基于土地利用的爱辉区生态价值动态评估

吉 玮，王光宝，李 丽，查国震，张红月

（1. 江苏速度遥感大数据研究院有限公司，江苏 南京 210042； 2. 闽江学院 海洋学院，福建 福州 350108；3. 江苏海洋大学 海洋技术与测绘学院，江苏 连云港 222005）

生态系统服务是指人类从生态系统中所获取的所有惠益[1]。开展生态系统服务价值评估，可以为优化生态系统结构提供决策信息，对促进区域经济和生态系统的可持续发展具有重要作用。而土地利用变化是制约人类社会可持续发展的主要因素之一，土地利用变化能通过改变生态系统的功能和结构，对生态系统维持及其服务功能起到决定性作用[2-3]。随着社会的不断进步，公众对生态环境的期望不断提高，以及“绿水青山就是金山银山”等科学论断的提出，基于土地利用的生态系统服务价值评估研究成为国际生态学和生态经济学的研究热点和前沿领域。

目前，基于土地利用数据开展生态系统服务价值的评估主要有3 种：第一种是静态评估，如Gren 等[4]对欧洲多瑙河流域进行了生态服务价值的评估；蔡中华等[5]使用2010 年中国生态系统的统计数据，对我国2010 年生态系统服务价值进行了再计算；丁小迪等[6]利用Google Earth 和资源三号卫星影像数据针对山东省滨海湿地的不同生态服务功能类型，采取市场价值法、生产价值法、生态价值法等进行了初步价值评估。第二种是动态评估，如Mendoza-González 等[7]选取墨西哥湾中部3 个研究区，分析了1995-2006 年研究区土地利用变化及其生态系统服务价值的变化；岳书平等[8]选取东北样带典型区，分析了1976-2000 年土地利用变化对生态系统服务价值的影响；汤峰等[9]运用模型法定量评价了2009-2016 年高阳县土地利用变化和生态系统服务价值变化及土地碳排放风险；帕茹克·吾斯曼江等[10]分析了1993-2017 年尉犁县土地利用/覆被变化导致的生态系统服务价值变化。第三种是情景分析，如Nelson 等[11]利用InVEST 模型，分析了1990-2050 年美国俄勒冈州威拉米特盆地土地利用变化对生态系统服务、生物多样性保护和商品生产水平变化的影响。窦攀烽等[12]利用InVEST 模型的情景分析的方法设计了6 种情景，分析了2000-2015 年气候变化和土地利用/覆被变化对区域产水量的影响。

黑河市作为黑龙江省的北部门户，虽然工业基础薄弱，但是具有生态环境优美、人文历史独特的相对优势。而拥有“北方游猎第一乡”美誉的爱辉区，近年来依托“两山理论”构建全域旅游空间体系，努力将生态优势转化为经济优势[13]，因此对其开展生态系统服务价值评估具有重要的指导意义。本文基于2000 年、2007 年、2013 年三期的Landsat 遥感影像，利用监督分类方法，对黑河市爱辉区进行土地利用分类；结合土地利用分类结果，采用中国陆地生态系统服务价值评估方法，参考《森林生态系统服务功能评估规范》[14]对爱辉区开展了生态系统服务价值动态评估，以期通过空间信息技术对爱辉区区域规划、生态系统结构优化及其可持续发展提供数据参考和科学依据。

1 研究区概况与数据来源

爱辉区隶属于“胡焕庸线”的北起点黑龙江省黑河市，全区总面积14 446 km2，地理位置在49°24′38″N ～50°59′11″N，125°49′32″E ～127°36′10″E 之间（图1），东邻黑龙江与俄罗斯阿穆尔州相望，西接嫩江县，南联孙吴县，北邻呼玛县[15]。爱辉区地处寒温带大陆性气候，春季高温多风，夏季炎热多雨，秋季降温极快，冬季寒冷干燥。全年降雨量大约在500 ～600 mm，日照时数在2 600 h，无霜期大约为105 d，年平均气温为-0.5 ℃，全年温差极大，最低气温只有-40℃，最高气温可达38℃。爱辉区是黑河市政府所在地，同时也是全国首批沿边开放城市、国家级生态示范区和大小兴安岭生态功能限制开发区。

