湘西州地區生態系統服務價值時空特征及驅動分析

李靜芝， 王 苗， 馮文靜， 李 彬

(1.長沙理工大學建筑學院，長沙 410076； 2.洞庭湖水環境治理與生態修復湖南省重點實驗室，長沙 410114)

0 引言

人類活動與生態環境息息相關，由于不合理的土地開發與利用，導致生態環境遭受嚴重破壞，農田減少危及耕地紅線、生物多樣性減少等生態問題，自然災害發生頻率不斷提高[1]。強化生態文明建設，尊重大自然基本規律是人類賴以生存的基本法則[2]。“生態系統服務”是指對人類生存和生活質量有貢獻的生態系統產品和服務，由Holdren等[3]于1974年首次提出，引起了生態學界、經濟界的高度重視； 1997年Costanza等[4]提出“全球生態系統服務價值當量表”對全球生態系統服務功能進行劃分和評估； 進入21世紀后，由聯合國環境規劃署等機構共同發起了為期4 a的千年生態系統評估工作完成[5]，對生態系統服務研究從靜態價值評估轉向重視人類福祉的影響方向發展[6]。國內生態系統服務價值研究起步較晚，歐陽志云等[7-8]、謝高地等[9-11]、趙同謙等[12-13]開展了深入研究。在Costanza等[4]提出的評價模型基礎上，對國內200多位生態學者進行問卷調查，提出“中國生態系統服務價值當量因子表”并進行修正，對中國生態系統服務價值的研究產生廣泛影響。生態系統服務功能是生態系統及其過程所形成與所維持的人類賴以生存的環境條件與效用[14]，總體上可以劃分為3類： 生活與生產物質的提供、生命支持系統的維持、精神生活的享受[15]。生態系統服務價值是指通過生態系統的結構、過程和功能直接或者間接提供的生命支持產品和服務[16]，其價值評估是生態環境保護、生態補償、自然資源資產價值核算等政策的重要依據和基礎[17-18]。

本文以湖南省湘西土家族苗族自治州1990—2018年7期土地利用數據為基礎，對當量因子進行時空修正并建立生態系統服務價值估算模型，選取敏感性指數檢驗其結果的準確性，在地理信息系統(geographic information system，GIS)和Geoda095i空間分析支持下，綜合分析研究區生態系統服務價值時空演變特征及驅動力，以期為湘西州土地資源的合理利用與生態環境保護提供理論參考，在未來，合理規劃城鄉用地開發邊界、減少人類活動造成的破壞，同時加大對林地資源的保護，提高生態效益。

1 研究區概況及數據源

1.1 研究區概況

本文研究區湘西州位于湖南省西北部，地理范圍在N27°44.5′～29°38′，E109°10′～110°22.5′之間(圖1)，與湖北、貴州、重慶三省(市)接壤，面積約1.547萬km2； 全州包括吉首市、古丈縣、龍山縣、永順縣、鳳凰縣、瀘溪縣、花垣縣、保靖縣1個市7個縣，含115個街道。截至2018年底，全區總人口約297.24萬人，常住人口約264.96萬人，城鎮化率為46.54%，全年生產總值為605.05億元。該區屬于亞熱帶季風性濕潤氣候，具有明顯的大陸性氣候特征，年均氣溫在15～22 ℃之間，年均降水量為1 300～1 500 mm，年平均濕度為81.2%。近幾十年研究區受人類濫砍亂伐、建設用地擴張等活動的影響，林地、草地面積銳減，植被不斷退化，生態環境問題日益突出。

圖1 研究區位置及范圍示意圖Fig.1 Location of the study area

1.2 數據源及其預處理

研究采用的數據包括土地覆蓋數據、社會經濟統計數據和氣候氣象數據3大類。通過人機交互式解譯Landsat影像得到湘西州1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2013年和2018年的土地覆蓋數據，通過辨識和分類處理，將土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、濕地、建設用地、未利用地7大類，土地利用一級類型的綜合評價精度達到90%以上。湘西州1990—2018年社會經濟數據包括糧食產量、播種面積、糧食價格、城鎮化率、國內生產總值(gross domestic product,GDP)總量等，均來源于《湘西州統計年鑒》和《湖南省統計年鑒》。氣溫、降水量等氣候氣象數據來源于《湖南省水資源公報》。

