胡芳 曾海波 楊凱鈞 鄭巧云
摘 要:在當(dāng)前生態(tài)文明建設(shè)新背景下,本文以湘江流域?yàn)檠芯繀^(qū)域,基于土地利用變化,采用修正后的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量系數(shù)估算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值,繼而分析其時空變化特征。結(jié)果表明:(1)1995~2018年間土地利用變化較大,其中建設(shè)用地顯著增加,水田減幅最大;(2)研究期限內(nèi)湘江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值呈波動下降趨勢,林地和水域生態(tài)對于維持湘江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的穩(wěn)定性發(fā)揮著重要作用;(3)從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值空間分布特征來看,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的高值區(qū)集中分布在洞庭湖區(qū)以及湘江徑流區(qū),中值區(qū)廣泛分布于研究區(qū)域內(nèi)森林覆蓋度高的地區(qū),低值區(qū)主要分布在城市建設(shè)發(fā)達(dá)的長株潭城市群及周邊地區(qū)。(4)水田、林地和水域是影響研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的重要因素,其中水域?qū)ο娼饔虻纳鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值影響最為顯著。
關(guān)鍵詞:湘江流域;地理信息空間分析;生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值;土地利用
中圖分類號: F301.2? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A? ? ? ? ? ? 文章編號: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(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指通過生態(tài)系統(tǒng)直接或間接得到的對人類生存與生活質(zhì)量有所貢獻(xiàn)的服務(wù),是生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境管護(hù)、開發(fā)利用的重要基礎(chǔ)。近年來,隨著生態(tài)文明建設(shè)的不斷深入,對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)提高到了空前高度[1],探究土地利用情況對生態(tài)系統(tǒng)的影響顯得尤為重要,而流域作為水系統(tǒng)重要組成部分和鏈接環(huán)節(jié),是聯(lián)系生態(tài)系統(tǒng)中的各生態(tài)要素的不可分割的整體?;诹饔蛏鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值研究是流域綜合治理的重要發(fā)展方向,對于流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估的方法和案例研究,眾多學(xué)者已取得了許多優(yōu)異的成績,這些案例為流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的研究提供了許多值得借鑒的經(jīng)驗(yàn),如1995年“國際地圈與生物圈計劃”(IGBP)與“全球環(huán)境變化人文計劃”(HDP)兩大全球影響力組織聯(lián)合提出了“土地利用/土地覆蓋變化”研究計劃,重點(diǎn)研究土地覆蓋變化與全球環(huán)境變化之間的影響以及土地利用/土地覆蓋變化與可持續(xù)發(fā)展之間的關(guān)系;岳書平等通過分析土地利用和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的整體變化情況,指出城市建設(shè)用地的擴(kuò)張是導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值下降的主要原因;王雅等通過分析城市用地面積與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的相關(guān)性,定性揭示了建設(shè)用地擴(kuò)張對ESV造成的影響;榮益等通過構(gòu)建土地利用變化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響評估模型[2-3],對城市用地擴(kuò)張所造成的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化進(jìn)行了定量分析。前人對土地利用情況與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的關(guān)聯(lián)性做了大量探索,然而大部分學(xué)者側(cè)重于二者在大空間尺度下的關(guān)聯(lián),各土地利用變化會存在相互抵消的情況,且較短的研究時序無法準(zhǔn)確反應(yīng)土地利用對生態(tài)環(huán)境的影響。
湘江流域作為湖南發(fā)展的核心區(qū)域,屬于湖南省城鎮(zhèn)、人口、經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的黃金地帶,同時承載著湖南省濕地資源和水源保護(hù)的重要的生態(tài)功能,近年來湘江流域資源和生態(tài)環(huán)境問題不斷凸顯,可持續(xù)發(fā)展壓力日益增大,加強(qiáng)對湘江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的研究對流域內(nèi)社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展乃湘江河流域的生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展具有重要理論意義和現(xiàn)實(shí)價值。鑒于以上背景,本文利用地理信息空間分析方法[4],基于1995~2018年湘江流域土地利用數(shù)據(jù),在分析土地利用變化的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時空演變特征基礎(chǔ)上,結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量表和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值影響估算模型,估算湘江流域六個時期生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值及其時空變化特征并深入揭示土地利用與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的時間變化和空間分布特征以及二者之間的相關(guān)性,定量研究湘江流域土地利用變化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時空演變規(guī)律,以期為湘江流域土地利用和生態(tài)建設(shè)提供參考。
