基于格網(wǎng)的伏牛山區(qū)土地利用變化對生態(tài)服務價值影響研究

郭椿陽,高 尚,周伯燕,高建華,*

1 河南大學環(huán)境與規(guī)劃學院,開封 475004 2 陜西師范大學地理科學與旅游學院,西安 710119

生態(tài)系統(tǒng)服務是指人類通過生態(tài)系統(tǒng)結構、過程和功能直接或間接得到的生命支持產品和服務[1],以滿足生存、健康、福祉等多種需求[2]。聯(lián)合國千年生態(tài)系統(tǒng)評估計劃指出,全球60%的生態(tài)系統(tǒng)正在或已經退化,其中人類活動是主要誘因之一[3]。土地利用變化(Land Use Change, LUC)是人類活動作用于生態(tài)系統(tǒng)的重要方式[4],通過影響生態(tài)系統(tǒng)的格局與過程,改變著生態(tài)系統(tǒng)產品與服務的供給[5],對生態(tài)系統(tǒng)服務價值(Ecosystem Services Value, ESV)起決定性作用。隨著全球土地計劃、生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性經濟學項目計劃、生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務政府間科學政策平臺等一系列國際項目的實施,極大推動了土地利用變化與生態(tài)系統(tǒng)服務研究的融合[6],以土地利用變化為視角評估生態(tài)系統(tǒng)服務價值,已經成為全球變化研究領域的核心命題之一[7]。

目前國內外關于LUC對ESV影響研究取得了較為豐富的成果。如石龍宇等[8]將土地利用強度指數(shù)與ESV進行相關分析,Song等[9]通過彈性指數(shù)衡量LUC對ESV的影響,但此類定量研究沒有考慮不同土地利用類型及其變化對ESV的影響。又如Blumstein等[10]、Lawler等[11]、魏慧等[12]通過分析土地利用和生態(tài)系統(tǒng)服務價值的變化,研究目標區(qū)域LUC對ESV的影響。此類研究雖然彌補了上述定量研究的不足,但大多從土地利用類型的數(shù)量變化角度入手,忽略了土地利用變化與生態(tài)系統(tǒng)服務價值的空間作用關系。顯而易見,土地利用變化受自然、經濟、政策等因素的影響,具有很強的空間差異性,不同空間區(qū)位上的土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響不盡相同。而傳統(tǒng)的土地利用轉移矩陣僅能描述研究區(qū)土地利用類型和面積的變化,缺乏對土地利用變化空間屬性的考慮,因此如何從空間上解析土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務的影響,成為本文擬解決的關鍵問題。目前已有一些學者開始關注這一研究方向,如Lukas等[13]、Camacho等[14]強調在進行土地利用變化與生態(tài)系統(tǒng)服務價值研究時不能忽略空間因素的作用,但他們在研究中僅考慮了生態(tài)系統(tǒng)服務價值的空間變化,忽略了土地利用變化的空間特征,導致結果有所偏頗。Arowolo等[15]、姜憶湄等[16]、Li等[17]雖然考慮了土地利用的空間變化,但未將其與生態(tài)系統(tǒng)服務價值空間變化有機結合。土地利用變化圖譜能夠以圖譜單元來記錄土地利用變化的時空復合信息[18],對土地利用變化的空間位置和空間行為具有很好的指示性[19]；熱點分析能夠有效表達ESV的空間變化特征,因此將二者結合能夠從空間層面上較好反映LUC對ESV的影響。

伏牛山區(qū)位于我國第二階梯向第三階梯過渡帶,是我國南北地理分界線的一部分,是南水北調中線引水工程渠首所在地,是丹江口水庫最重要的水源涵養(yǎng)林區(qū),承載著極重要的生態(tài)功能。20世紀90年代以來,在快速城鎮(zhèn)化背景下,伏牛山區(qū)土地利用變化劇烈,深刻影響著區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)結構和功能。因此,研究LUC對ESV的影響對于指導伏牛山區(qū)土地資源開發(fā)利用和生態(tài)環(huán)境保護具有重要的理論意義和現(xiàn)實價值。本研究在分析伏牛山區(qū)1990—2015年土地利用變化和生態(tài)系統(tǒng)服務價值的基礎上,利用土地利用轉移矩陣、土地利用變化圖譜和ESV熱點分析工具,在格網(wǎng)尺度上探究土地利用數(shù)量變化和空間變化對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響。研究的創(chuàng)新之處在于分析不同空間區(qū)位上生態(tài)服務價值增減的主要土地利用類型及原因,為伏牛山區(qū)土地利用精準調控提供技術支撐,為提高生態(tài)服務價值提出針對性對策提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