图1 研究区

本研究中使用的数据包括遥感影像数据和统计数据两类。其中遥感影像数据来源于地理空间数据云平台（http://www.gscloud.cn/），由于爱辉区可用于土地利用分类的高质量遥感影像（云量低于1%）有限，本研究从中选取了2000-06-13、2007-09-05 两期的Landsat TM5 数据和2013-08-30 的Landsat8 OLI 数据。研究中的统计数据主要来源于文献资料。

2 研究方法

2.1 土地利用分类与验证

土地利用分类方法主要是通过ENVI 软件的监督分类结合人工目视解译来进行分类和结果修正。本研究利用ENVI 软件分别对2000 年、2007 年和2013 年的Landsat 影像数据进行图像预处理，包括辐射定标、大气校正、校正后地类光谱检查、数据镶嵌和数据裁剪。由于Landsat 影像数据的几何精度已经能够满足本研究的要求，所以不再对其进行几何校正。对预处理后的遥感影像建立分类特征库，利用监督分类方法中分类效果较好的最大似然分类法进行研究区的土地利用分类，并对分类结果进行聚类处理，结合人工目视解译对分类结果进行修正。依据原国土资源部土地利用现状分类标准，根据爱辉区土地利用的特征，将土地利用类型分为林地、农田、草地、水体和其他地类共5 种土地利用类型。采用总体分类精度开展分类结果的精度验证，可以通过ENVI 软件中的混淆矩阵工具计算得出。

2.2 生态系统服务价值评估方法

本研究采用中国陆地生态系统服务价值测量方法，参考《森林生态系统服务功能评估规范》，基于爱辉区土地利用分类结果，分别对林地、农田、草地及水体等对生态系统服务贡献较大的地类开展了价值测算。其他地类中包含的建设用地、裸地等对生态系统服务价值的贡献较少，本研究对此不作考虑。

2.2.1 林地生态系统服务价值评估

1）涵养水源。涵养水源主要包括对于降雨等水源进行保留，防止水分流失，对其进行保存，主要功能是增加可利用的水资源并优化水源的质量，包含调节水量和净化水质两个部分。调节水量：

式中，UT代表林地每年调节水量价值（单位：元/a）；Cs代表水库建设单位库容投资，依据牛安逸等[16]的研究，取值为6.11 元/m3；A 代表林地面积（单位：hm2）；X 代表降水量，爱辉区的平均降水量为550 mm；E 为林分蒸散量（单位：mm/a），依据邴龙飞等[17]人研究，用东北地区平均林地蒸散量代替爱辉区的林地蒸散量，取值为450.43 mm；Y 代表地表径流量，式（2）由孙力等[18]研究地表径流与降雨量的关系以及个人通过平均计算得出，算得地表径流量Y 等于10.51 mm。

净化水质：

式中，US代表林地每年净化水质的价值（单位：元/a）；K 代表净化水的费用取值2.09 元/t[19]；A,X,E,Y 代表含义和取值与前文相同。

2） 保育土壤。林地对于土壤的生态作用主要有两个方面，一方面是林地的根部对于土壤有保护，防止土壤流失的作用，即固土作用；另一方面则是保持土壤的肥力，即保肥作用。

固土作用：

式中，UG代表林地每年固土价值（单位：元/a）；A 代含义和取值与前文相同；CT代表挖取运送单位体积土壤所需的费用，取值为12.6 元/m3[16]；X2代表无林地土壤侵蚀模数，取值为77.6 t/hm2[16]；X1代表有林地土壤侵蚀模数，由于爱辉区的林地主要以针阔叶交混林为主[20]，故取值为3 t/hm2；θ 代表林地土壤容重，取值1.257 t/m3[19]。

保肥作用：

式中，UB代表林地每年保肥价值（单位：元/a）；N,P,K分别代表林地土壤中氮磷钾的占比；爱辉区林地土壤中氮磷钾含量取值分别为0.073%、0.073%、1.283%[14]；C1代表化肥品种磷酸二铵价格，取值为2 400 元/t[14]；β1、β2代表化肥品种磷酸二铵含氮磷的比例，取值分别为18%、46%；C2代表化肥品种氯化钾价格，取值为2 200 元/t[14]；β3代表化肥氯化钾中含钾的比例，取值为47.02%；M 代表林地土壤有机质含量，爱辉区林地土壤中有机质的含量是1.723%[19]；C3代表有机质的价值，取值为320 元/t[14]；A、X1、X2代表含义和取值与前文相同。

