基于土地利用变化的湖南省武陵山片区生态系统服务供需空间分析

□樊 简，邹妤阳，高 悦，庄大春

（吉首大学土木工程与建筑学院，湖南 张家界 427000）

从长远角度看，一块土地的用途可能出现一定的变化，包括林业用地、建筑用地、耕地、草地等，土地利用类型并不是一成不变，土地利用类型的变化往往容易带来当地生态系统的变化[1-2]。文章结合生态学、地理信息、城市规划的相关知识，基于研究期内研究区域的土地利用变化，运用生态系统服务供需评价模型进行量化研究[3]，为湖南省武陵山片区生态环境保护以及资源的合理利用提供科学依据。

1 土地利用时空演变研究

对2000—2020 年中湖南省武陵山片区5 年土地利用情况进行研究与分析，结合湖南省武陵山片区地形特征，将土地利用情况分为6 类，分别是耕地、林地、草地、水域、建设用地及未利用地。从时间和空间两个维度，运用间隔、转移、地类视角方式分析湖南省武陵山片区土地利用的演变特征。运用土地利用变化动态度、土地利用转移矩阵计算土地利用变化的演变特征。

土地利用变化动态度可以反映土地利用的动态变化速度，其表达式如下。

式中：LC为综合土地利用动态度，LUi为研究初期第i类土地利用类型的面积，△LUi=j为研究期内第i类土地利用类型为非i 类土地利用类型面积的绝对值，T为研究时段，P为某一土地利用类型的动态度，Ua、Ub分别为研究初期和末期某一种土地利用类型的面积。

土地利用转移矩阵是土地利用变化方向分析的基础，将土地利用变化转移面积按照矩阵的形式列出，能够具体刻画不同时空下用地功能类型变化，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，借助ArcGIS10.2 对2000 年和2020 年湖南省武陵山片区用地矢量数据进行空间叠加，进而用Excel 数据透视表处理，生成湖南省武陵山片区用地转移矩阵。

2 生态系统服务供需时空演变格局分析

在一定区域内如果一种土地利用类型发生改变，必然会引起其他一种或者几种土地利用类型面积的改变[4-5]。引入交叉敏感性分析，当一定面积的土地从类型a 转换为类型b 时，其交叉敏感性系数公式表示如下。

以2000 年湖南省武陵山片区生态系统服务供给与需求为基础数据，表征近20 年研究区域生态系统服务供需格局时空演变特征，突出研究区域内供需不平衡地区，讨论其变化的主要影响因子及驱动机制，揭示土地利用变化引起的生态反馈效应。

3 结果与分析

文章利用土地利用变化动态度、敏感性分析方法、冷热点分析和驱动力分析方式，对2000 年、2005 年、2010 年、2015 年、2020 年5 年土地利用情况进行分析，重点分析了湖南省武陵山片区土地利用情况以及生态系统服务价值的时空演变情况，得出了以下分析结论。

3.1 2000—2020 年湖南省武陵山片区土地利用数量与结构变化分析

2000—2020 年湖南省武陵山片区生态系统服务价值在波动中呈现上升态势。2000—2020 年该片区土地利用转移具体有以下情况，分别有413.13 km2、308.61 km2、112.57 km2的耕地转为林地、水域和建设用地；林地转出量次之，分别有261.77 km2、123.60 km2、90.65 km2的林地转为耕地、草地和建设用地；草地转出量排第三，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。湖南省武陵山片区土地利用中，超过90%生态系统服务价值均由林地贡献。见表1。

表1 2000—2020 年湖南省武陵山片区土地利用转移矩阵单位：km2

3.2 2000—2020 年湖南省武陵山片区土地利用转移分析

采用生态系统服务价值将研究区域生态系统服务价值分为6 个等级，分别为1～6 级。可见湖南省武陵山片区生态系统服务价值的空间分布与区域海拔高度之间高度契合。较高海拔地区生态系统服务价值较高，低海拔区域多为建设用地和耕地区域，生态系统服务价值较低。可见较高海拔地区具有相对更好的生态服务功能。

