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农田—湿地区域景观动态及其对生态系统服务功能的影响
 
http://www.aaart.com.cn/cn/theory 2007-4-9 8:46:58 来源:景观中国 作者:李方 张柏 张树清 王宗明 宋开山
 


     














摘 要:利用覆盖穆棱—兴凯流域范围的50年代1∶10万地形图以及1980年Landsat MSS 影像和2000年Landsat TM影像,分别通过数字化和人工交互遥感解译获得研究区1954年、1980年和2000年的景观格局分布图。参照国家通用的土地利用分类系统,根据研究区具体情况,将研究区域景观分为8种主要类型,分别为旱田、水田、湿地、森林、草地、水域、城乡居民地和未利用地。考虑农田—湿地区域的具体情况,利用中国陆地生态系统服务单位面积价值作为基础来计算生成生态系统服务价值表,利用Constanza 的生态系统服务价值评价方法,得到不同时间点的区域生态系统服务价值及其构成。结果表明:作为三江平原的重要组成部分,穆棱—兴凯流域在过去50年亦经历了剧烈的湿地农田化过程。其中1954~1980年这一时段是区域景观格局变化最为剧烈时期。在50年间,自然景观面积迅速缩减,大面积的农田取而代之。生态系统服务总价值在近50年间减少超过25 % ,约254.92亿元/ a。由于湿地等自然景观的大量减少,气候调节功能、水源涵养功能和废物处理功能明显下降,减少的价值量分别为75.71亿元/ a、71.74亿元/a和65.44亿元/ a。农田的面积持续增加加强了区域的食物生产功能,近50年增加的价值量为4.02亿元/ a。
关键字农田湿地景观动态生态系统服务


  生态系统服务是指生态系统与生态过程所形成及所维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用,现代研究证明生态系统服务是人类生存与现代文明的基础[1 - 7]。近几个世纪以来,人们干预自然的能力不断增强,森林开发、湿地开发、生物资源的开发利用,以及土地利用方式的改变,自然生态系统面积减少,受人控制的生态系统面积迅速增加[2,7 ,9]。全球生态系统格局的这种变化大大削弱了生态系统服务功能,从而导致了全球性的生态环境危机,使人类未来的发展受到威胁[7]。因此,从这个角度理解可持续发展的核心就是要通过维持和保护生态系统保护人类的生存环境,保护地球生命支持系统,维持一个可持续的生物圈[5],研究景观格局动态情况下的生态系统服务的变化能为可持续发展提供重要依据,具有重要意义。

  穆棱—兴凯流域处于中国、俄罗斯交界处,是三江平原的重要组成部分,区内湿地分布广泛,自20 世纪中叶开始,沼泽湿地资源的数量和质量因农业开发而急剧下降,区域生态环境发生了巨大的变化。通过生态系统服务价值来分析区域景观格局动态引起的生态系统服务的变化,并据此提出区域可持续发展的策略。

  1 研究区概况

  研究区位于东经131°12′~ 133°59′,北纬44°59′~46°36′之间,北倚完达山,东以乌苏里江、松阿察河,南以兴凯湖、白翎河及陆地边界与俄罗斯相邻;囊括黑龙江的虎林和密山两县,总面积约为17000km2。全区海拔在30m~823m,总的地势西北高、东南低,地势开阔平坦。区内水系发达,主要河流有乌苏里江、穆棱河、松阿察河、七虎林河、阿布沁河、挠力河和大小兴凯湖。气候属寒温带湿润大陆性季风气候:冬季漫长、夏季温热湿润、春季风大、秋季短暂;年降雨量500mm~600mm,雨量集中夏季,约占50 %~60 %。年平均气温2.1 ℃~3.5 ℃;全年日照2000h~2500h。土壤类型较多,其中白浆土分布最广,占总面积40 %以上。复杂的地理背景使研究区拥有森林、草地、沼泽湿地等多样的自然生态系统。研究区农业发展迅速,半个多世纪农垦活动主要围绕湿地资源进行,全区的景观动态主要表现为湿地—农田的互动,在整个三江平原具有代表性。

  2 研究方法

  2.1 景观格局动态数据获取方法

  采用的基本数据是覆盖流域范围的20世纪50年代1∶10万地形图以及1980年Landsat MSS 影像和2000年Landsat TM影像。将MSS和TM数据进行纠正;与1∶10万地形图进行配准,根据三江平原沼泽湿地和相关的土地覆盖类型影像特征建立解译标志,以及地形图的图例说明为依据;在Arc/ View GIS 3.2环境下,对遥感影像和地形图分别进行人机交互式判读解译和土地利用信息提取;进行外业精度调查验证;将所得数据在GIS软件Arc/ Info8.1环境下进行编辑和修改,得到1954年、1980年和2000年的土地利用数据。参照国家通用的土地利用分类系统[9 ,10] ,根据研究区具体情况,将研究区域景观分为8种主要类型,分别是湿地、旱田、水田、森林、草地、水域、城乡居民地和未利用地。其中未利用地包括裸地、盐碱地以及其他难利用的土地。