2 研究方法

2.1 土地利用動態度

土地利用動態度是定量評價土地利用變化速度的指標，包括單一土地利用動態度和綜合土地利用動態度[19-20]，計算公式為：

(1)

(2)

式中：K為研究期內某種土地利用類型的單一土地利用動態度；Ua和Ub分別為研究期初和期末某種土地利用類型的面積，hm2；T為研究時長，a；C為研究期內研究區的綜合土地利用動態度； |Uai-Ubi|為研究區內第i類用地轉化為非i類用地類型的面積的絕對值，hm2。

2.2 生態系統服務價值評估

2.2.1 生態系統服務價值的基礎當量表

謝高地等[21]在Costanza等[4]研究的基礎上，從我國實際情況出發，根據200多位中國生態學家的調查問卷，制定了中國生態系統服務價值當量表。本文采用謝高地等提出的生態系統服務分類方法，分為供給服務、調節服務、支持服務和文化服務4大類，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。

由于本次研究所使用的LUCC土地利用數據分級標準和謝高地等提出的生態系統分級標準存在差異，故將土地利用類型進行重分類。一級分類中6種土地利用類型不變增加建設用地分類。農田、林地和草地的二級分類不變，由于沼澤地、灘地的生態系統服務價值與濕地比較一致，故將其歸為生態系統分類中的濕地； 河渠、水庫坑塘的生態系統服務價值與水域比較一致，將其歸為生態系統分類中的水域； 建設用地分為城鎮用地、農村居民點和其他建設用地。

2.2.2 當量系數修正

不同地區所處的位置、生態環境以及生物多樣性等差異對生態系統服務價值的評估產生一定的影響，為了使評估結果更準確，本次研究在謝高地等提出的當量表基礎上參考劉倩等[22]的研究成果，采用社會發展系數和區域差異系數進行時空修正。

社會發展系數反映的是在不同社會經濟水平和人民生活水平下，人們對生態價值的支付意愿的相對水平。計算公式為：

l′=l1M1+l2M2，

(3)

(4)

式中：l為與現實支付意愿有關的社會發展系數；l′為湘西州綜合發展系數；l1為城鎮社會發展系數；M1為城鎮人口的占比；l2為農村社會發展系數；M2為農村人口的占比；Dt為第t年的社會發展修正系數。

區域差異系數反映的是不同區域中的各個區域要素共同作用所形成的差異。依據區域生物量的差異對不同區域生態系統服務價值進行修正，采用凈初級生產潛力代替生物量。計算公式為：

NPP=3 000[1-e-0.000 969(R-20)]，

(5)

Qt=NPP/NPPmean，

(6)

式中：Qt為第t年的區域差異系數；NPP為自然植被的凈初級生產潛力，t/(hm2·a)；NPPmean為所有類型植被的平均凈初級生產力；R為研究區1 a內實際蒸散量，mm。

2.2.3 生態系統服務價值計算

生態系統服務價值當量因子是生態系統潛在服務價值的相對貢獻率，該因子等于每年每公頃糧食價值的1/7。1990—2018年，湘西州地區平均糧食產量為4 225.82 kg/hm2，2018年平均糧食價格為2.25元/kg，因此湘西州地區一個生態系統服務價值當量因子為1 359.09元/hm2。湘西州地區的生態系統服務價值的計算公式為：

ESV=∑(Ak·VCk·Dt·Qt)，

(7)

ESVf=∑(Ak·VCfk·Dt·Qt)，

(8)

VCk=∑(VCfk)，

(9)

