淺山丘陵區土地利用地形梯度特征與生態服務價值響應

趙艷霞，武愛彬，劉 欣，秦彥杰

（河北省科學院地理科學研究所，石家莊050021）

生態系統服務是生態系統與生態過程所形成及維持的人類賴以生存的自然環境條件與效用，包括對人類生存及生活質量有貢獻的生態系統產品和生態系統功能［1］，是人類生存和發展的物質基礎和基本條件，是人類所擁有的關鍵自然資本［2］。土地是各種自然生態系統的載體，生態系統類型在土地利用中表現為土地利用類型，土地利用作為人類最基本的實踐活動，通過區域生態進程和服務間的相互作用直接影響區域生態服務價值［3］。坡度和高程是土地資源固有的兩個重要環境因子，對土地利用和土地承載力有直接作用［4］。淺山丘陵區位于山地平原的過渡地帶，高程和坡向決定了區域局部的溫度、光照狀況、土壤保持和水源涵養能力，影響著人類利用土地的難易程度，所以地形基本上決定了該地區土地利用的方向和方式，從而影響區域的生態系統服務價值。故研究該區生態服務價值在地形梯度上的特征，可為指導該區社會經濟發展與生態環境保護提供科學的決策支持依據。

1 研究區概況

河北燕山淺山丘陵區位于河北省東北部，地理位置介于北緯39°45′—41°38′，東經116°40′—119°50′。涵蓋承德市東南部、秦皇島市北部和唐山市北部等區域，總面積約26 999.43km2。中西部處于暖溫帶大陸性季風氣候區，年均溫6～10℃，1月均溫－12～6℃，7月溫度20～25℃，年降水量700mm左右，流水侵蝕作用強烈。東部屬于溫帶季風氣候，因受海洋影響較大，氣候比較溫和，春季少雨干燥，夏季溫熱無酷暑。

2 研究方法與數據分析

2.1 地形位指數

地形條件對土地利用類型的約束往往表現為地形和高程的綜合作用，單一高程或坡度梯度上的空間分析無法體現這種綜合影響［5］。參照以往研究成果［6－11］，鑒于研究區淺山丘陵的地貌特征，為綜合反映地形條件的空間分異，本研究利用地理信息模型建模方法，將高程和坡度組合成地形位指數，公式表述如下［6］：

式中：T——地形位；E，L——研究區域內任意一點的高程值和坡度值；ˉE，ˉL——研究區域的平均高程值和坡度值。

2.2 地形分布指數

由于不同土地利用類型在地形梯度上不同區間的出現分布頻率可比性受到各類土地利用類型面積帶來的量綱影響［6］，本文采用標準化、無量綱的地形分布指數，進行地形梯度上不同區間或不同類型間的比較，公式如下：

式中：P——地形分布指數；S——土地面積；i——土地利用類型；e——地形位級別。P＞1的區間為土地利用類型分布的優勢地形區間，P值越大，表明某土地利用類型出現的頻率越高。

2.3 生態系統服務價值評價方法

Costanza等［12］在總結過去幾十年生態系統公益價值評價研究的基礎上，將生態系統服務功能歸納為17種類型，并進行了貨幣化測算（公式3），謝高地等［13－14］在Costanza的基礎上統計修正得出的“中國生態系統服務價值當量因子表”（表1），當量因子是指在定義1hm2全國平均產量的農田每年自然糧食產量的經濟價值為1的基礎上，其他生態系統相對于農田食物生產服務的貢獻值。

式中：ESV——生態系統服務總價值；VC——生態系統服務價值系數；S，i含義同公式（2）

2.4 生態服務價值大小分布指數

生態服務價值在地形梯度上的大小分布會受到不同梯度上土地面積多少的影響，為了更好地比較不同地形單位面積生態服務價值，更好地描述生態服務價值的優勢分布區間，借鑒地形分布指數，本研究引入生態服務價值分布指數，公式如下：

