土地利用变化对太平池湿地区域生态系统服务价值的影响*

汤 洁， 李红薇， 李昭阳， 王静静， 张 溶

(吉林大学 环境与资源学院， 吉林 长春 130012)

土地利用变化对太平池湿地区域生态系统服务价值的影响*

汤 洁， 李红薇， 李昭阳， 王静静， 张 溶

(吉林大学 环境与资源学院， 吉林 长春 130012)

以农安县太平池湿地区域为研究对象， 利用1989年、 2000年和2014年遥感影像对土地利用变化特征及其与生态环境演变的响应关系进行分析， 在此基础上对研究区生态系统服务价值进行评估. 通过分析生态系统服务价值流向， 不同土地利用类型生态系统服务价值和单项生态系统服务价值对生态系统服务总价值所产生的影响， 研究土地利用变化与生态系统服务价值间的关系. 结果表明： 1989～2014年间农安县太平池湿地区域土地利用变化程度较大， 耕地、 居民用地、 盐碱地和湿地面积呈增长趋势， 水域、 草地和林地面积呈递减趋势， 耕地和草地面积变化最为剧烈， 分别为68.42 km2和-92.20 km2. 土地利用变化同时受到自然因素和人为因素的影响， 其中， 影响土地利用变化的主要驱动因素为人口因素. 耕地和水域对研究区生态系统服务价值贡献最大， 占总生态系统服务价值的比例分别为45%以上和20%以上. 研究区单项生态系统服务价值大部分处于递减状态， 水源涵养功能价值减少最多， 为2 178.12万元. 由于土地利用类型转化处于不平衡状态， 研究区生态系统服务价值在1989～2014年间整体价值流向为负. 湿地作为重要的生态系统类型， 其生态系统服务价值受人类活动下土地利用变化的影响较大， 因此， 本研究对土地利用变化对湿地生态系统服务价值所产生影响的情况进行评估， 研究结果对区域生态安全的评价具有重要意义.

遥感技术； 土地利用变化； 生态环境演变； 生态系统服务价值； 太平池湿地区域

0 引 言

生态系统服务是指生态系统形成及所维持的人类赖以生存的环境条件与效用[1-2]. 对生态系统服务价值(Ecosystem Service Value， ESV)进行评估， 现已成为合理高效配置环境资源的基础[3-4]. 目前多采用Costanza提出的生态学和经济学综合的方法对生态系统价值进行定量评估[5]. 土地利用/覆盖变化(Land Use and Land Cover Change， LUCC)是将人与自然密切联系的重要环节[6-8]， 可引起生态系统结构及功能的改变， 使其为人类提供的生态服务价值也随之变化. 因此， 评估LUCC对ESV的影响对于区域生态建设等具有重要指导意义[9-10]. 近年来， 通过LUCC定量评估ESV已成为研究热点[11]， Mendoza 等[12]利用GIS技术， 在分析了墨西哥湾中心区域LUCC变化情况的基础上， 对ESV进行评估. 王燕等[13]利用RS和GIS技术， 从区域尺度对新疆的6个国家级自然保护区在2000～2010年ESV变化的情况进行了研究. 但多数研究仅以Costanza提出的ESV评估方法进行估算， 并未结合当地实际情况进行相关系数修正， 并且对LUCC与ESV动态变化的响应进行分析时， 没有考虑到当地典型气候变化叠加人类活动对生态系统产生的重要影响. 因此， 在对ESV系数进行修正的基础上， 结合生态环境演变因子评估LUCC对ESV的影响具有重要意义.

农安县太平池湿地区域属于半干旱半湿润地区， 多年降水量偏小， 地表径流小， 缺水情况严重. 且随着近几十年来经济社会迅速发展和人口持续增长， 大面积湖泊、 草地、 林地和天然湿地面积急剧减少， 湿地水补给亦有限， 土地盐碱化程度加剧， 严重破坏了区域生态服务功能， 并对其境内太平池国家湿地公园的建设带来一定影响. 为有效保护太平池湿地区域生态系统完整性， 需对太平池湿地区域， 特别是其境内的太平池国家湿地公园中的原湿地进行保护和恢复， 湿地建设将引起土地利用变化， 从而影响生态环境， 因此急需开展ESV变化研究. 本文利用遥感解译图得出研究区1989～2014年土地利用变化情况， 结合相关资料及数据， 对ESV进行估算， 并对LUCC所导致的ESV变化做了探讨， 为该区今后土地资源的合理开发利用提供科学依据， 对其今后的生态环境整治与恢复也将具有重要意义.

