于 媛, 李明玉, 韓旭龍, 劉 暉

(延邊大學 地理與海洋科學學院, 吉林 延吉 133002)

生態(tài)系統服務意指生態(tài)系統形成的維持人類生存發(fā)展的環(huán)境條件及效用[1]，也泛指人類直接或間接從生態(tài)系統中所得到的各種收益[2]。其價值變化的實質便是景觀格局動態(tài)變化的具體體現[3]。景觀格局已日漸成為土地利用變化研究的重要分析手段[4]，其變化對景觀中的物質循環(huán)、能量流動等都有著一定影響[5]。基于此，探究區(qū)域景觀格局與生態(tài)系統服務價值間的關系有助于明確兩者間的響應關系，對完善區(qū)域土地資源優(yōu)化利用及構建健康穩(wěn)定的景觀生態(tài)系統有著一定的現實意義。

近些年來，越來越多的研究人員開始利用景觀格局指數來探究景觀格局演變對生態(tài)系統服務價值的影響。在區(qū)域選擇上，已有研究多集中于經濟快速發(fā)展區(qū)域，如鄒月等[6]闡述了西安市2000—2015年景觀格局演變對生態(tài)系統服務價值的影響;吳嬌等[7]以三峽庫區(qū)(重慶段)為例，重點分析了2000—2015年4種景觀格局對生態(tài)系統服務價值的影響機理；虎陳霞等[8]以處于長三角腹心地帶的嘉興市作為研究區(qū)，剖析該市1979—2012年景觀格局變化與生態(tài)系統服務價值變化間的響應。但將土地利用景觀格局變化對生態(tài)系統服務價值的響應應用到邊境地區(qū)鮮有報道。相較于經濟快速發(fā)展地區(qū)中復雜的政府政策和土地利用變化，少數民族等邊境地區(qū)的研究更容易發(fā)現其中的響應機理。

延邊州地處中朝俄三國交界中心，是我國對外開放的窗口，其生態(tài)地位尤為顯著。本研究參照Costanza[2]、謝高地等[9-12]提出的關于生態(tài)服務價值的計算方法，依托土地利用數據，運用ArcGIS 10.3，Fragstats4.2及SPSS等軟件進行相關分析，采用空間格局指數方法，結合相關性及敏感度分析，對延邊州的土地利用景觀格局變化與生態(tài)系統服務價值間的響應進行研究，旨為邊境地區(qū)在制定土地利用規(guī)劃與生態(tài)保護政策時提供一定的科學依據。

1 研究區(qū)域與數據來源

1.1 研究區(qū)概況

延邊朝鮮族自治州處在吉林省東部，是中朝俄三國交界的中心且相鄰日本海。該區(qū)由8個縣市(安圖、敦化、和龍、琿春、龍井、圖們、汪清、延吉)組成，轄區(qū)面積共4.32萬km2。整體地勢呈西部高東部低分布，自西南、西北、東北向東南方向傾斜，以琿春一帶為最低。2016年末，全州總人口約212.0萬人，朝鮮族占比35.8%；全州2016年全年GDP達915.1億元，農業(yè)生產總產值達80億元。處于中溫帶濕潤季風氣候區(qū)，年平均降水達400～650 mm，年平均氣溫為2～6℃，結冰期在10月中下旬，化凍期在3月中下旬。冷熱分明的溫帶季風氣候使延邊州盛產水稻、玉米和大豆等農作物。

1.2 數據來源及處理

本研究以Landsat TM/OLI影像(http:∥www.gscloud.cn)為基準提取延邊朝鮮族自治州1996年、2006年、2016年3期土地覆蓋數據。輔助數據以來源于1997—2017年的《全國農產品成本收益統計資料匯編》、《吉林統計年鑒》、《延邊統計年鑒》及國家統計局等網站為主的社會經濟數據。

本研究首先對遙感數據進行大氣校正、幾何精校正、圖像增強、拼接和裁剪等影像預處理。參考Wang等[13]的分類方法，結合研究區(qū)實際情況，將延邊朝鮮族自治州土地利用數據共分為未利用地、耕地、林地、草地、建設用地、水域6個一級類。應用eCognition軟件進行面向對象的多尺度分割；基于數字高程模型(DEM)和大量的野外驗證點，以監(jiān)督分類、決策樹分類、目視解譯3種方法相結合開展不同土地利用信息的提取，以獲取研究區(qū)不同時期土地利用的空間分布數據[14]。并通過野外實地調研將解譯結果進行驗證，3期影像的解譯精度均達到90%以上，滿足研究需求(圖1)。

