恩施州生態系統服務價值時空分異研究

方朂錫向麗蒲婕張奇陳虎涂怡孫毅

(1.湖北民族大學生物資源保護與利用湖北省重點實驗室，湖北 恩施 445000；2.鶴峰縣走馬鎮綜合行政執法大隊，湖北 鶴峰 445800)

生態系統作為人類生存和發展的基礎[1]，為人類提供產品和服務[2]，其服務主要包括供給服務、調節服務、文化服務和支持服務[3]。土地利用作為人類活動與環境因子交互最為密切的環節[4]，其結構變化會對生態系統格局和功能產生影響，從而改變生態系統服務的價值[5]。格網是表達空間分布格局的重要方法和手段，可用于定量分析空間異質性和精細化表達空間信息[6]。通過核算生態系統服務價值(Ecosystem Services Value，ESV)，可量化生態系統對人類社會的貢獻，為制定生態保護政策、構建生態安全格局提供重要的決策支持和指導。

關于ESV評估的研究成果已較為豐富，Costanza等[7]對生態系統的服務功能進行了分類和定量評估，國內學者謝高地等[8]在該研究基礎上針對中國不同陸地生態系統制定了ESV當量因子表，并于2015年對該方法進行了改進和發展，形成了改進的ESV當量因子法[9]。學者在ESV的價值估算、時空變化、情景模擬、驅動力等領域進行了豐富研究，目前的估算成果涵蓋全球、國家、省市縣、城市群和流域等不同空間尺度，以及森林、農田、草地等各類生態系統。雖然有關ESV的研究已經較為成熟且取得豐富的成果，但在研究內容方面，基于土地利用變化、空間自相關分析等方面探討ESV時空分布特征、集聚特征已成為生態系統服務研究的熱點，同時，在研究尺度方面，以格網作為研究單元進行格網尺度上較高精度研究成為ESV估算及空間演變特征探究的新技術和趨勢。

因此，基于湖北省恩施州2000年、2005年、2010年、2015年和2020年5期土地利用數據，采用改進的ESV當量因子法、空間自相關分析等方法，探究恩施州土地利用和ESV動態變化特征及格網尺度下的ESV和ESV變化量時空分布格局，對于了解恩施州生態系統服務格局，合理配置土地資源，促進區域可持續發展，促進人與自然和諧共生具有重要意義。

1 研究區概況

恩施土家族苗族自治州(簡稱恩施州)，位于湖北省西南部，國土面積2.4萬km2，位于E108°23′12″～110°38′08″，N29°07′10″～31°24′13″，下轄恩施、利川等2個縣級市，巴東、建始、咸豐、宣恩、來鳳、鶴峰等6個縣。恩施州地理特征獨特，其地勢西北和東南部較高，而中部相對較低，呈現東北至西南縱裂的地帶，是典型山地城市。恩施州擁有豐富的自然資源和獨特的自然景觀，森林覆蓋率高，是省重點生態功能區。

圖1 恩施州行政區劃及高程

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源與處理

本研究使用的主要數據：2000年、2005年、2010年、2015年和2020年5期土地利用數據來源于中國年度土地覆蓋數據集(annual China Land Cover Dataset，CLCD)(https：//zenodo.org/)，分辨率為30m，根據研究區土地利用現狀結構和土地利用現狀分類標準(GB/T 21010-2017)[10]，將恩施州地類重分類為耕地、林地、草地、水域和建設用地；高程數據來源于ASF DAAC(https：//search.asf.alaska.edu/#/)的ALOS PALSAR 12.5m，分辨率為12.5m；行政區劃數據來源于湖北省地理信息公共服務平臺(https：//hubei.tianditu.gov.cn/)標準地圖，地圖審圖號為鄂S(2023)009號；農作物播種面積、產量、價格數據來源于《恩施州統計年鑒》《中國農村統計年鑒》和《全國農產品成本收益資料匯編》。

為了實現ESV數量、變化量的空間可視化表達，本研究結合恩施州實際情況、數據分辨率、計算的工作量等因素以及相關研究成果，采用等間距網格法將恩施州劃分為24061個1km×1km的格網作為評價單元，計算各格網ESV總量和變化量，每個格網的面積為100hm2。

2.2 研究方法

研究方法主要分為基于土地利用數據和改進的ESV當量因子法，分析恩施州土地利用以及ESV在時間、數量上的動態演變規律；在格網尺度上利用空間自相關分析及熱點分析等方法探究ESV分布及ESV變化量的集聚和時空分布特征。

2.2.1 土地利用動態度

土地利用動態度從定量角度對土地利用變化幅度進行描述，對于比較不同土地利用變化區域的差異以及預測未來土地利用變化趨勢具有積極作用，計算公式[11]：

(1)

式中，K為某地類的動態度；Ua、Ub分別為研究初期、研究末期某地類的面積，hm2；T為研究時間間隔。當T為年時，K為某地類的年變化率，K越小，說明該地類轉為其他地類的數量越少，該地類在研究期內相對穩定。