1 研究区概况

太平池湿地区域位于吉林省长春市西北部农安县境内， 地理位置介于东经124°31′～124°58′， 北纬43°55′～44°55′之间. 全区属温带大陆性气候， 四季分明， 年均日照2 550 h， 平均气温4.6 ℃. 全年平均降雨量为564.9 mm， 年际变化大， 年内分配不均， 降雨主要集中于7～9月， 占全年降雨量的80%， 多年平均蒸发量为1 680 mm， 为降水量的2.9～3倍. 研究区内有我国重要的国家级湿地公园， 园内有吉林省八大水库之一的太平池水库.本区主要生态类型为耕地及湿地且存在一定面积的沙化、碱化及退化草地.

2 数据源及研究方法

2.1 数据来源及处理方法

对研究区LUCC的研究所用数据可以分为两部分， 即遥感数据和非遥感数据. 遥感数据主要包括1989年， 2000年和2014年的Landsat-TM/ETM遥感影像， 共计3期， 图像分辨率为30 m×30 m， 数据来源为国家科学数据服务平台和美国地质调查局(USGS)， 下载后的遥感影像数据在ERDAS IMAGINE 4.5软件中进行重投影(投影类型： Transvers Mercator， 中央经线： 123°)， 参照地图选用1∶250 000基础地理数据， 选择三次多项式和最近邻域插值法对3期影像进行几何校正， 对校正后的影像数据进行非监督分类处理， 将经过上述流程处理的影像导入Arcgis10软件中， 利用人机交互解译的方法， 最终生成研究区1989年， 2000年和2014年的土地利用类型图. 土地利用类型的划分依据为国家规定的土地利用分类系统以及研究区土地利用的实际情况， 分为耕地(包括水田和旱田)、水域、草地、林地、湿地、居民用地、盐碱地及其他(包括除盐碱地外的其他未利用地)， 共8个土地类型. 辅助数据主要包括20世纪80年代的1∶47 000彩色航片，2009年吉林省1∶1 650 000土地利用现状图，行政区划图以及研究区自然和社会经济概况的相关文字资料， 数据统计资料， 监测数据以及野外实地考察所获取的资料等.

2.2 研究方法

2.2.1 单一土地利用动态度

采用单一土地利用动态度对未来土地利用变化趋势的预测具有极其重要的意义[14-15]， 其表达式为

(1)

式中：K为单一土地利用动态度， %；Ua为初期某种土地利用类型面积， km2；Ub为末期某种土地利用类型面积， km2；T为年数.

2.2.2 LUCC趋势状态分析模型

趋势状态计算公式为[16]

(2)

式中：Pt为区域内LUCC的状态指数和整体趋势； ΔUin-i为转化为第i类土地利用类型的面积， km2； ΔUout-i为第i类土地利用类型的转出面积， km2.

2.2.3 生态系统服务价值估算

生态系统服务价值计算公式为

(3)

(4)

式中：ESV为生态系统服务总价值， 元；Ak为k类土地利用类型面积， hm2；VCk为单位面积某种土地利用类型的生态系统服务价值系数， 元·hm-2·a-1；ESVf为单项生态系统服务总价值， 元；VCfk为单项生态系统服务价值系数， 元·hm-2·a-1.

本文以谢高地等[17]提出的中国陆地生态系统单位面积生态服务价值表为依据， 并结合当地实际情况进行了以下校正： ① 耕地参照农田生态系统单位面积的ESV， 林地参考森林生态系统单位面积的ESV， 盐碱地及其他均参考荒漠生态系统单位面积ESV， 居民用地的ESV为零(不计入表内). 由于ESV的高低受生态系统中生物量影响， 因此， 参照谢高地等人提出的生态价值区域修正系数[18](吉林省为0.96)， 对耕地、 林地和草地的食物生产功能价值进行生物量因子修正. ② 由于当地政府针对太平池湿地区域不断恶化的生态环境开展了林地、 草地、 湿地和水域生态环境的保护和恢复工程， 因此， 需特殊考虑这4种地类的环境治理功能， 并采取防护和恢复费用法[19]对这4种生态系统的环境治理功能价值及生物多样性保护功能价值进行修正. 修正结果见表 1.

