湖南省武陵山片区生态系统服务价值时空演变研究

王盈丽，庄大春，董贤斌，樊 简，邹妤阳

（吉首大学土木工程与建筑学院，湖南 张家界 427000）

生态系统是人类赖以生存的物质基础，人类可直接或间接从中获取各项服务，其服务源于生态系统的物质流、能量流以及信息流[1-5]。生态系统服务功能自提出以来备受国内外学者关注，Daily[4]于1997年从生态系统研究进程以及价值评估等方面对生态系统服务功能进行论述，Costanza等[5]核算了全球生态系统服务价值，谢高地等[6]通过改进单位面积价值当量因子静态评估方法，对中国生态系统服务价值进行核算，并提出中国陆地生态系统服务价值表，该方法得到广泛应用。

人类活动引起土地利用/土地覆被变化（Land use and cover change，LUCC），进一步改变生态系统的内部结构，影响着区域经济与生态环境的协调发展。学者们对土地利用变化引起的生态系统服务价值变化进行了大量研究，而目前对山区展开的研究主要集中于县域或市域尺度。如唐启琳等[7]采用“当量因子法”对喀斯特山区罗甸县的生态系统服务价值进行评价；王亚娟等[8]分析土地利用变化对宁夏山区彭阳县生态系统服务价值的影响；陈万旭等[9]对豫西山区栾川县14个乡镇生态系统服务价值变化进行分析；付梦娣等[10]定量评估浙江省南部山区的泰顺县各类生态系统服务价值；唐孝甲等[11]运用生态系统服务价值理论对位于乌蒙山区的乐山市生态系统服务价值进行测算；而郭椿阳等[12]则从格网的角度对伏牛山区进行研究；目前对武陵山区生态系统服务价值变化的大尺度研究较为缺乏，仅有刘闯等[13]于2018年从生态系统服务价值的角度对武陵山区松桃县的生态系统敏感性进行定量评价。

湖南省武陵山片区是我国亚热带森林系统核心区也是长江流域重要的生态安全屏障，区域内拥有独特的自然、人文风光，栖息着多种野生动植物，素有“中华动植物基因库”之称，但区域整体海拔较高，地形地貌复杂多样，多重因素影响下气候较为恶劣，泥石流、雨雪冰冻等灾害易发，是湖南省生态环境脆弱和水土流失较为严重的地区之一。在西部大开发以及武陵山经济协作区战略指导下，该区域发展得到进一步提升，2019年提出的西部陆海新通道总体规划，更是给武陵山片区带来新机遇、新挑战。笔者以湖南省武陵山片区为研究区域，利用2000、2005、2010、2015和2018年这5期土地利用数据，从时空角度刻画该区域土地利用与生态系统服务价值的动态变化特征，探寻二者是否存在空间一致性，这对实现区域土地资源的开发管理、生态环境保护、生态安全以及经济社会的全面协调可持续发展具有重要的理论意义和实践意义。

1 材料与方法

1.1 研究区域

湖南省武陵山片区面积约8.6万km2，占湖南省总面积的40.58%，包含37个县市（如图1），区域内地层结构复杂多样，有着世界罕见的石英砂岩峰林，拥有天子山自然保护区、索溪峪自然保护区、壶瓶山自然保护区、张家界国家森林公园以及八大公山国家自然保护区等。该区域2018年生产总值为5 085.82亿元，常住人口1 871.76万人，分别占湖南省的13.96%和25.55%。该区域在西部陆海新通道中占有重要战略地位，承接长江经济带。经济的发展，城市的扩张对区域生态系统的功能与结构产生着深远影响。

图1 研究区位置 ①文中地图均是在自然资源部标准地图服务网站下载的审图号为GS（2016）1667号的标准地图上制作的，底图均无修改。

1.2 数据来源

2000、2005、2010、2015和2018年这五期湖南省武陵山片区的土地利用数据（30 m分辨率）来源于中国科学院资源环境科学数据中心（http://www.resdc.cn/），精度达90%以上[14]。

