湖南省武陵山片區生態系統服務價值時空演變研究

王盈麗，莊大春，董賢斌，樊 簡，鄒妤陽

（吉首大學土木工程與建筑學院，湖南 張家界 427000）

生態系統是人類賴以生存的物質基礎，人類可直接或間接從中獲取各項服務，其服務源于生態系統的物質流、能量流以及信息流[1-5]。生態系統服務功能自提出以來備受國內外學者關注，Daily[4]于1997年從生態系統研究進程以及價值評估等方面對生態系統服務功能進行論述，Costanza等[5]核算了全球生態系統服務價值，謝高地等[6]通過改進單位面積價值當量因子靜態評估方法，對中國生態系統服務價值進行核算，并提出中國陸地生態系統服務價值表，該方法得到廣泛應用。

人類活動引起土地利用/土地覆被變化（Land use and cover change，LUCC），進一步改變生態系統的內部結構，影響著區域經濟與生態環境的協調發展。學者們對土地利用變化引起的生態系統服務價值變化進行了大量研究，而目前對山區展開的研究主要集中于縣域或市域尺度。如唐啟琳等[7]采用“當量因子法”對喀斯特山區羅甸縣的生態系統服務價值進行評價；王亞娟等[8]分析土地利用變化對寧夏山區彭陽縣生態系統服務價值的影響；陳萬旭等[9]對豫西山區欒川縣14個鄉鎮生態系統服務價值變化進行分析；付夢娣等[10]定量評估浙江省南部山區的泰順縣各類生態系統服務價值；唐孝甲等[11]運用生態系統服務價值理論對位于烏蒙山區的樂山市生態系統服務價值進行測算；而郭椿陽等[12]則從格網的角度對伏牛山區進行研究；目前對武陵山區生態系統服務價值變化的大尺度研究較為缺乏，僅有劉闖等[13]于2018年從生態系統服務價值的角度對武陵山區松桃縣的生態系統敏感性進行定量評價。

湖南省武陵山片區是我國亞熱帶森林系統核心區也是長江流域重要的生態安全屏障，區域內擁有獨特的自然、人文風光，棲息著多種野生動植物，素有“中華動植物基因庫”之稱，但區域整體海拔較高，地形地貌復雜多樣，多重因素影響下氣候較為惡劣，泥石流、雨雪冰凍等災害易發，是湖南省生態環境脆弱和水土流失較為嚴重的地區之一。在西部大開發以及武陵山經濟協作區戰略指導下，該區域發展得到進一步提升，2019年提出的西部陸海新通道總體規劃，更是給武陵山片區帶來新機遇、新挑戰。筆者以湖南省武陵山片區為研究區域，利用2000、2005、2010、2015和2018年這5期土地利用數據，從時空角度刻畫該區域土地利用與生態系統服務價值的動態變化特征，探尋二者是否存在空間一致性，這對實現區域土地資源的開發管理、生態環境保護、生態安全以及經濟社會的全面協調可持續發展具有重要的理論意義和實踐意義。

1 材料與方法

1.1 研究區域

湖南省武陵山片區面積約8.6萬km2，占湖南省總面積的40.58%，包含37個縣市（如圖1），區域內地層結構復雜多樣，有著世界罕見的石英砂巖峰林，擁有天子山自然保護區、索溪峪自然保護區、壺瓶山自然保護區、張家界國家森林公園以及八大公山國家自然保護區等。該區域2018年生產總值為5 085.82億元，常住人口1 871.76萬人，分別占湖南省的13.96%和25.55%。該區域在西部陸海新通道中占有重要戰略地位，承接長江經濟帶。經濟的發展，城市的擴張對區域生態系統的功能與結構產生著深遠影響。

圖1 研究區位置 ①文中地圖均是在自然資源部標準地圖服務網站下載的審圖號為GS（2016）1667號的標準地圖上制作的，底圖均無修改。

1.2 數據來源

2000、2005、2010、2015和2018年這五期湖南省武陵山片區的土地利用數據（30 m分辨率）來源于中國科學院資源環境科學數據中心（http://www.resdc.cn/），精度達90%以上[14]。

