劉家福, 席蘭蘭, 張 堯, 張 柏

(1.吉林師范大學(xué) 旅游與地理科學(xué)學(xué)院, 吉林 四平 136000; 2.中國(guó)科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所, 吉林 長(zhǎng)春 130102)

土地是人類社會(huì)賴以生存發(fā)展的基礎(chǔ)，是生態(tài)環(huán)境變化的主要驅(qū)動(dòng)因素，生態(tài)系統(tǒng)是維持和穩(wěn)定人類生存的自然環(huán)境條件，人類通過(guò)改變土地利用方式而影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[1]。土地資源在一定條件下產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)價(jià)值能為人類社會(huì)生活和發(fā)展提供福利，而人類為了追求社會(huì)進(jìn)步與發(fā)展，不斷地開(kāi)發(fā)和改造土地資源，從而對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)造成日益嚴(yán)重的破壞與影響[2]。在國(guó)際組織積極號(hào)召與影響下，各國(guó)政府開(kāi)始重視對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和開(kāi)發(fā)，采取各種應(yīng)對(duì)措施，越來(lái)越多的學(xué)者紛紛加入土地利用與生態(tài)系統(tǒng)的研究中[3]。目前我國(guó)部分地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)呈現(xiàn)出不同程度的退化趨勢(shì)，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的退化是土地利用不合理的反映，若生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的功能得不到正常發(fā)揮，區(qū)域?qū)㈦y以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展[4]。從目前國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn)成果看，學(xué)者們[5-7]對(duì)土地利用的研究，主要通過(guò)時(shí)空演變特征從多角度引入不同的方法分析其驅(qū)動(dòng)機(jī)制；對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究主要是對(duì)物質(zhì)量和價(jià)值量評(píng)價(jià)法的比較，根據(jù)不同的評(píng)價(jià)目的和評(píng)價(jià)空間尺度選擇不同的評(píng)價(jià)方法[8-10]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在Costanza等[11-14]研究成果的基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)評(píng)估方法，我國(guó)謝高地等人[11]于2015年通過(guò)模型運(yùn)算和地理空間分析等方法又做了修正完善；雖取得大量研究成果，但對(duì)多時(shí)期土地利用變化、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化兩者之間的時(shí)空耦合關(guān)聯(lián)研究還需進(jìn)一步深入加強(qiáng)。CA-Markov模型可有效揭示未來(lái)土地利用在數(shù)量上的變化和空間上的演變趨勢(shì)[15-17]，InVEST模型評(píng)估的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能演變使結(jié)果可視化[18-20]。吉林省位于中國(guó)東北地區(qū)中部，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量脆弱，受人類活動(dòng)干擾頻繁，分析與預(yù)測(cè)吉林省土地利用演變過(guò)程衡量對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響程度，為吉林省生態(tài)環(huán)境保護(hù)與改善方針策略的制定提供借鑒依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

吉林省地理位置位于121°38′—131°19′E，40°50′—46°19′N之間，位于我國(guó)東北地區(qū)中心位置，南鄰遼寧省，北接黑龍江省，西與內(nèi)蒙古自治區(qū)毗鄰，并與俄羅斯和朝鮮兩國(guó)接壤。地貌差異明顯，東部以山地為主，平原分布在中西部地區(qū)，地勢(shì)呈東南高、西北低的特征。境內(nèi)河流眾多，地跨圖們江、鴨綠江、遼河、綏芬河、松花江水系。吉林省總面積1.87×105km2，是我國(guó)重要的農(nóng)、林、牧業(yè)生產(chǎn)基地。近年來(lái)區(qū)域開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

