基于CA-Markov與InVEST模型的吉林省生態系統服務價值模擬及預測

劉家福, 席蘭蘭, 張 堯, 張 柏

(1.吉林師范大學 旅游與地理科學學院, 吉林 四平 136000; 2.中國科學院 東北地理與農業生態研究所, 吉林 長春 130102)

土地是人類社會賴以生存發展的基礎，是生態環境變化的主要驅動因素，生態系統是維持和穩定人類生存的自然環境條件，人類通過改變土地利用方式而影響生態系統服務[1]。土地資源在一定條件下產生的經濟價值能為人類社會生活和發展提供福利，而人類為了追求社會進步與發展，不斷地開發和改造土地資源，從而對區域生態系統造成日益嚴重的破壞與影響[2]。在國際組織積極號召與影響下，各國政府開始重視對生態系統的保護和開發，采取各種應對措施，越來越多的學者紛紛加入土地利用與生態系統的研究中[3]。目前我國部分地區生態系統服務呈現出不同程度的退化趨勢，生態系統服務的退化是土地利用不合理的反映，若生態系統服務的功能得不到正常發揮，區域將難以實現可持續發展[4]。從目前國內外的文獻成果看，學者們[5-7]對土地利用的研究，主要通過時空演變特征從多角度引入不同的方法分析其驅動機制；對生態系統服務研究主要是對物質量和價值量評價法的比較，根據不同的評價目的和評價空間尺度選擇不同的評價方法[8-10]。國內外學者在Costanza等[11-14]研究成果的基礎上不斷改進評估方法，我國謝高地等人[11]于2015年通過模型運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，但對多時期土地利用變化、生態系統服務價值變化兩者之間的時空耦合關聯研究還需進一步深入加強。CA-Markov模型可有效揭示未來土地利用在數量上的變化和空間上的演變趨勢[15-17]，InVEST模型評估的生態系統服務功能演變使結果可視化[18-20]。吉林省位于中國東北地區中部，生態環境質量脆弱，受人類活動干擾頻繁，分析與預測吉林省土地利用演變過程衡量對生態系統服務價值的影響程度，為吉林省生態環境保護與改善方針策略的制定提供借鑒依據。

1 研究區概況

吉林省地理位置位于121°38′—131°19′E，40°50′—46°19′N之間，位于我國東北地區中心位置，南鄰遼寧省，北接黑龍江省，西與內蒙古自治區毗鄰，并與俄羅斯和朝鮮兩國接壤。地貌差異明顯，東部以山地為主，平原分布在中西部地區，地勢呈東南高、西北低的特征。境內河流眾多，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，是我國重要的農、林、牧業生產基地。近年來區域開發與經濟發展對生態環境造成嚴重破壞。

2 研究方法

2.1 數據來源與處理

吉林省2000和2010年數據來自于東北亞資源環境大數據中心(http:∥www.igadc.cn/)下東北亞地理科學數據中心的土地利用/土地覆被及其變化主題庫，2017年遙感影像數據下載于美國地質調查局(http:∥glovis.usgs.gov/)，空間分辨率均為30 m×30 m。對2017年遙感影像數據運用ENVI5.3軟件建立圖像解譯標志的基礎上，采用目視解譯法提取各個土地利用類型。利用ArcGIS 10.3軟件Arc-Toolbox中spatial Analyst工具，按掩膜提取出研究區的數據。由于數據獲取路徑不同，需要將數據進行歸一化標準處理，所有數據都經過投影轉換與重采樣，地理坐標均采用Xian_1980_3_Degree_GK_Zone_43。土地類型分類參考我國國土資源部最新修定的《土地利用現狀分類標準(GB/T21010-2007)》標準，并綜合吉林省土地利用發展程度和當地的生態種類以及分類標準體系，將吉林省土地利用分為6種類型，即：建設用地、草地、水域、林地、耕地和未利用土地。

