基于地形梯度特征淇河流域生态系统服务价值损益

李 理, 朱文博, 李艳红, 朱连奇, 徐帅博, 冯小燕

(河南大学 环境与规划学院, 河南 开封 475004)

生态系统服务是指人类通过生态系统结构和功能直接或间接得到的产品和服务[1-3]。自19世纪70年代Constanza基于17类生态系统服务功能量化全球生态系统服务价值后[4]，研究生态系统服务及价值成为国内外[5-10]的热点之一。我国学者谢高地通过对国内200位生态学家进行问卷调查修正Constanza的全球生态系统服务价值评估量表，建立了中国陆地生态系统服务价值评估体系[11-13]，然而土地利用/覆被变化能改变生态系统结构、功能和过程，以此影响生态系统服务[14]。此后，国内学者广泛开展基于土地利用变化的生态系统服务价值定量研究[15-18]：文戴远基于三生空间理论研究福州新区2000—2015年土地利用功能转变及生态服务价值的响应[19]；史慧慧基于长三角城市群1990—2015年农村地区土地利用数据，采用文献查阅、多样性指数模型、土地利用动态度等技术分析城市群生态系统服务价值变化[20]；徐煖银以典型的南方丘陵山地为研究区，利用遥感、地理信息技术和空间统计的方法分析土地利用变化，进一步分析生态系统服务价值时空差异的驱动因素，将人均GDP、人口密度和城市化率3个驱动因素与生态系统服务价值进行空间相关性分析[21]。虽然很多学者运用不同方法和技术分析土地利用变化并估算生态系统服务价值，但对地形梯度上土地利用变化的生态系统服务价值损益研究不足[22]。高程、坡度和地形起伏度是重要的地形因素，更能对土地利用变化产生直接的影响[23]，以地形梯度为变量研究流域内土地利用变化及生态系统服务价值的差异性对人类福祉具有深远意义。因此，本文以淇河流域为研究对象，利用2000年、2015年两期土地利用/覆被数据从地形因子视角研究流域内生态系统服务价值对土地利用/覆被变化的响应关系，结合生态系统服务总价值、单项生态系统服务价值及敏感性指数分析地形梯度特征上生态系统服务价值的变化，以期为研究区内土地资源合理利用及生态环境建设提供理论参考和科学依据。

1 研究区概况

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

2000年淇河流域土地利用数据由国家地球系统数据共享平台—黄河中下游科学数据中心(http:∥www.geodata.cn/)提供，2015年的土地利用数据是对2015年的Landsat 8遥感影像(来源于地理空间数据云，http:∥www.gscloud.cn/)进行镶嵌、裁剪并经过人工目视解译所得，精度为86%，研究区所有土地利用现状图均为1∶10万的矢量图，DEM数据(来源于地理空间数据云平台，http:∥www.gsclod.cn)，社会、经济数据均来源于《中国统计年鉴(2000—2015)》和《河南省统计年鉴(2000—2015)》。

2.2 研究方法

2.2.1 生态系统服务价值估算 本文参照谢高地制订的中国陆地生态系统服务价值当量表(表1),利用河南省2000—2015年平均粮食产量5 305.24 kg/hm2，2015年河南省单位面积粮食1.36元/kg进行系数修正，根据式(1) 计算得到流域单位面积农田生态系统粮食生产功能价值为1 030.73元/hm2(淇河流域于河南境内分布面积达64%，故采用河南省粮食产量和价格进行系数修正,粮食单价来源于河南省物价局)。其他用地类型分别参考谢高地[11-24]、欧阳志云[25-27]等的研究成果进行计算。

(1)

式中:Va是单位面积农田生态系统食物生产功能的经济价值；m是作物种类(m=1，2，3，…，n)；pm是m种粮食作物的平均价格；qm是m种粮食单产；am是m种粮食种植面积；A是粮食种植面积。

Vij=eijVa

(2)

式中：Vij是单位面积j生态系统i项生态服务价值(i=1，2，3，…，n)；eij是j项生态系统i项生态系统服务价值当量因子；i是生态系统服务类型；j是生态系统的类别。

