郭椿陽(yáng),高 尚,周伯燕,高建華,*

1 河南大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院,開(kāi)封 475004 2 陜西師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院,西安 710119

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指人類(lèi)通過(guò)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、過(guò)程和功能直接或間接得到的生命支持產(chǎn)品和服務(wù)[1],以滿(mǎn)足生存、健康、福祉等多種需求[2]。聯(lián)合國(guó)千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估計(jì)劃指出,全球60%的生態(tài)系統(tǒng)正在或已經(jīng)退化,其中人類(lèi)活動(dòng)是主要誘因之一[3]。土地利用變化(Land Use Change, LUC)是人類(lèi)活動(dòng)作用于生態(tài)系統(tǒng)的重要方式[4],通過(guò)影響生態(tài)系統(tǒng)的格局與過(guò)程,改變著生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)品與服務(wù)的供給[5],對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(Ecosystem Services Value, ESV)起決定性作用。隨著全球土地計(jì)劃、生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性經(jīng)濟(jì)學(xué)項(xiàng)目計(jì)劃、生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)政府間科學(xué)政策平臺(tái)等一系列國(guó)際項(xiàng)目的實(shí)施,極大推動(dòng)了土地利用變化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究的融合[6],以土地利用變化為視角評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,已經(jīng)成為全球變化研究領(lǐng)域的核心命題之一[7]。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于LUC對(duì)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(qiáng)度指數(shù)與ESV進(jìn)行相關(guān)分析,Song等[9]通過(guò)彈性指數(shù)衡量LUC對(duì)ESV的影響,但此類(lèi)定量研究沒(méi)有考慮不同土地利用類(lèi)型及其變化對(duì)ESV的影響。又如Blumstein等[10]、Lawler等[11]、魏慧等[12]通過(guò)分析土地利用和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化,研究目標(biāo)區(qū)域LUC對(duì)ESV的影響。此類(lèi)研究雖然彌補(bǔ)了上述定量研究的不足,但大多從土地利用類(lèi)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(wù)價(jià)值的空間作用關(guān)系。顯而易見(jiàn),土地利用變化受自然、經(jīng)濟(jì)、政策等因素的影響,具有很強(qiáng)的空間差異性,不同空間區(qū)位上的土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響不盡相同。而傳統(tǒng)的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣僅能描述研究區(qū)土地利用類(lèi)型和面積的變化,缺乏對(duì)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(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響,成為本文擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題。目前已有一些學(xué)者開(kāi)始關(guān)注這一研究方向,如Lukas等[13]、Camacho等[14]強(qiáng)調(diào)在進(jìn)行土地利用變化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值研究時(shí)不能忽略空間因素的作用,但他們?cè)谘芯恐袃H考慮了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的空間變化,忽略了土地利用變化的空間特征,導(dǎo)致結(jié)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(wù)價(jià)值空間變化有機(jī)結(jié)合。土地利用變化圖譜能夠以圖譜單元來(lái)記錄土地利用變化的時(shí)空復(fù)合信息[18],對(duì)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(diǎn)分析能夠有效表達(dá)ESV的空間變化特征,因此將二者結(jié)合能夠從空間層面上較好反映LUC對(duì)ESV的影響。

伏牛山區(qū)位于我國(guó)第二階梯向第三階梯過(guò)渡帶,是我國(guó)南北地理分界線的一部分,是南水北調(diào)中線引水工程渠首所在地,是丹江口水庫(kù)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(jì)90年代以來(lái),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(jié)構(gòu)和功能。因此,研究LUC對(duì)ESV的影響對(duì)于指導(dǎo)伏牛山區(qū)土地資源開(kāi)發(fā)利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)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(wù)價(jià)值的基礎(chǔ)上,利用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、土地利用變化圖譜和ESV熱點(diǎn)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(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)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(wù)價(jià)值增減的主要土地利用類(lèi)型及原因,為伏牛山區(qū)土地利用精準(zhǔn)調(diào)控提供技術(shù)支撐,為提高生態(tài)服務(wù)價(jià)值提出針對(duì)性對(duì)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(guò)渡帶,年均氣溫13.6—15.1℃,年均降水量700—1100 mm,是河南省境內(nèi)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(biāo)志地,生物資源豐富,對(duì)于維護(hù)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(mén)峽的盧氏縣,洛陽(yáng)的欒川縣、嵩縣、汝陽(yáng)縣,南陽(yáng)的淅川縣、西峽縣、內(nèi)鄉(xiāng)縣、南召縣,平頂山的魯山縣,總面積24058 km2,總?cè)丝?41萬(wàn)人。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