1.3 研究方法

1.3.1 數據預處理 根據GB 21010—2007 土地利用現狀分類標準，參考中國科學院土地利用/土地覆蓋分類系統[15]，結合研究區特點，將土地分為耕地、林地、草地、水域、建設用地及未利用地6類，參考相關研究[12,16-18]，利用漁網工具（Fishnet）將研究區分割為了1 km×1 km的87 582個格網，分別統計各個格網單元內的土地利用情況，在此基礎上對湖南省武陵山片區生態系統服務價值的時空動態進行研究。

1.3.2 土地利用變化動態度模型 采用土地利用凈變化量（Ci）[19]對各研究時段某一用地類型的變化幅度進行描述，計算公式如下。

式中，Ci為用地類型i的凈變化量，Uia、Uib分別為該用地類型i研究初期和末期的值。

利用土地利用轉移矩陣[20]從數量和空間2個方面刻畫土地利用變化。其表達式如下。

式中，Smn為區域內第m種和第n種土地利用類型之間相互轉換的數量。

1.3.3 生態系統服務價值評價方法 參照近年來關于生態系統服務價值的研究[21-24]，通過糧食產量對研究區生態系統服務價值當量因子進行修正，其中建設用地的價值當量為0。研究期內湖南省武陵山片區單位面積平均實際糧食產量為4 073.32 kg/hm2，同期全國單位面積糧食產量為5 621.18 kg/hm2，由此可得修正系數為0.72。謝高地等[6,21]確定了中國1個生態系統價值當量的經濟價值為3 406.50元/hm2，進一步換算得到研究區1個標準當量因子的生態系統服務價值為2 468.48元/hm2。

根據修正后的價值當量和各土地利用類型的面積可計算得到研究區生態系統服務價值，計算公式如下。

式中，ESV表示生態系統服務價值；Ai表示第i種土地利用類型的面積（hm2）；VCi表示第i種土地利用類型的生態系統服務價值系數；ESVf表示第f項生態系統服務的價值；VCfi表示第i種土地利用類型的第f項生態系統服務價值系數；ECf為某類土地利用類型第f項生態系統服務價值的當量；Ea為1個標準當量生態系統服務價值，即2 468.48元/hm2。

為從空間的角度刻畫生態系統服務價值變化情況，參照相關研究[16,22,25]，通過計算87 582個格網單元的生態系統服務價值變化指數（ESCI）來判斷各項生態系統服務的相對增益或減損。其計算公式如下。

式中，ESCIx表示單項生態系統服務價值的變化指數；ESCURx代表研究末期的ESV；ESHISx代表研究初期的ESV。計算結果大于0時表示ESV為增益，小于0時表示ESV有減損，等于0時表示ESV無變化。

1.3.4 生態系統服務價值相關性分析 采用莫蘭指數（Moran’s I）法對湖南省武陵山片區的ESV全局空間自相關趨勢進行描述[26-27]，Moran’s I取值一般在[-1，1]之間，大于0表明空間事物的屬性值是空間正相關，小于0表示空間事物的屬性值是空間負相關，等于0時表明不存在空間自相關性，且Moran’s I絕對值越大相關性越強。

采用G*i探究ESV的局部空間聚類特征，用于反映研究區之間ESV的關聯程度，判斷是否存在高值聚類或低值聚集現象，并對其“熱點”與“冷點”分布格局位置進行識別，該計算通過ArcGIS 10.2軟件實現[22]。計算公式如下。

式中，n為空間網格單元數量；xi、xj表示第i、j地區的觀測值；Wij為二進制的鄰接空間權重矩陣，表示空間對象的鄰接關系。

2 結果與分析

2.1 土地利用結構變化

對土地利用數據重分類得到研究區域土地利用情況見表1，2018年研究區域林地面積為61 199.66 km2，占總面積的71.20%，其次為耕地，面積為18 242.02 km2，占總面積的22.22%，二者占了研究區域93.42%的面積。林地是研究區域主要的土地利用類型，各行政區域均有大量分布；耕地主要分布在慈利縣、武岡縣、洞口縣、新寧縣、邵陽縣、隆回縣、新邵縣、新化縣以及漣源市；草地零散分布在花垣縣、沅陵縣、龍山縣、桑植縣、保靖縣以及永定區；水域主要分布沅陵縣、安化縣以及新化縣，主要水系為沅水、資江；而建設用地主要分布在永定區、吉首市、鶴城區、新化縣、冷水江市以及漣源市；未利用地僅占0.01%（圖2）。

