王 燕，高吉喜，王金生，張 慧，仇 杰，肖洛斌

自然保護區(qū)是生物多樣性和自然資源環(huán)境就地保護的主要載體，是野生動植物的寶貴棲息地。隨著全球生態(tài)環(huán)境的不斷惡化，人們自然保護意識不斷增強，各國政府和組織機構(gòu)紛紛行動，自然保護區(qū)的建設(shè)取得了顯著的成效。截至2010年10月，全球自然保護區(qū)數(shù)量超過16 100個，面積占全球陸地總面積的12.7%［1］。我國的保護區(qū)事業(yè)也發(fā)展積極，截止到2011年底，中國（不含港澳臺地區(qū)）共建立各種類型和不同級別自然保護區(qū)2 640個，總面積1.50×108hm2，占國土面積的14.93%，超過世界平均水平。其中，國家級自然保護區(qū)335個，面積9.32×107hm2，占國土面積的9.7%［2］。

雖然自然保護區(qū)建設(shè)規(guī)模不斷擴大，但生物多樣性減少和生態(tài)環(huán)境惡化的趨勢卻未得到有效遏制，這很大程度是由于棲息地的土地利用／覆蓋變化（LUCC）造成的［3－5］。研究表明［6－8］，氣候變化、人 類不合理活動及無效管理等是導致土地覆蓋變化的主要因素，土地覆蓋的變化將直接導致生態(tài)系統(tǒng)土壤侵蝕、生物多樣性和生物化學循環(huán)等過程的變化，進而影響生態(tài)系統(tǒng)服務功能的發(fā)揮［9－11］。通過開展自然保護區(qū)LUCC及生態(tài)服務價值變化的研究，可以對保護區(qū)的保護成效進行評定，從而為保護區(qū)的有效管理提供參考依據(jù)。目前，基于自然保護區(qū)LUCC生態(tài)服務價值動態(tài)的研究不多，主要是對單個保護區(qū)土地利用／覆蓋變化或靜態(tài)生態(tài)服務價值的研究［5，7，12－13］，缺 少 區(qū) 域 尺 度、不 同 類 別 自 然 保 護 區(qū)LUCC及生態(tài)服務價值變化的綜合定量研究。本研究選取了吉林省14個國家級自然保護區(qū)為分析對象，運用3S技術(shù)對2000年和2010年的土地覆蓋狀況進行了分析，并對該期間生態(tài)服務價值的變化進行了評估，旨在獲取該地區(qū)自然保護區(qū)土地覆蓋及生態(tài)服務價值的變化動態(tài)，為保護區(qū)資源的合理管理和有效保護提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

研究區(qū)位于中國東北地區(qū)中部的吉林省境內(nèi)，分布范圍在東經(jīng)122°05′—131°14′，北緯41°24—46°10′之間，涵蓋了14個不同類型的國家級自然保護區(qū)，包括6個內(nèi)陸濕地類保護區(qū)、3個野生動物類保護區(qū)、2個森林生態(tài)類保護區(qū)、2個地質(zhì)遺跡類保護區(qū)和1個野生植物類保護區(qū)。該區(qū)屬于溫帶大陸性季風氣候區(qū)，春季干燥多風，夏季溫暖多雨，秋季晴冷溫差大，冬季漫長干寒。年均氣溫在1.9～7℃之間，年降水量在400～1 400mm之間，全年無霜期平均為100～150d，年平均日照2 300～2 880h。

