基于土地利用变化的生态系统服务价值时空演变特征分析

胡芳　曾海波　杨凯钧　郑巧云

摘 要：在当前生态文明建设新背景下，本文以湘江流域为研究区域，基于土地利用变化，采用修正后的生态系统服务价值当量系数估算生态系统服务价值，继而分析其时空变化特征。结果表明：（1）1995～2018年间土地利用变化较大，其中建设用地显著增加，水田减幅最大;（2）研究期限内湘江流域生态系统服务总价值呈波动下降趋势，林地和水域生态对于维持湘江流域生态系统服务价值的稳定性发挥着重要作用;（3）从生态系统服务价值空间分布特征来看，生态系统服务价值的高值区集中分布在洞庭湖区以及湘江径流区，中值区广泛分布于研究区域内森林覆盖度高的地区，低值区主要分布在城市建设发达的长株潭城市群及周边地区。（4）水田、林地和水域是影响研究区域生态系统服务价值的重要因素，其中水域对湘江流域的生态系统服务价值影响最为显著。

关键词：湘江流域；地理信息空间分析；生态系统服务价值；土地利用

中图分类号： F301.2            文献标识码：A            文章编号：1672-5603（2023）01-78-07

Analysis of Spati0-Temporal Evolution Characteristics of

Ecosystem Service Value Based on Land Utilization Change

Hu Fang， Zeng Haibo， Yang Kaijun， Zheng Qiaoyun

（1.The 2nd Surveying and Mapping Institute Of Hunan Province，Hunan Changsha 410119;

2.Hunan Provincial Satellite Application Technology Center of Natural Resources，

Changsha Hunan 410119;3.Key Laboratory of Natural Resources Monitoring and Supervision in Southern Hilly Region， Ministry of Natural Resources，Changsha Hunan 410119）

Abstract：Under the new background of the current ecological civilization construction， this paper takes the Xiangjiang River basin as the research area， uses the modified equivalent coefficient of ecosystem service value to estimate the ecosystem service value based on land use change， and then analyzes its spatio-temporal change characteristics. The results showed that： （1） land utilization changed greatly from 1995 to 2018， among which construction land increased significantly and paddy field decreased the most; （2） During the study period， the total value of ecosystem services in the Xiangjiang River basin fluctuated and declined. Forest land and water ecology played an important role in maintaining the stability of ecosystem services in the Xiangjiang River basin; （3） From the perspective of spatial distribution， the high， medium and low value areas of ecosystem service value are respectively concentrated in the water area， forest land and urban construction developed areas; （4） Paddy field， forest land and water area are important factors that affect the ecosystem service value of the study area， and the water area has the most significant impact on the ecosystem service value of the Xiangjiang River basin.

Keywords：Xiangjiang river basin;GIS spatial analysis;ecosystem service value;land utilization

0 引言

生態系统服务是指通过生态系统直接或间接得到的对人类生存与生活质量有所贡献的服务，是生态系统环境管护、开发利用的重要基础。近年来，随着生态文明建设的不断深入，对生态环境的保护提高到了空前高度[1]，探究土地利用情况对生态系统的影响显得尤为重要，而流域作为水系统重要组成部分和链接环节，是联系生态系统中的各生态要素的不可分割的整体。基于流域生态系统服务价值研究是流域综合治理的重要发展方向，对于流域生态系统服务评估的方法和案例研究，众多学者已取得了许多优异的成绩，这些案例为流域生态系统服务价值的研究提供了许多值得借鉴的经验，如1995年“国际地圈与生物圈计划”（IGBP）与“全球环境变化人文计划”（HDP）两大全球影响力组织联合提出了“土地利用/土地覆盖变化”研究计划，重点研究土地覆盖变化与全球环境变化之间的影响以及土地利用/土地覆盖变化与可持续发展之间的关系；岳书平等通过分析土地利用和生态系统服务价值的整体变化情况，指出城市建设用地的扩张是导致生态系统服务价值下降的主要原因；王雅等通过分析城市用地面积与生态系统服务价值的相关性，定性揭示了建设用地扩张对ESV造成的影响；荣益等通过构建土地利用变化与生态系统服务价值的影响评估模型[2-3]，对城市用地扩张所造成的生态系统服务价值变化进行了定量分析。前人对土地利用情况与生态系统服务价值的关联性做了大量探索，然而大部分学者侧重于二者在大空间尺度下的关联，各土地利用变化会存在相互抵消的情况，且较短的研究时序无法准确反应土地利用对生态环境的影响。