  2.2 景观格局动态分析方法

  土地利用类型动态度( K) 指的是某研究区一定时间范围内某种土地利用类型的数量变化情况。
  K =Ub – UaT (1)
  式中: Ua 、Ub 分别为研究初期及研究末期某一种土地利用类型的数量; T为研究时段,当T的时段设定为年时,K值就是该研究区某种土地利用类型年变化率。
  
  景观偏离度是指人类造成的人文景观对自然景观的偏离程度。景观偏离度= (各种建设用地+ 人工水域+ 耕地+ 园地+ 人工林地+ 人工草地) / 土地总面积。

  2.3 生态系统服务评价方法

  人类从20 世纪70年代就开始了对生态系统服务及其价值的研究,由于地球生态系统提供的服务绝大部分价值难以准确计量,以及缺乏相应的价值评估理论与方法体系而进展缓慢。1997年Costanza等人将全球生态系统划分为16大类26小类;将生态系统服务功能划分为17种功能,并以此为基础对全球生态系统的服务价值进行了估算[1]。其研究成果使生态系统服务价值评估的原理与方法从科学意义上得以明确。根据中国的实际情况,谢高地等人参考Constanza 的研究成果,通过概括综合制定了中国陆地生态系统单位面积生态服务价值表,计算出全国不同陆地生态系统服务价值总和为56 017.3亿元,并在青藏高原生态系统服务价值的估算中得到了应用[3]。

  应该指出,目前的估价方法受时间、地点、研究对象的尺度等众多因素的影响和制约,并且过多地依赖经济学理论,而缺乏对生态系统自身规律的分析,因此估价方法还不完善,估价的结果也不够准确。但是将这些估价方法和估价结果应用到实际的工作中也是有可能的,而且也是有意义的[5 ,6]。比如,对于一个地方或国家的生态资产进行连续估价,尽管结果不准确,但由于采用同样的方法,不同时间的价值变化趋势还是具有可比性的,这在一定程度上也能说明该地区生态资产的变化状况以及存在的问题,从而为生态建设、环境保护、土地持续利用与管理等提供参考[5]。

  生态系统服务价值的计算公式为:
  V = Σni = 1Pi ×Ai (2)
  式中::V 为研究区生态系统服务总价值,元;;Pi为单位面积上土地利用类型i的生态系统服务总价值,元/ hm2;;Ai为研究区内土地利用类型i的分布面积,hm2。

  考虑到穆棱—兴凯流域的具体情况,以中国陆地生态系统服务单位面积价值作为基础来计算本区生态系统服务价值。

  在现有的众多评价体系中,水田和旱地均被视为耕地作为一类进行价值评价。但是,由于耕作方式、作物类型等诸多差异,它们实际的服务功能存在较大的差异。因此,参照前人确定的耕地(旱田) 、草地、湿地、森林及水体的单位面积价值,通过修正来确定水田的单位面积生态系统服务价值。调整方案如下:水田素有“人工湿地”之称,其水分、土壤及局部小气候与湿地相似[8],因此,水田的气体调节、气候调节、水源涵养和土壤形成与保护等单位价值取旱田和湿地相应服务的平均值和森林相应服务中的最小值;水田多处于水域旱田过度地带,兼具农田、湿地及水体3 种生态系统特点,其生物多样性保护功能优于旱田、取旱田、湿地及水体生物多样性保护价值的平均值为水田的该项服务价值;根据研究区多年粮食单产情况,稻田的单位产量与所有耕地单位产量之比约为1.5∶1,因此以旱田食物生产价值的1.5倍作为水田的相应价值的估计;水田的废物处理、原材料及娱乐休闲等价值与旱田差异不甚明显,此处暂以旱田的相应服务价值代替。据此可得调整的水田单位面积服务价值。对不同农田系统服务价值进行客观评价,对于准确评价区域生态系统服务价值有重要意义,上述定性及定量的分析对水田的各种服务价值进行的估计均比较保守,还有待进一步研究和改进。该评价体系可体现农田系统中水田与旱地差异,适用于研究区域生态系统服务动态研究。

