吉林西部盐碱地开发利用生态效应及格局优化——以吉林省白城市镇赉县为例

王晶滢，王冬艳，杨月稳

（吉林大学 地球科学学院，吉林 长春130061）

土地盐碱化是制约灌溉农业可持续发展的主要威胁之一，不仅影响了区域的粮食产能，还对生态环境产生了严重危害［1，2］。原生盐碱化问题严重区域多分布于干旱或半干旱地区，此类地区生态环境十分脆弱［3］，而在开发治理过程中如忽视水土资源状况和地形等条件，则会导致次生盐碱化的发生，产生生态环境负效应［4，5］。因此，盐碱地的开发利用应因地制宜、精准引导［6，7］，客观定量评估开发治理前后生态环境变化，从而科学合理制定盐碱地开发工程的建设时序与布局，以促进区域水土平衡与水盐平衡。

目前国内外针对盐碱地开发利用已有诸多实际举措，如伦敦盐碱区湿地公园［8］、美国环境—农业综合治理工程［9］、澳大利亚盐度和水质行动计划等［10-12］和我国西北、华北、东北盐渍区实施的农田林网工程、林业生态工程、人工湿地生态工程等［13，14］。这些措施虽然在一定程度上缓解了土地盐碱化问题，但是同时也暴露出盐碱地的一些开发利用方式（如改水田等）的弊端。孙广友、王海霞［15］指出，松嫩平原盐碱地大规模开发可能使松花江等水体受到污染，产生土壤次生盐碱化的风险；曲洋、董延超、张鹤［16］认为，盐碱地开发增加了温室气体排放，在特定条件下可能使莫莫格、查干湖湿地逐步盐湖化。但上述研究多数仅对盐碱地开发治理的潜在威胁进行了定性描述，针对不同盐碱地开发利用方式所产生的生态效应则少有定量研究，如何通过趋利避害的规划手段实现盐碱地开发治理工程的精准化缺乏有效证据。因此，对盐碱地开发利用前后的区域生态系统服务价值变化进行估算，并依据生态系统服务的供需状况进行盐碱地开发格局优化是十分必要的。

吉林省西部农牧交错带是我国土地次生盐碱化最严重的地区之一［17］，也是典型的生态环境脆弱区［18］。2007 年以来，吉林省通过实施西部土地开发整理重大项目，建设“引嫩入白”等水利设施，使西部生态环境得到明显改善，但受制于耕地需水量大且干旱区水源短缺的情况［19］，不合理的灌溉与强烈的地表水蒸发过程极易导致土地次生盐碱化的问题，亟需科学引导。鉴于此，本文以吉林省白城市镇赉县为例，基于当量因子法对该县盐碱地开发利用前后的生态系统服务价值变化进行了估算，并依据生态系统服务供需的空间差异对盐碱地开发治理格局进行了优化，旨在为东北苏打盐碱地区的国土空间生态修复提供依据。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

镇赉县地处吉林、黑龙江、内蒙古3 省区的结合部，位于122°47′—124°04′E、45°28′—46°18′N，隶属于吉林省白城市，是松嫩平原和科尔沁草原交融汇聚地带。2007 年，镇赉县开始实施土地开发整理重大项目和农田水利建设，其基本思路是“引嫩入白”，即利用西流松花江和嫩江两条河流将盐碱地开发成水田，形成大面积“人工湿地”。在实现“以水排碱、以稻治碱”的同时，稻田弃水进入天然湿地，有利于湿地保护，促进生态平衡。从2010 年起，该区域陆续实施造林工程、河湖泡塘连通工程等，使得湿地、森林、草原、水域面积增长，在一定程度上阻止了土地盐碱化问题的扩散蔓延。

1.2 数据来源

本研究数据包括土地利用数据、NPP数据、社会统计数据。土地利用数据主要来源于Landsat 影像的目视解译（数据下载于USGS，网址为https：//earthexplorer.usgs.gov/），其 中2009 年 为Landsat5 TM 影像，空间分辨率30m；2018 年为Landsat8 OLI影像，进行多光谱波段与全色波段合成后空间分辨率为15m，行列号均为120/28。依据“中国土地利用/土地覆盖遥感监测数据分类系统”，并结合研究区实际情况，将土地利用类型划分为旱地、水田、林地、草地、水域、盐碱地、湿地、未利用土地。与土地利用调查数据库的比对结果显示，土地利用数据总体分类精度达到95%以上，Kappa系数大于0.90，满足研究需求。NPP数据由改进的CASA 模型计算获取，粮食产量、价格等统计数据取自于对应时期的《吉林省统计年鉴》《全国农产品成本收益资料汇编》。

2 研究方法

2.1 生态系统服务价值核算标准

本文采用Costanza［20，21］提出的当量因子法，以谢高地等［22-25］制定的中国陆地生态系统服务价值当量因子表为基础，结合吉林省农业生产投入产出情况［26］及相关研究成果［27，28］，以吉林省地均粮食产量水平对1 个标准当量因子的生态服务价值量进行修正。同时，考虑到生态系统时空异质性，根据生态系统净初级生产力（NPP）数据，制定了镇赉县单位面积生态系统服务价值系数表（表1）。其中，修正系数的表达式为：

