農業開發對區域生態系統服務功能的影響研究
——以三江平原北部地區為例

杜國明, 李全峰, 劉 艷, 賴振博

(1.東北農業大學 資源與環境學院, 哈爾濱 150030; 2.黑龍江省村鎮發展研究中心, 哈爾濱 150030)

農業開發對區域生態系統服務功能的影響研究
——以三江平原北部地區為例

杜國明1,2, 李全峰1, 劉 艷1, 賴振博1

(1.東北農業大學 資源與環境學院, 哈爾濱 150030; 2.黑龍江省村鎮發展研究中心, 哈爾濱 150030)

生態系統服務是土地系統的重要功能，是構建區域生態文明的自然基礎。衡量農業開發對生態服務功能的影響，是準確度量土地利用效益，制定區際生態補償標準的基本依據。在對Costanza等提出的生態系統服務價值評估方法進行改進后，以貨幣形式評價三江平原北部地區1954—2009年農業開發對生態系統服務價值影響。研究表明：(1) 55 a間耕地增加250.86萬hm2，墾殖率由8.31%增至67.26%，土地利用結構由濕地、林地主導逐漸過渡到農地為主導類型；(2) 該區域生態服務價值由1954年的1 120.81億元銳減至2009年的390.77億元，損失率為65.13%。其中，濕地的生態服務價值損失率為90.26%，農地生態服務價值增長為原來的8.26倍；(3) 農業開發使得土地生態服務功能內部結構發生變化；(4) 由于各縣市耕地墾殖狀況及氣候特征的不同，導致生態服務功能結構、單位面積的生態服務價值及其變化特征存在顯著差異。

生態系統; 服務價值; 農業開發; 三江平原北部

生態系統服務是土地系統的重要功能，是構建區域生態文明的自然基礎[1]。準確評估區域土地生態服務價值是全面衡量區域土地利用效益、制定區際生態補償標準的基本依據。生態系統服務是指土地系統形成并維持人類賴以生存、發展的環境，并直接或間接地提供生產、生活必需品與服務，包括維持大氣平衡、氣候調節、提供食物水源以及生物多樣性的維持等功能[2-4]。持續的社會經濟發展改變了陸地表面的土地利用/覆被格局，從而對土地生態服務功能產生重大影響[5-6]。1997年，Costanz等提出了全球內自然資本與生態系統服務價值的關系[7-8]，引發國內外學者對于生態系統服務價值評估的理論以及方法手段的研究熱忱[9-11]。

近300 a來，中國東北部地區農業開發強度由西南向東北遞進，使得耕地總面積趨向指數增長形勢[12]；新中國成立以來，農業開發強度在黑龍江省內開發重點逐漸由松嫩平原向三江平原過渡，三江平原地區從昔日的北大荒蛻變為今日的北大倉，為保障國家糧食安全做出了杰出貢獻，取得了顯著的經濟效益和社會效益[13-15]。然而，一直以來，人們對這種大區域尺度、大規模、長時間序列的農業開發所造成的生態效益變化缺乏深刻認識。因此，本文選擇三江平原北部地區為研究區，運用地理信息系統(GIS)與遙感(RS)等技術手段獲取該區域1954年、1976年、1996年和2009年土地利用數據，以生態服務價值為表征，在改進Costanza提出的生態系統服務價值評估方法的基礎上，衡量區域農業開發對于生態系統服務價值的影響，以期為區域土地資源的持續利用提供依據。

1 研究區概況

三江平原北部地區，位于黑龍江省東北部，覆蓋撫遠、寶清、饒河、富錦、友誼、綏濱和同江7個縣(市)，地處45°47′50″—48°27′59″N，131°7′41″—134°45′26″E，土地總面積約為4.24萬km2。三江平原指由黑龍江、松花江、烏蘇里江長期沖積而成的低平原，總體地勢由西南向東北呈下降趨勢，海拔高度40～562 m[13]。境內有平原、山地、丘陵等地貌類型，以平原為主。平原內廣泛分布有一級階地、高河漫灘和低河漫灘，零散分布有殘丘狀二級階地。該區域呈溫帶濕潤與半濕潤大陸性季風氣候，年降水量為500～650 mm，由東至西減少；1月平均氣溫為-17.5～-18.5℃，7月平均氣溫為21～22℃，年均氣溫由南至北降低，年無霜期為126～137 d。本區河流縱比降小，河槽彎曲系數大。土壤母質類型為黏土、亞黏土為主，長期培養成了白漿、草甸、黑土、沼澤以及棕壤等豐富的土壤類型。

