格網(wǎng)尺度下湖南省生態(tài)服務(wù)價(jià)值時(shí)空演變研究

黃穎，薛小同

（1.江蘇師范大學(xué) 地理測繪與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院,江蘇 徐州 2 2 1 1 1 6；2.江蘇省海安市自然資源和規(guī)劃局,江蘇 南通 226600）

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)與人類社會和諧統(tǒng)一的有效管理中介，是指人類能從生態(tài)系統(tǒng)獲得的所有惠益［1］。生態(tài)服務(wù)價(jià)值（ESV）的量化是地區(qū)生態(tài)保護(hù)措施制定的前提，也是國土空間規(guī)劃落實(shí)生態(tài)文明戰(zhàn)略的核心。在聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署主導(dǎo)下，千年生態(tài)系統(tǒng)評估計(jì)劃、全球土地計(jì)劃、國際地圈生物圈計(jì)劃等項(xiàng)目相繼實(shí)施，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究被各國政府和生態(tài)學(xué)會列為首要的重點(diǎn)生態(tài)學(xué)問題［2］。目前國內(nèi)外該研究已取得較為豐富的成果：一是基于土地利用的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評估及其動態(tài)變化研究，評估尺度從宏觀的國家、省域到微觀的城市、鄉(xiāng)村［3-6］，其中以典型功能區(qū)為主［7-9］，格網(wǎng)單元因能有效表達(dá)動態(tài)變化特征也被學(xué)者廣泛使用［10-11］；二是對某一類或幾類典型生態(tài)系統(tǒng)的價(jià)值評估及影響因素研究，現(xiàn)有案例主要集中在草地、荒漠、森林等領(lǐng)域［12-14］；三是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估模型和評價(jià)方法的開發(fā)研究，最初的單位當(dāng)量法未考慮評估過程中存在空間異質(zhì)性，之后學(xué)者結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H對其修正［15］，InVEST、USLE等國內(nèi)外模型的開發(fā)極大豐富了生態(tài)服務(wù)價(jià)值評估的機(jī)理研究［16-17］；四是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評估結(jié)果應(yīng)用研究，這類研究可助力于開展區(qū)域生態(tài)補(bǔ)償、識別生態(tài)廊道、劃定“三區(qū)三線”等實(shí)際應(yīng)用［18-20］。

基于湖南省多年土地利用變化數(shù)據(jù)，考察格網(wǎng)尺度下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空演變特征，以期在生態(tài)層面為湖南省國土空間規(guī)劃編制提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

湖南省位于我國中南部、長江中游地區(qū)，是環(huán)洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)和長江經(jīng)濟(jì)帶的重要組成區(qū)域?？偯娣e21.18萬km2，共轄13個(gè)地級市、1個(gè)自治州。2019年底常住人口6918.4萬人，人均生產(chǎn)總值57540元。湖南省地貌多樣，以山地和丘陵為主，東、南、西三面環(huán)山，中部有丘崗，北部分布湖盆平原。土壤類型多樣，為湖南省農(nóng)林牧漁業(yè)生產(chǎn)提供了有利條件。植物資源豐富，森林覆蓋率達(dá)到59.57%，濕地保護(hù)率69.3%。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

湖南省2000年—2020年4期土地利用類型矢量數(shù)據(jù)來源于中國土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)庫平臺（http：//www.resdc.cn/data），解譯精度達(dá)90%以上。該系列數(shù)據(jù)基于全國土地利用遙感監(jiān)測分類體系，將土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地及未利用地6大類。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用變化測度

土地利用具有空間區(qū)位的固定性及獨(dú)特性，因此只有對不同類型的土地利用變化進(jìn)行定位、定量化的測算分析，才能深入認(rèn)識研究區(qū)土地利用時(shí)空結(jié)構(gòu)的演變程度與過程。土地利用動態(tài)度是評價(jià)土地利用類型數(shù)量變化、程度變化及區(qū)域差異的指標(biāo)。公式為：

式中，Ua、Ub分別是研究初期、末期的各地類面積；T為監(jiān)測時(shí)段長度；當(dāng)T的時(shí)段設(shè)定為年時(shí)，LC為該研究區(qū)各地類面積的年變化率。

2.2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值測度

本文結(jié)合湖南省實(shí)際情況，以謝高地等制定的中國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量表為基礎(chǔ)［21］，得出區(qū)域修正系數(shù)為1.95，確定湖南省不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評估系數(shù)表（見表1），從而計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。

