伊通河流域土地利用变化及其生态响应

韩嘉圻，王建国，邢梓涵，赵博轩，孙贝雯，谭众元

吉林大学 地球科学学院，长春 130061

0 引言

土地利用/覆盖变化(land use/cover change, LUCC)是人类活动改变地表环境与物质循环途径的直观表现[1--4]，同时也是生态系统发生功能性转变的过程[5--7]。已有大量研究表明，土地利用/覆盖变化可促使区域生态系统服务格局演变，如岳书平等研究了近30年来中国东北样带上不同类型的土地利用组合类型对生态系统服务价值(ecosystem service value,ESV)的影响，发现了不同类型区单位面积ESV的基本分布规律[8]；胡和兵等定量探讨了城市化流域土地利用程度对生态服务价值空间分异的影响，结果表明流域土地利用程度对ESV存在明显的负效应[9]。由此可见，区域生态系统服务对于土地利用强度变化、土地利用结构变化等因素影响的敏感性较高，而揭示土地利用变化的生态响应则是认识人类活动的利弊得失，从而通过土地管理手段趋利避害，协调土地开发--生态保护所必须解决的问题。

伊通河流域是吉林省中部黑土区的一个典型的小流域尺度的研究样区代表，它具备城镇化经济发展需求迫切[10--11]、粮食生产安全亟待保障[12--13]和生态用地资源稀缺[14--15]这三者矛盾的突出性。目前，检测LUCC的生态环境效应已成为全球环保主义者和土地规划者关心的问题[16]，但是，中国关于小流域 LUCC的生态响应方面的研究起步较晚且研究成果相对缺乏[17--18]，这对于实现资源、环境与社会经济的可持续发展是十分不利的。笔者选取伊通河流域为研究对象，分析土地利用动态变化特征及其生态响应，为伊通河流域的土地资源的利用、管理、规划和水源地的环境保护提供依据，为其他小流域水土资源利用的评价提供参考。

1 研究区概况

图1 伊通河流域位置图Fig.1 Location map of Yitong River watershed

伊通河主流发源于伊通县河源镇哈达岭山脉青顶子山北麓(图1)，是第二松花江的二级支流，经伊通县、长春市、德惠市至农安县靠山镇汇入饮马河，流域面积8 545 km2。伊通河流域地处东北平原腹地，吉林省西部(124°30′～125°46′E，43°00′～ 44°50′N)，是中国重要的商品粮基地之一；流域地貌主要由河漫滩及起伏的洪积台地与高阶地构成，地势差异变化大，是吉林省乃至中国东北地区东西部干旱区与湿润区的分界线[19]，也是长春地区的重要水源地[20]，对调节区域生态环境有重要作用。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源与处理

本研究选用1986、1996和2005年3期TM/ETM+影像，以及2017年OLI遥感影像，影像数据源于美国地质调查局网站(http://glovis.usgs.gov)，影像时间均为8、9月份，云量均<10%，质量完好。应用ENVI5.1软件对影像数据进行辐射定标、大气校正等处理，波段组合选择标准假彩色。通过目视解译与监督分类相结合，采用最大似然法得到4期流域土地利用现状图。参考中科院的土地利用分类系统，结合伊通河流域特点，将土地利用类型分为林地、耕地、草地、城镇建设用地、水域、湿地和其他用地7类。结合Google earth选择样本，计算混淆矩阵验证分类精度，结果均在0.86以上，满足研究需求。

2.2 研究方法

通过建立土地利用动态模型和计算土地利用度指数，研究伊通河流域31年间的土地利用/覆盖变化的速率差异、剧烈程度以及人类开发利用土地的强度。引入生态系统服务价值，采用定性描述与定量分析相结合的方法，剖析生态系统服务价值的变化过程，揭示LUCC对生态系统服务价值的影响机制。

2.2.1 土地利用动态模型

单一土地利用变化率主要用来描述研究区某一土地利用类型在某一时期内的变化速率[19],计算公式如下：

(1)

式中：Ua,Ub分别为研究期初及研究期末某一种土地利用类型的数量；KT为研究时段内某一土地类型的时段变化率；T为研究时段长。

综合土地利用动态度主要用以反映某一研究时段内,研究区的各种地类动态变化的总体情况,该值越大,说明研究区土地利用动态变化越剧烈,反之越弱[21]。计算公式如下：

(2)

式中：LUi为监测起始时间第i类土地利用类型面积；ΔLUij为监测时段第i类土地利用类型转为非i类土地利用类型面积的绝对值；T为监测时段长度。

2.2.2 土地利用度

主要用来反映研究区人类开发利用土地的强度,其基本思想是把研究区的各种土地利用类型按照利用程度分为4级(表1)。用每级土地利用类型在研究区中所占的百分比乘以其分级指数进行加权求和,最后得到研究区的土地利用度[22]。计算公式如下：