2 研究方法

2.1 景觀格局指數分析

景觀格局作為景觀生態(tài)學的研究范疇之一，同時也是景觀異質性的詳盡表達。景觀指數指的是可以高度濃縮景觀格局信息，表示其組成部分及空間配置等某些特征的簡單定量指標[15]。因此，結合延邊州獨特的自然地理環(huán)境及區(qū)位條件，以Fragstats 4.2軟件為支撐，在參考前人研究的基礎上[16-18]，共選取7個景觀格局指數。分別是斑塊個數、斑塊密度、最大斑塊指數、景觀形狀指數、聚集度指數、蔓延度指數、香濃多樣性指數。

2.2 生態(tài)系統服務價值評估

2.2.1 生態(tài)系統服務價值評估指標確定 土地利用對生態(tài)系統服務的影響，主要表現為生態(tài)系統服務價值量的變化。土地利用的變化過程對各景觀生態(tài)系統的類型及空間布局都產生一定影響，致使生態(tài)系統中的物質循環(huán)及能量流動等過程發(fā)生相應改變。因此，本研究以延邊朝鮮族自治州土地利用景觀格局的變化作為切入點，對其生態(tài)系統服務的價值響應做出具體研究。本研究主要對生態(tài)系統服務中的食物生產、原料生產、水資源供給等11類生態(tài)系統服務價值進行測算。

根據國家土地分類標準和延邊朝鮮族自治州的地形地貌、土壤特征等將延邊朝鮮族自治州土地利用類型劃分林地、草地、水域、建設用地、未利用地、耕地6種，并由此確定符合延邊朝鮮族自治州當地情況的生態(tài)系統服務價值當量表。其中，林地取針葉林、闊葉林、針闊混交林三者均值；草地取草原、灌草叢、草甸三者均值；水域對應水系；建設用地的單位面積當量系數取值為0；未利用地取荒漠和裸地二者均值；耕地的單位面積當量系數根據本地的旱地和水田進行適當校正，取水田和旱地的均值。

2.2.2 生態(tài)系統服務價值的估算方法 我國學者謝高地等參照Costanza的研究，制訂了契合我國實際的“中國陸地生態(tài)系統服務價值當量因子表”[12]。定義為：1個生態(tài)服務價值當量因子的經濟價值量相當于研究區(qū)本年度平均糧食單產市場價值的1/7[9]，為除去各年份間農作物價格波動對總價值量的影響，選取延邊朝鮮族自治州1996—2016年間3種主要農作物(水稻、玉米和大豆)的播種面積、產量以及20年間農作物的平均價格作為基礎數據。公式如下：

(1)

式中：En為延邊州單位面積下農田生態(tài)系統提供食物生產能力的經濟價值(元/hm2)；i為作物類別；oi為第i種糧食作物面積(hm2)；pi為第i種糧食作物單產(kg/hm2)；qi為第i種糧食作物的平均價格(元/kg)；M為3種糧食作物總面積。

研究區(qū)的主要糧食作物有水稻、玉米和大豆，本研究以1996—2016年的年平均產量(3 973.48 kg/hm2)為基準單產，糧食價格按3種農產品的平均價格(2.23元/kg)計算，根據公式(1) 可以計算出延邊朝鮮族自治州單位面積的耕地自然糧食產量的經濟價值約為1 265.84元/hm2，由此確定研究區(qū)不同土地利用類型單位面積生態(tài)價值系數。在此基礎上，擬合謝高地等于2015年制定的“中國生態(tài)系統服務價值當量表”[12]，根據延邊州的具體情況，結合生物量修訂公式[10]，進一步修訂該區(qū)域的生態(tài)系統服務價值當量表，得到單位面積下延邊的生態(tài)服務功能價值表(表1)。

表1 延邊朝鮮族自治州單位面積生態(tài)系統服務價值 元/(hm2·a)

