松嫩平原土地利用变化特征及生态系统服务价值研究
——以哈尔滨市为例

韩 伟，徐 珊

（黑龙江大学政府管理学院，哈尔滨 150000）

0 引言

土地利用的变化能够直接导致生态系统服务价值呈现出显著变化。土地利用发展历程的变化，将会直接且深刻地改变生态系统的内部结构和功能表现状态，助推生态系统为人民大众提供多样化的生态服务，不断提升总体价值，改善总体功能。

从基本的概念角度看，生态系统服务，就是要结合利用生态系统内部所具备的基本结构、基本过程与基本功能，在发挥直接性作用和间接性作用条件下，具体获取到生命支持性产品形态或者是服务形态，该项指标是评价特定地域能否实现可持续发展目标过程中需要关注的关键性指标[1-3]。所谓生态系统服务价值(ecosystem service value，ESV)，本质上就是要针对生态系统对外提供的商品要素、服务要素和资源环境影响效应要素，展开基于经济性价值水平层面的评估分析。

生态系统服务价值的研究分析工作，起源于20世纪70年代，但是由于缺乏开展生态系统服务价值指标评估工作的技术模型体系，客观上导致相关研究分析工作的历史发展进程长期处在相对缓慢状态。但是土地利用变化对生态环境的影响越来越受到国内外学者的广泛关注。在1997年，学者Costanza等[4]，基于科学性视角分析阐释了开展生态系统服务价值估算工作的基本理论和操作方法。在1999年，学者欧阳志云[5]给出了生态系统服务功能的基本概念，提出了生态系统服务价值水平评估工作过程中可供运用的操作方法，尽管针对生态系统实际发挥的服务价值展开了研究分析，但却未能对所具备的动态变化特征加以充分关注。中国学者谢高地等[1-3]在系统深入的调查与总结前提下，将学者Costanza等[4]的已有研究作为基础，通过开展问卷调查工作，结合中国具体情况，制定形成了单位生态系统服务价值当量分布表，在2015年围绕中国单位面积生态系统服务价值当量因子的评估技术方法实施了一定程度的改良调整。从研究方法上来看，目前主要通过ArcGIS软件分析解译不同区域的遥感影像，修订不同地区内的生态系统服务价值当量表，结合运用单一土地利用变化动态度、土地利用程度综合指数和景观破碎度等评价指标，针对不同类型土地及其对应的生态系统服务价值情况，展开了敏感性分析，基于时间层面和空间层面，深度研究分析了不同土地利用类型的面积变化情况和由于该变化导致的生态系统服务价值变化情况。从研究的区域来看，目前中国生态系统服务价值的研究中，主要集中在土地利用类型变化较为剧烈、城市化发展速度快的东部发达地区[6-7]。

本研究主要择取和运用中国学者谢高地提出的价值当量研究分析方法，以哈尔滨市作为研究区，在全面系统深入研究分析所选区域2005—2020年间的土地利用类型变化特征的基础上，使用了生态系统服务价值分析法、生态贡献率分析法和敏感性指数分析方法等研究方法，探讨揭示所选研究区域空间覆盖范围内部生态系统服务价值所发生的变化，为探究所选空间区域的土地资源要素综合利用发展规划、管理决策，制定形成相关的生态环境保护管理政策制度提供相关参考信息和决策建议。本研究中的主要研究结果，能够为同等类型城市空间区域开展的生态系统服务价值评估测算的指标体系制定提供支持依据和重要参考。对于ESV的测算，能够为区域生态环境保护、生态系统管理、生态规划和生态资产转换相关政策提供重要的理论基础。对生态系统服务价值开展的评估工作，是推进实施生态环境保护工作、经济核算工作和生态补偿决策工作过程中需要关注的重要参考依据。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区的基本概况

