杜國明, 李全峰, 劉 艷, 賴振博

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 哈爾濱 150030; 2.黑龍江省村鎮(zhèn)發(fā)展研究中心, 哈爾濱 150030)

農(nóng)業(yè)開發(fā)對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響研究
——以三江平原北部地區(qū)為例

杜國明1,2, 李全峰1, 劉 艷1, 賴振博1

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 哈爾濱 150030; 2.黑龍江省村鎮(zhèn)發(fā)展研究中心, 哈爾濱 150030)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是土地系統(tǒng)的重要功能，是構(gòu)建區(qū)域生態(tài)文明的自然基礎(chǔ)。衡量農(nóng)業(yè)開發(fā)對生態(tài)服務(wù)功能的影響，是準(zhǔn)確度量土地利用效益，制定區(qū)際生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)的基本依據(jù)。在對Costanza等提出的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估方法進(jìn)行改進(jìn)后，以貨幣形式評價三江平原北部地區(qū)1954—2009年農(nóng)業(yè)開發(fā)對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值影響。研究表明：(1) 55 a間耕地增加250.86萬hm2，墾殖率由8.31%增至67.26%，土地利用結(jié)構(gòu)由濕地、林地主導(dǎo)逐漸過渡到農(nóng)地為主導(dǎo)類型；(2) 該區(qū)域生態(tài)服務(wù)價值由1954年的1 120.81億元銳減至2009年的390.77億元，損失率為65.13%。其中，濕地的生態(tài)服務(wù)價值損失率為90.26%，農(nóng)地生態(tài)服務(wù)價值增長為原來的8.26倍；(3) 農(nóng)業(yè)開發(fā)使得土地生態(tài)服務(wù)功能內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化；(4) 由于各縣市耕地墾殖狀況及氣候特征的不同，導(dǎo)致生態(tài)服務(wù)功能結(jié)構(gòu)、單位面積的生態(tài)服務(wù)價值及其變化特征存在顯著差異。

生態(tài)系統(tǒng); 服務(wù)價值; 農(nóng)業(yè)開發(fā); 三江平原北部

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是土地系統(tǒng)的重要功能，是構(gòu)建區(qū)域生態(tài)文明的自然基礎(chǔ)[1]。準(zhǔn)確評估區(qū)域土地生態(tài)服務(wù)價值是全面衡量區(qū)域土地利用效益、制定區(qū)際生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)的基本依據(jù)。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指土地系統(tǒng)形成并維持人類賴以生存、發(fā)展的環(huán)境，并直接或間接地提供生產(chǎn)、生活必需品與服務(wù)，包括維持大氣平衡、氣候調(diào)節(jié)、提供食物水源以及生物多樣性的維持等功能[2-4]。持續(xù)的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展改變了陸地表面的土地利用/覆被格局，從而對土地生態(tài)服務(wù)功能產(chǎn)生重大影響[5-6]。1997年，Costanz等提出了全球內(nèi)自然資本與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的關(guān)系[7-8]，引發(fā)國內(nèi)外學(xué)者對于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估的理論以及方法手段的研究熱忱[9-11]。

近300 a來，中國東北部地區(qū)農(nóng)業(yè)開發(fā)強(qiáng)度由西南向東北遞進(jìn)，使得耕地總面積趨向指數(shù)增長形勢[12]；新中國成立以來，農(nóng)業(yè)開發(fā)強(qiáng)度在黑龍江省內(nèi)開發(fā)重點逐漸由松嫩平原向三江平原過渡，三江平原地區(qū)從昔日的北大荒蛻變?yōu)榻袢盏谋贝髠}，為保障國家糧食安全做出了杰出貢獻(xiàn)，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益[13-15]。然而，一直以來，人們對這種大區(qū)域尺度、大規(guī)模、長時間序列的農(nóng)業(yè)開發(fā)所造成的生態(tài)效益變化缺乏深刻認(rèn)識。因此，本文選擇三江平原北部地區(qū)為研究區(qū)，運用地理信息系統(tǒng)(GIS)與遙感(RS)等技術(shù)手段獲取該區(qū)域1954年、1976年、1996年和2009年土地利用數(shù)據(jù)，以生態(tài)服務(wù)價值為表征，在改進(jìn)Costanza提出的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估方法的基礎(chǔ)上，衡量區(qū)域農(nóng)業(yè)開發(fā)對于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響，以期為區(qū)域土地資源的持續(xù)利用提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

