生态系统服务是指人类直接或间接地从生态系统中获取的利益, 其变化决定着人类的生存环境和物质基础^[1-2]。我国学者谢高地等^[3-4]根据中国实际情况, 修订了中国二级生态系统服务价值当量表, 为我国生态系统服务价值评估工作的开展提供了重要参考^[5-7]。2005年千年生态系统评估报告(MA)中指出, 较多生态系统服务功能正在退化或者呈下降趋势, 且这种趋势可能在未来50年内仍然不能有效扭转^[8]。因此, 生态系统服务价值的定量化分析仍旧是一项重要的工作, 对保护区域环境、响应国家可持续发展的号召有着重要意义。同时, 土地可造成物质、能流等生态过程的变化以及生态系统的结构和功能的改变, 从而影响整个生态系统的稳定性^[9-12]。将生态系统服务价值与土地利用面积进行相关性分析, 有助于理解不同类型土地利用面积对生态系统服务价值的影响, 有利于研究区合理规划土地的使用, 是建立人与自然健康互利关系的重要内容。

地形是自然地理学的基础, 它与生态系统服务存在着紧密的联系^[13-14], 是影响土地利用格局、生态系统服务空间分布的重要因素。但在我国, 生态系统服务与城市化^[15-16]、社会经济^[17-18]和土地利用类型^[19-20]的关系受到较多关注, 而探讨生态系统服务价值随地形梯度变化的研究较少。在现已报道的基于地形梯度的土地利用变化和生态系统服务价值变化的研究中, 多数从高度、坡度、地形位对土地利用类型的分布进行探讨^[21-23], 也有部分利用地形起伏度对生态系统服务价值进行分析^[24-25], 但是将基于高度、坡度、坡向、地形位的多种地形因子梯度的土地利用变化和生态系统服务价值变化结合起来, 共同说明问题的研究较少。

湘西地区山地多, 海拔差异大, 地形梯度的变化因子对于土地利用格局和生态服务格局的变化影响显著, 该地社会经济发展较滞后, 环境保护与经济发展的矛盾日益突出, 因此基于地形梯度变化分析湘西地区生态系统服务价值的时空变化对于土地的合理利用与开发尤为重要和必要。本文以湘西为研究区, 基于地形梯度, 利用1990年、1995年、2000年、2005年、2010年和2015年6期土地利用的遥感分类数据, 对不同地形梯度上的生态系统服务价值进行估算, 分析其时空变化, 并结合土地利用数据进行相关性分析, 探讨研究区在地形梯度上的不同类型土地面积对生态系统服务价值的影响, 以期对该地区土地利用的合理化和区域的健康发展提供理论依据。

1 研究区概况

湘西地区位于湖南西部, 湘、鄂、渝、黔4省市边区的中心位置(108°47′~112°57′E, 25°58′~29°48′N)。该地区含邵阳市、张家界市、怀化市、娄底市和湘西自治州5市(州), 有武陵、雪峰两大山脉, 且被云贵高原环绕, 整体海拔低至50 m, 高至1 903 m。湘西地区属亚热带季风湿润气候, 且具有明显的大陆性特征, 水热同季、冬暖夏凉、四季分明, 多年平均气温在17~18 ℃范围内, 平均降水量在1 100~1 600 mm间波动。境内有沅、澧干流及其支流酉水、㵲水、渠水等水系。截至2015年底, 湘西地区居住总人口数为2 019.36万人, 占全省的29.77%。土地面积为8.17万km², 约占全省的38.57%。地区生产总值为4 897.05亿元, 占全省的16.09%。湘西地区是湖南省少数民族聚居区, 也是湖南省西部20个集中连片贫困县的主体地区, 属于传统的老、少、边、穷地区。基于国家的政策扶持, 如扶贫开发和民族地区优惠政策等为大湘西的社会经济发展提供了良好条件^[26]。

2 数据来源与研究方法 2.1 数据来源

研究采用1990年、1995年、2000年、2005年、2010年和2015年6个时段的Landsat TM/ETM遥感影像, 结合研究区域1:25万地形图、土壤和植被专题图进行分析。根据土地利用覆盖(LUCC)分类体系结合区域土地类型特征, 将分类系统分为7类(图 1), 包括耕地、林地、草地、湿地、水域、建设用地、未利用地。