  3 结果与分析

  3.1 研究区景观格局动态

  研究区各种景观类型的面积、变化率及动态度。1954~1980年除湿地、森林和水域减少外,其余景观类型面积均增加。湿地、森林面积减少最多,分别为442649 hm2和65928 hm2,水域变化率很小。旱田面积增加最多,为335411 hm2;水田增幅最大,增加率为725.16 %;城乡居民地面积增加率达259.67 %;草地面积增加率为16.22%;其他类型的增加面积较小,但是增加幅度却达到240 %。

  1980~2000年湿地和森林继续减少,草地面积也大幅度减少,其余景观面积继续增加。草地面积减幅最大,面积减少135143 hm2;其次依次为湿地和森林,减少面积分别为47252hm2和11554 hm2。旱田增加面积最多,为130595 hm2;其次为水田,增加面积62040 hm2;城乡居民地和水体面积亦有所增加;其他难利用地增加面积虽小,增加率却高达776.47 %。

  比较1954~1980年和1980~2000年两个时段,前者是区域景观变化更为剧烈的时段,这一时段湿地平均每年损失约17024.96 hm2,而后者平均每年损失约2362.6 hm2;前者森林损失每年为2535.69 hm2,后者每年损失577.7 hm2,旱田和水田在前一时段每年增加面积分别为12900.42hm2和4171.88 hm2,后一时段,旱田和水田的增速均下降,分别为6529.75 hm2和3102hm2。水域在两个时段的变化率都比较小,其动态基本可以忽略。

  区域景观格局动态主要是人口压力和国家政策驱动的结果。在1954~1980年这一时段,该区域主要经历了1958年的10万军人转业开发北大荒,以及1975~1978年的区域性排水治涝工程的实施,从而迅速形成了20世纪80年代初以耕地为主,其他土地利用类型为辅的景观格局,这一时期景观格局变化剧烈,湿地资源迅速减少,大量的水田和旱地取而代之。而20世纪80年以后,区域景观格局动态主要是人口自然增长和经济发展引起的,旱地的动态度远小于前一时期,而水田保持了与前一时期相近的动态度,说明这一时期的农田开垦逐渐重视开垦水田。通过改善灌溉设施,有相当一部分旱地也转化为水田,说明了水田在整个区域农田系统中重要程度的提高。 随着湿地资源的减少,剩余湿地开垦难度增加,而且随着湿地保护意识的提高,1980年以后,湿地景观动态度远大于前一时期,其缩减速度减缓; 此时草地成为湿地的主要替代资源,其面积由1980年之前的增加趋势转变为1980年之后的减少趋势,其年缩减速度是湿地缩减速度的将近3 倍。

  3.2生态系统服务动态

  利用调整后的评价体系,对研究区3 个时间点的生态系统服务价值予以评价。1954年生态系统服务价值总计为857.59亿元/a,1980年减至627.04亿元/a,至2000年生态系统服务价值总计为602.67亿元/a。在近50年间,生态系统服务总价值减少超过25 %。1954~1980年生态系统服务价值下降速度较快,减少量为230.55亿元/a。1980年之后的20年价值下降较慢,减少量仅为24.37亿元/a。

  对于不同类型的生态系统服务功能,1954~2000年间除食物生产功能提高外,其他各种功能均下降。价值减少最多的是水源涵养功能,其次为气候调节功能和废物处理功能,减少的价值量分别为75.71亿元/a、71.74亿元/a和65.44亿元/a。娱乐休闲功能、生物多样性保护功能、气体调节功能及土壤形成与保护功能均下降。食物生产功能在近50年增加的价值量4.02亿元/a,远小于其他功能的减少量。

  对于各种景观类型,区域生态系统服务价值下降主要是由于湿地面积减少造成的,1954年至2000年,湿地缩减造成的价值损失为272.24亿元/a,其次是森林和草地,依次为14.98亿元/ a和6.60亿元/a。旱田和水田面积增加所产生的生态系统服务价值分别为28.47亿元/a和10.41亿元/a,远小于湿地缩减引起的价值损失量。水域面积变化不大,其生态系统服务价值在近50年间增加0.07亿元/a。自然景观减少引起的价值减少量与农田增加带来的价值增加量之比约为7.6∶1。

  区域生态系统服务功能总体的下降是自然景观(湿地、森林和草地) 面积减少所致。根据统计资料,1954年区域的人口密度为2人/ km2;区域景观偏离度仅为12.47 %。随着人口增长和区域经济发展,湿地、草地和森林相继被开垦为农田,至2000年,区域景观偏离度达到50.14 %。湿地在生态系统服务动态中起到关键作用,与农田相比其具有很强的气候调节功能、废物处理功能和水源涵养功能,因此大面积湿地转化为农田使得区域景观的这些功能下降迅速。

