湘西生態系統服務時空變化分析

匡奕敩，彭羽，桑衛國

中央民族大學生命與環境科學學院，北京 100081

生態系統服務是生態系統與生態過程所形成及所維持的人類賴以生存的自然環境條件與效用（Boyd et al.，2007），生態系統服務價值特征對制定合理的生態系統管理目標具有重要意義，掌握生態系統服務功能時空演變規律是開展科學生態系統管理的重要前提（Le Maitre et al.，2007）。南方區域尤其自然資源豐富的民族地區處于典型的生態脆弱區，是南方山地丘陵區及長江中上游地區生態修復與保護的核心和關鍵區域。如何有效利用和保護自然資源，使南方區域生態系統服務發揮最大潛力并朝著人類社會經濟利益的方向可持續發展，是目前的關鍵所在。

近年來，生態系統服務價值評價研究很多，有直接市場法、間接評估法（李麗等，2018）、生態足跡法（Mancini et al.，2018）、基于遙感和FORCCHN評估（趙俊芳等，2018）、基于遙感（RS）和地理信息技術（GIS）的生態服務評價（陳鵬等，2011；王紅巖等，2012；閉馨月，2018）等。國內外不同專家和學者分別在森林、農田、海洋、城市區域等生態系統類型領域進行服務指標評估研究，取得了一定的進展。但不同的學者由于各自的認知水平不同，對生態系統服務評估具有一定的差異（戰金艷，2011）。

土地利用和土地覆蓋變化（LULC）對生態系統服務具有重要影響，在不同的空間和時間尺度上評估由LULC變化導致的生態系統服務變化將有助于確定生態系統服務價值和維持生態平衡管理實踐（Tripathi et al.，2019），增加土地利用價值會帶來持續的經濟效益，對經濟增長與生態系統恢復和保護有一定的協同提升作用（Hannah et al.，2019）。

本文將利用遙感和地理信息系統細化耕地、林地等二級土地利用類型，分析生態系統服務時空分布及變化情況，研究生態系統服務驅動力因素及生態功能提升規律。以達到更好保護生態紅線、建立以國家公園為主體的自然保護地體系，同時為生態系統協調管理提供決策依據，推動當地農村社區可持續發展，實現生態系統服務能力協同提升。

1 研究區域與方法

1.1 研究區域

湘西位于湘、鄂、黔、渝四省市交界處，109°10′—110°22.5′E，27°44.5′—29°38′N，是湖南的西北大門，是南方山地丘陵區及長江中上游地區生態修復與保護的核心和關鍵區域，研究區域如圖1所示。湘西歷史悠久，自然資源豐富，具有典型喀斯特地貌特征（陽岳龍等，2007），森林覆蓋率達70.24%，2018年獲得“國家森林城市”稱號，有南華山國家森林公園、不二門國家森林公園等，還有峒河國家濕地公園和瀘溪武水國家濕地公園等各類自然保護區 32個；湘西民族區位優勢，交通便利；但地域偏僻，生態環境脆弱，經濟基礎薄弱、發展滯后，當地居民社會經濟損害、生活拮據。亟待采取有效措施進行治理，實現生態系統服務能力對當地環境、社會經濟效益的提升。

圖1 湘西研究區域示意圖Fig. 1 Study area schematic of Xiangxi

1.2 數據來源與預處理方法

土地利用遙感監測數據主要來源于中國科學院資源環境數據云平臺（數據來源于中國科學院資源環境數據中心http://www.resdc.cn），基于Landsat遙感系列影像，通過人工目視解譯生成。其中獲取1980—2018年5個年度（1980年、1990年、2000年、2010年、2018年）湖南省地表生境空間數據，利用GIS的ActToolbox切割裁剪工具提取湘西各類型土地利用數據，如圖2所示。

查閱《湘西統計年鑒》，得到湘西州 1980—2018年的GDP與三產業增加值等社會經濟指標，以及自然災害損失、綠地保護區面積等數據。并以湘西州1952年發展速度100為基準，對主要年份生產總值GDP及三產業增加值進行轉換。

結合在湘西吉首、古丈、鳳凰、龍山等實地考察調研，獲得湘西州氣象局、民政局相關部門數據作為補充，其中降雨量、氣溫等環境數據由湘西州氣象局提供。

1.3 研究方法

土地利用變化特別是空間變化研究與地理信息系統的空間分析方法密不可分（Zhu et al.，2001），依據馬爾科夫理論，土地利用轉移矩陣可全面反映區域土地利用變化結構特征與轉化方向，是研究初期1980年和末期2018年不同土地利用類型之間相互轉化關系的重要模型，公式如下：

式中，S為土地面積；n為土地利用類型數；Sij表示研究初期 i類型土地利用轉化為研究末期 j類型土地利用面積；Sii表示i類型土地利用在研究時段沒有發生變化的面積。

