基于地形梯度的冀西北间山盆地生态系统服务价值评估——以河北省怀来县为例

石 垚, 袁大鹏, 赵雪杉, 封 乾, 牛志君, 王树涛

(1.河北农业大学 资源与环境科学学院, 河北 保定 071000; 2.河北农业大学 国土资源学院, 河北 保定 071000)

生态系统服务功能是指人类赖以生存和维持生态过程的自然环境条件和效用[1-2]，它不仅包括各种生态系统为人类所提供的食物、医药和农业生产的原料，也是支撑和维持地球生命支持系统的重要组成部分[1]。土地利用变化(LUCC)不仅从地表结构上带来巨大的变化，而且影响其生态过程，如物质循环和能量流动，并影响着整个生态系统的结构和功能，从而影响生态系统服务价值及其人类福祉[3-4]。伴随着全球人口增长和城市化的发展，环境问题日益突出，生态系统服务受到越来越多的关注。探讨土地利用变化(LUCC)与生态过程之间的相互影响和相互作用，对土地可持续利用、生态环境保护和区域生态安全等方面的研究具有重要意义[5]。

生态系统服务评估有多种方法，而采用经济学的手段，从价值的角度可以更直观的描述生态系统服务价值[6-7]。Costanza等[8]于1997年提出了一种来衡量全球生态系统服务价值的方法，谢高地等[9]结合中国实际情况建立了“中国生态系统单位面积生态系统服务价值当量”表，为我国生态系统服务价值核算以及演化过程提供重要依据[10]。国内大多数学者结合谢高地等[9]的研究成果，采用单位面积生态系统服务价值的平均值直接测算，或者通过生物多样性、生物量等修正方法间接去估算区域生态系统服务价值[11]，通过建立的区域生态系统服务价值表，可以更为精确地表达研究区域生态系统服务价值的变化。近些年来国内学者主要从LUCC对生态系统服务价值的影响等方面来进行研究，然而，很少通过地形梯度上的土地利用变化对区域生态系统服务价值进行研究[12]。通过从不同地形梯度分析生态系统服务价值，能够更全面的研究LUCC对生态系统服务价值的影响。

怀来县地形分异明显，南部和北部为山地，中部地区为平原，有较好的地形梯度特征。本文根据怀来县地形梯度上的土地利用变化，通过对不同高程梯度和坡度梯度的分析，对怀来县生态系统服务价值进行研究，同时对怀来县敏感性指数进行测算为怀来县生态环境建设及土地资源的合理利用提供理论支持。

1　研究区概况及数据处理

1.1　研究区概况

怀来县位于河北省西北部，属于张家口市，地处于燕山北侧，永定河上游区域从中穿过，介于东经115°16′—115°58′、北纬40°4′—40°35′。怀来县全境属燕山山地，南部和北部为山地，中部为河谷平原，燕山支脉从西北和西南两侧包围，因中部低，两侧高而被称为“怀来盆地”，怀来县主要有山地、河川平原和丘陵等地貌类型。全县地处于暖温带大陆性季风气候区，受地形及大气环流影响，具有光照充足、雨热同季、四季分明、日温差大等特点。年平均降水为396 mm，南部和北部两山偏多，年平均风速为2.3 m/s。怀来县总面积为1 801 km2，其中河川平原占全县总面积的35%左右，丘陵占全县总面积的24.8%左右，山地占全县总面积的41.7%左右。

1.2　数据来源及处理

本研究所用的土地利用现状数据来源于2003年、2013年怀来县的Landsat TM/ETM+遥感影像；地形数据来自中科院国际数据中心下载的DEM和Slop数据，分辨率为90 m。怀来县2013年Landsat TM/ETM+遥感影像的二次多项式几何校正通过ENVI 4.8软件进行，确保校正后误差小于0.5个像元。将纠正影像作为参考，采用Image to Image模块对2003年遥感影像进行自动配准，并以行政区作为掩膜切割遥感图像，遥感图像的分类是通过监督分类和结合人机交互方法进行的，分别用代码1，2，3，…，6表示，并通过地面测量数据(GPS现场测量)来测试解释精度，随机选择多个样本，使用混淆矩阵法进行评价分析，结果表明：2期遥感图像分类的总体精度分别为83.21%和87.69%，解读精度超过80%[13]。根据国家一级地类划分标准，将该区域划分为耕地、林地、建设用地、园地、水域、未利用地6大类。基于ArcGIS 10.2软件，运用ArcGIS中自然间断法依据地类特征将其高程分为6类，坡度梯度分为5类(图1)，高程分别为0～600 m，600～900 m，900～1 200 m，1 200～1 500 m，1 500～1 800 m，1 800～2 100 m；坡度梯度分别为0°～2°，2°～6°，6°～15°，15°～25°，>25°。

