三江平原北部生態系統服務價值的時空演變

陳 陽, 張建軍, 杜國明, 付梅臣, 劉凌露

1 中國地質大學(北京)土地科學技術學院, 北京 100083 2 東北農業大學資源與環境學院, 哈爾濱 150030

三江平原北部生態系統服務價值的時空演變

陳 陽1, 張建軍1,*, 杜國明2, 付梅臣1, 劉凌露1

1 中國地質大學(北京)土地科學技術學院, 北京 100083 2 東北農業大學資源與環境學院, 哈爾濱 150030

以三江平原北部地區2市5縣為研究區，采用生態系統服務價值評估方法對1954—2009年間三江平原北部地區生態系統服務價值進行估算，以期全面分析土地生態系統服務價值隨時空變化的特點。結果表明：(1)1954—2009年間三江平原北部地區的不同土地利用類型面積變化顯著，農田變化速度最快，其次為濕地，人口數量的增加及保證糧食增產是土地利用變化的主要驅動力。(2)1954—2009年三江平原北部地區生態系統服務價值總量逐漸減少，共減少779.51億元。長期的土地墾殖是三江平原北部地區生態系統服務價值減少的主要驅動因素。(3)就各土地利用類型生態系統服務價值而言，55年間除農田生態系統和水域生態系統生態服務價值是增加外，其余各生態系統服務價值均在減少。濕地生態系統服務價值減少值最大，其次為林地生態系統服務價值。各項生態系統服務功能除與農田相關的食物生產在增加，其余也均呈減少趨勢。(4)不同地區單位面積生態系統服務價值損失量也不相同，濕地、林地面積比重下降幅度大、且農田面積比重上升幅度大的區域，其單位面積生態系統服務價值損失量也較大。

生態系統服務價值; 土地利用變化; 時空差異

生態系統服務是指生態系統與生態過程所形成及所維持的人類賴以生存的自然環境條件與效用[1]，是人類生存和發展的前提條件與基礎。對生態系統服務價值的定量評估己成為國際可持續發展研究的焦點，是當前生態學、資源經濟學、環境經濟學以及生態經濟學的交叉前沿領域[2]。我國對生態系統服務的研究起步較晚，從一開始就直接進入到了對其評估階段，主要是對區域范圍內、單一的生態系統或者某種生態系統服務的價值進行評估理論與方法的研究利用，大部分研究均集中在國家尺度[3-4]、森林[5-6]、草地[7-9]、河流[10-11]等用地類型尺度上，對因農業開發導致的生態系統服務價值動態變化的研究相對較少[12-13]。隨著GIS、RS等技術的發展及其在生態系統服務價值分析中的廣泛應用，生態系統服務價值動態變化的研究已成為當前研究趨勢之一[14]。

近55年間由于人口的快速增長及國家對于保證糧食安全的需要，三江平原經歷了4次大規模的開荒潮[15]，大量的林地、草地、及草甸濕地、沼澤化草地濕地等濕地被開墾為耕地，三江平原的土地利用/覆被及土地利用結構發生了劇烈的變化，加之土地整治工程、農田水利工程等系列工程的擾動，引起了三江平原區域內生態系統結構的變化、水環境變化以及動植物資源的變化等，致使三江平原生態系統遭到破壞，生態系統服務功能較大程度的衰退，生態環境受到嚴重的影響。三江平原北部地區是我國重要的糧食生產基地，同時其轄內寶清七星河濕地、三江濕地、洪河濕地均為國家級自然保護區，且均已被列入國際重要濕地名錄，其生態系統的穩定安全與否關系到我國糧食安全能否得到保證、區域環境能否健康發展，因此對三江平原北部地區生態系統服務價值進行評估具有重要的現實意義。本文選取三江平原北部地區為研究對象，對該區域1954—2009年的生態系統服務價值進行評估，揭示55年間三江平原北部地區生態系統服務價值的時空變化特征及區域農業開發利用過程對生態系統服務價值的影響，以期為三江平原生態環境與社會經濟的可持續發展提供理論支持。

1 研究區域概況

三江平原北部地區(45°47′50″—48°27′59″N，131°7′41″—134°45′26″E)位于黑龍江省的東北部，是由黑龍江、松花江、烏蘇里江沖積形成的低平原，氣候屬于溫帶濕潤半濕潤大陸性季風氣候，1 月平均氣溫低于-18 ℃，7 月平均氣溫 21—22 ℃，年降水量500—650 mm,降水季節分配不均，主要集中于夏秋兩季。土壤成土母質多為粘土或亞粘土，平原區河道稀疏，河網密度小，除三大江外，多為中小型河流。本文研究區域為友誼縣、饒河縣、寶清縣、撫遠市、富錦市、同江市和綏濱縣7市縣，研究區土地資源豐富，是我國主要商品糧基地之一(圖1)。