(3)

式中：LUD是研究区的土地利用度；Li是区域内第i类土地利用类型的土地利用强度分级指数；Ai是第i类土地利用类型在区域内的百分比。

表1 土地利用强度分级表

2.2.3 生态系统服务价值的计算

生态系统服务价值主要用以评价不同土地覆被格局下,区域生态服务功能水平的高低。该指数在数值上等于各土地利用类型的面积乘以其生态服务价值系数再求和。中国不同陆地生态系统单位面积生态服务价值的计算标准如下：

(4)

式中：ESV是研究区生态系统服务总价值(元)；Ak为研究区内土地利用类型k的分布面积，hm2；VCk为第k类土地利用类型的生态服务价值系数，即单位面积上土地利用类型k的生态服务价值，元·hm-2·a-1。

采用Costanza et al.[23]提出的生态服务价值分析模型和谢高地[24]改良的中国陆地生态系统服务价值表，结合伊通河流域实际情况，并参考前人的研究成果[25]，制定伊通河流域6种土地利用类型的生态价值系数(表2)， 以农田--耕地、 森林--林地、草地--草地、水体--水域、湿地--湿地和荒漠--其他用地进行对应。由于城镇建筑用地仅存在娱乐文化价值且价值系数较低，假设城镇建筑用地对研究区ESV的影响可以忽略不计。

表2 伊通河流域不同陆地生态系统单位面积生态服务价值

Table 2 Ecological service value of different terrestrial ecosystems per unit area in Yitong River watershed

/元·hm-2·a-1

2.2.4 敏感性分析方法

敏感性指数是指生态服务价值系数变动1%引起生态系统服务价值的变化情况。笔者将各类土地利用类型的生态系统服务价值系数分别上下调整50%，通过计算VC的敏感性指数，来衡量ESV对VC的依赖程度，并验证生态系统服务价值评价的合理性。敏感性指数的计算公式如下[26]：

(5)

式中：ESVi,ESVj分别表示初始的生态系统服务价值和生态服务价值系数调整后的生态系统服务价值；VCik，VCjk分别表示第k种土地利用类型调整前后的生态系统服务价值系数。若CS>1，表明ESV相对于VC富有弹性，CS值越大，VC的准确性越关键，生态系统服务价值评价结果不可靠; 若CS<1，表明ESV相对于VC缺乏弹性，且计算的生态系统服务价值是可靠的。

3 结果与分析

3.1 土地利用变化过程分析

3.1.1 1986—2017伊通河流域土地利用结构变化

由伊通河流域土地利用类型面积(图2)、伊通河流域土地利用类型比例图(图3)和伊通河流域土地利用类型图(图4)可知，耕地、城镇建筑用地和林地是伊通河流域主要的土地覆盖类型，占流域总面积的85%以上。其中，耕地占流域总面积的66%以上，在所有用地类型中占主导地位；城镇建筑用地所占流域总面积的比例为10%～20%；林地占流域总面积的比例约为6%；草地、水域、湿地以及其他用地面积之和占流域总面积的比例不足15%。1986—2017年间，伊通河流域土地利用变化显著，耕地、城镇建筑用地面积的比例分别增加了8.67%和3.54%，林地、草地、水域、湿地和其他用地面积的比例分别减少了1.69%、1.55%、7.39%、0.53%和1.05%。

注：为了制图显示清晰，湿地、草地和其他用地3种土地利用类型4期的面积数值分别乘10。图2 伊通河流域土地利用类型面积Fig.2 Area of land use types in Yitong River watershed

图3 伊通河流域土地利用类型比例Fig.3 Proportion of land use types in Yitong River watershed

图4 1986—2017年伊通河流域土地利用类型图Fig.4 Land use types of Yitong River watershed during 1986—2017

3.1.2 土地利用动态变化

根据1986—2017年伊通河流域土地利用类型面积数据，计算得到土地利用动态度(表3)。从单一土地利用变化情况来看，1986—2017年间，耕地和城镇建筑用地面积分别增加了5.31%和79.79%，林地、草地、水域、湿地和其他用地面积分别减少了22.30%、49.61%、76.40%、82.43%和91.40%。1986—1996、1996—2005和2005—2017年3个时期，耕地面积先增后减，总体变化幅度最小，1986—1995年增加了11.67%，1996—2017年以后共减少了5.70%。城镇建筑用地面积持续增长，单一土地利用变化率在3个时期内分别为8.38%、14.71%和44.62%。林地和水域面积总体呈缩减趋势，但都经历了“两减一增”的过程，即林地面积在1986—1996年和2005—2017年分别减少了29.66%及11.41%，在1996—2005年间增加了24.69%；水域面积在1986—1996年和2005—2017年分别减少了70.27%及29.90%，在1996—2005年间增加了13.24%；草地面积占比不断减少，3个时期的单一土地利用变化率分别为-4.42%、-3.14%和-45.58%；其他用地和湿地面积的变化速率最大，在80%以上，但由于面积占比很小，对土地利用结构的影响不明显。