环境治理功能和生物多样性保护功能的ESV系数计算方法

(5)

(6)

式中：VCwk为该类型土地单位面积环境治理功能价值系数， 元·hm-2·a-1；Pk为政府对该地类每年保护经费投入， 元；Ak为研究区内k类土地利用类型的面积， hm2；VCek为该类型土地单位面积生物多样性保护功能价值系数， 元·hm-2·a-1；Rk为 政府对该地类每年生态恢复经费总投入， 元；T为年数.

2.2.4 敏感性指数分析模型

敏感性指数(CS)分析模型是在已确定的服务价值系数上下调整50%基础上计算ESV对生态价值单价变化的响应[20]， 由此判断生态系统服务价值系数对ESV的影响程度， 其计算公式为

(7)

式中：CS为敏感性指数；ESV为生态系统服务总价值， 元；VC为生态系统服务价值系数；i和j分别代表初始价值和生态系统服务价值系数调整后的价值；k为某种土地利用类型. 若CS>1， 表明ESV对于VC来说富有弹性，ESV对VC敏感； 若CS<1， 表明ESV相对VC缺乏弹性，ESV对VC不敏感. 敏感性指数越大， 生态系统服务价值系数的调整变化对研究区总生态系统服务价值评估结果影响越大.

2.2.5 流向性分析模型

(8)

式中：PLij为初年第i类土地利用类型转化为末年第j类土地利用类型后的生态服务价值变化， 元；VCj为第i类土地利用类型和第j类土地利用类型的生态系统服务价值系数；Aij为第i类土地利用类型转化为第j类土地利用类型的面积， km2.

3 结果分析

3.1 土地利用时空变化分析

从图 1 可以看出， 耕地是研究区最主要的土地利用方式， 占全区总面积的60%以上.

根据式(1)计算可知， 1989～2014年间全区耕地面积共增加68.42 km2， 动态度为0.35%； 草地面积减少92.2 km2， 动态度为-1.30%； 林地面积减少了5.48 km2， 动态度为2.21%. 由于草地的大规模退化， 盐碱地面积在该期间内增长了5.71 km2， 动态度为8.40%. 研究区水域面积波动较大， 整体呈萎缩趋势， 面积减少量达14.28 km2， 动态度为-0.75%. 湿地面积在研究期内增加了6.00 km2， 动态度达到2.04%. 随着城乡经济建设的发展和人口数量的增长， 城镇规模不断外延， 研究时段内， 居民用地面积增加了34.05 km2， 动态度为1.86%. 由图 1 可知， 研究区内太平池国家湿地公园地类仅含耕地、 草地、 林地、 水域和居民用地等5类. 其中， 耕地与草地的变化趋势与全区一致， 而耕地面积增加了2.23 km2， 草地面积减少了10.46 km2， 但林地、 水域、 居民用地的变化趋势与全区相反， 其中， 林地、 水域呈增长趋势， 分别增加了0.12 km2和8.17 km2， 居民用地呈减少趋势， 减少了0.06 km2.

根据所得土地利用转移矩阵(表2)可知， 研究区草地退化幅度最大， 主要转移为耕地， 面积为77.66 km2. 水域面积降低， 主要转移为草地和湿地， 面积分别为10.46 km2和6.19 km2. 草地退化转变成的盐碱地面积为3.54 km2， 是研究区盐碱地产生的主要来源. 随着研究区人口日益增多， 居民用地逐年增加， 主要由草地和耕地转化而来， 分别为23.09 km2和9.34 km2. 其中， 区内国家湿地公园地类转移情况与全区基本一致， 草地主要转移为耕地和水域， 水域则主要转移为耕地.

表 2 研究区1989～2014年土地利用变化转移矩阵

根据式(2)， 对研究区各土地利用类型转移趋势状态分析计算可知， 1989～2014年研究区内LUCC的状态指数和整体趋势(Pt)值为0.67(当Pt在0～0.25范围内时， LUCC可视为平衡状态； 当Pt在0.25～0.50范围内时， LUCC可视为准平衡状态； 当Pt在0.50～0.75范围内时， LUCC可视为不平衡状态； 当Pt在0.75～1范围内时， LUCC可视为极端不平衡状态[21])， 说明各土地利用类型在研究时段内的的转换趋势属于不平衡状态.

