基于土地利用變化的生態系統服務價值時空演變特征分析

胡芳　曾海波　楊凱鈞　鄭巧云

摘 要：在當前生態文明建設新背景下，本文以湘江流域為研究區域，基于土地利用變化，采用修正后的生態系統服務價值當量系數估算生態系統服務價值，繼而分析其時空變化特征。結果表明：（1）1995～2018年間土地利用變化較大，其中建設用地顯著增加，水田減幅最大;（2）研究期限內湘江流域生態系統服務總價值呈波動下降趨勢，林地和水域生態對于維持湘江流域生態系統服務價值的穩定性發揮著重要作用;（3）從生態系統服務價值空間分布特征來看，生態系統服務價值的高值區集中分布在洞庭湖區以及湘江徑流區，中值區廣泛分布于研究區域內森林覆蓋度高的地區，低值區主要分布在城市建設發達的長株潭城市群及周邊地區。（4）水田、林地和水域是影響研究區域生態系統服務價值的重要因素，其中水域對湘江流域的生態系統服務價值影響最為顯著。

關鍵詞：湘江流域；地理信息空間分析；生態系統服務價值；土地利用

中圖分類號： F301.2? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1672-5603（2023）01-78-07

Analysis of Spati0-Temporal Evolution Characteristics of

Ecosystem Service Value Based on Land Utilization Change

Hu Fang， Zeng Haibo， Yang Kaijun， Zheng Qiaoyun

（1.The 2nd Surveying and Mapping Institute Of Hunan Province，Hunan Changsha 410119;

2.Hunan Provincial Satellite Application Technology Center of Natural Resources，

Changsha Hunan 410119;3.Key Laboratory of Natural Resources Monitoring and Supervision in Southern Hilly Region， Ministry of Natural Resources，Changsha Hunan 410119）

Abstract：Under the new background of the current ecological civilization construction， this paper takes the Xiangjiang River basin as the research area， uses the modified equivalent coefficient of ecosystem service value to estimate the ecosystem service value based on land use change， and then analyzes its spatio-temporal change characteristics. The results showed that： （1） land utilization changed greatly from 1995 to 2018， among which construction land increased significantly and paddy field decreased the most; （2） During the study period， the total value of ecosystem services in the Xiangjiang River basin fluctuated and declined. Forest land and water ecology played an important role in maintaining the stability of ecosystem services in the Xiangjiang River basin; （3） From the perspective of spatial distribution， the high， medium and low value areas of ecosystem service value are respectively concentrated in the water area， forest land and urban construction developed areas; （4） Paddy field， forest land and water area are important factors that affect the ecosystem service value of the study area， and the water area has the most significant impact on the ecosystem service value of the Xiangjiang River basin.

Keywords：Xiangjiang river basin;GIS spatial analysis;ecosystem service value;land utilization

0 引言

生態系統服務是指通過生態系統直接或間接得到的對人類生存與生活質量有所貢獻的服務，是生態系統環境管護、開發利用的重要基礎。近年來，隨著生態文明建設的不斷深入，對生態環境的保護提高到了空前高度[1]，探究土地利用情況對生態系統的影響顯得尤為重要，而流域作為水系統重要組成部分和鏈接環節，是聯系生態系統中的各生態要素的不可分割的整體?；诹饔蛏鷳B系統服務價值研究是流域綜合治理的重要發展方向，對于流域生態系統服務評估的方法和案例研究，眾多學者已取得了許多優異的成績，這些案例為流域生態系統服務價值的研究提供了許多值得借鑒的經驗，如1995年“國際地圈與生物圈計劃”（IGBP）與“全球環境變化人文計劃”（HDP）兩大全球影響力組織聯合提出了“土地利用/土地覆蓋變化”研究計劃，重點研究土地覆蓋變化與全球環境變化之間的影響以及土地利用/土地覆蓋變化與可持續發展之間的關系；岳書平等通過分析土地利用和生態系統服務價值的整體變化情況，指出城市建設用地的擴張是導致生態系統服務價值下降的主要原因；王雅等通過分析城市用地面積與生態系統服務價值的相關性，定性揭示了建設用地擴張對ESV造成的影響；榮益等通過構建土地利用變化與生態系統服務價值的影響評估模型[2-3]，對城市用地擴張所造成的生態系統服務價值變化進行了定量分析。前人對土地利用情況與生態系統服務價值的關聯性做了大量探索，然而大部分學者側重于二者在大空間尺度下的關聯，各土地利用變化會存在相互抵消的情況，且較短的研究時序無法準確反應土地利用對生態環境的影響。