式中：ESV為研究區總的生態系統服務價值,元；Ak為土地利用類型k的面積，hm2；VCk為第k類土地利用類型的單位面積生態系統服務價值系數，元/hm2；ESVf為生態系統第f項服務功能價值，元；VCfk為土地利用類型k的第f項服務功能價值系數(表1)，元/hm2。

表1 湘西州地區土地利用類型單項生態系統服務價值系數Tab.1 Single ecosystems service value coefficients of land use categories in Xiangxi (元/hm2)

2.3 敏感性指數

利用敏感性指數(coefficient of sensitivity，CS)來定量分析ESV對生態系統價值系數的敏感程度[23]。如果CS>1，說明ESV對VC是富有彈性的，說明其準確度差、可信度較低； 如果CS<1，說明ESV對VC是缺乏彈性的，結果是可信的。計算公式為：

(10)

式中：CS為敏感性指數；ESVi和ESVj分別為初始和調整后的生態系統服務價值，元；VCik和VCjk分別為初始和調整后的第k種土地類型的生態系統服務價值系數，元/hm2。

2.4 空間自相關分析

空間自相關指在地理空間區域上的某種屬性與相鄰近的空間區域上的同一屬性之間的相關程度，即地理空間上是否存在聚集性，包括全局空間自相關和局部空間自相關[24-25]。利用Geoda095i模型中的單變量Moran’s I分析生態系統服務價值空間特征，在Z檢驗的基礎上(p=0.001)，繪制LISA集聚圖。計算公式為：

I=Zi∑(WijZj)，

(11)

式中：Zi和Zj為空間單元i和j的標準化值；Wij為空間權重(當區域i和j相鄰接，Wij為1； 否則為0)。LISA集聚圖把區域劃分為高-高、低-低、低-高和高-低4種類型。

2.5 驅動因素分析

生態系統服務價值演變的驅動力因素包括自然環境和人為影響2個方面。參照文獻[26]，并考慮到數據的可獲得性，本次研究以湘西州為單位收集人口指標、經濟指標、農業指標和旅游指標4個方面的24個驅動因子(表2)，采用SPSS軟件分別進行相關性分析和回歸方程的建立，研究驅動因子對生態系統服務價值變化的影響。

表2 生態系統服務價值演變驅動力指標體系Tab.2 Index system of ecosystem servicevalue change driving force

3 結果與分析

3.1 湘西州地區土地利用變化特征

1990—2018年間林地一直是湘西州地區的主要土地利用類型，約占總面積的70%； 其次為耕地，約占總面積的20%(圖2)。由土地利用動態評估結果(表3)可知，1990—2010年C<0.1%，這一階段土地利用不活躍； 2010—2018年C>0.2%，其原因是在2010年以后林地轉草地、耕地、建設用地面積大大增多，土地利用較活躍； 但總體來說，28 a間研究區土地利用綜合動態度變化較小，土地利用活躍程度不高。

圖2-1 1990—2018年湘西州土地利用分類

圖2-2 1990—2018年湘西州土地利用分類Fig.2-2 Land use classification in Xiangxi from 1990 to 2018表3 1990—2018年湘西州土地利用動態度Tab.3 Dynamic degree of land use in Xiangxi from 1990 to 2018 (%)

1990—2018年建設用地、濕地、未利用地單一土地利用動態度呈正向變化，耕地、林地、草地、水域單一土地利用動態度呈負向變化。1990年湘西州的城鎮化率為10.19%，到2018年達到46.53%，用地面積的變化與城鎮化進程有關，由于城鎮化進程的加快，28 a間建設用地呈現快速增長的態勢，由1990年的7.757×103hm2增加至2018年的20.775×103hm2，城鄉建設空間擴大，主要分布在市區和縣城附近； 由于建設占用，耕地、林地、草地面積不斷減少； 受降水量、日照等因素影響較大，28 a間濕地面積一直呈現波動態勢； 2010年以前未利用地基本無變化，而在2010—2013年未利用地單一土地利用動態度達到最大值47.99%，其面積由52.03 hm2增加至126.95 hm2，由于林草資源不合理的開發利用方式，導致49.61 hm2的林地和25.31 hm2的草地轉化為未利用地； 28 a間水域面積基本保持穩定狀態。