三江平原北部地區(qū)，位于黑龍江省東北部，覆蓋撫遠(yuǎn)、寶清、饒河、富錦、友誼、綏濱和同江7個縣(市)，地處45°47′50″—48°27′59″N，131°7′41″—134°45′26″E，土地總面積約為4.24萬km2。三江平原指由黑龍江、松花江、烏蘇里江長期沖積而成的低平原，總體地勢由西南向東北呈下降趨勢，海拔高度40～562 m[13]。境內(nèi)有平原、山地、丘陵等地貌類型，以平原為主。平原內(nèi)廣泛分布有一級階地、高河漫灘和低河漫灘，零散分布有殘丘狀二級階地。該區(qū)域呈溫帶濕潤與半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，年降水量為500～650 mm，由東至西減少；1月平均氣溫為-17.5～-18.5℃，7月平均氣溫為21～22℃，年均氣溫由南至北降低，年無霜期為126～137 d。本區(qū)河流縱比降小，河槽彎曲系數(shù)大。土壤母質(zhì)類型為黏土、亞黏土為主，長期培養(yǎng)成了白漿、草甸、黑土、沼澤以及棕壤等豐富的土壤類型。

新中國成立以來，該區(qū)域經(jīng)歷了4次農(nóng)業(yè)開發(fā)高潮：第一次是20世紀(jì)50年代初，響應(yīng)黨中央在北滿建立糧食工廠的號召，數(shù)十萬轉(zhuǎn)業(yè)官兵轉(zhuǎn)業(yè)至三江平原的墾區(qū)，以機(jī)械、人力、畜力相結(jié)合方式開墾荒地、發(fā)展農(nóng)業(yè)。自然條件以及機(jī)械化水平較低限制了農(nóng)業(yè)開發(fā)速度，第二次指20世紀(jì)60年代初至1977年，大批知識青年融入已實行公社化管理的區(qū)域，墾區(qū)亦于1976年成立黑龍江省國營農(nóng)場總局，再一次促進(jìn)該區(qū)域農(nóng)業(yè)開發(fā)的高潮。第三次為黨的十一屆三中全會以后至1985年，經(jīng)濟(jì)體制的轉(zhuǎn)變，家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制的全面推行，墾區(qū)率先推行傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)型為農(nóng)業(yè)開發(fā)注入新的活力。這一時期，沼澤和沼澤化草甸濕地面積銳減[14]。第四次是從20世紀(jì)80年代中期至今，特別是21世紀(jì)以來，三江平原進(jìn)行農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)，實行“以稻治澇”，水田面積迅猛增加，耕地結(jié)構(gòu)發(fā)生深刻變化[15-16]。經(jīng)過半個多世紀(jì)的持續(xù)開發(fā)，該區(qū)域已經(jīng)成為典型的農(nóng)業(yè)區(qū)域、國家級商品糧基地。至2009年，人均GDP約為11 712元，第一產(chǎn)業(yè)比值是地區(qū)總產(chǎn)值的32.1%，人口密度為38.51人/km2，總?cè)丝诩s為163.3萬人。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 土地利用/覆被動態(tài)數(shù)據(jù)獲取

本研究以中巴資源衛(wèi)星2009年的CCD影像，1996年、1976年Landsat衛(wèi)星的TM、MSS影像，以及1954年繪制的黑龍江省的1∶10萬地形圖為土地利用數(shù)據(jù)源。遙感影像受時間、天氣等因素限制較重，因而盡量選擇該區(qū)域植被長勢較好的5—9月份的少云影像。土地利用數(shù)據(jù)提取過程中以地形圖為基礎(chǔ)對遙感影像進(jìn)行幾何校正，基于耕地、林地、草地、居民點用地、水域、未利用地等解譯標(biāo)志，采用目視解譯法建立不同研究期的土地利用數(shù)據(jù)庫[4,17]。

2.2 土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值核算方法

能量值分析法、系統(tǒng)物質(zhì)量評價法以及系統(tǒng)價值量評價法是目前國內(nèi)外關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估的主流方法[18]。本文采用價值量評價法，對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進(jìn)行貨幣化分析，結(jié)合Costanza提出的評估方法對于研究區(qū)域內(nèi)服務(wù)價值變化估算[19]：

(1)