伏牛山區(qū)1990—2015年的土地利用分類(lèi)矢量圖由中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供(http://www.resdc.cn),解譯精度達(dá)90%以上,該系列數(shù)據(jù)將土地利用類(lèi)型劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地以及未利用地。行政區(qū)劃數(shù)據(jù)來(lái)源于黃河下游科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://henu.geodata.cn)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于《河南省統(tǒng)計(jì)年鑒》、《中國(guó)農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格調(diào)查年鑒》。

2.2 研究方法

2.2.1土地利用變化測(cè)算

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

(1)

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

2.2.2生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值測(cè)算

(1)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估方法。ESV評(píng)估方法多樣,可概括為單位服務(wù)功能價(jià)格法和基于單位面積價(jià)值當(dāng)量因子法[21]。其中當(dāng)量因子法最早由Costanza等[22]學(xué)者提出,后經(jīng)國(guó)內(nèi)學(xué)者謝高地等人修改,得出中國(guó)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量[23]。由于該方法使用簡(jiǎn)便、數(shù)據(jù)需求少、評(píng)估結(jié)果可比性高,現(xiàn)已成為評(píng)估ESV最常用的方法,被大多數(shù)學(xué)者采用。本文也選用此方法進(jìn)行評(píng)估,并根據(jù)單位面積農(nóng)田糧食生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值量[24]和區(qū)域修正系數(shù)(河南省為1.39),對(duì)生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量進(jìn)行修正。最終得出伏牛山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估系數(shù)表(表1),表中建設(shè)用地價(jià)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(wù)價(jià)值系數(shù)表/(元 hm-2 a-1)

ESV：生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,Ecosystem Service Value

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值計(jì)算公式如下：

(2)

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

(2)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值熱點(diǎn)分析。熱點(diǎn)分析可用于探究ESV空間變化是否具有高值集聚(熱點(diǎn))和低值集聚(冷點(diǎn))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(lèi)的位置,公式如下[27]：

(3)

若某范圍內(nèi)ESV變化量與周?chē)啾雀叱鲚^多時(shí),則成為具有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的熱點(diǎn),稱(chēng)為ESV增值熱點(diǎn)區(qū),表示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在該區(qū)增幅較大；若某范圍內(nèi)ESV變化量與周?chē)啾鹊洼^多時(shí),則成為具有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的冷點(diǎn),稱(chēng)為ESV損失冷點(diǎn)區(qū),表示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在該區(qū)減幅較大。

2.2.3土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響測(cè)算

此項(xiàng)研究包含兩方面：一是土地利用數(shù)量變化對(duì)ESV的影響,二是土地利用空間變化對(duì)ESV的影響。前者的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為土地利用轉(zhuǎn)移矩陣,據(jù)此計(jì)算得到ESV轉(zhuǎn)移矩陣。后者的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為土地利用變化圖譜和ESV變化熱點(diǎn)圖,通過(guò)二者的疊加探究空間維度下LUC對(duì)ESV的影響。其中LUC對(duì)ESV的影響程度通過(guò)貢獻(xiàn)率這一指標(biāo)來(lái)衡量,公式如下：

(4)

式中,ρ為貢獻(xiàn)率,ESVo為各土地利用類(lèi)型變化所導(dǎo)致的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值增(減)量,ΔESV為所有土地利用變化導(dǎo)致的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總增(減)量。