3.2 生态环境演变与LUCC的响应关系

为分析生态环境的演变与土地利用格局变化的响应机制， 本文选择自然因素和人文因素作为生态环境演变的主导因子， 以1989～2014年土地利用面积变化特征值作为变量组在SPSS软件中对二者进行典型相关分析. 在典型相关分析过程中， 以研究区各主要土地利用类型面积变化为标准变量组Y(其中将耕地分为旱田和水田)， 以包括自然因素和人文因素的18个驱动因子在1989～2014年的变化值为自变量X(表 3)， 得到土地利用变化的典型负荷， 选取旱田、 盐碱地、 湿地和居民用地作为4种主导的典型负荷变量， 来解释研究时段内生态环境因子与土地利用格局变化的关系， 见图 2.

由图 2(a) 可知， 旱田(Y5)增量与降水(X1)和农业人口数(X6)呈现正相关， 其典型载荷分别为0.97和1.00， 说明在降水充足的前提下， 农业人口越多， 开垦的耕地也越多.

由图 2(b) 可知， 与盐碱地增量(Y7)相对应的驱动因子主要为温度(X2)、 人口(X5)和粮食播种面积(X18)， 其典型载荷分别为0.80, 0.98和-0.80， 即盐碱地增量与温度和人口正相关， 与粮食播种面积负相关. 这表明盐碱地面积的增加一方面是自然因素作用的结果， 另一方面与人类活动的不断增强有密切关系.

由图 2(c) 可知， 湿地增量(Y8)的驱动因子主要为降水(X1)和农业人口(X6)， 其典型载荷分别为-0.99和0.89， 即湿地增量与农业人口正相关， 与降水负相关.

由图 2(d) 可知， 居民用地增量(Y3)与人口(X5)正相关， 与粮食播种面积(X18)负相关， 其典型载荷分别为0.98和-0.78. 这两种因素都属于人类活动范畴， 可见居民用地增量的原因主要是人类活动造成的， 是人口增加和粮食播种面积减少共同作用的结果， 这一点与前3个地类增量的驱动因素有所区别.

表 3 本文选取的统计变量

3.3 生态系统服务价值分析

3.3.1 生态系统服务价值估算

研究区1989年、 2000年、 2014年的ESV计算结果及区内国家湿地公园1989～2014年的ESV变化趋势见表 4.

由表 4 可知， 研究区整体ESV主要由耕地、 草地和水域提供， 耕地提供的价值最大， 不同时期的贡献率均在45%以上， 水域、 草地的贡献率分别在20%和10%以上. 研究区ESV总体呈减少趋势， 由1989年的78 621.64万元减少到2014年的73 097.31万元， 减少幅度达7.03%. 总ESV的降低主要是由于对研究区内林地的破坏、 草地的过度开垦以及水域面积的大幅衰减. 虽然研究区ESV整体表现为下降趋势， 但研究区内太平池国家湿地公园的ESV基本保持上升趋势， 主要原因为在湿地公园建设过程中水域面积的不断扩大.

3.3.2 生态系统功能敏感性分析

本研究利用式(7)计算出研究区1989年和2014年各土地利用类型的敏感性指数(图 3). 由图可知， 各年份不同土地利用类型价值系数的CS都小于1， 最低值为3.79×10-5， 即当盐碱地的ESV系数增加1%时， 总价值只增加3.79×10-5%； 最高值为0.21～0.28， 即当耕地的ESV系数增加1%， 总价值增加0.21%～0.28%， 表明研究区总的ESV缺乏弹性， 说明不同地类ESV系数的大小不会对研究区总ESV产生较大影响， 表明本文计算所得的价值系数较为合理.

表 4 1989～2014年研究区生态系统服务价值估算

图 3 生态系统服务价值敏感性指数变化Fig.3 Changes of coefficients of sensitivity of ecosystem services value

3.4 生态系统服务价值与土地利用变化响应分析

3.4.1 单项生态系统服务价值变化分析

由式(3)计算得出单项ESV变化(图 4)： 1989～2014年间土地利用结构变化导致单项ESV变化差异显著.

图 4 研究区生态系统单项服务价值变化Fig.4 Changes of coefficients of single ecosystem services value in the study area

其中， 气候调节与食物生产的服务价值不断增加， 剩余7项服务价值不断减少. 其中， 水源涵养功能价值的减少量最多， 1989～2014年间减少了2 178.12万元. 其次， 土壤形成与保护、 环境治理、 生物多样性保护分别减少了770.11万元， 1 512.59万元和894.72万元.