3.2 湘西州地區生態系統服務價值時空變化

3.2.1 生態系統服務價值時間維度差異性分析

本研究以5 a為一個時間尺度(2010—2013年為3 a)，估算1990—2018年的湘西州生態系統服務價值(表4)，28 a間湘西州生態系統服務價值總體呈負增長，減少了142.574 5億元。從不同土地利用類型來看，耕地、林地、草地、水域生態系統服務價值不斷下降，濕地、建設用地、未利用地生態系統服務價值不斷增加。林地對湘西州生態系統服務價值貢獻率最大，占總價值的83%以上，草地、耕地次之。由于湘西州70%以上均為林地，林地面積的減少導致林地生態系統服務價值不斷降低，進而造成湘西州生態系統服務總價值的降低。濕地、建設用地、水域、未利用地面積相對較小，生態系統服務價值也明顯小于林地、草地。總體來看，湘西州生態系統服務價值貢獻率依次為： 林地>草地>耕地>水域>建設用地>濕地>未利用地。

表4 1990—2018年湘西州各土地利用類型生態系統服務價值變化Tab.4 Changes of ecosystem service value in Xiangxi from 1990 to 2018

從各生態系統服務功能看(表5)，1990—2018年湘西州地區4大體系服務功能價值表現為調節服務>支持服務>供給服務>文化服務。調節服務中氣體調節、氣候調節、凈化環境和水文調節服務價值主要受林地、草地面積變化影響，與其面積變化保持一致，呈現出快速增加、快速下降、快速增加再緩慢下降的趨勢； 供給服務中食物生產功能主要受到耕地的影響，由于耕地面積的不斷減少，造成食物生產服務價值減少3.73億元； 原料生產受林地、草地的影響較大，1990—1995年、2000—2005年呈現上升趨勢，其他年份均下降，其服務價值減少了4.29億元； 1990—2018年水資源供給服務價值基本保持不變； 支持服務中的土壤保持、維持養分循環、生物多樣性服務價值及文化服務中美學景觀服務價值總體下降，主要受林地面積變化的影響，由于林地面積比重大對其價值變化的引導起到了主要作用。

表5 1990—2018年湘西州各生態系統服務功能價值估算Tab.5 Ecosystem service value of each kind of the service function in Xiangxi from 1990 to 2018

3.2.2 生態系統服務價值空間維度差異性分析

從空間上來看，1990—2018年湘西州生態系統服務價值總體趨勢東南部高于西北部(圖3)，原因是東南部坡度較大，林地多，植被覆蓋率較高。將湘西州1990—2018年生態系統服務價值從低到高劃分為5個等級，較低、低生態系統服務價值區域主要分布于市縣建成區域內，如吉首市、龍山縣、花垣縣、保靖縣、鳳凰縣縣域中心，其生態系統服務價值隨著城鎮化的加快呈現擴大趨勢； 較高、高生態系統服務價值區域正在大幅度減少，特別是在湘西州南部的瀘溪縣，其逐漸被中生態系統服務價值區域所替代，28 a間林地、草地面積不斷下降，較高、高生態系統服務價值分布與林地、草地分布相一致； 由于較高、高生態系統服務價值區域不斷減少，轉化為中生態系統服務價值區域，故中生態系統服務價值區域在不斷增多。

圖3-1 1990—2018年湘西州生態系統服務價值空間分布

圖3-2 1990—2018年湘西州生態系統服務價值空間分布

3.3 敏感性分析

將土地利用類型的生態價值系數分別上下調動50%來分析生態系統服務價值的變化對價值系數的敏感程度。調整后的價值系數的敏感性均小于1(表6)，敏感性大小依次為： 林地>草地>耕地>水域>建設用地>濕地>未利用地。敏感性分析表明，生態系統服務價值對于生態價值系數是缺乏彈性的，由此可證明本研究結果具有有效性和可信度。