伏牛山位于河南省西南部,屬北亞熱帶向暖溫帶的過渡帶,年均氣溫13.6—15.1℃,年均降水量700—1100 mm,是河南省境內平均海拔最高、自然生態(tài)保存完好的山區(qū)。伏牛山區(qū)是北亞熱帶山地生態(tài)環(huán)境標志地,生物資源豐富,對于維護區(qū)域生態(tài)環(huán)境有不可替代的作用。行政區(qū)劃上,伏牛山區(qū)包括三門峽的盧氏縣,洛陽的欒川縣、嵩縣、汝陽縣,南陽的淅川縣、西峽縣、內鄉(xiāng)縣、南召縣,平頂山的魯山縣,總面積24058 km2,總人口541萬人。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

伏牛山區(qū)1990—2015年的土地利用分類矢量圖由中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心提供(http://www.resdc.cn),解譯精度達90%以上,該系列數(shù)據(jù)將土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地以及未利用地。行政區(qū)劃數(shù)據(jù)來源于黃河下游科學數(shù)據(jù)中心(http://henu.geodata.cn)。統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于《河南省統(tǒng)計年鑒》、《中國農產品價格調查年鑒》。

2.2 研究方法

2.2.1土地利用變化測算

土地利用變化測算方法多樣,本文選取土地利用數(shù)量變化和轉移矩陣進行測度。土地利用轉矩矩陣用以描述研究初期和末期區(qū)域土地利用類型間的轉化情況,可以揭示土地利用類型之間的轉移方向和性質[20],表達式為：

(1)

式中,S為各地類面積,n為土地利用類型數(shù),i、j分別為研究初期和末期土地利用類型。

2.2.2生態(tài)系統(tǒng)服務價值測算

(1)生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估方法。ESV評估方法多樣,可概括為單位服務功能價格法和基于單位面積價值當量因子法[21]。其中當量因子法最早由Costanza等[22]學者提出,后經國內學者謝高地等人修改,得出中國的生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量[23]。由于該方法使用簡便、數(shù)據(jù)需求少、評估結果可比性高,現(xiàn)已成為評估ESV最常用的方法,被大多數(shù)學者采用。本文也選用此方法進行評估,并根據(jù)單位面積農田糧食生產的經濟價值量[24]和區(qū)域修正系數(shù)(河南省為1.39),對生態(tài)服務價值當量進行修正。最終得出伏牛山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估系數(shù)表(表1),表中建設用地價值系數(shù),主要參考趙江等[25]、張騫等[26]的研究成果。

表1 伏牛山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)表/(元 hm-2 a-1)

ESV：生態(tài)系統(tǒng)服務價值,Ecosystem Service Value

生態(tài)系統(tǒng)服務價值計算公式如下：

(2)

式中,ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務價值,Ak是土地利用類型k的面積,VCk是生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù),ESVf為第f項生態(tài)系統(tǒng)服務價值,VCfk是第k種土地利用類型第f項服務價值系數(shù)。

(2)生態(tài)系統(tǒng)服務價值熱點分析。熱點分析可用于探究ESV空間變化是否具有高值集聚(熱點)和低值集聚(冷點)的現(xiàn)象,以及確定高值區(qū)和低值區(qū)在空間上發(fā)生聚類的位置,公式如下[27]：

(3)

若某范圍內ESV變化量與周圍相比高出較多時,則成為具有顯著統(tǒng)計學意義的熱點,稱為ESV增值熱點區(qū),表示生態(tài)系統(tǒng)服務價值在該區(qū)增幅較大；若某范圍內ESV變化量與周圍相比低較多時,則成為具有顯著統(tǒng)計學意義的冷點,稱為ESV損失冷點區(qū),表示生態(tài)系統(tǒng)服務價值在該區(qū)減幅較大。

