。

2 数据处理

以1996年和2000年两期Landsat TM遥感图像为原始数据，1∶50 000地形图为基础，在ERDAS IMAGINE软件中，对遥感图像进行几何校正。以 《中国土地分类系统》（2001）为标准，结合研究区实际土地利用状况，在ArcGIS9.2软件平台下借助土地利用现状图和野外调查资料对影像进行机助解译并数字化，建立空间拓扑关系，生成土地利用的图形数据库和相应的属性数据库，土地利用方式分为耕地 （水田和旱田）、林地 （有林地、灌木林、疏林地）、草地、水域 （河流、湖泊和水库池塘）、建设用地 （城乡工矿居民用地、其它建设用地）和未利用地 （沙地、沼泽等）6个一级类型。

3 研究区域土地利用变化

3.1 土地利用状况

利用处理后的遥感数据，在ArcGIS9.2软件中绘制土地利用状况图，通过属性表提取研究区域两个时期的各土地利用类型面积 （表1）。

表1 研究区域土地利用面积及其百分比Table 1 Area and proportion of land use in study region

对研究区域两期土地利用数据进行分析可知：

1）阿城区作为一个传统的粮食产地，其耕地面积占整个土地面积的50%以上，而且在稳步的逐年增加，这主要取决于国家对基本农田的保护政策，以及当地农民较高的种粮积极性；

2）阿城区的林地面积占整个土地面积的30%以上，植被覆盖率高，城市生态环境相对较好，但是森林面积在减少，2000年较1996年减少了4.6 km2；

3）阿城区的草地面积占0.9%左右，尽管草地对于生态环境的改善具有一定的作用，但由于草地具有容易沙化和保持水土能力弱的缺点，要注意水土的保持和增加植树造林的面积；

4）阿城区建设用地占土地的面积＜5%，且具有一定比率的未利用地，因而整个城区发展的土地资源充足，发展潜力较大。1996至2000年社会经济发展而建设用地反而减少，主要是对过去过度依赖土地资源消耗的发展方式的转变，以及农村的整体规划。

3.2 单一土地利用类型变化的动态度

刘纪远等把中国的土地利用的时间动态特征划分为4种类型，并确立了相应的判定标准 （表2）。

由表3可见，水域变化和未利用地的变化属于慢速变化，其余各类型土地变化均属于极缓慢变化，除了与数据本身有关，更重要的是阿城区作为一个农业城区，以农业发展为主，社会经济发展不需要短时间内大量土地的转移，土地利用变化较慢。

表2 土地利用的时间动态特征分类标准Table 2 Time dynamic characteristics classification of land use／%

表3 研究区域各类型土地时间动态特征Table 3 Time dynamic characteristics of land use

3.3 预测土地利用变化

马尔柯夫模型用转移概率矩阵模拟土地利用从一种类型向另一类型转移的动态过程，公式表示为：

式中A（T＋1）为土地类型在T＋1时刻的状态；A（T）为土地类型在T时刻状态；P为转移概率矩阵。见表4、表5。

表4 土地利用转移矩阵Table 4 Land－use transfer matrix ／%

表5 马尔科夫模型预测结果Table 5 Prediction of Markov model ／%

3.4 预测模型简化

利用马尔柯夫模型模拟的数据，借助Excel表格的数据分析功能，对预测的各类型土地比率变化情况进行了线性拟合 （表6）。

表6 各土地类型变化预测线性拟合Table 6 Prediction linear fitting of land use

由表6可见，6种土地利用类型的线性模拟效果均较好，能够达到与马尔柯夫类似的预测土地利用类型变化的作用，线性模型的简便性较马尔科夫模型的矩阵运算有一定的优势。但同时线性模型与马尔柯夫模型存在一定的缺陷，因为是以确定的转移矩阵来预测未来土地利用类型的变化，没有外界条件变化的修正，当发生一些剧烈的变化时，如国家政策的改变、自然灾害造成土地利用类型的剧烈变化等，此类模型就失去意义，所以此类模型只适用于在较短年限、相似条件下的土地利用类型变化的预测。即使如此，这类模型对于制定相应土地政策以保持土地的可持续利用仍具有一定现实意义。

4 研究区域生态服务价值

4.1 生态服务价值分析方法

生态系统服务价值评价方法Costanza等提出的价值系数在生态系统服务价值评价中得到了广泛应用。本文采用谢高地的生态服务价值表，并结合Costanza提出的ESV计算公式进行估算。计算公式为［10－11］：

式中ESVf为生态系统单项服务功能价值 （元）；Ak为研究区中土地利用类型的面积 （hm2）；VCfk为单项服务功能价值系数 （元／hm2·a）。

表7 研究区域土地利用类型单位面积生态服务价值表Table 7 Area ecological service value scale of land use types per unit／元·（hm2·a）－1