表6 1990—2018年湘西州敏感性指數(CS)Tab.6 Sensitivity coefficient of Xiangxi from 1990 to 2018

3.4 湘西州生態系統服務價值空間自相關分析

3.4.1 全局空間自相關

Moran’s I散點圖用于研究區域空間的異質性[27-28]，根據ArcGIS10.5與Geoda095i軟件進行全局空間自相關生成Moran’s I散點圖，統計如表7。研究區1990—2018年7期Moran’s I均大于0，1990—2010年Moran’s I基本保持一致，2013—2018年Moran’s I下降，自相關程度相對減弱，p均為0.001，通過采用蒙特卡羅模擬的方法進行檢驗，表明研究區生態系統服務價值具有空間正相關性。

表7 湘西州生態系統服務價值的全局Moran’s ITab.7 Global Moran’s I of ecosystem service value in Xiangxi

3.4.2 局部空間自相關

為了進一步了解研究區生態系統服務價值的局部空間聚集變化規律，根據湘西州701個生態系統服務價值網格單元顯著的空間聚集關系，進行局部空間自相關分析，利用Geoda095i軟件生成7期生態系統服務價值LISA聚集圖(圖4)，用來檢驗研究區生態系統服務價值在地理空間上是否具有高-高相鄰、低-低相鄰、低-高相鄰或高-低相鄰。

圖4 1990—2018年湘西州生態系統服務價值LISA聚集圖

28 a間湘西州生態空間格局沒有發生大的變化。高-高聚集區主要分布在湘西州東南部，瀘溪縣、古丈縣、保靖縣西部以及龍山縣北部，這些地區林地、草地資源豐富，森林覆蓋率均達60%以上，生態資源較好； 低-低聚集區主要分布在湘西州與其他市區交界處，鳳凰縣西南部、龍山縣北部和永順縣東北部，表現出明顯的城市擴張趨勢，生態環境受人為影響較大，生態系統服務價值較低； 高-低聚集區主要零散的分布在鳳凰縣、花垣縣、吉首市附近，從土地利用類型來看主要是林地與建設用地、林地與耕地的交界處，故生態系統服務價值存在較大差異； 研究區幾乎沒有低-高集聚區。湘西州生態保護紅線劃定和自然保護地體系的建立應堅持“應保盡保”的原則[29]，以東南部瀘溪縣、古丈縣等地為核心，維護和改善其生態系統服務功能，保障生態安全，助力地區高質量發展。

3.5 驅動力分析

利用研究區1990—2018年7期生態系統服務價值和驅動指標進行相關分析，剔除相關性較低的因子并進行逐步回歸分析，調整后R2均大于0.60，顯著性均小于0.05，說明線性方程對真實數據的反映程度較好(表8)。結果表明，城鎮化率與湘西州生態系統服務總價值呈顯著負相關，是影響區域生態系統服務總價值的首要驅動因素； 林地面積、林業總產值與湘西州生態系統服務總價值呈正相關，說明林地生態系統對湘西州生態系統服務總價值具有顯著提升作用。城鎮化率屬于人口結構指標，人口結構的變化會導致地區經濟、生態結構發生顯著變化，城鎮人口的增加導致原料、食物等需求加大，污染物排放量增加，城鄉建設空間不斷擴大，占用林地、草地等其他用地，最終影響湘西州生態系統服務功能，導致生態系統服務價值降低。

表8 湘西州生態系統服務價值回歸模型Tab.8 Ecosystem service value regression modelsof each service in the study area

