湘西生态系统服务时空变化分析

匡奕敩，彭羽，桑卫国

中央民族大学生命与环境科学学院，北京 100081

生态系统服务是生态系统与生态过程所形成及所维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用（Boyd et al.，2007），生态系统服务价值特征对制定合理的生态系统管理目标具有重要意义，掌握生态系统服务功能时空演变规律是开展科学生态系统管理的重要前提（Le Maitre et al.，2007）。南方区域尤其自然资源丰富的民族地区处于典型的生态脆弱区，是南方山地丘陵区及长江中上游地区生态修复与保护的核心和关键区域。如何有效利用和保护自然资源，使南方区域生态系统服务发挥最大潜力并朝着人类社会经济利益的方向可持续发展，是目前的关键所在。

近年来，生态系统服务价值评价研究很多，有直接市场法、间接评估法（李丽等，2018）、生态足迹法（Mancini et al.，2018）、基于遥感和FORCCHN评估（赵俊芳等，2018）、基于遥感（RS）和地理信息技术（GIS）的生态服务评价（陈鹏等，2011；王红岩等，2012；闭馨月，2018）等。国内外不同专家和学者分别在森林、农田、海洋、城市区域等生态系统类型领域进行服务指标评估研究，取得了一定的进展。但不同的学者由于各自的认知水平不同，对生态系统服务评估具有一定的差异（战金艳，2011）。

土地利用和土地覆盖变化（LULC）对生态系统服务具有重要影响，在不同的空间和时间尺度上评估由LULC变化导致的生态系统服务变化将有助于确定生态系统服务价值和维持生态平衡管理实践（Tripathi et al.，2019），增加土地利用价值会带来持续的经济效益，对经济增长与生态系统恢复和保护有一定的协同提升作用（Hannah et al.，2019）。

本文将利用遥感和地理信息系统细化耕地、林地等二级土地利用类型，分析生态系统服务时空分布及变化情况，研究生态系统服务驱动力因素及生态功能提升规律。以达到更好保护生态红线、建立以国家公园为主体的自然保护地体系，同时为生态系统协调管理提供决策依据，推动当地农村社区可持续发展，实现生态系统服务能力协同提升。

1 研究区域与方法

1.1 研究区域

湘西位于湘、鄂、黔、渝四省市交界处，109°10′—110°22.5′E，27°44.5′—29°38′N，是湖南的西北大门，是南方山地丘陵区及长江中上游地区生态修复与保护的核心和关键区域，研究区域如图1所示。湘西历史悠久，自然资源丰富，具有典型喀斯特地貌特征（阳岳龙等，2007），森林覆盖率达70.24%，2018年获得“国家森林城市”称号，有南华山国家森林公园、不二门国家森林公园等，还有峒河国家湿地公园和泸溪武水国家湿地公园等各类自然保护区 32个；湘西民族区位优势，交通便利；但地域偏僻，生态环境脆弱，经济基础薄弱、发展滞后，当地居民社会经济损害、生活拮据。亟待采取有效措施进行治理，实现生态系统服务能力对当地环境、社会经济效益的提升。

图1 湘西研究区域示意图Fig. 1 Study area schematic of Xiangxi

1.2 数据来源与预处理方法

土地利用遥感监测数据主要来源于中国科学院资源环境数据云平台（数据来源于中国科学院资源环境数据中心http://www.resdc.cn），基于Landsat遥感系列影像，通过人工目视解译生成。其中获取1980—2018年5个年度（1980年、1990年、2000年、2010年、2018年）湖南省地表生境空间数据，利用GIS的ActToolbox切割裁剪工具提取湘西各类型土地利用数据，如图2所示。

查阅《湘西统计年鉴》，得到湘西州 1980—2018年的GDP与三产业增加值等社会经济指标，以及自然灾害损失、绿地保护区面积等数据。并以湘西州1952年发展速度100为基准，对主要年份生产总值GDP及三产业增加值进行转换。

结合在湘西吉首、古丈、凤凰、龙山等实地考察调研，获得湘西州气象局、民政局相关部门数据作为补充，其中降雨量、气温等环境数据由湘西州气象局提供。

1.3 研究方法

土地利用变化特别是空间变化研究与地理信息系统的空间分析方法密不可分（Zhu et al.，2001），依据马尔科夫理论，土地利用转移矩阵可全面反映区域土地利用变化结构特征与转化方向，是研究初期1980年和末期2018年不同土地利用类型之间相互转化关系的重要模型，公式如下：

式中，S为土地面积；n为土地利用类型数；Sij表示研究初期 i类型土地利用转化为研究末期 j类型土地利用面积；Sii表示i类型土地利用在研究时段没有发生变化的面积。