湘江流域作为湖南发展的核心区域，属于湖南省城镇、人口、经济和产业发展的黄金地带，同时承载着湖南省湿地资源和水源保护的重要的生态功能，近年来湘江流域资源和生态环境问题不断凸显，可持续发展压力日益增大，加强对湘江流域生态系统服务价值的研究对流域内社会经济可持续发展乃湘江河流域的生态系统健康发展具有重要理论意义和现实价值。鉴于以上背景，本文利用地理信息空间分析方法[4]，基于1995～2018年湘江流域土地利用数据，在分析土地利用变化的生态系统服务价值时空演变特征基础上，结合生态系统服务价值当量表和生态系统服务价值影响估算模型，估算湘江流域六个时期生态系统服务价值及其时空变化特征并深入揭示土地利用与生态系统服务价值的时间变化和空间分布特征以及二者之间的相关性，定量研究湘江流域土地利用变化与生态系统服务价值时空演变规律，以期为湘江流域土地利用和生态建设提供参考。

1 研究区概况及数据源来源

1.1 研究区概况

本文主要以湘江流域为研究区域。湘江流域地理范围东经110°28′～114°16′，北纬24°38′～29°04′区域总面积8.5万km2，包括长沙、株洲、湘潭、衡阳、郴州、永州、娄底、邵阳、岳阳等9市67县市区。湘江流域内自然资源丰富，交通网络发达、区位优势十分突出，因而成为湖南省经济最发达、人口密度最高、土地利用活动最频繁的地区之一。截至2018年，湘江流域GDP总量为25 973.50亿元，总人口3 990.43万人，分别占湖南省的71.73%，57.84%，城镇化率接近60%。伴随着城市的扩张和工业的发展，湘江流域大量的农用地特别是耕地被转为建设用地，土地利用结构也发生了巨大的变化，生态环境问题也逐步显现。

1.2 数据来源

本文采用的数据主要包括：1995，2000，2005，2010，2013，2018 年6个时期湖南省土地利用数据，源自中国科学院资源环境数据中心（http：//www.resdc.cn）；1995～2018年湖南省NPP数据，来源于国家地球系统科学数据共享服务平台（http：//www.geodata.cn）；湖南省粮食单位面积产量，来源于湖南统计年鉴；水稻收益价值，来源于《全国农产品成本收益资料汇编》。

2 生态系统服务价值分析

2.1 生态系统服务价值当量表

本文采用谢高地制定的生态系统服务价值当量表[5]，结合湘江流域实际情况做出部分调整。林地与阔叶林ESV对应，草地与灌木丛ESV对应，水域与水系ESV对应，未利用地取裸地价值当量，水田与旱地则直接取与之对应的ESV。而建设用地生态系统服务价值测算目前依旧存在争议，暂不考虑。同时由于谢高地制定的生态系统服务价值当量表适用范围是全国。因此需针对湘江流域实际做出部分修正。

根据湘江流域特点，耕地占30%、森林覆盖率60%。两者对生态系统服务价值贡献较大，拟采用生物量因子和植被初级净生产力（NPP）时空因子进行修正。修正权重按照用地面积代表贡献率，生物量修正因子与NPP时空修正因子权重比为1：2。

