山水林田湖草沙一體化保護和修復工程對荊州市生態(tài)系統(tǒng)服務價值和稀缺價值的影響

摘要 以荊州市為研究區(qū)域，利用荊州市2021年相關數(shù)據(jù)計算和分析了荊州市生態(tài)系統(tǒng)服務價值（ESV）和生態(tài)系統(tǒng)服務稀缺價值（ESSV）指標，并運用地理信息圖譜、景觀格局指數(shù)、冷熱點分析法、供給和需求彈性指數(shù)等方法評估和揭示ESV和ESSV的時空異質性變化及其原因和機制。結果表明，土地利用變化主要集中于耕地轉變?yōu)榱值鼗虿莸?，未利用地轉變?yōu)樗蚧蚱渌愋停值鼗虿莸剞D變?yōu)榻ㄔO用地。各類型土地的多樣性和均衡性均提高，山水林田湖草沙一體化保護和修復工程（SLCP）的綜合治理和協(xié)調發(fā)展等措施的效果取得一定成效。ESSV在空間上呈現(xiàn)出由東部向西部遞增的分布特征，且在空間上呈現(xiàn)出明顯的聚集特征。

關鍵詞 山水林田湖草沙一體化保護和修復工程（SLCP）；生態(tài)系統(tǒng)服務價值；生態(tài)系統(tǒng)服務稀缺價值；土地利用；荊州市

中圖分類號 X171.4 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2024）18-0053-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.18.012

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Effects of Integrated Protection and Restoration Projects of Mountain，Water，F(xiàn)orest，F(xiàn)armland，Lake，Grass and Sand on Ecosystem Service Value and Scarcity Value in Jingzhou City

SHI Ming-zhu，ZHANG Jia

（School of Economics and Management，Yangtze University，Jingzhou，Hubei 434023）

Abstract Taking Jingzhou City as the research area，the ecosystem service value（ESV） and ecosystem service scarcity value（ESSV） indicators were calculated and analyzed using relevant data from Jingzhou City in 2021.Methods such as geographic information graph，landscape pattern index，cold and hot spot analysis，supply and demand elasticity index were used to evaluate and reveal the spatiotemporal heterogeneity changes of ESV and ESSV，as well as their causes and mechanisms.The results showed that land use change was mainly concentrated in the conversion of cultivated land into forest or grassland，the conversion of unused land into water bodies or other types，and the conversion of forest or grassland into construction land.The diversity and balance of various types of land had been improved，and the comprehensive management and coordinated development of the integrated protection and restoration project of mountains，rivers，forests，fields，lakes，grass and sand（SLCP） had achieved certain results.ESSV showed an increasing distribution pattern from east to west in space，and exhibited obvious clustering characteristics in space.

Key words Integrated protection and restoration project of mountains，rivers，forests，fields，lakes，grass and sand（SLCP）;Ecosystem service value;Ecosystem service scarcity value（ESSV）;Land use;Jingzhou City

作者簡介 史明珠（1990—），女，陜西安康人，碩士研究生，研究方向：農村發(fā)展。*通信作者，教授，博士，碩士生導師，從事農業(yè)企業(yè)經(jīng)營管理工作。

收稿日期 2023-11-04

生態(tài)系統(tǒng)服務（ES）是指生態(tài)系統(tǒng)為人類提供的各種直接或間接的利益，包括物質生產、調節(jié)功能、文化功能和支持功能［1］。生態(tài)系統(tǒng)服務價值（ESV）是指人類從 ES 中獲得的經(jīng)濟或社會福利的度量。生態(tài)系統(tǒng)服務稀缺價值（ESSV）是指人類對ES的需求與供給之間的差距所反映出的 ES 的稀缺程度。評估 ESV 和 ESSV，可以反映出 ES 的貢獻和緊迫性，為生態(tài)保護和修復、資源配置和政策制定提供參考依據(jù)。

