湖南省武陵山片區(qū)生態(tài)系統(tǒng)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(tài)系統(tǒng)是人類賴以生存的物質(zhì)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(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)流、能量流以及信息流[1-5]。生態(tài)系統(tǒng)服務功能自提出以來備受國內(nèi)外學者關注，Daily[4]于1997年從生態(tài)系統(tǒng)研究進程以及價值評估等方面對生態(tài)系統(tǒng)服務功能進行論述，Costanza等[5]核算了全球生態(tài)系統(tǒng)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(tài)評估方法，對中國生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行核算，并提出中國陸地生態(tài)系統(tǒng)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(tài)系統(tǒng)的內(nèi)部結構，影響著區(qū)域經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。學者們對土地利用變化引起的生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化進行了大量研究，而目前對山區(qū)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(qū)羅甸縣的生態(tài)系統(tǒng)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(qū)彭陽縣生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響；陳萬旭等[9]對豫西山區(qū)欒川縣14個鄉(xiāng)鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)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(qū)的泰順縣各類生態(tài)系統(tǒng)服務價值；唐孝甲等[11]運用生態(tài)系統(tǒng)服務價值理論對位于烏蒙山區(qū)的樂山市生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行測算；而郭椿陽等[12]則從格網(wǎng)的角度對伏牛山區(qū)進行研究；目前對武陵山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)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(tài)系統(tǒng)服務價值的角度對武陵山區(qū)松桃縣的生態(tài)系統(tǒng)敏感性進行定量評價。

湖南省武陵山片區(qū)是我國亞熱帶森林系統(tǒng)核心區(qū)也是長江流域重要的生態(tài)安全屏障，區(qū)域內(nèi)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(qū)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(fā)，是湖南省生態(tài)環(huán)境脆弱和水土流失較為嚴重的地區(qū)之一。在西部大開發(fā)以及武陵山經(jīng)濟協(xié)作區(qū)戰(zhàn)略指導下，該區(qū)域發(fā)展得到進一步提升，2019年提出的西部陸海新通道總體規(guī)劃，更是給武陵山片區(qū)帶來新機遇、新挑戰(zhàn)。筆者以湖南省武陵山片區(qū)為研究區(qū)域，利用2000、2005、2010、2015和2018年這5期土地利用數(shù)據(jù)，從時空角度刻畫該區(qū)域土地利用與生態(tài)系統(tǒng)服務價值的動態(tài)變化特征，探尋二者是否存在空間一致性，這對實現(xiàn)區(qū)域土地資源的開發(fā)管理、生態(tài)環(huán)境保護、生態(tài)安全以及經(jīng)濟社會的全面協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)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(qū)域

湖南省武陵山片區(qū)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(qū)域內(nèi)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(qū)、索溪峪自然保護區(qū)、壺瓶山自然保護區(qū)、張家界國家森林公園以及八大公山國家自然保護區(qū)等。該區(qū)域2018年生產(chǎn)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(qū)域在西部陸海新通道中占有重要戰(zhàn)略地位，承接長江經(jīng)濟帶。經(jīng)濟的發(fā)展，城市的擴張對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的功能與結構產(chǎn)生著深遠影響。

圖1 研究區(qū)位置 ①文中地圖均是在自然資源部標準地圖服務網(wǎng)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(shù)據(jù)來源

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

1.3 研究方法

1.3.1 數(shù)據(jù)預處理 根據(jù)GB 21010—2007 土地利用現(xiàn)狀分類標準，參考中國科學院土地利用/土地覆蓋分類系統(tǒng)[15]，結合研究區(qū)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(wǎng)工具（Fishnet）將研究區(qū)分割為了1 km×1 km的87 582個格網(wǎng)，分別統(tǒng)計各個格網(wǎng)單元內(nèi)的土地利用情況，在此基礎上對湖南省武陵山片區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值的時空動態(tài)進行研究。

1.3.2 土地利用變化動態(tài)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(shù)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(qū)域內(nèi)第m種和第n種土地利用類型之間相互轉換的數(shù)量。

1.3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務價值評價方法 參照近年來關于生態(tài)系統(tǒng)服務價值的研究[21-24]，通過糧食產(chǎn)量對研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)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(nèi)湖南省武陵山片區(qū)單位面積平均實際糧食產(chǎn)量為4 073.32 kg/hm2，同期全國單位面積糧食產(chǎn)量為5 621.18 kg/hm2，由此可得修正系數(shù)為0.72。謝高地等[6,21]確定了中國1個生態(tài)系統(tǒng)價值當量的經(jīng)濟價值為3 406.50元/hm2，進一步換算得到研究區(qū)1個標準當量因子的生態(tài)系統(tǒng)服務價值為2 468.48元/hm2。

根據(jù)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(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值，計算公式如下。

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

為從空間的角度刻畫生態(tài)系統(tǒng)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(wǎng)單元的生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化指數(shù)（ESCI）來判斷各項生態(tài)系統(tǒng)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(tài)系統(tǒng)服務價值的變化指數(shù)；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(tài)系統(tǒng)服務價值相關性分析 采用莫蘭指數(shù)（Moran’s I）法對湖南省武陵山片區(qū)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(qū)之間ESV的關聯(lián)程度，判斷是否存在高值聚類或低值聚集現(xiàn)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(xiàn)[22]。計算公式如下。