从图中可以看出，高程分布以600～900 m，900～1 200 m，1 500～1 800 m范围居多，主要分布于怀来县中南部和中北部地区，1 800～2 100 m范围内分布最少；坡度在2°～6°，15°～25°范围内分布较多，同样分布于中南部和中北部地区，>25°范围内分布最少。

2　研究方法

2.1　生态系统服务价值动态度

生态系统服务价值动态度指研究区某一段时间某种地类生态系统服务价值的变化[14]，它可以在一定程度上反应某种地类的土地利用变化，其动态度值越高，表明该地类土地利用变化越频繁，动态度值越低，表明该地类土地利用变化越少，公式如下：

式中：Va，Vb分别为研究区某种地类研究期初和期末的生态系统服务价值；T为研究时间；EV为某种地类生态系统服务价值动态度。

图1　研究区高程梯度和坡度梯度

2.2　生态系统服务价值测算

本文利用Costanza等[8]提出的生态服务价值计算公式，基于谢高地等[9]人建立的中国陆地生态系统单位面积服务价值的基础上，陈影等[15]人结合研究区实际情况对其修正制定了怀来县生态系统单位面积生态系统服务价值表(表1)，参照怀来县生态系统单位面积生态系统服务价值表计算怀来县生态系统服务价值，生态系统服务价值计算公式如下：

式中：ESV表示生态系统价值；Ai表示研究区第i类土地类型的面积；VCi为第i种地类生态系统服务价值的系数。

表1　怀来县生态系统服务单位面积价值表　元/hm2

2.3　敏感性分析方法

借鉴相关研究成果[16-19]，运用经济学中常用的弹性系数概念，计算价值系数的敏感性指数(CS)[20]，确定生态系统服务价值在时间的变化过程中对于价值系数的依赖程度。将各种地类的价值指数分别调整50%，来衡量生态系统服务总价值的变化。敏感指数计算公式如下：

式中：ESV表示生态系统总价值；VC表示生态系统服务价值系数；m，n分别为调整前后生态服务价值系数。如果CS>1，则ESV相对于VC是有弹性的；如果CS<1，则表明ESV是缺乏弹性的，比值越大，表明生态系统服务价值指数的准确性越高。

3　结果与分析

3.1　土地利用变化分析

由图2分析可知，怀来县土地利用主要以林地和未利用地为主，主要以南部和北部山地居多。2003—2013年期间，怀来县园地、林地和建设用地面积呈增加趋势，增长面积分别为7 077.63 hm2，4 331.36 hm2，157.12 hm2；水域、耕地和未利用地呈减少趋势减少面积分别为4 190.84 hm2，3 292.74 hm2，207.3 hm2。具体变化区域为，园地增加的主要区域为官厅水库西部山地，随着人类社会经济活动的扩大，部分耕地转为经济效益较好的园地；林地增加的主要区域为怀来县南部和北部的山地，由于退耕还林工程的实施，将耕地坡度较大的区域退耕为林地，因此林地面积明显增加，耕地面积减少；建设用地在中部河谷平原地区扩张明显，其原因是该地区交通便利、地势平坦和人口集中，随着怀来县经济迅速发展，建设面积不断增加；水域面积减少区域主要为怀来县中部的官厅水库周边区域，主要原因为干旱加之人类生产生活对水资源的需求增加等因素；近些年人们对未利用地的开发及利用使其面积逐渐减少。