1.3 研究方法

1.3.1 数据预处理 根据GB 21010—2007 土地利用现状分类标准，参考中国科学院土地利用/土地覆盖分类系统[15]，结合研究区特点，将土地分为耕地、林地、草地、水域、建设用地及未利用地6类，参考相关研究[12,16-18]，利用渔网工具（Fishnet）将研究区分割为了1 km×1 km的87 582个格网，分别统计各个格网单元内的土地利用情况，在此基础上对湖南省武陵山片区生态系统服务价值的时空动态进行研究。

1.3.2 土地利用变化动态度模型 采用土地利用净变化量（Ci）[19]对各研究时段某一用地类型的变化幅度进行描述，计算公式如下。

式中，Ci为用地类型i的净变化量，Uia、Uib分别为该用地类型i研究初期和末期的值。

利用土地利用转移矩阵[20]从数量和空间2个方面刻画土地利用变化。其表达式如下。

式中，Smn为区域内第m种和第n种土地利用类型之间相互转换的数量。

1.3.3 生态系统服务价值评价方法 参照近年来关于生态系统服务价值的研究[21-24]，通过粮食产量对研究区生态系统服务价值当量因子进行修正，其中建设用地的价值当量为0。研究期内湖南省武陵山片区单位面积平均实际粮食产量为4 073.32 kg/hm2，同期全国单位面积粮食产量为5 621.18 kg/hm2，由此可得修正系数为0.72。谢高地等[6,21]确定了中国1个生态系统价值当量的经济价值为3 406.50元/hm2，进一步换算得到研究区1个标准当量因子的生态系统服务价值为2 468.48元/hm2。

根据修正后的价值当量和各土地利用类型的面积可计算得到研究区生态系统服务价值，计算公式如下。

式中，ESV表示生态系统服务价值；Ai表示第i种土地利用类型的面积（hm2）；VCi表示第i种土地利用类型的生态系统服务价值系数；ESVf表示第f项生态系统服务的价值；VCfi表示第i种土地利用类型的第f项生态系统服务价值系数；ECf为某类土地利用类型第f项生态系统服务价值的当量；Ea为1个标准当量生态系统服务价值，即2 468.48元/hm2。

为从空间的角度刻画生态系统服务价值变化情况，参照相关研究[16,22,25]，通过计算87 582个格网单元的生态系统服务价值变化指数（ESCI）来判断各项生态系统服务的相对增益或减损。其计算公式如下。

式中，ESCIx表示单项生态系统服务价值的变化指数；ESCURx代表研究末期的ESV；ESHISx代表研究初期的ESV。计算结果大于0时表示ESV为增益，小于0时表示ESV有减损，等于0时表示ESV无变化。

1.3.4 生态系统服务价值相关性分析 采用莫兰指数（Moran’s I）法对湖南省武陵山片区的ESV全局空间自相关趋势进行描述[26-27]，Moran’s I取值一般在[-1，1]之间，大于0表明空间事物的属性值是空间正相关，小于0表示空间事物的属性值是空间负相关，等于0时表明不存在空间自相关性，且Moran’s I绝对值越大相关性越强。

采用G*i探究ESV的局部空间聚类特征，用于反映研究区之间ESV的关联程度，判断是否存在高值聚类或低值聚集现象，并对其“热点”与“冷点”分布格局位置进行识别，该计算通过ArcGIS 10.2软件实现[22]。计算公式如下。

式中，n为空间网格单元数量；xi、xj表示第i、j地区的观测值；Wij为二进制的邻接空间权重矩阵，表示空间对象的邻接关系。

2 结果与分析

2.1 土地利用结构变化

对土地利用数据重分类得到研究区域土地利用情况见表1，2018年研究区域林地面积为61 199.66 km2，占总面积的71.20%，其次为耕地，面积为18 242.02 km2，占总面积的22.22%，二者占了研究区域93.42%的面积。林地是研究区域主要的土地利用类型，各行政区域均有大量分布；耕地主要分布在慈利县、武冈县、洞口县、新宁县、邵阳县、隆回县、新邵县、新化县以及涟源市；草地零散分布在花垣县、沅陵县、龙山县、桑植县、保靖县以及永定区；水域主要分布沅陵县、安化县以及新化县，主要水系为沅水、资江；而建设用地主要分布在永定区、吉首市、鹤城区、新化县、冷水江市以及涟源市；未利用地仅占0.01%（图2）。