吉林省2000和2010年數(shù)據(jù)來(lái)自于東北亞資源環(huán)境大數(shù)據(jù)中心(http:∥www.igadc.cn/)下東北亞地理科學(xué)數(shù)據(jù)中心的土地利用/土地覆被及其變化主題庫(kù)，2017年遙感影像數(shù)據(jù)下載于美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(http:∥glovis.usgs.gov/)，空間分辨率均為30 m×30 m。對(duì)2017年遙感影像數(shù)據(jù)運(yùn)用ENVI5.3軟件建立圖像解譯標(biāo)志的基礎(chǔ)上，采用目視解譯法提取各個(gè)土地利用類型。利用ArcGIS 10.3軟件Arc-Toolbox中spatial Analyst工具，按掩膜提取出研究區(qū)的數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)獲取路徑不同，需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化標(biāo)準(zhǔn)處理，所有數(shù)據(jù)都經(jīng)過(guò)投影轉(zhuǎn)換與重采樣，地理坐標(biāo)均采用Xian_1980_3_Degree_GK_Zone_43。土地類型分類參考我國(guó)國(guó)土資源部最新修定的《土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)(GB/T21010-2007)》標(biāo)準(zhǔn)，并綜合吉林省土地利用發(fā)展程度和當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)種類以及分類標(biāo)準(zhǔn)體系，將吉林省土地利用分為6種類型，即：建設(shè)用地、草地、水域、林地、耕地和未利用土地。

2.2 CA-Markov模型

CA-Markov模型是元胞自動(dòng)機(jī)(cellular automata， CA)模型和馬爾可夫(Markov)模型的結(jié)合[17]，用來(lái)模擬預(yù)測(cè)未來(lái)土地利用格局，不僅提高了土地利用預(yù)測(cè)在數(shù)量上的精確度，而且也有效地模擬了其在結(jié)構(gòu)上的空間演化趨勢(shì)，更具有實(shí)用性和科學(xué)性。具體方法為： ①確定轉(zhuǎn)換規(guī)則。將ArcGIS和Markov中生成的轉(zhuǎn)移矩陣作為轉(zhuǎn)換規(guī)則。 ②創(chuàng)建適宜性圖集。用IDRISI軟件中的MCE模塊制作土地利用適宜性圖集。 ③確定濾波器和迭代次數(shù)。CA濾波器采用常用的5×5濾波器，迭代次數(shù)設(shè)置為7，預(yù)測(cè)吉林省2024年土地利用空間分布格局(附圖6—7)。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估

參照謝高地等人最新完善的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子表，耕地采用農(nóng)田的指標(biāo)，林地采用森林的指標(biāo)，未利用土地采用荒漠的指標(biāo)，依據(jù)當(dāng)量因子表假定建設(shè)用地在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中無(wú)價(jià)值，即服務(wù)價(jià)值為0[4,11,21]，確定研究區(qū)各土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(表1)，基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)法進(jìn)行定量評(píng)估[22]，計(jì)算公式為：

ESV=∑Ak·Vk

(1)

式中：ESV為生態(tài)系統(tǒng)類型服務(wù)總價(jià)值(億元)；Ak為第k種生態(tài)系統(tǒng)類型的面積(km2);Vk為第k種生態(tài)系統(tǒng)類型的服務(wù)價(jià)值系數(shù)(元/km2)。

ESVf=∑Ak·Vfk

(2)

式中：ESVf為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的總價(jià)值(億元)；Vfk為第k種生態(tài)系統(tǒng)類型所對(duì)應(yīng)的第f類服務(wù)功能的價(jià)值系數(shù)(元/km2)。

表1 土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值 元/km2

2.4 InVEST模型

InVEST模型中的生境質(zhì)量(habitat quality)是衡量生態(tài)系統(tǒng)為生物種群和個(gè)體生存繁衍提供適宜條件能力的大小[23]。生境質(zhì)量的大小取決于人類對(duì)土地的開(kāi)發(fā)利用強(qiáng)度和威脅因子對(duì)這些土地利用類型的影響距離[23-25]。在InVEST模型中，距離越遠(yuǎn)影響越小，距離越近影響越大，生境質(zhì)量模塊稱這種影響方式為衰減相關(guān)性，呈線性相關(guān)性用1表示，呈指數(shù)相關(guān)性用0表示[26]。計(jì)算公式為：

(3)

(4)