3 結(jié)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(duì)土地利用數(shù)據(jù)中各地類(lèi)面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì),得到伏牛山區(qū)各地類(lèi)面積(表2)。從用地結(jié)構(gòu)看,伏牛山區(qū)最主要的地類(lèi)是林地,占整個(gè)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(shè)用地、耕地、草地的變化為主,其中建設(shè)用地大幅增加,面積擴(kuò)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(gè)：一是隨著20世紀(jì)90年代以來(lái)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,伏牛山區(qū)為了發(fā)展經(jīng)濟(jì)、提升城鎮(zhèn)化水平,城鎮(zhèn)建設(shè)用地和農(nóng)村居民點(diǎn)用地迅速擴(kuò)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(zhuǎn)移為林地。

3.1.2土地利用轉(zhuǎn)移分析

運(yùn)用ArcGIS的分析工具得到1990—2015年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(表3)。伏牛山區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移主要特點(diǎn)如下：(1)耕地轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出面積最多,分別為38021.95、50580.69 hm2,其中主要轉(zhuǎn)入源為草地、林地和建設(shè)用地,主要轉(zhuǎn)出源為建設(shè)用地。(2)建設(shè)用地轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出面積不大,但轉(zhuǎn)入面積與轉(zhuǎn)出面積相差最多,其中轉(zhuǎn)入面積32435.00 hm2,轉(zhuǎn)出面積10343.77 hm2,二者相差22091.23 hm2,建設(shè)用地的主要轉(zhuǎn)入源為耕地,主要轉(zhuǎn)出源也為耕地,說(shuō)明伏牛山區(qū)建設(shè)用地與耕地的置換規(guī)模、建設(shè)用地對(duì)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(lèi)型面積和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值

表3 1990—2015年伏牛山區(qū)土地利用和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值轉(zhuǎn)移矩陣

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值分析

3.2.1生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值測(cè)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(jié)果表明,研究期內(nèi)伏牛山區(qū)ESV呈波動(dòng)下降趨勢(shì),25年間下降了10.85億元。

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

從不同服務(wù)功能的生態(tài)價(jià)值上看(表4),調(diào)節(jié)服務(wù)價(jià)值最高,占總價(jià)值量的50.24%,其次為支持服務(wù)、供給服務(wù)和文化服務(wù),分別占29.67%、11.62%、7.09%。研究期內(nèi)這四項(xiàng)服務(wù)的價(jià)值有不同程度減少,其中調(diào)節(jié)服務(wù)減少最多,為9.28億元,文化服務(wù)減少最少,為0.08億元。調(diào)節(jié)服務(wù)的主要供給源為林地和水域,對(duì)于以林地為主的伏牛山區(qū)來(lái)說(shuō),調(diào)節(jié)服務(wù)在整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中處于優(yōu)勢(shì)地位；調(diào)節(jié)服務(wù)的損失源是建設(shè)用地,未來(lái)一定時(shí)期伏牛山區(qū)建設(shè)用地仍會(huì)繼續(xù)增加,將對(duì)調(diào)節(jié)服務(wù)造成持續(xù)的負(fù)向影響。

表4 1990—2015年伏牛山區(qū)不同服務(wù)功能的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值/億元

3.2.2生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空分異特征

為了從更精細(xì)的角度分析伏牛山區(qū)ESV時(shí)空分異特征,本研究選擇格網(wǎng)為研究單元。參考相關(guān)研究中的格網(wǎng)構(gòu)建文獻(xiàn),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(duì)研究結(jié)果的影響,本文比較了不同格網(wǎng)尺度下ESV時(shí)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(jié)果總體上較為一致,能夠表達(dá)出伏牛山區(qū)ESV分布特征?？紤]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(diào)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(diǎn)法在數(shù)值差異相對(duì)較大處設(shè)置邊界,對(duì)相似值進(jìn)行恰當(dāng)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(jì)算每個(gè)格網(wǎng)的ESV后,利用ArcGIS的重分類(lèi)工具采用自然斷點(diǎn)法將伏牛山區(qū)ESV從低到高劃分為5個(gè)等級(jí)(一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)、五級(jí)),一級(jí)最低,五級(jí)最高,得到ESV的時(shí)空格局圖(圖1)。