式中，CCi为第i 类陆地生态系统的修正系数；NPPi为我国第i 类陆地生态系统的净初级生产力；NPPwi为镇赉县第i 类陆地生态系统的净初级生产力［29- 33］。

表1 镇赉县单位面积生态系统服务价值（元/hm2·a）

2.2 生态系统服务价值评估方法

本文以土地利用类型面积为基础，并根据表1对研究区生态系统服务价值进行评估，具体计算公式如下：

式中，ESV 为研究区生态系统服务价值总量（元）；Ak为土地利用类型k 的面积（hm2）；VCk为第k类土地利用类型对应的生态系统服务价值系数（元／hm2·a）；ESVf为第f 项生态系统服务价值；VCfk是第k种土地利用类型第f项服务价值系数［34］。同时，本文针对ESV 空间变化的量算，经测试后选取5km×5km格网尺度进行结果呈现。

2.3 生态系统服务供求评价指标体系

生态系统服务供给状况由ESV 的计算结果表示；生态系统服务需求方面，结合前人的研究体系［35，36］，考虑到研究区干旱半干旱气候特征和盐碱地的开发利用情况，分别从土地需求、人口需求、经济需求、水源需求和农业发展需求等5 个方面进行评估（表2），应用熵权法进行综合评价。为了消除变量单位对结果的影响，本文将各指标进行无量纲化处理。

表2 生态系统服务需求评价指标体系

2.4 生态系统服务供求关系构建

本文将核算出的生态系统服务供给与需求利用Z- score方法进行数据标准化，计算公式为：

式中，x为标准化之后生态系统服务供给与需求得分；xi为镇赉县第i 个乡（镇）的生态系统服务供给与需求得分；x′为镇赉县平均值；s 为镇赉县标准差；n为乡（镇）数。

3 结果及分析

3.1 盐碱地变化及开发利用状况

2009—2018 年，白城市镇赉县盐碱地开发治理规模较大，治理面积约为4.94 万hm2（图1），整体开发利用比例约为56.09%，且主要分布在该县的中西部（图2）。依照盐碱地开发的规模大小将开发治理类型划分为转水田、转湿地、转水域、转草地、转旱地5 种，其遥感影像解译标识变化见图3。其中，开发为水田的盐碱地占比最大，达25.72%，主要分布在镇赉县西北部的哈吐气蒙古族乡、坦途镇和建平乡；转湿地和转水域两种类型的空间分布特征相似，主要集中在莫莫格蒙古族乡，其为吉林省西部莫莫格湿地的主要分布区之一。

图1 2009—2018 年盐碱地面积变化示意图

图2 盐碱地开发利用类型空间分布

图3 盐碱地开发利用类型遥感标识

3.2 盐碱地开发利用的ESV变化

2009—2018 年，镇赉县通过开发利用盐碱地，提升生态系统服务价值共计9.35 亿元。其中，盐碱地转湿地、转水域对ESV 的贡献远高于其他类型，两者带来的ESV 增长量分别占ESV 变化总量的57.62%和41.01%，主要体现在水资源供给和净化环境方面，是改善区域生态环境、提高生态系统服务功能的关键因素；而转水田是唯一使得ESV 明显下降的盐碱地开发利用方式，主要体现在水田脆弱的水资源供给功能和土壤保持功能。总体来看，盐碱地的开发利用对生态系统各项服务功能均有提升，其中净化环境功能、水资源供给功能和气候调节功能增幅最大（表3）。

分析单位面积的生态系统服务价值空间变化可知（图4），通过对盐碱地的开发利用，2009—2018 年镇赉县95%以上地区的生态环境得到了恢复。其中，莫莫格蒙古族乡的生态系统服务价值提升最为显著，与盐碱地转湿地、转水域开发类型的ESV 大幅提升区域相吻合；而盐碱地开发为水田或旱地对区域ESV的作用多数存在负面影响，且开发为水田的负效应要显著高于旱地，在镇赉县北部的坦途镇表现尤为明显；盐碱地转草地具有较好的土壤保持、净化环境和生物多样性保护功能，对提高哈吐气蒙古族乡的ESV起到了重要作用。

表3 盐碱地开发利用的生态系统服务价值变化表（单位：106元）

3.3 盐碱地开发利用格局优化

镇赉县各乡镇的生态系统服务供给和需求具有显著的空间异质性（图5），供需均呈现“东高西低”分布，可开发利用面积占全县总面积的49.74%。本文基于生态系统服务供需关系，按照盐碱地可开发利用时序，将镇赉县划分为湿地开发热点区、水田开发潜力区、生态供需平衡区和生态重点保护区4类地区。