2.2 生态系统服务价值评估

本文结合谢高地等^[3-4]的价值当量换算方法确定湘西地区生态系统服务价值, 将生态系统生产的净利润看作该生态系统所能提供的生产价值, 将单位面积农田生态系统粮食生产的净利润当作1个标准当量因子的生态系统服务价值量。2010年全国地均粮食产量为4 974 kg∙hm^-2, 谢高地等^[3-4]将中国2010年1个生态系统价值当量的经济价值确定为3 406.50元∙hm^-2。依据湖南省粮食产量的相关资料可知研究区内地均粮食产量为5 575.48 kg∙hm^-2, 则生态系统服务当量价值系数为1.120 9, 即湘西地区的一个生态系统服务功能当量为3 818.43元∙hm^-2。根据价值当量和各用地类型的面积得到湘西地区生态系统服务价值。

评估公式为:

$ {\rm{ES}}{{\rm{V}}_f} = \sum\limits_{i = 1}^n {({A_i} \times \mathit{V}{\mathit{C}_{\mathit{fi}}})} $

(1)

$ {\rm{ESV}} = \sum\limits_{i = 1}^n {{A_i} \times \mathit{V}{\mathit{C}_\mathit{i}}} $

(2)

式中: ESV表示研究区的生态系统的总服务价值, A_i表示研究区第i种土地利用类型的面积(hm²), VC_i表示第i种土地利用类型的生态系统服务价值系数, ESV_f表示生态系统第f项服务功能的价值, VC_fi表示研究区第i种土地利用类型的第f项生态系统服务价值系数。

2.3 地形梯度分析

生态系统服务价值是自然因素和人为因素共同影响的结果。地形位指数是复合分析海拔及坡度的地形因子, 常用于定量分析土地利用空间格局与地形梯度的关系, 计算公式如下:

$ T = \ln [(\mathit{E/}{\mathit{E}_\rm{0} + 1) }\times (\mathit{S/}{\mathit{S}_\rm{0}} + 1)] $

(3)

式中: T为地形位指数, E为某点的海拔(m), E₀为该点所在区域的平均海拔(m), S为某点的坡度(°), S₀为该点所在区域的平均坡度(°)。

本研究根据湘西地区地形分布特点, 采用分位数法(quantile)把海拔、坡度及地形位指数均分为5个等级, 将坡向分为8个等级(表 1)。对海拔、坡度、坡向、地形位指数4个方面各梯度的生态系统服务价值进行计算, 并利用6期数据进重复验证。

2.4 相关性分析

基于R语言主程序以及Hmisc扩展包进行相关性分析, 并结合Pearson相关性计算方法, 计算不同土地利用类型面积随各地形梯度变化与各梯度上总生态系统服务价值变化之间的相关性。

3 结果与分析 3.1 土地利用结构的时空变化 3.1.1 基于海拔梯度的土地利用变化

湘西地区土地利用类型在海拔梯度上存在一定差异, 随着海拔升高, 土地利用面积变化大致表现为4种类型: ①持续减少。包括耕地、建设用地、水域及湿地。其中耕地和建设用地属于人为干扰较强的土地利用类型, 易受到开发条件及居住适宜度、种植适宜度的限制。也表现出水域和湿地对海拔的适应性较差, 与许策等^[25]的研究结果一致。②持续增加。该类型主要为林地。林地受海拔限制较小, 且随着海拔上升, 人为活动干扰降低, 人工开发建设土地面积减少, 侧面加强了对高海拔林地的保护。③先减少后增加。主要为草地。草地对海拔适应性更高, 易附着生长。④波动型, 含未利用地。该类型在海拔梯度上的变化有较多波动, 特别在低海拔区域人为活动频繁, 过度开发或土地荒废均可能导致未利用地面积变大。

