黔西北地區生態系統服務價值在地形梯度上的時空效應

姚星宇周德全黃煒劉秀明

(1.貴州師范大學地理與環境科學學院，貴州 貴陽 550025；2.中國科學院地球化學研究所，貴州 貴陽 550081)

生態系統服務功能是指生態系統在其過程中所形成能夠提供并維持人類賴以生存的自然環境條件及其附屬功能[1-3]。對生態系統服務價值的研究如今成為生態經濟學和環境經濟學等學科的重點[4,5]，其作為生態保護、生態功能區劃、自然資產核算以及生態補償決策的依據和基礎，謝高地等[6,7]根據中國實情，對我國的二級生態系統服務價值當量表進行了重新修訂，為我國之后的生態系統服務價值評估工作提供了重要的參考[8-10]，并對我國自然資產的評估、生態補償等方面提供更為全面的科學依據與決策支持[7]。

對于山區生態系統服務價值研究的特別之處在于，山區具有高度空間異質化的山地環境，蘊含了豐富的地理生態信息,其土地利用變化約為水平變異梯度的1000倍[11,12]，同時，山區也是生態脆弱與貧困區的聚集地帶，由不同地形要素造成土地利用方式的不同對當地經濟建設、農業生產活動以及當地的生態系統服務價值都具有深刻影響[13,14]。地形是自然地理學的重要基礎，深刻影響著區域土地利用格局與生態系統服務價值的空間分布[15,16]，在我國近些年關于生態系統服務的研究中，主要結合內容包括城市化[17]、社會經濟[18,19]以及土地利用類型[20]，而與地形梯度的結合研究較少，且多數均以海拔、坡度、地形位等地形因子在空間上對土地利用的分布研究為主[21-23]，同時一些研究也加入了地形起伏度對生態系統服務價值進行了研究分析[24,25]，而將海拔、坡度、坡向以及地形位等多種地形因子在不同梯度上對土地利用與生態系統服務價值進行時空結合分析的還較少[26]。

黔西北地區地處貴州省西北地區，山地區域廣泛，地表起伏大，喀斯特地貌明顯，區域內土地利用與生態系統服務價值結構在各地形因子的不同梯度上變化顯著；在受到當地經濟快速發展與脆弱生態環境的雙重影響下，人地矛盾日益凸顯，因此，對該區域進行生態系統服務價值在不同地形梯度上的時空變化分析顯得尤為重要，有助于區域內合理調控土地利用方式及生態環境建設。本文基于黔西北地區的DEM高程數據并提取各地形因子，依托2000年、2010年及2020年黔西北地區土地利用數據，對其土地利用及生態系統服務價值在各地形因子不同梯度上的時空變化進行了深入研究分析，并探討對其造成變化的根本因素，以期為黔西北土地利用和生態建設的合理調控及規劃提供理論支撐。

1 研究區概況

黔西北位于貴州省西北部地區，地處云貴川3省交界處(E103.60°～106.72°，N25.33°～27.78°)，主要包括貴州省畢節地區、六盤水市及安順市，約占全省總面積的26.16%。由于區域地處我國西南集中連片喀斯特區域中心部位，地表可溶性碳酸鹽巖出露廣泛，在受到烏蒙山脈自西北向東南方向上的差異性抬升之后，區域內高程呈現出自西北向東南的逐級降低趨勢，其整體高程位于336～2890m。在氣候條件上，黔西北地區主要以亞熱帶季風性濕潤氣候為主，四季分明，冬暖夏涼，雨熱同期，其多年平均氣溫約為13～16℃，多年平均降水量在800～1400mm。境內主要有包括北盤江、三岔河、六沖河等在內的多條水系，在受到威寧隆起區與六盤水裂陷槽等多重復雜地質構造的影響下，區域內中北部地區的三岔河及六沖河分屬于長江水系，而區域南部地區的北盤江則分屬于珠江水系。至2020年11月，區域內總人口達到1240.18萬人，占全省總人口的32.16%；2020年，黔西北地區國內生產總值約為4326.75億元，約占全省的24.27%。黔西北地區貧困縣集中連片，屬傳統的老、少、邊、窮地區，同時，該地區由于石漠化與水土流失嚴重，生態環境較為脆弱，是烏江及珠江上游水土保持和防護林建設的重點地區。

