哈长城市群土地利用变化对生态系统服务价值的影响

李香柒，李明玉，刘心雨，金 铭，李美娟

(延边大学 地理与海洋科学学院，吉林 延吉 133002)

“生态系统服务”是指人类直接或间接从生态系统中获得的各种收益[1-2]。快速城市化背景下，土地利用变化是影响生态系统服务最为关键的要素之一[3-4]，甚至对区域的发展产生直接影响。城镇化最显著的特征之一是土地利用发生变化，研究土地利用变化对生态系统服务的影响主要目的是辅助自然资产管理与规划决策应用，尤其是应用于区域土地利用规划与生态系统管理[5]。改革开放至今，我国城镇化经历了跨越式大发展，由于城镇规划及土地利用缺乏科学合理的指导，忽略了将大量自然及半自然土地类型转化为建设用地所带来的生态系统服务的损失[6]，严重威胁了城镇的可持续发展。因此，迫切需要将生态系统服务研究纳入到快速城镇化地区的土地利用规划管理中，以更好地指导城镇的可持续发展。

哈长城市群为国家9大城市群之一，包括哈尔滨市、大庆市、牡丹江市、齐齐哈尔市、绥化市、长春市、吉林市、四平市、松原市、辽源市和延边朝鲜族自治州[7]，在对建设新型城镇化以及区域新空间发展上具有重要地位[8]。当前在生态文明建设等国家重大战略推动下[9]，哈长城市群的转型发展迎来了新机遇。然而，经过40多年开发，哈长城市群面临着一系列的问题与挑战：城镇建设用地占用了大量其他土地利用类型的面积，不仅如此，人类长期的不合理活动也在很大程度上对生态环境产生了严重的不利影响[10]。鉴于此，该文根据Costanza、谢高地等[11-12]提出的生态系统服务价值计算方法[13-14]，对哈长城市群生态系统服务价值变化进行研究，旨在为提升其土地利用效能和生态系统服务保护提供理论依据。

1 研究区概况

哈长城市群包括黑龙江、吉林2省的10个市和1个自治州。范围界于东经122°24′～131°18′，北纬42°00′～48°55′，总面积263 640.92 km2(图1)。气候为亚寒带针叶林气候和温带季风气候[15]，部分地区有季节冻土发育。地形整体较开阔，以平原为主，区域内主要山地地形为长白山[16]。哈尔滨、长春2个省会城市为区域核心，辐射带动周边多个城市[17]。由于近年来城市建设用地大量扩张，对生态系统服务造成巨大压力，严重威胁到区域的可持续发展。

图1 研究区位置与范围

2 数据与方法

2.1 数据来源

土地利用数据源自2000、2010、2020年3期Landsat TM/ETM遥感影像，在此基础上，通过人机交互方式对3期土地利用数据进行预处理，提取哈长城市群3期土地覆被数据，辅助数据主要包括30 m分辨率的DEM，土地利用数据用于计算生态系统服务价值。

社会经济数据源自《全国农产品成本收益资料汇编》，主要包括2000—2020年我国单位面积农业用地的年净收益，用于确定生态系统服务价值系数。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用分类及解译精度评价

该研究参考Wang[18]的分类方法，结合遥感数据，将研究区土地利用类型分为6大类[19]，利用人机交互的方式提取不同时期土地利用数据[16]。经过Google Earth高分辨率遥感影像对研究区进行反复选点验证，3期土地利用类型分类解译精读均超过85%，满足研究需要。

2.2.2 生态系统服务价值评估

该研究涉及的生态系统服务价值系数主要是在修正了2008年谢高地等[11-12]制定的生态系统服务价值当量的基础上，进一步参考我国3种主要粮食作物的平均多年单位面积现金收益[20]，同时考虑到自然生态系统缺乏人力投入服务价值低，一般采用平均多年单位面积现金收益的1/7来核算单位面积耕地提供食物生产服务的价值系数。再利用1997年Costanza等提出的生态系统服务价值评价模型，计算出研究区生态系统服务年价值(表1)。计算公式如下：

ESV=∑(Ak×VCk)，

(1)

式中，ESV为生态系统服务总价值；Ak指k类土地利用类型面积；VCk指k类土地利用类型的生态系统服务价值系数[21-22]。

表1 中国陆地生态系统价值系数

2.2.3 相关分析

该研究通过采用Spearman相关系数对哈长城市群的土地利用变化与生态系统服务价值进行相关性分析，该方法能够较好地反映2个变量之间的依赖性[23]，因此通过该方法分析2000—2020年研究区二者的两两指标之间的相关性。

2.2.4 生态贡献率

生态贡献率为不同土地利用类型在某一时段内的服务价值变化量对区域总服务价值变化量的影响。公式为：

(2)