Costanza所提出的全球生態(tài)系統(tǒng)評估方法用于小區(qū)域范圍時，應(yīng)對其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值表進(jìn)行修正[20]。因此，本研究參考了謝高地提出的中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值量表以及冉圣宏等制定的建設(shè)用地服務(wù)價值量[21-22]?，F(xiàn)實中，生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)服務(wù)功能大小因其地理位置、自然環(huán)境和生物多樣性不同而有所差異。一般來說，生物量越大，生態(tài)服務(wù)功能越強(qiáng)[23]。因此，可參照區(qū)域氣候生產(chǎn)力來修正生態(tài)服務(wù)單價，公式如下：

pkij=(NPPK/NPP0)×Pij

(2)

式中：Pij——i生態(tài)系統(tǒng)的j項服務(wù)功能的平均價值；NPP0——中國氣候生產(chǎn)力均值；NPPk——修正后的研究區(qū)域內(nèi)k縣氣候生產(chǎn)力值；pkij——k縣i類生態(tài)系統(tǒng)j項服務(wù)功能單位面積總價值。

1971年由美國學(xué)者提出的邁阿密模型，利用一定區(qū)域的年均溫度與降水量等數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，引入模型衡量區(qū)域的生物生產(chǎn)力。在邁阿密模型的基礎(chǔ)上運用生物生產(chǎn)力替代生產(chǎn)量，得到下式：

NPPT=3000/(1+e-1.315-0.119t)

(3)

NPPR=3000/(1+e-0.00064r)

(4)

NPPP=min{NPPT，NPPR}

(5)

式中：NPPR，NPPT——通過邁阿密模型為基礎(chǔ)，以年降水量(mm)、年均溫度(℃)為數(shù)據(jù)源所估算氣候生產(chǎn)力值[g/(m2·a)]；依據(jù)Liebig定理擇其最低值為NPP的計算基準(zhǔn)值。

中國氣候生產(chǎn)力的估算選用境內(nèi)700余氣象站1972—2001年間的觀測數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源[24]，引入邁阿密模型計算出中國平均氣候生產(chǎn)力值為1 101.8 g/(m2·a)。考慮通貨膨脹等經(jīng)濟(jì)因素的影響，以2000年作為基準(zhǔn)年修正得出三江平原北部地區(qū)各土地利用類型單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值表，詳見表1。

表1 三江平原北部地區(qū)單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值 元/hm2

3 結(jié)果與分析

3.1 耕地墾殖狀況分析

經(jīng)統(tǒng)計，1954—2009年間三江平原北部耕地面積不斷增加，墾殖率不斷攀升(表2)。其中：1954—1976年耕地面積從34.01萬hm2增至100.47萬hm2，年均增加2.56萬hm2，墾殖率由8.31%增至23.74%，但耕地仍然不是該區(qū)域主要地類；1976—1996年期間，耕地面積增加103.36萬hm2，年均增加5.17萬hm2，墾殖率增至48.09%，耕地已經(jīng)成為該區(qū)域最主要的土地利用類型。1996—2009年期間，耕地面積增加81.22萬hm2，年均增加6.25萬hm2，墾殖率攀升至67.26%。至2009年，該區(qū)域耕地集中連片，耕地已經(jīng)成為該區(qū)域的優(yōu)勢土地利用類型[14]。

表2 三江平原北部耕地面積變化統(tǒng)計

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值量變化

1954—2009年三江平原北部生態(tài)服務(wù)價值變化曲線如圖1所示。該區(qū)域1954年、1976年、1996年和2009年的生態(tài)服務(wù)價值分別為1 120.81億、860.07億、584.69億和390.77億元，55 a間減少730.04億元，損失率為65.13%，年均損失14.61億元。該區(qū)域單位面積的生態(tài)服務(wù)價值由1954年的2.66萬元/hm2減少至2009年的0.93萬元/hm2。顯然，大規(guī)模農(nóng)業(yè)開發(fā)使得研究區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值銳減，生態(tài)服務(wù)功能受到較大影響。

圖1 1954-2009年三江平原北部地區(qū)生態(tài)服務(wù)價值變化

另外，濕地的生態(tài)服務(wù)價值由889.37億元銳減至86.63億元，損失率為90.26%；林地的生態(tài)服務(wù)價值由154.14億元減少至117.26億元，損失率為23.93%；草地的生態(tài)服務(wù)價值由21.56億元減至4.05億元，損失率為81.21%。與此同時，農(nóng)地生態(tài)服務(wù)價值由15.49億元猛增至127.92億元，為原來的8.26倍；建設(shè)用地生態(tài)服務(wù)價值由48萬元增至406萬元，為原來的8.46倍；水域生態(tài)服務(wù)價值由40.25億元增至54.87億元，為原來的1.36倍。即不同地類面積增減的非同步性導(dǎo)致各地類生態(tài)服務(wù)價值增減的非同步性。