山水林田湖草沙一體化保護和修復工程（SLCP）是一項重要的生態(tài)工程，旨在通過綜合治理山水林田湖草沙等生態(tài)系統(tǒng)，提高我國的生態(tài)安全和生態(tài)文明水平［2-4］。SLCP 自 2021 年啟動以來，已經(jīng)在全國范圍內實施，并取得了顯著的成效。然而，SLCP 對 ESV 和 ESSV 的影響還沒有得到充分的分析，尤其是在區(qū)域尺度上，缺乏對 SLCP 實施前后土地利用變化對 ESV 和 ESSV 影響的研究。近年來，國內外學者對ESV和ESSV的評估方法和應用進行了廣泛的研究，涉及不同的生態(tài)系統(tǒng)類型、空間尺度和時間范圍［5-10］。例如，Liu等［5］從自然資本的視角，提出了考慮供給和需求彈性的ESSV計算方法；Lara-Pulido等［6］基于生態(tài)足跡和生態(tài)系統(tǒng)服務供需比，評估了中國31個省份的ESSV及其時空變化，揭示了ESSV與人口、經(jīng)濟、資源和環(huán)境的關系；Newton等［7］利用遙感和GIS技術，分析了SLCP對黃土高原地區(qū)ESV的影響，發(fā)現(xiàn)SLCP有效提高了水源涵養(yǎng)、土壤保持和碳固定等ES的價值；Hu等［8］利用生態(tài)系統(tǒng)服務供需模型，評估了SLCP對長江流域ESV的影響，Roy［9］研究發(fā)現(xiàn)SLCP有利于提高糧食生產、水源涵養(yǎng)和生物多樣性等ES的價值。這些研究表明ESV和ESSV的評估在生態(tài)系統(tǒng)管理和政策制定中的重要作用。筆者以荊州市為研究區(qū)域，利用荊州市2021年相關數(shù)據(jù)計算和分析了荊州市ESV和ESSV指標，并運用地理信息圖譜、景觀格局指數(shù)、冷熱點分析法、供給和需求彈性指數(shù)等方法評估和揭示ESV和ESSV的時空異質性變化及其原因和機制，以期為未來的政策制定提供了理論依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

選擇荊州市作為研究區(qū)域，荊州市位于湖北省中南部，長江中游地區(qū)的重要城市，面積1.4×104 km2，人口約900萬。 荊州市具有典型的山水林田湖草沙復合生態(tài)系統(tǒng)，擁有豐富的生物多樣性和水資源。 荊州市也是山水林田湖草沙一體化保護和修復工程（SLCP）的重點實施區(qū)域之一，SLCP 是一項通過整合山水林田湖草沙等生態(tài)要素，恢復生態(tài)功能，提升生態(tài)效益的綜合性生態(tài)工程項目。

1.2 數(shù)據(jù)來源

土地覆蓋數(shù)據(jù)：來自中國科學院資源與環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心（RESDC），空間分辨率為1 000 m×1 000 m。 根據(jù)中國國家標準土地利用分類，土地覆蓋類型包括耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地。

植被狀況數(shù)據(jù)：來自歐洲空間局（ESA），空間分辨率為1 km。年度歸一化植被指數(shù)（NDVI）空間分布數(shù)據(jù)集是每年1—12月份月NDVI的最大值。氣候變化數(shù)據(jù)：來自國家氣候中心（NCC），空間分辨率為0.5°×0.5°。 年度氣溫和降水量空間分布數(shù)據(jù)集是每年1—12月份月氣溫和降水量的平均值。社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)：來自國家統(tǒng)計局和湖北省統(tǒng)計局，包括人口、GDP、農業(yè)產值、工業(yè)產值、服務業(yè)產值等指標。

1.3 處理方法

1.3.1 地理信息圖譜變化分析。運用GIS繪制地理信息圖譜，對比不同時期的土地覆蓋情況，建立土地利用變化圖譜模型，描述研究區(qū)域內土地利用類型的轉移情況，并計算土地利用變化率和空間分離度等指標，反映土地利用變化的強度和空間特征［11］。

1.3.2 景觀格局指數(shù)分析。選取斑塊密度（PD）、景觀形狀指數(shù)（LSI）、最大斑塊指數(shù)（LPI）和香農多樣性指數(shù)（SHDI）等指標［12］，通過Fragstats 4.2軟件進行分析，反映研究區(qū)域內景觀結構的時空異質性變化。

1.3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務價值（ESV）評估。采用謝高地等［1］提出的方法，根據(jù)不同土地覆蓋類型提供的不同生態(tài)系統(tǒng)服務類型，賦予相應的單位價值系數(shù)（表1），并根據(jù)不同時期的土地覆蓋面積，計算研究區(qū)域內各類生態(tài)系統(tǒng)服務的價值總量和平均量。

1.3.4 生態(tài)系統(tǒng)服務稀缺價值（ESSV）評估?；贐ryan等［2］的模型，將ESSV評估分為樸素情景（情景1）、供給彈性情景（情景2）、需求彈性情景（情景3）和供需彈性情景（情景4）。根據(jù)不同情景下供給和需求的變化，計算ESSV，分析其時空異質性變化，并運用冷熱點分析法，揭示ESSV的空間聚集程度［13］。