2.2 CA-Markov模型

CA-Markov模型是元胞自動機(cellular automata， CA)模型和馬爾可夫(Markov)模型的結合[17]，用來模擬預測未來土地利用格局，不僅提高了土地利用預測在數量上的精確度，而且也有效地模擬了其在結構上的空間演化趨勢，更具有實用性和科學性。具體方法為： ①確定轉換規則。將ArcGIS和Markov中生成的轉移矩陣作為轉換規則。 ②創建適宜性圖集。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。CA濾波器采用常用的5×5濾波器，迭代次數設置為7，預測吉林省2024年土地利用空間分布格局(附圖6—7)。

2.3 生態系統服務價值評估

參照謝高地等人最新完善的生態系統服務價值當量因子表，耕地采用農田的指標，林地采用森林的指標，未利用土地采用荒漠的指標，依據當量因子表假定建設用地在生態系統服務中無價值，即服務價值為0[4,11,21]，確定研究區各土地利用類型生態系統服務價值(表1)，基于生態系統服務價值系數法進行定量評估[22]，計算公式為：

ESV=∑Ak·Vk

(1)

式中：ESV為生態系統類型服務總價值(億元)；Ak為第k種生態系統類型的面積(km2);Vk為第k種生態系統類型的服務價值系數(元/km2)。

ESVf=∑Ak·Vfk

(2)

式中：ESVf為生態系統服務功能的總價值(億元)；Vfk為第k種生態系統類型所對應的第f類服務功能的價值系數(元/km2)。

表1 土地利用類型生態系統服務價值 元/km2

2.4 InVEST模型

InVEST模型中的生境質量(habitat quality)是衡量生態系統為生物種群和個體生存繁衍提供適宜條件能力的大小[23]。生境質量的大小取決于人類對土地的開發利用強度和威脅因子對這些土地利用類型的影響距離[23-25]。在InVEST模型中，距離越遠影響越小，距離越近影響越大，生境質量模塊稱這種影響方式為衰減相關性，呈線性相關性用1表示，呈指數相關性用0表示[26]。計算公式為：

(3)

(4)

式中：irxy代表地類y中威脅因子r對地類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。

通過野外實地調查及大量相關文獻的研究成果，結合吉林省數據的可獲取性和社會經濟的發展水平，確定研究區生境威脅因子包括耕地、建設用地和未利用土地。對威脅因子最大影響距離、權重和各威脅因子敏感度的設置，參考相關研究成果[17,19-20,24,26]，參數設置如表2—3所示。

生境質量不僅能反映研究區內土地利用類型的破碎化程度，也能反映各土地利用類型對抵御威脅因子產生的生境退化能力的大小。在InVEST模型中，生境質量越高，土地開發利用強度越弱，值越接近1。生境質量的計算公式為：

(5)

式中：Qxj是土地利用j中柵格x的生境質量;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,為柵格單元大小尺度值的1/2;z為歸一化指數, 取值2.5;Hj為土地利用j的生境適宜性,當Hj=0時,Qxj=0。

