基于地形的縣域生態系統服務價值分析

趙文江，徐明德

(太原理工大學環境科學與工程學院，山西 太原 030024)

生態系統服務是指生態系統為人類生存和發展提供的一系列支持功能與環境效用[1]。生態系統服務價值的具體分類包括食物與水資源供給、氣候與水質調節、土壤保持、旅游觀光以及生物多樣性維護等多方面。

從20世紀90年代開始，全球范圍內有關生態系統服務價值的研究開始發展起來。在國外，Daily等[2-3]、Prince等[4]、Sellers等[5]和Costanza等[6]較早在全球提出生態系統服務價值的核算方法。在國內，謝高地等[7]、歐陽志云等[8]在生態系統服務價值的研究方面具有權威性。21世紀以來，關于生態系統服務價值的研究成為生態環境領域的研究熱點，目前主要研究內容包括三個方面：一是某地域特征生態系統服務價值研究，如石垚等[9]、江波等[10]分別對盆地區和濕地區生態系統服務價值進行了核算；二是某一地區生態系統服務價值的研究，如賴敏等[11]和張瑜等[12]分別對三江源和黃土高原區的生態服務總價值進行了核算；三是不同類型生態系統服務價值的研究，如潘鶴思等[13]總結了森林生態系統服務價值的研究進展,傅伯杰等[14]對中國生物多樣性服務價值進行了計算與分析。近幾年來，有關生態系統服務價值的研究更多地側重于生態系統服務價值的時空變化和土地利用類型變化對其價值的影響等方面。如王新闖等[15]分析了河南新鄭市土地利用類型變化對生態系統服務價值的影響。但是將土地利用變化與地形結合起來的研究則較少。

山西絳縣東南高峻，西北平緩，地形差異明顯。本文擬從高程和地形坡度兩個方面分析該地區土地利用類型變化對生態系統服務價值的影響，并通過引入生態系統服務價值的動態度和敏感性指數，來分析土地利用類型時空變化在地形梯度上對生態系統服務價值的影響，為絳縣地區合理規劃和利用資源提供依據。

1 研究區概況

絳縣位于山西省南部，運城市東北部，地理坐標為100°10′E～110°60′E、35°20′N～35°38′E，東西長49.1 km，南北寬35.4 km，總面積為993.49 km2，共轄10個鄉鎮、205個行政村，自然生態環境良好，林木覆蓋率達28.9%。該地區地貌東南高峻，西北平緩，其中山區面積占67.5%，丘陵面積占18%，平原面積占14.5%。

研究區屬暖溫帶大陸性氣候，氣候溫和，四季分明，春季多風干燥，夏季炎熱多雨，秋季涼爽晴朗，冬季寒冷少雪，光照長，熱量足，降水分布少且不均。

2 研究數據與方法

2.1 數據來源與處理

2.1.1 高程與遙感數據

高程數據采用GDEMV2的30 m分辨率DEM數據，遙感數據采用2007年Landsat4-5 TM數據和2017年Landsat8 OLI_TIRS數據，主要來自地理空間數據云。

2.1.2 其他數據

從絳縣統計局及其他相關部門得到研究區人口、土地面積、降雨量監測數據等相關文本資料，以及行政區劃圖、地形地貌圖等圖件資料。

2.1.3 數據處理

利用ERDAS軟件對遙感數據進行波段融合，并通過非監督分類與目視解譯，對研究區生態系統類型(林地、灌木、草地、未利用地、水體、建設用地和耕地)進行識別，得到研究區不同土地利用類型分布圖，見圖1。DEM數據首先在ArcGIS軟件中進行掩膜提取，得到絳縣高程圖；然后通過表面分析和重分類得到絳縣高程和地形坡度圖，見圖2。其中，將高程劃分為0～700 m、700～900 m、900～1 200 m、1 200～1 500 m、1 500～1 800 m、1 800～2 100 m 6個等級；將地形坡度劃分為0°～6°、6°～13°、13°～20°、20°～28°、>28° 5個等級。

圖1 絳縣2007年和2017年土地利用類型分布圖Fig.1 Distribution map of land use types in Jiang County

圖2 絳縣高程和地形坡度梯度分布圖Fig.2 Distribution map of elevation and slope in Jiang County

2.2 研究方法

2.2.1 生態系統服務價值動態度(EV)的計算

單一生態系統服務價值動態度(EV)表征某土地利用類型生態系統服務價值的變化程度[16]。EV值越大，表明該土地利用類型的變化程度越高，變化量越大。EV值的計算公式為：

(1)