2 結果與分析

2.1 土地利用變化

從2021和2035年荊州市土地覆蓋類型分布（圖1）可以看出，SLCP 實施后，荊州市土地利用發(fā)生了明顯的變化，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：①耕地面積減少，林地面積增加。這是因為SLCP實施了退耕還林、退耕還草等措施，將部分低產、高坡、水土流失嚴重的耕地恢復為林地或草地，提高了植被覆蓋度和土壤保持能力［14］。

②水域面積增加，未利用地面積減少。這是因為SLCP實施了水利工程建設、濕地保護和恢復等措施，增加了水源涵養(yǎng)和水質凈化能力，同時將部分沙漠、鹽堿地等未利用地改造為水域或其他利用類型。

③建設用地面積增加，但增速放緩［15］。這是因為SLCP實施了生態(tài)限制區(qū)劃定、生態(tài)補償機制建立等措施，規(guī)范了城鎮(zhèn)化和工業(yè)化進程，控制了建設用地的無序擴張，促進了綠色發(fā)展和低碳發(fā)展。

從2021—2035年荊州市各類土地覆蓋類型的面積和變化率（表2）可以看出，SLCP實施后，耕地面積減少了6.5%，林地面積增加了7.9%，草地面積增加了7.1%，水域面積增加了8.3%，建設用地面積增加了12.5%，未利用地面積減少了12.5%。這些變化說明 SLCP 對荊州市土地利用結構產生了明顯的影響。

分析2021—2035年荊州市土地利用轉移情況發(fā)現(xiàn)，SLCP實施后，荊州市土地利用變化主要集中在以下幾個方面：①耕地轉變?yōu)榱值鼗虿莸?。這些轉變主要發(fā)生在山區(qū)和丘陵區(qū)，反映了SLCP的退耕還林、退耕還草等措施的效果［16］。②未利用地轉變?yōu)樗蚧蚱渌愋?。這些轉變主要發(fā)生在平原區(qū)和湖泊區(qū)，反映了SLCP的水利工程建設、濕地保護和恢復等措施的效果。③林地或草地轉變?yōu)榻ㄔO用地。這些轉變主要發(fā)生在城市周邊或交通干線沿線，反映了 SLCP 的生態(tài)限制區(qū)劃定、生態(tài)補償機制建立等措施的效果。

結合以上分析，并計算2021—2035年荊州市土地利用變化的空間分離度，發(fā)現(xiàn)荊州市土地利用變化空間分離度由 0.42 降至0.38，說明SLCP實施后，土地利用變化的空間分布更加均勻和合理。

2.2 景觀格局變化

從2021和2035年荊州市各類土地覆蓋類型的景觀格局指數(shù)（表3）可以看出，SLCP實施后，荊州市的景觀格局發(fā)生了明顯的變化。斑塊密度（PD）、景觀形狀指數(shù)（LSI）整體降低，最大斑塊指數(shù)（LPI）整體升高，說明景觀的破碎化程度和復雜度降低、連通性增強，景觀的完整性、規(guī)則性和穩(wěn)定性提高。其中，耕地、林地、草地和水域的PD、LSI均有所降低，LPI均有所升高，反映了SLCP的退耕還林、退耕還草、水利工程建設、濕地保護和恢復等措施的效果；建設用地和未利用地的PD、LSI、LPI均略有降低，反映了SLCP的生態(tài)限制區(qū)劃定、生態(tài)補償機制建立等措施的效果［17］。香農多樣性指數(shù)（SHDI）整體升高，則說明景觀的多樣性增加，景觀的均衡性提高；其中，所有土地覆蓋類型的SHDI均有所升高，反映了SLCP的綜合治理和協(xié)調發(fā)展等措施的效果。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務價值（ESV）變化

從2021和2035年荊州市各類生態(tài)系統(tǒng)服務類型的價值（表4）可以看出，SLCP實施后，荊州市的ESV發(fā)生了明顯的變化，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：①ESV總量增加，由2021年的2.3００×1011元增加至2035年的3.099×1011元，增長率為34.7%。這說明SLCP 對提高荊州市ES的貢獻是顯著的［18］。②ESV結構變化，由2021年的物質生產占51.30%、調節(jié)功能占35.22%、文化功能占9.78%、支持功能占3.70%變?yōu)?035年的物質生產占44.79%、調節(jié)功能占40.72%、文化功能占11.20%、支持功能占3.29%，這說明SLCP能夠促進荊州市ES的優(yōu)化和協(xié)調發(fā)展。