2.2.3土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響測算

此項研究包含兩方面：一是土地利用數(shù)量變化對ESV的影響,二是土地利用空間變化對ESV的影響。前者的基礎數(shù)據(jù)為土地利用轉移矩陣,據(jù)此計算得到ESV轉移矩陣。后者的基礎數(shù)據(jù)為土地利用變化圖譜和ESV變化熱點圖,通過二者的疊加探究空間維度下LUC對ESV的影響。其中LUC對ESV的影響程度通過貢獻率這一指標來衡量,公式如下：

(4)

式中,ρ為貢獻率,ESVo為各土地利用類型變化所導致的生態(tài)系統(tǒng)服務價值增(減)量,ΔESV為所有土地利用變化導致的生態(tài)系統(tǒng)服務價值總增(減)量。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化分析

3.1.1土地利用數(shù)量變化分析

對土地利用數(shù)據(jù)中各地類面積進行統(tǒng)計,得到伏牛山區(qū)各地類面積(表2)。從用地結構看,伏牛山區(qū)最主要的地類是林地,占整個研究區(qū)域的56.43%,其次是耕地,占28.17%。從用地變化看,以建設用地、耕地、草地的變化為主,其中建設用地大幅增加,面積擴大22101 hm2；耕地和草地大幅度下降,面積分別減少12505、12376 hm2。造成這種變化的原因主要有兩個：一是隨著20世紀90年代以來我國經濟的迅速發(fā)展,伏牛山區(qū)為了發(fā)展經濟、提升城鎮(zhèn)化水平,城鎮(zhèn)建設用地和農村居民點用地迅速擴張并占用大量耕地、草地等生態(tài)用地。二是受退耕還林政策影響,伏牛山區(qū)一部分坡度較大的耕地轉移為林地。

3.1.2土地利用轉移分析

運用ArcGIS的分析工具得到1990—2015年土地利用轉移矩陣(表3)。伏牛山區(qū)土地利用轉移主要特點如下：(1)耕地轉入與轉出面積最多,分別為38021.95、50580.69 hm2,其中主要轉入源為草地、林地和建設用地,主要轉出源為建設用地。(2)建設用地轉入轉出面積不大,但轉入面積與轉出面積相差最多,其中轉入面積32435.00 hm2,轉出面積10343.77 hm2,二者相差22091.23 hm2,建設用地的主要轉入源為耕地,主要轉出源也為耕地,說明伏牛山區(qū)建設用地與耕地的置換規(guī)模、建設用地對耕地的占用面積都較大。

表2 1990—2015年伏牛山區(qū)土地利用類型面積和生態(tài)系統(tǒng)服務價值

表3 1990—2015年伏牛山區(qū)土地利用和生態(tài)系統(tǒng)服務價值轉移矩陣

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值分析

3.2.1生態(tài)系統(tǒng)服務價值測度

根據(jù)伏牛山區(qū)土地利用數(shù)據(jù)和表1,得ESV變化表(表2,表4)。結果表明,研究期內伏牛山區(qū)ESV呈波動下降趨勢,25年間下降了10.85億元。

從不同土地利用類型的生態(tài)價值上看(表2),林地價值最高,占總價值量的77.97%；其次是耕地、水域、草地,分別占總價值量的10.94%、6.80%、5.68%；未利用地的價值近乎為0；建設用地的價值量為負值,是唯一具有負向生態(tài)效應的地類。研究期內,不同地類的ESV表現(xiàn)出不同的變化特征。其中建設用地ESV減少了8.33億元,減幅最大,主要由于建設用地快速擴張導致；水域ESV增加了1億元,增幅最大,主要是由于南水北調中線工程建設使水域面積增加所致。

從不同服務功能的生態(tài)價值上看(表4),調節(jié)服務價值最高,占總價值量的50.24%,其次為支持服務、供給服務和文化服務,分別占29.67%、11.62%、7.09%。研究期內這四項服務的價值有不同程度減少,其中調節(jié)服務減少最多,為9.28億元,文化服務減少最少,為0.08億元。調節(jié)服務的主要供給源為林地和水域,對于以林地為主的伏牛山區(qū)來說,調節(jié)服務在整個生態(tài)系統(tǒng)中處于優(yōu)勢地位；調節(jié)服務的損失源是建設用地,未來一定時期伏牛山區(qū)建設用地仍會繼續(xù)增加,將對調節(jié)服務造成持續(xù)的負向影響。