圖1 三江平原北部地區地理位置示意圖Fig.1 Location of the Northern Sanjiang Plain

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源及處理

本文以1954年地形圖(1∶10萬)、1976年的MSS影像、1996年和2009年Landsat TM 遙感圖像為主要數據源，利用Erdas軟件將2009年Landsat TM影像與1∶10萬地形圖進行幾何校正與直方圖配準等進行數據預處理，然后以ArcGIS為操作平臺，根據研究區土地利用/覆被實際情況和影像特征等建立解譯標志，采用人工交互式判讀解譯獲得2009年土地利用/覆被數據，以2009年Landsat TM影像為基礎，分別對1976年的MSS影像、1996年Landsat TM影像進行糾正，獲得1976年和1996年土地利用/覆被數據，并通過采取野外調查樣點的方式對精度進行驗證。1954年土地利用/覆被數據則是直接通過對1∶10萬地形的圖例判讀獲得的。

根據研究區域自然條件及實際土地利用狀況，結合相關研究，參考《土地利用現狀調查技術規程》及《全國遙感監測土地利用覆蓋分類體系》，將三江平原北部地區的土地利用生態系統分為農田、林地、草地、水域、未利用地、濕地6類。其中水域包括河流、湖泊、水庫、坑塘以及農田水利用地(灌排溝渠)；濕地包括灘地和沼澤地等天然濕地，不包括水庫、稻田等人工濕地。

2.2 土地生態系統服務價值核算方法

自1997年Costanza提出生態系統服務價值的定量評估方法和原理，對全球生態系統服務價值評估研究便進入了一個繁榮期[16]。但是由于Costanza等提出的生態服務價值化評估方法在中國直接運用存在一些缺陷：低估或者忽略了某些生態系統服務價值，因此本文采用謝高地等人在Costanza研究的基礎上，在2002年對中國200位具有生態學背景的專業人員進行問卷調查方式和修正得出的我國陸地生態系統單位面積生態服務價值表，運用Costanza 等人的估算方法進行生態系統服務價值的估算[17]，計算公式如下：

ESV=∑Ak×VCk

(1)

式中,ESV為生態系統服務價值(元)，Ak指研究區第k種土地利用類型的分布面積(km2)，VCk為單位面積生態系統服務價值(元 km-2a-1)[16]。其中：水域和未利用地分別對應水體、荒漠的生態系統單位面積生態系統服務價值，并假設建設用地生態系統的單位面積生態系統服務價值為0。

但謝高地提供的是中國平均狀態的生態系統服務價值的單價，而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等不同而有所差異，一般來說，生物量越大，生態服務功能越強[18]，考慮到研究區的實際情況，以生物量對該系數進行修正，生物量是單位面積植物積累物質的數量[19]，因此本文以凈初級生產潛力代替生物量進行修正。目前用于估算植被凈初級生產潛力的模型有很多，常用的主要有Miami模型、Thornthwaite Memorial模型以及朱志輝模型和周廣勝模型等[20-21]，但是常用的Miami模型僅考慮了單因子對自然植被凈初級生產潛力的影響，相比而言Thornthwaite Memorial模型因子采用實際蒸散量，包含的環境因子較全面，估算結果與實際偏差較小[22]，同時考慮到資料數據的可獲取性，本文運用Thornthwaite Memorial模型對凈初級生產潛力進行預測[23]，公式如下：

(2)

(3)

L=3000+25t+0.05t3

(4)

式中，NPP為自然植被凈初級生產潛力(t hm-2a-1)；V為年實際蒸散量(mm)；L為該地年平均蒸散量(mm)；t為年平均氣溫(℃)；R為年降水量(mm)。根據上述公式，修正得到三江平原北部地區單位面積生態系統服務價值表(表1)。

根據公式(1)及三江平原北部地區各縣市土地利用信息，評算出55年來三江平原北部地區各年生態系統服務價值(表2)。

表1 三江平原北部地區單位面積生態系統服務價值表/(元/hm2)