式中：irxy代表地類y中威脅因子r對(duì)地類x的影響程度；dxy代表地類x與地類y間的線性距離；drmax則為威脅因子r空間上的最大脅迫距離。

通過(guò)野外實(shí)地調(diào)查及大量相關(guān)文獻(xiàn)的研究成果，結(jié)合吉林省數(shù)據(jù)的可獲取性和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展水平，確定研究區(qū)生境威脅因子包括耕地、建設(shè)用地和未利用土地。對(duì)威脅因子最大影響距離、權(quán)重和各威脅因子敏感度的設(shè)置，參考相關(guān)研究成果[17,19-20,24,26]，參數(shù)設(shè)置如表2—3所示。

生境質(zhì)量不僅能反映研究區(qū)內(nèi)土地利用類型的破碎化程度，也能反映各土地利用類型對(duì)抵御威脅因子產(chǎn)生的生境退化能力的大小。在InVEST模型中，生境質(zhì)量越高，土地開(kāi)發(fā)利用強(qiáng)度越弱，值越接近1。生境質(zhì)量的計(jì)算公式為：

(5)

式中：Qxj是土地利用j中柵格x的生境質(zhì)量;Dxj是土地利用j中柵格x的生境退化度;k是為半飽——和常數(shù),為柵格單元大小尺度值的1/2;z為歸一化指數(shù), 取值2.5;Hj為土地利用j的生境適宜性,當(dāng)Hj=0時(shí),Qxj=0。

表2 吉林省生態(tài)威脅因子參數(shù)

表3 吉林省生境類型對(duì)生態(tài)威脅因子敏感度

為了更好地分析土地利用變化對(duì)研究區(qū)生境質(zhì)量的影響，采取幾何間隔法對(duì)生境質(zhì)量值進(jìn)行等級(jí)劃分，結(jié)果詳見(jiàn)表4。

表4 研究區(qū)生境質(zhì)量分級(jí)

3 結(jié)果與分析

3.1 模型精度檢驗(yàn)

檢驗(yàn)CA-Markov模型常采用逐點(diǎn)對(duì)比或隨機(jī)驗(yàn)證的方法，隨機(jī)驗(yàn)證一般適用于大范圍模擬，逐點(diǎn)對(duì)比法適合用于研究區(qū)面積相對(duì)小的區(qū)域，kappa指數(shù)常用來(lái)比較兩個(gè)圖像的相似性。在ArcGIS軟件中同時(shí)將2017年模擬預(yù)測(cè)與實(shí)際解譯的土地利用數(shù)據(jù)加載對(duì)比分析，統(tǒng)計(jì)各類土地利用模擬預(yù)測(cè)面積和實(shí)際面積，計(jì)算得到各類型土地kappa指數(shù)，最后統(tǒng)計(jì)得到總體kappa指數(shù)為83.11%，模擬效果較好，滿足研究需要。

3.2 吉林省2000-2017年土地利用特征及分析

利用ArcGIS 10.3軟件分別統(tǒng)計(jì)2000，2010和2017各類型土地面積和所占比例，結(jié)合附圖6—7可知，吉林省土地利用類型在2000—2010年10 a間變化十分明顯，其中耕地、林地、水域、建設(shè)用地都呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，耕地面積由73 619 km2增加到79 679 km2，增加了6 060 km2；林地面積由82 814 km2增加到83 280 km2，增加了466 km2；水域面積由4 535 km2增加到7 177 km2，增加了2 642 km2；建設(shè)用地面積由6 475 km2增加到7 487 km2，增加了1 012 km2。草地和未利用土地面積呈下降趨勢(shì)，草地面積由7 629 km2減少到6 729 km2，減少了900 km2；未利用土地面積由11 175 km2減少到2 040 km2，減少了9 135 km2。吉林省在2010—2017年這7 a間，土地利用類型的變化與前10 a的變化有很大差異，只有耕地、建設(shè)用地和未利用土地的變化趨勢(shì)與前10 a一致，耕地面積持續(xù)增加，增加到82 945 km2，與2010年相比，增加幅度雖有所下降，但也增加了3 266 km2；建設(shè)用地面積增加到7 940 km2，增加了453 km2，但增幅沒(méi)有前10 a大；未利用土地面積也持續(xù)減少，已經(jīng)減少到1 743 km2，減少了297 km2。與前10 a不同的是，林地和水域的面積呈下降趨勢(shì)，草地呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，林地面積由83 280 km2減少到77 211 km2，減少了6 069 km2；水域面積由7 177 km2減少到2 629 km2，減少了4 548 km2；草地面積由6 729 km2增加到13 779 km2，增加了7 050 km2?？傮w來(lái)看，吉林省土地利用從2000—2017年17 a間變化很大，耕地面積一直在上升，從2000—2017年增加了9 326 km2，這主要是由于人口的增長(zhǎng)導(dǎo)致對(duì)糧食的需求增加，進(jìn)而加大了對(duì)濕地和未利用土地的開(kāi)發(fā)利用強(qiáng)度；林地從2000—2017年受人類破壞減少了5 603 km2；草地近年來(lái)受國(guó)家政策的保護(hù)面積也呈不斷增加趨勢(shì)，增加了6 150 km2；水域從2000—2017年減少了1 906 km2；建設(shè)用地受社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶動(dòng)，居民及工礦用地大多數(shù)在原有居民點(diǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)張，增加了1 465 km2；未利用土地多分布在西部，面積越來(lái)越小，到2017年僅剩1 743 km2，從2000—2017年17 a間減少了9 432 km2，被開(kāi)發(fā)成了耕地和草地，這主要得益于吉林省多年以來(lái)在未利用土地中鹽堿地的治理投入上。

