基于土地利用變化的松原市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值預(yù)測(cè)

張 爽，杜會(huì)石

（吉林師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院，吉林 四平 136000）

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基于土地利用變化的松原市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值預(yù)測(cè)

張 爽，杜會(huì)石

（吉林師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院，吉林 四平 136000）

摘 要：以典型農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)的吉林西部松原市為研究區(qū)，利用2000、2010、2015年TM/OLI遙感影像，解譯得到研究區(qū)3期土地利用變化信息圖譜，運(yùn)用GIS空間分析和數(shù)值統(tǒng)計(jì)分析方法研究該區(qū)土地利用變化情況，對(duì)2020年土地利用信息進(jìn)行預(yù)測(cè)，并由此評(píng)估該區(qū)未來(lái)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化特征。結(jié)果表明：近15 a，松原市地區(qū)水田面積增加最多，年均8.41%；生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值增加33.86×108元。模擬預(yù)測(cè)結(jié)果為，到2020年，松原市土地利用類型的旱田、水田、水域、濕地和建筑用地面積呈增加趨勢(shì)，其中旱田面積增加最多，達(dá)49 596.37 hm2；林地、草地和未利用地面積呈減少趨勢(shì)；生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值增加不顯著，由2010年的357.14×108元增加到2020年的362.36×108元，年均增長(zhǎng)率為0.1%；精度檢驗(yàn)及敏感性分析表明，研究結(jié)果可信。

關(guān)鍵詞：生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值；預(yù)測(cè)；CA-Markov；松原市

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)（Ecosystem services）是生態(tài)學(xué)重要的研究?jī)?nèi)容[1]，謝高地發(fā)展了Costanza等研究成果，構(gòu)建了中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估方法[2]。此后，國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)展了大量研究工作[3-7]。如董全[8]改進(jìn)Costanza的類別劃分，將ESV最終確定11類生態(tài)服務(wù)功能；侯元兆等[9]測(cè)算了中國(guó)森林資源總價(jià)值，蔡中華[10]對(duì)中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行了深入分析，王紅梅[11]等將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值研究開(kāi)創(chuàng)性的劃分為三個(gè)階段并確定各階段的研究重點(diǎn)，歐陽(yáng)志云、趙同謙等[12-15]對(duì)我國(guó)水域、草地、林地等區(qū)域景觀維度的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行了評(píng)估，何浩等[16]根據(jù)實(shí)際情況，研究了我國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值功能，總結(jié)了一些有參考價(jià)值的評(píng)估工具、方法與模型。

松原市地處干旱半干旱區(qū)去過(guò)渡地帶，區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境脆弱，景觀生態(tài)對(duì)氣候變化敏感。而近10 a，隨著人口增加、經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人類擾動(dòng)疊加在氣候變化背景下，致使地表景觀格局破碎，生態(tài)環(huán)境問(wèn)題亟待解決，而生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值研究是評(píng)估生態(tài)環(huán)境變化較好切入點(diǎn)。目前，已有的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值（Ecosystem Services Value，ESV）研究大多是針對(duì)吉林省西部地區(qū)進(jìn)行的大尺度研究，但鮮有針對(duì)松原區(qū)域尺度上的具體分析。因此，在該區(qū)開(kāi)展土地利用變化及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值研究具有重要科學(xué)意義。筆者運(yùn)用基于GIS和遙感技術(shù)，研究近15 a吉林西部松原市的土地利用變化特征，并評(píng)估預(yù)測(cè)由此引起的松原市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化，為區(qū)域環(huán)境保護(hù)以及區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1　數(shù)據(jù)處理及研究方法

1.1研究區(qū)概況

松原市位于中國(guó)東北地區(qū)，面積22 034 km2（123°6'～126°11'E，43°59'～45°32'N），占吉林省面積12%，總?cè)丝诩s290萬(wàn)。該地區(qū)屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫4.5℃，無(wú)霜期135～140 d。年降水量在400～500 mm之間，多集中在7～8月。松原市是吉林省西部土地風(fēng)沙化、鹽堿化問(wèn)題的典型區(qū)，土地利用受自然條件限制嚴(yán)重。