新中國成立以來，該區域經歷了4次農業開發高潮：第一次是20世紀50年代初，響應黨中央在北滿建立糧食工廠的號召，數十萬轉業官兵轉業至三江平原的墾區，以機械、人力、畜力相結合方式開墾荒地、發展農業。自然條件以及機械化水平較低限制了農業開發速度，第二次指20世紀60年代初至1977年，大批知識青年融入已實行公社化管理的區域，墾區亦于1976年成立黑龍江省國營農場總局，再一次促進該區域農業開發的高潮。第三次為黨的十一屆三中全會以后至1985年，經濟體制的轉變，家庭聯產承包責任制的全面推行，墾區率先推行傳統農業向現代農業的轉型為農業開發注入新的活力。這一時期，沼澤和沼澤化草甸濕地面積銳減[14]。第四次是從20世紀80年代中期至今，特別是21世紀以來，三江平原進行農業綜合開發，實行“以稻治澇”，水田面積迅猛增加，耕地結構發生深刻變化[15-16]。經過半個多世紀的持續開發，該區域已經成為典型的農業區域、國家級商品糧基地。至2009年，人均GDP約為11 712元，第一產業比值是地區總產值的32.1%，人口密度為38.51人/km2，總人口約為163.3萬人。

2 數據來源與研究方法

2.1 土地利用/覆被動態數據獲取

本研究以中巴資源衛星2009年的CCD影像，1996年、1976年Landsat衛星的TM、MSS影像，以及1954年繪制的黑龍江省的1∶10萬地形圖為土地利用數據源。遙感影像受時間、天氣等因素限制較重，因而盡量選擇該區域植被長勢較好的5—9月份的少云影像。土地利用數據提取過程中以地形圖為基礎對遙感影像進行幾何校正，基于耕地、林地、草地、居民點用地、水域、未利用地等解譯標志，采用目視解譯法建立不同研究期的土地利用數據庫[4,17]。

2.2 土地生態系統服務價值核算方法

能量值分析法、系統物質量評價法以及系統價值量評價法是目前國內外關于生態系統服務價值評估的主流方法[18]。本文采用價值量評價法，對生態系統服務價值進行貨幣化分析，結合Costanza提出的評估方法對于研究區域內服務價值變化估算[19]：

(1)

Costanza所提出的全球生態系統評估方法用于小區域范圍時，應對其生態系統服務價值表進行修正[20]。因此，本研究參考了謝高地提出的中國陸地生態系統服務價值量表以及冉圣宏等制定的建設用地服務價值量[21-22]。現實中，生態系統的生態服務功能大小因其地理位置、自然環境和生物多樣性不同而有所差異。一般來說，生物量越大，生態服務功能越強[23]。因此，可參照區域氣候生產力來修正生態服務單價，公式如下：

pkij=(NPPK/NPP0)×Pij

(2)

式中：Pij——i生態系統的j項服務功能的平均價值；NPP0——中國氣候生產力均值；NPPk——修正后的研究區域內k縣氣候生產力值；pkij——k縣i類生態系統j項服務功能單位面積總價值。

1971年由美國學者提出的邁阿密模型，利用一定區域的年均溫度與降水量等數據基礎，引入模型衡量區域的生物生產力。在邁阿密模型的基礎上運用生物生產力替代生產量，得到下式：

NPPT=3000/(1+e-1.315-0.119t)

(3)

NPPR=3000/(1+e-0.00064r)

(4)

NPPP=min{NPPT，NPPR}

(5)

式中：NPPR，NPPT——通過邁阿密模型為基礎，以年降水量(mm)、年均溫度(℃)為數據源所估算氣候生產力值[g/(m2·a)]；依據Liebig定理擇其最低值為NPP的計算基準值。

中國氣候生產力的估算選用境內700余氣象站1972—2001年間的觀測數據為數據源[24]，引入邁阿密模型計算出中國平均氣候生產力值為1 101.8 g/(m2·a)。考慮通貨膨脹等經濟因素的影響，以2000年作為基準年修正得出三江平原北部地區各土地利用類型單位面積生態系統服務價值表，詳見表1。