湘江流域作為湖南發展的核心區域，屬于湖南省城鎮、人口、經濟和產業發展的黃金地帶，同時承載著湖南省濕地資源和水源保護的重要的生態功能，近年來湘江流域資源和生態環境問題不斷凸顯，可持續發展壓力日益增大，加強對湘江流域生態系統服務價值的研究對流域內社會經濟可持續發展乃湘江河流域的生態系統健康發展具有重要理論意義和現實價值。鑒于以上背景，本文利用地理信息空間分析方法[4]，基于1995～2018年湘江流域土地利用數據，在分析土地利用變化的生態系統服務價值時空演變特征基礎上，結合生態系統服務價值當量表和生態系統服務價值影響估算模型，估算湘江流域六個時期生態系統服務價值及其時空變化特征并深入揭示土地利用與生態系統服務價值的時間變化和空間分布特征以及二者之間的相關性，定量研究湘江流域土地利用變化與生態系統服務價值時空演變規律，以期為湘江流域土地利用和生態建設提供參考。

1 研究區概況及數據源來源

1.1 研究區概況

本文主要以湘江流域為研究區域。湘江流域地理范圍東經110°28′～114°16′，北緯24°38′～29°04′區域總面積8.5萬km2，包括長沙、株洲、湘潭、衡陽、郴州、永州、婁底、邵陽、岳陽等9市67縣市區。湘江流域內自然資源豐富，交通網絡發達、區位優勢十分突出，因而成為湖南省經濟最發達、人口密度最高、土地利用活動最頻繁的地區之一。截至2018年，湘江流域GDP總量為25 973.50億元，總人口3 990.43萬人，分別占湖南省的71.73%，57.84%，城鎮化率接近60%。伴隨著城市的擴張和工業的發展，湘江流域大量的農用地特別是耕地被轉為建設用地，土地利用結構也發生了巨大的變化，生態環境問題也逐步顯現。

1.2 數據來源

本文采用的數據主要包括：1995，2000，2005，2010，2013，2018 年6個時期湖南省土地利用數據，源自中國科學院資源環境數據中心（http：//www.resdc.cn）；1995～2018年湖南省NPP數據，來源于國家地球系統科學數據共享服務平臺（http：//www.geodata.cn）；湖南省糧食單位面積產量，來源于湖南統計年鑒；水稻收益價值，來源于《全國農產品成本收益資料匯編》。

2 生態系統服務價值分析

2.1 生態系統服務價值當量表

本文采用謝高地制定的生態系統服務價值當量表[5]，結合湘江流域實際情況做出部分調整。林地與闊葉林ESV對應，草地與灌木叢ESV對應，水域與水系ESV對應，未利用地取裸地價值當量，水田與旱地則直接取與之對應的ESV。而建設用地生態系統服務價值測算目前依舊存在爭議，暫不考慮。同時由于謝高地制定的生態系統服務價值當量表適用范圍是全國。因此需針對湘江流域實際做出部分修正。

根據湘江流域特點，耕地占30%、森林覆蓋率60%。兩者對生態系統服務價值貢獻較大，擬采用生物量因子和植被初級凈生產力（NPP）時空因子進行修正。修正權重按照用地面積代表貢獻率，生物量修正因子與NPP時空修正因子權重比為1：2。