該區(qū)內(nèi)分布大量的珍稀動植物資源，據(jù)不完全統(tǒng)計，區(qū)內(nèi)有高等植物2 000多種，脊椎動物500多種，魚類300多種，鳥類近300種，以及大量的藥用植物資源、珍貴的自然歷史遺跡和地質(zhì)遺跡等，如人參、東北紅豆杉、紅松、水曲柳、黃蘗、鉆天柳、紫椴、胡桃楸、刺五加、野大豆、東北對開蕨、東北茶藨子、刺人參、巖高蘭、山楂海棠、狹葉瓶兒小草等國家Ⅰ和Ⅱ級保護植物，東北虎、金錢豹、梅花鹿、紫貂、黑鸛、大鴇、白鸛、金雕、白肩雕、丹頂鶴、中華秋沙鴨、豺、麝、黑熊、棕熊、水獺、猞猁、馬鹿等國家Ⅰ和Ⅱ級保護動物等。由于豐富的自然資源和優(yōu)質(zhì)環(huán)境，該區(qū)也是松花江、圖們江、鴨綠江等的重要水源地。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

土地利用／覆蓋數(shù)據(jù)來源于2000年Landsat TM影像和2010年的環(huán)境遙感衛(wèi)星影像，通過人工目視解譯得到土地類型數(shù)據(jù)（所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的WGS＿1984坐標系和Albers投影下，橢球體為Krasovsky橢球體）。利用ERDAS 9.2和ENVI 4.8完成圖像的影像鑲嵌、數(shù)據(jù)融合、影像裁剪、圖像增強等預處理過程，以1∶100 000地形圖配準建立解譯標志，然后在ArcView環(huán)境中進行人機交互式判讀解譯。對解譯結(jié)果進行隨機選點，GPS點屬性校檢結(jié)果表明，土地利用類型判別的準確率達90%以上。對所得到的數(shù)據(jù)利用ArcGIS軟件進行編輯及處理，得到保護區(qū)不同時期的土地利用數(shù)據(jù)。

1.3 土地利用數(shù)據(jù)分類

依據(jù)我國遙感解譯分類標準和實際土地利用特點，將研究區(qū)的土地類型分為林地、草地、農(nóng)田、濕地、水域、荒地、建筑交通用地7個一級類型和針闊混交林、落葉闊葉灌木林、落葉闊葉林、落葉針葉林、常綠針葉林、稀疏林、草叢、草甸、草原、草本濕地、灌叢濕地、苔蘚／地衣、旱地、水田、河流、湖泊、水庫／坑塘、運河／水渠、工業(yè)用地、交通用地、居住地、裸巖、沙漠／沙地、鹽堿地24個二級類型。

1.4 土地利用／覆蓋變化分析方法

土地利用／覆蓋變化的指標可分為土地利用變化數(shù)量指數(shù)（包括變化幅度、變化速率）和土地利用變化類型間轉(zhuǎn)移指數(shù)（包括單一土地利用變化空間動態(tài)度和趨勢狀態(tài)指數(shù)、區(qū)域土地利用變化空間動態(tài)度和趨勢狀態(tài)指數(shù)）。具體模型［14－18］為：

（1）土地利用變化幅度（Pi）：

（2）土地利用變化速率：

單一土地利用動態(tài)度（Rs）：

綜合土地利用動態(tài)度（Rt）：

（3）單一土地利用變化：

空間動態(tài)度（Rss）：

趨勢狀態(tài)指數(shù)（Ps）：

（4）區(qū)域土地利用變化：

空間動態(tài)度（Rts）：

趨勢狀態(tài)指數(shù)（Pt）：

式中：Ua，Ub——研究初期和末期某一土地類型的面積；T——研究時段長；ΔUin－i——研究期間其它類型轉(zhuǎn)變?yōu)閕類型的面積之和；ΔUout－i——i類型轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌愋偷拿娣e之和；∑ni－1Uai——研究期初各種土地利用類型的面積之和；ΔUin——研究時段T內(nèi)其它類型轉(zhuǎn)變?yōu)樵擃愋偷拿娣e之和，ΔUout——某一類型轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌愋偷拿娣e之和。