各海拔梯度上土地利用类型随时间变化大致如下: ①5个梯度的耕地面积都随时间的推移不断减少。②低海拔上林地面积先增加后减少, 梯度3、4上林地面积随时间变化不明显, 高海拔上林地面积先减少后增加。③不同年间草地面积波动较大, 但始末变化不大。从海拔变化上看, 湘西地区在2005年之前退耕还林政策实施的较为有效, 耕地面积减少且林地面积增加, 尤其是高海拔地区。但2005年之后, 可能因社会经济发展需求, 林地面积有所下降。同时, 湘西地区城市快速扩张主要发生在2010—2015年, 各梯度间建设用地面积均有较大增长。

3.1.2 基于坡度梯度的土地利用变化

随着坡度增大, 不同土地利用类型的面积表现出4种变化: ①持续减少。包括耕地、建设用地及水域。随着坡度增大, 多数作物及建筑物无法稳固存在。同时, 坡度的增大不利于水资源储备, 故3者有所下降。②持续增加。包括林地及草地。二者对坡度的适应性较强, 且人为活动强度随坡度的增大而降低, 有利于较大坡度上林地和草地的维持保护。③先减少后增加。主要为湿地。

各坡度梯度上土地利用类型随时间变化:林地面积在前4个梯度内整体随时间增加, 且梯度1和梯度2内林地面积在2000年达到最大值, 梯度5内面积有所下滑。草地面积在低坡度上随时间减少, 但在高坡度上随时间增加。除梯度2以外, 水域面积均随时间有所增大。建设用地在各梯度上整体均表现为随时间变化而增大, 且坡度等级越低, 增大越明显。坡度上土地利用类型的变化也反映出湘西地区城市建设的发展。

3.1.3 基于坡向梯度的土地利用变化

坡向对太阳辐射的接收和降雨会产生一定影响, 从而可能造成局部气候的差异, 由此对土地利用类型的分布造成一定限制。湘西地区内有武陵、雪峰两大山脉, 二者走向均为东北-西南。土地利用类型在不同坡向上表现不同:林地、耕地和草地是湘西地区主要土地利用类型, 各坡向梯度中占比最大的仍是林地, 约69%, 其次为耕地, 约24%, 草地约5%, 其余类型土地占比相差不多且十分微小, 约为1%。

1990—2015年间, 各土地利用类型面积变化规律明显: ①耕地和湿地在北、东北、东、西及西北方向上均减少, 而在东南、南、西南方向上增加。②林地和草地在南、西南、西方向上减少, 而在北、东北、东、东南及西北方向上均增加。③水域在北、东北及西北方向上减少, 在东、东南、南及西南方向上增加。④建设用地在各个坡向上均有较大增加, 相对变化率最高达174%。

3.1.4 基于地形位梯度的土地利用变化

湘西地区土地利用类型随地形位指数的升高呈现以下变化: ①耕地和水域面积持续减少, 与海拔梯度和坡度梯度结果相同。②林地、草地面积持续增加, 是人为影响和植被适应力共同作用的结果。③湿地面积先减少后增加。④建设用地总体表现为梯度越低, 面积越大。

1990—2015年间, 除梯度1外, 耕地面积在各梯度上均随时间增大; 各地形位梯度上的林地面积均随时间而减少; 草地在梯度1、3上有所增加, 其余梯度有所减少; 水域面积在梯度1、3、5上不断增加至最高值; 建设用地面积在各地形位梯度内均随时间有所增加。

3.2 生态系统服务价值格局的时空变化 3.2.1 生态系统服务价值在海拔梯度上的变化

1990—2015年海拔梯度上的单位面积生态系统服务价值(ESV)变化如图 2所示。由图可看出, 各年单位面积ESV的梯度变化情况较一致, 呈现出先减少后增加的变化, 在276~380 m上达到最低值, 之后单位面积ESV一直攀升, 在680~1 903 m内达到最高值。该梯度变化与草地面积随海拔梯度变化一致, 均在第2梯度出现最小值, 在湘西地区草地面积随梯度变化而变化的趋势反而比林地更显著。1990—2015年单位面积ESV在低海拔区域表现为增长, 随海拔升高增长幅度不断减少, 在高海拔区域出现单位面积ESV减少, 这可能与草地面积在高海拔地区占比不断增加而林地面积占比减少相关。海拔越低人为干扰越严重, ESV越减小。