哈尔滨市位于中国东北区域，黑龙江省的西南部地区，副省级省会城市。哈尔滨市是极其重要的政治活动中心、经济活动中心和文化活动中心。从经纬度角度看，哈尔滨市位于44°04′—46°40′N，以及125°42′—130°10′E之间，其目前具备的土地利用类型总面积为5.31万km2。遵照第七次人口普查工作过程中获取的数据结果，哈尔滨市现有的登记户籍总人口数量为1000.99万人。哈尔滨市地势呈现东高西低特征，平原辽阔宽广。哈尔滨市的气候类型属于典型的中温带大陆性季风气候，其每年冬季持续的时间相对较为长，夏季实际存在的时间相对较为短暂，一年四季之中不同季节之间的变化特征存在显著差异，年度平均气温测算数值为5.60℃，累计降水量大约为423.00 mm，主要集中于6—9月。哈尔滨市的土地利用主要类型是耕地和林地。随着哈尔滨市人口的不断增长、社会与经济建设发展水平的持续提升，城镇化建设事业水平逐渐提高，城市内部市区的总面积逐渐拓展，对研究区时间和空间上的土地利用变化产生了深远影响。哈尔滨市正在推进的国家级生态旅游城市建设规划，具备着丰富且扎实的政策基础，基于地理区位层面，具有旅游资源层面的优势；现有经济结构体系之中，第三产业所占据的数量比重具有逐年增加特点，旅游产业发展良好，为生态旅游城市创建历史进程发挥了助推作用。哈尔滨市在城市交通层面、绿地建设层面和水资源管理层面均在呈现出持续完善的基本趋势。哈尔滨市是中国东北地区典型的人口数量密集分布地带，向来被称赞为“北国冰城”、“冰城夏都”，以及“东方小巴黎”。

1.2 数据来源

本次研究过程中所参考运用的社会经济数据，主要来源是发布于2006—2021年间的《黑龙江省统计年鉴》。土地利用监测的数据信息主要是来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn)提供的遥感数据，通过了ArcGIS中的数据截取和裁减等相关步骤，得到了哈尔滨市在2005、2010、2015、2020年的相关数据信息，其空间的分辨率是1 km×1 km。同时将哈尔滨市现有的土地利用类型进行了分类，主要分成了耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地6种类型。遵照相关学者已经公开发表的研究成果[1-3]，确定哈尔滨市的生态系统服务价值系数数据体系，并结合研究区域内部所具备的客观实际情况，建立形成契合研究区域内部实际情况的生态系统服务价值的相关参数体系。

2 研究方法

2.1 土地利用变化分析方法

2.1.1 单一土地利用变化动态度分析模型 出于更为清晰准确地描述揭示土地资源利用行为变化情况的现实考量，应当计算分析研究区域内部特定种类土地利用类型在选定的研究时间周期之内所发生的变化数量，也就是净变化量(Ci)，具体运用的计算公式如式(1)所示。

式(1)中：Ci表示在选定的研究时间周期之内某特定化空间区域内部土地利用类型i的动态净用地变化发生总量；Uia表示该种土地利用类型i在所选定的研究时间周期初期时间节点的面积总量，Uib表示该土地利用类型i在所选定的研究时间周期末期时间节点的面积总量。

所谓土地利用动态度，通常指的是土地利用类型在数量层面之上所发生的具体化变动情况，本研究主要选择运用土地利用的单一动态度分析模型[7-8]。通过参考和利用单一的土地利用动态度模型，本研究主要致力于分析揭示哈尔滨市在土地利用变化率层面所实际发生的增加或者是减少变动情况，具体涉及的基本计算表达式如式(2)所示。

式(2)中：Ki主要表示了某一特定研究时间段内的i类土地利用类型的动态度；而Ci则是某个研究期该用地类型的i净变化量；t主要表示的是研究时长。Uia表示该土地利用类型i在初期时间节点的面积总量。

2.1.2 土地利用程度变化 土地利用程度，能够准确且清晰地揭示和彰显出特定研究空间区域范围之内土地资源要素利用行为在发展演化过程中的广度和深度，遵照中国学者庄大方、刘纪远[9]在1997年提出的关于土地利用程度综合性研究分析方法，可以结合社会环境因素和自然平衡机制的影响作用，将中国土地利用程度划分处理成若干个具体等级，在赋予明确的分级分析指数体系条件下，计算求解得出了土地利用程度综合指数和对应的变化率。某一研究空间区域的土地利用程度综合指数计算公式可以表达为式(3)。