利用Costanza等制定的生態(tài)系統服務價值公式，可以得出延邊朝鮮族自治州的生態(tài)系統服務價值量，公式如下：

ESV=∑Ai×VCi

(2)

ESVf=∑Aif×VCif

(3)

式中：ESV指區(qū)域生態(tài)系統服務總價值(元)；Ai指第i種景觀類型的面積(hm2)；VCi指第i種景觀類型的價值系數[(元/hm2·a)]；ESVf指單項生態(tài)系統服務價值(元)；VCif指單項服務價值系數[(元/hm2·a)]。

2.2.3 生態(tài)系統價值的敏感性計算 為了驗證延邊州生態(tài)系統服務價值系數的精確性，本研究引用生態(tài)系統價值敏感性指數[19]，用以測度隨著時間變化ESV對VC變化的倚賴程度，即VC每變動1%后相應ESV變化情況。其方法為將各類景觀的VC上下變動50%，用來驗證ESV彈性系數的變化情況；如CS>1，說明對于VC，估算的ESV是有彈性的，準確度較低；如CS<1，認為ESV是缺乏彈性的，說明VC的準確性較高，對ESV的估算越準確。公式如下：

(4)

式中：ESV指區(qū)域單元內生態(tài)系統服務總價值(元)；VCi指生態(tài)系統單位面積下的服務價值[元/(hm2·a)]；y和x指調整前后的價值。

3 結果與分析

3.1 景觀格局變化分析

3.1.1 景觀面積變化分析 延邊州的基質景觀為林地，3個時段占總面積的比例為85.48%，83.62%，83.67%(表2)。20 a間延邊朝鮮族自治州的景觀面積發(fā)生了很大變化，其中，耕地、草地、建設用地分別增長371.57 km2，291.69 km2，235.23 km2，草地面積增長率最快，動態(tài)度為3.63%；林地和水域分別減少780.60 km2，118.95 km2，其中水域面積減少率最快，動態(tài)度為-0.96%。

結合延邊朝鮮族自治州轉移矩陣分析(表3)可以看出：1996—2016年延邊州最明顯的景觀變化類型是林地與耕地和草地間的相互轉化。這可能是因為延邊州在2006年之前大力發(fā)展農牧業(yè)，導致了大面積的林地轉化成了耕地和草地，而在2006年后開始實行退耕還林政策，將易導致生態(tài)破壞的坡耕地等，有籌劃、分階段的停止耕種，因時、因地開展植樹造林工程，恢復森林生態(tài)系統。同時，隨著城鎮(zhèn)化進程不斷加速的影響，耕地、林地景觀向水域和建設用地景觀發(fā)生了較大面積的轉化，尤其是城鎮(zhèn)化進程中，建設用地占用的往往是城郊生產條件好的高質量耕地。

表3 1996-2016年延邊朝鮮族自治州景觀面積轉移矩陣 km2

3.1.2 景觀指數變化分析 1996—2016年延邊朝鮮族自治州斑塊個數由19 620增加至79 923，斑塊密度由0.45增加至1.85，香濃多樣性指數由1.54增加至1.64(表4)，表明20 a間延邊州的景觀破碎化程度日益加重，異質性顯著增高，斑塊類型愈加趨向均勻分布；最大斑塊指數先減后增，說明20 a來研究區(qū)的優(yōu)勢景觀類型已經發(fā)生了變動；景觀形狀指數由83.42增高到126.76，說明人類活動干預將景觀形狀改造趨于離散；景觀蔓延度指數由81.29減少至78.28，聚集度指數由97.65減少至94.40，說明不同斑塊類型間的聚集度在減少，空間分布逐漸趨向分散，景觀的異質性略有增強?？傮w而言，在人類活動的影響下，20 a間延邊州的景觀異質性逐漸增高，同種類型斑塊間的集中度逐漸降低，破碎化程度日漸加劇。

