基于土地利用變化的湖南省武陵山片區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需空間分析

□樊 簡，鄒妤陽，高 悅，莊大春

（吉首大學土木工程與建筑學院，湖南 張家界 427000）

從長遠角度看，一塊土地的用途可能出現(xiàn)一定的變化，包括林業(yè)用地、建筑用地、耕地、草地等，土地利用類型并不是一成不變，土地利用類型的變化往往容易帶來當?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)的變化[1-2]。文章結(jié)合生態(tài)學、地理信息、城市規(guī)劃的相關(guān)知識，基于研究期內(nèi)研究區(qū)域的土地利用變化，運用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需評價模型進行量化研究[3]，為湖南省武陵山片區(qū)生態(tài)環(huán)境保護以及資源的合理利用提供科學依據(jù)。

1 土地利用時空演變研究

對2000—2020 年中湖南省武陵山片區(qū)5 年土地利用情況進行研究與分析，結(jié)合湖南省武陵山片區(qū)地形特征，將土地利用情況分為6 類，分別是耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地及未利用地。從時間和空間兩個維度，運用間隔、轉(zhuǎn)移、地類視角方式分析湖南省武陵山片區(qū)土地利用的演變特征。運用土地利用變化動態(tài)度、土地利用轉(zhuǎn)移矩陣計算土地利用變化的演變特征。

土地利用變化動態(tài)度可以反映土地利用的動態(tài)變化速度，其表達式如下。

式中：LC為綜合土地利用動態(tài)度，LUi為研究初期第i類土地利用類型的面積，△LUi=j為研究期內(nèi)第i類土地利用類型為非i 類土地利用類型面積的絕對值，T為研究時段，P為某一土地利用類型的動態(tài)度，Ua、Ub分別為研究初期和末期某一種土地利用類型的面積。

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是土地利用變化方向分析的基礎(chǔ)，將土地利用變化轉(zhuǎn)移面積按照矩陣的形式列出，能夠具體刻畫不同時空下用地功能類型變化，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(zhuǎn)換的數(shù)量，借助ArcGIS10.2 對2000 年和2020 年湖南省武陵山片區(qū)用地矢量數(shù)據(jù)進行空間疊加，進而用Excel 數(shù)據(jù)透視表處理，生成湖南省武陵山片區(qū)用地轉(zhuǎn)移矩陣。

2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需時空演變格局分析

在一定區(qū)域內(nèi)如果一種土地利用類型發(fā)生改變，必然會引起其他一種或者幾種土地利用類型面積的改變[4-5]。引入交叉敏感性分析，當一定面積的土地從類型a 轉(zhuǎn)換為類型b 時，其交叉敏感性系數(shù)公式表示如下。

以2000 年湖南省武陵山片區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給與需求為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，表征近20 年研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需格局時空演變特征，突出研究區(qū)域內(nèi)供需不平衡地區(qū)，討論其變化的主要影響因子及驅(qū)動機制，揭示土地利用變化引起的生態(tài)反饋效應(yīng)。

3 結(jié)果與分析

文章利用土地利用變化動態(tài)度、敏感性分析方法、冷熱點分析和驅(qū)動力分析方式，對2000 年、2005 年、2010 年、2015 年、2020 年5 年土地利用情況進行分析，重點分析了湖南省武陵山片區(qū)土地利用情況以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的時空演變情況，得出了以下分析結(jié)論。

3.1 2000—2020 年湖南省武陵山片區(qū)土地利用數(shù)量與結(jié)構(gòu)變化分析

2000—2020 年湖南省武陵山片區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值在波動中呈現(xiàn)上升態(tài)勢。2000—2020 年該片區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移具體有以下情況，分別有413.13 km2、308.61 km2、112.57 km2的耕地轉(zhuǎn)為林地、水域和建設(shè)用地；林地轉(zhuǎn)出量次之，分別有261.77 km2、123.60 km2、90.65 km2的林地轉(zhuǎn)為耕地、草地和建設(shè)用地；草地轉(zhuǎn)出量排第三，有408.74 km2的草地轉(zhuǎn)為林地，轉(zhuǎn)為其余類型的面積較小；其他用地類型轉(zhuǎn)出量均較小。湖南省武陵山片區(qū)土地利用中，超過90%生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值均由林地貢獻。見表1。

表1 2000—2020 年湖南省武陵山片區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣單位：km2

3.2 2000—2020 年湖南省武陵山片區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移分析

采用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值將研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值分為6 個等級，分別為1～6 級。可見湖南省武陵山片區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的空間分布與區(qū)域海拔高度之間高度契合。較高海拔地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值較高，低海拔區(qū)域多為建設(shè)用地和耕地區(qū)域，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值較低。可見較高海拔地區(qū)具有相對更好的生態(tài)服務(wù)功能。