在公式(3)中：用L来表示某一选定的研究区内的土地利用程度的综合指数，其中L∈[100，400]；Ai是用来表示选定研究区范围之内的第i级土地利用程度分级指数；Ci表示为选定的研究区范围之内的第i级土地利用程度的分级面积所占有的百分比；用n来表示土地利用程度分级数，结合社会环境因素和自然平衡机制的影响作用，将选定研究区域内的土地具体利用类型均赋予具体化的分级指数（具体参见表1）。

表1 土地利用程度分级

土地利用程度变化量(ΔLb-a)可具体表示为式(4)。

土地利用程度变化率(R)可具体表示为式(5)。

在公式中：用ΔLb-a来表示土地利用程度的变化量；R为土地利用程度的变化率；其中La和Lb分别用来表示选定的研究时间段内的期初时间节点和期末的时间节点的区域内土地利用程度综合指数；用Ai表示i级土地利用程度分级指数；用Cia和Cib分别来表示选定的时间段期初的时间节点和期末时间节点第i级土地的利用程度所占的数量百分比。假若ΔLb-a＞0或者是R＞0，则说明所选定研究空间区域范围之内的土地实际利用情况尚且处在发展期过程之中，假若R＜0，则说明所选定研究空间区域范围之内的土地利用情况尚且处在调整期或者衰退期过程之中。

2.2 土地生态系统服务价值水平的评估分析方法

2.2.1 生态系统服务价值系数的确定 以国外学者Costanza[4]和中国著名学者谢高地等在其研究中计算确定出的陆地生态系统服务价值当量系数体系为基础，结合哈尔滨市实际情况，制定形成哈尔滨市不同土地利用类型生态服务系统单位生态服务价值当量因子构成表。根据学者Costanza等[4]发表的相关性研究成果，将建设用地土地利用类型的生态系统服务价值当量因子数值设置为0。本研究是结合哈尔滨市的实际情况，通过查阅相关的统计数据资料信息中了解，哈尔滨市的粮食单位面积的平均产量是7627 kg/hm2，在同时期，中国全国范围内的粮食单位面积平均产量统计数据结果为4974.00 kg/hm2，中国2010年单位生态系统内部的价值当量所具备的经济价值为3406.50元/hm2[1-3]，对哈尔滨市生态系统服务价值参数体系展开修正处理，得出价值当量因子系数的计算结果为1.53，确定了哈尔滨市1个生态服务价值当量数据结果为2226.47元/hm2。得到哈尔滨市单位面积生态系统服务价值当量表（表2）。

表2 哈尔滨市单位面积生态系统服务价值当量表 元/(hm2·a)

2.2.2 生态系统服务价值的计算 通过学者Costanza等[4]所给出的生态系统服务价值的计算求解公式，具体分析确定研究区生态系统服务价值变化表现情况，如式(6)～(7)所示。

在上述公式中：用ESV来表示所选定的研究区域内部其生态系统的总价值，其测算单位为（元）；用Ak表示所选定的研究区内第k种土地利用类型相对应的面积(hm2)；用VCK表示第k种土地利用类型的单位面积的生态系统服务价值系数，单位为元/(hm2·a)；用ESVf表示了第f项生态系统服务类型的总价值（元）；用Afk表示所选定的研究区域内部的第k种土地利用类型第f项的面积；用VCfk表示了第k种土地利用类型第f项的单位面积的生态系统服务的价值系数，单位为元/(hm2·a)。

2.2.3 生态贡献率 生态贡献率是指在特定的研究时间段范围内，某种土地利用类型所能够产生的生态服务价值变化量所占该区域生态系统服务价值总变化量的比例关系，其计算公式如式(8)所示。