2.2.2 生态系统服务损益值估算 生态系统服务损益值由各土地利用类型间相互转化的面积及对应的生态系统服务价值系数相乘计算得到[28]，其公式为:

PLij=(VCi-VCj)×Aij

(3)

式中：PLij定义为初期第i类景观转化为末期第j类景观后的生态服务价值损益值；VCi，VCj分别为第i类景观和第j类景观的生态服务价值系数；Aij表示i类景观转化为第j类景观的面积。

表1淇河流域生态系统服务价值量 元/hm2

2.2.3 地形因子分析 利用ArcGIS 10.3中自然断裂点法将高程划分<200 m，200～400 m，400～600 m，600～800 m，800～1 000 m，1 000～1 200 m，1 200～1 400 m，1 400～1 600 m和>1 600 m共九级，如图1和表2所示，研究区200～400 m高程分级分布淇河中下游区域，面积占比最大(20.6%)。其次为400～600 m，主要分布在淇河中游地区及林州境内；将坡度按自然断裂点法划分0°～5°，5°～8°，8°～15°，15°～25°，25°～35°和>35°共6类，坡度分级上15°～25°和8°～15°占比分别为24.9%，23.3%，主要分布于淇河中游地区及林州与鹤壁交界处。基于30 m分辨率的DEM数据，采用邻域分析和均值变点法，计算淇河流域最佳统计单元大小为0.13 km2，得到流域地形起伏度(0～503 m)，平均为105.7 m，参考张静静[30]等的研究将淇河流域地形起伏度划分为平坦(0～30 m)、微起伏(30～70 m)、低起伏(70～200 m)和中起伏(>200 m)。淇河流域以小起伏为主(56.45%)，主要位于淇河上游和沿中起伏地区向东西两侧展开，其次为微起伏(20.58%)，主要分散分布在淇河下游地区，部分分布在最西端陵川和壶关境内[29]。

图1 高程、坡度和地形起伏度分布

2.2.4 敏感性分析 本文在采用中国单位面积陆地生态系统服务价值量表的基础上，引入敏感性指数(Coefficient of Sensitivi-ty CS)[30]检验谢高地的生态系统服务价值量表的准确性。若CS>1，表明生态系统服务价值对生态系统服务价值系数调整富有弹性，表征本文研究结果可信程度低，反之，则本文研究结果可信程度高。其计算公式如下：

(4)

式中：ESV为研究区内生态系统服务总价值(元)；VC为各土地利用类型生态系统服务价值系数(元/hm2)；i，j分别为调整后和调整前；k为研究区某一种土地利用类型。

3 结果与分析

3.1 淇河流域土地利用/覆被变化

淇河流域土地利用类型以耕地、草地和林地为主，面积比重之和达95%。2000—2015年研究区内耕地减少了29 671.64 hm2，减幅最明显；其次为林地减少了2 104.05 hm2。草地面积增加8 854.38 hm2，增幅最明显；建设用地、水域和未利用地分别增加了4 235.10 hm2，1 998.80 hm2，632.14 hm2。从单一动态度分析，未利用地单一动态度最高为632.14%，其主要原因为2000年未利用地面积为10.97 hm2，2000—2015年增加面积为69.35 hm2；其次为水域和建设用地，分别为55.58%，53.65%(表3)。

