松嫩沙地土地利用變化對生態系統服務價值的影響

巴之丹

（吉林師范大學旅游與地理科學學院，吉林 四平 136000）

土地利用變化作為自然環境和人類活動共同作用下的表現形式[1]，對維持和改善區域生態平衡，貫徹土地資源可持續開發利用具有重要意義[2]。生態系統服務各項功能包括原料生產、食物生產、水資源供給等方面。生態系統服務是自然與社會溝通的橋梁，隨著人口數量的增長，人類對自然資源的利用超過了生態系統本身的限度[3-4]，造成很多不利影響。為進一步促進松嫩沙地生態系統各個服務功能協調發展，明確各個服務功能之間的普遍聯系，實現各服務功能效益最大化，優化生態系統服務管理政策，保護當地生態系統的正常運行[5-6]，達到地區協調可持續發展與生態環境保護的目的，應對生態系統服務進行研究。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

松嫩沙地主要分布在嫩江和第二松花江下游，吉林白城地區的東部，東遼河中游以北及科爾沁沙地東南[7]，大地構造屬松遼沉降帶，沙地平面輪廓南寬北窄[8]，略呈倒楔型。利用Landsat 8 OLI 影像和ASTERGDEM（V.2）數據，參照松遼流域河流三級區域界限（數據來源于水利部松遼水利委員會），確定了松嫩沙地自然地理單元的范圍（119°19′33″ E ～129°12′24″ E，43°0′28″ N ～ 50°36′51″ N），其 面 積 為352 559.12 km2[9]。行政區劃上包括內蒙古自治區的呼倫貝爾市、興安盟，黑龍江省的哈爾濱市、齊齊哈爾市、大慶市、綏化市，吉林省的長春市、吉林市、白城市、松原市等部分地區。研究區氣候屬半干旱半濕潤氣候，年平均氣溫為3.3℃，年降水量為360～480 mm，降水量年內分配不均且變率大，年蒸發量為1 600～1 800 mm，年大風日數為20～36 d，春季大風日數占全年大風日數的60%～68%。該區地帶性土壤為黑鈣土，非地帶性土壤為風沙土、草甸土、沼澤土和鹽堿土[7]。

1.2 數據來源與處理

土地利用數據來自于中國科學院資源環境數據中心（http://www.resdc.cn /data），為遙感影像解譯的松嫩沙地1990 年、2000 年、2010 年、2020 年4 a 的土地利用數據，分辨率為30 m×30 m，其中包括6 個一級類和26 個二級類[10]，在ArcGIS 中經過重分類后，土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、城鄉工礦居民用地、沙地以及其他未利用土地（表1）。經裁剪后得到1990 年、2000 年、2010 年和2020 年4 期松嫩沙地土地利用類型數據。

表1 中國東北沙地土地利用類型分類

1.3 研究方法

參考謝高地等[11]提出的“單位面積價值當量因子法”對松嫩沙地ESV 進行估算，基于松嫩沙地1990—2020 年相應統計資料，計算不同時期“1 個標準當量因子的生態系統服務價值量（Ea）”，并對其進行支付意愿系數修正[12]，取4 期均值作為最終Ea 值，根據公式（1）（2）計算。

式中：Eat為t 年1 個標準當量因子的生態系統服務價值量；Rt為t 年支付意愿系數，計算方法參考林棟等[13]的方法；i 表示作物種類；mit為t 年某作物的種植面積（hm2）；pit為t 年某作物價格（元/kg）；qit為t 年某作物單產（kg/hm2）；Mt為t 年作物總種植面積（hm2）。

以研究區4 期土地利用數據為基礎計算生態系統服務價值（ESV）。考慮松嫩沙地土地利用類型，結合謝高地等[11]制定的單位面積生態系統服務價值的基礎當量表對生態系統服務價值系數進行修正，其中耕地、林地、草地、沙地、水域分別對應二級生態系統分類中的旱地、闊葉林、草甸、裸地、水系，除此之外的所有土地歸為其他用地，基于此獲得研究區單位面積生態系統服務價值當量表（表2）。根據公式（3）計算研究區ESV。

表2 松嫩沙地單位面積生態系統服務價值當量 （元/hm2）

式中：Aj為第j 類土地利用類型的面積（hm2），Brj為單位面積第j 類土地利用類型第r 種服務類型服務價值當量。

2 結果與分析

2.1 土地利用變化分析

從圖1 和表3 可知，松嫩沙地土地利用狀況呈現以下特點。1990—2020 年間，松嫩沙地的耕地面積處于增加趨勢，增加幅度最大，共增加21 817.73 km2，其中在1990—2000 年這10 a 間增加最快，增加了13 025.97 km2；林地面積呈現“下降—增長—下降”的波動變化趨勢，共縮減4 323.10 km2；草地面積不斷減少，其中2000—2010 年這10 a 間縮減最多，縮減了7 993.62 km2；水域面積也在不斷縮減，共縮減4 573.55 km2；建設用地呈現穩定增長趨勢，共增加2 337.43 km2；沙地面積呈現縮減趨勢，共縮減422.30 km2；其他未利用土地在不斷增加，共增加4 155.97 km2。