分析2000—2020 年研究区域生态系统服务价值损益情况可知，该区域整体层面上为增益，但是部分区域表现为减损，主要集中在吉首市、怀化市鹤城区、娄底市涟源市。2000 年湖南省武陵山片区生态系统的服务价值13 148.720 亿元，2005 年13 166.480 亿元，2010 年13 162.426 亿元，2015 年13 151.889 亿元，2020 年13 204.388 亿元。整体上呈增长状态，见表2。

表2 2000—2020 年湖南省武陵山片区生态系统的服务价值

3.3 2000—2020 年湖南省武陵山片区生态系统服务供需格局演变

湖南省武陵山片区生态系统服务价值主要包括供给服务、调节服务、支持服务、文化服务等，其中供给服务主要体现为原料生产、食物生产、水资源供给，调节服务主要包括气候调节、水文调节、气体调节、净化环境等，支持服务主要包括维持养分循环、土壤保持、生物多样性等，文化服务主要体现为美学景观。

2000—2020 年湖南省武陵山片区单项生态系统中主要的调节功能包括气候调节、水文调节、土壤保持、生物多样性等，共占比超过70%，2000—2020 年增长量第一的为水文调节，增长36.07 亿元；第二为水资源供给，增长6.95 亿元；第三为气候调节，增长6.27 亿元。增长原因主要是由于此时期该区域水域面积、林地面积显著增长，在2015 年之前，生态系统服务价值的降低主要是由于林地面积、草地面积缩减导致的。见表3。

表3 2000—2020 年湖南省武陵山片区单项生态系统服务价值

3.4 2000—2020 年湖南省武陵山片区生态系统服务供需演变敏感性分析

将研究区域分为5 个时间段进行分析，在这5 个时间段内Moran’s I 均在波动之中有所增长，同时P值均大于0，可见该区域生态系统服务价值在空间分布上呈正相关性，并且在波动之中逐步增强。生态系统服务价值增值区域热点分布较为分散，主要集中在吉首市、会同县、怀化市等。吉首市主要将部分建设用地转变为耕地，会同县将部分耕地转变为林地，怀化市则将部分建筑用地转变为林地。生态系统服务价值损失冷点则相对较少，整体上呈现上升特征，可见该地空间分布与土地利用空间转移具有正相关关系。

4 讨论

文章通过对2000 年、2005 年、2010 年、2015 年、2020 年5 年土地利用情况进行分析，采用土地利用变化动态度、敏感性分析方法、冷热点分析、驱动力分析方式分析发现，2000—2020 年湖南省武陵山片区生态系统服务价值在波动中上升，累计增加55.684 亿元，增长率0.454%。超过90%生态系统服务价值由林地贡献。生态系统服务价值整体为增益，部分区域减损，主要集中在吉首市、怀化市鹤城区、娄底市涟源市。2000—2020 年湖南省武陵山片区单项生态系统中主要的调节功能包括气候调节、水文调节、土壤保持、生物多样性等，占比超过70%，2010 年生态系统的服务价值13 162.426 亿元，2015 年13 151.889 亿元，2020 年13 204.388 亿元，增长量最大的为水文调节，第二为水资源供给，第三为气候调节，主要是由于水域面积、林地面积显著增长，2015 年之前，生态系统服务价值降低主要是由于林地面积、草地面积缩减，至2020 年生态系统服务价值增值区域热点分布较为分散，主要集中在吉首市、会同县、怀化市。

由于地形的影响，湖南省武陵山片区城市扩张与相关活动主要发生在较低海拔区域，在该区域城市化进程不断推进的背景下，耕地面积减少，城市的扩张使得该区域生态系统服务价值不断降低。由于土地利用类型的变化，使得该区域生态系统服务价值产生了一定变更。2005—2015 年，随着区域经济的发展，林地面积有所下降，但是生态系统服务功能整体上依然上升。

随着土地利用类型的变更，湖南省武陵山片区生态系统服务功能随之产生相应的变更。基于驱动力、敏感性分析视角研究区域变化，要求地方政府对此采取相应的措施，为了加强对当地生态环境的保护，2018 年湖南省制定了当地生态保护红线，重点加强对特定区域的保护。基于西部陆海新通道的开发，未来一时段内对湖南省武陵山片区土地利用提出了更高的要求，因此该区域生态系统服务功能面临着更大的压力。为此要求不断增强土地利用效率，更好地挖掘国土利用空间，在土地开发利用中实现生态效益与经济效益的统一[6-8]。