1.2數(shù)據(jù)獲取與處理

以2000年、2010年、2015年30 m分辨率的Landsat5 TM和Landsat8 OLI衛(wèi)星遙感影像為數(shù)據(jù)源。輔以研究區(qū)1∶10萬(wàn)地形圖，行政區(qū)劃圖，地質(zhì)地貌圖，相關(guān)社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)資料等。數(shù)據(jù)處理過(guò)程為，選取TM432、OLI543通道對(duì)遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成，以研究區(qū)1∶10萬(wàn)地形圖及實(shí)地測(cè)量野外驗(yàn)證點(diǎn)為基準(zhǔn)，對(duì)遙感影像作幾何精校正[17-18]。為與前人研究保持連貫性和可比性，確定該區(qū)土地利用類型包括耕地（旱田和水田）、林地、草地、水域、建筑用地、濕地和未利用土地[17]。影像解譯并制作松原市近10 a土地利用變化信息（圖1、表1）。

圖1　2000～2015年松原市土地利用變化遙感影像與解譯圖

1.3土地利用預(yù)測(cè)方法

1.3.1CA模型 CA模型在時(shí)間、空間、狀態(tài)上離散，各變量狀態(tài)改變?cè)跁r(shí)空上均表現(xiàn)為局部特征[19]，表達(dá)式為：

式中，S表示元胞有限、離散的狀態(tài)集合；t、t+1表示不同時(shí)刻；N表示元胞的鄰域；f表示局部空間的元胞轉(zhuǎn)化規(guī)則。

1.3.2CA-Markov模型 柵格圖中，各元胞（像元）的當(dāng)前狀態(tài)及相鄰元胞狀態(tài)決定下一時(shí)期該元胞的狀態(tài)[20]。實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

（1）確定轉(zhuǎn)換規(guī)則和構(gòu)造CA濾波器。將研究區(qū)2000年、2010年解譯矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格格式，利用Arc GIS軟件，計(jì)算獲得土地利用轉(zhuǎn)移矩陣等信息，構(gòu)建了5×5濾波器。

（2）確定起始時(shí)刻和迭代次數(shù)。以2010年土地利用為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，選擇循環(huán)次數(shù)，仿真2015年土地利用格局，用于檢驗(yàn)精度；以2010年土地利用/覆被格局為基礎(chǔ)（圖2），對(duì)2020年土地利用情景進(jìn)行預(yù)測(cè)。

表1　2000、2010年松原市土地利用類型面積轉(zhuǎn)化情況?。╤m2）

圖2　2015年松原市土地利用預(yù)測(cè)（a. 2015年遙感解譯圖；b. 2015年仿真結(jié)果）

1.4生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)價(jià)方法

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的計(jì)算公式為：

式中：ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值（元），VCk為生態(tài)價(jià)值系數(shù)（元/hm2·a），Ak為研究區(qū)內(nèi)土地利用類型 的分布面積（hm2）；ESVf為生態(tài)系統(tǒng)單項(xiàng)服務(wù)總價(jià)值（元），VCfk為單項(xiàng)服務(wù)功能價(jià)值系數(shù)（元/ hm2·a）[21]。

參考前人在松原區(qū)域修訂后的中國(guó)不同陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值表[17]。

2　結(jié)果與分析

2.1土地利用/土地覆被變化

近15 a，研究區(qū)水田面積增加最多，年均增幅8.41%。其中，2000～2010年，水田、水域、濕地和建筑用地面積呈增加趨勢(shì)（圖3），水田面積增加最多，達(dá)123 543.96 hm2，增幅最大，為126.23%；水域面積增加不顯著，為6 266.55 hm2，變化幅度為7.55%。旱田、草地、林地和未利用地用地面積減少，其中，旱田面積變化最大，減少103 530.99 hm2，變幅-8.46%；林地減少27 122.17 hm2，變幅-22.87%；草地減少10 494.38 hm2，變幅-6.11%；未利用地減少19 591.25 hm2。從土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣表（表1）可以看出，人類活動(dòng)以及地方經(jīng)濟(jì)政策是該地區(qū)土地利用變化的主要影響因素，人類活動(dòng)加速了農(nóng)田化進(jìn)程，因此，地方政府政策規(guī)劃促使水田面積大量增加。