表4 1990—2015年伏牛山區(qū)不同服務功能的生態(tài)系統(tǒng)服務價值/億元

3.2.2生態(tài)系統(tǒng)服務價值時空分異特征

為了從更精細的角度分析伏牛山區(qū)ESV時空分異特征,本研究選擇格網(wǎng)為研究單元。參考相關研究中的格網(wǎng)構建文獻,發(fā)現(xiàn)常用的格網(wǎng)單元有500 m×500 m[28]、1 km×1 km[29]、3 km×3 km[30]、5 km×5 km[31]、10 km×10 km[32]等。為了考慮最小可塑性單元對研究結果的影響,本文比較了不同格網(wǎng)尺度下ESV時空格局特征及其差異,發(fā)現(xiàn)5 km格網(wǎng)尺度以下的分析結果總體上較為一致,能夠表達出伏牛山區(qū)ESV分布特征。考慮到圖幅限制,且為了能夠凸顯伏牛山區(qū)ESV的空間差異性,在多次調整格網(wǎng)大小后擬定3 km×3 km的格網(wǎng)為基本研究單元。

自然斷點法在數(shù)值差異相對較大處設置邊界,對相似值進行恰當分組,使各組數(shù)據(jù)之間差異最大化,能夠有效表征要素的空間分異特征[33]。據(jù)此本文在計算每個格網(wǎng)的ESV后,利用ArcGIS的重分類工具采用自然斷點法將伏牛山區(qū)ESV從低到高劃分為5個等級(一級、二級、三級、四級、五級),一級最低,五級最高,得到ESV的時空格局圖(圖1)。

圖1 1990—2015年伏牛山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值的空間分異Fig.1 Spatial differences of ESV in Funiu Mountain from 1990 to 2015

圖1可以看出,伏牛山區(qū)ESV存在著明顯的中部高、周圍低的空間分異特征,即中部海拔較高的ESV高值區(qū)(主要地類為林地、草地)和周邊地勢較為平坦的ESV低值區(qū)(主要地類為耕地和建設用地)。具體到行政區(qū)來說,欒川、嵩縣和西峽的ESV明顯高于其他區(qū)域,主要由于這些區(qū)域良好的自然生態(tài)本底,平衡了其建設用地擴張所帶來的生態(tài)系統(tǒng)服務價值量的損失；而內鄉(xiāng)、淅川和魯山ESV較低,一方面因為建設用地所占比例較大,另一方面由于其以生態(tài)價值相對較低的耕地為主。

3.2.3生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化熱點分析

為了分析伏牛山區(qū)ESV變化程度的空間分布,以上文的格網(wǎng)為單元,以ArcGIS中的熱點分析為研究工具,在所得結果中選取置信度在95%以上的具有統(tǒng)計顯著性的熱點和冷點,得到伏牛山區(qū)1990—2015年ESV變化熱點圖(圖2)。

圖2 伏牛山區(qū)1990—2015年生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化熱點區(qū)空間分布格局Fig.2 Hot spots spatial distribution pattern of ESV changes in Funiu Mountain from 1990 to 2015

從圖2可以看出：(1)1990—2000年,ESV增值熱點區(qū)和損失冷熱點區(qū)分布范圍較大,說明此期間伏牛山區(qū)ESV變化比較劇烈,且冷熱點的空間位置轉換具有明顯的對應關系。其中盧氏中部,嵩縣和汝陽北部交界地帶,西峽、內鄉(xiāng)和淅川交界地帶,以及魯山、南召和內鄉(xiāng)從1990—1995的熱點區(qū)轉換為1995—2000的冷點區(qū)；盧氏北部、欒川北部、嵩縣和汝陽南部交界地帶從冷點區(qū)轉換為熱點區(qū)。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是此期間林地和草地的相互轉換。(2)2000—2015年,ESV增值熱點區(qū)和損失冷點區(qū)分布范圍較小,比較而言ESV變化相對平緩。其中ESV增值熱點區(qū)2000—2010年主要分布于南召、魯山和淅川,2010—2015年主要分布于盧氏、欒川、魯山和淅川；ESV損失冷點區(qū)2000—2005年主要分布于欒川、西峽和淅川,2005—2015年分布于除汝陽外的各個縣域。(3)從整體來看,1990—2015年伏牛山區(qū)ESV增值熱點區(qū)主要分布在魯山和南召,冷點區(qū)主要分布在盧氏、欒川、西峽、淅川。加強冷點區(qū)縣域生態(tài)系統(tǒng)的監(jiān)測和保護,嚴格控制冷點區(qū)范圍,引導冷點區(qū)生態(tài)價值較低的地類向價值較高地類轉變,是提高伏牛山區(qū)ESV的有效途徑。