湘西土地利用变化直接影响到生态系统服务价值（ESVs）的变化，利用土地利用面积可以对生态系统服务价值进行估算，Wang et al.（2016）细化中国不同区域不同类型的生态系统服务供给、调节、支持、文化功能进行价值估算，其中湘西所在的中南地区耕地的单价为10503.09 yuan·hm-2，林地为 37385.68 yuan·hm-2，草地为 15515.32 yuan·hm-2，水域为 66555.02 yuan·hm-2，未利用地为1848.01 yuan·hm-2；利用公式（1）对生态系统服务各年度时期的耕地、林地、草地、水域类型面积进行总价值的计算。

式中，U为生态系统服务功能总价值；Si为不同生态系统服务类型单位面积；Ai为对应Si不同类型的服务功能单位价值。

图2 湘西五期土地利用现状遥感监测数据图Fig. 2 Remote Sensing Monitoring Data Map of Land Use Status in Xiangxi Phase V

2 结果与分析

2.1 1980—2018年湘西土地利用变化及转移矩阵分析

通过对比1980—2018年湘西州5个年度的土地利用现状，可以得到4个时间段的不同土地利用类型变化情况，如图3所示。

图3反映4个时间段耕地、林地和水域面积先增后减，草地面积逐步减缓，而未利用地和城建用地面积逐步增加的趋势。从图3的不同土地利用类型面积变化分析可以看出，耕地、林地和草地面积正在逐渐减少，转为城市建设用地。

用GIS叠加分析并整理得到的土地利用转移矩阵，进一步反映土地面积转移的趋势，结果表明（表1）：1980—2018年期间，林地转出面积2404 km2，为6种土地类型面积中转出最大的，主要转化为耕地、草地和城建用地；其次为耕地，转出1999 km2，但耕地由林地转入面积1727 km2，净转出73 km2，是6种类型土地面积中净转出最大的；再次，城建用地转入面积最大为203 km2，主要由耕地和林地转入，净转入面积111 km2；最后，草地与水域面积，主要在与耕地和林地之间转变，转出/转入面积相差不大。

图3 1980—2018年湘西不同土地利用类型的面积变化Fig. 3 Area change of different land use types in Xiangxi from 1980 to 2018

表1 1980—2018年湘西土地利用转移矩阵Table 1 Land Use Transfer Matrix of Xiangxi from 1980 to 2018 km2

1980—2018年湘西土地利用变化结果表明：耕地和林地面积明显减少，而城建面积明显增大。下问主要对耕地、林地和城建用地生态系统服务进行时空变化分析。

2.2 湘西生态系统服务时空变化分析

2.2.1 耕地类型生态系统服务价值时空变化分析

根据Wang et al.（2016）的中南地区耕地单价10503.09 yuan·hm-2可计算各县区生态系统服务价值，并比较各期生态系统服务价值空间变化情况，如表2所示。

结果表明，耕地生态系统服务价值在各县区各时期段都或有增减变化，而以2010—2018年凤凰、古丈和永顺减少量较大，分别为 3886.14万元、1470.43万元、2835.83万元，龙山县增加较大为1995.358万元，总体湘西州耕地生态系统服务价值呈现逐年减少的趋势。原因在于 2010—2018年凤凰县西北水田和古丈县西北、永顺县西旱地面积减少较明显（图4）。

表2 1980—2018年湘西州各县区耕地生态系统服务价值空间变化情况（万元）Table 2 Spatial variation of ESVs of cultivated land in counties of Xiangxi Prefecture from 1980 to 2018 (RMB 104 yuan )

图4 1980—2018年湘西土地利用类型的面积变化Fig. 4 Area Change of Land Use Types in Xiangxi from 1980 to 2018

2.2.2 林地类型时空变化与生态系统服务价值分析

由表3可知，林地生态系统服务价值在各县区不同时期段也存在增减的情况，而以 2010—2018年花垣减少 6729.42万元与龙山减少14580.4152万元较大，总体湘西林地生态生态系统服务价值呈现先增后减的趋势。原因在于2010—2018年花垣县西部与龙山县东北有林地面积减少较明显。

2.2.3 城建用地地类型时空变化与生态系统服务价值分析

湘西城建类型时空变化如图4，结果表明，1980—2018年吉首市城镇用地及周边各县区建设用地增加，而吉首市西南的农村居民片明显减少。对比图7右，吉首市的城镇用地主要由水田耕地转入，周边建设用地由水田和疏松林转入，而吉首市减少的农村居民点主要转变为有林地。由于城镇、建设、住房占用耕地林地情况，湘西工业城建不断由中心向周边扩大，以水田为主的农田正在朝着以州府吉首市及各县城为中心的生态区域空心化格局演变，而以有林地为主的森林正朝着边远乡村边缘化格局演变（图5），未来区域生态形势不容乐观。