圖1 1990—2015年伏牛山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)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?chē)偷目臻g分異特征,即中部海拔較高的ESV高值區(qū)(主要地類(lèi)為林地、草地)和周邊地勢(shì)較為平坦的ESV低值區(qū)(主要地類(lèi)為耕地和建設(shè)用地)。具體到行政區(qū)來(lái)說(shuō),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(shè)用地?cái)U(kuò)張所帶來(lái)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量的損失；而內(nèi)鄉(xiāng)、淅川和魯山ESV較低,一方面因?yàn)榻ㄔO(shè)用地所占比例較大,另一方面由于其以生態(tài)價(jià)值相對(duì)較低的耕地為主。

3.2.3生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化熱點(diǎn)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(diǎn)分析為研究工具,在所得結(jié)果中選取置信度在95%以上的具有統(tǒng)計(jì)顯著性的熱點(diǎn)和冷點(diǎn),得到伏牛山區(qū)1990—2015年ESV變化熱點(diǎn)圖(圖2)。

圖2 伏牛山區(qū)1990—2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化熱點(diǎn)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(diǎn)區(qū)和損失冷熱點(diǎn)區(qū)分布范圍較大,說(shuō)明此期間伏牛山區(qū)ESV變化比較劇烈,且冷熱點(diǎn)的空間位置轉(zhuǎn)換具有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。其中盧氏中部,嵩縣和汝陽(yáng)北部交界地帶,西峽、內(nèi)鄉(xiāng)和淅川交界地帶,以及魯山、南召和內(nèi)鄉(xiāng)從1990—1995的熱點(diǎn)區(qū)轉(zhuǎn)換為1995—2000的冷點(diǎn)區(qū)；盧氏北部、欒川北部、嵩縣和汝陽(yáng)南部交界地帶從冷點(diǎn)區(qū)轉(zhuǎn)換為熱點(diǎn)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(zhuǎn)換。(2)2000—2015年,ESV增值熱點(diǎn)區(qū)和損失冷點(diǎn)區(qū)分布范圍較小,比較而言ESV變化相對(duì)平緩。其中ESV增值熱點(diǎn)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(diǎn)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(yáng)外的各個(gè)縣域。(3)從整體來(lái)看,1990—2015年伏牛山區(qū)ESV增值熱點(diǎn)區(qū)主要分布在魯山和南召,冷點(diǎn)區(qū)主要分布在盧氏、欒川、西峽、淅川。加強(qiáng)冷點(diǎn)區(qū)縣域生態(tài)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和保護(hù),嚴(yán)格控制冷點(diǎn)區(qū)范圍,引導(dǎo)冷點(diǎn)區(qū)生態(tài)價(jià)值較低的地類(lèi)向價(jià)值較高地類(lèi)轉(zhuǎn)變,是提高伏牛山區(qū)ESV的有效途徑。

3.3 土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響

3.3.1土地利用數(shù)量變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響

通過(guò)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣計(jì)算得到1990—2015年伏牛山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值轉(zhuǎn)移矩陣(表3),以此分析土地利用數(shù)量變化對(duì)ESV的影響。結(jié)果表明：建設(shè)用地轉(zhuǎn)耕地、耕地轉(zhuǎn)水域、草地轉(zhuǎn)林地是主要的生態(tài)服務(wù)增值類(lèi)型,分別使ESV提高了5.10、3.95、3.70億元,對(duì)生態(tài)服務(wù)價(jià)值增加的貢獻(xiàn)率分別為30.44%、23.55%、22.07%；耕地轉(zhuǎn)建設(shè)用地是最主要的生態(tài)服務(wù)減值類(lèi)型,使ESV減少了14.08億元,貢獻(xiàn)率達(dá)50.99%,林地轉(zhuǎn)耕地以及水域轉(zhuǎn)耕地也是較主要的生態(tài)服務(wù)減值類(lèi)型,分別導(dǎo)致ESV下降3.58、3.31億元,貢獻(xiàn)率分別為12.97%、12.01%。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能起改善作用的主要有建設(shè)用地轉(zhuǎn)耕地、耕地轉(zhuǎn)水域以及草地轉(zhuǎn)林地,共使ESV提高了16.76億元,而在對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能起降低作用的土地利用變化中,僅耕地轉(zhuǎn)建設(shè)用地就使ESV損失了14.08億元,說(shuō)明耕地向建設(shè)用地的過(guò)度轉(zhuǎn)化是導(dǎo)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(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響