2.2.2 生態系統服務價值評估

生態系統服務當量因子法將1個ESV當量因子的經濟價值確定為研究區年平均糧食單產市場價值的1/7(式2)[8，12]。通過查閱研究期間《恩施州統計年鑒》《中國農村統計年鑒》和《全國農產品成本收益資料匯編》，得知馬鈴薯、稻谷、玉米為恩施州主要糧食作物種類，獲得主要糧食作物的播種面積、產量及價格，由式(2)計算得到恩施州ESV當量因子價格Ea為1680.96元·hm-2。再以改進的單位面積ESV當量因子表[9]為基礎，考慮恩施州的實際情況對ESV當量進行修正，由修正的當量和當量因子價格計算得到恩施州各土地利用類型ESV，見表1。

(2)

表1 2000—2020年恩施州ESV當量及各土地利用類型ESV

式中，Ea為1hm2的ESV當量因子的價格，元·hm-2；i為糧食作物的種類；j為主要糧食作物的總種類數；mi為第i種糧食作物播種的總面積，hm2；pi為第i種糧食作物的平均價格，元·t-1；qi為第i種糧食作物面積單位平均產量，t·hm-2；M為所有糧食作物的總播種面積，hm2。

ESV計算公式[12]：

(3)

式中，Ar為土地利用類型r的面積，hm2；VCr為土地利用類型r的ESV，元·hm-2。

2.2.3 空間自相關分析與熱點分析

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(9)

3 研究結果與分析

3.1 土地利用動態變化分析

2000—2020年恩施州土地利用結構和動態變化結果見表2。由表2可知，林地在研究期內一直是恩施州的主要地類，其面積在2000年、2005年、2010年、2015年和2020年分別占總面積的82.87%、85.93%、85.93%、82.61%和81.54%，總量保持相對穩定；其次是耕地，各期占比分別為16.67%、13.65%、13.57%、16.73%和17.73%；建設用地、水域的面積占比較少，5個時期的平均面積分別占比0.28%和0.18%；草地面積占比最小，僅占0.09%。20年間恩施州耕地的增加量最多，共增長255.84hm2，建設用地和水域面積也持續增加，林地和草地面積大幅減少，其中林地減少量最多，達到-318.52hm2，主要是人口增加、工業化和城鎮化的快速發展等因素引起人們對生產和生活用地需求的改變，從而改變了土地利用結構。

表2 2000—2020年恩施州土地利用結構及動態度

從土地利用動態度來看，建設用地的增加速度最為突出，動態度高達9.32%，其次是水域和耕地，其動態度分別為3.04%和0.32%，相反，林地的減少速度最為顯著，動態度為-3.16%，相對而言，林地的變化總體上趨于穩定，主要因為林地總量大，但其仍是耕地和建設用地擴張的主要來源地類。

3.2 ESV時間變化分析

2000—2020年恩施州ESV總量構成和變化特征結果見表3。由表3可知，恩施州5個時期的ESV總量分別為742.18億元、765.33億元、767.82億元、745.37億元和737.80億元，總量保持相對穩定態勢，未見劇烈波動；不同生態系統類型的服務價值呈現出林地>耕地>水體>草地>建設用地的數量特征。其中，水域和耕地的ESV增加，分別增加3.82億元和1.72億元；林地和草地的ESV減少，分別減少9.21億元和0.71億元。從不同地類的ESV貢獻總量而言，林地和耕地為生態服務價值貢獻的主體，其中林地ESV的貢獻率最大，平均占總量的94%左右，而草地ESV的貢獻率最小，占比0.1%左右。

表3 2000—2020年恩施州各土地利用類型ESV及占比

3.3 ESV空間格局分析

2000—2020年恩施州格網尺度上ESV的空間分布格局見圖2a～2e。由圖可知，恩施州5個時期的ESV空間分布特征基本一致，整體呈現出“東南高、西北低、局部分散”的空間分布格局，空間集聚效應顯著水平較高。其中，ESV高值區主要分布在清江、長江等水系流經的區域，呈現出按水系分布的趨勢，這是由于水體的水文調節作用強，當量因子系數大；位于恩施州東南部的宣恩縣、鶴峰縣是較高值區，該地區屬于中低山區地貌，地勢相對較高，植被覆蓋率高，且建有多個國家級自然保護區，區內受人類活動影響較??；低值區主要分布在恩施州西北部和各縣市城區，這些地區的地勢較為平坦，用地類型以耕地和建設為主，特別是恩施市、利川市、巴東縣和建始縣的城區，其土地開發利用程度較高，建設用地規模較大，使得ESV總量較低。

