边境地区景观格局演变及生态系统服务价值响应——以延边朝鲜族自治州为例

于 媛, 李明玉, 韩旭龙, 刘 晖

(延边大学 地理与海洋科学学院, 吉林 延吉 133002)

生态系统服务意指生态系统形成的维持人类生存发展的环境条件及效用[1]，也泛指人类直接或间接从生态系统中所得到的各种收益[2]。其价值变化的实质便是景观格局动态变化的具体体现[3]。景观格局已日渐成为土地利用变化研究的重要分析手段[4]，其变化对景观中的物质循环、能量流动等都有着一定影响[5]。基于此，探究区域景观格局与生态系统服务价值间的关系有助于明确两者间的响应关系，对完善区域土地资源优化利用及构建健康稳定的景观生态系统有着一定的现实意义。

近些年来，越来越多的研究人员开始利用景观格局指数来探究景观格局演变对生态系统服务价值的影响。在区域选择上，已有研究多集中于经济快速发展区域，如邹月等[6]阐述了西安市2000—2015年景观格局演变对生态系统服务价值的影响;吴娇等[7]以三峡库区(重庆段)为例，重点分析了2000—2015年4种景观格局对生态系统服务价值的影响机理；虎陈霞等[8]以处于长三角腹心地带的嘉兴市作为研究区，剖析该市1979—2012年景观格局变化与生态系统服务价值变化间的响应。但将土地利用景观格局变化对生态系统服务价值的响应应用到边境地区鲜有报道。相较于经济快速发展地区中复杂的政府政策和土地利用变化，少数民族等边境地区的研究更容易发现其中的响应机理。

延边州地处中朝俄三国交界中心，是我国对外开放的窗口，其生态地位尤为显著。本研究参照Costanza[2]、谢高地等[9-12]提出的关于生态服务价值的计算方法，依托土地利用数据，运用ArcGIS 10.3，Fragstats4.2及SPSS等软件进行相关分析，采用空间格局指数方法，结合相关性及敏感度分析，对延边州的土地利用景观格局变化与生态系统服务价值间的响应进行研究，旨为边境地区在制定土地利用规划与生态保护政策时提供一定的科学依据。

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区概况

延边朝鲜族自治州处在吉林省东部，是中朝俄三国交界的中心且相邻日本海。该区由8个县市(安图、敦化、和龙、珲春、龙井、图们、汪清、延吉)组成，辖区面积共4.32万km2。整体地势呈西部高东部低分布，自西南、西北、东北向东南方向倾斜，以珲春一带为最低。2016年末，全州总人口约212.0万人，朝鲜族占比35.8%；全州2016年全年GDP达915.1亿元，农业生产总产值达80亿元。处于中温带湿润季风气候区，年平均降水达400～650 mm，年平均气温为2～6℃，结冰期在10月中下旬，化冻期在3月中下旬。冷热分明的温带季风气候使延边州盛产水稻、玉米和大豆等农作物。

1.2 数据来源及处理

本研究以Landsat TM/OLI影像(http:∥www.gscloud.cn)为基准提取延边朝鲜族自治州1996年、2006年、2016年3期土地覆盖数据。辅助数据以来源于1997—2017年的《全国农产品成本收益统计资料汇编》、《吉林统计年鉴》、《延边统计年鉴》及国家统计局等网站为主的社会经济数据。

本研究首先对遥感数据进行大气校正、几何精校正、图像增强、拼接和裁剪等影像预处理。参考Wang等[13]的分类方法，结合研究区实际情况，将延边朝鲜族自治州土地利用数据共分为未利用地、耕地、林地、草地、建设用地、水域6个一级类。应用eCognition软件进行面向对象的多尺度分割；基于数字高程模型(DEM)和大量的野外验证点，以监督分类、决策树分类、目视解译3种方法相结合开展不同土地利用信息的提取，以获取研究区不同时期土地利用的空间分布数据[14]。并通过野外实地调研将解译结果进行验证，3期影像的解译精度均达到90%以上，满足研究需求(图1)。

2 研究方法

2.1 景观格局指数分析

景观格局作为景观生态学的研究范畴之一，同时也是景观异质性的详尽表达。景观指数指的是可以高度浓缩景观格局信息，表示其组成部分及空间配置等某些特征的简单定量指标[15]。因此，结合延边州独特的自然地理环境及区位条件，以Fragstats 4.2软件为支撑，在参考前人研究的基础上[16-18]，共选取7个景观格局指数。分别是斑块个数、斑块密度、最大斑块指数、景观形状指数、聚集度指数、蔓延度指数、香浓多样性指数。