表2 吉林省生態威脅因子參數

表3 吉林省生境類型對生態威脅因子敏感度

為了更好地分析土地利用變化對研究區生境質量的影響，采取幾何間隔法對生境質量值進行等級劃分，結果詳見表4。

表4 研究區生境質量分級

3 結果與分析

3.1 模型精度檢驗

檢驗CA-Markov模型常采用逐點對比或隨機驗證的方法，隨機驗證一般適用于大范圍模擬，逐點對比法適合用于研究區面積相對小的區域，kappa指數常用來比較兩個圖像的相似性。在ArcGIS軟件中同時將2017年模擬預測與實際解譯的土地利用數據加載對比分析，統計各類土地利用模擬預測面積和實際面積，計算得到各類型土地kappa指數，最后統計得到總體kappa指數為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軟件分別統計2000，2010和2017各類型土地面積和所占比例，結合附圖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、建設用地都呈增長趨勢，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，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、建設用地和未利用土地的變化趨勢與前10 a一致，耕地面積持續增加，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；建設用地面積增加到7 940 km2，增加了453 km2，但增幅沒有前10 a大；未利用土地面積也持續減少，已經減少到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，草地呈增長趨勢，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。總體來看，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導致對糧食的需求增加，進而加大了對濕地和未利用土地的開發利用強度；林地從2000—2017年受人類破壞減少了5 603 km2；草地近年來受國家政策的保護面積也呈不斷增加趨勢，增加了6 150 km2；水域從2000—2017年減少了1 906 km2；建設用地受社會經濟發展帶動，居民及工礦用地大多數在原有居民點的基礎上進行擴張，增加了1 465 km2；未利用土地多分布在西部，面積越來越小，到2017年僅剩1 743 km2，從2000—2017年17 a間減少了9 432 km2，被開發成了耕地和草地，這主要得益于吉林省多年以來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測

由附圖6—7和轉移矩陣(表5—6)可知，到2024年吉林省耕地、草地和建設用地面積持續增加，耕地達到83 655 km2；草地將是2000年的2倍，增加到17 990 km2；建設用地達到7 977 km2；林地變化相對比較穩定，相比2017年減少了4 099 km2；水域按照2010—2017年的變化趨勢，僅剩1 109 km2，這對維護研究區生態平衡構成嚴重威脅；未利用土地僅剩2 405 km2。

表5 吉林省2010-2017年土地利用轉移概率矩陣

表6 吉林省2017-2024年土地利用轉移面積矩陣 km2

3.4 2000-2024年生態系統服務價值變化分析

由表7可知，吉林省2000—2024年各生態系統類型服務價值在總體層面上呈下降趨勢，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。生態系統類型中森林的服務價值貢獻量最大，4個時期分別占79.13%，74.61%，78.75%和79.34%；荒漠的服務價值貢獻量最小，占0.12%～0.41%之間。2000—2024年水域的服務價值變化率最大，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年各類型的生態系統服務價值及比例

由表8可看出，在11種單項生態服務功能中，2000和2010年水文調節服務價值最大，分別為2.12和2.49億元，所占貢獻率在25.73%～28.46%；而2017和2024年氣候調節的服務價值最大，分別為1.98和1.91億元，貢獻率在25.65%～26.31%。其次是土壤保持、生物多樣性和氣體調節，上述5種單項生態服務功能價值構成了吉林省生態系統服務價值的主體。此外，水資源供給和維持養分循環的價值貢獻率較小，其中水資源供給貢獻率成負值，維持養分循環貢獻率在1.03%～1.17%。

3.5 吉林省2000-2024年生態系統服務功能的評估

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

生境退化度是生境質量下降程度的反映。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重，城市擴張建設用地占據耕地和林草地，對生態環境造成嚴重的破壞；以耕地為主的中西部地區，農村居民點較多，受人類活動影響嚴重，生態環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年單項生態

系統服務價值

108元/a

4 結 論

(1) 2000—2024年，吉林省長期以來對未利用土地治理與草地保護已顯現成效，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邊保護邊破壞的局面；耕地和建設用地面積持續增長，這種變化反映了研究區城鎮的發展，過度開發土地變為耕地，政府應采取相應措施加以控制。

(2) 吉林省生態系統服務價值在2000—2010年有所增加，2010—2024年趨于減少，整體呈下降趨勢，其貢獻量從大到小依次為森林、水域、農田、草地和荒漠。生境質量方面，2000—2010年吉林省生境質量較為穩定，但2010—2024年呈現出下降趨勢。吉林省中部及西部地區生境質量下降較為嚴重，應注重城市周邊及水系的保護與合理利用。

(3) 獲取數據來自不同的數據中心，因此在數據的解譯分類過程中存在微小的標準規則差異，這就導致模型預測結果存在一定的誤差和不確定性；InVEST模型中許多參數是參考前人研究成果基礎上設置的，在后續研究中，應分別對各個參數進行量化研究。吉林省作為東北地區乃至全國生態價值的一部分，其生境退化直接影響土地利用結構的優化配置。