式中：Q——生態服務價值分布指數；ESV，S，i，e含義同以上公式。Q＞1的區間為生態服務類型價值的優勢分布地形區間，Q值越大，表明在此區間該生態服務類型價值越高。

表1 中國陸地生態系統單位面積生態服務價值當量

2.5 敏感性分析方法

本文參照相關研究成果［15－19］，應用經濟學中常用的彈性系數概念來計算價值系數的敏感性指數（CS）［20］，以確定生態系統服務價值隨時間的變化情況對于價值系數的依賴程度。將各類土地利用類型的價值指數分別調整50%，來衡量總生態系統服務價值的變化。如果CS＞1，表明ESV相對于VC是富有彈性的；如果CS＜1，ESV則被認為是缺乏彈性的，比值越大，表明生態服務功能價值指數的準確性越關鍵。敏感性指數的計算公式為：

式中：ESV、VC、i的含義同以上公式；m，n——初始狀態和調整后狀態。

2.6 數據來源與處理

本研究數據來自2010年LANDSAT TM5遙感圖像，對遙感圖像進行幾何精校正和圖像配準后，針對研究區的實際情況，從遙感圖像中提取6種土地利用／覆被類型：耕地、林地、草地、建設用地、水域和未利用地進行監督分類，經過野外校核、錯誤糾正后，獲取研究區2010年的遙感解譯土地利用現狀數據。將研究區域1∶25萬地形圖進行掃描矢量化后，通過建立TIN模型得到柵格的DEM（grid格式），并在Arc－Map下提取高程和坡度，利用地理信息建模將二者組合形成地形位指數模型，利用ArcMap計算得出研究區域的地形位指數T（0～2.947 9），等分為50個級別，與土地利用類型圖疊加分析，可以得到不同地形位級別各土地利用類型的面積。

3 結果與分析

3.1 土地利用地形梯度分布特征

研究區內各土地利用類型面積和比例如表2所示，林地所占比例最大，為63.72%，未利用地所占比例極小，僅為0.02%。利用公式（2）計算2010年耕地、林地、草地、建設用地和水域在地形位上的分布指數（未利用地所占比重太小，地形梯度特征不明顯，本文不做討論），如圖1所示，將地形位指數T（0～2.947 9）等分為50個級別，根據各土地利用類型的分布優勢，分為低（1～10）、中（10～25）、高（25～50）三個區段，高區段為林地分布優勢地形位區間，中區段為草地和林地分布優勢地形位區間，低區段為耕地、建設用地、水域分布優勢地形位。主要由于海拔低、坡度小的低地形位區段自然條件適宜農業發展，而人口聚集和分布與耕地的分布格局密不可分，同時人口數量直接決定了建設用地的分布頻率，研究區內自然河流極少，水域多為水庫、坑塘，分布在耕地與建設用地周圍。而海拔高、坡度大的高地形位區段由于地表起伏度較大、氣候條件限制，多為灌木林地。

表2 研究區土地利用現狀

圖1 研究區各土地利用類型在地形位指數梯度上的分布

3.2 生態系統服務總價值變化分析

根據統計資料計算出河北燕山淺山丘陵區2010年平均糧食產值為5 909.31元／（hm2·a），考慮到無人力投入的自然生態系統提供的經濟價值是現有單位面積農田提供的食物生產服務經濟價值的1／7［14］，得出研究區單位面積農田每年自然糧食產量的經濟價值是844.19元／（hm2·a），以此來計算研究區各類土地面積2010年的生態服務價值量（表3）。由表3可以看出，2010年研究區土地利用生態服務總價值為375.21億元，其中林地生態系統服務價值比例最大，為84.64%，未利用地生態系統服務價值最小，僅為0.001%。如圖2所示，河北燕山淺山丘陵區2010年生態服務總價值在地形位在1—3級別上呈上升趨勢，3—6級別上生態服務逐漸下降，在6—24級別上波動上升，在24級別達到峰值，然后隨著級別增大開始下降，在49級別達到最小值。總體來說土地生態服務價值在地形位差異化十分明顯，生態服務價值在地形位24最高為18.01億元，地形位49最低僅為53.94元。