表1 研究區(qū)單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值價(jià)值系數(shù)Table 1 Value coefficient of the ecological service value per unit area in study area

式中，ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值（元），Ak是土地利用類型k的面積（hm2），VCk是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)（元/（hm2·a）），ESVf為第f項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值（元），VCfk是第k種土地利用類型第f項(xiàng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)（元/（hm2·a））。

2.2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化指數(shù)測度

本文采用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化指數(shù)（Ecological Services Change Index，ESCI）對生態(tài)服務(wù)價(jià)值變化進(jìn)行評估。公式為：

式中：ESCI是生態(tài)服務(wù)價(jià)值變化指數(shù)，ESCUR為最后狀態(tài)下的生態(tài)服務(wù)價(jià)值，ESHIS為初始狀態(tài)下的生態(tài)服務(wù)價(jià)值。ESCI代表生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的相對增益或減損，當(dāng)值為0 時(shí)表示生態(tài)服務(wù)沒有變化。

2.2.4 空間統(tǒng)計(jì)分析

（1）空間自相關(guān)性分析。本文采用全局空間自相關(guān)分析，描述在空間上具有一定規(guī)律性的研究對象在不同空間位置上潛在的依賴關(guān)系。一般利用Moran's I衡量生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值全局空間自相關(guān)特征。公式如下：

式中：n為空間網(wǎng)格單元數(shù)量，xi、xj分別為單元i和j的ESV值，為所有網(wǎng)格單元ESV的均值，wij是基于空間k鄰接關(guān)系建立的空間權(quán)重矩陣。

（2）生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值冷熱點(diǎn)分析。Getis-Ord Gi*可用于探究ESV空間變化是否具有冷熱點(diǎn)集聚現(xiàn)象，并確定高值區(qū)和低值區(qū)在空間上發(fā)生聚類的位置［10］。公式如下：

式中：n為空間網(wǎng)格單元數(shù)量，xi、xj分別為單元i和j的ESV值，S為單元的標(biāo)準(zhǔn)差。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用時(shí)空變化特征

對不同時(shí)期土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到湖南省各地類面積并測算其動態(tài)度（見表2）。從用地結(jié)構(gòu)看，研究區(qū)土地利用類型以林地為主，占總面積的60%以上，耕地次之，未利用地占比最小。從用地面積變化看，耕地和建設(shè)用地面積變化較大；2000 年—2010 年湖南省建設(shè)用地面積增加量最大，增加6.07 萬hm2，漲幅為0.29%，而耕地面積銳減，從613.17萬hm2減少至607.58萬hm2；2010年—2020年研究區(qū)內(nèi)建設(shè)用地面積增加23.38 萬hm2，變化率為1.10%，其次是未利用地，增加1.82 萬hm2，其余地類面積均有不同幅度的縮減，其中耕地面積減幅最大，變化率為-0.66%，草地、林地次之，水域面積減幅最小。從用地動態(tài)度看，2000 年—2010 年建設(shè)用地單一土地利用動態(tài)度最大，為2.17%，說明伴隨城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，建設(shè)用地極易受到人類活動影響；2010 年—2020 年建設(shè)用地面積波動較大，單一土地利用動態(tài)度達(dá)到6.86%。

表2 2000 年—2020 年研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)及其動態(tài)度變化Table 2 Changes of different land use types and dynamic degree from 2000 to 2020

2000 年—2020 年，耕地、林地和草地面積均不斷減少，其中林地減幅最小，耕地減幅最大，建設(shè)用地面積呈劇烈擴(kuò)張態(tài)勢。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空變化特征

3.2.1 不同土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化

2000 年—2020 年，研究區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值呈不斷下降的變化過程（見表3），由2000 年的17 774.87 億元減少至2010 年的17 767.89 億元，后銳減至2020年的17 640.52億元。20年來累計(jì)下降134.35億元，變化率為-0.76%，且減少幅度在不斷擴(kuò)大。

表3 2000 年—2020 年研究區(qū)各類土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化/億元Table 3 Ecosystem service value changes of each land use type of study area from 2000 to 2020