2.4 生態(tài)系統(tǒng)服務稀缺價值（ESSV）變化

從2021和2035年荊州市各類生態(tài)系統(tǒng)服務類型的稀缺價值（表5）可以看出，SLCP實施后，荊州市的ESSV發(fā)生了明顯的變化，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：①ESSV總量增加，由2021年的12.000×1010元增加到2035 年的15.998×1010元，增長率為33.3%;這說明SLCP實施后，人類對ES的需求增長高于供給的增長，導致ES的稀缺程度上升［19］。②ESSV結構變化，由2021年的物質生產占54.20%、調節(jié)功能占32.50%、文化功能占9.60%、支持功能占3.70%變?yōu)?035年的物質生產占46.91%、調節(jié)功能占38.60%、文化功能占11.09%、支持功能占3.40%，這說明SLCP對平衡荊州市 ES 的稀缺性是有益的［20］。

2.5 ESSV 的時空異質性變化

從2021和2035年荊州市ESSV的空間分布（圖2）可以看出，SLCP實施后，荊州市 ESSV在空間上呈現(xiàn)出由東部向西部遞增的分布特征［21］，這與

土地利用類型和人口密度有關。東部地區(qū)主要為平原區(qū)和湖泊區(qū)，土地利用類型以耕地、水域和建設用地為主，人口密度較高，ES的供給相對充足，但需求也較大，因此ESSV較低；西部地區(qū)主要為山區(qū)和丘陵區(qū)，土地利用類型以林地、草地和未利用地為主，人口密度較低，ES的供給相對不足，但需求也較小，因此 ESSV 較高。荊州市 ESSV 在空間上呈現(xiàn)出明顯的聚集特征［22］，即高值區(qū)域和低值區(qū)域相互靠近。這與SLCP的綜合治理和協(xié)調發(fā)展等措施有關，使得不同區(qū)域之間ES的供需差距縮小，ESSV的差異減小。

從2021和2035年荊州市ESSV的冷熱點分析結果（圖3）可以看出，SLCP實施后，荊州市ESSV的冷熱點數(shù)量和范圍均有所減少，說明 SLCP對降低荊州市ES的稀缺程度是有效的［23］。ESSV的冷熱點分布有所變化，說明SLCP對調整荊州市ES的稀缺格局是有影響的。其中，冷點主要分布在東部平原區(qū)和湖泊區(qū)，反映了這些區(qū)域ES的供給相對充足；熱點主要分布在西部山區(qū)和丘陵區(qū)，反映了這些區(qū)域ES的供給相對不足。

綜上所述，ESSV在空間上呈現(xiàn)出由東部向西部遞增的分布特征，與土地利用類型和人口密度有關。東部地區(qū)主要是耕地和建設用地，人口密度較高，ES需求較大，而供給較少，導致ESSV較高；西部地區(qū)主要是林地和草地，人口密度較低，ES需求較小，而供給較多，導致ESSV較低。ESSV在空間上呈現(xiàn)出明顯的聚集特征，即高值區(qū)域和低值區(qū)域相互靠近，其中，高值區(qū)域主要集中在東南部和中部沿江地帶，低值區(qū)域主要集中在西北部和南部山區(qū)。

3 結論

該研究以荊州市為研究區(qū)域，利用荊州市2021年相關數(shù)據(jù)計算和分析了荊州市ESV和ESSV指標，并運用地理信息圖譜、景觀格局指數(shù)、冷熱點分析法、供給和需求彈性指數(shù)等方法評估和揭示ESV和ESSV的時空異質性變化及其原因和機制，得出以下結論：

（1）從土地利用變化看，耕地和未利用地面積減少，林地、草地、建設用地和水域面積增加，實施SLCP對荊州市的土地利用結構產生了明顯的影響。土地利用變化主要集中于耕地轉變?yōu)榱值鼗虿莸?，未利用地轉變?yōu)樗蚧蚱渌愋?，林地或草地轉變?yōu)榻ㄔO用地。

（2）

從景觀格局變化看，耕地、林地、草地和水域的破碎化程度、復雜度降低，完整性、規(guī)則性、連通性、穩(wěn)定性提高；所有土地覆蓋類型的SHDI均有所增加，各類型土地的多樣性和均衡性均提高，SLCP的綜合治理和協(xié)調發(fā)展等措施的效果取得一定成效。

（3）從時空異質性看，ESSV在空間上呈現(xiàn)出由東部向西部遞增的分布特征，與土地利用類型和人口密度有關。東部地區(qū)主要是耕地和建設用地，人口密度較高，ES需求較大，而供給較少，導致ESSV較高；西部地區(qū)主要是林地和草地，人口密度較低，ES需求較小，而供給較多，導致ESSV較低。ESSV在空間上呈現(xiàn)出明顯的聚集特征，即高值區(qū)域和低值區(qū)域相互靠近，其中，高值區(qū)域主要集中在東南部和中部沿江地帶，低值區(qū)域主要集中在西北部和南部山區(qū)。

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