式中：EV為單一生態系統服務價值的動態度；Va和Vb分別表示研究期初和研究期末某土地利用類型的面積(hm2)；t為研究時長(a)。

2.2.2 生態系統服務價值的計算

根據Costanza制定的生態系統服務價值計算公式，參考謝高地在2015年修正的生態系統服務價值當量因子表(見表1)，并結合研究區實際情況，采用下式計算研究區生態系統服務價值：

ESV=∑(Ai×VCt)

(2)

式中：ESV為研究區生態系統服務價值；Ai為研究區第i類土地利用類型的面積(hm2)；VCi為第i類土地利用類型的生態系統服務價值系數(元/hm2)。

表1 生態系統服務價值系數表

2.2.3 生態系統服務價值敏感性指數(SCi)的計算

利用敏感性指數(SCi)來分析研究區土地利用類型的變化對生態系統服務價值變化的敏感程度。SCi越大，表明生態系統服務價值對土地利用類型的變化越敏感；反之則越不敏感。SCi的計算公式為：

(3)

式中：SCi為單一生態系統服務價值的敏感性指數；V1i和V2i分別為研究區2007年和2017年第i類土地利用類型的生態系統服務價值(萬元)；ESV1和ESV2分別為研究區2007年和2017年生態系統服務總價值(萬元)。

3 結果與分析

3.1 土地利用類型的變化分析

由圖1可見，絳縣2007年土地利用類型以林地和耕地為主，面積分別為26 725.46 hm2和36 321.46 hm2，耕地主要分布在絳縣西部和北部區域，林地和灌木主要分布在絳縣東部和南部區域[見圖1(a)]；2007—2017年間，絳縣林地、草地和建設用地面積呈增加趨勢，增加量分別為22 752.73 hm2、735.87 hm2和7 817.89 hm2，灌木、未利用地、水體和耕地面積呈減少趨勢，減少量分別為6 537.24 hm2、2 359.62 hm2、1 010.95 hm2和21 507.28 hm2。其中，林地的增加區域基本上還是分布在絳縣東部和南部區域，該處是東華山生態旅游區，旅游區開發以來，相關部門對該區域采取了一系列保護措施，不斷改善生態環境，使得林地面積不斷增加；草地的增加區域主要是分布在絳縣西北部和西部邊緣區域，主要由耕地演變而來，隨著城市化進程的加快，不少耕地被棄耕，使得草地面積增加；建設用地的增加區域主要分布在絳縣北部和中部區域，主要也是由耕地演變而來，由于該區域地勢平坦、交通便利，經濟的不斷發展使得企業不斷增加，城鎮化的加快也使城鎮居住用地面積不斷增加；未利用地的減少是由經濟的不斷發展對建設用地的需求增加所致；水體面積的不斷減少與該區是干旱地區有關，并且人口的增加也導致對水資源的需求不斷增加，地表水資源不斷減少。

3.2 生態系統服務價值的變化分析

2007年和2017年絳縣各土地利用類型的生態系統服務價值，見表2和表3。

表2 2007年絳縣各土地利用類型的生態系統服務價值(萬元)

表3 2017年各土地利用類型生態系統服務價值(萬元)

由表1和表2可知，從生態服務系統總價值的變化來看，研究區林地和草地的生態系統服務價值增加，其中林地的增加最多，增加量為43 990.12萬元，灌木、未利用地、水體和耕地的生態系統服務價值減少，減少量分別為12 639.10萬元、87.65萬元、4 112.18萬元和13 150.19萬元,2007年建設用地的生態系統服務價值最低，而2017年水體的生態系統服務價值最低，這與水體的面積驟減密切相關；各土地利用類型(林地、灌木、草地、未利用地、水體、建設用地、耕地)的生態系統服務價值動態度分別為0.85、0.73、0.10、0.17、0.99、1.28、0.59，生態系統服務價值動態度最大的是水體和建設用地，最小的是草地，其中林地和灌木的生態系統服務價值均較高，其動態度也較高，耕地的生態系統服務價值雖然也較高，但其動態度屬于中等；在生態系統服務價值的貢獻類型來看，林地所貢獻的生態系統服務價值除食物提供外都是最高的；從總生態系統服務價值的構成來看，林地、灌木和耕地的生態系統服務價值總和占到了90%以上，2007年為90.57%，2017年為94.75%。

3.3 基于地形的各土地利用類型生態系統服務價值的時空變化特征分析

2007—2017年間絳縣各土地利用類型的生態系統服務價值隨高程和地形坡度梯度的變化量，見圖3。

圖3 2007—2017年間絳縣各土地利用類型的生態系統 服務價值隨高程和坡度梯度的變化量Fig.3 Change of ecosystem service value with elevation and slope gradient of different land use types in Jiang County during 2007—2017