图2 2000年和2018年湖南省武陵山片区土地利用类型的变化

表1 2000—2018年湖南省武陵山片区土地利用类型及变化 （km2）

2000—2018年湖南省武陵山片区建设用地面积增加最大，为459.18 km2，其中武冈市、永定区、新化县以及洞口县建设用地增长较为显著；其次为林地，增加面积为231.35 km2；水域的面积增长110.87 km2；其余土地利用类型面积均呈缩减趋势，其中耕地面积缩减最大，为488.15 km2；其次是草地，缩减面积为313.26 km2；未利用土地面积缩减0.22 km2。研究区建设用地面积变化幅度最大，增幅为71.19%；水域增幅次之为10.97%；林地增幅最低，仅为0.38%；草地减幅最大，为6.83%；耕地次之，为2.61%；未利用地减幅最低，为2.49%。从面积阶段性变化来看，耕地面积呈持续性缩减趋势；与之相反，建设用地则呈持续增长态势；林地在2005—2015年缩减3.24 km2，随后大幅增长；草地面积仅在2005—2010年小幅增加0.81 km2，其余时段均为缩减，且2010年后开始大幅缩减；水域面积在2005—2010年未发生改变，其余时段均呈增长趋势；未利用地变化较为稳定，但2015—2018年出现小幅增长。

研究区土地利用类型间的相互转变较为显著，从表2可以看出，耕地转出现象最为突出，从2000年到2018年，分别有413.13、112.57、308.61 km2的耕地转成了林地、水域和建设用地；林地转出量次之，从2000年到2018年，分别有261.77、123.60、245.01 km2的林地转为耕地、草地和建设用地；草地转出量排第三，从2000年到2018年，有408.74 km2的草地转为林地，转为其余类型的面积较小；其他用地类型转出量均较小。从转入面积来看，林地转入量最大，主要来自耕地以及草地；建设用地转入量次之，有308.61 km2耕地以及245.01 km2林地转为建设用地；其余类型转入量均较小。

表2 2000—2018年湖南省武陵山片区土地利用转移矩阵 （km2）

如图3所示，土地利用转变主要发生在怀化市鹤城区、沅陵县以及吉首市。其中，怀化市鹤城区主要是由林地转为建设用地或由耕地转为林地；沅陵县沿沅水区域主要是由草地转为林地；而吉首市西南部则主要是由建设用地转为林地。整体来看，研究期内湖南省武陵山片区土地利用发生的转变并不明显。

图3 2000—2018年湖南省武陵山片区土地利用变化的空间分布

2.2 生态系统服务价值变化分析

2.2.1 不同土地利用类型生态系统服务价值变化 由表3可知，2000—2018年研究区域的ESV在波动中呈上升趋势，共增加55.668亿元，增长率为0.423%。其中，水域的ESV增长最多，增加51.401亿元，增幅为10.969%；林地的ESV增长量次之，为44.996亿元，但增幅仅为0.379%；其余土地利用类型ESV均呈下降趋势，其中草地的ESV减少最多，为31.209亿元，减幅6.829%；耕地的ESV减少9.52亿元，减幅为2.606%；未利用地仅减少0.001亿元，减幅为3.333%。研究区内林地产生的ESV占总ESV的90%以上，林地是研究区域ESV的主要贡献者。

表3 2000—2018年湖南省武陵山片区生态系统的服务价值 （亿元）

运用自然断点法将各格网单元的ESV分为6个等级，其中一级为最低，六级为最高。由此得到湖南省武陵山片区的ESV空间分布如图4所示，从2000年和2018年ESV空间分布来看ESV等级与区域海拔高度空间差异分布高度契合，高海拔区域ESV值较高，而低海拔多耕地多建设用地的区域ESV值较低。从2000—2018年ESV的损益情况（ESCI）来看，研究区整体表现为增益，零散地区有减损，减损区域主要分布在怀化市鹤城区、吉首市以及娄底市涟源市。