2.2 生态系统服务价值评估

2.2.1 生态系统服务价值评估指标确定 土地利用对生态系统服务的影响，主要表现为生态系统服务价值量的变化。土地利用的变化过程对各景观生态系统的类型及空间布局都产生一定影响，致使生态系统中的物质循环及能量流动等过程发生相应改变。因此，本研究以延边朝鲜族自治州土地利用景观格局的变化作为切入点，对其生态系统服务的价值响应做出具体研究。本研究主要对生态系统服务中的食物生产、原料生产、水资源供给等11类生态系统服务价值进行测算。

根据国家土地分类标准和延边朝鲜族自治州的地形地貌、土壤特征等将延边朝鲜族自治州土地利用类型划分林地、草地、水域、建设用地、未利用地、耕地6种，并由此确定符合延边朝鲜族自治州当地情况的生态系统服务价值当量表。其中，林地取针叶林、阔叶林、针阔混交林三者均值；草地取草原、灌草丛、草甸三者均值；水域对应水系；建设用地的单位面积当量系数取值为0；未利用地取荒漠和裸地二者均值；耕地的单位面积当量系数根据本地的旱地和水田进行适当校正，取水田和旱地的均值。

2.2.2 生态系统服务价值的估算方法 我国学者谢高地等参照Costanza的研究，制订了契合我国实际的“中国陆地生态系统服务价值当量因子表”[12]。定义为：1个生态服务价值当量因子的经济价值量相当于研究区本年度平均粮食单产市场价值的1/7[9]，为除去各年份间农作物价格波动对总价值量的影响，选取延边朝鲜族自治州1996—2016年间3种主要农作物(水稻、玉米和大豆)的播种面积、产量以及20年间农作物的平均价格作为基础数据。公式如下：

(1)

式中：En为延边州单位面积下农田生态系统提供食物生产能力的经济价值(元/hm2)；i为作物类别；oi为第i种粮食作物面积(hm2)；pi为第i种粮食作物单产(kg/hm2)；qi为第i种粮食作物的平均价格(元/kg)；M为3种粮食作物总面积。

研究区的主要粮食作物有水稻、玉米和大豆，本研究以1996—2016年的年平均产量(3 973.48 kg/hm2)为基准单产，粮食价格按3种农产品的平均价格(2.23元/kg)计算，根据公式(1) 可以计算出延边朝鲜族自治州单位面积的耕地自然粮食产量的经济价值约为1 265.84元/hm2，由此确定研究区不同土地利用类型单位面积生态价值系数。在此基础上，拟合谢高地等于2015年制定的“中国生态系统服务价值当量表”[12]，根据延边州的具体情况，结合生物量修订公式[10]，进一步修订该区域的生态系统服务价值当量表，得到单位面积下延边的生态服务功能价值表(表1)。

表1 延边朝鲜族自治州单位面积生态系统服务价值 元/(hm2·a)

利用Costanza等制定的生态系统服务价值公式，可以得出延边朝鲜族自治州的生态系统服务价值量，公式如下：

ESV=∑Ai×VCi

(2)

ESVf=∑Aif×VCif

(3)

式中：ESV指区域生态系统服务总价值(元)；Ai指第i种景观类型的面积(hm2)；VCi指第i种景观类型的价值系数[(元/hm2·a)]；ESVf指单项生态系统服务价值(元)；VCif指单项服务价值系数[(元/hm2·a)]。

2.2.3 生态系统价值的敏感性计算 为了验证延边州生态系统服务价值系数的精确性，本研究引用生态系统价值敏感性指数[19]，用以测度随着时间变化ESV对VC变化的倚赖程度，即VC每变动1%后相应ESV变化情况。其方法为将各类景观的VC上下变动50%，用来验证ESV弹性系数的变化情况；如CS>1，说明对于VC，估算的ESV是有弹性的，准确度较低；如CS<1，认为ESV是缺乏弹性的，说明VC的准确性较高，对ESV的估算越准确。公式如下：

(4)

式中：ESV指区域单元内生态系统服务总价值(元)；VCi指生态系统单位面积下的服务价值[元/(hm2·a)]；y和x指调整前后的价值。

3 结果与分析

3.1 景观格局变化分析

3.1.1 景观面积变化分析 延边州的基质景观为林地，3个时段占总面积的比例为85.48%，83.62%，83.67%(表2)。20 a间延边朝鲜族自治州的景观面积发生了很大变化，其中，耕地、草地、建设用地分别增长371.57 km2，291.69 km2，235.23 km2，草地面积增长率最快，动态度为3.63%；林地和水域分别减少780.60 km2，118.95 km2，其中水域面积减少率最快，动态度为-0.96%。