將土地利用變化圖譜與ESV變化熱點(diǎn)圖疊加(圖3,圖中H和C分別代表熱點(diǎn)和冷點(diǎn)),對(duì)伏牛山區(qū)1990—2015年冷熱點(diǎn)區(qū)域土地利用變化進(jìn)行分析,并根據(jù)貢獻(xiàn)率選取對(duì)ESV影響較大的土地利用變化類(lèi)型,結(jié)果見(jiàn)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(zhuǎn)林地；13：耕地轉(zhuǎn)草地；14：耕地轉(zhuǎn)水域；15：耕地轉(zhuǎn)建設(shè)用地；16：耕地轉(zhuǎn)未利用地；21：林地轉(zhuǎn)耕地,23：林地轉(zhuǎn)草地；24：林地轉(zhuǎn)水域；25：林地轉(zhuǎn)建設(shè)用地；26：林地轉(zhuǎn)未利用地；31：草地轉(zhuǎn)耕地；32：草地轉(zhuǎn)林地；34：草地轉(zhuǎn)水域；35：草地轉(zhuǎn)建設(shè)用地；41：水域轉(zhuǎn)耕地；42：水域轉(zhuǎn)林地；43：水域轉(zhuǎn)草地；45：水域轉(zhuǎn)建設(shè)用地；51：建設(shè)用地轉(zhuǎn)耕地；52：建設(shè)用地轉(zhuǎn)林地；53：建設(shè)用地轉(zhuǎn)草地；54：建設(shè)用地轉(zhuǎn)水域；56：建設(shè)用地轉(zhuǎn)未利用地

圖4 1990—2000年冷熱點(diǎn)區(qū)域土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)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(diǎn)1；H2：1990—2000年ESV變化熱點(diǎn)2；H3：1990—2000年ESV變化熱點(diǎn)3；C1：1990—2000年ESV變化冷點(diǎn)1；C2：1990—2000年ESV變化冷點(diǎn)2

圖5 2000—2015年冷熱點(diǎn)區(qū)域土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)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(diǎn)1；H2：2000—2015年ESV變化熱點(diǎn)2；H3：2000—2015年ESV變化熱點(diǎn)3；H4：2000—2015年ESV變化熱點(diǎn)4；C1：2000—2015年ESV變化冷點(diǎn)1；C2：2000—2015年ESV變化冷點(diǎn)2；C3：2000—2015年ESV變化冷點(diǎn)3；C4：2000—2015年ESV變化冷點(diǎn)4；C5：2000—2015年ESV變化冷點(diǎn)5；C6：2000—2015年ESV變化冷點(diǎn)6；C7：2000—2015年ESV變化冷點(diǎn)7；C8：2000—2015年ESV變化冷點(diǎn)8；C9：2000—2015年ESV變化冷點(diǎn)9；C10：2000—2015年ESV變化冷點(diǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)林地以及耕地轉(zhuǎn)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(zhuǎn)耕地和水域轉(zhuǎn)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(zhuǎn)水域,ESV減少主要源于耕地轉(zhuǎn)建設(shè)用地；盧氏縣、內(nèi)鄉(xiāng)縣和西峽縣ESV增加和減少分別源于建設(shè)用地轉(zhuǎn)耕地、耕地轉(zhuǎn)建設(shè)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(zhuǎn)建設(shè)用地；魯山縣ESV增加主要源于耕地轉(zhuǎn)林地,ESV減少主要源于耕地和草地轉(zhuǎn)建設(shè)用地；嵩縣ESV增加主要源于建設(shè)用地轉(zhuǎn)耕地,ESV減少主要源于水域轉(zhuǎn)耕地和耕地轉(zhuǎn)建設(shè)用地。