由圖3(a)可見，研究區隨著高程梯度的增加，林地的生態系統服務價值變化量呈先增后減的趨勢，水體的生態系統服務價值變化不明顯，而其他的生態系統服務價值變化量基本上呈先減后增的趨勢。其中，在0～700 m高程梯度上，建設用地的生態系統服務價值增加量最多，為6 013.52萬元，耕地的生態系統服務價值減少量最多，為11 909.73萬元，這是由城鎮化進程的加快，工業企業不斷發展，所需面積不斷增加導致；在900～1 200 m高程梯度上，林地的生態系統服務價值增加量最多，為12 620.66萬元，主要原因是該高程梯度的土地主要分布在林地豐富的東部和南部區域；在1 200～1 500 m、1 500～1 800 m和1 800～2 100 m高程梯度上，生態系統服務價值增加量最多的均為林地，分別為6 110.69萬元、2 060.19萬元和55.36萬元，減少量最多的均為灌木，分別為3 602.37萬元、1 118.08萬元和34.26萬元，主要是因為政府對東部和南部地區旅游資源的開發與保護，使得林地逐漸成為優勢土地利用類型。

由圖3(b)可見，隨著地形坡度梯度的增加，林地的生態系統服務價值變化量呈先增后減的趨勢，耕地的生態系統服務價值變化量呈先增加后基本保持不變的趨勢，而其他土地利用類型的生態系統服務價值變化量基本上呈先減后增的趨勢，且變化量越來越小。在坡度梯度上，生態系統服務價值量變化程度最大的為林地和耕地。其中，在0°～6°地形坡度梯度上，生態系統服務價值增加量最多的為建設用地，為8 334.29萬元；生態系統服務價值減少量最多的為耕地，為13 371.09萬元，這與高程梯度上的變化情況相同，因為0°～6°地形坡度梯度的土地利用類型包含0～700 m高程梯度的土地利用類型；在6°～13°地形坡度梯度上，生態系統服務價值增加量最多的是林地，為7 714.30萬元，生態系統服務價值減少量最多的是耕地，為4 042.53萬元；這與城鎮化進程的加快以及退耕還林政策有關。在13°～20°、20°～28°和>28°地形坡度梯度上，生態系統服務價值增量最多的均為林地，生態系統服務價值最大增加量為9 946.53萬元；生態系統服務價值減少量最多的均為灌木，這與東部和南部區域旅游資源的開發與保護相關。

3.4 基于地形的單項生態系統服務價值時空變化特征分析

2007—2017年間絳縣各單項生態系統服務價值隨高程和地形坡度梯度的變化量，見圖4。

圖4 2007—2017年間絳縣各單項生態系統服務價值 隨高程和地形坡度梯度的變化量Fig.4 Change of each ecosystem service value with elevation and slope gradient in Jiang County during 2007—2017

由圖4可見，研究區不管是在高程梯度還是地形坡度梯度上，除食物提供和廢物處理外，各單項生態系統服務價值量的變化趨勢大致相同，都呈不斷減少的趨勢，而食物提供和廢物處理的生態系統服務價值變化量呈不斷增加的趨勢，且耕地具有最高的食物提供生態系統服務價值，水體具有最高的廢物處理生態系統服務價值。這是因為2007—2017年間，研究區耕地和水體面積的大幅減少，使得食物提供和廢物處理的生態系統服務價值不斷減少，減少量分別為1 744.28萬元、2 777.60萬元；由于林地面積的大幅增加，在高程梯度和地形坡度梯度上，氣體調節、原材料提供、生物多樣性保護和土壤形成與保護生態系統服務價值的增加量最多，分別為4 122.55萬元、3 542.56萬元、3 338.85萬元和2 953.02萬元。

在0～700 m高程梯度上，食物提供和廢物處理生態系統服務價值減少，減少量分別為527.38萬元、837.86萬元，廢物處理減少量達到最多，其他各單項生態系統服務價值均增加，氣體調節的增加量達到最多，為1 253.69萬元；在700～900 m、900～1 200 m、1 200～1 500 m和1 500～1 800 m高梯度上，各單項生態系統服務價值的變化量逐漸減少，而在1 800～2 100 m高梯度上，各單項生態系統服務價值量均無明顯的變化。

在0°～6°地形坡度梯度上，氣體調節生態系統服務價值的增加量最多，為1 640.02萬元；廢物處理生態系統服務價值的減少量最多，為1 096.04萬元；在6°～13°地形坡度梯度上，各單項生態系統服務價值的變化量驟減，增減量均大幅減少；在13°～20°、20°～28°和>28°生態系統服務梯度上，各單項生態系統服務價值的增減量變化不大，但是增加量最多的仍為氣體調節價值，減少量最多的仍為廢物處理價值。