3） 固碳释氧。林地中的植被、土壤动物、微生物通过自身作用，一方面吸收CO2中的碳物质，即固碳作用；另一方面则是将CO2中的氧原子以氧气的形式释放出来，即释氧作用。

固碳作用：

式中，UC代表林地每年固碳价值（单位：元/a）；CC代表固碳价格，取值为1 200 元/t[14]；RC代表CO2碳的百分比，取值为27.27%[14]；BN表示林地净生产力，根据王琪[21]的研究，计算得到爱辉区的林地净生产力为3.292 t/(hm2·a)；FT代表林地单位面积土壤年固碳值，取值为2.29 t/(hm2·a)[19]；A 代表含义和取值与前文相同。

释氧作用：

式中，UY代表林地每年释氧价值（单位：元/a）；CY代表氧气价格，取值为1 000 元/t[14]，A,BN代表含义和取值与前文相同。

4） 累积营养物质。林地植物在生化过程中，通过吸收大气、水分、土壤中的氮磷钾等营养物质存储在自身体内，这一方面能够累积营养物质，另一方面能有效防止水体富营养化和污染。计算公式为：

式中，UYY代表林地每年营养物质累积价值（单位：元/a）；NYY,PYY,KYY，分别代表林地氮磷钾的含量；爱辉区林地氮磷钾的含量为0.736%,0.418%,0.033%[19]；A,BN,C1,C2,β1,β2,β3代表含义和取值与前文相同。

5） 净化大气环境。林地生态系统通过吸收、过滤等降低有害物质（如氮氧化物、氟化物等）的含量，并可以滞尘，提供有益于生态的负离子等功能。

提供负离子：

式中，UFL代表林地每年提供负离子价值（单位：元/a）；H 代表树林平均高度，针阔交混林平均高度10 m[19]；KFL代表产生负离子的费用，取值为5.818 5 元/1 018 个；QFL代表林地中负离子含量，取值为3 900 个/cm3；L 代表负离子平均寿命，取值为10 min[16]；A 代表含义和取值与前文相同。

吸收氟化物：

式中，UF代表林地每年吸收氟化物价值（单位：元/a）；KF代表氟化物治理费用，取值为0.69 元/kg[14]；QF代表林地单位面积年吸收氟化物量，取值为2.5 kg/(hm2·a)[19]；A 代表含义和取值与前文相同。

吸收氮氧化物：

式中，UDY代表林地每年吸收氮氧化物价值（单位：元/a）；KDY代表氮氧化物治理费用，取值为0.63 元/kg[14]；QDY代表林地单位面积年吸收氮氧化物量，取值为6 kg/(hm2·a)[19]；A 代表含义和取值与前文相同。

滞尘作用：

式中，UZC代表林地每年滞尘价值（单位：元/a）；KZC代表滞尘费用，取值为0.15 元/kg[14]；QZC代表林地单位面积年滞尘量，取值为22 kg/(hm2·a)[19]；A 代表含义和取值与前文相同。

6） 生物多样性保护。林地的存在为生物提供生存和繁衍生息提供保障，确保生物物种的多样性。计算公式为：

式中，UW代表林地每年生物保护性价值（单位：元/a）；SW代表林地单位面积生物多样性保护价值，根据谢高地等[22]的研究，取值为2 884.6 元/hm2；A 代表含义和取值与前文相同。

7） 森林游憩。林地生态系统在自身繁衍的同时，也为人类提供文化娱乐的场所，即游憩价值。计算公式为：

式中，UYQ代表林地每年提供的森林游憩价值（单位：元/a）；SYQ代表林地单位面积森林游憩价值，取值为1 132.6 元/hm2[22]；A 代表含义和取值与前文相同。

2.2.2 耕地生态系统服务价值评估

耕地生态系统服务价值的计算公式如下：

式中，UGD代表耕地每年提供的生态系统服务价值（单位：元/a）；SGD代表耕地单位面积的生态系统服务价值，取值为6 114.3 元/hm2[22]；G 代表耕地面积（单位：hm2）。