结合延边朝鲜族自治州转移矩阵分析(表3)可以看出：1996—2016年延边州最明显的景观变化类型是林地与耕地和草地间的相互转化。这可能是因为延边州在2006年之前大力发展农牧业，导致了大面积的林地转化成了耕地和草地，而在2006年后开始实行退耕还林政策，将易导致生态破坏的坡耕地等，有筹划、分阶段的停止耕种，因时、因地开展植树造林工程，恢复森林生态系统。同时，随着城镇化进程不断加速的影响，耕地、林地景观向水域和建设用地景观发生了较大面积的转化，尤其是城镇化进程中，建设用地占用的往往是城郊生产条件好的高质量耕地。

表3 1996-2016年延边朝鲜族自治州景观面积转移矩阵 km2

3.1.2 景观指数变化分析 1996—2016年延边朝鲜族自治州斑块个数由19 620增加至79 923，斑块密度由0.45增加至1.85，香浓多样性指数由1.54增加至1.64(表4)，表明20 a间延边州的景观破碎化程度日益加重，异质性显著增高，斑块类型愈加趋向均匀分布；最大斑块指数先减后增，说明20 a来研究区的优势景观类型已经发生了变动；景观形状指数由83.42增高到126.76，说明人类活动干预将景观形状改造趋于离散；景观蔓延度指数由81.29减少至78.28，聚集度指数由97.65减少至94.40，说明不同斑块类型间的聚集度在减少，空间分布逐渐趋向分散，景观的异质性略有增强。总体而言，在人类活动的影响下，20 a间延边州的景观异质性逐渐增高，同种类型斑块间的集中度逐渐降低，破碎化程度日渐加剧。

表4 1996-2016年延边朝鲜族自治州景观指数变化

3.2 生态系统服务价值变化分析

3.2.1 生态系统服务价值时间变化

(1) 总体生态系统服务价值变化。总体来看，1996—2016年延边朝鲜族自治州的生态系统服务总量呈下降趋势，1996年为1 117.24亿元，2006年为1 080.68亿元，2016年为1 083.74亿元。20 a间减少了33.49亿元，减少率为-3.00%(表5)。其中，20 a间林地所提供的服务价值分别为990.32亿元、968.77亿元、969.39亿元，其次为水域，分别为98.00亿元、76.07亿元79.08亿元。1996—2006年各景观类型的生态系统服务价值变化幅度均大于2006—2016年，表明延边州1996—2006年生态系统服务价值衰退率高于2006—2016年的增长率。

表5 延边朝鲜族自治州生态系统服务价值(ESV)变化

(2) 单项生态系统功能价值变化。由表6可知，研究区1996—2016年单项生态系统服务价值同上述年际变化特征表现为先减少后增加。各单项生态系统服务功能对延边州生态系统服务价值的贡献价值率位居前3位的是气候调节、水文调节和土壤保持。其中，减值最多的是水文调节，其次为气候调节，各减少17.48亿元和5.05亿元。仅有食物生产增加0.19亿元。同时各单项生态系统服务价值下降速度与景观指数中最大斑块指数、蔓延度与聚集度保持一致，说明大面积林地及水域的破坏，加速了生态系统的破碎化，降低了区域生态服务功能。

表6 延边朝鲜族自治州单项生态系统功能价值(ESV)变化

3.2.2 生态系统服务价值空间变化 研究区的生态系统服务价值总量随着时间的推移呈降低趋势，但总量的变化并不能表示空间上的变化，因此，从县市级别上来分析空间上的变化。考虑到延边州各县市面积差异较大，从单位面积/(hm2)生态系统服务价值角度来解析各县市生态系统服务价值在空间上的变化(表7)。其中，珲春市的单位面积生态系统服务价值居首位，1996—2016年的均超过26 500元/hm2，龙井市最低，在23 000元/hm2上下浮动。把ESV(元/hm2)变化分为3个类型，即I类型为逐年减少型，Ⅱ类型为先增后减型，Ⅲ类型为先减后增型，则延边州有4个县市为I型，1个县市为Ⅱ型，3个县市为Ⅲ型，可见延边州大部分县市的生态环境还未得到改善。

表7 各县市生态系统服务价值及其变化类型 元/hm2

从空间分布来看(图2)，2006—2016年的ESV(元/hm2)较好于1996—2006年，说明后10 a间各县市对生态环境保护意识逐渐增强。其中在2006—2016年东南部的龙井市增加量最多超过了1 000元/hm2，其次为西南部安图县增加量介于0～500元/hm2。但由于在1996—2006年除东北部汪清县外各县市减少量介于2 500元/hm2至0元/hm2，致使20 a来除汪清县外各县市ESV均呈降低趋势。