分析2000—2020 年研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值損益情況可知，該區(qū)域整體層面上為增益，但是部分區(qū)域表現(xiàn)為減損，主要集中在吉首市、懷化市鶴城區(qū)、婁底市漣源市。2000 年湖南省武陵山片區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價值13 148.720 億元，2005 年13 166.480 億元，2010 年13 162.426 億元，2015 年13 151.889 億元，2020 年13 204.388 億元。整體上呈增長狀態(tài)，見表2。

表2 2000—2020 年湖南省武陵山片區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價值

3.3 2000—2020 年湖南省武陵山片區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需格局演變

湖南省武陵山片區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值主要包括供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)、文化服務(wù)等，其中供給服務(wù)主要體現(xiàn)為原料生產(chǎn)、食物生產(chǎn)、水資源供給，調(diào)節(jié)服務(wù)主要包括氣候調(diào)節(jié)、水文調(diào)節(jié)、氣體調(diào)節(jié)、凈化環(huán)境等，支持服務(wù)主要包括維持養(yǎng)分循環(huán)、土壤保持、生物多樣性等，文化服務(wù)主要體現(xiàn)為美學景觀。

2000—2020 年湖南省武陵山片區(qū)單項生態(tài)系統(tǒng)中主要的調(diào)節(jié)功能包括氣候調(diào)節(jié)、水文調(diào)節(jié)、土壤保持、生物多樣性等，共占比超過70%，2000—2020 年增長量第一的為水文調(diào)節(jié)，增長36.07 億元；第二為水資源供給，增長6.95 億元；第三為氣候調(diào)節(jié)，增長6.27 億元。增長原因主要是由于此時期該區(qū)域水域面積、林地面積顯著增長，在2015 年之前，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的降低主要是由于林地面積、草地面積縮減導致的。見表3。

表3 2000—2020 年湖南省武陵山片區(qū)單項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值

3.4 2000—2020 年湖南省武陵山片區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需演變敏感性分析

將研究區(qū)域分為5 個時間段進行分析，在這5 個時間段內(nèi)Moran’s I 均在波動之中有所增長，同時P值均大于0，可見該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值在空間分布上呈正相關(guān)性，并且在波動之中逐步增強。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值增值區(qū)域熱點分布較為分散，主要集中在吉首市、會同縣、懷化市等。吉首市主要將部分建設(shè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)楦兀瑫h將部分耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值兀瑧鸦袆t將部分建筑用地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值亍Ｉ鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值損失冷點則相對較少，整體上呈現(xiàn)上升特征，可見該地空間分布與土地利用空間轉(zhuǎn)移具有正相關(guān)關(guān)系。

4 討論

文章通過對2000 年、2005 年、2010 年、2015 年、2020 年5 年土地利用情況進行分析，采用土地利用變化動態(tài)度、敏感性分析方法、冷熱點分析、驅(qū)動力分析方式分析發(fā)現(xiàn)，2000—2020 年湖南省武陵山片區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值在波動中上升，累計增加55.684 億元，增長率0.454%。超過90%生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值由林地貢獻。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值整體為增益，部分區(qū)域減損，主要集中在吉首市、懷化市鶴城區(qū)、婁底市漣源市。2000—2020 年湖南省武陵山片區(qū)單項生態(tài)系統(tǒng)中主要的調(diào)節(jié)功能包括氣候調(diào)節(jié)、水文調(diào)節(jié)、土壤保持、生物多樣性等，占比超過70%，2010 年生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價值13 162.426 億元，2015 年13 151.889 億元，2020 年13 204.388 億元，增長量最大的為水文調(diào)節(jié)，第二為水資源供給，第三為氣候調(diào)節(jié)，主要是由于水域面積、林地面積顯著增長，2015 年之前，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值降低主要是由于林地面積、草地面積縮減，至2020 年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值增值區(qū)域熱點分布較為分散，主要集中在吉首市、會同縣、懷化市。

由于地形的影響，湖南省武陵山片區(qū)城市擴張與相關(guān)活動主要發(fā)生在較低海拔區(qū)域，在該區(qū)域城市化進程不斷推進的背景下，耕地面積減少，城市的擴張使得該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值不斷降低。由于土地利用類型的變化，使得該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值產(chǎn)生了一定變更。2005—2015 年，隨著區(qū)域經(jīng)濟的發(fā)展，林地面積有所下降，但是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能整體上依然上升。

隨著土地利用類型的變更，湖南省武陵山片區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能隨之產(chǎn)生相應(yīng)的變更。基于驅(qū)動力、敏感性分析視角研究區(qū)域變化，要求地方政府對此采取相應(yīng)的措施，為了加強對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的保護，2018 年湖南省制定了當?shù)厣鷳B(tài)保護紅線，重點加強對特定區(qū)域的保護。基于西部陸海新通道的開發(fā)，未來一時段內(nèi)對湖南省武陵山片區(qū)土地利用提出了更高的要求，因此該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能面臨著更大的壓力。為此要求不斷增強土地利用效率，更好地挖掘國土利用空間，在土地開發(fā)利用中實現(xiàn)生態(tài)效益與經(jīng)濟效益的統(tǒng)一[6-8]。