2 數據來源及研究方法

2.1 數據來源

本次研究采用的黔西北2000年、2010年及2020年共3個時期的土地利用數據來自于資源環境科學與數據中心，并將黔西北地區的土地分為耕地、草地、林地、濕地、水體以及建設用地共6類。通過結合來自地理空間數據云平臺30m分辨率的DEM數據，對其進行地形因子提取及梯度分級之后，基于地形梯度對黔西北的土地利用及生態系統服務價值進行時空上的深入分析。

2.2 研究方法

2.2.1 生態系統服務價值評估

為了對我國的生態系統服務價值進行準確估算，謝高地等[6,7]對Costanza所提出的生態系統計算方法進行了修正，并建立了基于單位面積的價值當量因子法，通過結合該方法，將單位面積生態系統內所生產的凈利潤看作該生態系統提供的生態價值，選取單位面積農田生態系統內所生產糧食的總價值并將其看作一個標準當量因子的生態系統服務價值量，隨后查閱2010年我國和貴州地區的地均糧食產量，分別為4974kg·hm-2和3659kg·hm-2，可得知貴州省與全國的生態系統服務價值當量系數約為0.7356，根據謝高地[6,7]在2010年將單個生態系統服務價值當量確定值為3406.50元·hm-2后可知，黔西北地區單個生態系統服務價值當量(以貴州省為參考)約為2506.16元·hm-2。根據該價值當量和不同的土地利用類型面積，可以得到黔西北地區的生態系統服務價值。其評估公式：

(1)

(2)

式中，ESV為研究區的生態系統服務總價值；Ai表示研究區內第i種土地類型的面積，hm2；VCi表示第i種土地類型的生態系統服務價值系數；ESVf表示生態系統中第f項服務功能的價值；VCfi表示第i種土地類型的第f項生態系統的服務價值系數。

圖1 黔西北地區2000—2020年土地利用變化

2.2.2 地形梯度分析

生態系統服務價值是自然因素與人為因素共同影響的結果，在對區域生態系統服務價值進行評估時，除了人為因素會對其造成一定影響之外，自然因素才是影響該評估的主要要素。地形位指數是一種對海拔與坡度進行復合分析的地形因子，常被用于定量化分析土地利用在地形梯度上的空間效應，公式：

(3)

式中，T為地形位指數，E為任意點的海拔高度，m；E0為該點所在區域的平均海拔，m；S為任意點的坡度，°；S0為該點所在區域的平均坡度，°。

表1 黔西北地區海拔、坡度、坡向及地形位梯度分級表

2.2.3 區域差異性分析

生態系統服務價值的相對變化率是指生態系統服務價值變化與土地利用面積變化之間的比率[27]，常用于反映區域間的差異，公式：

(4)

式中，R為相對變化率;RL、RC分別為區域與總體的變化率；La與Lb分別為局部區域內初始與末期ESV;Ca與Cb分別為全局初始與末期的ESV。對于經過計算得出最終的R值，根據其所處范圍的不同而具有不同的特性，主要包括：當R>0時，表明區域與全局生態系統服務價值變化趨勢與方向一致，其中，當01時，表明區域生態系統服務價值的變化幅度要高于研究區整體；當R<0時，表明區域與全局生態系統服務價值變化趨勢與方向相反，其中，當-1

3 結果與分析

3.1 土地利用結構的時空變化

3.1.1 基于海拔梯度的土地利用變化

隨著海拔的上升，黔西北地區內各土地利用類型面積也發生了不同程度的變化，主要包括以下幾種變化規律。持續減少，主要包括耕地、林地和建設用地，其中耕地和林地屬于對熱量、降水等氣候條件具有較強依賴性的地類，隨著海拔的持續上升，氣候條件對于該類型地類的限制性越來越強，其下降幅度也越來越大；波動型，主要包括草地與濕地，黔西北地區作為典型的喀斯特地區，土層較為淺薄，而且草地相比林地其適應性更強，因此在高海拔梯度上并未表現出明顯的下降現象；先減少后增加，該類型主要為水體，期間由于黔西北地區在低海拔梯度上修建的多個水庫以及區內高海拔梯度上的高原湖泊——草海，使其變化趨勢呈現出“V”型，這在很大程度上受到了人為因素的干擾。