表4 1996-2016年延邊朝鮮族自治州景觀指數變化

3.2 生態(tài)系統服務價值變化分析

3.2.1 生態(tài)系統服務價值時間變化

(1) 總體生態(tài)系統服務價值變化?？傮w來看，1996—2016年延邊朝鮮族自治州的生態(tài)系統服務總量呈下降趨勢，1996年為1 117.24億元，2006年為1 080.68億元，2016年為1 083.74億元。20 a間減少了33.49億元，減少率為-3.00%(表5)。其中，20 a間林地所提供的服務價值分別為990.32億元、968.77億元、969.39億元，其次為水域，分別為98.00億元、76.07億元79.08億元。1996—2006年各景觀類型的生態(tài)系統服務價值變化幅度均大于2006—2016年，表明延邊州1996—2006年生態(tài)系統服務價值衰退率高于2006—2016年的增長率。

表5 延邊朝鮮族自治州生態(tài)系統服務價值(ESV)變化

(2) 單項生態(tài)系統功能價值變化。由表6可知，研究區(qū)1996—2016年單項生態(tài)系統服務價值同上述年際變化特征表現為先減少后增加。各單項生態(tài)系統服務功能對延邊州生態(tài)系統服務價值的貢獻價值率位居前3位的是氣候調節(jié)、水文調節(jié)和土壤保持。其中，減值最多的是水文調節(jié)，其次為氣候調節(jié)，各減少17.48億元和5.05億元。僅有食物生產增加0.19億元。同時各單項生態(tài)系統服務價值下降速度與景觀指數中最大斑塊指數、蔓延度與聚集度保持一致，說明大面積林地及水域的破壞，加速了生態(tài)系統的破碎化，降低了區(qū)域生態(tài)服務功能。

表6 延邊朝鮮族自治州單項生態(tài)系統功能價值(ESV)變化

3.2.2 生態(tài)系統服務價值空間變化 研究區(qū)的生態(tài)系統服務價值總量隨著時間的推移呈降低趨勢，但總量的變化并不能表示空間上的變化，因此，從縣市級別上來分析空間上的變化?？紤]到延邊州各縣市面積差異較大，從單位面積/(hm2)生態(tài)系統服務價值角度來解析各縣市生態(tài)系統服務價值在空間上的變化(表7)。其中，琿春市的單位面積生態(tài)系統服務價值居首位，1996—2016年的均超過26 500元/hm2，龍井市最低，在23 000元/hm2上下浮動。把ESV(元/hm2)變化分為3個類型，即I類型為逐年減少型，Ⅱ類型為先增后減型，Ⅲ類型為先減后增型，則延邊州有4個縣市為I型，1個縣市為Ⅱ型，3個縣市為Ⅲ型，可見延邊州大部分縣市的生態(tài)環(huán)境還未得到改善。

表7 各縣市生態(tài)系統服務價值及其變化類型 元/hm2

從空間分布來看(圖2)，2006—2016年的ESV(元/hm2)較好于1996—2006年，說明后10 a間各縣市對生態(tài)環(huán)境保護意識逐漸增強。其中在2006—2016年東南部的龍井市增加量最多超過了1 000元/hm2，其次為西南部安圖縣增加量介于0～500元/hm2。但由于在1996—2006年除東北部汪清縣外各縣市減少量介于2 500元/hm2至0元/hm2，致使20 a來除汪清縣外各縣市ESV均呈降低趨勢。

圖2 延邊朝鮮族自治州各縣市ESV變化空間分布

3.2.3 生態(tài)系統服務價值的敏感性分析 通過公式(4)計算得出，1996—2016年在對延邊州各土地利用類型的生態(tài)價值系數±50%后，3個年份的敏感性指數均小于1。說明修正后的生態(tài)系統價值系數適用于延邊朝鮮族自治州。其中，林地的CS最高，說明林地的VC每增加1%，其ESV增加88.6%～89.6%。由此說明延邊朝鮮族自治州林地價值在生態(tài)系統服務價值中占有極高的重要性(表8)。

表8 1996-2016年延邊州生態(tài)系統服務價值敏感性指數變化

3.3 景觀格局指數與生態(tài)系統服務價值的相關性分析

不同的景觀格局指數對各類生態(tài)系統服務價值產生的影響也是有差別的。由表9可以看出，總的ESV與最大斑塊指數、聚集度指數及蔓延度指數呈正相關，與斑塊個數、斑塊密度、香濃多樣性指數及景觀形狀指數呈負相關。說明同類型斑塊面積小、保存不完整、形狀復雜、分布分散，也就表明隨著破碎化的增加，容易致使生態(tài)系統服務價值的日漸減少，而優(yōu)勢景觀類型斑塊面積的增多，以及各類型斑塊的聚集化發(fā)展會促使區(qū)域生態(tài)系統服務價值量的增加。

