哈长城市群处于东北地区腹地,位于122°24'—131°18'E,42°00'—48°55'N。横跨黑龙江、吉林二省,包括10个地级市,1个自治州,面积约32.22万km²,2015年末全区总人口约4 768万人,GDP生产总值约24 836亿元(2015年)。气候为温带季风气候,气温年较差较大,植被类型以温带落叶阔叶林为主。主要地形有山地和平原,东西高程差异较大。山地主要分布在东南地区,以长白山为主,土地覆被类型主要为林地、草地; 平原主要分布在中西部,以松嫩平原为主,土地覆被类型以耕地、人工表面为主。哈长城市群作为新兴城市群,其快速的城镇化进程及高强度的耕地扩张对哈长城市群的土地覆被类型改变强度增大,使原本脆弱的生态环境变得更加脆弱,区域内部的生态服务功能明显下降,已严重威胁到了哈长城市群一体化的可持续发展。

本研究以Landsat TM/OLI影像(http:∥glovis.usgs.gov)为基准提取哈长城市群2000年、2010年、2015年3期土地覆被数据。辅助数据涵盖:(1)30 m分辨率的DEM,源于国际科学数据服务平台;(2)气温降水数据,源于中国气象科学数据共享服务网提供的“中国地面气候资料月值数据集”,获取研究区各气象站点历年的平均气温及年降水量等数据。(3)土壤数据源于国家地球系统科学数据中心的吉林省和黑龙江省土壤数据集;(4)碳密度数据参考李慧颖等^[20]的研究。

根据哈长城市群土地覆被的分布特征,参考Wang等^[21]的分类方法,形成适用于哈长城市群的分类体系。共分为建设用地、林地、草地、耕地、湿地、裸地6个一级类。应用eCognition软件进行面向对象的多尺度分割; 基于数字高程模型(DEM)和大量的野外验证点,以监督分类、决策树分类、目视解译3种方法相结合开展不同土地覆被信息的提取,以获取研究区不同时期土地覆被的空间分布数据^[22]。经过大量野外验证点和高空间分辨率遥感影像的反复验证,3期土地覆被的分类精度均高于90.5%,满足本研究需求。

对哈长城市群2000—2015年3个时期遥感影像进行处理,将土地覆被类型划分为建设用地、林地、草地、耕地、湿地和裸地(图1)。

图1 2000-2015年哈长城市群土地覆被类型

研究区内的建设用地面积在15 a间持续增加,共增加1 462 km²,总体趋势表现为先快后慢。15 a间林地面积增加了1 527 km²,总体趋势持续增加,2010—2015年增加幅度大于2000—2010年。草地面积先增后减,共减少661 km²。2015年哈长城市群耕地面积占总面积的50.46%,15 a间耕地面积持续减少,共减少1 611 km²。湿地面积在2000—2015年先减后增,2000—2010年减少54 km²,2010—2015年有所恢复,增加117 km²,15 a间共增加63 km²。裸地包括采矿场、裸土、沙漠等,其面积在2000—2010年减少1 031 km²,2010—2015年增加了251 km²。

表1 2000-2015年哈长城市群土地覆被类型变化

哈长城市群2000—2015年土壤保持量空间分布格局见图2,具体而言,哈长城市群土壤保持量的多年平均值为21 107.53 t/km²,最低值在2015年(19 844.65 t/km²),最高值在2000年(21 934.19 t/km²)。从空间分布来看,哈长城市群的土壤保持能力呈东高西低态势,高值地区多分布在东南部; 2000—2010年土壤保持能力有所降低,降低的区域主要分布在黑龙江省的牡丹江市和哈尔滨市部分地区; 2000—2010年土壤保持能力增加的区域主要分布在吉林省的吉林市、长春市和辽源市部分地区。2010—2015年土壤保持能力有所降低,降低的区域主要分布在东南部的延边朝鲜族自治州、吉林市和长春市等。

哈长城市群2000—2015年生态系统碳储量空间分布格局见图3,具体而言,生态系统碳储量多年平均值为11 866.53 t/km²,最低值在2010年(11 837.88 t/km²),最高值在2000年(11 888.90 t/km²)。从空间分布来看,哈长城市群生态系统碳储量呈东部高西部低的态势,但15 a来其空间分布无明显差异,其高值地区多分布在西北部和东南部分地区; 2000—2010年区域生态系统碳储量有所降低,降低到区域主要为大庆市和松原市。2010—2015年区域生态系统碳储量有所增加,增加区域主要分布在黑龙江省西部的大部分地区; 吉林省各区域有所增加,但不明显。