從不同土地利用類型的生態(tài)價(jià)值看，林地提供的價(jià)值量最多，占研究區(qū)ESV的80%以上；耕地、水域和草地次之；未利用地和建設(shè)用地對ESV的貢獻(xiàn)最小。2000 年—2010 年，未利用地ESV增加量最大，為0.21 億元；由于建設(shè)用地的大幅擴(kuò)張，其余地類面積減少，導(dǎo)致ESV貢獻(xiàn)量均有不同程度的損失。2010 年—2020 年，僅未利用地的ESV變化率呈正增長，變化率為22.86%，但價(jià)值量僅增加0.97 億元；其余地類ESV均為負(fù)增長，其中草地價(jià)值量減幅最大，減少29.58 億元；耕地ESV變化率僅為-2.28%，但其價(jià)值量減少42.21 億元。可見，建設(shè)用地與未利用地面積增加對耕地和草地等生態(tài)地類會造成負(fù)面影響，這也是造成2000 年—2020 年研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值不斷減少的根本原因。

3.2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化指數(shù)空間分布特征

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總量變化無法反映在空間上的變化?？紤]到湖南省實(shí)際情況及最小可塑性單元對研究結(jié)果的影響，本文以10 km×10 km 正方形網(wǎng)格為單元，分別制作得到2000 年—2020 年研究區(qū)ESV及其ESCI的空間分布圖（見圖1），并采用自然斷點(diǎn)法將ESV從低到高分為4個(gè)等級，一級最低，四級最高。

圖1 2000 年—2020 年研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值及其變化指數(shù)空間分布圖Fig.1 Spatial distribution of ESV and ESCI of study area from 2000 to 2020

從2000 年和2020 年ESV空間分布看，湖南省明顯存在東西部高、中間低的空間分異特征，這與研究區(qū)土地覆被類型的分布具有高度一致性。ESV較高等級的區(qū)域主要地類為林地或草地，集中于研究區(qū)西部、東北、東南部，主要分布于湘西、懷化、岳陽、株洲等地區(qū)；ESV較低等級的區(qū)域主要地類為耕地或建設(shè)用地，多位于研究區(qū)中部和北部，該區(qū)域經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)或是典型的農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)。從空間變化看，整體上ESV高值區(qū)面積在不斷萎縮，而研究區(qū)西部水域的擴(kuò)張驅(qū)使ESV極高值區(qū)的產(chǎn)生；ESV低值區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)張，建設(shè)用地的新增導(dǎo)致研究區(qū)出現(xiàn)較多連片狀ESV極低值。

從近20年湖南省ESV的損益變化看，研究區(qū)ESV增益較大的地區(qū)與水域分布較為吻合，這得益于ESV較低的土地利用類型（部分建設(shè)用地、耕地）向ESV較高的土地利用類型（如水域）轉(zhuǎn)變；ESV損耗較大的區(qū)域除東北方向分布較密集外零星分布。

3.2.3 空間自相關(guān)分析

檢驗(yàn)結(jié)果如表4，2000—2020 年3 個(gè)時(shí)期的ESV全局Moran' s I值均大于0，p值均小于0.000 1，即研究區(qū)年ESV的空間分布表現(xiàn)出較強(qiáng)的正向自相關(guān)性，在空間上具有非常顯著的聚集性。全局Moran's I由2000 年的0.472 3 減少至2010 年的0.470 1，后又增加至2020 年的0.473 2，這說明總體上研究區(qū)ESV的空間自相關(guān)性在持續(xù)增強(qiáng)，即ESV空間分布集聚性在不斷增強(qiáng)。

表4 2000 年—2020 年研究區(qū)ESV 及其變化的空間自相關(guān)性Table 4 Spatial autocorrelation of ESV and its changes of study area from 2000 to 2020

從2000 年—2020 年ESV動態(tài)變化的相關(guān)性結(jié)果看，全局Moran's I值均大于0，具有較強(qiáng)的空間集聚性，且在2010 年—2020 年間ESV變化達(dá)到最大值，為0.320 0。這表明研究區(qū)ESV動態(tài)演變過程的空間集聚程度先減弱后增強(qiáng)。2000 年—2020 年ESV動態(tài)變化的全局Moran' s I值達(dá)0.248 6，空間自相關(guān)性和集聚效應(yīng)同樣顯著。

3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化的冷熱點(diǎn)分析

為分析湖南省ESV變化程度的空間分布，本文以格網(wǎng)單元為基礎(chǔ)，利用ArcGIS熱點(diǎn)分析工具（Getis-Ord Gi*）選取置信度在90%以上的具有統(tǒng)計(jì)顯著性的熱點(diǎn)和冷點(diǎn)，得到研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化熱點(diǎn)圖（見圖2）。