4 討論

4.1 土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值影響

耕地具有生產(chǎn)有機(jī)質(zhì)、氣體調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)、土壤保持、環(huán)境凈化、休閑娛樂(lè)、文化教育等生態(tài)功能,是重要的生態(tài)景觀和人類(lèi)生存最重要的生產(chǎn)資源[34]。然而隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快,伏牛山區(qū)大面積耕地被占用而轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地,從而導(dǎo)致生態(tài)服務(wù)功能減弱。研究期內(nèi),伏牛山區(qū)有117315.18 hm2的土地發(fā)生了變化,占整個(gè)研究區(qū)總面積的4.88%,耕地轉(zhuǎn)移為建設(shè)用地是最主要的土地利用變化類(lèi)型,占土地利用變化總面積的23.78%。其中耕地轉(zhuǎn)移為建設(shè)用地的凈面積達(dá)到17792.19 hm2,由此導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)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(zhuǎn)移的角度進(jìn)行分析雖然可以從整體上把握LUC對(duì)ESV的影響,但由于土地利用變化的空間差異性,導(dǎo)致其所影響的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化也表現(xiàn)出明顯的空間差異特征。倘若僅從土地?cái)?shù)量轉(zhuǎn)移的角度考慮,易造成對(duì)整個(gè)區(qū)域?qū)嵤o(wú)差別的土地利用優(yōu)化政策,不能針對(duì)性地保護(hù)和提升區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。而從空間角度分析土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響,就能夠有效彌補(bǔ)上述不足,針對(duì)性地進(jìn)行土地利用空間調(diào)控,因地制宜提高區(qū)域生態(tài)服務(wù)價(jià)值。我們通過(guò)從空間格網(wǎng)角度研究LUC對(duì)ESV的影響,發(fā)現(xiàn)伏牛山區(qū)土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值影響較大的空間區(qū)域主要有以下三個(gè)：

(1)嚴(yán)格控制區(qū)：城鎮(zhèn)與農(nóng)村居民點(diǎn)建設(shè)用地區(qū)。伏牛山區(qū)是我國(guó)集中連片特困地區(qū)之一,隨著城鎮(zhèn)化的不斷推進(jìn),在該區(qū)域發(fā)展過(guò)程中,城鎮(zhèn)擴(kuò)張、工業(yè)發(fā)展等不可避免侵占城鎮(zhèn)邊緣地區(qū)的農(nóng)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(wù)價(jià)值降低。且從用地變化趨勢(shì)來(lái)看,目前城鎮(zhèn)建設(shè)用地尚處在不斷擴(kuò)張過(guò)程中,故而城鎮(zhèn)邊緣區(qū)將繼續(xù)遭受?chē)?yán)重的生態(tài)擾動(dòng)。對(duì)于農(nóng)村居民點(diǎn),一方面伏牛山區(qū)人均宅基地面積普遍超標(biāo),另一方面在城鎮(zhèn)化的過(guò)程中,大量農(nóng)村人口的非農(nóng)轉(zhuǎn)移及生計(jì)兼業(yè)化,“空心村”現(xiàn)象比較嚴(yán)重。未來(lái)一定時(shí)期內(nèi),嚴(yán)格控制城鎮(zhèn)用地規(guī)模、存量城鎮(zhèn)建設(shè)用地的內(nèi)部挖潛、將農(nóng)村居民點(diǎn)整理與城鄉(xiāng)建設(shè)用地指標(biāo)流動(dòng)相結(jié)合、置換城鄉(xiāng)建設(shè)用地空間是提高伏牛山區(qū)各縣市生態(tài)服務(wù)價(jià)值的有效方法。