表3 1990—2020 年4 期松嫩沙地各類型土地利用的面積及占比

圖1 1990—2020 年4 期松嫩沙地土地利用情況

2.2 生態系統服務價值變化分析

2.2.1 生態系統服務總價值變化特征 由表4 可知，1990—2020 年間，松嫩沙地ESV 總體呈現增加趨勢，由1990 年的116 579.03 萬元增加到2020 年的117 011.92萬元，增加了432.89 萬元，增加幅度達0.37%，年均遞增率為0.01%。從1990—2020 年4期松嫩沙地不同土地利用類型的ESV 來看，耕地和其他未利用土地ESV 量呈現增加趨勢，分別增加了874.89 萬元和8 528.05 萬元；林地、草地、水域和沙地ESV 量呈現減少的趨勢，分別減少了992.15 萬元、2 228.37 萬元、5 744.84 萬元和4.69 萬元。

表4 1990—2020 年松嫩沙地各類型土地生態系統服務價值的變化

2.2.2 生態系統服務單項價值變化特征 由表5 可知，1990—2020 年間，各個單項生態系統服務功能對生態系統服務價值總量貢獻最大的依次為：生物多樣性、水文調節、氣候調節，其中生物多樣性的ESV達到了50 000 萬元以上，1990—2020 年4 期的生物多樣性ESV 分別為58 932.89 萬元、56 830.43 萬元、64 575.96 萬元和65 749.17 萬元，分別占各期ESV 總量的50.55%、50.82%、54.61%和56.19%；原料生產、維持養分循環和美學景觀的ESV 貢獻率較少，均不到ESV 總量的10%；食物生產、水資源供給、土壤保持和生物多樣性均處于增加的趨勢，生物多樣性增加的ESV 最多，為6 816.28 萬元，其次為食物生產和土壤保持，增加的ESV 分別為306.02 萬元和229.83萬元；而原料生產等其他服務項目均呈現減少趨勢，水文調節減少的ESV 最多，為5 242.73 萬元，其次為氣候調節和凈化環境，減少的ESV 分別為880.95 萬元和506.73 萬元。

表5 1990—2020 年松嫩沙地生態系統服務功能價值變化 （萬元）

2.3 敏感性分析

相關研究借用敏感性指數（coefficient of sensitivity，CS） 確定ESV 隨時間變化對生態價值系數（VC）變化的相關程度[14]。CS 的含義是指由于VC 變動引起ESV 的變化情況，若敏感性指數大于1，說明 ESV對VC 是具有彈性的；若敏感性指數小于1，則說明ESV 對VC 是缺乏彈性的。CS 的數值越大，則說明VC 的正確性越重要[15]。

該研究通過調整50%的VC 來計算CS，從而說明ESV 對VC 的敏感程度。敏感性指數根據公式（4）計算。

式中：ESV 為生態系統服務價值（元），VC 為生態價值系數[元/(hm2·a)]，k 為研究區內某土地利用類型，i 代表初始價值，j 代表生態價值系數調整后的價值[16]。

根據CS 計算公式，為分析和計算方便，將VC分別上下調整50%，計算了松嫩沙地1990 年到2020年的生態價值系數對生態系統服務價值影響的敏感性指數變化曲線（圖2）。結果表明，ESV 對VC 的敏感性指數均＜1，4 期的最高值范圍為0.82～0.91。這表明，研究區內ESV 對VC 是缺乏彈性的，研究結果可信度較高。

圖2 ESV 敏感性指數變化曲線

3 討 論

松嫩沙地生態系統服務價值存在一定的空間差異性，但其ESV 整體呈現增加趨勢，空間上主要分布在耕地和一些未利用土地或其他建設用地附近。而負值區主要集中在濕地、草地、水域、沙地，其中濕地的萎縮、草地的破壞、水域面積的縮減是該區域生態系統服務價值降低的主要原因，但耕地面積的增加在一定程度上做了補償。這也說明人類活動是導致土地利用類型變化和生態系統服務價值變化的主要因素，所以相關部門應采取相應措施促進區域經濟可持續協調發展，加強生態環境保護。

生態系統服務權衡與協同關系對區域經濟可持續性發展、生態環境保護和生態系統服務可持續供給都有很大的支撐作用。學者研究發現供給服務與其他生態系統服務存在權衡關系，筆者也得出了相同的結論，主要是食物及原料生產用地與其他用地存在一定競爭關系，導致了這種此消彼長的權衡關系。但在2000—2020 年中，所有生態系統服務間均演變為協同關系，這與鄭德鳳等[17]研究結果相似，同時也表明生態恢復政策起到了一定的積極作用。