圖2 2000 年—2020 年研究區(qū)ESV 變化冷熱點(diǎn)空間分布Fig.2 Spatial distribution of cold spots and hot spots of ESV changes from 2000 to 2020

2000年—2010年，ESV冷熱點(diǎn)區(qū)分布范圍較小，主要集中于湖南省東北部，這是由于部分耕地轉(zhuǎn)為水域?qū)е戮植縀SV增加或部分建設(shè)用地和未利用地?cái)U(kuò)張導(dǎo)致局部ESV減?。黄溆嗟貐^(qū)分布較為零星，分布面積比重較小。2010 年—2020 年，伴隨城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，研究區(qū)土地利用變化較為劇烈，ESV變化冷熱點(diǎn)分布與前10 年相比產(chǎn)生巨大變化。ESV增值熱點(diǎn)區(qū)分布范圍劇增，主要分布于懷化、岳陽、郴州等市，熱點(diǎn)區(qū)總面積占25.37%；ESV損失冷點(diǎn)區(qū)面積大幅攀升，主要集中于常德、永州、長沙等地，冷點(diǎn)區(qū)總面積達(dá)27.81%。從研究期整體看，ESV損失冷點(diǎn)區(qū)面積比例大于增值熱點(diǎn)，這印證了近20年來研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的不斷遞減；ESV增值熱點(diǎn)區(qū)分布呈現(xiàn)一定集聚性，耕地和草地轉(zhuǎn)為水域是驅(qū)使ESV增值的主要原因；ESV損失冷點(diǎn)區(qū)分布呈“西部少、南北多”趨勢，這主要是由于未利用地和建設(shè)用地占用水域或草地等地類導(dǎo)致局部ESV下降（見表5）。

表5 2000 年—2020 年研究區(qū)ESV 變化冷熱點(diǎn)的面積比重Table 5 Area proportion of cold spots and hot spots of ESV changes from 2000 to 2020

4 結(jié)論

本文選取2000 年—2020 年3 期土地利用數(shù)據(jù)，利用當(dāng)量因子法評估其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，分析其時(shí)空動態(tài)變化特征，以期為湖南省國土空間規(guī)劃編制和生態(tài)保護(hù)開發(fā)方面提供相關(guān)依據(jù)。主要結(jié)論如下：

1）林地是湖南省最主要的自然生態(tài)系統(tǒng)，占60%以上，其面積不斷萎縮，減幅不斷擴(kuò)大；建設(shè)用地面積持續(xù)迅猛增加，近20 年來增長1.39%。

2）2000年—2020年，研究區(qū)ESV不斷遞減，且減幅逐漸擴(kuò)大，共下降了134.35 億元。草地、耕地面積大幅萎縮，建設(shè)用地大幅擴(kuò)張是驅(qū)使研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值銳減的主要原因。

3）湖南省ESV明顯存在東西部高、中間低的空間分異特征，ESV增益較大的地區(qū)與水域分布較為吻合，ESV損耗較大的區(qū)域和建設(shè)用地、未利用地等地類分布具有空間一致性。

4）近20年各時(shí)期ESV及其變化均呈現(xiàn)較強(qiáng)的空間集聚性，且集聚程度總體上不斷遞增；時(shí)間上高值區(qū)和低值區(qū)持續(xù)擴(kuò)張，但ESV增值熱點(diǎn)區(qū)面積比例小于損失冷點(diǎn)面積。

5 討論

本文通過劃分格網(wǎng)單元，利用探索性空間統(tǒng)計(jì)分析方法能較好地刻畫出不同研究時(shí)期內(nèi)ESV的增減變化，可從空間分布視角展現(xiàn)土地利用變化對ESV的影響。就研究方法而言，單位當(dāng)量因子法因其能用經(jīng)濟(jì)學(xué)理論量化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)貨幣價(jià)值，以調(diào)節(jié)人們的經(jīng)濟(jì)行為和生態(tài)保護(hù)觀念被眾多學(xué)者認(rèn)可與采用。但由于評估結(jié)果因修正方法、數(shù)據(jù)和側(cè)重點(diǎn)差異并不完全相同，該方法目前還存在爭議。本文僅考察近20 年湖南省ESV的空間分布特征與集聚趨勢，對引起變化的社會經(jīng)濟(jì)因素并未展開進(jìn)一步有效分析，后續(xù)應(yīng)考察人類活動影響ESV的作用機(jī)制，發(fā)掘其空間關(guān)聯(lián)關(guān)系。