表2 三江平原北部地區生態系統服務價值表

3 結果與分析

3.1 土地利用變化分析

三江平原北部地區的土地利用結構在1954—2009年間發生了較大的變化(圖2)。圖2表明，1954—2009年間三江平原北部地區的不同土地利用類型面積變化顯著。55年間，農田比重持續加大，濕地比重不斷減少，研究期間區域內主要景觀類型由濕地轉變為農田，至2009年農田增幅達59.49%，濕地減幅47.01%，其他地類的變化幅度相對較小均在10%內，未利用地面積變化不大。

圖2 1954—2009年三江平原北部地區土地利用結構 Fig.2 Land Use Structure Comparison Chart in the Northern Sanjiang Plain form 1949 to 2009

這一現象產生的主要原因是1949年以后，大量的農民、城市知識青年及部隊轉業兵涌入三江平原，人口大量增加，為了解決人們的吃、住問題以及國家相關政策的支持和鼓勵，三江平原北部地區進入了土地墾荒的時代，雖然1996—2009年間國家出于對自然保護的意識加強了開墾濕地的審批手續，但是糧價的上漲和監管力度的不夠使作為經濟人的農民追求利益最大化[24]，不斷開墾濕地、林地和草地，導致研究期內農田、建設用地面積的迅速擴張，濕地、林地和草地面積的縮減，尤以濕地縮減規模最大，人類大規模的墾荒活動是導致三江平原北部地區土地利用格局發生改變的直接原因，由此人口數量的增加及保證糧食增產是土地利用變化的主要驅動力。草地面積在1954—1976年間出現與整體趨勢相反的增加，主要是由于20世紀60年代初的自然災害，農田大面積的撂荒繼而成為草地，雖然此后出現新的土地開發潮，但是撂荒的草地并未完全轉化為農田，草地面積在此階段出現增加[13]。80年代中期以后，大規模開發所導致的生態問題逐漸引起人們的關注，植樹造林等系列措施逐漸實施，森林覆蓋率有效提高[25]，林地面積因此在1976—1996年間增加了13.15萬hm2。水域面積則因水庫及排灌溝渠的修建而增加。

3.2 生態系統服務價值時間變化分析

1954—2009年間，三江平原北部地區生態系統服務價值的變化大致情形為(表3)：總生態系統服務價值在55年間不斷減少，由1954年的1194.76億元降到2009年415.25億元，減少值為779.51億元，年均減少14.17億元。由表3可看出，研究區生態系統服務價值的構成主體不斷發生變化，隨著農田的進一步開墾，由濕地和林地生態系統服務價值轉變為農田和林地生態系統服務價值。

從各生態系統服務價值變化來看(表3)，濕地、林地、草地生態系統服務價值呈減少趨勢，其中濕地生態系統服務價值減幅最為顯著，由1954年的946.93億元銳減至2009年90.88億元，減少了856.04億元，貢獻率由最初的79.26%下降至21.89%，主要是由于濕地大面積的農田化，濕地生態系統服務價值的損失量是總生態系統服務價值損失量的1.09倍，因此土地墾殖所導致的濕地面積減少是導致區域內生態系統服務價值減少的主要原因；與3種生態系統服務價值變化趨勢相反的是農田生態系統服務價值的大幅度增加，造成此種現象的主要原因是農業開發使其他地類大規模的向農田轉化，農田面積迅速增加，農田生態系統服務價值隨之增加，增加值為119.60億元，年均增加量為2.17億元，貢獻率至2009年已由1954年的1.34%上升至32.67%，在一定程度上彌補了生態系統服務價值的損失。三江平原北部地區現是我國重要的商品糧生產基地，該地區對于保證我國糧食安全有重要的作用，然而長期的農業生產活動對于區域環境仍帶來了巨大的壓力[26]。

表3 1954—2009年各生態系統服務價值及變化量

從生態系統各種功能的價值總額來看(表4)，55年間生態系統各種功能的價值量均有變化，總體趨勢是：除食物生產功能的功能價值增加外，其余功能的功能價值均在不同程度的減少。三江平原突出的生態系統服務功能是水源涵養，廢物處理和氣候調節，這3項功能的價值量在55年間減少甚多，分別減少201.81億元，218.87億元，225.29億元，整個研究區域內土壤形成與保護和原材料生產功能的價值量減少幅度相對較小。