3.3 土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響

3.3.1土地利用數(shù)量變化對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響

通過土地利用轉移矩陣計算得到1990—2015年伏牛山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值轉移矩陣(表3),以此分析土地利用數(shù)量變化對ESV的影響。結果表明：建設用地轉耕地、耕地轉水域、草地轉林地是主要的生態(tài)服務增值類型,分別使ESV提高了5.10、3.95、3.70億元,對生態(tài)服務價值增加的貢獻率分別為30.44%、23.55%、22.07%；耕地轉建設用地是最主要的生態(tài)服務減值類型,使ESV減少了14.08億元,貢獻率達50.99%,林地轉耕地以及水域轉耕地也是較主要的生態(tài)服務減值類型,分別導致ESV下降3.58、3.31億元,貢獻率分別為12.97%、12.01%。

進一步分析發(fā)現(xiàn),對生態(tài)系統(tǒng)服務功能起改善作用的主要有建設用地轉耕地、耕地轉水域以及草地轉林地,共使ESV提高了16.76億元,而在對生態(tài)系統(tǒng)服務功能起降低作用的土地利用變化中,僅耕地轉建設用地就使ESV損失了14.08億元,說明耕地向建設用地的過度轉化是導致伏牛山區(qū)ESV降低的主要原因。

3.3.2土地利用空間變化對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響

將土地利用變化圖譜與ESV變化熱點圖疊加(圖3,圖中H和C分別代表熱點和冷點),對伏牛山區(qū)1990—2015年冷熱點區(qū)域土地利用變化進行分析,并根據(jù)貢獻率選取對ESV影響較大的土地利用變化類型,結果見圖4、圖5。

圖3 1990—2015年伏牛山區(qū)土地利用變化圖譜Fig.3 Geo-spectrum of land use change in Funiu Mountain from 1990 to 201512：耕地轉林地；13：耕地轉草地；14：耕地轉水域；15：耕地轉建設用地；16：耕地轉未利用地；21：林地轉耕地,23：林地轉草地；24：林地轉水域；25：林地轉建設用地；26：林地轉未利用地；31：草地轉耕地；32：草地轉林地；34：草地轉水域；35：草地轉建設用地；41：水域轉耕地；42：水域轉林地；43：水域轉草地；45：水域轉建設用地；51：建設用地轉耕地；52：建設用地轉林地；53：建設用地轉草地；54：建設用地轉水域；56：建設用地轉未利用地

圖4 1990—2000年冷熱點區(qū)域土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務價值影響Fig.4 The effect of land use change on ESV in hot spots and cold spots from 1990 to 2000H1：1990—2000年ESV變化熱點1；H2：1990—2000年ESV變化熱點2；H3：1990—2000年ESV變化熱點3；C1：1990—2000年ESV變化冷點1；C2：1990—2000年ESV變化冷點2

圖5 2000—2015年冷熱點區(qū)域土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務價值影響Fig.5 The effect of land use change on ESV in hot spots and cold spots from 2000 to 2015H1：2000—2015年ESV變化熱點1；H2：2000—2015年ESV變化熱點2；H3：2000—2015年ESV變化熱點3；H4：2000—2015年ESV變化熱點4；C1：2000—2015年ESV變化冷點1；C2：2000—2015年ESV變化冷點2；C3：2000—2015年ESV變化冷點3；C4：2000—2015年ESV變化冷點4；C5：2000—2015年ESV變化冷點5；C6：2000—2015年ESV變化冷點6；C7：2000—2015年ESV變化冷點7；C8：2000—2015年ESV變化冷點8；C9：2000—2015年ESV變化冷點9；C10：2000—2015年ESV變化冷點10