3.3 吉林省2024年土地利用格局模擬與預(yù)測(cè)

由附圖6—7和轉(zhuǎn)移矩陣(表5—6)可知，到2024年吉林省耕地、草地和建設(shè)用地面積持續(xù)增加，耕地達(dá)到83 655 km2；草地將是2000年的2倍，增加到17 990 km2；建設(shè)用地達(dá)到7 977 km2；林地變化相對(duì)比較穩(wěn)定，相比2017年減少了4 099 km2；水域按照2010—2017年的變化趨勢(shì)，僅剩1 109 km2，這對(duì)維護(hù)研究區(qū)生態(tài)平衡構(gòu)成嚴(yán)重威脅；未利用土地僅剩2 405 km2。

表5 吉林省2010-2017年土地利用轉(zhuǎn)移概率矩陣

表6 吉林省2017-2024年土地利用轉(zhuǎn)移面積矩陣 km2

3.4 2000-2024年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化分析

由表7可知，吉林省2000—2024年各生態(tài)系統(tǒng)類型服務(wù)價(jià)值在總體層面上呈下降趨勢(shì)，從8.24×108元降到7.26×108元。其中2000—2010年略微有所增加，增加了5.40×107元，2010—2024年趨于下降，2010—2017年減少了1.06×108元，2017—2024年減少了4.60×107元。生態(tài)系統(tǒng)類型中森林的服務(wù)價(jià)值貢獻(xiàn)量最大，4個(gè)時(shí)期分別占79.13%，74.61%，78.75%和79.34%；荒漠的服務(wù)價(jià)值貢獻(xiàn)量最小，占0.12%～0.41%之間。2000—2024年水域的服務(wù)價(jià)值變化率最大，減少了7.43%；其次是草地，24 a間增加了4.89%；荒漠的變化率最小。

表7 吉林省2000-2024年各類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值及比例

由表8可看出，在11種單項(xiàng)生態(tài)服務(wù)功能中，2000和2010年水文調(diào)節(jié)服務(wù)價(jià)值最大，分別為2.12和2.49億元，所占貢獻(xiàn)率在25.73%～28.46%；而2017和2024年氣候調(diào)節(jié)的服務(wù)價(jià)值最大，分別為1.98和1.91億元，貢獻(xiàn)率在25.65%～26.31%。其次是土壤保持、生物多樣性和氣體調(diào)節(jié)，上述5種單項(xiàng)生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值構(gòu)成了吉林省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的主體。此外，水資源供給和維持養(yǎng)分循環(huán)的價(jià)值貢獻(xiàn)率較小，其中水資源供給貢獻(xiàn)率成負(fù)值，維持養(yǎng)分循環(huán)貢獻(xiàn)率在1.03%～1.17%。