式中，n為空間網(wǎng)格單元數(shù)量；xi、xj表示第i、j地區(qū)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(shù)據(jù)重分類得到研究區(qū)域土地利用情況見表1，2018年研究區(qū)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(qū)域93.42%的面積。林地是研究區(qū)域主要的土地利用類型，各行政區(qū)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(qū)；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(qū)、吉首市、鶴城區(qū)、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(qū)土地利用類型的變化

表1 2000—2018年湖南省武陵山片區(qū)土地利用類型及變化 （km2）

2000—2018年湖南省武陵山片區(qū)建設用地面積增加最大，為459.18 km2，其中武岡市、永定區(qū)、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(qū)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(xù)性縮減趨勢；與之相反，建設用地則呈持續(xù)增長態(tài)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(fā)生改變，其余時段均呈增長趨勢；未利用地變化較為穩(wěn)定，但2015—2018年出現(xiàn)小幅增長。

研究區(qū)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(xiàn)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(qū)土地利用轉移矩陣 （km2）

如圖3所示，土地利用轉變主要發(fā)生在懷化市鶴城區(qū)、沅陵縣以及吉首市。其中，懷化市鶴城區(qū)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(qū)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(nèi)湖南省武陵山片區(qū)土地利用發(fā)生的轉變并不明顯。

圖3 2000—2018年湖南省武陵山片區(qū)土地利用變化的空間分布

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化分析

2.2.1 不同土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化 由表3可知，2000—2018年研究區(qū)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(qū)內(nèi)林地產(chǎn)生的ESV占總ESV的90%以上，林地是研究區(qū)域ESV的主要貢獻者。

表3 2000—2018年湖南省武陵山片區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的服務價值 （億元）

運用自然斷點法將各格網(wǎng)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(qū)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(qū)域海拔高度空間差異分布高度契合，高海拔區(qū)域ESV值較高，而低海拔多耕地多建設用地的區(qū)域ESV值較低。從2000—2018年ESV的損益情況（ESCI）來看，研究區(qū)整體表現(xiàn)為增益，零散地區(qū)有減損，減損區(qū)域主要分布在懷化市鶴城區(qū)、吉首市以及婁底市漣源市。

圖4 2000—2018年湖南省武陵山片區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值及其生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化指數(shù)的空間分布

2.2.2 單項生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化 研究區(qū)域單項ESV以氣候調(diào)節(jié)、水文調(diào)節(jié)、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(diào)節(jié)增長量最大，為36.07億元；其次是水資源供給和氣候調(diào)節(jié)，分別增長了6.95億和6.27億元（表4）。這與研究區(qū)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(diào)節(jié)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(qū)單項生態(tài)系統(tǒng)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(nèi)Moran’s I均大于0，且在波動中呈現(xiàn)增長趨勢，而P值均小于0，表明研究區(qū)ESV在空間分布上呈現(xiàn)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(qū)趨于聚集，低值區(qū)則為相鄰。

表5 2000—2018年湖南省武陵山片區(qū)ESV變化及其空間自相關性

如圖5所示，2000—2018年研究區(qū)域ESV增值熱點區(qū)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(qū)，會同縣主要是由耕地轉為林地，鶴城區(qū)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(qū)ESV呈現(xiàn)上升趨勢。從研究期整體上看，增值熱點區(qū)域與2000—2018年研究區(qū)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(qū)2000年、2005年、2010年、2015年、2018年5期土地利用數(shù)據(jù)，對研究區(qū)域土地利用及生態(tài)系統(tǒng)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(qū)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(qū)分布在高海拔區(qū)域，林地產(chǎn)生的ESV占總ESV的90%以上，研究區(qū)域ESV整體表現(xiàn)為增益，減損地區(qū)主要為懷化市鶴城區(qū)、吉首市以及婁底市漣源縣。單項ESV以氣候調(diào)節(jié)、水文調(diào)節(jié)、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(qū)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(qū)域耕地面積呈持續(xù)減少趨勢，建設用地則呈持續(xù)增長態(tài)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(fā)生在懷化市鶴城區(qū)、沅陵縣以及吉首市。整體來看，湖南省武陵山片區(qū)土地利用轉型并不明顯。

（3）根據(jù)相關性研究可知，研究區(qū)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(qū)趨于聚集，低值區(qū)趨于相鄰；ESV增值熱點區(qū)零散分布在懷化市鶴城區(qū)、會同縣東南部以及吉首市西南部，增值熱點區(qū)域與2000—2018年研究區(qū)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(qū)城市擴張主要集中在低海拔地區(qū)，隨著城市化進程的推進，研究區(qū)域耕地面積持續(xù)減小，城市擴張區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)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(xié)同變化。2018年湖南省劃定生態(tài)保護紅線，加大對保護區(qū)的監(jiān)管，但在西部陸海新通道的帶動下，未來區(qū)域發(fā)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(qū)未來的生態(tài)系統(tǒng)服務價值下行壓力較大，如何提高研究區(qū)土地利用效率，合理利用國土空間，是該區(qū)域未來的規(guī)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(qū)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(qū)研究的修正方法，基于1 km×1 km的漁網(wǎng)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。