圖3、圖4表明,1990—2000年期間,主要是耕地、林地、草地和水域之間的轉移引起ESV變化。其中欒川縣、嵩縣和魯山縣主要表現(xiàn)為ESV的增加,其增加主要源于草地轉林地以及耕地轉水域；盧氏縣和淅川縣主要表現(xiàn)為ESV的減少,其減少主要源于林地轉耕地和水域轉耕地。

圖3、圖5表明,2000—2015年期間,南召縣和淅川縣ESV增加主要源于耕地轉水域,ESV減少主要源于耕地轉建設用地；盧氏縣、內鄉(xiāng)縣和西峽縣ESV增加和減少分別源于建設用地轉耕地、耕地轉建設用地；欒川縣ESV增加較少,減少較多,其減少主要源于耕地和未利用地轉建設用地；魯山縣ESV增加主要源于耕地轉林地,ESV減少主要源于耕地和草地轉建設用地；嵩縣ESV增加主要源于建設用地轉耕地,ESV減少主要源于水域轉耕地和耕地轉建設用地。

4 討論

4.1 土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務價值影響

耕地具有生產有機質、氣體調節(jié)、水源涵養(yǎng)、土壤保持、環(huán)境凈化、休閑娛樂、文化教育等生態(tài)功能,是重要的生態(tài)景觀和人類生存最重要的生產資源[34]。然而隨著城鎮(zhèn)化進程的加快,伏牛山區(qū)大面積耕地被占用而轉化為建設用地,從而導致生態(tài)服務功能減弱。研究期內,伏牛山區(qū)有117315.18 hm2的土地發(fā)生了變化,占整個研究區(qū)總面積的4.88%,耕地轉移為建設用地是最主要的土地利用變化類型,占土地利用變化總面積的23.78%。其中耕地轉移為建設用地的凈面積達到17792.19 hm2,由此導致生態(tài)系統(tǒng)服務價值下降8.98億元,占伏牛山區(qū)ESV下降總額的82.76%,是伏牛山區(qū)ESV最主要的損失源。

正如本文引言部分所述,從土地利用數(shù)量轉移的角度進行分析雖然可以從整體上把握LUC對ESV的影響,但由于土地利用變化的空間差異性,導致其所影響的生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化也表現(xiàn)出明顯的空間差異特征。倘若僅從土地數(shù)量轉移的角度考慮,易造成對整個區(qū)域實施無差別的土地利用優(yōu)化政策,不能針對性地保護和提升區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務價值。而從空間角度分析土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響,就能夠有效彌補上述不足,針對性地進行土地利用空間調控,因地制宜提高區(qū)域生態(tài)服務價值。我們通過從空間格網(wǎng)角度研究LUC對ESV的影響,發(fā)現(xiàn)伏牛山區(qū)土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務價值影響較大的空間區(qū)域主要有以下三個：

(1)嚴格控制區(qū)：城鎮(zhèn)與農村居民點建設用地區(qū)。伏牛山區(qū)是我國集中連片特困地區(qū)之一,隨著城鎮(zhèn)化的不斷推進,在該區(qū)域發(fā)展過程中,城鎮(zhèn)擴張、工業(yè)發(fā)展等不可避免侵占城鎮(zhèn)邊緣地區(qū)的農業(yè)用地和生態(tài)用地,從而造成城鎮(zhèn)邊緣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值降低。且從用地變化趨勢來看,目前城鎮(zhèn)建設用地尚處在不斷擴張過程中,故而城鎮(zhèn)邊緣區(qū)將繼續(xù)遭受嚴重的生態(tài)擾動。對于農村居民點,一方面伏牛山區(qū)人均宅基地面積普遍超標,另一方面在城鎮(zhèn)化的過程中,大量農村人口的非農轉移及生計兼業(yè)化,“空心村”現(xiàn)象比較嚴重。未來一定時期內,嚴格控制城鎮(zhèn)用地規(guī)模、存量城鎮(zhèn)建設用地的內部挖潛、將農村居民點整理與城鄉(xiāng)建設用地指標流動相結合、置換城鄉(xiāng)建設用地空間是提高伏牛山區(qū)各縣市生態(tài)服務價值的有效方法。