  相关研究表明,自1955年至今,三江平原地区气候趋于暖干[11],年平均气温上升约1.2℃~2.3 ℃,其中主要变暖中心位于湿地开垦区,年平均降水量有减少趋势,并且变化剧烈程度也有所增加[8]。区域气候变化发生的原因,除直接影响气候的主要外部因子太阳常数、平流层火山灰含量和大气中不断增加的CO2外,更主要的是区域下垫面的变化,即大面积湿地的开垦引起区域气候调节功能的变化[8]。

  沼泽的草根层和泥炭层大量蓄水,是居民、工业与农业可直接利用的水资源,又是一个补充地下水的巨大天然蓄水库。其特有的生态构造不仅能够吸纳大量降水和过境水; 同时湿地可以调节径流、延缓蒸发蒸腾; 据考察,三江平原湿地饱和含水量高达830 %~1 030 % ,湿地这种蓄水功能很好地保持了三江平原水量的平衡[6]。同时,也有连续丰水期与连续少水期交替出现的规律,而湿地这种水源涵养功能减少了区域性旱涝灾害发生的可能性[8]。随着大量湿地景观转化为农田,区域水源涵养功能减小,这也是近年来本区域旱涝灾害频有发生的重要原因。

  沼泽湿地具有良好的净化环境功能,这是因为它提供了处理污染的天然空间,还具有吸收转化污染物的生态机制。铁、锰、铅、镉、砷等有毒有害污染物进入湿地,一部分被沉淀下来,一部分被植物吸收,经过化学和生物过程转换而被储藏起来,再以产品的形式从湿地系统释放出来[6]。随着湿地大量被开垦为农田,区域的废物处理功能降低,同时大面积的农田亦加大了各种废物的排放量,因此区域环境污染状况不容乐观。

  农业发展是区域经济发展及国家粮食生产的需要,目前三江平原农场广布,穆棱—兴凯流域亦不例外。农田的扩张主要增强了区域食物生产功能,创造了巨大的价值。但同时也付出了巨大的环境代价。如何协调区域农业发展和自然资源保护将是区域可持续发展面对的主要问题。由于水田在水分、土壤及局部小气候方面均与湿地相似,其生态系统服务功能要强于旱地,因此,区域农业发展应注重农业结构内部调整,要加大对水田发展的投入力度,在适当的区域将旱田转化为水田。这将对整个区域环境恢复有一定的帮助。

  4 结 论

  作为三江平原的重要组成部分,穆棱—兴凯流域在过去50年亦经历了剧烈的湿地农田化过程。1954~1980年是区域景观格局变化最为剧烈时期。这段时间大量湿地景观丧失,旱田和水田景观面积增加显著,基本奠定了区域以农田为主,森林、湿地和草地为辅的景观格局。至2000年,全区湿地面积仅余158 483hm2,占1954年湿地总面积的约1/ 4。1980年以后,森林和草地继续减少,其中草地成为湿地的替代开垦对象,面积缩减迅速。自然景观不断转化为人造景观,造成区域生态系统服务总价值减小,与景观格局变化的规律对应,生态系统服务价值在1954~1980年下降迅速,其后20年下降趋缓。近50年间,生态系统服务总价值减少超过25 %。其中气候调节功能、水源涵养功能和废物处理功能由于湿地的大量减少而明显下降,减少的价值量分别为75.71亿元/a、71.74亿元/a和65.44亿元/a。这些功能的下降对区域环境造成深刻的影响,主要表现为区域性的年平均气温上升;年均降水量减少; 旱涝灾害增多和不容乐观的环境污染状况。

  农业生产及区域经济发展的需要使得农田的面积持续增加,其所具有的较为单一的生态系统服务功能使得区域的食物生产功能提高,近50年增加的价值量为4.02亿元/a。但是,农田面积增加所产生的生态系统服务价值增量远小于各种自然景观,尤其是湿地缩减引起的价值损失量,两者之比为1∶7.6。由于水田具有与湿地相类似的水分,土壤及局部小气候,根据生态系统服务价值表,其单位面积的生态系统服务价值是旱田的两倍,因此区域未来的发展应注重农业结构内部调整,要加大对水田发展的投入力度,在适当的区域将旱田转化为水田,将对区域生态系统服务功能的维护及可持续发展有一定的积极作用。

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  第一作者简介
:李方(1979 - ) ,男,陕西丹凤人,在读博士,中国科学院东北地理与农业生态研究所,主要从事遥感与地理信息系统应用研究。




















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