根據(jù)預(yù)測(cè)，2010～2020年，松原區(qū)以建筑用地增加幅度最大，面積增加6 772.35 hm2，增幅達(dá)6.27%；旱田面積由前10 a的快速減少趨勢(shì)轉(zhuǎn)為緩慢增加，面積增加49 596.37 hm2，增幅為4.43%；水田增加幅度放緩，面積增加9 565.08 hm2，增幅由前10 a的126.23%減少到4.32%；濕地增幅也明顯減小，由前10 a 的54.13%減小到2.35%；水域面積增加2 133.53 hm2，增幅2.39%；未利用地面積減少35 024.68 hm2；林地和草地面積變化趨勢(shì)與前10 a基本保持一致，減少幅度分別為22.85%和8.20%。

圖3　2000～2020年松原市土地利用變化

2.2生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值（ESV）變化

近15 a，松原市區(qū)域ESV總體增加33.86×108元，水田貢獻(xiàn)率最大，增加了29.36×108元的ESV。2000～2010年，ESV由318.30×108元增加到357.14×108元，年均增加3.88×108元，年均變化幅度為1.22%（表3）。面積增加最多的水田，ESV增加了29.37×108元，占ESV變化絕對(duì)值的46.28%；面積增加最少的水域增加了12.72×108的ESV，占ESV變化絕對(duì)值的20.04%；而面積增加了54.13%的濕地，卻損失了9.06×108元的ESV，占ESV變化絕對(duì)值的14.28%；因林地減少而損失5.24×108元的ESV，占ESV變化絕對(duì)值的8.26%。

基于數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，未來(lái)10 a，研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值仍呈增加趨勢(shì)，變化量為5.22×108元。其中，占面積變化總量絕對(duì)值1.62%的水域，使ESV增加了4.33×108元；占面積變化總量絕對(duì)值37.70%的旱田僅增加3.03×108元的ESV，占ESV變化絕對(duì)值的19.87%；林地的ESV減少幅度最大，年均減少0.4×108元；而草地的ESV減少了0.85×108元，占ESV變化總量絕對(duì)值的5.55%。

表2　2000～2020年研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值及價(jià)值構(gòu)成變化?。╤m2）

2.3生態(tài)系統(tǒng)單項(xiàng)服務(wù)功能價(jià)值（ESVf）變化

2000～2010年，研究區(qū)ESVf變化的總體趨勢(shì)是：氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)、廢物處理、生物多樣性保護(hù)、食物生產(chǎn)和娛樂(lè)休閑呈增加趨勢(shì)（表4），其中，增加最多的是水源涵養(yǎng)，增加了20.94×108元，占變化量絕對(duì)值的51.09%。而土壤形成與保護(hù)與原材料呈減少趨勢(shì)，其中，原材料減少0.6×108元，占變化量絕對(duì)值的1.46%。

根據(jù)預(yù)測(cè)，2010～2020年，ESVf變化趨勢(shì)是：氣候調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)、廢物處理和食物生產(chǎn)呈增加趨勢(shì)，其中，水源涵養(yǎng)仍增加較多，年均增長(zhǎng)率為24.33%。而氣體調(diào)節(jié)、土壤形成與保護(hù)、生物多樣性保護(hù)、原材料與娛樂(lè)休閑呈減少趨勢(shì)，其中，原材料減少最多，10年減少了0.43×108元的ESV。