1.5 生態(tài)服務價值計算

本研究生態(tài)服務價值的計算采用參數(shù)借用法，依據(jù)Costanza研究原理，按謝高地等［19］提出的中國生態(tài)服務價值當量因子表為基礎(chǔ)，結(jié)合吉林省單位面積糧食生產(chǎn)價值獲取研究區(qū)各地類單位面積生態(tài)服務價值，然后乘以對應土地類型面積得到各土地利用類型的生態(tài)服務價值量。

生態(tài)服務價值定量因子經(jīng)濟價值量計算模型為：

式中：VC0——生態(tài)服務價值當量因子的經(jīng)濟價值量〔元／（hm2·a）〕；qi——全國平均糧食價格（元／kg）；pi——吉林省糧食年平均產(chǎn)量（kg／hm2）；i——2000—2010年的各個年份。

生態(tài)服務價值計算模型為：

式中：ESV——生態(tài)系統(tǒng)服務價值；Ak——k類土地面積（hm2）；VCkf——k類土地f項生態(tài)服務功能價值單價〔元／（hm2·a）〕。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用變化

2.1.1 土地利用變化總體分析 研究區(qū)在2000—2010年土地利用類型發(fā)生了較大的變化。建設(shè)用地、草地和農(nóng)田的面積有所增加，增加幅度依次為22.65%，15.65%和5.13%；林地、濕地、水域和未利用地的面積均有所減少，其中，未利用地減少幅度最大，為9.00%，林地減少幅度最小，為0.31%。由圖1可以看出，林地在保護區(qū)土地利用中始終占主導地位，其次為農(nóng)田和水域，3者所占面積占保護區(qū)總面積的85%以上。近10a間，農(nóng)田增加面積1.08×104hm2，為所有土地類型中面積增加最大，建設(shè)用地增長幅度雖然最大，但增長面積最小，僅為992.95hm2；濕地和水域減少面積最大，分別為5181.53和5 109.19hm2。

圖1 吉林省國家級自然保護區(qū)2000－2010年各地類面積比例變化

從表1可以看出，保護區(qū)分布的7種土地利用類型中建設(shè)用地的變化速率最大，為2.27%，其次為草地，其余依次為未利用地、濕地、水域、農(nóng)田和林地，林地分布相對穩(wěn)定，變化速率最小。從土地利用動態(tài)變化的空間轉(zhuǎn)移過程來看，草地空間動態(tài)度最大，其次為未利用地和建設(shè)用地，說明草地、未利用地和建設(shè)用地面積相對于其初始值在研究時段內(nèi)輸入和輸出的轉(zhuǎn)化比較顯著；林地空間動態(tài)度最小，其次為農(nóng)田和水域，說明該時段內(nèi)林地、農(nóng)田、水域面積相對初始值轉(zhuǎn)化不顯著或轉(zhuǎn)移不頻繁。研究區(qū)土地利用的平均變化率為0.15%，空間動態(tài)度為0.43%。

表1 研究區(qū)土地利用變化動態(tài)度

2.1.2 土地利用類型轉(zhuǎn)移特征分析 從圖1和表2可以看出，2000—2010年期間，濕地和水域面積減少劇烈，其中很大部分轉(zhuǎn)化為農(nóng)田，轉(zhuǎn)化面積分別為4248.25和5263.91hm2，轉(zhuǎn)化為未利用地和林地的面積次之，轉(zhuǎn)化為未利用地的面積分別為1 154.24和1 027.13hm2，轉(zhuǎn)化為林地的面積分別為1 199.90和943.71hm2。近10a間，濕地和水域相互轉(zhuǎn)化的面積差異不大，分別為1 840.39和1 580.40hm2。未利用地面積減少幅度最大，減少面積為2 363.11hm2，從表2可以看到，未利用地主要轉(zhuǎn)化為草地和農(nóng)田，轉(zhuǎn)化面積分別為3 888.88和1 641.43hm2。林地減少面積1 704.73hm2，主要轉(zhuǎn)化對象為農(nóng)田3 085.10hm2，濕地1 235.92hm2，草地966.43hm2。