(2)保護強化區(qū)：庫區(qū)及退耕還林區(qū)。受南水北調中線工程施工的影響,研究期間位于淅川縣的丹江口庫區(qū)及其周圍部分耕地轉移為水域、林地,因此形成了ESV增值熱點區(qū)。雖然隨著南水北調中線工程的建成與運行,伏牛山區(qū)庫區(qū)水域、林地面積基本維持穩(wěn)定,無法通過增加水域和林地面積大幅度提高ESV。但水域是生態(tài)價值系數(shù)最高地類,林地是伏牛山區(qū)面積最大的生態(tài)用地,二者對于維護伏牛山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)功能十分重要,故此在今后的土地利用規(guī)劃中需將保護水域和林地作為重中之重。退耕還林有利于緩解水土流失、保護和改善生態(tài)環(huán)境,在研究區(qū)魯山縣坡度較高的山地實施退耕還林工程形成了ESV增值熱點區(qū)。但對于伏牛山區(qū)其他縣域,雖然也實施了退耕還林政策,但由于具體退耕地塊的規(guī)模較小、空間上較為分散、林地轉移為耕地的“對沖”以及監(jiān)管不到位的復耕等,并未形成ESV增值熱點區(qū)。對此各縣域在今后的土地利用中一方面要繼續(xù)實施2016年以來的國家新一輪的退耕還林政策,另一方面通過實施全域性的農村土地綜合整治,以補充耕地為第一原則,服務于我國糧食安全戰(zhàn)略。

(3)生態(tài)恢復區(qū)：采礦區(qū)。該區(qū)主要指伏牛山區(qū)的礦產資源開采區(qū),尤其是作為我國十六個重要的有色金屬成礦區(qū)帶之一的欒川縣,改革開放以來大力發(fā)展礦業(yè)經濟,帶來了巨大經濟效益和社會效益的同時嚴重威脅著生態(tài)環(huán)境。具體表現(xiàn)為礦區(qū)占壓土地及開采后不重視土地的治理和修復,降低了生態(tài)系統(tǒng)服務價值,形成生態(tài)脆弱敏感區(qū)和地質災害易發(fā)區(qū),給生態(tài)系統(tǒng)造成了較大程度的破壞,是需要進行生態(tài)恢復的重點區(qū)域。

土地利用變化深刻影響著生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能[35- 36]。故可以通過相應的政策調控措施來調整區(qū)域土地利用結構,有效減少對生態(tài)系統(tǒng)的破壞,進而提高生態(tài)服務價值。通過研究伏牛山土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響,我們提出以下幾點對策建議：(1)林地是伏牛山區(qū)生態(tài)用地主體,水域是生態(tài)價值系數(shù)最高地類,應加強對二者的保護,尤需加強淅川縣丹江口庫區(qū)和南水北調中線工程沿線的生態(tài)屏障建設,提高森林覆蓋率、保護水源質量。(2)各地政府管理部門應嚴格控制建設用地規(guī)模,加強對建設用地的動態(tài)監(jiān)測與預警,繼續(xù)深入開展農村居民點整治和城鄉(xiāng)建設用地增減掛鉤工作,提高建設用地的集約利用程度。(3)各縣域要繼續(xù)實施新一輪的退耕還林政策,并進行長期動態(tài)監(jiān)測,避免退耕林地的二次復耕,與此同時采取行政、經濟、法律、技術等多種手段補充耕地,有效增加耕地存量。(4)欒川縣應加大綠色礦山建設力度,有效治理由于采礦形成的巖石裸露區(qū),優(yōu)先將采礦廢棄地復墾為生態(tài)用地。