湘西土地利用變化直接影響到生態系統服務價值（ESVs）的變化，利用土地利用面積可以對生態系統服務價值進行估算，Wang et al.（2016）細化中國不同區域不同類型的生態系統服務供給、調節、支持、文化功能進行價值估算，其中湘西所在的中南地區耕地的單價為10503.09 yuan·hm-2，林地為 37385.68 yuan·hm-2，草地為 15515.32 yuan·hm-2，水域為 66555.02 yuan·hm-2，未利用地為1848.01 yuan·hm-2；利用公式（1）對生態系統服務各年度時期的耕地、林地、草地、水域類型面積進行總價值的計算。

式中，U為生態系統服務功能總價值；Si為不同生態系統服務類型單位面積；Ai為對應Si不同類型的服務功能單位價值。

圖2 湘西五期土地利用現狀遙感監測數據圖Fig. 2 Remote Sensing Monitoring Data Map of Land Use Status in Xiangxi Phase V

2 結果與分析

2.1 1980—2018年湘西土地利用變化及轉移矩陣分析

通過對比1980—2018年湘西州5個年度的土地利用現狀，可以得到4個時間段的不同土地利用類型變化情況，如圖3所示。

圖3反映4個時間段耕地、林地和水域面積先增后減，草地面積逐步減緩，而未利用地和城建用地面積逐步增加的趨勢。從圖3的不同土地利用類型面積變化分析可以看出，耕地、林地和草地面積正在逐漸減少，轉為城市建設用地。

用GIS疊加分析并整理得到的土地利用轉移矩陣，進一步反映土地面積轉移的趨勢，結果表明（表1）：1980—2018年期間，林地轉出面積2404 km2，為6種土地類型面積中轉出最大的，主要轉化為耕地、草地和城建用地；其次為耕地，轉出1999 km2，但耕地由林地轉入面積1727 km2，凈轉出73 km2，是6種類型土地面積中凈轉出最大的；再次，城建用地轉入面積最大為203 km2，主要由耕地和林地轉入，凈轉入面積111 km2；最后，草地與水域面積，主要在與耕地和林地之間轉變，轉出/轉入面積相差不大。

圖3 1980—2018年湘西不同土地利用類型的面積變化Fig. 3 Area change of different land use types in Xiangxi from 1980 to 2018

表1 1980—2018年湘西土地利用轉移矩陣Table 1 Land Use Transfer Matrix of Xiangxi from 1980 to 2018 km2

1980—2018年湘西土地利用變化結果表明：耕地和林地面積明顯減少，而城建面積明顯增大。下問主要對耕地、林地和城建用地生態系統服務進行時空變化分析。

2.2 湘西生態系統服務時空變化分析

2.2.1 耕地類型生態系統服務價值時空變化分析

根據Wang et al.（2016）的中南地區耕地單價10503.09 yuan·hm-2可計算各縣區生態系統服務價值，并比較各期生態系統服務價值空間變化情況，如表2所示。

結果表明，耕地生態系統服務價值在各縣區各時期段都或有增減變化，而以2010—2018年鳳凰、古丈和永順減少量較大，分別為 3886.14萬元、1470.43萬元、2835.83萬元，龍山縣增加較大為1995.358萬元，總體湘西州耕地生態系統服務價值呈現逐年減少的趨勢。原因在于 2010—2018年鳳凰縣西北水田和古丈縣西北、永順縣西旱地面積減少較明顯（圖4）。

表2 1980—2018年湘西州各縣區耕地生態系統服務價值空間變化情況（萬元）Table 2 Spatial variation of ESVs of cultivated land in counties of Xiangxi Prefecture from 1980 to 2018 (RMB 104 yuan )

圖4 1980—2018年湘西土地利用類型的面積變化Fig. 4 Area Change of Land Use Types in Xiangxi from 1980 to 2018

2.2.2 林地類型時空變化與生態系統服務價值分析

由表3可知，林地生態系統服務價值在各縣區不同時期段也存在增減的情況，而以 2010—2018年花垣減少 6729.42萬元與龍山減少14580.4152萬元較大，總體湘西林地生態生態系統服務價值呈現先增后減的趨勢。原因在于2010—2018年花垣縣西部與龍山縣東北有林地面積減少較明顯。

2.2.3 城建用地地類型時空變化與生態系統服務價值分析

湘西城建類型時空變化如圖4，結果表明，1980—2018年吉首市城鎮用地及周邊各縣區建設用地增加，而吉首市西南的農村居民片明顯減少。對比圖7右，吉首市的城鎮用地主要由水田耕地轉入，周邊建設用地由水田和疏松林轉入，而吉首市減少的農村居民點主要轉變為有林地。由于城鎮、建設、住房占用耕地林地情況，湘西工業城建不斷由中心向周邊擴大，以水田為主的農田正在朝著以州府吉首市及各縣城為中心的生態區域空心化格局演變，而以有林地為主的森林正朝著邊遠鄉村邊緣化格局演變（圖5），未來區域生態形勢不容樂觀。