謝高地提出的區域修正系數表中湖南省農田生態系統的生物量因子為1.95，以2018年為例，2018年湘江流域平均糧食產量是湖南省平均糧食產量的1.06倍。因此湘江流域農田生態系統服務價值系數是全國水平的2.067倍。

利用GIS進行NPP時空因子修正，以2018年為例，獲取全國2018年逐月NPP柵格數據，并疊加算出2018 年日均NPP柵格數據為15.83 g/（km?·m），再用湘江流域范圍的矢量數據提取湘江流域2018年日均NPP柵格數據為22.66 g/（km?·m），得到2018 年NPP修正系數為1.43。

加權算出平均修正值進行統一修正，權數用耕地面積與林地和草地面積之和的比值來確定，耕地面積的權重對應農田生物量修正因子的權重，林地和草地面積之和的權重對應NPP 時空修正因子的權重。每年單位面積生態系統服務價值當量修正系數如表1。

2.2 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，湘江流域地區平均糧食產量為5 447.74 kg/hm2。利用Costanza等提出的ESV計算方法，湘江流域生態系統服務價值[6-7]計算公式為：

式中，ESVt為第t年生態系統服務價值（元）；ESVf為第f項服務功能價值（元）；Ak為第k類土地利用類型面積（hm2）；VCk表示第k類土地利用的單位面積生態系統服務價值系數（元/hm2）；VCfk為土地利用類型k的第f項服務功能價值系數（元/hm2）；Dt表示第t年修正系數。計算結果見表2。

運用格網分析法，構建3 km×3 km的格網矩陣，測算每一個格網單元的生態系統服務價值，計算公式如下：

式中，ESVm為第m個格網單元的地均生態系統服務價值，m代表評價單元；n為土地利用類型的數量；Aim為第m個格網類土地類型的面積，VCi為第i類土地類型的生態系統服務價值。

2.3 生態系統服務價值時間變化分析

從整體趨勢來看，研究期限內湘江流域生態系統服務總價值呈現波動下降的趨勢：1995～2018年期間ESV總體下降，但2005～2010年間ESV有所上升。1995～2018年間，湘江流域生態系統服務總價值由1995年最大值56.61億元減少至2018年最低值51.04億元。

分時段來看，1995～2005年期間，林地和水田大量轉化為旱地，林地和水域ESV顯著下降，導致湘江流域生態系統服務總價值下降4.53億元，下降幅度達8.00%；2005～2010年期間，湘江流域生態系統服務總價值有所上升，水域ESV增加0.28億元，主要原因是受降雨量影響，2010年為湖南省豐水年，降雨量達1 639.4 mm，比常年偏多13.0%，水域面積增加637.93 hm2。2010～2018 年期間，林地，草地等大量自然用地轉化為城市建設用地，建設用地增加1 739.14 km?，湘江流域生態系統服務總價值持續下降，共計2.84億元，下降幅度達5.27%（圖1）。

2.4 生態系統服務價值空間變化分析

將1995年、2005年、2018年三期土地利用數據與格網進行疊加分析，計算出每個網格的ESV值并按區間分類生成生態系統服務價值空間分布圖（圖2）。

綜合來看，1995～2018年湘江流域生態系統服務價值空間分布格局基本保持穩定。以圖中2018年生態系統服務價值空間分布為例，高值區集中成片分布在洞庭湖區以及湘江徑流區；中值區廣泛分布于研究區域內以林地為主，森林覆蓋度高地區；以湘江為中心串聯的若干各低值區均是城市建設發達地區，以長株潭城市群最為明顯，這與城市趨向于沿河流發展的客觀規律相統一。

為了進一步反映湘江流域生態系統服務價值空間變化的情況，將研究期初與期末的生態系統服務價值格網空間分布圖進行疊加，統計每個格網的ESV變化情況，分為上升區，穩定區和下降區，得到1995～2018 年生態系統服務價值量空間變化圖（圖3）。