从综合土地利用动态变化来看，1986—2017年，研究区土地利用综合动态度为1.04%，土地利用转换处于较为均衡的状态。在3个研究期间，研究区土地利用综合动态度分别为2.75%、2.69%和2.13%，呈下降趋势，土地利用结构逐渐趋于稳定。

表3 1986—2017年间伊通河流域土地利用动态度

3.1.3 土地利用度

根据1986—2017年伊通河流域土地利用类型面积数据，计算土地利用度(表4)。在31年间，研究区土地利用度整体呈上升趋势。城镇建筑用地在3个时段内持续并加速扩张是土地利用度持续上升的主要原因。1986—1996年间，研究区内土地利用度由2.88%上升到2.96%，土地利用强度级高的城镇建筑用地和耕地面积比例逐渐增加，而低级别的水域、草地和林地面积比例减少。1996—2005年间，受退耕还林政策及水库建设对水域的影响，低级别的水域和林地面积比例增加，使土地利用度下降了0.01%；同时期，城镇仍持续扩张，耕地后备资源持续开发，草地面积仍在减少。2005—2017年间，土地利用强度增加到3.10%，城镇建筑用地面积比例激增，而各类生态用地面积锐减。

表4 土地利用度

3.2 生态系统服务价值的变化过程

3.2.1 生态系统服务价值总量变化特征

由图5可知，1986—2017年间，伊通河流域的ESV整体呈减少的趋势，由84.25亿元减少到55.63亿元，减少了28.62亿元，降幅为33.97%。其中，耕地的ESV最高，占总价值的50%以上，31年间稳中有增，耕地在研究区的生态系统中起着支撑作用；1986年水域和湿地的ESV具有明显高值，占总价值的41.51%，对研究区的ESV具有重要影响，但在2017年降至总价值的14.70%，使研究区的ESV降低。1986—1996年间，研究区的ESV迅速减少，由84.25亿元减少到60.03亿元，减少了24.22亿元，降幅为28.75%。其中，耕地和其他用地的ESV分别增加了11.69%和50%，林地、草地、水域和湿地的ESV分别减少了29.64%、4.68%、70.26%和67.41%。1996—2005年间，研究区的ESV由60.03亿元缓慢增加到61.55亿元，增加了1.52亿元，增幅为2.53%。其中，林地、水域、湿地和其他用地的ESV分别增加了24.69%、13.20%、47.73%和50.00%，耕地和草地的ESV分别减少了5.53%和3.07%。2005—2017年间，研究区的ESV由61.55亿元减少到55.63亿元，减少了5.92亿元，降幅为9.62%。其中，耕地的ESV增加了0.19%，林地、草地、水域、湿地和其他用地的ESV分别减少了11.44%、45.57%、29.86%、63.08%和100.00%。

图5 伊通河流域1986—2017年生态服务价值及比例Fig.5 Ecological service value and proportion in Yitong River watershed from 1986 to 2017

3.2.2 生态系统单项服务价值变化特征

由伊通河流域不同陆地生态系统单位面积生态服务价值(表2)和伊通河流域土地利用类型数据，计算1986—2017年伊通河流域生态系统单项服务价值(表5)。由表5可知，总体上，调节服务的ESV最高，占ESV总量的55%以上，而文化服务的ESV最低，占ESV总量的5%以下，表明调节服务是维持研究区生态系统稳定性最重要的功能。1986—2017年间，伊通河流域内调节服务、支持服务、供给服务和文化服务均呈下降趋势。调节服务的ESV减少量最大，为23.55亿元，减少了42.78%，占总ESV减少量的82.29%。在调节服务中，废物处理与水源涵养的ESV剧烈下降，分别减少了10.33亿元和12.01亿元。其次是文化服务和支持服务的ESV，分别减少了2.69亿元和2.23亿元。供给服务的ESV减少量最小，为0.16亿元，减少了2.19%，占总ESV减少量的0.56%。 在供给服务中， 食物生产的ESV上升，原材料的ESV下降，整体变化趋势相对平稳。