表9 景觀格局指數與生態(tài)系統服務價值的相關性分析

4 討論與結論

4.1 結 論

本研究基于三期遙感影像展開了對邊境地區(qū)景觀格局變化及其與生態(tài)系統服務價值間的響應進行相關分析，中間跨度20 a時間，同時研究尺度較小，能夠一定程度上展現景觀格局與生態(tài)系統服務價值間的響應機理，從中找到了影響延邊州生態(tài)系統服務價值變化的主要景觀類型及相關格局指數，結果表明：

(1) 延邊州的基質景觀是林地，1996—2016年，耕地、草地、建設用地及未利用地的景觀面積均在增加，林地及水域反之。景觀面積轉移主要表現為林地、耕地和草地間的轉換。20 a間延邊朝鮮族自治州景觀異質性逐漸增高，同種類型的斑塊集中度降低，破碎化程度日漸加劇，各景觀類型逐漸向均勻分布方向發(fā)展。

(2) 延邊州的生態(tài)系統服務價值總量呈下降趨勢，20 a間減少了33.49億元，減少率為-3.00%，生態(tài)服務功能降低，其中僅食物生產增加0.19億元；就空間變化而言，2006—2016年的ESV(元/hm2)較好于1996—2006年、20 a來僅東北部汪清縣的ESV一直呈上升趨勢。

(3) 延邊州各單項生態(tài)系統服務價值的變化與最大斑塊指數、聚集度和蔓延度指數呈顯著正相關，與斑塊個數、斑塊密度、景觀形狀指數、香濃多樣性指數呈負相關。城市建設用地的日漸擴張、縱橫交錯的路網使各類景觀都被嚴重分割，致使林地和水域等的貢獻率日漸減少，最終造成區(qū)域內生態(tài)系統服務價值總量的不斷降低。

4.2 討 論

(1) 本研究依照生態(tài)學及地理學等相關理論，對延邊朝鮮族自治州的景觀格局與生態(tài)系統服務價值的變化進行相應研究，研究表明景觀格局在變化過程中都會影響到生態(tài)系統內部結構等，最終致使生態(tài)系統服務價值量發(fā)生改變。已有研究在對生態(tài)服務價值進行估算時，多數學者采用謝高地等[12]提出的單位面積價值當量因子法,但在研究過程中，因區(qū)域尺度上的縮小，經濟水平及農作物生產量的改變，需要對其進行初步的修正。由于遙感數據精度的限制，未能更深入研究二級景觀類型，且本研究未考慮自然地理因素以及社會人文因素對區(qū)域生態(tài)服務價值的影響，在今后的研究中需進一步探究。

(2) 景觀格局對生態(tài)系統服務價值的影響具有一定的地域特色。在不同時期、不同地域、不同景觀類型中的生態(tài)系統服務價值對景觀格局指數響應的程度也不盡相同。如：劉焱序等[20]在秦嶺山區(qū)的研究表明，聚集度的升高及景觀分離度的下降會促使生態(tài)系統服務價值量的增大；岑曉騰等[21]在杭州灣南岸區(qū)域的研究表明，提升分散度指數及生物多樣性有助于整體生態(tài)系統服務價值增大。隨著經濟社會的發(fā)展，大面積林地及水域的破壞，致使延邊州的生態(tài)環(huán)境還未得到較大改善，盡管在2006—2016年受林地的影響，最大斑塊指數有小幅度上升，但延邊州的整體生態(tài)環(huán)境問題還很嚴峻，亟待從生態(tài)管制的角度出發(fā)，通過政策約束和經濟調整以增加可提供高生態(tài)服務價值的林地、水域等景觀面積比例，建構科學完善的農業(yè)發(fā)展格局，降低景觀破碎度，以進一步提升土地利用效率，在發(fā)展經濟的同時，提高各市域的生態(tài)服務價值，從而更好地支撐延邊州可持續(xù)發(fā)展，實現人與自然的和諧相處。