公式中：用SKT表示了K类生态系统在研究时段T内的生态服务贡献率；用ΔESVKT表示了K类生态系统在研究时段T范围内的生态系统服务价值变化总量。

2.2.4 生态系统服务价值的敏感性研究分析 在选择运用价值当量因子分析法具体估算特定生态系统所具备的服务价值过程中，生态系统服务价值系数占据和发挥着不容忽视的重要作用。出于深度验证揭示上文所述各类土地利用类型对实际选用的价值系数VC所发挥的计算准确性影响作用，本研究选择运用敏感性指数分析模型(coefficient of sensitive，CS)[10-11]具体验证生态系统类型对各土地利用类型所具备的代表性和基于生态价值层面的准确程度。参考以往已经开展过的相关性研究，本项研究采用CS计算分析模型，通过分别向上和下调整各地类的价值当量50%的幅度，来计算敏感性指数，最终能够确定生态系统服务价值伴随着时间因素的变化而呈现的具体情形，对敏感性指数(CS)的全面深入充分分析，能够帮助确定生态系统服务价值对生态系统服务价值系数(VC)变化所表现的依赖程度。敏感性指数(CS)计算方法如式(9)所示。

公式中：用CS表示敏感性指数；ESVi表示的是某种土地利用类型中在完成了调整环节之前的生态系统服务的总价值；用ESVj表示该种土地利用类型在调整环节后生态系统服务的总价值；VCjk表示的是第k类土地在未接受调整之前的生态系统服务价值系数；用VCik表示了k类土地在完成调整之后的生态系统服务价值系数。

CS的含义指的是当VC变动增加1%时，引起的生态系统服务价值变化情况。当CS＜1时，表明了生态系统服务价值ESV相对于价值系数VC缺乏弹性，计算结果是可信的，生态系统的服务价值对于生态价值系数是不敏感的；反之CS＞1时，表明了生态系统服务价值ESV对于价值系数VC敏感有弹性的，其计算结果的准确性和可信度相对比较低。当CS值越大时，表明了生态价值系数对于生态系统服务总价值的影响越大，说明了生态服务价值系数的取值准确性也越关键。

3 哈尔滨市土地利用的变化情况和生态系统服务价值的测算

3.1 哈尔滨市土地利用类型的变化表现特征

3.1.1 单一土地利用变化分析 现阶段，哈尔滨市的土地利用类型主要的表现形式，涉及了耕地和林地，以及草地和水域，还有建设用地和未利用地6种形式，总面积是53053.00 km2。在2005—2020年间，耕地和林地是哈尔滨市主要的土地利用类型。2005—2020年哈尔滨市土地利用，在类型和面积方面的变化，主要是由大到小，依次为：从耕地到水域然后是林地，之后是建设用地和草地以及未利用地的顺序。具体面积从2005—2020年，不断增加的是耕地和建设用地，耕地的面积从2005年23697 km2增加到2020年25071 km2，增加比例为2.59%；伴随着城镇化建设的深入推进，建设用地的面积也在不断增加，总面积增加到了606 km2，比例增加了将近1.15%；而林地面积呈现逐年减少，在2005—2020年间减少了866 km2，比例减少了近1.63%（表3）。

表3 2005—2020年哈尔滨市不同的土地利用类型面积分布

2005—2020年，所选定研究区域空间范围之内林地，其中草地的面积和规模，均呈现出了持续下降趋势（表4），而水域面积减少是最多的。展示出面积规模持续扩张变化趋势的土地利用类型在于耕地和建设用地。其中耕地的面积数量增加幅度最多，仅而其次的土地类型是建设用地。哈尔滨市最为主要土地利用类型在于林地和耕地，此两类通常占据全市土地利用总面积的88.00%以上，在研究活动所处的时间区间内，林地实际的总体面积数量发生显著减少的变化趋势。从空间上看，哈尔滨市西部地区建设用地面积增加较多，与哈尔滨的城市扩张相符。

从以上数据结果可以得出，随着哈尔滨城市建设速度的加快，对于建设用地的开发需求不断快速增加，在该项研究工作涉及的15年时间之内，增加速度最快的土地利用类型是建设用地。

3.1.2 土地利用程度变化分析 遵照土地利用程度综合指数、土地利用程度变化量和土地利用程度变化率的公式和表4中列示的相关信息，计算后得出哈尔滨市2005—2020年时间段内的土地利用程度变化发生情况（表5）。