3.2　生态系统服务价值的时空特征

怀来县生态系统服务价值分布及变化趋势见图3，其生态系统服务价值总体程南北高中部低的分布趋势，生态系统服务价值高的地区主要分布于南北的山地地区，中部平原生态系统服务价值较低。2003—2013年怀来县生态系统服务总价值增加0.38亿元，其中建设用地和园地的生态系统服务价值动态度较高，增加生态系统服务价值分别为157.12万元、7 077.63万元，年递增率分别为0.43%，0.19%，增加区域主要在中部平原区；耕地和水域的生态系统服务价值分别减少3 292.74万元、4 190.84万元，年递减率分别为0.17%，0.16%，减少区域主要分布在北部山地和中部官厅水域地区。

图3　怀来县生态系统服务价值分布及变化趋势

3.3　生态系统服务价值的地形梯度特征

怀来县生态系统服务价值在高程梯度上呈先减少再增加的分布特征，分布不均。在0～600 m的高程梯度范围内，50%的耕地生态系统服务价值集中于该梯度范围，占该梯度总价值的13.8%。在600～900 m高程梯度范围内，82.8%的水域、68.6%的建设用地和57.3%的园地生态系统服务价值主要集中于该高程梯度。高程梯度在900～1 200 m范围内有34.2%林地和33.6%的未利用地生态系统服务价值，其他用地分布较少。在高程梯度为1 200～1 500 m范围内各土地利用类型生态系统服务价值均较少。在1 500～1 800 m高程梯度内，主要有42.2%的林地生态系统服务价值集中在该梯度。在1 800～2 100 m高程梯度范围内各土地利用类型生态服务价值最少，主要分布于南部和北部的山地地区。

根据高程梯度上生态系统服务变化图(图4)分析可知。在0～600 m高程梯度上，园地生态系统服务价值增加最多为4 869.87万元，水域生态系统服务价值减少的最多，减少了3 958.10万元，主要由于生产生活对水资源需求的增加及其干旱等因素，使其水域面积呈减少趋势；600～900 m和900～1 200 m高程梯度内，耕地生态系统服务价值显著减少，减少2 682.41万元，主要是由于人类开发建设活动占用了大量的耕地以及部分耕地转向了经济效益较好的园地[13]；在1 200～1 500 m，1 500～1 800 m和1 800～2 100 m的高程范围内，林地生态系统服务价值增加显著为3 247.98万元，生态保护政策的实施和退耕还林工程是其变化的主要原因。

图4　基于高程梯度的生态系统服务价值变化

怀来县生态系统服务价值在坡度上呈波浪型分布，在0°～2°和2°～6°坡度梯度内生态系统服务价值随坡度的增加而增加，6°～15°坡度范围内缓慢减少，在15°～25°坡度梯度内达到最大，>25°坡度范围又逐渐减少。0°～2°坡度梯度主要分布于中部平原地区，该梯度内生态系统服务总价值为21 907.96万元。15°～25°坡度梯度面积在该区分布最广，其生态系统服务价值约为63 011.98万元，达最大值，主要分布于南部和北部山地地区。

怀来县坡度梯度上生态系统服务价值的变化见图5。在0°～2°坡度梯度内，园地和林地的生态系统服务价值分别增加1 425.18万元和278.71万元，耕地和水域的生态系统服务价值分别减少1 495.27万元和635.21万元；在2°～6°坡度梯度内，园地的生态系统服务价值增加最多为4 285.09万元，由于园地的经济效益较好，怀来县的耕地较多的转变为园地，水域的面积在人类活动和自然环境的影响下日益减少，其生态系统服务价值减少最多为2 924.24万元；6°～15°梯度范围内，林地生态系统服务价值增加943.91万元，水域生态系统服务价值减少600.7万元；在15°～25°坡度梯度内，林地生态系统服务价值增加最多，为1 902.23万元，该梯度主要分布与南部和北部山地地区，由于退耕还林工程的实施，怀来县耕地的生态系统服务价值减少，林地生态系统服务价值增加；在大于25°坡度梯度内，林地的生态系统服务价值共增加450.66万元，该梯度范围主要分布于怀来县东南部和东北部山地地区，该地区是林地生态服务价值增长的主要原因。