表1 三江平原北部地區單位面積生態系統服務價值 元/hm2

3 結果與分析

3.1 耕地墾殖狀況分析

經統計，1954—2009年間三江平原北部耕地面積不斷增加，墾殖率不斷攀升(表2)。其中：1954—1976年耕地面積從34.01萬hm2增至100.47萬hm2，年均增加2.56萬hm2，墾殖率由8.31%增至23.74%，但耕地仍然不是該區域主要地類；1976—1996年期間，耕地面積增加103.36萬hm2，年均增加5.17萬hm2，墾殖率增至48.09%，耕地已經成為該區域最主要的土地利用類型。1996—2009年期間，耕地面積增加81.22萬hm2，年均增加6.25萬hm2，墾殖率攀升至67.26%。至2009年，該區域耕地集中連片，耕地已經成為該區域的優勢土地利用類型[14]。

表2 三江平原北部耕地面積變化統計

3.2 生態系統服務價值量變化

1954—2009年三江平原北部生態服務價值變化曲線如圖1所示。該區域1954年、1976年、1996年和2009年的生態服務價值分別為1 120.81億、860.07億、584.69億和390.77億元，55 a間減少730.04億元，損失率為65.13%，年均損失14.61億元。該區域單位面積的生態服務價值由1954年的2.66萬元/hm2減少至2009年的0.93萬元/hm2。顯然，大規模農業開發使得研究區內生態系統服務價值銳減，生態服務功能受到較大影響。

圖1 1954-2009年三江平原北部地區生態服務價值變化

另外，濕地的生態服務價值由889.37億元銳減至86.63億元，損失率為90.26%；林地的生態服務價值由154.14億元減少至117.26億元，損失率為23.93%；草地的生態服務價值由21.56億元減至4.05億元，損失率為81.21%。與此同時，農地生態服務價值由15.49億元猛增至127.92億元，為原來的8.26倍；建設用地生態服務價值由48萬元增至406萬元，為原來的8.46倍；水域生態服務價值由40.25億元增至54.87億元，為原來的1.36倍。即不同地類面積增減的非同步性導致各地類生態服務價值增減的非同步性。

3.3 生態服務功能價值結構變化

區域內生態系統不同服務功能價值在某一時點的組合結構稱之為生態服務功能價值結構。據統計，1954—2009年，該區域的氣體調節價值由53.73億元減少到30.97億元；氣候調節價值由266.65億元銳減到55.64億元；水源涵養價值由263.98億元到74.47億元；土壤形成與保護價值由60.87億元減少到51.42億元；廢棄物處理價值由290.58億元減少到84.94億元；生物多樣性保護價值由65.48億元減少到37.67億元；食物生產價值由8.19億元增加到19.75億元；原材料價值由19.72億元減少到15.94億元；景觀美學價值由91.62億元減少到19.96億元(表3)。

表3 1954-2009年三江平原北部地區不同服務功能生態服務價值變化 億元

由于各項生態服務功能價值變化的非同步性，導致該區域不同時期生態服務功能價值的內部結構比例發生變化，如圖2所示：有5項生態服務功能價值比例提升，分別是氣體調節、土壤生成與保護、生物多樣性保護、食物生產和原材料功能，各自分別由4.97%升至7.93%、由5.43%升至13.16%、由5.84%升至9.64%、由0.73%升至5.05%以及由1.76%升至4.08%。其余4項生態服務功能價值比例均有所下降，其中氣候調節功能由23.79%降至14.24%，水源涵養功能由23.55%降至19.06%，廢棄物處理功能由25.93%降至21.74%，景觀美學功能由8.18%降至5.11%。顯然，該區域大規模農業開發致使土地利用結構變化，并進一步致使不同生態服務功能價值的數量與結構發生深刻變化。

圖2 1954-2009年三江平原北部地區生態系統服務價值與結構

3.4生態系統服務價值變化的區域差異

各縣市不同年份的生態服務價值總量均呈現逐漸下降的趨勢，如圖3所示。就1954—2009年生態服務價值損失率而言，友誼縣最高，達80.51%；富錦市和同江市緊隨其后，損失率分別為74.55%和74.45%；撫遠縣和綏濱縣損失率也在六成以上，分別是67.17%和60.73%；損失率較低的寶清與饒河縣也分別達到51.46%和48.91%，損失近半。比較發現，由于各縣市土地利用結構變化及氣候特征的不同，導致各縣市生態服務功能結構、單位面積的生態服務價值及其變化特征存在顯著差異。各縣市生態服務價值損失率的高低與新增耕地率成正比，如新增耕地率最高的友誼縣生態服務價值損失率最高，而山區面積相對較多、新增耕地率較低的寶清縣和饒河縣生態服務價值損失率較低。

