基于土地利用的愛輝區生態價值動態評估

吉 瑋，王光寶，李 麗，查國震，張紅月

（1. 江蘇速度遙感大數據研究院有限公司，江蘇 南京 210042； 2. 閩江學院 海洋學院，福建 福州 350108；3. 江蘇海洋大學 海洋技術與測繪學院，江蘇 連云港 222005）

生態系統服務是指人類從生態系統中所獲取的所有惠益[1]。開展生態系統服務價值評估，可以為優化生態系統結構提供決策信息，對促進區域經濟和生態系統的可持續發展具有重要作用。而土地利用變化是制約人類社會可持續發展的主要因素之一，土地利用變化能通過改變生態系統的功能和結構，對生態系統維持及其服務功能起到決定性作用[2-3]。隨著社會的不斷進步，公眾對生態環境的期望不斷提高，以及“綠水青山就是金山銀山”等科學論斷的提出，基于土地利用的生態系統服務價值評估研究成為國際生態學和生態經濟學的研究熱點和前沿領域。

目前，基于土地利用數據開展生態系統服務價值的評估主要有3 種：第一種是靜態評估，如Gren 等[4]對歐洲多瑙河流域進行了生態服務價值的評估；蔡中華等[5]使用2010 年中國生態系統的統計數據，對我國2010 年生態系統服務價值進行了再計算；丁小迪等[6]利用Google Earth 和資源三號衛星影像數據針對山東省濱海濕地的不同生態服務功能類型，采取市場價值法、生產價值法、生態價值法等進行了初步價值評估。第二種是動態評估，如Mendoza-González 等[7]選取墨西哥灣中部3 個研究區，分析了1995-2006 年研究區土地利用變化及其生態系統服務價值的變化；岳書平等[8]選取東北樣帶典型區，分析了1976-2000 年土地利用變化對生態系統服務價值的影響；湯峰等[9]運用模型法定量評價了2009-2016 年高陽縣土地利用變化和生態系統服務價值變化及土地碳排放風險；帕茹克·吾斯曼江等[10]分析了1993-2017 年尉犁縣土地利用/覆被變化導致的生態系統服務價值變化。第三種是情景分析，如Nelson 等[11]利用InVEST 模型，分析了1990-2050 年美國俄勒岡州威拉米特盆地土地利用變化對生態系統服務、生物多樣性保護和商品生產水平變化的影響。竇攀烽等[12]利用InVEST 模型的情景分析的方法設計了6 種情景，分析了2000-2015 年氣候變化和土地利用/覆被變化對區域產水量的影響。

黑河市作為黑龍江省的北部門戶，雖然工業基礎薄弱，但是具有生態環境優美、人文歷史獨特的相對優勢。而擁有“北方游獵第一鄉”美譽的愛輝區，近年來依托“兩山理論”構建全域旅游空間體系，努力將生態優勢轉化為經濟優勢[13]，因此對其開展生態系統服務價值評估具有重要的指導意義。本文基于2000 年、2007 年、2013 年三期的Landsat 遙感影像，利用監督分類方法，對黑河市愛輝區進行土地利用分類；結合土地利用分類結果，采用中國陸地生態系統服務價值評估方法，參考《森林生態系統服務功能評估規范》[14]對愛輝區開展了生態系統服務價值動態評估，以期通過空間信息技術對愛輝區區域規劃、生態系統結構優化及其可持續發展提供數據參考和科學依據。

1 研究區概況與數據來源

愛輝區隸屬于“胡煥庸線”的北起點黑龍江省黑河市，全區總面積14 446 km2，地理位置在49°24′38″N ～50°59′11″N，125°49′32″E ～127°36′10″E 之間（圖1），東鄰黑龍江與俄羅斯阿穆爾州相望，西接嫩江縣，南聯孫吳縣，北鄰呼瑪縣[15]。愛輝區地處寒溫帶大陸性氣候，春季高溫多風，夏季炎熱多雨，秋季降溫極快，冬季寒冷干燥。全年降雨量大約在500 ～600 mm，日照時數在2 600 h，無霜期大約為105 d，年平均氣溫為-0.5 ℃，全年溫差極大，最低氣溫只有-40℃，最高氣溫可達38℃。愛輝區是黑河市政府所在地，同時也是全國首批沿邊開放城市、國家級生態示范區和大小興安嶺生態功能限制開發區。