表2 海拔、坡度、地形位分级及面积比例

表3 淇河流域2000-2015年土地利用/覆被变化

3.2 淇河流域生态系统服务价值变化

3.2.1 淇河流域生态系统服务价值地形梯度特征分析 文章基于高程、坡度和地形起伏度并结合2000年、2015年研究区土地利用/覆被数据，根据本文修正后的中国陆地生态系统服务价值量表和2000年、2015年各土地利用类型对应的面积相乘计算得到2000年、2015年生态系统服务价值的变化值，利用自然断裂法分类的高程、坡度和地形起伏度分析不同高程、不同坡度和不同地形起伏度上的生态系统服务价值变化情形。如图2A所示：高程分级上ESV增加呈U型分布，200～400 m高程分级上增减幅度最明显，耕地ESV减幅最大(4 464.64万元)，主要原因为研究时段内耕地面积减少，建设用地面积增加。由于2000—2015年水域面积增加和生态系统服务价值系数高等双重因素，高程梯度上水域ESV增益显著，其中400～600 m高程分级上增幅最大为2 354.88万元；林地ESV在200～400 m，1 200～1 400 m和1 400～1 600 m高程分级上呈增加态势，1 400～1 600 m增加最多(1 339万元)，600～800 m高程分级上减幅最明显为4 464万元。研究期内草地ESV在600～800 m高程分级上减少了903万元，其他高程分级上呈增加趋势，200～400 m增幅最大为1 675万元，其主要原因为研究期内草地面积增加最多，但草地生态系统服务价值系数低，所以草地ESV增幅不明显。本研究区尚未考虑建设用地生态系统服务价值，因此建设用地面积的增加不会对生态系统服务价值造成直接影响。图2B坡度分级上ESV变化差异不显著：耕地ESV表现为减少趋势且集中分布于<25°坡度分级上，0°～5°坡度分级ESV减幅最大(3 197万元)、其次为8°～15°分级上减少2 923万元；林地ESV在25°～35°和>35°坡度分级上减幅明显，分别减少了3 547万元和4 293万元，0°～15°坡度分级上增幅明显，以8°～15°区间增幅最大(2 593万元)，林地生态系统服务价值系数高是主要原因；水域ESV随坡度增加呈倒U型分布，15°～25°坡度分级上水域ESV增幅最大(2 332万元)；草地ESV变化幅度不明显。图2C地形起伏度上ESV增益值随地形起伏度增加呈先增后减趋势，ESV减损值随地形起伏度增加逐渐增多：耕地ESV减损值分布于平坦(0～30 m)、微起伏(30～70 m)和小起伏地区(70～200 m)较多，平坦地区减损值最大为3 720万元，主要原因为耕地面积集中分布在微起伏地区，受人类活动干扰影响强[30]；水域ESV增幅最大为小起伏地区(5 940万元)，水域生态系统服务价值系数高是水域ESV增益明显的主要原因；林地ESV在平坦地区(0～30 m)和微起伏地区(30～70 m)呈增加趋势、小起伏地区和中起伏地区呈减少趋势，增幅最大为微起伏地区(3 967万元)，减幅最大为中起伏地区(5 492万元)，表征2000—2015年来淇河流域林地面积转移趋势，反映流域内中下游地区生态环境明显改善，生态环境质量得到提升；研究时段内淇河流域草地面积增加，但生态系统服务价值系数不高，故草地ESV增幅不显著，平坦地区增益最大(1 118万元)。

3.2.2 淇河流域生态系统服务功能价值变化 本文采用修正后的中国陆地生态系统服务价值量表分析研究区内2000—2015年各生态系统服务功能变化情形，有利于分析流域内生态系统服务功能权衡与协同关系，科学探讨流域内生态系统服务功能的内在联系。基于一级生态系统服务功能视角，分析2000—2015年各项生态系统服务功能价值及贡献率(表4)：研究区内支持服务ESV最高，2000年、2015年分别为9.27亿元和9.18亿元，贡献率分别达到47.42%，47.32%，贡献等级排序第一；其次为调节服务，2000年ESV为6.66亿元、贡献率为34.07%，2015年ESV为6.68亿元、贡献率为34.43%；2000年供给服务和文化服务ESV分别为2.83亿元、0.78亿元，贡献率分别为14.47%和3.99%，2015年供给服务和文化服务ESV分别为2.69亿元、0.85亿元，贡献率分别为13.81%和1.38%。研究区在研究时段内供给服务ESV减少最多(0.14亿元)，其次为文化服务ESV减少了0.09亿元；文化服务ESV增幅最大(0.07亿元)、调节服务增加了0.02亿元。2000—2015年文化服务贡献率增加最多(0.39%)，其次调节服务贡献率增加0.36%，而支持服务和供给服务贡献率分别减少了0.1%，0.66%，表明淇河流域内生态系统功能变化趋势。按照生态系统服务功能贡献率进行等级排序：支持服务>调节服务>供给服务>文化服务。