另外，濕地、林地減少比率較多的縣市生態服務功能結構變化更顯著。如富錦市、同江市和撫遠縣的氣候調節、水源涵養和廢棄物處理功能價值所占比例大幅降低，而食物生產和原材料功能價值所占比例則快速上升。

4 結論與討論

(1) 引入邁阿密模型對中國平均及研究區各縣的氣候生產力進行評估，進而對謝高地提出的中國陸地生態系統服務價值量表以及冉圣宏等制定的建設用地服務價值量進行修正，可以得到更符合研究區各縣實際的生態系統服務價值量。

(2) 1954—2009年，三江平原北部地區在大規模農業開發的促動下，墾殖率迅猛攀升，土地利用結構由濕地、林地主導逐漸過渡到農地為主導類型。從而導致該區域生態服務價值由1954年的1 120.81億元銳減至2009年的390.77億元，損失率為65.13%，年均損失14.61億元。

(3) 以耕地墾殖為主導的土地利用結構變化導致生態系統服務各項功能價值的數量與比例發生深刻變化。包括氣候調節、氣體調節、土壤形成與保護、水源涵養、廢物處理、生物多樣性保護、原材料與景觀美學功能價值均有所降低，僅有食物生產功能價值有所提升。氣體調節、土壤生成與保護、生物多樣性保護、食物生產和原材料功能的服務價值在總服務價值中的比例則有所提升。

圖3 1954-2009年各市縣生態系統服務功能價值變化

(4) 由于各縣市耕地墾殖及氣候特征的不同，導致各縣市生態服務功能結構、單位面積的生態服務價值及其變化特征存在顯著差異。各縣市生態服務價值損失率的高低與新增耕地率成正比。而對于濕地、林地減少比率較多的縣市，其生態服務功能結構變化更為顯著。

該區域大規模農業開發致使耕地面積不斷增加、墾殖率不斷攀升，使得該區域成為重要的國家級商品糧基地，有力保障了國家的糧食安全，產生了大量的經濟效益和社會效益。同時，也導致了生態服務價值銳減、生態服務功能結構發生變化，嚴重損害了土地利用的生態效益。因此，應參考該區域生態服務價值損失率對該區域進行生態補償，以促進該區域土地資源的可持續利用。

[1] 劉彥隨,陳百明.中國可持續發展問題與土地利用/覆被變化研究[J].地理研究,2002,21(3):324-330.

[2] Su C, Fu B, Wei Y, et al. Ecosystem management based on ecosystem services and human activities: a case study in the Yanhe watershed[J]. Sustainability Science,2012,7(1):17-32.

[3] 傅伯杰,周國逸,白永飛,等.中國主要陸地生態系統服務功能與生態安全[J].地球科學進展,2009,24(6):571-576.

[4] 張樹文,張養貞,李穎,等.東北地區土地利用/覆被時空特征分析[M].北京:科學出版社,2006.

[5] Lü Y, Fu B, Feng X, et al. A policy-driven large scale ecological restoration: quantifying ecosystem services changes in the Loess Plateau of China[J]. PloS one,2012,7(2):e31782.

[6] 李曉燕,王宗明,張樹文.吉林西部農牧互動及其引起的生態系統服務價值變化[J].生態學雜志,2006,25(5):497-502.

[7] Costanza R, d′Arge R, De Groot R, et al. The value of the world's ecosystem services and natural capital[J]. Nature,1997,387(6630):253-260.

[8] 謝高地,魯春霞,成升魁.全球生態系統服務價值評估研究進展[J].資源科學,2001,23(6):5-9.

[9] Kreuter U P, Harris H G, Matlock M D, et al. Change in ecosystem service values in the San Antonio area, Texas[J]. Ecological Economics,2001,39(3):333-346.

[10] 常守志,王宗明,宋開山,等.1954—2005年三江平原生態系統服務價值損失評估[J].農業系統科學與綜合研究,2011,27(2):240-247.