3.4.2 生态系统服务价值流向分析

由表 5 可知， 林地除转化为水域外， 转为其他地类均会引起ESV损失. 草地与耕地的价值流向主要为水域， 减轻了水域转为其它地类带来的价值损失. 从总体上看， 研究期内各土地利用类型的转化并不完全有利于研究区生态系统， 由于水域、 林地、 草地面积的减少， 造成价值大量流失， 故应加大对水域、 林地、 草地的保护， 使生态服务价值实现最大化.

表 5 1989～2014年土地利用变化的生态系统服务价值流向分析

4 结 论

1) 1989～2014年农安县太平池湿地区域盐碱地、 湿地、 耕地和居民用地面积持续增加， 水域、 草地、 林地和未利用地面积持续减少， 由未利用地向林地、 草地、 耕地发展为土地利用类型的主要变化趋势. 虽然位于研究区内的太平池国家湿地公园的水域、 林地和耕地面积均呈增长趋势， 草地和居民用地面积呈减少状态， 但研究区整体的土地利用政策的变化将对土地利用结构及其转化方向产生直接影响. 因此， 必须对全区的土地利用政策进行合理调整， 以保证区域整体及其范围内国家湿地公园的土地利用变化趋于平衡状态.

2) 旱田、 盐碱地、 湿地三类地型均受自然因素和人为因素的双重影响， 且人为因素作为主要驱动力使其发生变化， 合理控制人口密度及人类活动强度是实现研究区水土资源优化配置的有效措施.

3) 针对太平池湿地区域特点， 采用生物量因子修正法及防护和恢复费用法对ESV系数进行校正， 提高了对当地ESV评估的准确性. 评价结果表明， 农安县太平池湿地区域耕地面积百分比远高于其ESV的贡献率， 而水域面积百分比都低于其ESV的贡献率. 因此， 加强对水域等生态系统服价值高的土地利用类型的保护， 是维持研究区特别是其范围内太平池国家湿地公园的生态系统稳定性的有效措施.

4) 由于研究区土地利用类型转化处于不平衡状态， 使单项ESV大部分处于递减状态， 且整体ESV流向为负， 因此， 有步骤地实施退耕还林、 还草， 加强对水域与湿地的修复， 改善当地土地利用结构， 进而使研究区的生态系统服务功能得以恢复和提高.

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Effects of Land Use Change on Ecosystem Services Value of Taipingchi Wetland Region

TANG Jie, LI Hong-wei, LI Zhao-yang, WANG Jing-jing, ZHANG Rong

(College of Environment and Resource, Jilin University, Changchun 130012, China)

Based on 1989, 2000 and 2014 remote sensing image interpretation data， the characteristics of land use change of Taipingchi wetland region in Nong'an were extracted and analyzed．And the response in the relationship between change of land use and ecological environment evolution were also analyzed. Then the ecological services value of different land use types within the region was calculated. And in the study area the impact of land use change on ecosystem service function and their relationship were studied. The results showed that there were great changes of land use in Taipingchi wetland region in Nong'an during the period from 1989 to 2014, and the transformation trend of land use types belonged to the state of imbalance. The area of the cultivated land, residential land, bare saline-alkali patches and wetland had an increasing tendency, and the area of waters, grassland and woodland decreased during the period. The change of the cultivated land area and grassland area were more remarkable at 68.42 km2increase and 92.2 km2decrease respectively. The cultivated land, bare saline-alkali patches and wetland was the main land type which affected by both natural factors and human factors, and the population was the main driving factors of land use change. Land use change led to the change of ecological environment in the research area and influenced the ecosystem service value. The ecosystem service value mainly provided by the cultivated land and water, contribution rate more than 45% and 20% respectively. Most of the single service function value showed a trend of decrease. During the entire study, the loss of water source conservation function value is the most which is 21.781 2 million yuan. Each land use type conversion is not conducive to the ecosystem service value in study area during the study period. Wetland is an important ecological system type, the ecosystem services value changes obviously affected by human activities, therefore, this study evaluated the land use changing by the influence of the wetland ecosystem service value, the results of the study have great significance of regional ecological security evaluation.

RS technology; land use change; eco-environmental evolution; ecosystem service value; Taipingchi wetland region

1673-3193(2017)01-0078-09

2016-11-09

国家自然科学基金项目(51179073)

汤 洁(1957-)， 女， 教授， 主要从事生态环境系统理论与技术研究.

X171

A

10.3969/j.issn.1673-3193.2017.01.015