表4 2005—2020年哈尔滨市各种土地利用类型的面积变化及动态度参数分布

从表5可以看出，哈尔滨市2005、2010、2015、2020年的土地利用综合指数上看，分别是248.86、249.11、249.43、253.54。在2005—2020年之间，土地的利用综合指数，从248.86上升到了253.54，在这15年间土地的利用程度综合指数方面有了增加，其增加幅度为4.68。2005—2020年，哈尔滨市土地利用程度的变化量(ΔLb-a)、土地利用程度变化率(R)的计算结果均大于0，足可以说明哈尔滨市的土地综合利用程度在整体上处于快速发展过程之中，土地总体利用程度具备逐年增强的变化表现趋势。其中R值均大于0的是耕地、建设用地和未利用地，客观上说明哈尔滨市在经济社会建设事业推进过程中和可持续发展演化过程中，已经全面正确深入解决处理了建设用地资源要素开发需求层面和耕地资源要素利用需求之间所具备的基本互动关系，建设用地的扩张速度后期明显大于前期，说明该研究区的土地利用程度和人类的生产生活强度均呈现出不断扩张的趋势，客观上与哈尔滨市经济社会建设发展事业的总体推进速度高度契合。R值测算结果为负值的是林地、草地和水域对应的土地利用程度变化率，表明这3类土地利用类型现阶段处于调整期过程之中。

表5 2005—2020年哈尔滨市土地利用程度变化

3.2 研究区的土地利用变化的生态系统服务的价值测算分析

利用公式生态系统服务价值公式(6)、单项生态系统服务价值测算公式(7)和生态贡献率公式(8)，计算得出哈尔滨市在2005—2020年间不同的土地利用类型的生态系统服务价值变化情况，分布情况见表6。

表6 2005—2020年间哈尔滨市不同的土地利用类型生态系统的服务价值以及相关的变化情况测算分布表

3.2.1 不同土地类型的生态服务价值 从时间性维度展开研究分析，哈尔滨市生态系统服务价值水平从2005年的1769.20亿元逐步减少到2020年的1642.70亿元，在这15年间少了126.5亿元，下降率为7.15%。从土地利用类型和生态系统服务来看，耕地持续增加了21.13亿元，增幅是5.80%。林地和草地以及水域，在不同程度上呈现了减少趋势，其中水域类型减少数量的最多，高达101.84亿元。林地和草地以及水域的生态系统，在服务价值和水平方面，大幅地减少了，所以不能被耕地和生态系统服务价值的增加进行弥补，使得哈尔滨市的生态系统服务，在总价值方面减少126.50亿元。从土地利用类型和生态系统服务价值的变化，以及发生幅度分布特征来看，变化程度最大的是水域，其减少幅度为42.05%，增幅最大的是耕地，为21.13%。生态损失主要是由林地和水域面积不断减少所造成的，林地的生态系统服务价值是哈尔滨市ESV参数项目测算获取过程中需要关注的最为主要的组成部分，耕地、水域和草地次之。在哈尔滨市生态服务总价值构成体系之中，林地的生态服务价值所占数量比例处在较高水平，其数量比重由2005年的64.73%上升到2020年的66.75%，其他土地利用类型的生态系统服务价值所占哈尔滨市的生态系统服务总价值的比重变化发生程度都不够明显。从空间上看，哈尔滨市ESV的空间分布特征表现为中部高，东西低。其中ESV参数项目数值较高的区域分布的主要土地类型在于耕地、林地和水域。生态服务价值发生降低变化，15年间变化速度较快。

3.2.2 生态系统单项服务功能价值的变化表现特征 利用生态服务价值(6)、单项生态系统服务价值(7)、生态贡献率(8)3个公式计算获取哈尔滨市单项生态系统服务价值及其贡献比例构成关系（表7）。