3.2.2 生态系统服务价值在坡度梯度上的变化

湘西地区单位面积ESV在坡度梯度上表现为随坡度增大而增大(图 2), 且在0°~2.39°间变化较大。不同土地利用类型中, 水域、湿地、林地、草地的单位面积ESV较大, 耕地和未利用地较小。随着坡度增大, 林地和草地面积持续增加, 耕地面积持续减少, 单位面积ESV随坡度增加而不断升高。1990—2015年, 各个坡度梯度上的单位面积ESV均有所增长, 不同梯度的增长幅度不同。

3.2.3 生态系统服务价值在坡向梯度上的变化

1990—2015年湘西地区单位面积ESV在坡向梯度上的变化相似, 即在东南部出现单位面积ESV最低值, 在西北部出现最高值(图 2)。虽然多数土地利用类型的面积在东南方向上有所增加, 但是增加的主要是耕地及建设用地, 所以东南部整体ESV较小。在西北部上林地、草地的增加大于建设用地故整体有利于提高ESV。1990—2015年间, 各坡向上的单位面积ESV均表现为增长。其中单位面积ESV增长最多的是东部和西北部, 均增长2.08%。其次为南部增长了0.86%, 西部减少了0.26%。

3.2.4 生态系统服务价值在地形位梯度上的变化

湘西地区单位面积ESV在地形位梯度上表现为随梯度增大而增大(图 2), 且各梯度间增长较平均。即山地特征越明显, 单位面积ESV越高。1990—2015年, 地形位梯度1和梯度5上单位面积ESV有所增加, 梯度1增长4.01%, 梯度2至梯度4单位面积ESV分别减少1.02%、0.45%、0.93%, 梯度5增长0.20%。与海拔梯度和坡度梯度变化相似的是, 湘西地区单位面积ESV增长最多的地区均出现在最低地形位上, 高地形位梯度上, 人类活动强度较小, 负面影响较小, 且部分湘西地区属于退耕还林试点, 自然生态系统功能较优, 服务价值较高。

3.3 土地利用与生态系统服务价值在地形梯度上的相关性分析

将不同土地利用类型在海拔、坡度、坡向、地形位梯度上的变化情况与单位面积ESV在不同地形梯度上的变化情况进行相关性分析, 发现不同土地利用类型对单位面积ESV的影响差异显著(表 2)。林地和草地在各个地形梯度上大部分的指数变化与ESV表现出极强的正相关。在坡度梯度上, ESV的变化与耕地、林地、草地、水域和湿地的面积变化均有显著相关性。在坡向梯度上, 耕地和未利用地与ESV存在极强的负相关性, 林地面积与ESV存在极强正相关, 其余的土地利用类型与ESV相关性较差。可以看出:影响不同坡向ESV变化的主要因素是耕地、林地及未利用地。在地形位梯度上, ESV与林地、草地呈极强的正相关性, 而与耕地、水域面积呈极强的负相关性。

4 讨论与结论 4.1 讨论

本文分析了湘西地区土地利用类型在海拔、坡度、坡向及地形位指数上的变化, 计算了不同梯度上ESV的变化, 对土地利用类型与ESV的梯度变化进行了相关性分析。在梯度等级的划分上, 本文采用了分位数法(quantile), 根据湘西地区地形情况, 海拔高度主要分布在50~900 m, 坡度主要分布在0°~7.5°, 相较于分位数法, 自然断点法容易造成某一梯度内面积过小, 进而在后续操作中易造成相对较大的损失, 导致结果偏差较大。吴见等^[23]同样选取了这种分级方法。本文采用湘西地区粮食产量对谢高地等^[3-4]提出的“中国生态系统单位面积生态系统服务价值当量”进行修正, 从而刻画出研究区内ESV时空变化特征, 该方法适用于较大区域的评估, 国内有较多相似的应用^[5-7]。本文数据利用R语言进行相关性分析, 保证数据处理的可靠性和准确性, 降低人工出错几率。