表3　2000～2020年研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值變化表?。▋|元）

3　結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)松原市土地利用變化數(shù)據(jù)的分析，提取2000～2010年該區(qū)土地利用變化情況，運(yùn)用CA-Markov模型預(yù)測(cè)2020年土地利用狀態(tài)，估算該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化。主要結(jié)論如下：

（1）在土地利用及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估方面，CA-Markov模型在預(yù)測(cè)土地利用類型和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的研究中發(fā)揮著顯著的作用，可成為運(yùn)用3S技術(shù)預(yù)測(cè)土地覆被變化及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值估算的有效方法。

（2）近15 a，松原市土地利用變化最顯著的類型為水田，總面積增加123 487.81 hm2，其ESV同樣增加最多，年均增加1.96×108元。2000～2010年，松原市水田、水域、濕地和建筑用地面積增加，其中，水田面積增加最多，變幅為126.23%；旱田、林地、草地和未利用地面積減少，林地減少幅度最大，變幅為22.87%。土地利用變化主要受人類活影響。土地利用變化促使ESV增加38.83×108元，變化幅度12.20%；單項(xiàng)服務(wù)價(jià)值中，水源涵養(yǎng)增加最多，達(dá)20.94×108元，占ESV變化量絕對(duì)值的51.09%，主要是由濕地與水域面積增加所致。

（3）根據(jù)預(yù)測(cè)，2010～2020年，林面積變化幅度最大，達(dá)-22.85%；面積增加最多的是旱田，增幅為4.43%；水田、濕地和水域面積增幅分別為4.32%、2.35% 和2.39%，較前10 a 增速放緩；草地和林地面積變化趨勢(shì)不明顯。ESV以年均0.52×108元的速率呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；單項(xiàng)服務(wù)價(jià)值中，水源涵養(yǎng)增加速度最大，占變化量絕對(duì)值的55.17%。土地利用變化，以及由此引發(fā)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的損益受人類活動(dòng)影響，因此，松原市亟需加強(qiáng)生態(tài)文明建設(shè)，促進(jìn)人與自然和諧發(fā)展。

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（責(zé)任編輯：肖彥資）

Ecosystem Services Value Forecast in Songyuan City based on Land Use Change

ZHANG Shuang，DU Hui-shi
（Tourism and Geographical Science Institute， Jilin Normal University， Siping 136000， PRC）

Abstract：Choosing Songyuan, the typical farming-pastoral area in the west of Jilin province as study area, using artificial visual interpretation method, determined the transfer of land use types during 2000 to 2015 by spatial analysis and statistical analysis and predicted the land use situation in 2020 through the CA-Markov model based on 2000, 2010 and 2015 TM/OLI remote sensing image, then estimated the future ecosystem service value of study area referring to the revised Chinese terrestrial ecosystem service value per unit area of the table. The results show that, the wet area increased the most, 8.41% per year in recent 15 years; ecosystem service value increased ￥33.86×108yuan. Songyuan land use types will undergo significant changes by 2020. Dry land, paddy fields, wetlands and construction land area showed an increasing trend, especially the dry land increases 49 596.37 hm2. On the contrary, woodland, grassland and unused land area showed a decreasing trend; Little change in the value of ecosystem services by 2010 increase ￥ 357.14×108to 2020 of ￥ 362.36×108yuan, an average annual reduction rate of 0.1%. The research results should be trusted since the accuracy testing and sensitivity analysis， which not only provides methods for the value of ecosystem services estimation， also has a great significance to the regional sustainable development.

Key words：ecosystem services value; forecast; CA-Markov; Songyuan City

通訊作者：杜會(huì)石

作者簡(jiǎn)介：張 爽（1987-），女，吉林四平市人，碩士研究生，主要從事生態(tài)環(huán)境調(diào)控與建設(shè)方面的研究。

基金項(xiàng)目：吉林省省級(jí)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略調(diào)整引導(dǎo)資金（2015Y081）

收稿日期：2016-02-09

DOI:10.16498/j.cnki.hnnykx.2016.04.015

中圖分類號(hào)：F301.2；P208；X171

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-060X（2016）04-0048-05