圖2 2000年和2018年湖南省武陵山片區土地利用類型的變化

表1 2000—2018年湖南省武陵山片區土地利用類型及變化 （km2）

2000—2018年湖南省武陵山片區建設用地面積增加最大，為459.18 km2，其中武岡市、永定區、新化縣以及洞口縣建設用地增長較為顯著；其次為林地，增加面積為231.35 km2；水域的面積增長110.87 km2；其余土地利用類型面積均呈縮減趨勢，其中耕地面積縮減最大，為488.15 km2；其次是草地，縮減面積為313.26 km2；未利用土地面積縮減0.22 km2。研究區建設用地面積變化幅度最大，增幅為71.19%；水域增幅次之為10.97%；林地增幅最低，僅為0.38%；草地減幅最大，為6.83%；耕地次之，為2.61%；未利用地減幅最低，為2.49%。從面積階段性變化來看，耕地面積呈持續性縮減趨勢；與之相反，建設用地則呈持續增長態勢；林地在2005—2015年縮減3.24 km2，隨后大幅增長；草地面積僅在2005—2010年小幅增加0.81 km2，其余時段均為縮減，且2010年后開始大幅縮減；水域面積在2005—2010年未發生改變，其余時段均呈增長趨勢；未利用地變化較為穩定，但2015—2018年出現小幅增長。

研究區土地利用類型間的相互轉變較為顯著，從表2可以看出，耕地轉出現象最為突出，從2000年到2018年，分別有413.13、112.57、308.61 km2的耕地轉成了林地、水域和建設用地；林地轉出量次之，從2000年到2018年，分別有261.77、123.60、245.01 km2的林地轉為耕地、草地和建設用地；草地轉出量排第三，從2000年到2018年，有408.74 km2的草地轉為林地，轉為其余類型的面積較小；其他用地類型轉出量均較小。從轉入面積來看，林地轉入量最大，主要來自耕地以及草地；建設用地轉入量次之，有308.61 km2耕地以及245.01 km2林地轉為建設用地；其余類型轉入量均較小。

表2 2000—2018年湖南省武陵山片區土地利用轉移矩陣 （km2）

如圖3所示，土地利用轉變主要發生在懷化市鶴城區、沅陵縣以及吉首市。其中，懷化市鶴城區主要是由林地轉為建設用地或由耕地轉為林地；沅陵縣沿沅水區域主要是由草地轉為林地；而吉首市西南部則主要是由建設用地轉為林地。整體來看，研究期內湖南省武陵山片區土地利用發生的轉變并不明顯。

圖3 2000—2018年湖南省武陵山片區土地利用變化的空間分布

2.2 生態系統服務價值變化分析

2.2.1 不同土地利用類型生態系統服務價值變化 由表3可知，2000—2018年研究區域的ESV在波動中呈上升趨勢，共增加55.668億元，增長率為0.423%。其中，水域的ESV增長最多，增加51.401億元，增幅為10.969%；林地的ESV增長量次之，為44.996億元，但增幅僅為0.379%；其余土地利用類型ESV均呈下降趨勢，其中草地的ESV減少最多，為31.209億元，減幅6.829%；耕地的ESV減少9.52億元，減幅為2.606%；未利用地僅減少0.001億元，減幅為3.333%。研究區內林地產生的ESV占總ESV的90%以上，林地是研究區域ESV的主要貢獻者。

表3 2000—2018年湖南省武陵山片區生態系統的服務價值 （億元）

運用自然斷點法將各格網單元的ESV分為6個等級，其中一級為最低，六級為最高。由此得到湖南省武陵山片區的ESV空間分布如圖4所示，從2000年和2018年ESV空間分布來看ESV等級與區域海拔高度空間差異分布高度契合，高海拔區域ESV值較高，而低海拔多耕地多建設用地的區域ESV值較低。從2000—2018年ESV的損益情況（ESCI）來看，研究區整體表現為增益，零散地區有減損，減損區域主要分布在懷化市鶴城區、吉首市以及婁底市漣源市。