同理，可以分析草地及水域類型時空變化，得到各縣區生態系統服務價值時空變化情況。

2.3 湘西生態系統服務價值變化及生態系統服務影響因素分析

有了各類型各縣區生態系統服務價值，可以合并得到區域總體生態系統服務價值，湘西生態系統服務總價值出現先增后減的趨勢，表明近年來生態系統服務能力明顯下降。其中林地服務價值在2010年達到最大值4074291.41萬元，2010—2018年減幅較大，而耕地服務價值在 1980—2018年時間段逐年遞減（圖6）。截至2018年，湘西基本農田保護面積為1.555×105hm2。

耕地、林地和草地土地利用變化如圖7左所示，經歷過毀林造田到退耕還林還草的政策影響過程，相應林地生態系統服務價值轉變耕地生態系統服務價值，再轉變回林地生態系統服務價值，結果湘西耕地生態系統服務價值減少而林地生態系統服務價值增加。毀林造田與退耕還林是生態系統服務變化的一個主要影響因素。

2010—2018年，耕地、林地生態系統服務價值同步減少，可能是由于近年來推進城鎮化建設快速發展、工業不斷擴大所致。進一步對湘西生態系統服務價值與湘西州社會經濟各指標作比較（圖8），結果表明生態系統服務價值與國民 GDP及三產業反向增長，呈負相關性。

表3 1980—2018年湘西各縣區林地生態系統服務價值空間變化情況（萬元）Table 3 Spatial variation of ESVs of Forest land in counties of Xiangxi from 1980 to 2018 (RMB 104 yuan)

圖5 水田與有林地時空格局演變趨勢Fig. 5 Temporal and spatial pattern evolution trend of paddy field and forest land

圖6 湘西主要年度耕地與林地生態系統服務價值Fig. 6 Cropland and woodland ecosystem service value in the main years of Xiangxi

吉首市及周邊縣區建設用地不斷增加，耕地林地減少，湘西生態系統服務價值減少，服務能力下降。因而政策性城建用地是導致區域生態系統服務價值功能變化的的另一主要影響因素，是生態系統服務能力下降的影響因素。

水域與耕地林地面積相互轉化主要經歷人工開通河渠到圍湖造田過程，水體增加幅度主要來源于降水，1980—2018年湘西州水域面積最大值出現在2010年，為127 km2，其次是1990年的124 km2，空間變化主要在永順縣中心和南部。同時，這一時期段湘西經歷過兩次大的氣象自然災害年份，一次是 1995年的“5.31”以永順縣為暴雨中心水災和“6.30”以瀘溪縣為暴雨中心水災，另一次是 2010年5—7月先后14次暴雨洪澇過程。因而，暴雨引發的洪水泥石流等氣象自然災害沖毀農田森林也是生態系統服務變化的影響因素，是生態系統服務能力下降的潛在影響因素。

圖8 湘西主要年度生態系統服務價值與社會經濟發展的變化情況Fig. 8 Changes of Xiangxi ecosystem service value and socio-economic development in the main years

3 討論與建議

3.1 討論

圖7 1980—2018年湘西各類型土地利用面積轉化情況Fig. 7 Conversion of land use area of various types in Western Hunan from 1980 to 2018

生態系統服務價值評價的方法有很多，如InVEST模型（唐堯等，2015）、CASA模型及生態系統碳循環關系的簿記模型（黃卉，2015），使用服務價值法對小流域的保育土壤、水源涵養、碳循環、生物多樣性等的生態系統服務功能評估能起到很好的作用；但對于大區域來說，輸入參數較多、計算過程較為復雜，每種服務價值的評價方法和參數標準也難以統一（謝高地等，2015）。歐陽志云等（2013）在對一個地區或國家的生態系統生產總值的核算也指出生態系統指標的模糊性和服務評估現狀，而空間測算宏觀估算方法要較為簡便，使用當量因子法數據需求少，較為直觀易用。當然謝高地等（2003）提出的單位面積生態系統服務價值當量表也出現過很多問題，比如我國生態系統服務價值的計算，普遍沒有考慮灌叢生態系統的價值（王慶慧等，2019），這種缺失，影響價值演變規律的揭示以及驅動力分析；謝高地等（2015）根據我國實際情況修訂了中國陸地 14類二級生態系統單位面積服務價值當量表，采用千年生態系統評估（MA）的方法，將生態系統4大類服務進一步細分為食物生產、原料生產、水資源供給、氣體調節、氣候調節、凈化環境、水文調節、土壤保持、維持養分循環、生物多樣性和美學景觀等 11種服務功能，已被用于區域生態系統服務價值評估（曾杰等，2014；涂小松等，2015；韓蕊等，2019；汪東川等，2019）。中國地理范圍幅員遼闊，不同區域生態系統單位面積服務價值當量還是有所差異，本研究采用Wang et al.（2016）細化的中國不同區域不同類型的生態系統服務功能來進行價值估算，以解決區域生態系統服務評估的差異，當然不同的方法在結果上會存在一定的誤差，但生態系統服務價值時空變化的總體趨勢是一致的。