2.2.3 草地生态系统服务价值评估

草地生态系统服务价值的计算公式如下：

式中，UCD代表草地每年提供的生态系统服务价值（单位：元/a）；SCD代表草地单位面积的生态系统服务价值，取值为6 406.5 元/hm2[22]；C 代表草地面积（单位：hm2）。

2.2.4 水体生态系统服务价值评估

水体生态系统服务价值的计算公式如下：

式中，UST代表水体每年提供的生态系统服务价值（单位：元/a）；SST代表水体单位面积的生态系统服务价值，取值为4 0 676.4 元/hm2[22]；S 代表水体面积（单位：hm2）。

3 结果分析与讨论

3.1 土地利用及变化分析

利用ENVI 软件的精度验证计算功能，得到三期影像的土地利用总体分类精度分别为88.38%、89.21%和87.9%，符合精度要求。黑河市爱辉区三期土地利用遥感分类结果如图2 所示。

图2 爱辉区2000、2007、2013 年土地利用分类结果图

总体上看，爱辉区的土地利用类型中林地所占的比例最大，占总地类面积的一半以上；其次是草地，占总地类的1/3 左右；耕地约占总地类面积的10%；水体、其他地类所占比例较少。林地是生态系统服务的主要部分，这符合爱辉区作为国家级生态示范区的标准。

1）耕地面积总体呈下降趋势，但下降幅度有所差异。2000-2007 年耕地面积下降8.48%，即15 412.14 hm2；2007-2013 年耕地面积下降18.17%，即30 235.05 hm2。鉴于三期影像数据时间间隔相差不多但下降幅度却明显不同的情况，在查阅相关资料后可见，2000-2007 年间，耕地减少的原因一部分在于农村劳动力的减少而遭到荒弃，另一部分原因则是被建设用地占用。而2007-2013 年间，除上述原因外，“退耕还林”等生态措施同时影响着耕地面积的变化。

2）林地面积总体变化呈现先减后增趋势。2000-2007 年林地面积下降2.11%，即16 243.83 hm2；2007-2013 年爱辉区林地面积增加5.11%，即38 492.19 hm2。2000-2007 年，为追求经济的快速发展，忽视了林地对生态的保护作用，大量地砍伐木材，虽然林地的面积只减少2.11%，但由于基数大，故而林木遭到大面积破坏。而2013 年的林地面积却有大幅增加，与黑河市相继开展的“三年造林会战”和“五年绿化”密切相关[23]。

3）草地面积变化呈现先增后减趋势。2000-2007 年草地面积上升6.04%，即27 947.88 hm2；而2007-2013 年草地面积同比下降7.19%。从耕地和林地的变化原因可以分析得出，2000-2007 年草地面积增加一是由于大部分被荒弃的耕地由于缺乏耕作，逐渐被草地取代；二是由于被砍伐的林地直接接触光照，从而生长出大量的草体。2007-2013 年草地面积大量减少的原因同样有两个，一是“造林会战”使得大量草地变为林地；二是草地作为后备土地储蓄资源被开发利用掉。

4）水体的变化呈现先减少后大量增加的现象，2000 年比2007 年水体面积减少7.83%，即812.79 hm2；而2013 年比2007 水体面积增加53.19%，即5 091.03 hm2。在查阅文献资料后，认为造成这一现象的原因主要是：①爱辉区属于寒温带大陆性气候，在我国极其少见，这种气候会引起年降水量极不稳定。②根据相关资料显示[24-26]，2007 年黑龙江省出现历史性干旱，高温少雨，降水量比常年降低一到三成，2007-06-11～2007-08-10，平均降雨量仅为143 mm，公别拉河蓄水量持续降低。③2013 年夏季，黑河市出现持续性大暴雨，发生了自1984 年以来最大的洪涝灾害，黑龙江流域以及各条河流水位大幅度上涨[27-29]，因此2013 年爱辉区的水体面积出现明显增加。

5）其他地类从2000-2013 年呈逐年增多趋势，2000-2007 年爱辉区其他地类面积增加57.82%，即4 520.88 hm2；2007-2013 年爱辉区其他地类面积增加178.04%，即21 970.08 hm2。主要原因是由于随着城镇化进程的加快，大量的土地被开发成建设用地。