3.5 吉林省2000-2024年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的評(píng)估

從吉林省2000—2024年生境退化度狀況(附圖8—9)可知，吉林省整體生境質(zhì)量一般，質(zhì)量良好和優(yōu)等區(qū)的面積在2000—2010年小幅度增加，在2010—2017年又小幅度減少，在2017—2024年將會(huì)呈現(xiàn)繼續(xù)減少的趨勢(shì)；質(zhì)量中等區(qū)的面積總和在研究期間幾乎沒(méi)變；質(zhì)量較差區(qū)的面積在2000—2024年持續(xù)增加；質(zhì)量差區(qū)的面積在前10 a略有減少，在2010—2017年開(kāi)始增加；在2017—2024年將會(huì)呈現(xiàn)繼續(xù)增加的趨勢(shì)，這表明吉林省的生境質(zhì)量在不斷下降。從空間格局看，吉林省生境質(zhì)量在空間分布上呈中西部低，東部高的特征。質(zhì)量?jī)?yōu)等區(qū)主要分布在東部山地地區(qū)，該地帶以林地為主，生態(tài)環(huán)境保護(hù)良好，生物多樣性豐富；質(zhì)量良好區(qū)分布在吉林省西部草地區(qū)和質(zhì)量?jī)?yōu)等區(qū)的周邊，生態(tài)環(huán)境遭受破壞程度不大；質(zhì)量中等區(qū)的分布與河流具有很大的相關(guān)性，沿河岸受人類活動(dòng)影響，破壞生物多樣性；質(zhì)量較差區(qū)分布在以建設(shè)用地為主的城市周邊和未利用土地區(qū)；由于地形、氣候和人為干擾原因，生境質(zhì)量差區(qū)集中連片分布在吉林省以耕地為主的中西部地區(qū)，分布有大量的居民點(diǎn)。

生境退化度是生境質(zhì)量下降程度的反映。從圖1可知，吉林省的城市附近和各大水系流域沿岸生境退化最嚴(yán)重，城市擴(kuò)張建設(shè)用地占據(jù)耕地和林草地，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞；以耕地為主的中西部地區(qū)，農(nóng)村居民點(diǎn)較多，受人類活動(dòng)影響嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境遭到破壞生境退化度較高；以林地為主的東部，生境退化不是很明顯。

圖1 吉林省2000-2024年生境退化度狀況

表8吉林省2000-2024年單項(xiàng)生態(tài)

系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值

108元/a

4 結(jié) 論

(1) 2000—2024年，吉林省長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)未利用土地治理與草地保護(hù)已顯現(xiàn)成效，未利用土地面積有所減少，草地面積增加，但仍有較大面積的林地和水域減少，表明林地和水資源呈現(xiàn)邊保護(hù)邊破壞的局面；耕地和建設(shè)用地面積持續(xù)增長(zhǎng)，這種變化反映了研究區(qū)城鎮(zhèn)的發(fā)展，過(guò)度開(kāi)發(fā)土地變?yōu)楦?，政府?yīng)采取相應(yīng)措施加以控制。

(2) 吉林省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在2000—2010年有所增加，2010—2024年趨于減少，整體呈下降趨勢(shì)，其貢獻(xiàn)量從大到小依次為森林、水域、農(nóng)田、草地和荒漠。生境質(zhì)量方面，2000—2010年吉林省生境質(zhì)量較為穩(wěn)定，但2010—2024年呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。吉林省中部及西部地區(qū)生境質(zhì)量下降較為嚴(yán)重，應(yīng)注重城市周邊及水系的保護(hù)與合理利用。

(3) 獲取數(shù)據(jù)來(lái)自不同的數(shù)據(jù)中心，因此在數(shù)據(jù)的解譯分類過(guò)程中存在微小的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則差異，這就導(dǎo)致模型預(yù)測(cè)結(jié)果存在一定的誤差和不確定性；InVEST模型中許多參數(shù)是參考前人研究成果基礎(chǔ)上設(shè)置的，在后續(xù)研究中，應(yīng)分別對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行量化研究。吉林省作為東北地區(qū)乃至全國(guó)生態(tài)價(jià)值的一部分，其生境退化直接影響土地利用結(jié)構(gòu)的優(yōu)化配置。