耿紀文，帥 紅，張 英，李景保

（湖南師范大學 a.資源與環(huán)境科學學院；b.地理空間大數據挖掘與應用湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410081）

地球表層的土地是人類賴以生存的一種資源，土地利用問題日益受到人們的重視。國外關于土地利用及ESV 的研究相對較早[1]，對生態(tài)系統(tǒng)服務估價作出了全面和系統(tǒng)的貢獻，研究成果被公認本領域研究歷史的重大里程碑[2]。從理論到應用不斷臻于完備[3]。靜態(tài)分析向動態(tài)研究的勢頭不減[4]，3S 技術廣泛應用到研究當中[5]。隨著理論、技術的完善，研究領域和角度不斷開拓[6]，研究區(qū)域和系統(tǒng)逐步覆蓋四大圈層的五大要素[7]，研究內容主要集中在ESV 評估方法的研究與改良、對不同地區(qū)各個類型ESV 評價、LUCC 影響下的區(qū)域ESV 空間分異探究，生態(tài)系統(tǒng)服務功能與生物多樣性的關聯(lián)分析等多個方面，研究的針對性、實踐性和研究成果的應用化趨向不斷增強[8]。國內多以各級行政單元為研究區(qū)域對ESV 進行簡單橫向比較，研究對象集中于森林、草原、濕地、水域等單一ESV 分析上[9]，對流域等典型性區(qū)域各個類型的綜合ESV 研究相對缺乏；引起ESV 變化的驅動力主要有自然因素和社會經濟因素，后者如人口密度、區(qū)域總產值等與ESV 存在顯著相關性[10]，而這兩項因子與土地利用程度密不可分。因此，土地利用程度與ESV 的關聯(lián)性值得深入研究。洞庭湖是長江中下游地區(qū)最大的調蓄性湖泊，擔負著長江流域生態(tài)安全、水安全和國家糧食安全的重大責任[11]。自1998年特大洪水以來退田還湖、平垸行洪、移民建鎮(zhèn)等政策實施、三峽水庫蓄水運行及區(qū)域經濟快速發(fā)展對洞庭湖區(qū)土地利用變化產生了深刻影響[12]，進而影響到洞庭湖濕地生態(tài)服務功能的正常發(fā)揮。為此，圍繞其生態(tài)系統(tǒng)服務價值相關的研究已成為當前熱點。然而，現(xiàn)有研究主要是針對洞庭湖濕地、洞庭湖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值的評估及時空分布上[12-13]，而對土地利用程度差異引起的生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化成果鮮見，導致不能全面客觀判斷1998年以來長江流域重大人類活動下洞庭湖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務功能對土地利用程度變化的響應。本研究系統(tǒng)分析洞庭湖及四水流域的LUCC 時空特征，基于當量因子從格網層面科學評估ESV 時空變化，探求土地利用程度綜合指標對ESV 的影響機制，以便于更科學合理地提出提升生態(tài)系統(tǒng)服務水平的建議對策，有利于維護洞庭湖生態(tài)經濟區(qū)生態(tài)安全，為相關部門制定區(qū)域生態(tài)安全管控決策、優(yōu)化區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)格局提供重要依據。