3.3 生態(tài)服務(wù)功能價值結(jié)構(gòu)變化

區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)不同服務(wù)功能價值在某一時點的組合結(jié)構(gòu)稱之為生態(tài)服務(wù)功能價值結(jié)構(gòu)。據(jù)統(tǒng)計，1954—2009年，該區(qū)域的氣體調(diào)節(jié)價值由53.73億元減少到30.97億元；氣候調(diào)節(jié)價值由266.65億元銳減到55.64億元；水源涵養(yǎng)價值由263.98億元到74.47億元；土壤形成與保護(hù)價值由60.87億元減少到51.42億元；廢棄物處理價值由290.58億元減少到84.94億元；生物多樣性保護(hù)價值由65.48億元減少到37.67億元；食物生產(chǎn)價值由8.19億元增加到19.75億元；原材料價值由19.72億元減少到15.94億元；景觀美學(xué)價值由91.62億元減少到19.96億元(表3)。

表3 1954-2009年三江平原北部地區(qū)不同服務(wù)功能生態(tài)服務(wù)價值變化 億元

由于各項生態(tài)服務(wù)功能價值變化的非同步性，導(dǎo)致該區(qū)域不同時期生態(tài)服務(wù)功能價值的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比例發(fā)生變化，如圖2所示：有5項生態(tài)服務(wù)功能價值比例提升，分別是氣體調(diào)節(jié)、土壤生成與保護(hù)、生物多樣性保護(hù)、食物生產(chǎn)和原材料功能，各自分別由4.97%升至7.93%、由5.43%升至13.16%、由5.84%升至9.64%、由0.73%升至5.05%以及由1.76%升至4.08%。其余4項生態(tài)服務(wù)功能價值比例均有所下降，其中氣候調(diào)節(jié)功能由23.79%降至14.24%，水源涵養(yǎng)功能由23.55%降至19.06%，廢棄物處理功能由25.93%降至21.74%，景觀美學(xué)功能由8.18%降至5.11%。顯然，該區(qū)域大規(guī)模農(nóng)業(yè)開發(fā)致使土地利用結(jié)構(gòu)變化，并進(jìn)一步致使不同生態(tài)服務(wù)功能價值的數(shù)量與結(jié)構(gòu)發(fā)生深刻變化。

圖2 1954-2009年三江平原北部地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值與結(jié)構(gòu)

3.4生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化的區(qū)域差異

各縣市不同年份的生態(tài)服務(wù)價值總量均呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，如圖3所示。就1954—2009年生態(tài)服務(wù)價值損失率而言，友誼縣最高，達(dá)80.51%；富錦市和同江市緊隨其后，損失率分別為74.55%和74.45%；撫遠(yuǎn)縣和綏濱縣損失率也在六成以上，分別是67.17%和60.73%；損失率較低的寶清與饒河縣也分別達(dá)到51.46%和48.91%，損失近半。比較發(fā)現(xiàn)，由于各縣市土地利用結(jié)構(gòu)變化及氣候特征的不同，導(dǎo)致各縣市生態(tài)服務(wù)功能結(jié)構(gòu)、單位面積的生態(tài)服務(wù)價值及其變化特征存在顯著差異。各縣市生態(tài)服務(wù)價值損失率的高低與新增耕地率成正比，如新增耕地率最高的友誼縣生態(tài)服務(wù)價值損失率最高，而山區(qū)面積相對較多、新增耕地率較低的寶清縣和饒河縣生態(tài)服務(wù)價值損失率較低。

另外，濕地、林地減少比率較多的縣市生態(tài)服務(wù)功能結(jié)構(gòu)變化更顯著。如富錦市、同江市和撫遠(yuǎn)縣的氣候調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)和廢棄物處理功能價值所占比例大幅降低，而食物生產(chǎn)和原材料功能價值所占比例則快速上升。

4 結(jié)論與討論

(1) 引入邁阿密模型對中國平均及研究區(qū)各縣的氣候生產(chǎn)力進(jìn)行評估，進(jìn)而對謝高地提出的中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值量表以及冉圣宏等制定的建設(shè)用地服務(wù)價值量進(jìn)行修正，可以得到更符合研究區(qū)各縣實際的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值量。