總體來看，湘江流域生態系統服務價值變化情況以穩定和下降兩種為主，生態系統價值增加區域較少，下降區域主要集中在洞庭湖周圍以及長株潭城市群，主要由于近年來洞庭湖區域雖施行退湖還田措施，水域面積得到保障，但周圍城市地區經濟的快速發展導致生產及生活污水無法得到有效控制；尤其是三峽水庫運行之后，洞庭湖氮，磷，高錳酸鹽酸含量增加明顯，使得洞庭湖水質不斷惡化。

2.5 生態系統服務價值與土地利用類型關聯分析

本文選用灰色關聯度法計算1995～2018年期間湘江流域不同土地利用類型與生態系統服務價值之間的關聯程度[8-9]。將生態系統服務價值總量設定為參考序列[X0=（X01，X01，…X0（n））]；將湘江流域不同類型土地面積設定為比較序列Xi=（Xi（1）， Xi（1），…Xi（k），Xi（n） [）]。其中i=1，2，…m；k=1，2，…n。在對其進行無量綱化處理后，進行絕對差值比較。再利用絕對差值計算灰色關聯系數，最終計算其灰色關聯系數。公式如下：

其中ξ是分辨系數，為常數。其取值范圍為（0，1），一般情況ξ?。?.1，0.5），通常取0.5。

根據上述公式計算出湘江流域1995～2018年不同土地利用類型與生態系統服務價值之間的關聯系數。具體結果見表4。

從整個研究期的平均關聯度來看，灰色關聯度由大到小依次為水田＞林地＞水域＞草地＞旱地＞未利用地。其中水田，林地，水域在各目標年份的平均關聯度都保持在0.8以上，表明這三者是影響研究區域生態系統服務價值的重要因素[10]。其中水田和林地關聯度較大，這與湘江流域土地利用類型中水田和林地占比最大相一致，此外水域在研究期限內的平均關聯度也達到0.925，對湘江流域的生態系統服務價值影響明顯，表明加強流域內各水系的保護，不斷恢復水體面積，對于生態系統服務價值的提升有較大意義。

3 生態系統服務價值敏感性分析

本文通過敏感性系數計算生態系統服務價值的敏感性指數來對生態系統服務功能結果進行評估[11-16]，根據計算公式，將研究區的各土地利用類型的生態系統服務價值上調或下降50%，以此計算其敏感性指數。計算公式如下：

式中CS為敏感性指數，i和j分別代表調整前和調整后的生態系統服務價值量。計算結果見表5。

由以上計算結果可知，湘江流域1995年、2000年、2005年、2010 年、2013年、2018年敏感性指數由大到小以此為林地＞水域＞水田＞草地＞旱地＞未利用地，各地類的敏感性系數都小于1，說明不同用地類型生態價值系數調整前與調整后對生態系統服務價值影響較小，ESV對VC缺乏彈性，準確度和可信度較高。

4 結束語

本文基于1995-2018年湘江流域土地利用數據，采用改進后的當量因子法估算湘江流域六個時期生態系統服務價值及其時空變化特征并深入揭示土地利用與生態系統服務價值的時間變化和空間分布特征以及二者之間的相關性。研究得出以下結論：（1）1995～2018年湘江流域水田，水域，林地用地面積呈現顯著減少態勢；旱地，草地用地面積雖有所減少但變化不顯著。建設用地呈現顯著增加態勢。其增幅最大的用地類型是建設用地，減幅最大的用地類型是水田，其次是水域；（2）從研究期限內湘江流域生態系統服務價值特征看，其總價值呈現波動下降的趨勢。在土地利用類型方面，林地和水域對于維持湘江流域生態系統服務價值的穩定性發揮著重要作用。生態系統服務功能層面，水文調節，氣候調節對區域生態系統服務價值量貢獻居于前列；（3）從空間分布來看，生態系統服務價值的高值區集中成片分布在洞庭湖區以及湘江徑流區；中值區廣泛分布于研究區域內以林地為主，森林覆蓋度高的地區；以湘江為中心串聯的若干各低值區均是城市建設發達地區，以長株潭城市群最為明顯。水田、林地和水域是影響研究區域生態系統服務價值的重要因素，其中水域對湘江流域的生態系統服務價值影響最為顯著。本文研究湘江流域生態系統服務價值時空變化特征分析，加強流域內各水系的保護，不斷恢復水體面積，對于生態系統服務價值的提升有較大意義，可為湘江流域生態保護政策的制定提供科學依據和理論支撐。