图2 2000-2015年高程、坡度和地形起伏度生态系统服务价值变化

3.3 地形梯度上单项生态系统服务价值变化特征

研究时段内淇河流域高程梯度上单项生态系统服务价值变化(图3)：各项生态系统服务价值在高程梯度上变化幅度不同，水源涵养、废物处理和娱乐文化等单项生态系统服务价值在研究时段内不同高程分级上呈增加态势，其他单项生态系统服务类型价值减少；400～600 m高程分级上水源涵养ESV增幅最大(944万元)，主要原因为2000—2015年水域面积增加了578.93 hm2，水域的水源涵养生态系统服务价值系数高(18 440.2元)；废物处理ESV高程分级上增益不一致，增幅最明显为400～600 m高程分级上，ESV增加了597万元，水域面积增加和废物处理生态系统服务价值系数高(16 086.6元)是导致废物处理ESV增益的主要原因；土壤形成与保护ESV在不同高程分级上呈减损态势，200～400 m高程分级减幅最明显(739万元)，主要原因为耕地面积减少了6 268.50 hm2，生态系统服务价值系数高(1 504.87元)，而草地和水域面积增加在一定程度上补偿了由耕地面积减少引起的土壤形成与保护生态系统服务减损；食物生产ESV在高程分级上减幅不同，耕地面积减少是食物生产ESV减损的主要原因。

基于坡度分级上单项生态系统服务价值变化所示(图4)，坡度分级上各项生态系统服务价值变化幅度不一致，25°～35°坡度分级上水域涵养和废物处理增益最明显，分别增加了4 703万元和4 322万元，研究时段内水域、草地、未利用地面积增加是主要原因。

2000—2015年地形起伏度上单项生态系统服务价值动态变化特征(图5)，水源涵养、废物处理生态系统服务价值呈增加趋势，土壤形成与保护、食物生产和原材料等生态系统服务价值呈减少趋势：变化最明显为小起伏地区(70～200 m)，其中水源涵养ESV增幅最大(2 184万元)，其次为废物处理ESV增加了1 814万元，低起伏地区水域面积增加了1 460.46 hm2和生态系统服务价值系数高是引起水源涵养和废物处理ESV增益的主要因素；土壤形成与保护在各个地形起伏度上变化呈减少趋势，70～200 m地形起伏度上减幅(833万元)最大，其主要原因为低起伏地区耕地转换为建设用地。

表4 淇河流域生态系统服务价值及变化率

图3 基于高程梯度上单项生态系统服务价值变化

图4 基于坡度分级上单项生态系统服务价值变化

3.4 生态系统服务价值地形起伏度空间特征分析

利用2000年、2015年两期土地利用数据，分析不同地形起伏度上生态系统服务价值及变化，探讨流域内地形因子对生态系统服务价值的影响，本文将研究区内0～30 m(平坦地区)、30～70 m(微起伏地区)、70～200 m(小起伏地区)和>200 m(中起伏地区)分别对应abcd。以5 km×5 km为网格单元按照ArcGIS中自然断裂法将各地形起伏度上生态系统服务价值划分为<6 000元、6 000～12 000元、12 000～30 000元和>30 000元4类，2000—2015年地形起伏度上生态系统服务价值变化趋势划分为增加区域、不变区域和减少区域(图6)。如图6所示，不同地形起伏度上生态系统服务价值分布不一致，生态系统服务价值>30 000元主要分布于小起伏地区(70～200 m)，其主要原因为水域、林地和草地分布面积广，生态系统服务价值系数高。平坦地区(0～30 m)在研究区分布面积小，生态系统服务价值<6 000元主要分布于淇河下游地区。微起伏地区(30～70 m)内生态系统服务价值<6 000元主要分布于上游草地覆盖的地区，主要原因为草地生态系统服务价值系数小；介于6 000～12 000元和12 000～30 000元分布于耕地覆盖的地区，主要原因是耕地面积分布广和生态系统服务价值系数高。中起伏地区生态系统服务价值>30 000元分布于林地覆盖的地区，林地生态系统服务价值高是其主要原因。2000—2015年地形起伏度上生态系统服务价值处于动态变化过程中：变化最为明显的小起伏地区，生态系统服务价值增加的区域主要为草地和水域面积增加[32]，耕地和林地面积减少导致研究区内生态系统服务总价值减少；淇河流域生态系统服务总价值减少了0.14亿元(表4)，表明研究区在研究期内生态系统服务功能呈衰退状态。