[11] 閔捷,高魏,李曉云,等.武漢市土地利用與生態系統服務價值的時空變化分析[J].水土保持學報,2006,20(4):170-174.

[12] 向悟生,李先琨,丁濤,等.土地利用變化對漓江流域生態服務價影響[J].水土保持研究,2009,16(12):46-50.

[13] 杜國明,李昀,于鳳榮,等.基于遙感的2000—2009年三江平原北部耕地變化特征分析[J].農業工程學報,2012,28(1):225-229.

[14] 鄭北鷹.保護濕地刻不容緩[N].光明日報,2006-04-17(6).

[15] 杜國明,杜蕾,楊厚祥,等.三江平原北部近55年來土地墾殖的時空格局研究[J].水土保持研究,2013,20(1):156-159.

[16] 張飛,塔西甫拉提·特依拜,丁建麗,等.塔里木盆地北緣綠洲土地利用與生態系統服務價值的時空變化研究:以渭干河—庫車河三角洲綠洲為例[J].中國沙漠,2009,29(5):933-941.

[17] 蘇朝陽,苗長虹開封市土地利用時空變化的生態系統服務價值評估[J].水土保持研究,2008,15(10):116-119.

[18] 李志勇,徐頌軍,徐紅宇,等.湛江灣生態系統服務功能與價值評估[J].海洋環境科學,2012,31(4):567-571.

[19] 顧康康,劉景雙,郭春永,等.鞍山市生態系統服務價值時空變化研究[J].農業系統科學與綜合研究,2008,24(1):12-15.

[20] 李保杰,顧和和,紀亞洲,等.基于RS和GIS的礦區土地利用變化對生態服務價值損益影響研究:以徐州市九里礦區為例[J].水土保持研究,2010,17(10):124-128.

[21] 謝高地,魯春霞,冷允法,等.青藏高原生態資產的價值評估[J].自然資源學報,2003,18(2):189-196.

[22] 冉圣宏,呂昌河,賈克敬,等.基于生態服務價值的全國土地利用變化環境影響評價[J].環境科學,2006,27(10):2139-2144.

[23] 師慶三,王智,吳友均,等.新疆生態系統服務價值測算與NPP的相關性分析[J].干旱區地理,2010,33(3):427-432.

[24] 王宗明,國志興,宋開山.2000—2005年三江平原土地利用/覆被變化對植被凈初級生產力的影響研究[J].自然資源學報,2009,24(1):136-146.

EffectofAgriculturalDevelopmentonChangesinRegionalEcosystemServiceFunction—TakingNorthernPartoftheSanjiangPlainastheExample

DU Guo-ming1,2, LI Quan-feng1, LIU Yan1, LAI Zhen-bo1

(1.CollegeofResourcesandEnvironment,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China;2.DevelopmentResearchCenterforTownsandVillagesinHeilongjiangProvince,Harbin150030,China)

Ecosystem service is an important function of the land system, and is the natural foundation construction of regional ecological civilization. Measuring the land ecosystem service function is a fundamental basis for the accurate measurement of land use efficiency and determining regional eco-compensation standards. Based on the ecosystem service evaluation method proposed by Costanza etc, this paper evaluates effects of agricultural development on ecosystem service value in the north Sanjiang Plain from 1954 to 2009. The results shows that: (1) the farmland in the north Sanjiang Plain increased by 2.508 6 million hectares in those 55 years. The reclamation rate increased from 8.31% to 67.26%. The land use structure has changed from woodland and wetland-dominatded into farmland-dominatded; (2) the regional ecosystem service value reduced from 112.081 billion Yuan in 1954 to 39.077 billion Yuan in 2009. The loss rate was 65.13%. Among them, the loss rate of ecosystem service value of wetlands was 90.26%, while farmland′s ecosystem service value increased 8.26 times; (3) agricultural development changed structure of land ecosystem service functions; (4) due to the different land reclamation and climate characteristics in each county, there were significant differences in ecosystem service functional structure, ecosystem service value per unit area and their changing characteristics among these counties.

ecosystem; service value; agricultural development; the north Sanjiang Plain

2013-09-28

：2013-10-14

黑龍江省普通高等學校青年學術骨干支持計劃項目(1252G012)

杜國明(1978—),男,內蒙古寧城縣人,博士,副教授,主要研究方向為土地利用與人地關系。E-mail:nmgdgm@126.com

F301.24

：A

：1005-3409(2014)03-0261-06