各海拔梯度上不同土地類型面積在20a間，耕地面積在各海拔梯度上表現出持續降低的趨勢，林地呈現出波動上升的態勢，草地則基本保持平穩；而對于水體與建設用地，出現了快速增長勢頭，其中水體總面積從2000年的13239.36hm2增長至2020年30038.22hm2，增長面積主要位于梯度1與梯度2上；濕地面積則出現快速下降現象，從2000年的705.96hm2降至了2020年僅有的12.96hm2，這很可能與多座水庫的修建及湖泊生態擴建有關，從而使得大量濕地向水體轉變。

3.1.2 基于坡度梯度的土地利用變化

坡度的增大對黔西北地區各土地利用類型在不同坡度梯度上的面積分布均造成了不同程度的影響，主要體現在以下幾方面。持續減少，主要包括耕地、濕地、水體及建設用地。隨著坡度增大，無論是對于水土的保持，還是建筑物的建設，都存在不利因素，4類土地利用類型與坡度地形因子表現出明顯的負相關關系；先增加后減少，主要包括林地和草地。隨著坡度的增加，受到人為干擾的因素也隨之減少，林地與草地的面積隨著坡度的增大也相應的出現增加。

2000—2020年，林地與草地總面積在2010年達到最大值，各梯度間林地與草地面積在20a間幾乎保持不變；濕地與水體在20a間則變化巨大，濕地總面積從2000年的705.24hm2降低至2020年的12.96hm2，這其中不乏向水體的轉變；而水體面積在20a間則快速上升，主要增加面積多位于低坡度區域，其中梯度1與梯度2在20a間水體面積分別增加了5593.5hm2、4632.3hm2；建設用地的變化規律則與水體近似，在低坡度區域也出現快速增長，側面反映出了黔西北地區在20a里飛速發展的城鎮化建設。

3.1.3 基于坡向梯度的土地利用變化

雖然坡向在一定程度上會影響水熱條件及光照輻射，但研究區內的坡向因子對不同坡向間的水熱條件等因素的影響程度并不大，沒有形成差異巨大的生態環境，進而影響土地利用類型的布局。從黔西北地區不同坡向上各土地利用類型的面積來看，并未表現出明顯的變化規律，大多都呈現出波動型變化特征，包括耕地、林地與建設用地。其中，草地面積占比最大值出現在東南方向，而最小值出現在北方向上；而濕地面積占比在東南及南方普遍較小，在北方與西北方則普遍較大；水體在不同坡向上的變化與濕地也基本相似，只是其隨著時間各坡向間面積占比差值越來越小。耕地與林地作為研究區內最主要的2個地類，在東南至南及西至西北方向上出現了極值變化，分別為-4.93%、-7.86%、6.06%、14.94%。

2000—2020年，耕地面積在所有坡向上均出現降低，其中南方降幅最大，達到了-5.71%，林地則相反，呈現出增加態勢，其中在南方增幅最大，為0.99%，草地則為波動變化，在北、南、西南、西以及西北方向上降低，最大降幅在西方，為-2.51%，而在東方增幅最大，達到了1.27%；而建設用地、水體及濕地在20a間面積變化巨大，其中建設用地與水體面積呈現出成倍的增長，濕地在20a間則幾乎消失殆盡。

3.1.4 基于地形位梯度的土地利用變化

地形位指數在一定條件下反映了區域的山地特征，即地形位指數越大，山地特征也越明顯。隨著地形位指數的增加，黔西北地區各土地利用類型面積變化規律如下。持續減少，主要包括耕地、濕地、水體、建設用地。隨著地形位指數的上升，山地特征越明顯，越不適合土地的開發利用及水資源的儲備，從而導致這4類地類面積持續減少，這種現象與海拔及坡度因素對該地類的影響也基本契合；先增加后減少，主要包括林地與草地。這是人為因素干擾與植被適應力的共同作用的結果，但在黔西北一些山地特征太過明顯的區域，由于受到喀斯特石漠化及水土流失的影響，林地與草地面積反而出現了降低現象。