農(nóng)田增加面積最多，除建設(shè)用地外，其余土地利用類型都有較大面積轉(zhuǎn)化，其貢獻分別為：水域5 263.91hm2，濕地4 248.25hm2，林地3 085.10hm2，草地2 699.06hm2，未利用地1 641.43hm2。草地增加面積次之，主要轉(zhuǎn)化來源有未利用地3 888.88hm2，農(nóng)田1135.31hm2，林地966.43hm2，濕地736.15 hm2。建設(shè)用地增加992.95hm2，增加幅度最大，其轉(zhuǎn)化來源主要有農(nóng)田719.23hm2，林地264.15hm2，草地131.16hm2，說明保護區(qū)內(nèi)占用農(nóng)田進行建設(shè)的情況比較嚴重。

表2 研究區(qū)2000－2010年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣 hm2

趨勢狀態(tài)指數(shù)Ps反映了某一土地利用類型的發(fā)展方向，當0≤Ps≤1時，說明該土地類型朝著規(guī)模增大的方向發(fā)展，即處于“漲勢”，Ps越接近于0，則該土地類型規(guī)模增長越緩慢，且雙向轉(zhuǎn)換頻繁，呈現(xiàn)平衡態(tài)勢，但轉(zhuǎn)換為其它類型的面積略小于其它類型轉(zhuǎn)換為該類型的面積；當－1≤Ps≤0時，說明該土地類型朝著規(guī)模減少的方向發(fā)展，即該類型處于“落勢”，Ps越接近于0，則該類型規(guī)模減少越緩慢，且雙向轉(zhuǎn)換頻繁，呈現(xiàn)平衡態(tài)勢，但面積轉(zhuǎn)換為其它類型面積略大于其它類型轉(zhuǎn)為該類型的面積［17］。表1中，草地Ps最接近0，說明草地處于相對平衡的“漲勢”，建設(shè)用地Ps最接近1，說明建設(shè)用地正在不斷膨脹；林地Ps最接近0，說明保護區(qū)林地處于相對平衡的“落勢”狀態(tài)，濕地和水體Ps最接近－1，說明保護區(qū)濕地和水體規(guī)模正在逐步萎縮。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化

2.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務價值單價 依據(jù)2000—2010年中國統(tǒng)計年鑒中公布數(shù)據(jù)，吉林省2000—2010年的平均糧食產(chǎn)量為5 651.66kg／（hm2·a），按國家統(tǒng)計局2011年公布的全國平均糧食價格為2.73元／kg，經(jīng)計算得到吉林省生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量因子的經(jīng)濟價值量為2 204.15元／（hm2·a）。結(jié)合中國生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量因子表得到單位面積生態(tài)服務價值量（表3）。

表3 吉林省生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務價值 元／（hm2·a）

2.2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值 吉林省14個國家級自然保護區(qū)各地類生態(tài)系統(tǒng)服務價值詳見表4。從表4可以看到，2000—2010年期間，生態(tài)系統(tǒng)服務價值構(gòu)成比例變化不大，林地始終占據(jù)主導地位，占總價值的60%左右，其次為水域和濕地，所占比例相近。自然保護區(qū)生態(tài)服務價值總量有所下降，降低1.73%，總計9.95×108元／a，這主要是由于占生態(tài)系統(tǒng)服務價值主要構(gòu)成地位的林地、水域和濕地的面積減少所造成的。林地、濕地、水域和未利用地價值量有所降低，分別減少0.31%，6.78%，5.15%和8.96%，草地、農(nóng)田價值量有所增加，分別增加了15.67%和5.13%。濕地的生態(tài)系統(tǒng)服務價值降低最大，對整體價值變化的貢獻率也最大，這主要是由于其減少面積較大且具有較高的生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)所致。農(nóng)田價值量增加最為明顯，主要是由于農(nóng)田增加面積過大所致。