图2 延边朝鲜族自治州各县市ESV变化空间分布

3.2.3 生态系统服务价值的敏感性分析 通过公式(4)计算得出，1996—2016年在对延边州各土地利用类型的生态价值系数±50%后，3个年份的敏感性指数均小于1。说明修正后的生态系统价值系数适用于延边朝鲜族自治州。其中，林地的CS最高，说明林地的VC每增加1%，其ESV增加88.6%～89.6%。由此说明延边朝鲜族自治州林地价值在生态系统服务价值中占有极高的重要性(表8)。

表8 1996-2016年延边州生态系统服务价值敏感性指数变化

3.3 景观格局指数与生态系统服务价值的相关性分析

不同的景观格局指数对各类生态系统服务价值产生的影响也是有差别的。由表9可以看出，总的ESV与最大斑块指数、聚集度指数及蔓延度指数呈正相关，与斑块个数、斑块密度、香浓多样性指数及景观形状指数呈负相关。说明同类型斑块面积小、保存不完整、形状复杂、分布分散，也就表明随着破碎化的增加，容易致使生态系统服务价值的日渐减少，而优势景观类型斑块面积的增多，以及各类型斑块的聚集化发展会促使区域生态系统服务价值量的增加。

表9 景观格局指数与生态系统服务价值的相关性分析

4 讨论与结论

4.1 结 论

本研究基于三期遥感影像展开了对边境地区景观格局变化及其与生态系统服务价值间的响应进行相关分析，中间跨度20 a时间，同时研究尺度较小，能够一定程度上展现景观格局与生态系统服务价值间的响应机理，从中找到了影响延边州生态系统服务价值变化的主要景观类型及相关格局指数，结果表明：

(1) 延边州的基质景观是林地，1996—2016年，耕地、草地、建设用地及未利用地的景观面积均在增加，林地及水域反之。景观面积转移主要表现为林地、耕地和草地间的转换。20 a间延边朝鲜族自治州景观异质性逐渐增高，同种类型的斑块集中度降低，破碎化程度日渐加剧，各景观类型逐渐向均匀分布方向发展。

(2) 延边州的生态系统服务价值总量呈下降趋势，20 a间减少了33.49亿元，减少率为-3.00%，生态服务功能降低，其中仅食物生产增加0.19亿元；就空间变化而言，2006—2016年的ESV(元/hm2)较好于1996—2006年、20 a来仅东北部汪清县的ESV一直呈上升趋势。

(3) 延边州各单项生态系统服务价值的变化与最大斑块指数、聚集度和蔓延度指数呈显著正相关，与斑块个数、斑块密度、景观形状指数、香浓多样性指数呈负相关。城市建设用地的日渐扩张、纵横交错的路网使各类景观都被严重分割，致使林地和水域等的贡献率日渐减少，最终造成区域内生态系统服务价值总量的不断降低。

4.2 讨 论

(1) 本研究依照生态学及地理学等相关理论，对延边朝鲜族自治州的景观格局与生态系统服务价值的变化进行相应研究，研究表明景观格局在变化过程中都会影响到生态系统内部结构等，最终致使生态系统服务价值量发生改变。已有研究在对生态服务价值进行估算时，多数学者采用谢高地等[12]提出的单位面积价值当量因子法,但在研究过程中，因区域尺度上的缩小，经济水平及农作物生产量的改变，需要对其进行初步的修正。由于遥感数据精度的限制，未能更深入研究二级景观类型，且本研究未考虑自然地理因素以及社会人文因素对区域生态服务价值的影响，在今后的研究中需进一步探究。

(2) 景观格局对生态系统服务价值的影响具有一定的地域特色。在不同时期、不同地域、不同景观类型中的生态系统服务价值对景观格局指数响应的程度也不尽相同。如：刘焱序等[20]在秦岭山区的研究表明，聚集度的升高及景观分离度的下降会促使生态系统服务价值量的增大；岑晓腾等[21]在杭州湾南岸区域的研究表明，提升分散度指数及生物多样性有助于整体生态系统服务价值增大。随着经济社会的发展，大面积林地及水域的破坏，致使延边州的生态环境还未得到较大改善，尽管在2006—2016年受林地的影响，最大斑块指数有小幅度上升，但延边州的整体生态环境问题还很严峻，亟待从生态管制的角度出发，通过政策约束和经济调整以增加可提供高生态服务价值的林地、水域等景观面积比例，建构科学完善的农业发展格局，降低景观破碎度，以进一步提升土地利用效率，在发展经济的同时，提高各市域的生态服务价值，从而更好地支撑延边州可持续发展，实现人与自然的和谐相处。