2000—2020年間，耕地與林地在各梯度間的面積占比變化不大，而草地、水體與建設用地在低地形位區域上面積占比出現降低，在高地形位均出現一定增長，其中水體在梯度1與梯度3的面積占比從2000年的52.63%、13.55%分別變化至2020年的43.45%、17.03%；濕地則是在中間地形位區域上面積占比出現降低，梯度1與梯度5則出現增長。

3.2 生態系統服務價值格局的時空變化

3.2.1 生態系統服務價值在海拔梯度上的變化

從圖2可以看出，單位面積ESV最大值位于梯度1,隨后大幅降低至梯度2后趨于平衡。從2000—2020年，在海拔梯度1單位面積ESV出現了逐年增長的現象，達到了2020年的40322元·hm-2，增長了17.87%,這很大程度上受到烏江和北盤江上新修建的洪家渡等大型水庫的影響，水體面積在該梯度上的占比從2000年的0.93%達到了2020年的3.12%，水體面積占比在該梯度上的快速增長同時也增加了單位面積內的ESV；而在其余梯度上單位面積ESV各年基本保持不變，其中梯度4要略微高于梯度2、梯度3、梯度5，這主要與林地、草地等地類在該梯度上的廣泛分布有關。

3.2.2 生態系統服務價值在坡度梯度上的變化

在坡度梯度上，黔西北地區單位面積ESV隨著坡度的上升而增大，從梯度1至梯度4，增勢稍緩，而從梯度4至梯度5，單位面積ESV的增加幅度超過了10000元·hm-2。隨著坡度的增大，耕地占比從梯度1上超過50%下降至梯度4的不到30%；而林地與草地占比則從梯度1上的約25%、15%上升至梯度5的約71%、28%，其梯度5上單位面積ESV超過46000元·hm-2。

2000—2020年，不同坡度梯度上的ESV均隨著時間而出現略微變化，3期數據間幾乎保持平行增長，不同坡度梯度上各地類面積的占比在各年間也基本保持不變，其中不同坡度梯度上水體與建設用地面積占比均出現了明顯增加。在2000—2020年間，單位面積ESV在梯度1上增長最快，達到了4.17%，而在梯度4上增長最慢，為2.57%。

3.2.3 生態系統服務價值在坡向梯度上的變化

經統計發現，黔西北地區不同坡向上單位面積ESV差距并不明顯，但在各年間的變化規律相似，2000年、2010年及2020年，其單位面積ESV最大與最小值分別出現在北與南、東北與西、東北與南方向上，主要受到不同方向上土地利用結構差異的影響，一般在北方或東北方向上，其水體、林地及草地總占比都要明顯高于單位面積ESV較低的南方或西方。

總體來看，20a間在相同方向上單位面積ESV都出現了逐年增加的現象，其中，各坡向上單位面積ESV增長最快的是東北向，達到了4.08%，而增長最慢的為南方，約為2.88%；此外，20a間，沒有任何坡向上單位面積ESV出現降低現象。

圖2 黔西北地區單位面積ESV隨地形梯度的變化情況

3.2.4 生態系統服務價值在地形位梯度上的變化

黔西北地區單位面積ESV在地形位梯度上的變化規律與坡度相似，隨著地形位指數的增加表現出了持續增加的現象，同時在不同地形位梯度間的增長較為均衡。地形位指數作為反映山地特征的主要指標，其指數值的增加也越來越能突出山地特征，同時限制人為使用土地及其附屬資源的空間，而林地與草地以較強的適應力在高地形位梯度上得以留存，其單位面積ESV自然也出現增加。

2000—2020年間，相同地形位指數梯度上單位面積ESV差異較為明顯的主要在梯度1，2020年明顯高于2010年及2000年，20a間增加了8.95%，其主要原因可能還是由于低地形位區域近些年來多座大型水庫的修建；隨著梯度不斷增加，其變化幅度也越小，梯度5上僅增加了1.76%，側面反映了該梯度上土地利用變化不大，即山地特征越明顯，受到人類活動的干擾越小。

3.3 區域生態系統服務價值的空間分布

在ArcGIS 10.2中，基于2km×2km的網格，對黔西北地區2000年、2010年及2020年共3期的生態系統服務價值進行了區域分區統計，用以表達黔西北地區2000—2020年的20a間生態系統服務價值在時空上的變化情況。經過對單位面積ESV進行分級重命名：極低(<1.5萬元·hm-2)、較低(1.5～3萬元·hm-2)、中等(3～4.5萬元·hm-2)、較高(4.5～6萬元·hm-2)、極高(>6萬元·hm-2)，最終得到黔西北地區2000年、2010年及2020年生態系統服務價值在空間上的分布情況，見圖3。