一、數據來源與處理

（一）研究區(qū)概況

洞庭湖生態(tài)經濟區(qū)包括湖南省境內的3 市1區(qū)和湖北省的荊州市，共涵蓋了33 個縣（市、區(qū)），總面積達6.05×104km2。本研究的范圍為《洞庭湖生態(tài)經濟區(qū)規(guī)劃》確定的湖南省域內3 市1 區(qū)，共25 個縣（市、區(qū)）級行政單元（圖1）。該區(qū)域水系發(fā)達，水質良好，水資源豐富，洞庭湖南匯湘、資、沅、澧四大水系，北連藕池河、松滋河和虎渡河，東接汨羅河、新墻河，經城陵磯匯入長江，且有長江水道和京廣交通動脈在此處匯合，因而水陸交通便利，具有明顯的區(qū)位優(yōu)勢；海拔在30～50 m 之間，地貌類型復雜多樣，有豐富的耕地、林地、水體資源，自然稟賦良好。土地總面積為46 275.53 km2，占湖南省總面積的21.85%。屬大陸性季風濕潤氣候，四季分明，汛期多集中在4—9月，平均溫度為16～17 ℃，位于中亞熱帶向北亞熱帶氣候過渡地帶。2017年，湖南洞庭湖生態(tài)經濟區(qū)人口總數為1 693.78 萬人，城鎮(zhèn)人口總數為902.24 萬人，地區(qū)生產總值8 820.30 億元，三次產業(yè)結構為12.4∶43.4∶44.2。糧食種植面積共計1 773.90×103 hm2，糧食總產達995.33×104 t，為我國著名的“魚米之鄉(xiāng)”。為保障長江流域水安全和生態(tài)安全，探索大湖流域以生態(tài)文明建設引領經濟社會全面發(fā)展新途徑，2014年，洞庭湖生態(tài)經濟區(qū)建設上升到了國家戰(zhàn)略[14]。近幾十年來，在退田還湖、三峽水庫蓄水運行以及城鎮(zhèn)化快速推進下，洞庭湖生態(tài)經濟區(qū)建設用地持續(xù)增長，耕地和水面快速縮減，天然濕地大幅減少，土地日趨破碎化等[15]。土地利用結構的不合理導致土地生態(tài)系統(tǒng)服務功能削弱，不僅導致湖區(qū)季節(jié)性和工程性缺水[16]，而且引發(fā)出一系列生態(tài)環(huán)境問題，如：洞庭湖四大家魚產卵繁殖時間、產卵規(guī)模和魚卵的運動方式均有所改變、魚類產量減少；水質下降，富營養(yǎng)化現(xiàn)象顯現(xiàn)；生物多樣性減小、候鳥種類和數量減少[17]，東方田鼠種群膨脹、釘螺孳生蔓延等。因此，對洞庭湖生態(tài)經濟區(qū)土地利用變化下生態(tài)系統(tǒng)服務價值影響機制進行定量研究找到其關鍵制約因素，實施有針對性的提升措施就顯得十分迫切。

圖1 研究區(qū)范圍及地形

（二）數據來源與處理

本研究數據主要來源于洞庭湖生態(tài)經濟區(qū)2000年、2005年、2010年 和2017年Landsat 影像數據。遙感影像選擇以無云覆蓋為標準，分辨率為30 m×30 m。運用ENVI 軟件和ArcGIS 軟件，對獲取的影像數據進行幾何校正、圖像裁剪、融合等多種處理，結合高分影像以及實地采樣驗證，采用監(jiān)督分類和目視解譯方法，并參考該區(qū)地形圖、土地利用現(xiàn)狀圖等輔助解譯，解譯精度達到85%以上，將其歸并為6 大土地利用類型，分別為耕地、林地、草地、水體、建設用地和未利用地。

二、研究方法

（一）土地利用變化分析

土地利用變化分析主要用變化幅度和程度指數兩個指標來進行。土地利用程度指數體現(xiàn)了人們對土地資源的利用強度。該研究在多位學者研究基礎上[18]，參照莊大方等學者的程度分級方法，將該地土地利用類型劃分成4 個級別，對其利用強度按照開發(fā)程度大小分別賦值，數值越大代表程度越深。還引入莫蘭指數和相對變化率來反映研究區(qū)用地變化的空間自相關性和區(qū)際差異性。

（二）ESV 估算與分析

1.ESV 估算

該研究采用謝高地等人2015年最新提出的生態(tài)系統(tǒng)服務功能分類方法[19]，將生態(tài)系統(tǒng)服務類型劃分為4 種一級類型，11 種二級類型。綜合考慮其土地利用實際情況和研究目的，選用當量因子法評估其ESV，評價公式如下：

式中：ESV 為生態(tài)系統(tǒng)服務總價值；Ai為該地第i種類別的土地面積；VCi代表第i種類型土地的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數；ESVj為該區(qū)單項生態(tài)服務功能服務價值（萬元）；VCij表示第i種土地類型的j項生態(tài)服務功能服務價值系數，i分為耕地、林地、水體、草地、未利用地等5種類型，j表示11 項生態(tài)服務功能。

借鑒謝高地等學者2015年基于中國國情最新改進的單位面積ESV 當量表[19]，選用湖南省生物量因子1.95 對其生態(tài)系統(tǒng)單位面積服務價值系數進行修正[20]。同時，基于區(qū)內社會經濟發(fā)展狀況，對單位面積農田每年自然糧食產量的經濟價值進行修正計算出研究區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)服務的價值系數表。修正過程如下：2017年該地平均糧食價格為2.69 元·kg-1，2000—2017年當地平均糧食產量為5 727.59 kg·hm-2。將農田生態(tài)系統(tǒng)主要農作物經濟價值平均值乘以1/7 得到單位當量服務價值[21]，最終得到研究區(qū)單個當量因子的經濟價值量為2 201.03 元·hm-2，將其與經修正的各地類ESV當量相乘，得到各單項生態(tài)服務的價值量。