表7 2005—2020年间哈尔滨市的单项生态系统和服务价值以及贡献比例的构成关系分析

从2005—2020年的整个研究区间来看，总ESV的变化约为126.51亿元。15年来，哈尔滨市生态系统服务总价值明显呈现出持续下降的变化趋势，研究区各项生态系统服务价值对于生态系统的服务总价值的贡献率变化不大，从高到低为水源涵养＞土壤保护＞废物处理＞生物多样性保护＞气体调节＞气候调节＞原材料＞娱乐文化＞食物生产。单项生态的系统服务价值当中的水源涵养功能贡献率最高，平均ESV约为295.45亿元。这是由于水源涵养的服务功能产生了较高的服务价值。食物生产服务功能所占比例是最小的。这与哈尔滨市的良好植被覆盖和天然湿地等条件有直接的关系。因此，哈尔滨市的生态系统服务价值主要体现在了水源涵养、土壤保护和废物处理方面。

3.2.3 敏感性分析 本文将研究区各个土地利用类型单位面积的生态服务价值系数(VC)，通过向上和向下同时调整了50%，根据生态系统服务价值的敏感性公式(9)，计算出了研究区在2005、2010、2015、2020年的不同种土地利用类型生态系统服务价值敏感性指数(CS)来进行分析，详情见表8，以此来说明ESV的变化对于各个单项生态系统服务价值系数(VC)的敏感程度。

运用CS计算的模型，由表8可以看出，2005—2020年哈尔滨市各年份土地利用类型价值系数的敏感性指数数值在0～0.7之间，在不同的年份中，不同的土地利用类型在生态系统服务价值敏感性指数CS都是小于1的，各个不同年份的数值相差不大。这说明了该研究区域ESV相对VC来说缺乏一定弹性，并且相对稳定。总体上看，研究区内的土地利用类型在敏感性指数方面由高到低排序，顺序为林地＞耕地＞水域＞草地＞未利用地。在这些类型中敏感性指数最高的是2020年的林地为0.6715，表明整体生态价值系数增加1%，同时生态系统的服务总价值增涨了0.6715%。其次是耕地和水域，这是由于耕地和水域的生态系统服务价值系数VC比较大所造成的。而其他土地利用类型敏感性指数都接近0小于1。在2015年时，未利用地的敏感性指数为0.0004是最低的，原因在于这种类型的面积较小，且单位面积的服务价值较低，所以这种类型对哈尔滨市的总价值影响不明显。因此，所选取的生态系统服务价值的系数VC对于哈尔滨市的生态系统服务总价值ESV的影响不大，研究结果是完全可信的。

表8 2005—2020年哈尔滨市各土地利用类型敏感性指数

4 结果与讨论

土地利用的变化对于生态系统服务价值会产生深刻的影响[12]。哈尔滨市的土地利用程度方面是逐年增强的，其中最主要的土地利用类型是耕地和林地两种，建设用地是最近15年增长最快的，林地的数量变化是逐年递减的。由于林地、耕地和水域这3种土地利用类型产生的价值超过了生态系统服务总价值的99%，主要体现在了水源涵养、土壤保护和废物处理上，对本区域的自然生态安全建设有重要的影响。在制定土地利用政策措施的过程中，要关注林地和耕地等土地利用类型，以便于其更好的发挥其生态系统服务价值。要紧紧围绕党中央制定的一系列政策和措施，立足于新的发展阶段，坚持生态优先，合理规划开发，合理加强保护耕地，统筹合理安排调整规划建设用地，尽可能地停止占用或者减少占用耕地资源，坚持科学合理开发未利用土地，加大经济建设投入，提高农村耕地利用质量，持续不断创新和完善土地利用管理规章制度；不断增强生态环境保护责任意识，进一步提高哈尔滨市的整体ESV水平，做到经济和生态环境相互协调发展，促进可持续发展目标的实现。当前部分专家学者已经明确提出中国可以将生态系统服务价值评估指标作为各级党委和政府对相关区域生态文明建设成效考核评价的重要指标，但是目前由于适合中国国情的生态服务价值评估模型尚不健全[13]。土地利用发生深刻的变化，提醒我们要充分清醒认识到研究生态系统服务价值的重要作用[14]，对于优化土地利用配置[15-16]、区域协调可持续发展[17]、构建生态安全屏障[18-19]的重要意义，并深入贯彻落实好习近平总书记提出的新发展理念。