2000—2010年，變化最為明顯的地區主要位于研究區西北部的威寧縣和赫章縣，以及東北方向上的大方縣、黔西縣以及織金縣的交界處，2個地區的生態系統服務價值都呈現出增加的趨勢，其中威寧縣和赫章縣大部區域的單位面積ESV開始由極低水平上升至較低水平，而在大方縣、黔西縣以及織金縣的交界處區域，由于水庫的修建，水域面積快速增加，其單位面積ESV也相應得到快速增長。

2010—2020年，變化較為明顯的地區主要在研究區南部，包括六枝地區與水城縣交界處、關嶺縣與鎮寧縣交界處以及納雍縣與織金縣相鄰等地區，在受到北盤江和三岔河上多座水庫修建的影響后，水域面積得到快速增加，從而使該地區單位面積ESV獲得提升；此外，在黔西北地區畢節市、鐘山區、普定縣以及安順市等主要城鎮聚集區，在受到快速城鎮化的影響，部分耕地、草地與林地等逐漸轉變為建設用地，導致這些區域單位面積ESV不足1.5萬元·hm-2，處于極低水平。

圖3 黔西北地區2000—2020年單位面積ESV空間分布狀況

20a間，黔西北地區生態系統服務價值變化較為明顯，表現出了極端化發展特征。隨著區域內多座大型水利設施的修建以及城鎮化的快速發展，水利設施邊緣地區的單位面積ESV在短期內得到快速提升，而在一些城鎮邊緣地區，隨著城鎮化的快速發展，大量地類轉變為低產出的建設用地，其單位面積ESV也隨之下滑。這些變化在很大程度上都擴大了黔西北區域間的生態系統服務價值差距。

3.4 區域生態系統服務價值的差異分析

2000—2020年，黔西北地區18個縣市的ESV總量與單位面積ESV都發生了不同程度的變化，見表2。2000—2010年間，ESV總量增幅最大與最小的縣市分別為黔西縣和平壩區，其中黔西縣ESV總量增幅為7.63%，增加了6.51億元，而平壩區則降低了-6.93%，減少了2.15億元；在單位面積ESV上，前10a里織金與平壩分別成為ESV總量增加幅度最大與最小的地區，幅度分別為6.07%、-6.93%，而在2010—2020年間，六枝地區和鐘山區ESV總量變化明顯，其變化幅度分別為9.65%、-2.73%，這10a間，六枝地區的ESV總量增加顯著，達到了2020年的63.64億元，其單位面積ESV也由2000年的32059.04元·hm-2增加至2020年的35675.99元·hm-2，而鐘山區卻降低至2020年的11.12億元，其單位面積ESV也降至黔西北各縣市最低，僅為25907.89元·hm-2。20a里，六枝地區成為黔西北地區ESV總量增幅最大的區域，達到了11.28%，而平壩區則降低了6.63%。20a間，黔西北多數地區ESV總量得到了提升，較為明顯的主要包括六枝、黔西等地，增幅超過10%；而一些地區卻出現了不同程度的降低，主要包括平壩及鐘山區等地，降幅分別為-6.63%、-4.85%。總體來看，黔西北地區在20a間里ESV總量出現了小幅提升，增加了3.27%，從2000年的1414.29億元增加至2020年的1460.59億元。

基于黔西北全區域的ESV變化情況，2000—2010年間，黔西北各縣市ESV相對變化率R值較大的地區主要有黔西縣、織金縣和大方縣，分別為4.25、3.38、3.03，其R值遠大于1，表明在這10a間，這些地區的變化幅度遠大于黔西北地區,且與之方向相同；而在平壩區、普定縣與鐘山區，其相對變化率為-3.86、-1.49、-1.22，表明這3個地區的變化方向與黔西北整體相反且差異巨大。2010—2020年間，黔西北地區各縣市ESV相對變化率較大的地區主要有六枝地區、關嶺縣及納雍縣，其變化率分別為6.64、3.55、2.55，遠高于黔西北整體區域；而在鐘山區、安順市和畢節市，相對變化率僅為-1.88、-1.14、-1.11，其R的絕對值也均大于1，表明區域的ESV變化與黔西北整體發展相反且變化幅度還高出整體水平。