圖1 研究區

本研究中使用的數據包括遙感影像數據和統計數據兩類。其中遙感影像數據來源于地理空間數據云平臺（http://www.gscloud.cn/），由于愛輝區可用于土地利用分類的高質量遙感影像（云量低于1%）有限，本研究從中選取了2000-06-13、2007-09-05 兩期的Landsat TM5 數據和2013-08-30 的Landsat8 OLI 數據。研究中的統計數據主要來源于文獻資料。

2 研究方法

2.1 土地利用分類與驗證

土地利用分類方法主要是通過ENVI 軟件的監督分類結合人工目視解譯來進行分類和結果修正。本研究利用ENVI 軟件分別對2000 年、2007 年和2013 年的Landsat 影像數據進行圖像預處理，包括輻射定標、大氣校正、校正后地類光譜檢查、數據鑲嵌和數據裁剪。由于Landsat 影像數據的幾何精度已經能夠滿足本研究的要求，所以不再對其進行幾何校正。對預處理后的遙感影像建立分類特征庫，利用監督分類方法中分類效果較好的最大似然分類法進行研究區的土地利用分類，并對分類結果進行聚類處理，結合人工目視解譯對分類結果進行修正。依據原國土資源部土地利用現狀分類標準，根據愛輝區土地利用的特征，將土地利用類型分為林地、農田、草地、水體和其他地類共5 種土地利用類型。采用總體分類精度開展分類結果的精度驗證，可以通過ENVI 軟件中的混淆矩陣工具計算得出。

2.2 生態系統服務價值評估方法

本研究采用中國陸地生態系統服務價值測量方法，參考《森林生態系統服務功能評估規范》，基于愛輝區土地利用分類結果，分別對林地、農田、草地及水體等對生態系統服務貢獻較大的地類開展了價值測算。其他地類中包含的建設用地、裸地等對生態系統服務價值的貢獻較少，本研究對此不作考慮。

2.2.1 林地生態系統服務價值評估

1）涵養水源。涵養水源主要包括對于降雨等水源進行保留，防止水分流失，對其進行保存，主要功能是增加可利用的水資源并優化水源的質量，包含調節水量和凈化水質兩個部分。調節水量：

式中，UT代表林地每年調節水量價值（單位：元/a）；Cs代表水庫建設單位庫容投資，依據牛安逸等[16]的研究，取值為6.11 元/m3；A 代表林地面積（單位：hm2）；X 代表降水量，愛輝區的平均降水量為550 mm；E 為林分蒸散量（單位：mm/a），依據邴龍飛等[17]人研究，用東北地區平均林地蒸散量代替愛輝區的林地蒸散量，取值為450.43 mm；Y 代表地表徑流量，式（2）由孫力等[18]研究地表徑流與降雨量的關系以及個人通過平均計算得出，算得地表徑流量Y 等于10.51 mm。

凈化水質：

式中，US代表林地每年凈化水質的價值（單位：元/a）；K 代表凈化水的費用取值2.09 元/t[19]；A,X,E,Y 代表含義和取值與前文相同。

2） 保育土壤。林地對于土壤的生態作用主要有兩個方面，一方面是林地的根部對于土壤有保護，防止土壤流失的作用，即固土作用；另一方面則是保持土壤的肥力，即保肥作用。

固土作用：

式中，UG代表林地每年固土價值（單位：元/a）；A 代含義和取值與前文相同；CT代表挖取運送單位體積土壤所需的費用，取值為12.6 元/m3[16]；X2代表無林地土壤侵蝕模數，取值為77.6 t/hm2[16]；X1代表有林地土壤侵蝕模數，由于愛輝區的林地主要以針闊葉交混林為主[20]，故取值為3 t/hm2；θ 代表林地土壤容重，取值1.257 t/m3[19]。

保肥作用：

式中，UB代表林地每年保肥價值（單位：元/a）；N,P,K分別代表林地土壤中氮磷鉀的占比；愛輝區林地土壤中氮磷鉀含量取值分別為0.073%、0.073%、1.283%[14]；C1代表化肥品種磷酸二銨價格，取值為2 400 元/t[14]；β1、β2代表化肥品種磷酸二銨含氮磷的比例，取值分別為18%、46%；C2代表化肥品種氯化鉀價格，取值為2 200 元/t[14]；β3代表化肥氯化鉀中含鉀的比例，取值為47.02%；M 代表林地土壤有機質含量，愛輝區林地土壤中有機質的含量是1.723%[19]；C3代表有機質的價值，取值為320 元/t[14]；A、X1、X2代表含義和取值與前文相同。