2.基于格網的ESV 空間分析

格網分析法[22]可以將不規(guī)則的圖斑區(qū)域劃分成規(guī)則格網矩陣并賦值，從而以格網為基本評價單元。本研究綜合考慮研究目的和區(qū)域特點，運用格網分析法構建3 km×3 km 的格網矩陣，將其劃分為5 516 個格網單元，從而確保單元內的容量不變性，在ESV 的空間化定量統(tǒng)計和空間分布特性分析方面具有優(yōu)越性。

（三）敏感性分析

本研究引入敏感性指數(CS)是用于驗證各地類生態(tài)服務價值系數(VC)的準確性，以及確定隨著時間推移ESV 總量對VC 的依賴程度。通過對研究區(qū)5 種地類的VC 上下調整50%，權衡其ESV 的變動情況[23]。

三、結果分析

（一）洞庭湖生態(tài)經濟區(qū)LUCC 時空特征

2000—2017年，研究區(qū)各地類面積依次為：林地＞耕地＞水體＞建設用地＞草地＞未利用地（圖2）。其中，草地和未利用地面積最少，占比合計不超過1%；總的來看，水體、建設用地面積呈上升勢頭，除草地面積變化不明顯外，其他用地呈下降態(tài)勢。不同研究時段內，各地類增減幅度存在差異。

圖2 洞庭湖生態(tài)經濟區(qū)土地利用結構

2000—2017年該地區(qū)土地利用格局基本保持穩(wěn)定（圖3）。林地以有林地為主，集中成片分布于東部幕阜山山脈、西北部武陵山系以及西南部雪峰山余脈地段；耕地主要為水田和旱地，其中水田面積占絕對優(yōu)勢，在中部平原、丘陵地帶分布廣泛；水體包括水域和濕地，主要為洞庭湖、四水及周邊濕地；建設用地受自然地理條件影響，主要集中于中部沿河湖區(qū)域，其他區(qū)域稀疏分散；面積較少的草地和未利用地僅零星散布。

圖3 各年份洞庭湖生態(tài)經濟區(qū)土地利用類型

土地利用程度呈上升趨勢，表明研究區(qū)尚處于城市發(fā)展擴張階段。2000—2017年，除建設用地的分級面積比例持續(xù)增長、水體略有增長外，其他用地類型均有不同程度下降趨勢，尤以耕地、林地較為明顯（圖4）。總體而言，除建設用地與耕地利用程度綜合指數波動較大外，其余地類結構相對穩(wěn)定。

基于Geoda 軟件平臺，通過計算洞庭湖生態(tài)經濟區(qū)各縣級行政單元的土地利用程度綜合指數的moran’sI，得到四期的莫蘭指數均大于0，土地利用程度的全局空間自相關性均通過0.05 的顯著性檢驗，在空間上表現(xiàn)出了一定的空間自相關性。土地利用程度的高-高值區(qū)主要分布在該地中部的13 個縣（市、區(qū)），低-低值區(qū)主要分布在臨湘市、岳陽縣、平江縣、汨羅市、安化縣、云溪區(qū)，莫蘭指數近年來呈現(xiàn)減小趨勢（表1、圖5），表明此地區(qū)土地利用程度的全局空間自相關性在減弱。各縣級行政單元土地利用程度的百分位圖保持了一致性，說明土地利用程度在空間結構上保持相對穩(wěn)定。局部空間自相關的P 值只在沅江市、安鄉(xiāng)縣、漢壽縣、南縣、津市市比較顯著，高-高值區(qū)主要分布在安鄉(xiāng)縣、漢壽縣、南縣、津市市等4 個地區(qū)，表明其局部空間自相關并不顯著（圖6）。

圖4 洞庭湖生態(tài)經濟區(qū)土地利用程度綜合指數年變化幅度

表1 洞庭湖生態(tài)經濟區(qū)土地利用程度全局空間自相關變化

洞庭湖生態(tài)經濟區(qū)各縣（市、區(qū)）用地類型之間變化差異明顯。在耕地的空間變化上，呈現(xiàn)明顯高低相間的分異規(guī)律，保持了0.9～1.1 的相對變化率（圖7）。耕地持續(xù)減少是經濟發(fā)展和城市化進程中不可避免的趨勢，因此其變化的區(qū)際差異較?。涣值叵鄬ψ兓实目臻g格局為東西高、中部低，原因在于受旅游資源開發(fā)和交通體系完善的影響，東西部林地被占用難以避免。從水體變化上看，各縣在流域水污染綜合治理、濕地保護方面十分重視，也采取了一系列措施，因此變化差異較?。唤ㄔO用地變化空間分異明顯。望城區(qū)和桃江縣該類用地變化最為劇烈。其驅動因子仍是城鎮(zhèn)化和經濟快速發(fā)展[24]。從總體來看，洞庭湖生態(tài)經濟區(qū)城市功能拓展區(qū)和城市發(fā)展新區(qū)土地利用結構變化均劇烈[25]。