谢高地提出的区域修正系数表中湖南省农田生态系统的生物量因子为1.95，以2018年为例，2018年湘江流域平均粮食产量是湖南省平均粮食产量的1.06倍。因此湘江流域農田生态系统服务价值系数是全国水平的2.067倍。

利用GIS进行NPP时空因子修正，以2018年为例，获取全国2018年逐月NPP栅格数据，并叠加算出2018 年日均NPP栅格数据为15.83 g/（km?·m），再用湘江流域范围的矢量数据提取湘江流域2018年日均NPP栅格数据为22.66 g/（km?·m），得到2018 年NPP修正系数为1.43。

加权算出平均修正值进行统一修正，权数用耕地面积与林地和草地面积之和的比值来确定，耕地面积的权重对应农田生物量修正因子的权重，林地和草地面积之和的权重对应NPP 时空修正因子的权重。每年单位面积生态系统服务价值当量修正系数如表1。

2.2 生态系统服务价值计算

生态系统服务价值当量因子是生态系统潜在服务价值的相对贡献率，该因子等于每年每公顷粮食价值的1/7。1990～2018年，湘江流域地区平均粮食产量为5 447.74 kg/hm2。利用Costanza等提出的ESV计算方法，湘江流域生态系统服务价值[6-7]计算公式为：

式中，ESVt为第t年生态系统服务价值（元）；ESVf为第f项服务功能价值（元）；Ak为第k类土地利用类型面积（hm2）；VCk表示第k类土地利用的单位面积生态系统服务价值系数（元/hm2）；VCfk为土地利用类型k的第f项服务功能价值系数（元/hm2）；Dt表示第t年修正系数。计算结果见表2。

运用格网分析法，构建3 km×3 km的格网矩阵，测算每一个格网单元的生态系统服务价值，计算公式如下：

式中，ESVm为第m个格网单元的地均生态系统服务价值，m代表评价单元；n为土地利用类型的数量；Aim为第m个格网类土地类型的面积，VCi为第i类土地类型的生态系统服务价值。

2.3 生态系统服务价值时间变化分析

从整体趋势来看，研究期限内湘江流域生态系统服务总价值呈现波动下降的趋势：1995～2018年期间ESV总体下降，但2005～2010年间ESV有所上升。1995～2018年间，湘江流域生态系统服务总价值由1995年最大值56.61亿元减少至2018年最低值51.04亿元。

分时段来看，1995～2005年期间，林地和水田大量转化为旱地，林地和水域ESV显著下降，导致湘江流域生态系统服务总价值下降4.53亿元，下降幅度达8.00%；2005～2010年期间，湘江流域生态系统服务总价值有所上升，水域ESV增加0.28亿元，主要原因是受降雨量影响，2010年为湖南省丰水年，降雨量达1 639.4 mm，比常年偏多13.0%，水域面积增加637.93 hm2。2010～2018 年期间，林地，草地等大量自然用地转化为城市建设用地，建设用地增加1 739.14 km?，湘江流域生态系统服务总价值持续下降，共计2.84亿元，下降幅度达5.27%（图1）。

2.4 生态系统服务价值空间变化分析

将1995年、2005年、2018年三期土地利用数据与格网进行叠加分析，计算出每个网格的ESV值并按区间分类生成生态系统服务价值空间分布图（图2）。

综合来看，1995～2018年湘江流域生态系统服务价值空间分布格局基本保持稳定。以图中2018年生态系统服务价值空间分布为例，高值区集中成片分布在洞庭湖区以及湘江径流区；中值区广泛分布于研究区域内以林地为主，森林覆盖度高地区；以湘江为中心串联的若干各低值区均是城市建设发达地区，以长株潭城市群最为明显，这与城市趋向于沿河流发展的客观规律相统一。

为了进一步反映湘江流域生态系统服务价值空间变化的情况，将研究期初与期末的生态系统服务价值格网空间分布图进行叠加，统计每个格网的ESV变化情况，分为上升区，稳定区和下降区，得到1995～2018 年生态系统服务价值量空间变化图（图3）。