圖4 2000—2018年湖南省武陵山片區生態系統服務價值及其生態系統服務價值變化指數的空間分布

2.2.2 單項生態系統服務價值變化 研究區域單項ESV以氣候調節、水文調節、土壤保持以及生物多樣性為主，4項合計占總價值的70%左右，2000—2018年，水文調節增長量最大，為36.07億元；其次是水資源供給和氣候調節，分別增長了6.95億和6.27億元（表4）。這與研究區林地、水域面積的增長密不可分。2000—2015年總價值的降低是由于草地與林地面積的縮減造成調節服務與支持服務價值降低導致的。

表4 2000—2018年湖南省武陵山片區單項生態系統服務價值 （億元）

2.3 自相關分析

由表5可知，5個研究時段內Moran’s I均大于0，且在波動中呈現增長趨勢，而P值均小于0，表明研究區ESV在空間分布上呈現出較強的正向自相關性，且相關性在波動中逐漸增強，ESV高值區趨于聚集，低值區則為相鄰。

表5 2000—2018年湖南省武陵山片區ESV變化及其空間自相關性

如圖5所示，2000—2018年研究區域ESV增值熱點區較為分散，主要分布在會同縣東南部、吉首市西南部以及懷化市鶴城區，會同縣主要是由耕地轉為林地，鶴城區則是由建設用地轉為林地、林地轉為草地，吉首市是由建設用地轉為耕地；而ESV損失冷點分布極少，熱點分布大于冷點分布，表明研究區ESV呈現上升趨勢。從研究期整體上看，增值熱點區域與2000—2018年研究區ESCI空間分布和土地利用空間轉移較為一致。

3 結論與討論

基于湖南省武陵山片區2000年、2005年、2010年、2015年、2018年5期土地利用數據，對研究區域土地利用及生態系統服務價值的時空演變特征進行探究，得出以下結論。

（1）2000—2018年湖南省武陵山片區ESV呈波動上升趨勢，增加55.668億元，但增長率僅為0.423%。高值區分布在高海拔區域，林地產生的ESV占總ESV的90%以上，研究區域ESV整體表現為增益，減損地區主要為懷化市鶴城區、吉首市以及婁底市漣源縣。單項ESV以氣候調節、水文調節、土壤保持以及生物多樣性為主，合計占總價值的70%左右。

（2）湖南省武陵山片區主要以林地和耕地為主，二者面積為總面積的90%以上，2000—2018年間研究區域耕地面積呈持續減少趨勢，建設用地則呈持續增長態勢，耕地面積減小488.15 km2，減幅為2.16%，建設用地面積增加459.18 km2，增幅為71.19%，耕地面積轉出量最大為869.16 km2，而林地的轉入量最大為951.14 km2，用地類型轉變主要發生在懷化市鶴城區、沅陵縣以及吉首市。整體來看，湖南省武陵山片區土地利用轉型并不明顯。

（3）根據相關性研究可知，研究區5個時段的Moran’s I均大于0.5，ESV在空間上具有非常顯著的空間聚集性，高值區趨于聚集，低值區趨于相鄰；ESV增值熱點區零散分布在懷化市鶴城區、會同縣東南部以及吉首市西南部，增值熱點區域與2000—2018年研究區ESCI空間分布以及土地利用空間轉移較為一致。

受地形影響，湖南省武陵山片區城市擴張主要集中在低海拔地區，隨著城市化進程的推進，研究區域耕地面積持續減小，城市擴張區域生態系統服務價值有所下降。2005—2015年林地面積小幅下降，但總體呈上升趨勢。土地利用類型間的轉變導致ESV的協同變化。2018年湖南省劃定生態保護紅線，加大對保護區的監管，但在西部陸海新通道的帶動下，未來區域發展對土地的需求將進一步擴大，由此可預測，湖南省武陵山片區未來的生態系統服務價值下行壓力較大，如何提高研究區土地利用效率，合理利用國土空間，是該區域未來的規劃重點。

單位面積價值當量因子法適用于全球尺度評估，但應用于小區域有一定的局限性，未來可在此基礎上進一步探索更適用于山區研究的修正方法，基于1 km×1 km的漁網進行分析，并未進行多尺度試驗，今后可探索不同尺度對研究結果存在的影響。