表3 研究區2010年各土地利用類型生態系統服務價值

圖2 基于地形梯度的研究區土地利用生態服務價值

不同地形位級別生態服務價值的大小一定程度上依賴于該地形位土地面積的多少。圖3表示單位面積生態服務價值分布指數在地形位級別上的表達，由此可見，隨著地形位指數的增加，單位面積生態服務價值總體上呈增大趨勢，在低地形位級別（1～10）和高地形位級別（45～50）上，單位面積生態服務價值呈波動狀態，說明低地形位區段受人為干擾作用較為頻繁，高地形位區段由于自然因素限制生態環境較為脆弱，易受人為干擾影響。是生態服務價值不穩定的區域，更應被重視。

圖3 不同地形位單位土地利用面積生態服務價值

3.3 生態系統單項服務價值變化分析

由表4看出，研究區2010年占生態系統功能總價值比重較大的是保持土壤、氣體調節、維持生物多樣性，提供美學景觀和食物生產價值比重最小。

表4 研究區2010年單項生態系統服務功能的價值

由圖4生態系統單項服務價值在地形位上分布，就地形位區段而言，9類單項生產服務價值指數在地形位區段（1～15）均呈波動分布；在地形位區段（11～45），食物生產服務價值隨地形位增加而減小、原材料生產、氣體調節、氣候調節、保持土壤、維持生物多樣性、水源涵養和提供美學景觀的生態服務價值分布趨勢基本一致，均隨著地形位增加而增加；在地形位區段（45～50），原材料生產、氣體調節、氣候調節、保持土壤、維持生物多樣性、水源涵養和提供美學景觀的單項生態服務價值略有波動，呈先減少后增加態勢，食物生產服務價值呈先增加后減小趨勢；廢物處理的服務價值在地形位區段（11～50）呈極緩慢的減少態勢，隨地形位的增加基本保持不變。

圖4 基于地形梯度的土地利用生態系統單項服務價值

就單項生態服務價值而言，食物生產的服務價值優勢分布區間為地形位1～15，廢物處理的服務價值優勢分布區間為1～12，主要為耕地和水域的優勢分布區間，食物生產服務功能價值在地形位4，7出現波動，食物生產出現谷底，廢物處理出現波峰，此外水源涵養也在此地形位4，7出現兩次波峰，與水域面積分布指數在地形位4，7出現波峰響應。說明食物生產、廢物處理、水源涵養與耕地和水域面積多少存在較大的相關關系；原材料生產、氣體調節、氣候調節、水源涵養、保持土壤、維持生物多樣性、提供美學景觀的服務價值優勢分布區間集中在地形位16～50，為草地和林地的分布優勢區間，隨著地形位級別的增加，分布優勢也在不斷加大，與林地面積在地形位級別分布趨勢響應，說明以上服務功能價值與林地分布有較大的相關關系。

3.4 敏感性分析

根據敏感性指數的計算公式，本文把不同土地利用類型的生態價值系數調整50%，計算出了研究區2010年的敏感性指數。由圖5可見，不同地形位級別上不同土地利用類型生態服務功能價值指數的敏感性指數變動較大，但敏感性指數小于1，這表明研究區內生態系統服務價值對生態服務功能價值指數是缺乏彈性的，研究結果是可信的。

圖5 研究區地形位敏感性指數

4 結論

（1）研究區域內不同土地利用類型在地形梯度上表現出較為顯著變化。整體空間分布特征大致保持三段模式：低地形位區段（1～10）為耕地、建設用地和水域的優勢分布區；中地形位區段（10～25）是草地和林地的優勢分布區；高地形位區段（25～50）是林地的優勢分布區。

（2）就生態系統服務總價值而言，2010年河北燕山淺山丘陵區林地生態系統服務價值所占比例最大，達到了84.64%，未利用地生態系統服務價值最小，僅為0.001%，生態服務總價值在地形位1—3級別上呈上升趨勢，3—6級別上生態服務逐漸下降，在6—24級別上波動上升，在24級別達到峰值，然后隨著級別增大開始下降，在49級別達到最小值。土地生態服務價值在地形位差異化十分明顯。