研究结果显示, 土地利用分布在不同地形梯度上差异显著, 总体而言, 海拔较高、坡度较大、地形位指数较大的区域自然植被类型面积所占比例更大, 这与哈凯等^[27]、吴见等^[23]的研究结果一致。同样地, 单位面积ESV在较高海拔、较大坡度、较大地形位指数上更高, 这与许策等^[25]的研究结果相似。湘西地处武陵山区, 山地的ESV普遍比平原高^{[25, 28-29]}。ESV变化由自然和人为双重因素控制。从自然因素出发, 地形对人类活动限制较大, 导致农田和建设用地对地形的选择更为局限, 主要分布于低海拔、低坡度、低地形位指数上。从人为因素出发, 研究时段内, 我国生态环境保护意识逐渐提高, 颁布了许多相关保护政策, 湘西地区含多处退耕还林还湿工程试点, 故随时间变化, 湘西地区耕地面积明显减少, 湿地面积增加。但尽管如此, 城市建设仍在快速进行, 这体现在建设用地迅猛扩张上。此外, 本文将坡向因子也考虑在内, 以研究区内主要山脉为基础, 研究山脉不同方向上各土地利用类型和ESV的时空变化, 希望能够更全面地了解研究区情况。在此基础上, 本文还对7种土地利用类型和ESV在4种地形因子梯度上的变化进行了相关性分析, 探究对ESV随梯度变化影响较显著的土地利用类型, 结果显示林地和草地面积多与地形梯度上的ESV呈正相关关系, 增加二者的占地面积对提高湘西地区ESV有一定帮助, 这与退耕还林的工作基点相符合。

本文通过以上工作希望展示湘西地区土地利用发展的不合理之处, 为未来的建设与保护提供理论基础。未来的工作中, 在海拔、坡度、地形位指数较小的区域内, 稳定建设用地面积占比的同时应保证水域、湿地的保护建设工作, 这样有利于ESV的提高, 而地形因子较大的梯度区内由于人为活动强度较小, 负面影响易得到控制, 故林地、草地等自然生态系统的保护非常重要, 应防止过度开发, 造成水土流失甚至因地形的起伏而导致开发地废置为荒地。将自然因素与社会因素有效结合进行对ESV变化机制的分析是今后的工作重点, 应合理规划建设用地和农田、注重自然生态系统的保护, 同时应增加实地调研来进一步验证理论研究。

4.2 结论

1) 土地利用类型在地形因子的作用下表现出明显的梯度变化。耕地和建设用地主要分布在低海拔、低坡度、低地形位指数的区域, 林地与草地反之。研究区内山脉的南面和东面各类型土地面积较大。林地在不同地形因子的不同梯度上均为最主要的土地利用类型, 平均所占比例约70%, 建设用地面积在不同地形因子的不同梯度上随时间均表现为增加。

2) 研究区ESV在不同地形梯度上呈现出差异性变化。在海拔梯度上, ESV呈现出先减少后增加的变化趋势, 在276~380 m达最低值, 25年间海拔梯度越高ESV增长幅度越小, 最高海拔梯度内ESV减少。在坡度梯度上, ESV随坡度增大而增大, 25年间最小坡度上ESV增长最多。地形位梯度上ESV的变化与坡度梯度相似, 即较低地形位梯度内的ESV呈现较大增长。坡向变化中, 在东南方向上出现单位面积ESV最低值, 在西北方向上出现最高值, 25年间单位面积ESV增长最多的是东和西北方向。

3) 不同土地利用类型与ESV变化在不同梯度上的相关性有明显差异。在海拔梯度上, 草地面积与ESV呈极强正相关。在坡度梯度上, ESV与林地和草地面积呈极强正相关, 而与耕地、水域和湿地面积呈极强负相关。在坡向梯度上, 耕地和未利用地面积与ESV呈极强负相关, 林地面积与ESV呈极强正相关。在地形位梯度上, ESV与林地、草地面积呈极强正相关, 与耕地、水域面积呈极强负相关。因此, 加强对林地和草地的保护可以促进湘西地区生态系统服务价值的提高。