式中，SKT为K类土地利用类型在时间段T的生态贡献率；ΔESVKT为K类土地利用类型在时间段T内的生态服务价值变化量[24-25]。

3 结果与分析

3.1 土地利用变化特征

根据研究数据，将哈长城市群土地利用类型分为6种：耕地、林地、草地、水域、建设用地及未利用土地[26-27](图2)。区域内的耕地主要分布在北部的齐齐哈尔市、绥化市以及西南部的松原市和四平市；草地主要分布在西部地区的大庆市以及绥化市西南部、松原市；林地主要分布在区域的中东部地区；在研究时间段内水域面积明显减少(表2)。

图2 2000—2020年研究区土地利用类型

表2 2000—2020年研究区土地利用类型面积变化

2000—2020年，耕地面积先减后增，但其面积比例始终保持在46%以上；林地面积和水域面积始终呈减少的状态，水域面积比例从2000年的3.61%到2020年下降到2.41%；建设用地面积增加了0.66%；未利用土地面积增加了0.6%；在2000—2010年草地面积的比例增加了0.36%，2010—2020年减少了1.22%，为先增后减的变化趋势。

在2000—2010年，水域面积减少最多，为2 363.06 km2，主要由于这期间研究区降水减少，同时受人为因素干扰导致；其次为耕地和林地，分别减少了334.15和330.76 km2；草地面积在这期间大幅增加，增加了1 174.18 km2，说明2000年之后生态工程项目的实施初见成效，而2010—2020年，其面积却大幅下降，这是由于大量草地被开发利用为耕地，导致草地退化明显。近年来由于城市化快速发展，导致建设用地持续增加；松原市和延边朝鲜族自治州未利用土地面积占比最多，由于吉林省自2001年之后为发挥未利用土地的生态功能，对开发利用进行严格把控，同时加强未利用土地恢复，使研究区未利用土地面积不断增加。

2000—2010年，耕地主要向林地转移，面积为6 792.84 km2，可见退耕还林政策效果显著；其次是转为建设用地，可见城市的快速扩张占用了部分耕地；水域主要转向未利用土地，说明在这期间吉林省对未利用土地的保护取得了一定效果，具体转移面积达2 374.23 km2。其余土地利用类型主要去向都为耕地(表3)。

表3 2000—2010年研究区土地利用转移矩阵

2010—2020年，土地利用类型之间的转移趋势与前10年相同，但转移面积明显减少。值得注意的是，水域向耕地转移的面积相较于前10年却增加了296.75 km2，可见该时期水域面积减少主要是由于耕地的侵占(表4)。

表4 2010—2020年研究区土地利用转移矩阵

3.2 生态系统服务价值评估

通过对哈长城市群2000—2020年生态系统服务价值变化进行分析(图3)，可见哈长城市群在研究时间段内生态系统服务价值整体呈持续下降趋势，尤其在2010—2020年，下降幅度增大。通过对不同土地利用类型生态系统服务价值的变化曲线特征进行分析，发现从生态系统服务价值比重来看，供给服务价值比重和支持服务价值比重都呈持续上升的趋势，这主要是由于研究期间林地面积减少幅度相对较小，同时耕地面积整体大量增加，从而导致2种服务的价值比重上升；调节服务价值比重和文化服务价值比重的变化趋势一致，二者都呈持续下降的趋势，其原因主要是由于对这2种服务影响较大的水域、林地和草地面积都有不同程度的减少，而耕地的影响又相对较小，从而导致这2种服务的价值比重下降。

1) 供给服务价值变化

研究时段内，供给服务价值由10.12亿元下降至10.05亿元，减少了7%，2000—2010年下降幅度较大，主要是由于在这期间研究区域的耕地、林地和水域面积都呈减少的趋势，从而使粮食、木材的产量有所减少；2010—2020年下降幅度减缓，其主要原因是由于耕地的大量增加，但是其中却又存在大量农民自身开垦出来的土地，包括开发的沼泽地以及位于河流湖泊水位线之内的土地，这类土地质量较低，生产粮食以及原材料的能力较差，因此，整体上也只是使供给服务价值下降幅度减小。

2) 调节服务价值变化

在研究时间段内，哈长城市群的调节服务价值呈衰减趋势，2000—2010年减少了约1.38亿元，2010—2020年减少了约1.23亿元，总体下降幅度较均匀。在研究区域的调节服务价值变化主要与耕地面积、林地面积和草地面积显著相关，这主要是由于研究区的主要土地利用类型为这3类，因此对区域的生态系统调节服务价值贡献最大，但是由于林地面积和草地面积在2000—2020年持续减少，使其在气体、气候、水文方面的调节能力降低，从而导致调节服务价值在这期间持续下降，这也是导致整个研究区域调节服务价值减少的主要原因。随着研究区的生态系统服务价值衰减，对区域内的林地和草地的保护成为维持调节服务价值的主要因素。因此，一方面应该加强保护力度，严禁毁林开荒以及滥砍滥伐等行为，同时，也应该制定可持续发展策略，对区域内自然景观进行保护，才能维持生态系统调节服务价值。