(2)保護(hù)強(qiáng)化區(qū)：庫(kù)區(qū)及退耕還林區(qū)。受南水北調(diào)中線工程施工的影響,研究期間位于淅川縣的丹江口庫(kù)區(qū)及其周?chē)糠指剞D(zhuǎn)移為水域、林地,因此形成了ESV增值熱點(diǎn)區(qū)。雖然隨著南水北調(diào)中線工程的建成與運(yùn)行,伏牛山區(qū)庫(kù)區(qū)水域、林地面積基本維持穩(wěn)定,無(wú)法通過(guò)增加水域和林地面積大幅度提高ESV。但水域是生態(tài)價(jià)值系數(shù)最高地類(lèi),林地是伏牛山區(qū)面積最大的生態(tài)用地,二者對(duì)于維護(hù)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(hù)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(hù)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(shí)施退耕還林工程形成了ESV增值熱點(diǎn)區(qū)。但對(duì)于伏牛山區(qū)其他縣域,雖然也實(shí)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(zhuǎn)移為耕地的“對(duì)沖”以及監(jiān)管不到位的復(fù)耕等,并未形成ESV增值熱點(diǎn)區(qū)。對(duì)此各縣域在今后的土地利用中一方面要繼續(xù)實(shí)施2016年以來(lái)的國(guó)家新一輪的退耕還林政策,另一方面通過(guò)實(shí)施全域性的農(nóng)村土地綜合整治,以補(bǔ)充耕地為第一原則,服務(wù)于我國(guó)糧食安全戰(zhàn)略。

(3)生態(tài)恢復(fù)區(qū)：采礦區(qū)。該區(qū)主要指伏牛山區(qū)的礦產(chǎn)資源開(kāi)采區(qū),尤其是作為我國(guó)十六個(gè)重要的有色金屬成礦區(qū)帶之一的欒川縣,改革開(kāi)放以來(lái)大力發(fā)展礦業(yè)經(jīng)濟(jì),帶來(lái)了巨大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的同時(shí)嚴(yán)重威脅著生態(tài)環(huán)境。具體表現(xiàn)為礦區(qū)占?jí)和恋丶伴_(kāi)采后不重視土地的治理和修復(fù),降低了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,形成生態(tài)脆弱敏感區(qū)和地質(zhì)災(zāi)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(jìn)行生態(tài)恢復(fù)的重點(diǎn)區(qū)域。

土地利用變化深刻影響著生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能[35- 36]。故可以通過(guò)相應(yīng)的政策調(diào)控措施來(lái)調(diào)整區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu),有效減少對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的破壞,進(jìn)而提高生態(tài)服務(wù)價(jià)值。通過(guò)研究伏牛山土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響,我們提出以下幾點(diǎn)對(duì)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(jià)值系數(shù)最高地類(lèi),應(yīng)加強(qiáng)對(duì)二者的保護(hù),尤需加強(qiáng)淅川縣丹江口庫(kù)區(qū)和南水北調(diào)中線工程沿線的生態(tài)屏障建設(shè),提高森林覆蓋率、保護(hù)水源質(zhì)量。(2)各地政府管理部門(mén)應(yīng)嚴(yán)格控制建設(shè)用地規(guī)模,加強(qiáng)對(duì)建設(shè)用地的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與預(yù)警,繼續(xù)深入開(kāi)展農(nóng)村居民點(diǎn)整治和城鄉(xiāng)建設(shè)用地增減掛鉤工作,提高建設(shè)用地的集約利用程度。(3)各縣域要繼續(xù)實(shí)施新一輪的退耕還林政策,并進(jìn)行長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),避免退耕林地的二次復(fù)耕,與此同時(shí)采取行政、經(jīng)濟(jì)、法律、技術(shù)等多種手段補(bǔ)充耕地,有效增加耕地存量。(4)欒川縣應(yīng)加大綠色礦山建設(shè)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(fù)墾為生態(tài)用地。

