張 爽，杜會石

（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)價值預(yù)測

張 爽，杜會石

（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，運用GIS空間分析和數(shù)值統(tǒng)計分析方法研究該區(qū)土地利用變化情況，對2020年土地利用信息進行預(yù)測，并由此評估該區(qū)未來生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化特征。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)價值增加33.86×108元。模擬預(yù)測結(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，其中旱田面積增加最多，達49 596.37 hm2；林地、草地和未利用地面積呈減少趨勢；生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值增加不顯著，由2010年的357.14×108元增加到2020年的362.36×108元，年均增長率為0.1%；精度檢驗及敏感性分析表明，研究結(jié)果可信。

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

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)（Ecosystem services）是生態(tài)學(xué)重要的研究內(nèi)容[1]，謝高地發(fā)展了Costanza等研究成果，構(gòu)建了中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估方法[2]。此后，國內(nèi)學(xué)者開展了大量研究工作[3-7]。如董全[8]改進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]測算了中國森林資源總價值，蔡中華[10]對中國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進行了深入分析，王紅梅[11]等將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值研究開創(chuàng)性的劃分為三個階段并確定各階段的研究重點，歐陽志云、趙同謙等[12-15]對我國水域、草地、林地等區(qū)域景觀維度的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進行了評估，何浩等[16]根據(jù)實際情況，研究了我國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值功能，總結(jié)了一些有參考價值的評估工具、方法與模型。

松原市地處干旱半干旱區(qū)去過渡地帶，區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境脆弱，景觀生態(tài)對氣候變化敏感。而近10 a，隨著人口增加、經(jīng)濟快速發(fā)展，人類擾動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)境問題亟待解決，而生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值研究是評估生態(tài)環(huán)境變化較好切入點。目前，已有的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值（Ecosystem Services Value，ESV）研究大多是針對吉林省西部地區(qū)進行的大尺度研究，但鮮有針對松原區(qū)域尺度上的具體分析。因此，在該區(qū)開展土地利用變化及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值研究具有重要科學(xué)意義。筆者運用基于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，并評估預(yù)測由此引起的松原市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化，為區(qū)域環(huán)境保護以及區(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。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∶10萬地形圖，行政區(qū)劃圖，地質(zhì)地貌圖，相關(guān)社會經(jīng)濟統(tǒng)計資料等。數(shù)據(jù)處理過程為，選取TM432、OLI543通道對遙感影像數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成，以研究區(qū)1∶10萬地形圖及實地測量野外驗證點為基準(zhǔn)，對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)測方法

1.3.1CA模型 CA模型在時間、空間、狀態(tài)上離散，各變量狀態(tài)改變在時空上均表現(xiàn)為局部特征[19]，表達式為：

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)決定下一時期該元胞的狀態(tài)[20]。實現(xiàn)過程如下：

（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，用于檢驗精度；以2010年土地利用/覆被格局為基礎(chǔ)（圖2），對2020年土地利用情景進行預(yù)測。

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（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)價值評價方法

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的計算公式為：

式中：ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值（元），VCk為生態(tài)價值系數(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)單項服務(wù)總價值（元），VCfk為單項服務(wù)功能價值系數(shù)（元/ hm2·a）[21]。

參考前人在松原區(qū)域修訂后的中國不同陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值表[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（圖3），水田面積增加最多，達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，人類活動以及地方經(jīng)濟政策是該地區(qū)土地利用變化的主要影響因素，人類活動加速了農(nóng)田化進程，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，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6.27%；旱田面積由前10 a的快速減少趨勢轉(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變化絕對值的14.28%；因林地減少而損失5.24×108元的ESV，占ESV變化絕對值的8.26%。

基于數(shù)據(jù)進行預(yù)測，未來10 a，研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值仍呈增加趨勢，變化量為5.22×108元。其中，占面積變化總量絕對值1.62%的水域，使ESV增加了4.33×108元；占面積變化總量絕對值37.70%的旱田僅增加3.03×108元的ESV，占ESV變化絕對值的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變化總量絕對值的5.55%。

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

2.3生態(tài)系統(tǒng)單項服務(wù)功能價值（ESVf）變化

2000～2010年，研究區(qū)ESVf變化的總體趨勢是：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、食物生產(chǎn)和娛樂休閑呈增加趨勢（表4），其中，增加最多的是水源涵養(yǎng)，增加了20.94×108元，占變化量絕對值的51.09%。而土壤形成與保護與原材料呈減少趨勢，其中，原材料減少0.6×108元，占變化量絕對值的1.46%。

根據(jù)預(yù)測，2010～2020年，ESVf變化趨勢是：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，其中，水源涵養(yǎng)仍增加較多，年均增長率為24.33%。而氣體調(diào)節(jié)、土壤形成與保護、生物多樣性保護、原材料與娛樂休閑呈減少趨勢，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)功能價值變化表?。▋|元）

3　結(jié)論與討論

通過對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，運用CA-Markov模型預(yù)測2020年土地利用狀態(tài)，估算該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化。主要結(jié)論如下：

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

（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%；單項服務(wù)價值中，水源涵養(yǎng)增加最多，達20.94×108元，占ESV變化量絕對值的51.09%，主要是由濕地與水域面積增加所致。

（3）根據(jù)預(yù)測，2010～2020年，林面積變化幅度最大，達-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不明顯。ESV以年均0.52×108元的速率呈增長趨勢；單項服務(wù)價值中，水源涵養(yǎng)增加速度最大，占變化量絕對值的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)價值的損益受人類活動影響，因此，松原市亟需加強生態(tài)文明建設(shè)，促進人與自然和諧發(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：杜會石

作者簡介：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。

基金項目：吉林省省級經(jīng)濟結(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：F301.2；P208；X171

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1006-060X（2016）04-0048-05