图4 2000—2018年湖南省武陵山片区生态系统服务价值及其生态系统服务价值变化指数的空间分布

2.2.2 单项生态系统服务价值变化 研究区域单项ESV以气候调节、水文调节、土壤保持以及生物多样性为主，4项合计占总价值的70%左右，2000—2018年，水文调节增长量最大，为36.07亿元；其次是水资源供给和气候调节，分别增长了6.95亿和6.27亿元（表4）。这与研究区林地、水域面积的增长密不可分。2000—2015年总价值的降低是由于草地与林地面积的缩减造成调节服务与支持服务价值降低导致的。

表4 2000—2018年湖南省武陵山片区单项生态系统服务价值 （亿元）

2.3 自相关分析

由表5可知，5个研究时段内Moran’s I均大于0，且在波动中呈现增长趋势，而P值均小于0，表明研究区ESV在空间分布上呈现出较强的正向自相关性，且相关性在波动中逐渐增强，ESV高值区趋于聚集，低值区则为相邻。

表5 2000—2018年湖南省武陵山片区ESV变化及其空间自相关性

如图5所示，2000—2018年研究区域ESV增值热点区较为分散，主要分布在会同县东南部、吉首市西南部以及怀化市鹤城区，会同县主要是由耕地转为林地，鹤城区则是由建设用地转为林地、林地转为草地，吉首市是由建设用地转为耕地；而ESV损失冷点分布极少，热点分布大于冷点分布，表明研究区ESV呈现上升趋势。从研究期整体上看，增值热点区域与2000—2018年研究区ESCI空间分布和土地利用空间转移较为一致。

3 结论与讨论

基于湖南省武陵山片区2000年、2005年、2010年、2015年、2018年5期土地利用数据，对研究区域土地利用及生态系统服务价值的时空演变特征进行探究，得出以下结论。

（1）2000—2018年湖南省武陵山片区ESV呈波动上升趋势，增加55.668亿元，但增长率仅为0.423%。高值区分布在高海拔区域，林地产生的ESV占总ESV的90%以上，研究区域ESV整体表现为增益，减损地区主要为怀化市鹤城区、吉首市以及娄底市涟源县。单项ESV以气候调节、水文调节、土壤保持以及生物多样性为主，合计占总价值的70%左右。

（2）湖南省武陵山片区主要以林地和耕地为主，二者面积为总面积的90%以上，2000—2018年间研究区域耕地面积呈持续减少趋势，建设用地则呈持续增长态势，耕地面积减小488.15 km2，减幅为2.16%，建设用地面积增加459.18 km2，增幅为71.19%，耕地面积转出量最大为869.16 km2，而林地的转入量最大为951.14 km2，用地类型转变主要发生在怀化市鹤城区、沅陵县以及吉首市。整体来看，湖南省武陵山片区土地利用转型并不明显。

（3）根据相关性研究可知，研究区5个时段的Moran’s I均大于0.5，ESV在空间上具有非常显著的空间聚集性，高值区趋于聚集，低值区趋于相邻；ESV增值热点区零散分布在怀化市鹤城区、会同县东南部以及吉首市西南部，增值热点区域与2000—2018年研究区ESCI空间分布以及土地利用空间转移较为一致。

受地形影响，湖南省武陵山片区城市扩张主要集中在低海拔地区，随着城市化进程的推进，研究区域耕地面积持续减小，城市扩张区域生态系统服务价值有所下降。2005—2015年林地面积小幅下降，但总体呈上升趋势。土地利用类型间的转变导致ESV的协同变化。2018年湖南省划定生态保护红线，加大对保护区的监管，但在西部陆海新通道的带动下，未来区域发展对土地的需求将进一步扩大，由此可预测，湖南省武陵山片区未来的生态系统服务价值下行压力较大，如何提高研究区土地利用效率，合理利用国土空间，是该区域未来的规划重点。

单位面积价值当量因子法适用于全球尺度评估，但应用于小区域有一定的局限性，未来可在此基础上进一步探索更适用于山区研究的修正方法，基于1 km×1 km的渔网进行分析，并未进行多尺度试验，今后可探索不同尺度对研究结果存在的影响。