圖2 2000—2020年恩施州ESV和ESV變化量空間分布格局

2000—2020年恩施州格網尺度上ESV的變化見圖2f。由圖可知，恩施州ESV減少量為0～100萬元的格網數量最多，分布在恩施州的大部區域，東南部最為密集；其次是增加量為0～100萬元的格網，主要分布在恩施州北部、西部以及來鳳縣，存在一定破碎化現象；ESV變化量超過100萬元的格網較少，其中恩施市城區的減少量最大，巴東縣北部的增加量最大?？傮w上，ESV減少格網數量大于增加格網數量，進一步說明研究期內恩施州ESV總量減少，因此，在未來土地利用上應更重視生態用地的保護。

3.4 ESV空間自相關分析

恩施州2000年、2005年、2010年、2015年和2020年的全局Moran′s I分別為0.578、0.512、0.475、0.499和0.507，說明恩施州ESV的空間分布具有較強的正向自相關性，存在空間集聚效應，且隨著時間的推移，這種空間集聚效應保持著一定的一致性。2000—2020年恩施州格網尺度上ESV的空間自相關分析結果見圖3，由圖3可知，恩施州ESV高值、低值聚集特征明顯，高值在宣恩縣、鶴峰縣顯著聚集，這與當地建立的七姊妹山、木林子國家級自然保護區等生態保護措施關系密切；低值在恩施市、利川市、來鳳縣城區等地聚集，與各縣市近年來的產業發展、擴張模式有一定關系，說明ESV在空間上的分布格局受土地利用結構和城市發展的影響。

圖3 2000—2020年恩施州ESV的LISA分布圖

3.5 ESV變化量熱點分析

將恩施州2000—2005年、2005—2010年、2010—2015年、2015—2020年和2000—2020年5個時段的ESV變化量進行熱點分析，選擇置信度在90%以上的具有統計顯著性的“冷點區”和“熱點區”，得到ESV變化量冷熱點區統計表和空間分布圖見表4、圖4。由表4可知，5個時段的冷點區、不顯著區、熱點區分別占比10%、13%和70%左右，其中2010—2015年的變化量冷點區和熱點區占比最大，分別達18.37%和16.85%。20年間，冷點區由6.20%增加到16.22%，熱點區由12.98%增加到13.93%，總體上ESV冷點區面積的增加比例大于熱點區面積，這也說明恩施州在城市發展進程中，也在積極推進生態文明建設。

表4 2000—2020年恩施州ESV變化量冷熱點區統計表

圖4 2000—2020年恩施州ESV變化量冷熱點空間分布圖

由圖4可知，在空間分布上，ESV變化量熱點區主要分布在來鳳縣、巴東縣北部和利川市西部等區域，冷點區主要分布在恩施市中部、咸豐縣西部以及各縣市城區，其他區域熱點區、冷點區多零散分布。通過疊加土地利用數據和遙感目視解譯可以發現，其空間分布特征與土地利用變化特征類似：熱點區出現的原因多是形成林地、水域等生態用地；冷點區則是由于城區擴張占用林地、耕地和草地等原因導致植被破壞，造成ESV的損失。

4 結論

本文選取恩施州2000—2020年5期土地利用數據，利用改進的ESV當量因子法、空間自相關分析與熱點分析等方法，分析恩施州土地利用和ESV動態變化特征及格網尺度下的ESV和ESV變化量時空分布格局特征，以期為恩施州生態保護開發、保障生態安全等提供一定支撐。主要結論如下。

2000—2020年，林地是恩施州的主要地類，平均占總面積的80%以上，耕地增加量最大，為255.84hm2，林地減少量最多，為-318.52hm2。建設用地增加速度最快，其動態度為9.32%；林地減少速度最顯著，其動態度為-4.35%，是耕地和建設用地擴張的主要來源地類。

2000—2020年，恩施州ESV總量保持相對穩定態勢，林地和耕地是ESV貢獻的主體，草地的貢獻率最小，不同生態系統類型的服務價值呈現林地>耕地>水體>草地>建設用地的數量特征。

5個時期的ESV分布特征基本一致，整體呈現出“東南高、西北低、局部分散”的空間分布格局，空間集聚效應顯著水平較高。ESV減少量為0～100萬元的格網數量最多；恩施市城區的減少量最大，巴東縣北部的增加量最大，其格網的ESV變化量超過100萬元。

各時期全局Moran′s I分別為0.578、0.512、0.475、0.499和0.507，說明ESV的空間分布具有較強的正向自相關性，并在時間上保持較高程度的一致性；ESV變化量高值、低值聚集特征明顯，高特征值在宣恩縣、鶴峰縣顯著聚集，低特征值在恩施市、利川市、來鳳縣城區等地聚集。

20年間ESV變化量“冷點區”和“熱點區”均增加，2010—2015年ESV變化最為顯著，冷點區和熱點區占比分別為18.37%和16.85%。熱點區主要分布在來鳳縣、巴東縣北部和利川市西部等區域，冷點區主要分布在恩施市中部、咸豐縣西部以及各縣市城區。