3） 固碳釋氧。林地中的植被、土壤動物、微生物通過自身作用，一方面吸收CO2中的碳物質，即固碳作用；另一方面則是將CO2中的氧原子以氧氣的形式釋放出來，即釋氧作用。

固碳作用：

式中，UC代表林地每年固碳價值（單位：元/a）；CC代表固碳價格，取值為1 200 元/t[14]；RC代表CO2碳的百分比，取值為27.27%[14]；BN表示林地凈生產力，根據王琪[21]的研究，計算得到愛輝區的林地凈生產力為3.292 t/(hm2·a)；FT代表林地單位面積土壤年固碳值，取值為2.29 t/(hm2·a)[19]；A 代表含義和取值與前文相同。

釋氧作用：

式中，UY代表林地每年釋氧價值（單位：元/a）；CY代表氧氣價格，取值為1 000 元/t[14]，A,BN代表含義和取值與前文相同。

4） 累積營養物質。林地植物在生化過程中，通過吸收大氣、水分、土壤中的氮磷鉀等營養物質存儲在自身體內，這一方面能夠累積營養物質，另一方面能有效防止水體富營養化和污染。計算公式為：

式中，UYY代表林地每年營養物質累積價值（單位：元/a）；NYY,PYY,KYY，分別代表林地氮磷鉀的含量；愛輝區林地氮磷鉀的含量為0.736%,0.418%,0.033%[19]；A,BN,C1,C2,β1,β2,β3代表含義和取值與前文相同。

5） 凈化大氣環境。林地生態系統通過吸收、過濾等降低有害物質（如氮氧化物、氟化物等）的含量，并可以滯塵，提供有益于生態的負離子等功能。

提供負離子：

式中，UFL代表林地每年提供負離子價值（單位：元/a）；H 代表樹林平均高度，針闊交混林平均高度10 m[19]；KFL代表產生負離子的費用，取值為5.818 5 元/1 018 個；QFL代表林地中負離子含量，取值為3 900 個/cm3；L 代表負離子平均壽命，取值為10 min[16]；A 代表含義和取值與前文相同。

吸收氟化物：

式中，UF代表林地每年吸收氟化物價值（單位：元/a）；KF代表氟化物治理費用，取值為0.69 元/kg[14]；QF代表林地單位面積年吸收氟化物量，取值為2.5 kg/(hm2·a)[19]；A 代表含義和取值與前文相同。

吸收氮氧化物：

式中，UDY代表林地每年吸收氮氧化物價值（單位：元/a）；KDY代表氮氧化物治理費用，取值為0.63 元/kg[14]；QDY代表林地單位面積年吸收氮氧化物量，取值為6 kg/(hm2·a)[19]；A 代表含義和取值與前文相同。

滯塵作用：

式中，UZC代表林地每年滯塵價值（單位：元/a）；KZC代表滯塵費用，取值為0.15 元/kg[14]；QZC代表林地單位面積年滯塵量，取值為22 kg/(hm2·a)[19]；A 代表含義和取值與前文相同。

6） 生物多樣性保護。林地的存在為生物提供生存和繁衍生息提供保障，確保生物物種的多樣性。計算公式為：

式中，UW代表林地每年生物保護性價值（單位：元/a）；SW代表林地單位面積生物多樣性保護價值，根據謝高地等[22]的研究，取值為2 884.6 元/hm2；A 代表含義和取值與前文相同。

7） 森林游憩。林地生態系統在自身繁衍的同時，也為人類提供文化娛樂的場所，即游憩價值。計算公式為：

式中，UYQ代表林地每年提供的森林游憩價值（單位：元/a）；SYQ代表林地單位面積森林游憩價值，取值為1 132.6 元/hm2[22]；A 代表含義和取值與前文相同。