4.2 ESV估算及LUC對ESV影響方法

ESV估算方法大致分兩類,分別是基于單位服務功能價格法和基于單位面積價值當量因子法?？紤]到功能價格法輸入?yún)?shù)較多、計算過程復雜且對每種服務價值的參數(shù)標準難以統(tǒng)計[37]。而當量因子法較為直觀易用,數(shù)據(jù)需求少,特別適用于區(qū)域和全球尺度生態(tài)系統(tǒng)服務價值的評估[38]。故本文選擇當量因子法對伏牛山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行估算。在當量因子法中,本文選擇不變的生態(tài)系統(tǒng)價值系數(shù),主要基于以下兩點考慮：一是通過保持價值系數(shù)在時間上的一致,有利于生態(tài)系統(tǒng)服務價值時間序列的可比性分析；二是生態(tài)系統(tǒng)服務價值由各土地利用類型的面積和生態(tài)系統(tǒng)價值系數(shù)共同決定,保持價值系數(shù)在時間上的一致性,更能凸顯土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的作用。但由于生態(tài)系統(tǒng)的復雜性、動態(tài)性和非線性特征,當量因子法也存在一些局限[39- 40]。其一,對于同一土地利用類型的二級地類(如林地中的有林地、灌木林、疏林地等),生態(tài)服務價值系數(shù)客觀上存在一定差異。如果對土地利用類型細分,賦予與其生態(tài)功能相一致的價值系數(shù),那么評估結果將更接近現(xiàn)實。其二,生態(tài)系統(tǒng)服務價值由各土地利用類型的面積和生態(tài)服務當量共同決定,對土地利用數(shù)據(jù)的準確性要求較高。若能通過更高分辨率的遙感影像獲取數(shù)據(jù),那么將大大提高研究結果的精度。

自20世紀90年代以來,國內外眾多學者圍繞LUC對ESV的影響問題做了大量研究。但對于從空間角度分析LUC對ESV的影響,目前還未有行之有效的方法。本文嘗試將土地利用變化圖譜和ESV變化熱點結合,力圖在空間上直觀展示LUC對ESV的影響。這種半定量的方法雖不能完全刻畫LUC和ESV的空間關系,但成為探究土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務影響的一種有益嘗試。此外這種空間關系的研究可以詳細剖析微觀區(qū)域LUC對ESV的影響,為伏牛山區(qū)不同縣域提出針對性的土地利用優(yōu)化方案提供技術支撐。

5 結論

本文以我國主要的生態(tài)功能區(qū)伏牛山區(qū)為研究區(qū),從格網(wǎng)尺度分析了1990—2015年土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響,結果表明：

(1)土地利用變化方面,隨著城鎮(zhèn)化進程的加快,伏牛山區(qū)土地利用發(fā)生了顯著變化。從土地利用數(shù)量變化上看,研究期內林地、水域、建設用地和未利用地增加,其中建設用地面積增加最多,為22101 hm2；耕地、草地減少,其中耕地減少最多,為12505 hm2。從土地利用轉移上看,研究時段內各類用地轉換較為頻繁,尤以耕地和建設用地相互轉換的面積最大、范圍最廣。

(2)生態(tài)系統(tǒng)服務價值方面,林地是伏牛山區(qū)ESV的最主要構成部分,其次為耕地、水域和草地。在ESV的空間分布上,ESV高值區(qū)集中于伏牛山區(qū)中部高海拔林區(qū),低值區(qū)分布于周圍地勢比較平坦的耕地和建設用地區(qū)域；在ESV的時間變化上,研究期間除林地、水域和未利用地ESV有小幅增加外,其他用地類型的ESV均快速減少,致使生態(tài)系統(tǒng)服務總價值減少。

(3)土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務價值影響方面,土地利用數(shù)量轉移和空間變化決定了伏牛山區(qū)生態(tài)要素質和量的分布,從而影響生態(tài)系統(tǒng)服務的發(fā)展演變方向和分布格局。從土地利用數(shù)量轉移上看,研究期內伏牛山區(qū)大面積耕地轉移為建設用地,從而導致水文調節(jié)功能和廢物處理功能大幅度下降,造成ESV減少。從土地利用空間變化上看,研究期內伏牛山區(qū)丹江口庫區(qū)耕地轉移為水域與林地、魯山縣耕地轉移為林地形成了ESV增值熱點區(qū)；各縣城鎮(zhèn)邊緣區(qū)耕地轉移為建設用地以及欒川縣采礦區(qū)林地轉移為建設用地形成了ESV損失冷點區(qū)。

(4)僅從土地利用數(shù)量變化分析其對ESV的影響,掩蓋了二者的空間作用關系。本文將土地利用變化圖譜與ESV變化熱點分析相結合并展布到較小尺度的格網(wǎng)空間,可以有效反映LUC對ESV的影響,為在空間上研究LUC與ESV的相互作用提供了新的研究框架。