本研究還存在不足之處，由于數據獲取限制原因，劃分出7類土地利用類型，雖然結合湘江流域實際情況將水田和旱地從耕地中細分，但要得到更加精準的研究結果仍需要進一步深入細化。

參考文獻/References

[1] 黃金亭，曹艷萍，秦奮.基于土地利用/覆蓋變化模擬的黃河流域生態環境質量分析[J]. 河南大學學報（自然科學版）.2020（02）：127-138.

[2] 冉圣宏，呂昌河，賈克敬，等.基于生態服務價值的全國土地利用變化環境影響評價[J]，環境科學，2006.（10）：2139-2144.

[3] 榮益，李超，許策，等.城鎮化過程中生態系統服務價值變化及人類活動影響的空間分異—以黃驊市為例[J].2017，36（05）：1374-1381.

[4] 謝高地，張彩霞，張昌順，等.中國生態系統服務的價值[J].資源科學.2015（09）：1740-1746.

[5] 謝高地，肖玉.農田生態系統服務及其價值研究進展[J]，中國生態農業學報.2013，（06）：645-651.

[6] 黃從紅，楊軍，張文娟.生態系統服務功能評估模型研究進展[J]. 生態學雜志. 2013（12）：3360-3367.

[7] 劉金勇，孔繁花，尹海偉，等.濟南市土地利用變化及其對生態系統服務價值的影響[J]. 應用生態學報.2013（05）：1231-1236.

[8] 馬麗娜，張飛云，翟玉鑫，等.1980—2020新疆土地利用變化下生態系統服務價值時空演變分析[J/OL].干旱區地理：1-13[2023-03-03].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/65.1103.X.20220818.1615.003.html.

[9] 羅俊，王克林，陳洪松.喀斯特地區土地利用變化的生態服務功能價值響應[J].水土保持通報，2008（01）：19-24.

[10] 王佩榆.廣州市生態系統服務價值對土地利用變化的響應研究[D].廣東工業大學， 2022.

[11] 黃草，劉啟，付薔，等.洞庭湖北部地區多閘泵系統水資源優化配置模型及應用研究[J].長沙理工大學學報（自然科學版），2022，19（02）：37-48.

[12] 尹令實，文曉鳳，黃佳麗，等.洞庭湖區微塑料污染及其與農村、農業的相互影響[J].長沙理工大學學報（自然科學版），2022，19（02）：15-27.

[13] 徐麗芬，許學工，羅濤，等.基于土地利用的生態系統服務價值當量修訂方法——以渤海灣沿岸為例[J].地理研究，2012，31（10）：1775-1784.

[14] 黃木易，方斌，岳文澤，等.近20年來巢湖流域生態服務價值空間分異機制的地理探測[J].地理研究，2019，38（11）：2790-2803.

[15] 雷征.開發區國土空間規劃監測評估指標體系構建研究——以廣西良慶經濟開發區為例[J].國土資源導刊，2022，19（04）：42-47.

[16] 劉禹麒，鐘鎮濤，周廣明，等.國土空間規劃監測評估預警關鍵技術研究及應用[J].國土資源導刊，2022，19（04）：87-92.

收稿日期：2022-10-15;? ? ? ? ? ? ? ? 改回日期：2022-12-22。

*基金項目：自然資源湖南省衛星應用技術體系建設項目。

*第一作者簡介：胡芳（1989-），女，碩士，測繪工程師、土地工程師；主要從事測繪地理信息在自然資源管理方面的應用工作；E-mail：1035327840@qq.com。