图4 2009—2018 年盐碱地开发利用的ESV变化

哈吐气蒙古族乡是唯一的“低供给—中需求”区域，现有生态资源已无法满足当地生活和经济发展需要，应优先开发该片区的盐碱地，有效利用“引嫩入白”工程引入的水资源开发为人工湿地或水域等，显著提升ESV的土地类型。建平乡、大屯镇等4 个乡镇为“中高供给—中低需求”区域，生态系统服务供大于需，可在水源充沛地区适当选择转水田的方式，但要注意合理灌排，避免次生盐碱化和水体污染发生。如大屯镇东部有哈尔挠水库和大面积内陆滩涂分布，可用于灌溉的水资源较为充足，而镇赉县西部的建平乡水资源禀赋较为薄弱，应因地制宜推广羊草等耐盐碱植物的种植，建造防护林，调节区域小气候。镇赉镇、五棵树镇等4 个乡镇生态系统服务供求关系表现为“中低供给—中低需求”，具有较好的生态资源禀赋和较充足的盐碱地持续开发利用潜力，可结合当地地表水分布情况进行开发。如东屏镇、坦途镇可充分利用洋沙泡供给的水资源探索人工湿地生态工程建设。依托莫莫格国家湿地公园和镇赉县东部丰富的水资源，莫莫格蒙古族乡和沿江镇表现为“高供给—高需求”，但可开发利用空间有限，可建设自然保护区对珍稀物种进行重点保护，提高生物多样性，推动生态旅游发展。

图5 生态系统服务供需空间分异及盐碱地开发利用格局

4 讨论

2009—2018 年，白城市镇赉县盐碱地开发利用的过程中，生态系统服务价值的提升主要来源于盐碱地向湿地和水域的转化。其中，湿地和水域集中分布地区（如莫莫格国家湿地公园）是镇赉县ESV主要升值区，为周边提供了大量的生态系统服务；而盐碱地开发为水田后在水资源供给和土壤保持等方面则出现了较为显著的生态环境负效应，其所需水源对吉林西部的水资源配置、灌排配套系统提出了更高的要求［37，38］，与转水域和转湿地两种盐碱地开发利用方式存在明显的竞争关系［7］，且开垦之后由于当地水资源供应不足存在次年弃耕的风险，是吉林省西部盐碱地开发治理过程中须慎重处理的一种类型。根据生态脆弱区生态系统服务供需状况的空间差异可较清楚地了解其供给缺口规模和具体位置，针对供需差异性较大的开发热点区，可结合其地表水源分布情况适当设定人工湿地等开发后生态系统服务功能提升显著的工程治理类型；针对供给缺口较小，且地表水源供给不充足区域，可适当规划为转旱地或转草地等开发类型；针对地表水缺乏区域，应尽量避免大规模水田开发，防止次生盐碱化和水体污染的发生［39］。

当前，全球增温已导致干旱区扩大、水资源短缺、粮食减产等一系列问题［40］，人地矛盾也愈演愈烈。盐碱地作为主要耕地后备资源类型，在不破坏生态系统平衡的前提下进行合理开发利用，对促进人地关系和谐、保障国家粮食安全具有重要意义。

5 结论

吉林省西部地区作为我国主要的苏打盐碱土集中分布区，其盐碱地资源的合理开发利用对提高当地粮食产能、保护脆弱的生态环境至关重要。本文以吉林省白城市镇赉县为例，对该县2009—2018 年不同类型的盐碱地开发利用过程进行了ESV 变化的估算，同时以其生态系统服务供给和需求的空间差异为主要依据进行了盐碱地开发治理的格局优化，得出以下主要结论：①2009—2018 年镇赉县开发治理盐碱地约4.94 万hm2，占期初盐碱地总面积的56.09%，主要开发利用类型按规模大小可划分为转水田、转湿地、转水域、转草地、转旱地。②研究区盐碱地开发利用可提升ESV9.35 亿元，其中开发为湿地或水域对ESV增长贡献最大，而开发为水田具有显著的生态环境负效应；空间分布方面，莫莫格蒙古族乡盐碱地转湿地带来的ESV 提升最为显著，坦途镇盐碱地开发为水田导致ESV 有一定程度的下降。③依照研究区生态系统服务功能供需的空间差异，将研究区划分为湿地开发热点区、水田开发潜力区、生态供需平衡区和生态重点保护区，建议建设时序为优先开发湿地开发热点区和水田开发潜力区。开发利用方向上，建议对哈吐气蒙古族乡等生态系统服务供给缺口大、水资源地理优势明显区域进行人工湿地工程类开发整治；针对建平乡等生态系统服务供大于需的区域，适当选择转水田的开发类型；坦途镇等生态系统服务供需较为平衡区域可根据当地水资源供给情况选择开发为湿地、水域或草地、旱地；莫莫格蒙古族乡等“高供给—高需求”区域则应重点保护现有生态资源。

由于生态系统的复杂性、多维性和当量因子法在一定程度上的局限性，若因此能细化土地利用类型，通过更高分辨率的遥感影像获取数据，研究结果的精度将进一步提高。