同理，可以分析草地及水域类型时空变化，得到各县区生态系统服务价值时空变化情况。

2.3 湘西生态系统服务价值变化及生态系统服务影响因素分析

有了各类型各县区生态系统服务价值，可以合并得到区域总体生态系统服务价值，湘西生态系统服务总价值出现先增后减的趋势，表明近年来生态系统服务能力明显下降。其中林地服务价值在2010年达到最大值4074291.41万元，2010—2018年减幅较大，而耕地服务价值在 1980—2018年时间段逐年递减（图6）。截至2018年，湘西基本农田保护面积为1.555×105hm2。

耕地、林地和草地土地利用变化如图7左所示，经历过毁林造田到退耕还林还草的政策影响过程，相应林地生态系统服务价值转变耕地生态系统服务价值，再转变回林地生态系统服务价值，结果湘西耕地生态系统服务价值减少而林地生态系统服务价值增加。毁林造田与退耕还林是生态系统服务变化的一个主要影响因素。

2010—2018年，耕地、林地生态系统服务价值同步减少，可能是由于近年来推进城镇化建设快速发展、工业不断扩大所致。进一步对湘西生态系统服务价值与湘西州社会经济各指标作比较（图8），结果表明生态系统服务价值与国民 GDP及三产业反向增长，呈负相关性。

表3 1980—2018年湘西各县区林地生态系统服务价值空间变化情况（万元）Table 3 Spatial variation of ESVs of Forest land in counties of Xiangxi from 1980 to 2018 (RMB 104 yuan)

图5 水田与有林地时空格局演变趋势Fig. 5 Temporal and spatial pattern evolution trend of paddy field and forest land

图6 湘西主要年度耕地与林地生态系统服务价值Fig. 6 Cropland and woodland ecosystem service value in the main years of Xiangxi

吉首市及周边县区建设用地不断增加，耕地林地减少，湘西生态系统服务价值减少，服务能力下降。因而政策性城建用地是导致区域生态系统服务价值功能变化的的另一主要影响因素，是生态系统服务能力下降的影响因素。

水域与耕地林地面积相互转化主要经历人工开通河渠到围湖造田过程，水体增加幅度主要来源于降水，1980—2018年湘西州水域面积最大值出现在2010年，为127 km2，其次是1990年的124 km2，空间变化主要在永顺县中心和南部。同时，这一时期段湘西经历过两次大的气象自然灾害年份，一次是 1995年的“5.31”以永顺县为暴雨中心水灾和“6.30”以泸溪县为暴雨中心水灾，另一次是 2010年5—7月先后14次暴雨洪涝过程。因而，暴雨引发的洪水泥石流等气象自然灾害冲毁农田森林也是生态系统服务变化的影响因素，是生态系统服务能力下降的潜在影响因素。

图8 湘西主要年度生态系统服务价值与社会经济发展的变化情况Fig. 8 Changes of Xiangxi ecosystem service value and socio-economic development in the main years

3 讨论与建议

3.1 讨论

图7 1980—2018年湘西各类型土地利用面积转化情况Fig. 7 Conversion of land use area of various types in Western Hunan from 1980 to 2018

生态系统服务价值评价的方法有很多，如InVEST模型（唐尧等，2015）、CASA模型及生态系统碳循环关系的簿记模型（黄卉，2015），使用服务价值法对小流域的保育土壤、水源涵养、碳循环、生物多样性等的生态系统服务功能评估能起到很好的作用；但对于大区域来说，输入参数较多、计算过程较为复杂，每种服务价值的评价方法和参数标准也难以统一（谢高地等，2015）。欧阳志云等（2013）在对一个地区或国家的生态系统生产总值的核算也指出生态系统指标的模糊性和服务评估现状，而空间测算宏观估算方法要较为简便，使用当量因子法数据需求少，较为直观易用。当然谢高地等（2003）提出的单位面积生态系统服务价值当量表也出现过很多问题，比如我国生态系统服务价值的计算，普遍没有考虑灌丛生态系统的价值（王庆慧等，2019），这种缺失，影响价值演变规律的揭示以及驱动力分析；谢高地等（2015）根据我国实际情况修订了中国陆地 14类二级生态系统单位面积服务价值当量表，采用千年生态系统评估（MA）的方法，将生态系统4大类服务进一步细分为食物生产、原料生产、水资源供给、气体调节、气候调节、净化环境、水文调节、土壤保持、维持养分循环、生物多样性和美学景观等 11种服务功能，已被用于区域生态系统服务价值评估（曾杰等，2014；涂小松等，2015；韩蕊等，2019；汪东川等，2019）。中国地理范围幅员辽阔，不同区域生态系统单位面积服务价值当量还是有所差异，本研究采用Wang et al.（2016）细化的中国不同区域不同类型的生态系统服务功能来进行价值估算，以解决区域生态系统服务评估的差异，当然不同的方法在结果上会存在一定的误差，但生态系统服务价值时空变化的总体趋势是一致的。