2.2.2 耕地生態系統服務價值評估

耕地生態系統服務價值的計算公式如下：

式中，UGD代表耕地每年提供的生態系統服務價值（單位：元/a）；SGD代表耕地單位面積的生態系統服務價值，取值為6 114.3 元/hm2[22]；G 代表耕地面積（單位：hm2）。

2.2.3 草地生態系統服務價值評估

草地生態系統服務價值的計算公式如下：

式中，UCD代表草地每年提供的生態系統服務價值（單位：元/a）；SCD代表草地單位面積的生態系統服務價值，取值為6 406.5 元/hm2[22]；C 代表草地面積（單位：hm2）。

2.2.4 水體生態系統服務價值評估

水體生態系統服務價值的計算公式如下：

式中，UST代表水體每年提供的生態系統服務價值（單位：元/a）；SST代表水體單位面積的生態系統服務價值，取值為4 0 676.4 元/hm2[22]；S 代表水體面積（單位：hm2）。

3 結果分析與討論

3.1 土地利用及變化分析

利用ENVI 軟件的精度驗證計算功能，得到三期影像的土地利用總體分類精度分別為88.38%、89.21%和87.9%，符合精度要求。黑河市愛輝區三期土地利用遙感分類結果如圖2 所示。

圖2 愛輝區2000、2007、2013 年土地利用分類結果圖

總體上看，愛輝區的土地利用類型中林地所占的比例最大，占總地類面積的一半以上；其次是草地，占總地類的1/3 左右；耕地約占總地類面積的10%；水體、其他地類所占比例較少。林地是生態系統服務的主要部分，這符合愛輝區作為國家級生態示范區的標準。

1）耕地面積總體呈下降趨勢，但下降幅度有所差異。2000-2007 年耕地面積下降8.48%，即15 412.14 hm2；2007-2013 年耕地面積下降18.17%，即30 235.05 hm2。鑒于三期影像數據時間間隔相差不多但下降幅度卻明顯不同的情況，在查閱相關資料后可見，2000-2007 年間，耕地減少的原因一部分在于農村勞動力的減少而遭到荒棄，另一部分原因則是被建設用地占用。而2007-2013 年間，除上述原因外，“退耕還林”等生態措施同時影響著耕地面積的變化。

2）林地面積總體變化呈現先減后增趨勢。2000-2007 年林地面積下降2.11%，即16 243.83 hm2；2007-2013 年愛輝區林地面積增加5.11%，即38 492.19 hm2。2000-2007 年，為追求經濟的快速發展，忽視了林地對生態的保護作用，大量地砍伐木材，雖然林地的面積只減少2.11%，但由于基數大，故而林木遭到大面積破壞。而2013 年的林地面積卻有大幅增加，與黑河市相繼開展的“三年造林會戰”和“五年綠化”密切相關[23]。

3）草地面積變化呈現先增后減趨勢。2000-2007 年草地面積上升6.04%，即27 947.88 hm2；而2007-2013 年草地面積同比下降7.19%。從耕地和林地的變化原因可以分析得出，2000-2007 年草地面積增加一是由于大部分被荒棄的耕地由于缺乏耕作，逐漸被草地取代；二是由于被砍伐的林地直接接觸光照，從而生長出大量的草體。2007-2013 年草地面積大量減少的原因同樣有兩個，一是“造林會戰”使得大量草地變為林地；二是草地作為后備土地儲蓄資源被開發利用掉。

4）水體的變化呈現先減少后大量增加的現象，2000 年比2007 年水體面積減少7.83%，即812.79 hm2；而2013 年比2007 水體面積增加53.19%，即5 091.03 hm2。在查閱文獻資料后，認為造成這一現象的原因主要是：①愛輝區屬于寒溫帶大陸性氣候，在我國極其少見，這種氣候會引起年降水量極不穩定。②根據相關資料顯示[24-26]，2007 年黑龍江省出現歷史性干旱，高溫少雨，降水量比常年降低一到三成，2007-06-11～2007-08-10，平均降雨量僅為143 mm，公別拉河蓄水量持續降低。③2013 年夏季，黑河市出現持續性大暴雨，發生了自1984 年以來最大的洪澇災害，黑龍江流域以及各條河流水位大幅度上漲[27-29]，因此2013 年愛輝區的水體面積出現明顯增加。