（3）就生態系統單項服務價值而言，2010年，保持土壤、氣體調節、維持生物多樣性的生態系統服務價值較大，提供美學景觀和食物生產價值比重較小。食物生產、廢物處理、水源涵養優勢分布區間為地形位1—12，與耕地和水域面積多少存在較大相關關系；原材料生產、氣體調節、氣候調節、水源涵養、保持土壤、維持生物多樣性、提供美學景觀的服務價值優勢分布區間集中在地形位16—50，與林地面積分布有較大的相關關系。

［1］ 歐陽志云，王效科，苗鴻.中國陸地生態系統服務功能及生態經濟價值的初步研究［J］.生態學報，1999，19（5）：607－613.

［2］ 王宗明，張柏，張樹清.吉林省生態系統服務價值變化研究［J］.自然資源學報，2004，19（1）：55－61.

［3］ 王成，魏朝富，邵景安，等.區域生態服務價值對土地利用變化的響應：以重慶市沙坪壩區為例［J］.應用生態學報，2006，17（8）：1485－1489.

［4］ 周萬村.三峽庫區土地自然坡度和高程對經濟發展的影響［J］.長江流域資源與環境，2001，10（1）：15－21.

［5］ 羅云云，李瑞雪，屈明.重慶石碗溪小流域坡度和高程對土地利用及經濟發展的影響［J］.山地學報，2004，22（2）：254－258.

［6］ 喻紅，曾輝，江子灜.快速城市化地區景觀組分在地形梯度上分布特征研究［J］.地理科學，2001，21（1）：64－68.

［7］ 劉德林，李壁成.黃土高原上黃小流域土地利用類型的坡度分析［J］.水土保持研究，2010，17（5）：199－201.

［8］ 張榮天.寧鎮揚丘陵區土地利用空間結構的分形研究［J］.水土保持研究，2013，20（3）：98－103.

［9］ 趙東娟，齊偉，趙勝亭，等.基于GIS的山區縣域土地利用格局優化研究［J］.農業工程學報，2008，24（2）：101－106.

［10］ 周啟剛，陳丹.重慶山地都市區土地利用地形特征分異研究［J］.水土保持研究，2013，30（3）：86－91.

［11］ 梁發超，劉黎明.基于地形梯度的土地利用類型分布特征分析：以湖南省瀏陽市為例［J］.資源科學，2011，32（11）：2138－2143.

［12］ Costanza R，d′Arge R，De Groot R，et al.The value of the world′s ecosystem services and natural capital［J］.Nature，1997，387（6630）：253－260.

［13］ 謝高地，甄霖，魯春霞，等.一個基于專家知識的生態系統服務價值化方法［J］.自然資源學報，2008，23（5）：911－919.

［14］ 謝高地，魯春霞，冷允法，等.青藏高原生態資產的價值評估［J］.自然資源學報，2003，18（2）：189－195.

［15］ N.格里高利·曼昆.經濟學原理［M］.梁小民，譯.北京：北京大學出版社，1999.

［16］ 岳書平，張樹文，閏業超.東北樣帶土地利用變化對生態服務價值的影響［J］.地理學報，2007，62（8）：879－886.

［17］ 張偉，張宏業，王秀紅，等.伊犁新墾區土地利用變化及其對生態系統服務價值的影響［J］.資源科學，2009，31（12）：2042－2046.

［18］ 周德成，羅格平，許文強，等.1960—2008年阿克蘇河流域生態系統服務價值動態［J］.應用生態學報，2010，21（2）：399－407.

［19］ 李志沛，張宇清，朱清科，等，中國平原林業工程涵養水源生態服務功能價值估算［J］.水土保持研究，2012，19（3）：242－244.

［20］ Kreuter U P，Harris H G，Matlock M D，et al.Change in ecosystem service values in the San Antonio area，Texas［J］.Ecological Economics，2001，39（3）：333－346.