影響生態系統服務變化的驅動力因素有很多，涉及人口、社會經濟、農業系統、氣象、自然災害和生態建設多個方面（袁開國，2004）。有研究表明生態系統服務價值與國內旅游收入正相關性良好，與人口密度、工業總產值和城鎮率變化等指標因素因素呈現顯著負相關（韓蕊等，2019），城鎮化的快速發展對生態系統服務產生負面效應，該結論也與其他區域研究結果（李濤等，2016；韓蕊等，2019）是一致的。通過湘西生態系統服務時空變化及影響因素分析，可為區域生態系統服務能力提升提供決策依據，將有利于南方丘陵山地屏障帶生態系統服務提升技術研究與示范。

3.2 建議

近年來區域系統服務能力持續下降，城鎮化建設快速發展的同時也帶來了大量的生態環境問題（趙少華等，2019），由于政策性城建用地和氣象自然災害等因素的影響，對生態系統服務功能提升提出幾點建議如下：

（1）嚴守耕地紅線，開荒造田。中央文件一再指出要嚴守 18億畝耕地紅線，而隨著城鎮化建設的快速發展耕地面積卻在逐年下降。保障耕地面積，劃定永久基本農田，需要防止各種原因的農田土地占有。最大限度限制耕地林地土地面積向城建土地利用的轉化，對生態系統服務價值增長及生態功能穩定起著關鍵作用；同時開墾荒地，充分利用龍山和永順余出的3 km2未利用地，充分利用城建間地施肥種田，發展城中村，防止富余勞動力外流引起的農村空心化現象（緱文學，2012），工業城建的發展可在原有土地的基礎上向樓宇層面空間發展。

（2）建立以國家森林公園為主的自然保護地建設，開發旅游景區。由于森林生態系統服務單位面積價值遠大于耕地生態系統服務單位面積價值，重點適當加大以國家森林公園為主的自然保護地建設，可以保持一定生態系統服務價值固有量，利于嚴守生態紅線政策的有效實施，達到美化生態環境，推進生態功能提升；同時興建具有旅游價值意義的國家森林公園，在城鎮發展交通便利處劃定特定區域設立旅游生態景區，可以吸引外地游客投入資金，促進當地農村社區的協同發展。

（3）增加科技科技設備投資力度，加強防災防水意識，修建蓄水設施。科技是第一生產力，必要加強科技監測預測能力，準確預防極端惡劣天氣，最大限度緩解洪澇侵蝕耕地林地，防止因暴雨泥石流造成的水土流失對農田、森林生態系統服務的影響，促使區域生態功能回升；同時修建河堤水庫等蓄水設施，使洪水化害為利，提升區域生態功能。

此外，通過分析生態環境-區域災害-社會經濟活動耦合關系影響因素，為綜合管理作出有效決策，協同區域社會的可持續發展。

4 結論與展望

綜合湘西州1980—2018年5個自然年度4個時期段六類土地利用類型的生態系統服務時空變化規律及生態功能驅動力影響因素，可以得到以下結論：

（1）1980—2018年湘西州耕地和林地面積明顯減少，而城建面積明顯增大；湘西總體生態系統服務價值減少。

（2）研究期間湘西生態系統服務價值時空變化情況主要表現在永順縣和吉首市，工業城建用地不斷由州中心向周邊擴大，水田農田正朝著各市縣區生態區域空心化的格局演變，而有林地則正朝著邊緣化的格局演變。

（3）湘西生態功能逐年下降主要是由政策性城建用地所致，其次是受氣象自然災害影響。對此提出嚴守耕地紅線、開荒造田，建立以森林為主的國家公園自然保護地建設、開發旅游景區，加強防災防水意識、修建蓄水設施的初步建議。

由于數據來源所限，本文在遙感數據精度選取上的有些不足，大致反映湘西區域的主要生態系統服務價值時空變化及生態系統服務驅動力影響規律，且不同的生態系統服務估算方法所得的結果會有偏差，生態系統服務價值與社會經濟各指標之間相關關系與回歸關系，期待今后的進一步完善。