3.5 生態系統服務價值敏感性分析

2007—2017年間絳縣各土地利用類型的生態系統服務價值敏感性指數柱狀圖，見圖5。

圖5 2007—2017年間絳縣各土地利用類型的生態系統 服務價值敏感性指數柱狀圖Fig.5 Sensitivity index of different land use types in Jiang County during 2007—2017

由圖5可見，研究區建設用地的生態系統服務價值敏感性指數是最高的，為8.73，說明建設用地的變化對生態系統服務價值量的影響最大，10年間建設用地生態系統服務價值增加了127.9%；除此之外，水體、林地、灌木和耕地的生態系統服務敏感性指數也較高，分別為6.77、5.81、4.97和4.04，其中水體的生態系統服務價值減少了99.1%，林地的生態系統服務價值增加了85.1%，灌木的生態系統服務價值減少了72.8%，耕地的生態系統服務價值減少了59.2%；草地、未利用地的生態系統服務價值敏感性指數較低，對應的生態系統服務價值變化量均小于20%。

4 討 論

生態系統服務價值與土地利用情況有關，而土地利用情況與地形密切相關。由于不同高度的地貌特征、氣候條件、土壤條件、光照條件等的差異，造成植被在不同高程和地形坡度上的分布存在差異，人口聚集區的分布也與地形密切相關。這些差異造成不同高程地形坡度上生態系統服務價值存在差異。絳縣的優勢土地利用類型是林地，主要分布在海拔較高、地形坡度較陡的東南部地區，而耕地、建設用地則分布在海拔較低、地形坡度較平緩的北部和西部地區。

絳縣2007年的生態系統服務總價值為100 754.18萬元，2017年的生態系統服務總價值為115 516.98萬元，增加了14.65%，2007年和2017年對生態系統服務價值貢獻最多的都是林地。在高程梯度上，絳縣2007年在1 200～1 500 m高程梯度上林地生態系統服務價值增加量最多，為11 393.49萬元；2017年在900～1 200 m高程梯度上生態系統服務價值增加量最多，為21 714.76萬元。在坡度梯度上，絳縣2007年在20°～28°地形坡度梯度上林地生態系統服務價值增加量最多，為9 139.04萬元；2017年在13°～20°地形坡度梯度上林地生態系統服務價值增加量最多，為17 500.41萬元，其生態系統服務價值動態度為0.85，敏感性指數為5.81，均較高。2007—2017年間，絳縣建設用地和水體的生態系統服務價值動態度和敏感性指數雖高，但是由于建設用地和水體的面積少，所貢獻的生態系統服務價值量也較少。因此，對絳縣總體生態系統服務價值變化起決定性作用的仍是林地，這與崔文全等[17]的研究結果相近。由圖1和圖2可見，林地主要分布在絳縣東南部的東華山生態旅游區，各單項生態系統服務價值均較高，其對生態系統服務價值的貢獻最大。

5 結論與建議

本文基于地形分析了山西絳縣各土地利用類型生態系統服務價值和單項生態系統服務價值的時空變化特征，得到以下結論：

(1) 2007—2017年，絳縣土地利用面積增加了9 596 hm2，林地面積增加量最大為22 752.73 hm2，耕地面積減少量最大為21 507.28 hm2。絳縣生態系統服務總價值增加了14 762.80萬元。其中，林地、草地和耕地的生態系統服務價值增加，林地生態系統服務價值增加量最大為43 990.12萬元；灌木、未利用地、水體和耕地的生態系統服務價值減少，耕地生態系統服務價值減少量最大為13 150.19萬元。

(2) 2007—2017年間，絳縣各土地利用類型高程生態系統服務價值在高程梯度上的變化量除水體以外都呈先增后減的趨勢，水體生態系統服務價值的變化量在各高程梯度上則一直在減少；在高程梯度和地形坡度梯度上，平均生態系統服務價值量變化程度最大的均為林地和耕地。

(3) 單項生態系統服務價值中，在每一高程梯度和地形坡度梯度上，增加量最大的均為氣體調節價值，減少量最大的均為廢物處理價值。

(4) 絳縣總生態系統服務價值動態度和敏感性指數最大的均為建設用地，但是對生態系統服務價值貢獻最多且變化量最大的則是林地。

綜上研究發現，絳縣東南區域林地對該地區總生態系統服務價值和整體經濟貢獻較突出，需合理規劃開發與保護。