1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源來源
1.1 研究區(qū)概況
本文主要以湘江流域?yàn)檠芯繀^(qū)域。湘江流域地理范圍東經(jīng)110°28′~114°16′,北緯24°38′~29°04′區(qū)域總面積8.5萬km2,包括長沙、株洲、湘潭、衡陽、郴州、永州、婁底、邵陽、岳陽等9市67縣市區(qū)。湘江流域內(nèi)自然資源豐富,交通網(wǎng)絡(luò)發(fā)達(dá)、區(qū)位優(yōu)勢十分突出,因而成為湖南省經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)、人口密度最高、土地利用活動最頻繁的地區(qū)之一。截至2018年,湘江流域GDP總量為25 973.50億元,總?cè)丝? 990.43萬人,分別占湖南省的71.73%,57.84%,城鎮(zhèn)化率接近60%。伴隨著城市的擴(kuò)張和工業(yè)的發(fā)展,湘江流域大量的農(nóng)用地特別是耕地被轉(zhuǎn)為建設(shè)用地,土地利用結(jié)構(gòu)也發(fā)生了巨大的變化,生態(tài)環(huán)境問題也逐步顯現(xiàn)。
1.2 數(shù)據(jù)來源
本文采用的數(shù)據(jù)主要包括:1995,2000,2005,2010,2013,2018 年6個時期湖南省土地利用數(shù)據(jù),源自中國科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn);1995~2018年湖南省NPP數(shù)據(jù),來源于國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(http://www.geodata.cn);湖南省糧食單位面積產(chǎn)量,來源于湖南統(tǒng)計年鑒;水稻收益價值,來源于《全國農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編》。
2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值分析
2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量表
本文采用謝高地制定的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量表[5],結(jié)合湘江流域?qū)嶋H情況做出部分調(diào)整。林地與闊葉林ESV對應(yīng),草地與灌木叢ESV對應(yīng),水域與水系ESV對應(yīng),未利用地取裸地價值當(dāng)量,水田與旱地則直接取與之對應(yīng)的ESV。而建設(shè)用地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值測算目前依舊存在爭議,暫不考慮。同時由于謝高地制定的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量表適用范圍是全國。因此需針對湘江流域?qū)嶋H做出部分修正。
根據(jù)湘江流域特點(diǎn),耕地占30%、森林覆蓋率60%。兩者對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值貢獻(xiàn)較大,擬采用生物量因子和植被初級凈生產(chǎn)力(NPP)時空因子進(jìn)行修正。修正權(quán)重按照用地面積代表貢獻(xiàn)率,生物量修正因子與NPP時空修正因子權(quán)重比為1:2。
謝高地提出的區(qū)域修正系數(shù)表中湖南省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的生物量因子為1.95,以2018年為例,2018年湘江流域平均糧食產(chǎn)量是湖南省平均糧食產(chǎn)量的1.06倍。因此湘江流域農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)是全國水平的2.067倍。
利用GIS進(jìn)行NPP時空因子修正,以2018年為例,獲取全國2018年逐月NPP柵格數(shù)據(jù),并疊加算出2018 年日均NPP柵格數(shù)據(jù)為15.83 g/(km?·m),再用湘江流域范圍的矢量數(shù)據(jù)提取湘江流域2018年日均NPP柵格數(shù)據(jù)為22.66 g/(km?·m),得到2018 年NPP修正系數(shù)為1.43。
加權(quán)算出平均修正值進(jìn)行統(tǒng)一修正,權(quán)數(shù)用耕地面積與林地和草地面積之和的比值來確定,耕地面積的權(quán)重對應(yīng)農(nóng)田生物量修正因子的權(quán)重,林地和草地面積之和的權(quán)重對應(yīng)NPP 時空修正因子的權(quán)重。每年單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量修正系數(shù)如表1。
2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值計算
生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量因子是生態(tài)系統(tǒng)潛在服務(wù)價值的相對貢獻(xiàn)率,該因子等于每年每公頃糧食價值的1/7。1990~2018年,湘江流域地區(qū)平均糧食產(chǎn)量為5 447.74 kg/hm2。利用Costanza等提出的ESV計算方法,湘江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值[6-7]計算公式為:
式中,ESVt為第t年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(元);ESVf為第f項(xiàng)服務(wù)功能價值(元);Ak為第k類土地利用類型面積(hm2);VCk表示第k類土地利用的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)(元/hm2);VCfk為土地利用類型k的第f項(xiàng)服務(wù)功能價值系數(shù)(元/hm2);Dt表示第t年修正系數(shù)。計算結(jié)果見表2。
運(yùn)用格網(wǎng)分析法,構(gòu)建3 km×3 km的格網(wǎng)矩陣,測算每一個格網(wǎng)單元的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值,計算公式如下:
式中,ESVm為第m個格網(wǎng)單元的地均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值,m代表評價單元;n為土地利用類型的數(shù)量;Aim為第m個格網(wǎng)類土地類型的面積,VCi為第i類土地類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值。
2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時間變化分析
從整體趨勢來看,研究期限內(nèi)湘江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值呈現(xiàn)波動下降的趨勢:1995~2018年期間ESV總體下降,但2005~2010年間ESV有所上升。1995~2018年間,湘江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值由1995年最大值56.61億元減少至2018年最低值51.04億元。
分時段來看,1995~2005年期間,林地和水田大量轉(zhuǎn)化為旱地,林地和水域ESV顯著下降,導(dǎo)致湘江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值下降4.53億元,下降幅度達(dá)8.00%;2005~2010年期間,湘江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值有所上升,水域ESV增加0.28億元,主要原因是受降雨量影響,2010年為湖南省豐水年,降雨量達(dá)1 639.4 mm,比常年偏多13.0%,水域面積增加637.93 hm2。2010~2018 年期間,林地,草地等大量自然用地轉(zhuǎn)化為城市建設(shè)用地,建設(shè)用地增加1 739.14 km?,湘江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值持續(xù)下降,共計2.84億元,下降幅度達(dá)5.27%(圖1)。
2.4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值空間變化分析
將1995年、2005年、2018年三期土地利用數(shù)據(jù)與格網(wǎng)進(jìn)行疊加分析,計算出每個網(wǎng)格的ESV值并按區(qū)間分類生成生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值空間分布圖(圖2)。
綜合來看,1995~2018年湘江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值空間分布格局基本保持穩(wěn)定。以圖中2018年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值空間分布為例,高值區(qū)集中成片分布在洞庭湖區(qū)以及湘江徑流區(qū);中值區(qū)廣泛分布于研究區(qū)域內(nèi)以林地為主,森林覆蓋度高地區(qū);以湘江為中心串聯(lián)的若干各低值區(qū)均是城市建設(shè)發(fā)達(dá)地區(qū),以長株潭城市群最為明顯,這與城市趨向于沿河流發(fā)展的客觀規(guī)律相統(tǒng)一。
為了進(jìn)一步反映湘江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值空間變化的情況,將研究期初與期末的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值格網(wǎng)空間分布圖進(jìn)行疊加,統(tǒng)計每個格網(wǎng)的ESV變化情況,分為上升區(qū),穩(wěn)定區(qū)和下降區(qū),得到1995~2018 年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值量空間變化圖(圖3)。
總體來看,湘江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化情況以穩(wěn)定和下降兩種為主,生態(tài)系統(tǒng)價值增加區(qū)域較少,下降區(qū)域主要集中在洞庭湖周圍以及長株潭城市群,主要由于近年來洞庭湖區(qū)域雖施行退湖還田措施,水域面積得到保障,但周圍城市地區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展導(dǎo)致生產(chǎn)及生活污水無法得到有效控制;尤其是三峽水庫運(yùn)行之后,洞庭湖氮,磷,高錳酸鹽酸含量增加明顯,使得洞庭湖水質(zhì)不斷惡化。
2.5 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值與土地利用類型關(guān)聯(lián)分析
本文選用灰色關(guān)聯(lián)度法計算1995~2018年期間湘江流域不同土地利用類型與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值之間的關(guān)聯(lián)程度[8-9]。將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總量設(shè)定為參考序列[X0=(X01,X01,…X0(n))];將湘江流域不同類型土地面積設(shè)定為比較序列Xi=(Xi(1), Xi(1),…Xi(k),Xi(n) [)]。其中i=1,2,…m;k=1,2,…n。在對其進(jìn)行無量綱化處理后,進(jìn)行絕對差值比較。再利用絕對差值計算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù),最終計算其灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)。公式如下:
其中ξ是分辨系數(shù),為常數(shù)。其取值范圍為(0,1),一般情況ξ?。?.1,0.5),通常取0.5。
根據(jù)上述公式計算出湘江流域1995~2018年不同土地利用類型與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)。具體結(jié)果見表4。
從整個研究期的平均關(guān)聯(lián)度來看,灰色關(guān)聯(lián)度由大到小依次為水田>林地>水域>草地>旱地>未利用地。其中水田,林地,水域在各目標(biāo)年份的平均關(guān)聯(lián)度都保持在0.8以上,表明這三者是影響研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的重要因素[10]。其中水田和林地關(guān)聯(lián)度較大,這與湘江流域土地利用類型中水田和林地占比最大相一致,此外水域在研究期限內(nèi)的平均關(guān)聯(lián)度也達(dá)到0.925,對湘江流域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值影響明顯,表明加強(qiáng)流域內(nèi)各水系的保護(hù),不斷恢復(fù)水體面積,對于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的提升有較大意義。
3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值敏感性分析
本文通過敏感性系數(shù)計算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的敏感性指數(shù)來對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能結(jié)果進(jìn)行評估[11-16],根據(jù)計算公式,將研究區(qū)的各土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值上調(diào)或下降50%,以此計算其敏感性指數(shù)。計算公式如下:
式中CS為敏感性指數(shù),i和j分別代表調(diào)整前和調(diào)整后的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值量。計算結(jié)果見表5。
由以上計算結(jié)果可知,湘江流域1995年、2000年、2005年、2010 年、2013年、2018年敏感性指數(shù)由大到小以此為林地>水域>水田>草地>旱地>未利用地,各地類的敏感性系數(shù)都小于1,說明不同用地類型生態(tài)價值系數(shù)調(diào)整前與調(diào)整后對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值影響較小,ESV對VC缺乏彈性,準(zhǔn)確度和可信度較高。
4 結(jié)束語
本文基于1995-2018年湘江流域土地利用數(shù)據(jù),采用改進(jìn)后的當(dāng)量因子法估算湘江流域六個時期生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值及其時空變化特征并深入揭示土地利用與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的時間變化和空間分布特征以及二者之間的相關(guān)性。研究得出以下結(jié)論:(1)1995~2018年湘江流域水田,水域,林地用地面積呈現(xiàn)顯著減少態(tài)勢;旱地,草地用地面積雖有所減少但變化不顯著。建設(shè)用地呈現(xiàn)顯著增加態(tài)勢。其增幅最大的用地類型是建設(shè)用地,減幅最大的用地類型是水田,其次是水域;(2)從研究期限內(nèi)湘江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值特征看,其總價值呈現(xiàn)波動下降的趨勢。在土地利用類型方面,林地和水域?qū)τ诰S持湘江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的穩(wěn)定性發(fā)揮著重要作用。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能層面,水文調(diào)節(jié),氣候調(diào)節(jié)對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值量貢獻(xiàn)居于前列;(3)從空間分布來看,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的高值區(qū)集中成片分布在洞庭湖區(qū)以及湘江徑流區(qū);中值區(qū)廣泛分布于研究區(qū)域內(nèi)以林地為主,森林覆蓋度高的地區(qū);以湘江為中心串聯(lián)的若干各低值區(qū)均是城市建設(shè)發(fā)達(dá)地區(qū),以長株潭城市群最為明顯。水田、林地和水域是影響研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的重要因素,其中水域?qū)ο娼饔虻纳鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值影響最為顯著。本文研究湘江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時空變化特征分析,加強(qiáng)流域內(nèi)各水系的保護(hù),不斷恢復(fù)水體面積,對于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的提升有較大意義,可為湘江流域生態(tài)保護(hù)政策的制定提供科學(xué)依據(jù)和理論支撐。
本研究還存在不足之處,由于數(shù)據(jù)獲取限制原因,劃分出7類土地利用類型,雖然結(jié)合湘江流域?qū)嶋H情況將水田和旱地從耕地中細(xì)分,但要得到更加精準(zhǔn)的研究結(jié)果仍需要進(jìn)一步深入細(xì)化。
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收稿日期:2022-10-15;? ? ? ? ? ? ? ? 改回日期:2022-12-22。
*基金項(xiàng)目:自然資源湖南省衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)體系建設(shè)項(xiàng)目。
*第一作者簡介:胡芳(1989-),女,碩士,測繪工程師、土地工程師;主要從事測繪地理信息在自然資源管理方面的應(yīng)用工作;E-mail:1035327840@qq.com。