三江平原北部地區濕地具有較高的生態系統服務價值，對于調節區域氣候、降水及濕度等以及維持區域的生物多樣性具有重要的作用，研究期內濕地大面積的開墾為農田使氣候調節功能大幅度降低、生物多樣性因濕地生境的破碎遭到弱化，生物資源也因人類活動的加劇而出現衰退[26]，致使濕地所提供的生態系統服務功能(氣候調節、廢物處理、水源涵養、娛樂文化)的價值量損失較大。由于食物生產價值系數最高的農田面積持續增加，食物生產功能的價值量因此增加12.30億元。同時，大面積的林地被砍伐及部分與草地向農田的轉化使二者提供的生態系統服務功能(原材料生產和氣體調節)也受到影響而減少?？傮w看來，三江平原北部地區生態系統服務功能在55年間退化較嚴重，在求得經濟價值的同時要注重生態價值的提高與維護，力求經濟效益、社會效益和環境效益的“三效” 合一。

表4 1954—2009年生態系統服務功能價值量/(108元)

3.3 生態系統服務價值空間變化分析

1954—2009年的55年間，三江平原北部地區各市縣的土地利用數量與結構均發生了較大的變化，各市縣生態系統服務價值也發生了較大的變化，且不同市縣之間變化情況也不相同(圖3)。

圖3 1954—2009年各市縣單位面積生態系統服務價值變化量圖 Fig.3 The change of Ecosystem services value per unit area of every city in Northern Sanjiang Plain from 1954 to 2009

各市縣的生態系統服務價值是單位面積生態系統服務價值與行政面積的乘積，因此本文主要分析1954—2009年各市縣單位面積生態系統服務價值的變化。根據1954—2009年間各市縣單位面積生態系統服務價值變化量的特點，在Arcgis中采用Natural Breaks(Jenks)方法將三江平原北部地區分為三類(圖3)：高損失區、中損失區和低損失區。各市縣單位面積生態系統服務價值均處于不同程度的減少，說明生態系統受到了破壞，生態環境惡化，應加大保護力度。

各市縣所處損失區域的不同，主要是各市縣各土地利用類型面積比重變化量不同造成的。濕地、林地面積比重下降幅度大、農田面積比重上升幅度大的區域，其單位面積生態系統服務價值損失量也較大。由圖3可知，高損失區主要包括富錦市和同江市，這類區域內農田面積比重大幅度的增加且其他地類面積比重均不同程度的減小，尤以濕地面積比重下降顯著，分別下降63.18%和67.62%，而濕地、林地、草地單位面積生態系統服務價值較大，農田單位面積生態系統服務價值較少，農田面積的增加不足以彌補區域內濕地、林地以及草地面積的減少所引起的生態系統服務價值的減少，研究期末因其農田比重過大而導致單位面積生態系統服務價值較小，該區域研究期內單位面積生態系統服務價值損失量顯著。低損失區主要包括綏濱縣、寶清縣和饒河縣，這類區域的主要特點是雖然農田面積擴張明顯，但是濕地、草地等生態系統服務價值系數高的地類面積比重下降的相對較小，至2009年寶清縣林地比重34%和濕地比重6% 、饒河縣林地比重48%和濕地比重5%均相對較大，致使區域內其單位面積生態系統服務價值相對較大，單位面積生態系統服務價值損失程度較低。

4 結論與討論

(1)1954—2009年間三江平原北部地區的不同土地利用類型面積變化顯著，主要景觀類型由濕地轉變為農田，其中農田、建設用地、水域面積呈增加趨勢，濕地、林地、草地面積呈減少趨勢，經濟的發展、機械化程度的提高、人口數量的增加及保證糧食的增產是土地利用變化的主要驅動因素。這與三江平原北部地區成為我國重要的糧食生產基地相符。劇烈的土地利用變化使1954—2009年三江平原北部地區生態系統服務價值整體呈減少趨勢，農田、水域生態系統服務價值呈增加趨勢，濕地、林地和草地生態系統服務價值呈減少趨勢，研究對象突出的氣候調節、水源涵養及廢物處理功能的價值量也大幅下降，長期的土地墾殖造成的濕地、林地大面積向農田的轉化是生態系統服務價值減少的主要原因。

(2)本文利用現有資料和數據，對三江平原北部地區生態系統服務價值進行了動態的估算，直觀的揭示和反映了研究區生態系統服務功能的動態演變及時空變化的特點，對區域生態系統的保護和環境質量的提高有重要的指導意義。但是本文存在一定的局限性：一是在研究過程中對單位面積生態系統服務價值進行估算時僅采用9種評價因子，且忽略了建設用地的生態系統服務價值；二是三江平原北部地區是我國水稻的重要產區，水田與旱地交錯分布，由于作物種類等性質的不同，兩者生態系統服務價值系數也有較大差異，本文在進行生態系統服務價值評估時沒有將水田與旱田的生態系統服務價值系數進行單獨的估算，可能造成對研究區生態系統服務價值的低估，以后將在此方面展開進一步深入的研究。