哈长城市群2000—2015年产水量空间分布格局见图4,具体而言,产水量多年平均值为118 055.46 m³/km²,最低值在2000年(92 952.47 m³/km²),最高值在2010年(133 045.84 m³/km²)。从空间分布来看,哈长城市群的产水量从东南部向西北部逐渐降低,高值区多分布在吉林省的东中部,黑龙江省的产水量相对于吉林省较低。由图4可知,2000—2010年的产水量呈增加趋势,增加的区域主要为吉林省大部分地区。2010—2015年的产水量略有降低,降低的区域主要为吉林省大部分地区,且降幅较明显; 2010—2015年增加的区域主要为黑龙江省大部分地区。

图2 2000-2015年哈长城市群土壤保持能力空间分布

图3 2000-2015年哈长城市群生态系统碳储量空间分布

图4 2000-2015年哈长城市群产水量空间分布

土地覆被对生态系统服务产生的影响,主要表现为同种土地覆被类型中不同生态系统服务间的差异和同一生态系统服务中不同土地覆被类型间的差异。本研究结合土地覆被数据,将哈长城市群3种生态系统服务的均值提取至各土地覆被类型,得出不同土地覆被类型下的生态系统服务(图5)。不同的土地覆被类型间,林地提供的土壤保持力最高,产水量最低; 草地和湿地提供的生态系统碳储量最高,土壤保持力最低; 耕地提供的产水量最高,生态系统碳储量最低; 建设用地提供的土壤保持力最高,生态系统碳储量最低; 裸地提供的产水量最高,土壤保持力最低。不同土地覆被类型提供的土壤保持能力从高至低依次为:林地>耕地>建设用地>湿地>草地>裸地; 生态系统碳储量:湿地>林地>草地>耕地>裸地>建设用地; 产水量:湿地>耕地>林地>裸地>草地>建设用地。

图5 2000-2015年哈长城市群不同土地类型的生态系统服务

本研究从土地覆被角度出发,发现哈长城市群的生态系统服务及其权衡协同关系与土地覆被类型空间分布有着紧密关系,林地和湿地面积的增加都会对土壤保持、碳储量和产水量产生促进作用,而建设用地的增加会致使3种服务的减少。因此,农业活动、退耕还林还水等可以在不同程度上增加生态系统服务价值量,而城镇化的快速发展不利于维持生态系统平衡。

潘竟虎等^[38]在干旱内陆河流域的研究表明碳储量和产水量间呈现出明显的协同作用,但本研究的结果显示哈长城市群的碳储量和产水量为权衡关系; Wang等^[39]在黄土高原的研究结果表明,植树造林过程不仅没有提升降雨量,同时还造成大量水资源浪费,以上表明了生态系统服务间的权衡与协同具有一定的地理位置及时空差异性。

生态系统中存在多种多样的服务机制,本研究仅选取了其中3种进行解析,关于哈长城市群区域内生态系统服务的权衡协同关系研究还不够完善。在未来的研究过程中更应从数据来源、尺度方面、生态系统服务多样性等方面进行多元化研究,以期为后续学者在进行相关研究时提供一定帮助,为哈长城市群地区制定更为全面具体的区域发展和生态保护策略提供参考意见。

本研究以处于东北腹地的哈长城市群作为研究区,计算了各年份间土地覆被类型的面积变化,利用相关模型定量测算了2000—2015年的土壤保持、生态系统碳储量和产水量3种生态系统服务的时空分布格局及不同土地覆被类型生态系统服务的差异,并利用权衡协同度模型分析了哈长城市群3种生态系统服务间的权衡协同关系,旨为实现区域经济稳定发展及生态环境保护的“共赢”提供参考依据。主要结论如下:

(1)2000—2015年哈长城市群林地、湿地、建设用地面积增加,耕地、草地、裸地面积相对减少,其中,建设用地增长率最高,裸地减少率最高。

(2)土壤保持价值量呈东高西低的空间格局,高值区多分布于东南部; 生态系统碳储量呈东高西低的格局分布,整体上与土地覆被类型分布较一致; 产水量呈东南部向西北部逐渐降低的空间格局,高值地区多分布在吉林省的东中部。

(3)不同土地覆被类型间的生态系统服务对比结果显示,林地、草地等6种土地覆被类型的3种生态系统服务都呈现此消彼长的变化方式。

(4)从相关性方面看,土壤保持与生态系统碳储量、土壤保持与产水量间呈正相关关系,生态系统碳储量与产水量间呈负相关现象; 通过生态系统服务的权衡协同度分析可以看出,哈长城市群南部土壤保持—生态系统碳储量协同度较为显著,土壤保持—产水量次之,北部的土壤保持—生态系统碳储量多以权衡为主。