影响生态系统服务变化的驱动力因素有很多，涉及人口、社会经济、农业系统、气象、自然灾害和生态建设多个方面（袁开国，2004）。有研究表明生态系统服务价值与国内旅游收入正相关性良好，与人口密度、工业总产值和城镇率变化等指标因素因素呈现显著负相关（韩蕊等，2019），城镇化的快速发展对生态系统服务产生负面效应，该结论也与其他区域研究结果（李涛等，2016；韩蕊等，2019）是一致的。通过湘西生态系统服务时空变化及影响因素分析，可为区域生态系统服务能力提升提供决策依据，将有利于南方丘陵山地屏障带生态系统服务提升技术研究与示范。

3.2 建议

近年来区域系统服务能力持续下降，城镇化建设快速发展的同时也带来了大量的生态环境问题（赵少华等，2019），由于政策性城建用地和气象自然灾害等因素的影响，对生态系统服务功能提升提出几点建议如下：

（1）严守耕地红线，开荒造田。中央文件一再指出要严守 18亿亩耕地红线，而随着城镇化建设的快速发展耕地面积却在逐年下降。保障耕地面积，划定永久基本农田，需要防止各种原因的农田土地占有。最大限度限制耕地林地土地面积向城建土地利用的转化，对生态系统服务价值增长及生态功能稳定起着关键作用；同时开垦荒地，充分利用龙山和永顺余出的3 km2未利用地，充分利用城建间地施肥种田，发展城中村，防止富余劳动力外流引起的农村空心化现象（缑文学，2012），工业城建的发展可在原有土地的基础上向楼宇层面空间发展。

（2）建立以国家森林公园为主的自然保护地建设，开发旅游景区。由于森林生态系统服务单位面积价值远大于耕地生态系统服务单位面积价值，重点适当加大以国家森林公园为主的自然保护地建设，可以保持一定生态系统服务价值固有量，利于严守生态红线政策的有效实施，达到美化生态环境，推进生态功能提升；同时兴建具有旅游价值意义的国家森林公园，在城镇发展交通便利处划定特定区域设立旅游生态景区，可以吸引外地游客投入资金，促进当地农村社区的协同发展。

（3）增加科技科技设备投资力度，加强防灾防水意识，修建蓄水设施。科技是第一生产力，必要加强科技监测预测能力，准确预防极端恶劣天气，最大限度缓解洪涝侵蚀耕地林地，防止因暴雨泥石流造成的水土流失对农田、森林生态系统服务的影响，促使区域生态功能回升；同时修建河堤水库等蓄水设施，使洪水化害为利，提升区域生态功能。

此外，通过分析生态环境-区域灾害-社会经济活动耦合关系影响因素，为综合管理作出有效决策，协同区域社会的可持续发展。

4 结论与展望

综合湘西州1980—2018年5个自然年度4个时期段六类土地利用类型的生态系统服务时空变化规律及生态功能驱动力影响因素，可以得到以下结论：

（1）1980—2018年湘西州耕地和林地面积明显减少，而城建面积明显增大；湘西总体生态系统服务价值减少。

（2）研究期间湘西生态系统服务价值时空变化情况主要表现在永顺县和吉首市，工业城建用地不断由州中心向周边扩大，水田农田正朝着各市县区生态区域空心化的格局演变，而有林地则正朝着边缘化的格局演变。

（3）湘西生态功能逐年下降主要是由政策性城建用地所致，其次是受气象自然灾害影响。对此提出严守耕地红线、开荒造田，建立以森林为主的国家公园自然保护地建设、开发旅游景区，加强防灾防水意识、修建蓄水设施的初步建议。

由于数据来源所限，本文在遥感数据精度选取上的有些不足，大致反映湘西区域的主要生态系统服务价值时空变化及生态系统服务驱动力影响规律，且不同的生态系统服务估算方法所得的结果会有偏差，生态系统服务价值与社会经济各指标之间相关关系与回归关系，期待今后的进一步完善。