图5　基于坡度梯度的生态系统服务价值变化

3.4　基于地形梯度的单项生态系统服务价值变化分析

水体具有最高的废物处理生态系统服务功能，而怀来县水域面积较少，因此大部分的废物处理生态系统服务价值由耕地和林地提供。食物生产生态系统服务价值主要由耕地提供，其他土地利用类型的食物生产生态系统服务价值较低。怀来县废物处理和食物生产生态系统价值因耕地面积的大量的减少而导致供给服务大幅减少，其中食物生产生态系统服务价值为369.41万元，废弃物处理为1 542.36万元。食物生产生态系统服务价值是当地居民的生存与发展的物质基础，因此，食物生产价值的显著减少应当引起有关部门的重视[12]。森林具有较高的土壤形成与保护、气体调节和生物多样性保护等生态系统服务价值，由于林地的增加，气体调节、土壤形成与保护和生物多样性保护等生态系统服务价值增多，分别为1 501.93万元、1 497.85万元、1 099.59万元。

2003—2013年单项生态系统服务价值在高程梯度上变化见图6。

在0～600 m高程梯度内，水源涵养、废物处理、食物生产和娱乐文化均有不同程度的减少，分别减少1 096.48万元、1 254.48万元、30.53万元、119.94万元，其他单项生态系统服务价值均有所增加；高程梯度在600～900 m梯度范围内，气候调节、生物多样性保护、原材料和娱乐文化等生态系统服务价值均有所增加，其他5项生态系统服务价值都有不同程度的减少；在900～1 200 m高程梯度内，除食物生产项的生态系统服务价值减少外，其他8项生态系统服务价值均增加；在1 200～1 500 m和1 500～1 800 m高程梯度内，各项生态系统服务价值均增加；在1 800～2 100 m高程梯度内，各单项生态系统服务价值未有明显变化。

图6　基于高程梯度的单项生态系统服务价值变化

图7为各单项生态系统服务价值在坡度梯度上的变化。在坡度梯度0°～2°的范围内，水源涵养、废物处理和食物生产等的生态系统服务价值均有所减少，其他各单项生态系统服务价值均增加；在2°～6°坡度梯度内，水源涵养与废物处理生态系统服务价值均减少最多，分别为697.42万元、993.84万元，气体调节、气候条件、土壤形成与保护、生物多样性和原材料的生态系统服务价值均增长最多；在6°～15°，15°～25°和大于25°范围内各单项生态系统服务价值增减程度不一。

图7　基于坡度梯度的单项生态系统服务价值变化

3.5　敏感性分析

通过将研究区各土地利用类型的价值系数分别上下调整50%，并计算出研究区2003年、2013年2期各土地利用类型的敏感性指数(图8)。研究结果表明，怀来县所有地类生态系统服务价值系数(VC)的敏感性指数(CS)均小于1，并且都接近于0，从高到低分别为耕地、园地、林地、水域、未利用地、建设用地，说明研究区内生态系统服务总价值(ESV)对生态系统服务价值系数(VC)缺乏弹性，通过怀来县生态系统服务价值系数核算的结果是可信的。

图8　研究区敏感性指数

4　结 论

怀来县在2003—2013年期间园地、林地和建设用地面积呈增加趋势；水域、耕地和未利用地呈减少趋势；怀来县生态系统服务价值在2003—2013年共增加了0.38亿元，增加区域主要为中部平原区，以建设用地和园地为主；生态系统服务价值在高程上呈南北高、中部低的分布趋势，主要集中于600～900 m高程梯度内，在坡度上随坡度的增加呈波浪型变化，在15°～25°坡度梯度内达到最大值；单项生态系统服务价值中，由于水域和耕地面积的减少，水源涵养、废物处理和食物生产等生态系统服务价值损失严重，分别损失539.53万元、1 542.36万元、369.41万元，应引起高度重视；怀来县各地类生态系统服务价值(ESV)对于价值系数(VC)的敏感性指数均小于1，表示缺乏弹性，说明本文所采用的怀来县生态服务价值系数是可信的。

本文从地形梯度上对怀来县生态系统服务价值进行评估，可为怀来县生态环境建设及土地资源的合理利用提供理论支持。在今后的研究中，应当结合修正不同梯度范围内的单位面积生态系统服务当量，从而更加精确的计算出不同梯度范围内的生态系统服务价值。

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