总体来看，湘江流域生态系统服务价值变化情况以稳定和下降两种为主，生态系统价值增加区域较少，下降区域主要集中在洞庭湖周围以及长株潭城市群，主要由于近年来洞庭湖区域虽施行退湖还田措施，水域面积得到保障，但周围城市地区经济的快速发展导致生产及生活污水无法得到有效控制；尤其是三峡水库运行之后，洞庭湖氮，磷，高锰酸盐酸含量增加明显，使得洞庭湖水质不断恶化。

2.5 生态系统服务价值与土地利用类型关联分析

本文选用灰色关联度法计算1995～2018年期间湘江流域不同土地利用类型与生态系统服务价值之间的关联程度[8-9]。将生态系统服务价值总量设定为参考序列[X0=（X01，X01，…X0（n））]；将湘江流域不同类型土地面积设定为比较序列Xi=（Xi（1）， Xi（1），…Xi（k），Xi（n） [）]。其中i=1，2，…m；k=1，2，…n。在对其进行无量纲化处理后，进行绝对差值比较。再利用绝对差值计算灰色关联系数，最终计算其灰色关联系数。公式如下：

其中ξ是分辨系数，为常数。其取值范围为（0，1），一般情况ξ取（0.1，0.5），通常取0.5。

根据上述公式计算出湘江流域1995～2018年不同土地利用类型与生态系统服务价值之间的关联系数。具体结果见表4。

从整个研究期的平均关联度来看，灰色关联度由大到小依次为水田＞林地＞水域＞草地＞旱地＞未利用地。其中水田，林地，水域在各目标年份的平均关联度都保持在0.8以上，表明这三者是影响研究区域生态系统服务价值的重要因素[10]。其中水田和林地关联度较大，这与湘江流域土地利用类型中水田和林地占比最大相一致，此外水域在研究期限内的平均关联度也达到0.925，对湘江流域的生态系统服务价值影响明显，表明加强流域内各水系的保护，不断恢复水体面积，对于生态系统服务价值的提升有较大意义。

3 生态系统服务价值敏感性分析

本文通过敏感性系数计算生态系统服务价值的敏感性指数来对生态系统服务功能结果进行评估[11-16]，根据计算公式，将研究区的各土地利用类型的生态系统服务价值上调或下降50%，以此计算其敏感性指數。计算公式如下：

式中CS为敏感性指数，i和j分别代表调整前和调整后的生态系统服务价值量。计算结果见表5。

由以上计算结果可知，湘江流域1995年、2000年、2005年、2010 年、2013年、2018年敏感性指数由大到小以此为林地＞水域＞水田＞草地＞旱地＞未利用地，各地类的敏感性系数都小于1，说明不同用地类型生态价值系数调整前与调整后对生态系统服务价值影响较小，ESV对VC缺乏弹性，准确度和可信度较高。

4 结束语

本文基于1995-2018年湘江流域土地利用数据，采用改进后的当量因子法估算湘江流域六个时期生态系统服务价值及其时空变化特征并深入揭示土地利用与生态系统服务价值的时间变化和空间分布特征以及二者之间的相关性。研究得出以下结论：（1）1995～2018年湘江流域水田，水域，林地用地面积呈现显著减少态势；旱地，草地用地面积虽有所减少但变化不显著。建设用地呈现显著增加态势。其增幅最大的用地类型是建设用地，减幅最大的用地类型是水田，其次是水域；（2）从研究期限内湘江流域生态系统服务价值特征看，其总价值呈现波动下降的趋势。在土地利用类型方面，林地和水域对于维持湘江流域生态系统服务价值的稳定性发挥着重要作用。生态系统服务功能层面，水文调节，气候调节对区域生态系统服务价值量贡献居于前列；（3）从空间分布来看，生态系统服务价值的高值区集中成片分布在洞庭湖区以及湘江径流区；中值区广泛分布于研究区域内以林地为主，森林覆盖度高的地区；以湘江为中心串联的若干各低值区均是城市建设发达地区，以长株潭城市群最为明显。水田、林地和水域是影响研究区域生态系统服务价值的重要因素，其中水域对湘江流域的生态系统服务价值影响最为显著。本文研究湘江流域生态系统服务价值时空变化特征分析，加强流域内各水系的保护，不断恢复水体面积，对于生态系统服务价值的提升有较大意义，可为湘江流域生态保护政策的制定提供科学依据和理论支撑。