（二）洞庭湖生態(tài)經濟區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)服務價值時空特征

1.ESV 總量變化

2000—2017年，洞庭湖生態(tài)經濟區(qū)ESV 總量上，是先升后降再升，2000年ESV 總量為4 418.26 億元，2005年達到最大值4 426.62 億元，移民建鎮(zhèn)和生態(tài)退耕恢復了部分水體是其主要原因；2005—2010年，出現(xiàn)最小值4 416.34 億元，主要是受重大人類活動及氣候異常等因素影響，使得水域面積大幅萎縮；2011—2017年間，ESV有所回升，得益于流域水環(huán)境綜合治理政策的有力實施以及濕地生態(tài)系統(tǒng)的保護。

圖5 洞庭湖生態(tài)經濟區(qū)土地利用程度Moran 散點圖

圖6 洞庭湖生態(tài)經濟區(qū)土地利用程度LISA 集聚圖

圖7 洞庭湖生態(tài)經濟區(qū)土地利用相對變化率分布

2.基于格網的ESV 空間分析

2000—2017年，洞庭湖生態(tài)經濟區(qū)ESV 空間格局基本保持穩(wěn)定（圖8）。中部湖區(qū)占據高值區(qū)；四水流域以及湖泊等水域為次高值區(qū)；丘陵山地區(qū)因森林覆蓋廣占據中值區(qū)；洞庭湖平原耕地分布廣屬于次低值區(qū)；建制鎮(zhèn)區(qū)域、鄉(xiāng)村聚落因城鎮(zhèn)化成為低值區(qū)。

基于ArcGIS 空間分析方法，統(tǒng)計各格網ESV 變化情況，并將各格網分為上升區(qū)、下降區(qū)和穩(wěn)定區(qū)三類，得到各年份ESV 空間變化圖（圖9）。各時段洞庭湖生態(tài)經濟區(qū)ESV 值在格網層面上有不同程度的變化，但各縣級行政單元ESV變化方向基本保持一致?？傮w上看，穩(wěn)定區(qū)主要分布于境內洞庭湖區(qū)及山脈等區(qū)域，這些地域基本是生態(tài)保護紅線范圍，因而保持穩(wěn)定；上升區(qū)主要為西洞庭湖及沿湖的部分農用地區(qū)，受益于洞庭濕地的保護和恢復以及部分農用地生態(tài)保護措施的實施。下降區(qū)主要為城鄉(xiāng)建成區(qū)的外圍區(qū)域，一方面，這些區(qū)域在城鄉(xiāng)一體化發(fā)展及相關配套基礎設施完善過程中，一些生態(tài)用地難免被建設用地侵占，另一方面，由于建設用地的VC難以合理客觀的確定，該研究為了研究目的需要將建設用地的當量視為0，也就等于將ESV 作為0 來處理。

3.人均生態(tài)服務占有量分析

隨著洞庭湖生態(tài)經濟區(qū)社會經濟加速發(fā)展以及人口快速增長，建設用地不斷擴張，土地利用結構也相應變化。研究期間，區(qū)域人均ESV 占有量呈減少趨勢，其中林地減少量居于首位，其次為水域和耕地，這三大地類ESV 人均減少量占總減少量的99.67%，但近年來下降速率均有所放緩。由此表明，研究區(qū)城鎮(zhèn)化建設成效顯著，社會經濟迅速發(fā)展帶動的人口增長速度超過了生態(tài)文明建設速度。

4.敏感性分析

2000年、2005年、2010年和2017年洞庭湖生態(tài)經濟區(qū)各地類的敏感性系數均低于1，草地和未利用地保持基本不變，耕地和水體的敏感性有所增加，林地有所減少，表明ESV 總量對耕地和水體的價值系數依賴性逐步增強，而對林地的依賴程度有所減小。各地類之間敏感性指數差異較大，但同一地類的敏感性指數相差甚小。ESV敏感性指數由大到小依次為林地＞水體＞耕地＞草地＞未利用地。從上可知，各地類VC 調整前后對ESV 影響較小，ESV 對VC 是缺乏彈性的。