(2) 1954—2009年，三江平原北部地區(qū)在大規(guī)模農(nóng)業(yè)開發(fā)的促動下，墾殖率迅猛攀升，土地利用結(jié)構(gòu)由濕地、林地主導(dǎo)逐漸過渡到農(nóng)地為主導(dǎo)類型。從而導(dǎo)致該區(qū)域生態(tài)服務(wù)價值由1954年的1 120.81億元銳減至2009年的390.77億元，損失率為65.13%，年均損失14.61億元。

(3) 以耕地墾殖為主導(dǎo)的土地利用結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)各項功能價值的數(shù)量與比例發(fā)生深刻變化。包括氣候調(diào)節(jié)、氣體調(diào)節(jié)、土壤形成與保護(hù)、水源涵養(yǎng)、廢物處理、生物多樣性保護(hù)、原材料與景觀美學(xué)功能價值均有所降低，僅有食物生產(chǎn)功能價值有所提升。氣體調(diào)節(jié)、土壤生成與保護(hù)、生物多樣性保護(hù)、食物生產(chǎn)和原材料功能的服務(wù)價值在總服務(wù)價值中的比例則有所提升。

圖3 1954-2009年各市縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值變化

(4) 由于各縣市耕地墾殖及氣候特征的不同，導(dǎo)致各縣市生態(tài)服務(wù)功能結(jié)構(gòu)、單位面積的生態(tài)服務(wù)價值及其變化特征存在顯著差異。各縣市生態(tài)服務(wù)價值損失率的高低與新增耕地率成正比。而對于濕地、林地減少比率較多的縣市，其生態(tài)服務(wù)功能結(jié)構(gòu)變化更為顯著。

該區(qū)域大規(guī)模農(nóng)業(yè)開發(fā)致使耕地面積不斷增加、墾殖率不斷攀升，使得該區(qū)域成為重要的國家級商品糧基地，有力保障了國家的糧食安全，產(chǎn)生了大量的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。同時，也導(dǎo)致了生態(tài)服務(wù)價值銳減、生態(tài)服務(wù)功能結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，嚴(yán)重?fù)p害了土地利用的生態(tài)效益。因此，應(yīng)參考該區(qū)域生態(tài)服務(wù)價值損失率對該區(qū)域進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)償，以促進(jìn)該區(qū)域土地資源的可持續(xù)利用。

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EffectofAgriculturalDevelopmentonChangesinRegionalEcosystemServiceFunction—TakingNorthernPartoftheSanjiangPlainastheExample

DU Guo-ming1,2, LI Quan-feng1, LIU Yan1, LAI Zhen-bo1

(1.CollegeofResourcesandEnvironment,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China;2.DevelopmentResearchCenterforTownsandVillagesinHeilongjiangProvince,Harbin150030,China)

Ecosystem service is an important function of the land system, and is the natural foundation construction of regional ecological civilization. Measuring the land ecosystem service function is a fundamental basis for the accurate measurement of land use efficiency and determining regional eco-compensation standards. Based on the ecosystem service evaluation method proposed by Costanza etc, this paper evaluates effects of agricultural development on ecosystem service value in the north Sanjiang Plain from 1954 to 2009. The results shows that: (1) the farmland in the north Sanjiang Plain increased by 2.508 6 million hectares in those 55 years. The reclamation rate increased from 8.31% to 67.26%. The land use structure has changed from woodland and wetland-dominatded into farmland-dominatded; (2) the regional ecosystem service value reduced from 112.081 billion Yuan in 1954 to 39.077 billion Yuan in 2009. The loss rate was 65.13%. Among them, the loss rate of ecosystem service value of wetlands was 90.26%, while farmland′s ecosystem service value increased 8.26 times; (3) agricultural development changed structure of land ecosystem service functions; (4) due to the different land reclamation and climate characteristics in each county, there were significant differences in ecosystem service functional structure, ecosystem service value per unit area and their changing characteristics among these counties.

ecosystem; service value; agricultural development; the north Sanjiang Plain

2013-09-28

：2013-10-14

黑龍江省普通高等學(xué)校青年學(xué)術(shù)骨干支持計劃項目(1252G012)

杜國明(1978—),男,內(nèi)蒙古寧城縣人,博士,副教授,主要研究方向為土地利用與人地關(guān)系。E-mail:nmgdgm@126.com

F301.24

：A

：1005-3409(2014)03-0261-06