3) 支持服务价值变化

耕地、林地和草地在保持土壤和维持生物多样性方面有着重要作用，因此与研究区域支持服务价值变化有着密切关系。研究时间段内，支持服务价值衰减变化幅度呈现先小后大的趋势。在2000—2010年，支持服务价值减少了约0.115亿元，而在2010—2020年，减少了约0.31亿元，其主要原因是林地面积和草地面积在研究时间段内都持续减少，虽然耕地面积在2010—2020年有所增加，但开垦的农业用地主要来自于林地和草地的转出，并且其中相当一部分是生产力较低的难以利用的土地，因此才会出现2010—2020年支持服务价值大幅降低的结果。

4) 文化服务价值变化

哈长城市群地区文化服务价值与林地和水域密切相关，随着林地面积和水域面积的减少，其所提供的美观景学服务相应降低，文化服务价值也持续降低。主要是由于大量的林地和水域转为耕地，同时一部分水域转为未利用土地，导致林地面积和水域面积持续减少，使文化服务价值降低。

图3 2000—2020年哈长城市群时间维度生态系统服务价值变化曲线特征

3.3 土地利用变化与生态系统服务价值相关性分析

为探讨研究区域土地利用变化与生态系统服务价值的相关性，在对2000—2020年哈长城市群的土地利用和生态系统服务价值进行分析后,对区域进行样点采集，通过SPSS软件对除未利用土地外的5种土地利用类型与供给服务价值、调节服务价值、支持服务价值和文化服务价值4种生态系统服务价值两两之间进行相关性分析(表5)。结果显示，调节服务价值与建设用地面积为负相关关系；供给服务价值与耕地面积、林地面积呈正相关，而与建设用地面积呈显著负相关；支持服务价值与耕地面积、林地面积、调节服务价值呈正相关，与建设用地面积呈负相关[28-29]。

表5 土地利用类型与生态系统服务相关系数

3.4 不同土地利用类型对生态系统服务价值变化的贡献率

2000—2010年、2010—2020年、2000—2020年3个时间段，水域的生态系统服务价值变化贡献率最大，最高达到79.43%，主要是由于研究区域降水减少，同时水域面积又被人类活动大量占用，导致在研究时期水域的生态系统服务价值波动最大，其次为草地，贡献率最高为24.91%。3个时期中，2000—2010年，水域的贡献率最大，其次是草地>林地>耕地>未利用地>建设用地[30]；2010—2020年，与前10年不同的是耕地在排名上超过了林地；2000—2020年，水域贡献率仍是最大，其次为林地，贡献率为14.16%[31](表6)。

表6 2000—2020年土地利用类型对生态系统服务价值变化贡献率

4 讨论与结论

4.1 讨论

该研究仅是从时间和空间维度上探讨了哈长城市群的生态系统服务价值变化，对于相关研究的其他方向还有待完善，未来关于生态系统服务的研究更应该从可持续发展、未来发展情景模拟、生态系统服务供需平衡等方面展开研究，以便为哈长城市群生态保护和区域发展提供更加全面的理论依据。

4.2 结论

该研究以哈长城市群为研究区域，分析了2000—2020年研究区的土地利用变化，以此为基础计算生态系统服务价值[32-33]，对二者进行相关性分析，证明二者的相关性后，分析了不同土地利用类型的生态贡献率[34-35]：

1) 在研究时间段内，研究区耕地先增加后减少，但占比始终保持在46%以上；林地面积和水域面积则始终是处于减少的状态；由于城市化快速发展，建设用地面积有所增加；未利用土地在政策的保护下也呈持续增加的状态；草地则呈先增后减的变化趋势。

2) 通过对哈长城市群4种生态系统服务的变化进行分析的结果显示，4种生态系统服务价值在研究时间段内都是呈持续下降的趋势，在生态系统服务价值比重方面，供给服务价值和支持服务价值都是呈持续上升的趋势，调节服务价值和文化服务价值则都呈持续下降的趋势。

3) 土地利用变化和生态系统服务价值具有相关性。供给服务、支持服务与耕地面积、林地面积呈正相关，建筑用地面积与供给服务、支持服务、调节服务都呈负相关。

4) 水域对哈长城市群生态系统服务价值变化影响最大，主要是由于研究区降水减少以及人类活动侵占等原因，导致水域面积大幅减少；其次影响较大的为耕地、林地和草地。