①：y為生態系統服務價值，元；y1為供給服務價值，元；y2為調節服務價值，元；y3為支持服務價值，元；y4為文化服務價值，元。

從各生態系統服務功能來看，城鎮化率均為其首要驅動因子，生態系統服務價值與城鎮化率呈顯著負相關。除城鎮化率外，人口密度也是供給服務價值的首要驅動因子，說明供給服務價值受到人口數量的影響較大； 林業總產值是調節服務價值第二驅動因素，說明林地對氣候調節、凈化環境、土壤保持等有重大作用，突出林地生態系統在調節服務上的重要性。

4 結論與討論

基于1990—2018年湘西州土地利用數據，對土地利用變化進行分析，采用謝高地等改進后的當量因子法估算湘西州7個時期生態系統服務價值及其時空變化特征，進一步探究生態系統服務價值的驅動因素，研究得出以下結論：

1)1990—2018年湘西州地區主要土地利用類型為林地，28 a間耕地、林地、草地面積呈現下降趨勢，建設用地、濕地、未利用地呈上升趨勢，水域面積基本無變化，總的來說，28 a間土地利用活躍程度不高。

2)從生態系統服務價值的時間演變來看，研究區生態系統服務價值呈現先增加后減少再增加最后減少的趨勢，耕地、林地、草地生態系統服務價值的變化趨勢與生態系統服務總價值變化趨勢一致； 從生態系統服務價值空間分布來看，生態系統服務總價值整體呈現出東南部高于西北部。28 a來生態系統服務價值總體降低，主要是由于城鄉空間的不斷擴張，建設占用其他用地，在未來要嚴守生態保護紅線，合理規劃城鄉用地邊界，實現湘西州地區可持續發展。

3)敏感性分析表明，研究區生態系統服務價值對于生態價值系數是缺乏彈性的，敏感性系數均小于1，證明研究結果具有有效性和可信度。

4)通過空間相關性分析表明，研究期間研究區生態系統服務價值區域相關性顯著且具有空間正相關性。高-高聚集區主要分布在湘西州東南部，瀘溪縣、古丈縣、保靖縣西部和龍山縣北部； 低-低聚集區主要分布在湘西州與其他市區交界處，鳳凰縣西南部、龍山縣北部和永順縣東北部； 高-低聚集區主要零散地分布在鳳凰縣、花垣縣和吉首市附近； 研究區內幾乎沒有低-高集聚區。28 a間湘西州生態空間格局沒有發生大的變化。

5)影響研究區生態系統服務價值時空變化的驅動因素主要包括人為因素和自然因素，28 a間受人為因素影響較大，主要驅動因素為城鎮化率、人口密度、林業總產值和林地面積。要合理規劃城鄉用地開發邊界、減少人類活動造成的破壞； 同時，由于林地生態系統服務單位面積價值遠大于其他用地生態系統服務單位面積價值，在未來要加大對林地資源的保護。湘西州地區林地資源較豐富，生態基礎較好，加強對國家森林公園的建設，加快推進綠色旅游產業的發展，提高生態效益。

本文在研究湘西州生態系統服務價值時空變化特征及驅動力分析時，由于當量因子表并不適用于所有區域的研究，故對其進行時空修正，使生態系統服務價值評估更準確。隨著社會經濟的不斷發展，人們支付能力與意愿不斷變化，對生態系統服務價值的認識也不斷改變，采用與支付意愿有關社會發展系數進行時間修正； 不同區域土地利用類型、生態環境及生物多樣性的差異對生態系統服務價值有一定的影響，采用凈初級生產潛力代替生物量進行空間修正，該方法適用于林地覆被較廣的地區。由于數據獲取的限制等各方面的原因，本文還存在一些不足，關于生態系統服務價值與人類福祉的相關性研究較少，在未來將會對生態系統服務與人類福祉及決策管理進行進一步細化研究。隨著國家“雙碳”戰略的深入實施，湘西州作為重要生態功能區，擁有豐富的林地資源，發揮林業碳匯作用助力生態優先綠色發展意義重大。今后應進一步加強對湘西州碳排放、碳足跡的深入研究，為制定科學合理的生態政策、加快推動綠色低碳發展和實施區域可持續發展提供理論參考。