3.2 生态系统服务价值分析

爱辉区生态系统服务价值总量呈现先下降后上升的趋势（表1）。2000-2007 年，价值总量下降1.86%，即10.6 亿元；2007-2013 年，价值总量上升4.33%，即24.28 亿元。13 a 间生态系统服务价值总体上升了2.40%，即13.68 亿元。爱辉区各地类单位面积生态服务价值表为林地单位面积生态服务价值最高，为6.84 万元/hm2；水体次之，为4.07 万元/hm2；草地为0.64 万元/hm2；耕地的单位面积生态服务价值最低，为0.61 万元/hm2。

表1 爱辉区生态系统服务价值表（2000、2007、2013 年）

1）耕地生态系统服务价值分析。耕地的生态系统服务价值从整体上看是连续降低的，下降率分别是8.54%和18.19%，生态服务价值在13 a 间下降了2.8 亿元。由于耕地单位面积生态系统服务价值相同，所以其生态系统服务价值变化与土地利用类型变化是一致的。

2）林地生态系统服务价值分析。2000-2007 年，林地生态系统服务价值下降率为2.11%，即11.11 亿元；2007-2013 年，上升率为5.11%，即26.33 亿元。从表1 可以看出，林地的生态系统服务价值直接影响到爱辉区生态系统服务总价值。这是因为林地的生态系统服务价值在所有地类中所占比重最大，占总价值的91.87%以上，林地的面积不仅在所有地类中占比最大，单位面积生态系统服务价值也最高。林地单位面积生态系统服务价值高主要体现在其功能类别上（如图3 所示）。其中保育土壤单位面积生态服务价值最高，为4.79 万元/hm2；其后依次是固碳释氧、涵养水源、生物多样性保护、森林游憩、累积营养物质；最低的是净化大气环境，单位面积生态服务价值0.01 万元/hm2。根据林地生态系统服务价值表所示（表2），2000-2013 年，林地的生态功能类别和指标类型的生态服务价值变化和林地的土地利用类型变化也呈一致。

图3 爱辉区林地各项生态系统服务价值

表2 林地各生态功能类别价值（2000 年、2007 年、2013 年）

3）草地生态系统服务价值分析。草地的生态服务价值与草地土地利用类型变化趋势一样，先增加后减少。2000-2007 年，草地生态系统服务价值由29.67 亿元上升为31.46 亿元，上升率为6.03%；2007-2013 年，生态系统服务价值下降至29.19 亿元，下降率为7.22%。草地生态系统服务价值总体下降0.48 亿元，下降率为1.62%。总体上草地生态系统服务价值呈下降趋势。

4）水体生态系统服务价值分析。水体的生态服务价值变化趋势为先减少后增加。2000-2007 年，水体生态系统服务价值由4.22 亿元下降为3.89 亿元，下降率为7.82%；2007-2013 年，生态系统服务价值上升至5.96 亿元，上升率为53.21%；13 a 间总体上升41.23%。由土地利用变化分析可以得知，2007 年发生的干旱与2013 年发生的洪涝灾害都对水体生态系统服务价值造成了明显的影响。

4 结 语

本文通过对黑河市爱辉区2000 年、2007 年、2013 年三期遥感影像进行土地利用分类，采用中国陆地生态系统服务价值测量方法及森林生态系统服务功能评估规范核算了该区域的生态系统服务价值，可以得出以下结论：①爱辉区2000 年、2007 年和2013 年的生态系统服务价值分别为571.03 亿元、560.43 亿元、584.71 亿元。生态系统服务总价值呈先减少后增加的趋势，总体增加13.68 亿元。②一个地区生态系统服务价值与土地利用类型有着密切的关系。在对生态系统服务价值贡献较少的其他地类面积连年增加、草地和耕地面积减少的情况下，爱辉区的生态系统服务价值的增长得益于林地面积和水体面积的增加。③从片面地追求城镇化速度，忽视林地生态系统服务价值到2011 年被命名为“国家级生态示范区”，爱辉区形成了人与自然和谐相处的新型现代化生态城镇格局。