5）其他地類從2000-2013 年呈逐年增多趨勢，2000-2007 年愛輝區其他地類面積增加57.82%，即4 520.88 hm2；2007-2013 年愛輝區其他地類面積增加178.04%，即21 970.08 hm2。主要原因是由于隨著城鎮化進程的加快，大量的土地被開發成建設用地。

3.2 生態系統服務價值分析

愛輝區生態系統服務價值總量呈現先下降后上升的趨勢（表1）。2000-2007 年，價值總量下降1.86%，即10.6 億元；2007-2013 年，價值總量上升4.33%，即24.28 億元。13 a 間生態系統服務價值總體上升了2.40%，即13.68 億元。愛輝區各地類單位面積生態服務價值表為林地單位面積生態服務價值最高，為6.84 萬元/hm2；水體次之，為4.07 萬元/hm2；草地為0.64 萬元/hm2；耕地的單位面積生態服務價值最低，為0.61 萬元/hm2。

表1 愛輝區生態系統服務價值表（2000、2007、2013 年）

1）耕地生態系統服務價值分析。耕地的生態系統服務價值從整體上看是連續降低的，下降率分別是8.54%和18.19%，生態服務價值在13 a 間下降了2.8 億元。由于耕地單位面積生態系統服務價值相同，所以其生態系統服務價值變化與土地利用類型變化是一致的。

2）林地生態系統服務價值分析。2000-2007 年，林地生態系統服務價值下降率為2.11%，即11.11 億元；2007-2013 年，上升率為5.11%，即26.33 億元。從表1 可以看出，林地的生態系統服務價值直接影響到愛輝區生態系統服務總價值。這是因為林地的生態系統服務價值在所有地類中所占比重最大，占總價值的91.87%以上，林地的面積不僅在所有地類中占比最大，單位面積生態系統服務價值也最高。林地單位面積生態系統服務價值高主要體現在其功能類別上（如圖3 所示）。其中保育土壤單位面積生態服務價值最高，為4.79 萬元/hm2；其后依次是固碳釋氧、涵養水源、生物多樣性保護、森林游憩、累積營養物質；最低的是凈化大氣環境，單位面積生態服務價值0.01 萬元/hm2。根據林地生態系統服務價值表所示（表2），2000-2013 年，林地的生態功能類別和指標類型的生態服務價值變化和林地的土地利用類型變化也呈一致。

圖3 愛輝區林地各項生態系統服務價值

表2 林地各生態功能類別價值（2000 年、2007 年、2013 年）

3）草地生態系統服務價值分析。草地的生態服務價值與草地土地利用類型變化趨勢一樣，先增加后減少。2000-2007 年，草地生態系統服務價值由29.67 億元上升為31.46 億元，上升率為6.03%；2007-2013 年，生態系統服務價值下降至29.19 億元，下降率為7.22%。草地生態系統服務價值總體下降0.48 億元，下降率為1.62%。總體上草地生態系統服務價值呈下降趨勢。

4）水體生態系統服務價值分析。水體的生態服務價值變化趨勢為先減少后增加。2000-2007 年，水體生態系統服務價值由4.22 億元下降為3.89 億元，下降率為7.82%；2007-2013 年，生態系統服務價值上升至5.96 億元，上升率為53.21%；13 a 間總體上升41.23%。由土地利用變化分析可以得知，2007 年發生的干旱與2013 年發生的洪澇災害都對水體生態系統服務價值造成了明顯的影響。

4 結 語

本文通過對黑河市愛輝區2000 年、2007 年、2013 年三期遙感影像進行土地利用分類，采用中國陸地生態系統服務價值測量方法及森林生態系統服務功能評估規范核算了該區域的生態系統服務價值，可以得出以下結論：①愛輝區2000 年、2007 年和2013 年的生態系統服務價值分別為571.03 億元、560.43 億元、584.71 億元。生態系統服務總價值呈先減少后增加的趨勢，總體增加13.68 億元。②一個地區生態系統服務價值與土地利用類型有著密切的關系。在對生態系統服務價值貢獻較少的其他地類面積連年增加、草地和耕地面積減少的情況下，愛輝區的生態系統服務價值的增長得益于林地面積和水體面積的增加。③從片面地追求城鎮化速度，忽視林地生態系統服務價值到2011 年被命名為“國家級生態示范區”，愛輝區形成了人與自然和諧相處的新型現代化生態城鎮格局。