4.2 生态服务价值的变化

依据上文中的数据和计算方法，算得研究区域1996年和2000年的生态价值（表8）。

表8 研究区各土地利用类型生态系统服务总价值及其变化Table 8 Total ecosystem services value and its change of each land use type

在马尔科夫转移矩阵的基础上，本文采用生态价值转移贡献率来研究土地利用类型之间相互转化所引起的生态价值的变化，用来反映动态变化过程中特定类型转移过程的重要性程度差异［12－13］。

式中i，j为土地利用类型；t为发生土地利用类型转化的时间段；Ait－Ajt为在时间t内由于土地利用类型i转变为j所引起的生态价值的变化量；∑｜ΔAijt｜为生态价值的变化总量；Tijt为转移贡献率。

由主要土地利用变化类型及其对生态环境的贡献率表9分析可知：在生态价值增加的土地类型转换中贡献率最高的是耕地到林地的转换，为15.96%；在生态价值减少的土地类型转换中贡献率最高的是林地到耕地的转换，为36.81%；草地、耕地、未利用地、建设用地到水域的转换的贡献率为17.41%。可见林地与耕地之间存在时间和空间上的相互转换，但是以林地到耕地的转换为主，这是影响研究区域生态价值增长的主要原因。由于2000年左右降水较丰的原因，阿城的水域面积增加，整个生态系统服务价值有少量增加。

表9 主要土地利用变化类型及其对生态环境的贡献率Table 9 Main types of land use change and its contribution to the ecological environment

5 结 论

通过对研究区域土地利用类型及其生态服务价值变化的分析，得到如下结论：

1）1996～2000年阿城区的各土地类型中耕地面积所占比率最大，1996年为54.38%，且以年均0.08%的速率增长为2000年的54.55%。

2）从研究区域单一土地类型时间动态特征和土地转移矩阵分析，1996～2000年研究区域土地转移速率较慢，除未利用地之外，其余各土地利用类型均有较高的保留率。

3）1996年研究区域的生态服务价值为308.29 ×107元，2000年较1996年增长了9.6×106元，为309.25×107元。通过马尔柯夫模型和简化后的线性模型预测，研究区域的生态服务价值 （y）以y＝0.538x＋308.8（x表示年份）的函数增长。

4）生态环境增值区域，耕地到林地的转化贡献率最大，为15.96%，生态环境减值区域，林地转化为耕地的贡献率最大，为36.81%。

［1］杨肖丽.GIS支持的宝应县土地利用结构研究 ［D］.南京：南京师范大学，2003.

［2］陈文惠.福州土地利用变化及其驱动力多元综合分析［J］.地球信息科学，2005，7（3）：45－50.

［3］张希彪.泾河中上游流域土地利用格局变化与驱动因子分析［J］.水土保持学报，2005，19（6）：137－140.

［4］罗 艳，杨树华，徐淑升，等.龙川江流域土地利用格局变化与趋势预测研究 ［J］.云南地理环境研究，2007，16（9）：29－33.

［5］胡振琪，王 金，杨成兵，等.基于RS与GIS榆林地区土地动态变化分析 ［J］.水土保持学报，2008，22（4）：82－85.

［6］潘洪义，门明新，许 皞，等.基于RS与GIS的城市化进程中唐山市土地利用动态变化研究 ［J］.安徽农业科学，2007，35（6）：1 676－1 678.

［7］任志远.生态系统服务经济价值评价的前沿问题 ［J］.西北大学学报（自然科学版），2003，（1）：103－105.

［8］肖 玉，谢高地，安 凯.莽措湖流域生态系统服务功能经济价值变化研究 ［J］.应用生态学报，2003，14（5）：676－680.

［9］邹金浪，王金政，王 鹏，等.基于土地利用变化的红壤丘陵区生态系统服务价值响应及驱动因素分析［J］.安徽农业科学，2011，39（9）：5 195－5 198.

［10］岳书平，张树文，闫业超.东北样带土地利用变化对生态服务价值的影响 ［J］.地理学报，2007，62（8）：879－886.

［11］汤国安，张友顺，刘咏梅，等，遥感数字图像处理［M］.北京：科学出版社，2004.

［12］马安青，陈东景，王建华，等.基于RS与GIS的垅东黄土高原土地景观格局变化研究 ［J］.水土保持学报，2002，16（3）：56－59.

［13］史培军，宫 鹏，李晓兵，等.土地利用覆盖变化研究的方法与实践 ［M］.北京：科学出版社，2000.