图5 基于地形起伏度上单项生态系统服务价值变化

图6 2000年、2015年地形起伏度上生态系统服务价值及变化

4 生态系统服务价值敏感性分析

本文将研究区采用的生态系统服务价值量表中各项生态系统服务价值系数分别上下调整50%后与对应的土地利用类型面积相乘得到2000年、2015年生态系统服务价值及敏感性指数(表5)。由表5可以看出，各项土地利用类型的生态系统服务价值的敏感性指数均小于1，其中2000年林地敏感性指数最高(0.53)，2015年未利用地敏感性指数最低(0.000 1)，表明研究区生态系统服务价值对调整生态系统服务价值系数缺乏弹性，进一步说明生态系统服务价值系数的改变对淇河流域生态系统服务价值影响不显著。

表5 调整后生态系统服务价值及敏感性指数

5 结论与讨论

5.1 讨 论

学界研究生态系统服务价值的变化集中采用单位面积价值法和单位面积服务功能法测度，而单位面积价值法具有输入参数少，计算过程简单，对于流域等小尺度地区应用范围广等优势[32]，故本文利用单位面积价值法测定淇河流域生态系统服务价值。由于供给服务、支持服务、调节服务和文化服务等服务功能主要是耕地、林地、草地、水域等土地利用类型提供，建设用地对生态系统服务功能的供给不产生直接影响，参照谢高地等[11-13]的研究，本文不对建设用地进行价值评估。淇河流域地形复杂，处于太行山南段向华北平原的山地平原过渡地带，运用地形因子研究山区流域生态系统服务价值展开了思路，对深入分析土地利用/覆被变化与生态系统服务价值相互关系具有重要价值。

生态系统服务的集成与测度一直是地理学和生态学研究的热点，然而对于生态系统服务的研究范式成为学界的难题[5]。目前，多数学者利用土地利用/覆被的变化研究生态系统服务的变化，其中RUSLE、InVEST和VER等模型成为研究生态系统服务权衡与协同的主要手段，生态系统服务研究的精准化和小尺度已成为趋势，然而对生态系统服务权衡与协同的影响因素尚不多见。因此，笔者今后将在本文的基础上运用模型分析淇河流域生态系统服务权衡与协同关系，进一步探讨小尺度地区生态系统服务和功能的外部影响因素及人类活动强度的干扰程度。

5.2 结 论

(1) 淇河流域内以林地、草地和耕地为主，比重之和占研究区总面积的95%：2000—2015年研究区内耕地面积减少了29 671.64 hm2，减幅最明显；草地面积增加8 854.38 hm2，增幅最大；未利用地单一动态度最高为632.14%。

(2) 2000—2015年地形因子上生态系统服务价值变化显著：200～400 m高程分级上耕地ESV减幅最大(4 464.64万元)，600～800 m高程分级上林地ESV减幅最明显(4 464万元)，水域ESV在400～600 m上增益2 354.88万元；耕地ESV在0°～5°坡度分级上减幅最大(3 197万元)，林地ESV在>35°坡度分级上减幅最大(4 293万元)，8°～15°坡度分级上增加了2 593万元，水域ESV在15°～25°坡度分级上增幅最大(2 332万元)；耕地ESV在平坦地区减幅最大(3 720万元)，水域ESV在微起伏地区增幅最大(5 940万元)，林地ESV在中起伏地区减幅最大(5 492万元)、微起伏地区增幅最大(3 967万元)。

(3) 2000—2015年各项生态系统服务价值在高程、坡度和地形起伏度损益幅度不同，其中废物处理和水源涵养生态系统价值增益最明显，土壤形成与保护生态系统服务价值减损最多。从一级生态系统服务类型分析，研究时段内调节服务和文化服务价值呈增加趋势、供给服务和支持服务价值呈减少趋势；支持服务贡献率等级最大、调节服务次之。

(4) 2000—2015年淇河流域内敏感性指数均小于1，证明本文研究结果真实可信。