3.2.3 生态系统服务价值敏感性分析

从图6可知，1986—2017年间，伊通河流域各土地利用类型价值系数的敏感性系数均<1，从高到低依次为耕地、水域、林地、草地、湿地和其他用地。其中，耕地的敏感性系数最高，约为0.6，即耕地的价值系数增加或减少1%时，ESV增加或减少0.6%；其他用地的敏感性系数接近0，意味着调整其他用地的价值系数几乎不影响ESV。分析表明，耕地、水域和林地在研究区的生态系统服务中起着主导作用。研究区内ESV对价值系数缺乏弹性，表明研究区使用的生态系统服务价值系数合理，研究结果可靠。

图6 伊通河流域ESV系数敏感性系数Fig.6 Sensitivity index of ESV coefficients of Yitong River watershed

4 讨论

4.1 东北小流域土地利用变化特征

耕地、城镇建筑用地和林地是伊通河流域主要的土地利用类型。在过去的几十年中，东北地区的土地利用变化以林草地向耕地转换为主[8]，此外，农业的持续扩张也促使了三江平原湿地向耕地的转化[27]。研究结果显示，1986—2017年间，伊通河流域的土地利用变化特征基本符合东北地区的土地利用变化特征，主要表现为土地利用度整体上升，城镇建筑用地、耕地面积增加，而草地、林地、水域和湿地面积减少。31年间，研究区内湿地和水域面积持续减少，一方面是由于政府管理者为满足防洪、取水和城镇景观的需要，采用对水域截流、硬质材料护岸及裁弯取直河道等工程措施，改变了伊通河的自然特征，破坏了水生生态系统[28]，结果导致部分河段断流[19]；另一方面由于耕地的开发与城镇的建设使地表植被覆盖度降低，导致林草地的涵养水源作用下降[29]，间接推动了湿地和水域面积的减少。虽然本文选用的计算模型与数据年期与孙丽娜等的不同[30]，但结果相似，伊通河流域土地利用综合动态度逐年下降，总体保持较低水平，土地利用趋于稳定，这说明研究区内的土地利用结构的调整已逐渐放缓。1996—2005年研究区土地利用度存在小幅下降，不同于整体上升的趋势。研究发现，自1996年起，长春市对伊通河流域进行了综合治理，实施退耕还林等生态保护政策，这说明退耕还林政策和对水域的保护在一定程度上缓解了生态退化的问题，土地利用强度下降，生态治理措施有所成效，林地、水域和湿地面积增加，但迫于人口和粮食供给的压力，草地面积仍小幅下降，建议因地制宜以维持水土资源的可持续性利用。

4.2 区域生态系统服务价值的变化趋势

与生态用地相关的调节服务是维持研究区生态系统稳定性的主体功能。研究区在31年间的土地利用变化特征主要表现为林地、草地、湿地和水域向耕地与城镇建筑用地转化，各类生态用地面积的锐减使调节服务功能减弱，结果导致ESV整体呈下降趋势，说明日益突出的人地矛盾对自然环境造成了威胁。同时，研究区的单项ESV在31年间也呈现下降趋势。对研究区的分析表明，对林地和草地的高强度开发促使研究区支持服务的ESV明显下降。湿地和水域具有强大的水源涵养功能和废物处理功能，对控制水土流失、维持河流自净能力具有显著贡献，能够以较小的面积比重发挥较大的生态服务功能[27]，所以水域和湿地面积的缩减是导致调节服务剧烈下降的主要原因。耕地在生态系统的供给服务中起决定性作用。在岳书平等的研究中，1976—2000年间东北地区耕地的ESV存在较大变动，且呈现增长趋势[8]。与他的研究结果不同，由于研究区以发展农业为主[30]，耕地总量受永久性基本农田的保障而基本稳定，本文中1986—2017年伊通河流域耕地的ESV在31年间基本维持平稳趋势。

5 结论

(1)1986—2017年间耕地、城镇建筑用地和林地是研究区主要的土地覆盖类型。研究区土地利用/覆盖面积变化主要表现为城镇建筑用地、耕地面积增加，而草地、林地、水域和湿地面积减少。土地利用度整体呈上升趋势，土地利用综合动态度逐年下降，总体保持较低水平，土地利用趋于稳定。

(2)与生态用地相关的调节服务是维持研究区生态系统稳定性的主体功能。在31年间，研究区ESV整体呈下降趋势，共减少33.97%，林地、草地、湿地和水域面积的持续减小是研究区ESV下降的主要原因。

(3)敏感性分析表明，研究区内ESV对价值系数缺乏弹性。耕地、水域和林地在研究区的生态系统服务中起主导作用。