總體來看，在2000—2020年的20a間，黔西北地區大部分縣市ESV總量的變化方向與整體一致，均呈現出增加的趨勢，只是六枝地區和黔西縣等地區要明顯高于黔西北整體區域；而少數縣市則呈現出ESV總量降低現象，尤其是平壩區和鐘山區，變化幅度遠高于整體水平，這主要受到了近些年來城市化的快速發展，草地與林地等地類向建設用地等ESV低產出地類的轉變，從而導致該地區ESV總量出現降低。

表2 黔西北地區2000—2020年各縣(市、區)ESV的變化率及差異性

4 討論與結論

4.1 討論

本研究基于黔西北地區2000年、2010年及2020年土地利用數據，選取海拔、坡度、坡向以及地形位指數，依據謝高地中國生態系統單位面積生態系統服務價值當量方法，以黔西北地區糧食產量價值化對其進行修正換算，得到黔西北地區生態系統服務價值，在對不同地形因子進行梯度分級后，綜合深入分析了黔西北地區在基于地形梯度上土地利用與生態系統服務價值的時空變化情況。

從研究可以發現，黔西北地區不同土地利用類型與各地形梯度具有明顯相關關系，自然植被占比較大區域往往分布于海拔較高、坡度較大、地形位指數較高的區域，如林地與草地，其相應單位面積ESV也較高；而在一些海拔較低、坡度較緩及地形位指數較低區域，耕地與建設用地等與人類活動密切的地類占比較高，單位面積ESV也隨之降低；這些都體現出了地形對于人類在利用土地上的限制作用，但在研究時期內，由于城鎮化擴張迅猛，大量在使用上受限較小的土地轉變為建設用地，快速拉低了區域的ESV。

結合研究區的地形與生態背景，希望通過本次研究，反映出黔西北地區當下在土地利用上的不合理之處，為今后研究區的土地利用、生態建設和城鄉規劃等提供理論基礎。

4.2 結論

黔西北地區土地利用類型隨著地形梯度表現出明顯的梯度效應。總體來說，隨著海拔、坡度及地形位指數的增加，耕地、建設用地面積占比越來越低，而林地與草地則相反；水體和濕地作為受限于地形較大的地類，則主要分布在低海拔的緩坡區域；不同地類在不同坡向上并沒有太明顯的變化，波動較小。20a間，耕地、林地及草地總面積變化幅度不大，人造水體與建設用地面積快速增加，而濕地則出現大幅降低。

黔西北單位面積ESV在地形梯度上表現出明顯差異。其中,在不同海拔梯度上出現劇烈變化，最高值位于梯度1，低值區位于梯度2和梯度5；隨著坡度梯度上升，自然植被覆蓋面積的增加使得單位面積ESV也得到快速增加；在坡向上，單位面積ESV并未表現出明顯變化規律，但在20a里，單位面積ESV在不同坡向上全都出現了增加；而地形位指數則與其表現出明顯的正相關關系，山地特征越明顯，單位面積ESV越高。

20a間，黔西北地區ESV在空間上呈現出極端化的發展。在一些低海拔、低坡度的城鎮邊緣區域，城鎮的快速擴張與土地利用方式的轉變導致了ESV的快速下降，而在一些主要水系流域附近，隨著多個水庫的修建，快速增長的水體面積也使得ESV急劇增加，使其在空間上呈現出了明顯的兩極化。除此之外的其它區域在20a間變化較小。

2000—2020年，黔西北地區的ESV總值出現了略微增加，大部分縣市ESV總量的變化方向與整體一致，均呈現出增加的趨勢，只是在六枝地區和黔西縣等地要明顯高于黔西北整體區域；而少數縣市則呈現出ESV總量降低現象，尤其是平壩區和鐘山區，變化幅度遠高于整體水平，這主要受到了近些年來城市化的快速發展，草地與林地等地類向建設用地等ESV低產出地類的轉變，從而使該地區ESV總量出現降低。