圖8 洞庭湖生態(tài)經濟區(qū)地均ESV 空間分布

圖9 洞庭湖生態(tài)經濟區(qū)ESV 格網層面空間變化

四、結論與討論

本研究借助空間分析法、當量因子法、敏感性分析法等定量分析方法，選取洞庭湖生態(tài)經濟區(qū)4 個年份的LUCC 情況，測度其ESV 的時空變化，得到以下幾點認識：

1）2000—2017年間，洞庭湖生態(tài)經濟區(qū)各地類面積基本為：林地＞耕地＞水體＞建設用地＞未利用地；土地利用結構相對穩(wěn)定，變化程度較小。從LUCC 空間分布看，各縣（市、區(qū)）用地類型之間變化差異明顯，耕地呈高低間隔分布的格局，林地為東西高、中部低，水體變化不大，建設用地變化空間分異明顯。4 個年份縣級行政單元土地利用程度在空間上表現(xiàn)出了顯著的全局空間自相關性，且這種全局空間自相關性有減弱趨勢，一定程度上說明了當地政府從宏觀上對土地利用進行嚴格的綜合管理和調控，加強區(qū)域統(tǒng)籌與聯(lián)防聯(lián)控對于保持合理的土地利用結構與強度是十分必要的。

2）洞庭湖生態(tài)經濟區(qū)ESV 總量由2000年的4 418.26 億元增加至2017年的4 420.55 億元，在研究期間表現(xiàn)為先升后降再升的趨勢，并具有相對穩(wěn)定的空間格局；而人均ESV 占有量呈減少趨勢，但近年來下降速度有所放緩。

3）研究區(qū)應切實加強流域水污染綜合整治；運用生物、工程等技術，繼續(xù)全面推進河長制與湖長制，加大水體生態(tài)修復力度；嚴格保護基本農田，提高湖區(qū)耕地質量；繼續(xù)保育森林，穩(wěn)步提升綠化面積。另外，以長江經濟帶戰(zhàn)略環(huán)境評價“三線一單”、國土空間規(guī)劃等為抓手，加強湖區(qū)生態(tài)立法，繼續(xù)完善生態(tài)補償機制；嚴厲打擊不按要求不經批準亂修亂建等行為，確保生態(tài)保護紅線，資源利用上線，環(huán)境質量底線，環(huán)境準入清單成果的嚴格落實，以加強湖區(qū)有序合理開發(fā)，集約高效利用土地資源。

地球表層系統(tǒng)各要素本身具有復雜性、綜合性等特點，人地關系更加具有復雜性。在目前科技發(fā)展的局限下，目前人類仍難以對ESV 變化背后的驅動因子進行系統(tǒng)、全面和深入的研究。該研究對洞庭湖生態(tài)經濟區(qū)ESV 進行估算所使用的洞庭湖區(qū)土地面積及當量因子修正系數與鄧楚雄等學者的研究保持基本一致，但兩者對土地生態(tài)服務功能類型的劃分有所不同，加之研究方法上的差異[12]，因而與李景保、李濤等學者的結果存在一定的差別[13]，但其變化趨勢也基本相似。洞庭湖生態(tài)經濟區(qū)主要包括洞庭湖及四水流域，本研究依據縣域層面的土地利用強度綜合指標變化，可以更為科學合理地剖析區(qū)域各時間段LUCC 特征，在此基礎上從格網層面深入剖析了ESV 時空變化。且從縣域層面進行了土地利用強度空間自相關分析，證實了加強區(qū)域統(tǒng)籌和聯(lián)防聯(lián)控的重要性。從格網層面則更加細化了對ESV 空間格局的分析，便于對流域ESV 時空變化進行整體的把握。本研究并沒有對土地利用與ESV 二者之間的關系進行深入分析。但通過計算各土地利用類型與ESV 總量之間的關聯(lián)度以及土地利用程度與ESV 的相關性，可以得出這二者之間分別具有極強的關聯(lián)性和負相關性，僅作說明。不足在于，本研究仍沒有將土地利用類型劃分至二級標準，對建設用地當量的確定尚有不足，所以科學測定建設用地的生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值值得繼續(xù)深入研究。此外，還要綜合三峽水庫蓄水運行等重大人類活動對ESV 變化的影響，以便更加深入研究和探討土地利用變化對ESV 的影響機制問題。