本研究还存在不足之处，由于数据获取限制原因，划分出7类土地利用类型，虽然结合湘江流域实际情况将水田和旱地从耕地中细分，但要得到更加精准的研究结果仍需要进一步深入细化。

参考文献/References

[1] 黄金亭，曹艳萍，秦奋.基于土地利用/覆盖变化模拟的黄河流域生态环境质量分析[J]. 河南大学学报（自然科学版）.2020（02）：127-138.

[2] 冉圣宏，吕昌河，贾克敬，等.基于生态服务价值的全国土地利用变化环境影响评价[J]，环境科学，2006.（10）：2139-2144.

[3] 荣益，李超，许策，等.城镇化过程中生态系统服务价值变化及人类活动影响的空间分异—以黄骅市为例[J].2017，36（05）：1374-1381.

[4] 谢高地，张彩霞，张昌顺，等.中国生态系统服务的价值[J].资源科学.2015（09）：1740-1746.

[5] 谢高地，肖玉.农田生态系统服务及其价值研究进展[J]，中国生态农业学报.2013，（06）：645-651.

[6] 黄从红，杨军，张文娟.生态系统服务功能评估模型研究进展[J]. 生态学杂志. 2013（12）：3360-3367.

[7] 刘金勇，孔繁花，尹海偉，等.济南市土地利用变化及其对生态系统服务价值的影响[J]. 应用生态学报.2013（05）：1231-1236.

[8] 马丽娜，张飞云，翟玉鑫，等.1980—2020新疆土地利用变化下生态系统服务价值时空演变分析[J/OL].干旱区地理：1-13[2023-03-03].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/65.1103.X.20220818.1615.003.html.

[9] 罗俊，王克林，陈洪松.喀斯特地区土地利用变化的生态服务功能价值响应[J].水土保持通报，2008（01）：19-24.

[10] 王佩榆.广州市生态系统服务价值对土地利用变化的响应研究[D].广东工业大学， 2022.

[11] 黄草，刘启，付蔷，等.洞庭湖北部地区多闸泵系统水资源优化配置模型及应用研究[J].长沙理工大学学报（自然科学版），2022，19（02）：37-48.

[12] 尹令实，文晓凤，黄佳丽，等.洞庭湖区微塑料污染及其与农村、农业的相互影响[J].长沙理工大学学报（自然科学版），2022，19（02）：15-27.

[13] 徐丽芬，许学工，罗涛，等.基于土地利用的生态系统服务价值当量修订方法——以渤海湾沿岸为例[J].地理研究，2012，31（10）：1775-1784.

[14] 黄木易，方斌，岳文泽，等.近20年来巢湖流域生态服务价值空间分异机制的地理探测[J].地理研究，2019，38（11）：2790-2803.

[15] 雷征.开发区国土空间规划监测评估指标体系构建研究——以广西良庆经济开发区为例[J].国土资源导刊，2022，19（04）：42-47.

[16] 刘禹麒，钟镇涛，周广明，等.国土空间规划监测评估预警关键技术研究及应用[J].国土资源导刊，2022，19（04）：87-92.

收稿日期：2022-10-15;                改回日期：2022-12-22。

*基金项目：自然资源湖南省卫星应用技术体系建设项目。

*第一作者简介：胡芳（1989-），女，硕士，测绘工程师、土地工程师；主要从事测绘地理信息在自然资源管理方面的应用工作；E-mail：1035327840@qq.com。