4.2 ESV估算及LUC對(duì)ESV影響方法

ESV估算方法大致分兩類(lèi),分別是基于單位服務(wù)功能價(jià)格法和基于單位面積價(jià)值當(dāng)量因子法。考慮到功能價(jià)格法輸入?yún)?shù)較多、計(jì)算過(guò)程復(fù)雜且對(duì)每種服務(wù)價(jià)值的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)難以統(tǒng)計(jì)[37]。而當(dāng)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(wù)價(jià)值的評(píng)估[38]。故本文選擇當(dāng)量因子法對(duì)伏牛山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行估算。在當(dāng)量因子法中,本文選擇不變的生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值系數(shù),主要基于以下兩點(diǎn)考慮：一是通過(guò)保持價(jià)值系數(shù)在時(shí)間上的一致,有利于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)間序列的可比性分析；二是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值由各土地利用類(lèi)型的面積和生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值系數(shù)共同決定,保持價(jià)值系數(shù)在時(shí)間上的一致性,更能凸顯土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的作用。但由于生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性、動(dòng)態(tài)性和非線性特征,當(dāng)量因子法也存在一些局限[39- 40]。其一,對(duì)于同一土地利用類(lèi)型的二級(jí)地類(lèi)(如林地中的有林地、灌木林、疏林地等),生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)客觀上存在一定差異。如果對(duì)土地利用類(lèi)型細(xì)分,賦予與其生態(tài)功能相一致的價(jià)值系數(shù),那么評(píng)估結(jié)果將更接近現(xiàn)實(shí)。其二,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值由各土地利用類(lèi)型的面積和生態(tài)服務(wù)當(dāng)量共同決定,對(duì)土地利用數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性要求較高。若能通過(guò)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(jié)果的精度。

自20世紀(jì)90年代以來(lái),國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者圍繞LUC對(duì)ESV的影響問(wèn)題做了大量研究。但對(duì)于從空間角度分析LUC對(duì)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(diǎn)結(jié)合,力圖在空間上直觀展示LUC對(duì)ESV的影響。這種半定量的方法雖不能完全刻畫(huà)LUC和ESV的空間關(guān)系,但成為探究土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)影響的一種有益嘗試。此外這種空間關(guān)系的研究可以詳細(xì)剖析微觀區(qū)域LUC對(duì)ESV的影響,為伏牛山區(qū)不同縣域提出針對(duì)性的土地利用優(yōu)化方案提供技術(shù)支撐。

5 結(jié)論

本文以我國(guó)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(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響,結(jié)果表明：

(1)土地利用變化方面,隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)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(nèi)林地、水域、建設(shè)用地和未利用地增加,其中建設(shè)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(zhuǎn)移上看,研究時(shí)段內(nèi)各類(lèi)用地轉(zhuǎn)換較為頻繁,尤以耕地和建設(shè)用地相互轉(zhuǎn)換的面積最大、范圍最廣。

(2)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值方面,林地是伏牛山區(qū)ESV的最主要構(gòu)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?chē)貏?shì)比較平坦的耕地和建設(shè)用地區(qū)域；在ESV的時(shí)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(lèi)型的ESV均快速減少,致使生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值減少。

(3)土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值影響方面,土地利用數(shù)量轉(zhuǎn)移和空間變化決定了伏牛山區(qū)生態(tài)要素質(zhì)和量的分布,從而影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的發(fā)展演變方向和分布格局。從土地利用數(shù)量轉(zhuǎn)移上看,研究期內(nèi)伏牛山區(qū)大面積耕地轉(zhuǎn)移為建設(shè)用地,從而導(dǎo)致水文調(diào)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(nèi)伏牛山區(qū)丹江口庫(kù)區(qū)耕地轉(zhuǎn)移為水域與林地、魯山縣耕地轉(zhuǎn)移為林地形成了ESV增值熱點(diǎn)區(qū)；各縣城鎮(zhèn)邊緣區(qū)耕地轉(zhuǎn)移為建設(shè)用地以及欒川縣采礦區(qū)林地轉(zhuǎn)移為建設(shè)用地形成了ESV損失冷點(diǎn)區(qū)。

(4)僅從土地利用數(shù)量變化分析其對(duì)ESV的影響,掩蓋了二者的空間作用關(guān)系。本文將土地利用變化圖譜與ESV變化熱點(diǎn)分析相結(jié)合并展布到較小尺度的格網(wǎng)空間,可以有效反映LUC對(duì)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。