表4 不同土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化

自然保護區(qū)2000和2010年生態(tài)服務價值構(gòu)成如圖2所示。從圖2可以看出，水文調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、廢物處理、維護生物多樣性、氣體調(diào)節(jié)、保持土壤等各項構(gòu)成了自然保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值的主體，食物生產(chǎn)、原材料生產(chǎn)等價值相對較低，這與保護區(qū)目前的管理宗旨一致，而由于保護區(qū)生態(tài)旅游目前還在探索和初步發(fā)展階段，故相應的提供美學景觀價值的潛力還有待于進一步發(fā)揮。除保持土壤和食物生產(chǎn)的價值量有所增加外，其余各項價值量均有所下降。其中，降低最顯著的是廢物處理、水文調(diào)節(jié)和氣候調(diào)節(jié)價值，降低率分別為3.53%，3.01%和1.98%。

圖2 吉林省自然保護區(qū)單項生態(tài)系統(tǒng)服務價值

3 結(jié)論

2000—2010年，吉林省國家級保護區(qū)內(nèi)建設(shè)用地、草地和農(nóng)田的面積有所增加，而林地、濕地、水域和未利用地的面積均有所減少。各土地類型的變化幅度有所差異，相比較區(qū)域土地利用的平均變化，除林地外的所有類型都有較大幅度的變化，特別是建設(shè)用地和草地的變化幅度相對突出。不同土地利用類型之間均有轉(zhuǎn)化，但各自轉(zhuǎn)化規(guī)模差異顯著，彼此間轉(zhuǎn)化差異的累計導致了其不同的變化結(jié)果。林地始終占保護區(qū)的主體地位，在所有土地利用類型中變化最緩慢，處于相對平衡的“落勢”狀態(tài)，表明保護區(qū)對森林資源的保護效果比較理想。在此10a期間，隨著人類生產(chǎn)活動的加劇，農(nóng)田大面積增加，建設(shè)用地正逐步膨脹。受氣候等自然因素和人文因素的共同作用，濕地和水域大面積減少，呈現(xiàn)明顯的“落勢”狀態(tài)，作為我國眾多珍稀瀕危鳥類的棲息地，需要加強對其后期的保護和建設(shè)。

2000—2010年，自然保護區(qū)總生態(tài)系統(tǒng)服務價值呈下降趨勢，凈減少9.95×108元／年，降低率為1.73%。生態(tài)系統(tǒng)服務價值構(gòu)成比例基本保持穩(wěn)定。林地、濕地、水域和未利用地價值量有所降低，其余各地類價值量有所增加。價值量的變化趨勢與土地面積的變化基本一致。在自然保護區(qū)單項生態(tài)系統(tǒng)服務價值中，除保持土壤和食物生產(chǎn)的價值量有所增加外，其余各項價值量均有所下降。其中，以廢物處理、水文調(diào)節(jié)和氣候調(diào)節(jié)價值最顯著，降低率分別為3.53%，3.01%和1.98%。由此可見，應加強自然保護區(qū)的管理，遏制濕地、水域及林地的減少趨勢，從而進一步保障其生態(tài)服務作用的發(fā)揮。

目前，生態(tài)系統(tǒng)服務價值計算方法較多，計算過程受具體因素的影響，方法選取多樣，彼此之間難以統(tǒng)一，生態(tài)服務價值絕對價值的意義不大；而價值變化能更好地反映出生態(tài)系統(tǒng)變化和人為作用產(chǎn)生的效果，對環(huán)境資源管理和相關(guān)政策的制定更具有指導意義。價值系數(shù)的選取是本方法的關(guān)鍵，由于生態(tài)系統(tǒng)的復雜性和異質(zhì)性，采用統(tǒng)一的價值系數(shù)可能會對價值量的計算造成一定的誤差，對價值系數(shù)進行時空異質(zhì)的校正是本研究以后需要關(guān)注的重點。

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