(3)由于三江平原北部地區存在著三江濕地、七星河濕地及洪湖濕地等大量的沼澤濕地，其對整個東北地區乃至全國的生態安全都有著重要的影響，因此其生態系統服務價值的下降趨勢必須引起當地政府的高度重視。各市縣當地政府應加強土地管理，制定合理的土地利用規劃，同時對長期從事農業生產所帶來的相關土壤污染、水污染等一系列問題加以重視，加大力度保護濕地，加重處罰措施嚴禁濕地向農田的轉化，應努力尋找糧食生產的經濟效益與濕地的生態效益之間的平衡點，恢復與提高區域內生態功能，爭取達到經濟效益、社會效益、生態效益的有效統一。

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Temporal and spatial changes in ecosystem service values in the northern sanjiang plain

CHEN Yang1, ZHANG Jianjun1,*, DU Guoming2, FU Meichen1, LIU Linglu1

1SchoolofLandScienceandTechnology,ChinaUniversityofGeosciences(Beijing),Beijing100083,China2SchoolofResourcesandEnvironment,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China

The northern Sanjiang Plain is an important commodity grain production base, also distributed by the national nature reserves of Qixinghe wetlands, Sanjiang wetlands and Honghe wetlands, which have been included in the list of important international wetlands. In the regional economy and ecology, the stability and health of local ecosystems are closely related to food security and developmental sustainability. Thus, it is desirable to know the capacity of ecosystem services in this area. This paper used the two cities and five counties in the northern Sanjiang Plain for a case study, including Youyi County, Raohe County, Baoqing County, Fuyuan County, Fujin City, Tongjiang City, and Suibin County. Based on RS, GIS, and land use data, the ecosystem service values during 1954—2009 were calculated to reflect the temporal and spatial variations according to multiple assessment models. The results showed that (1) the area of different land use types was drastically changed: farmland increased fastest at 1.08% per year and wetlands followed at a speed of 0.85% per year. The forest land, grassland, built-up land, and waters changed a little, within 10%, and undeveloped land was almost unchanged. The increasing demands of population and grain production were the main driving forces. (2) The total ecosystem service value of the northern Sanjiang Plain declined from ￥1.19×1011in 1954 to ￥7.80×1010in 2009. Long-term land development and cultivation were the main reasons for the variation of ecosystem service values, which caused the loss of wetlands, forest and grasslands, and farmland expansion. (3) During the past 55 years, only the values of farmlands and waters were increasing. By contrast, the other land types had a decrease in ecosystem service values. The value of wetland ecosystem services was reduced the most, reaching ￥8.56×1010, followed by woodlands at ￥4.19×109. The greatest increment in ecosystem service value occurred in farmland, reaching ￥1.96×109. In conclusion, of all the ecosystem service functions, only the ecosystem service values of food production exhibited a rising trend with an increase of ￥1.23×109, whereas the others were decreasing, characterized by a decrease of ￥2.02×1010in water conservation, a decrease of ￥2.19×1010in waste treatment, and a decrease in ￥2.25×1010of climate regulation. All in all, the ecosystem services of the northern Sanjiang Plain deteriorated seriously in 55 years and the resilience of ecosystem services should be enhanced. (4) The total ecosystem service value and per unit area ecosystem service value of all regions were both declining from 1954 to 2009. The loss of ecosystem service value per unit area in different parts was not the same. The areas with a vast decrease of wetlands and forest as well as a fast increase in farmland had a significant loss. The ecosystem service value per unit area in Tongjiang City lost most by ￥2.53×104per hectare from 1954 to 2009, followed by Tongjiang City, Fujin City, Youyi County, Fuyuan County, Suibin County, Raohe County, and Baoqing County.

Ecosystem Service Value; land use change; Temporal and spatial variation

國家自然科學基金青年科學基金項目(41101531)

2014-01-02;

日期:2014-11-19

10.5846/stxb201401020014

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhangjianjun_bj@126.com

陳陽, 張建軍, 杜國明, 付梅臣, 劉凌露.三江平原北部生態系統服務價值的時空演變.生態學報,2015,35(18):6157-6164.

Chen Y, Zhang J J, Du G M, Fu M C, Liu L L.Temporal and spatial changes in ecosystem service values in the northern sanjiang plain.Acta Ecologica Sinica,2015,35(18):6157-6164.