匡奕敩，彭羽，桑衛(wèi)國

中央民族大學生命與環(huán)境科學學院，北京 100081

生態(tài)系統(tǒng)服務是生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過程所形成及所維持的人類賴以生存的自然環(huán)境條件與效用（Boyd et al.，2007），生態(tài)系統(tǒng)服務價值特征對制定合理的生態(tài)系統(tǒng)管理目標具有重要意義，掌握生態(tài)系統(tǒng)服務功能時空演變規(guī)律是開展科學生態(tài)系統(tǒng)管理的重要前提（Le Maitre et al.，2007）。南方區(qū)域尤其自然資源豐富的民族地區(qū)處于典型的生態(tài)脆弱區(qū)，是南方山地丘陵區(qū)及長江中上游地區(qū)生態(tài)修復與保護的核心和關鍵區(qū)域。如何有效利用和保護自然資源，使南方區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務發(fā)揮最大潛力并朝著人類社會經(jīng)濟利益的方向可持續(xù)發(fā)展，是目前的關鍵所在。

近年來，生態(tài)系統(tǒng)服務價值評價研究很多，有直接市場法、間接評估法（李麗等，2018）、生態(tài)足跡法（Mancini et al.，2018）、基于遙感和FORCCHN評估（趙俊芳等，2018）、基于遙感（RS）和地理信息技術（GIS）的生態(tài)服務評價（陳鵬等，2011；王紅巖等，2012；閉馨月，2018）等。國內(nèi)外不同專家和學者分別在森林、農(nóng)田、海洋、城市區(qū)域等生態(tài)系統(tǒng)類型領域進行服務指標評估研究，取得了一定的進展。但不同的學者由于各自的認知水平不同，對生態(tài)系統(tǒng)服務評估具有一定的差異（戰(zhàn)金艷，2011）。

土地利用和土地覆蓋變化（LULC）對生態(tài)系統(tǒng)服務具有重要影響，在不同的空間和時間尺度上評估由LULC變化導致的生態(tài)系統(tǒng)服務變化將有助于確定生態(tài)系統(tǒng)服務價值和維持生態(tài)平衡管理實踐（Tripathi et al.，2019），增加土地利用價值會帶來持續(xù)的經(jīng)濟效益，對經(jīng)濟增長與生態(tài)系統(tǒng)恢復和保護有一定的協(xié)同提升作用（Hannah et al.，2019）。

本文將利用遙感和地理信息系統(tǒng)細化耕地、林地等二級土地利用類型，分析生態(tài)系統(tǒng)服務時空分布及變化情況，研究生態(tài)系統(tǒng)服務驅動力因素及生態(tài)功能提升規(guī)律。以達到更好保護生態(tài)紅線、建立以國家公園為主體的自然保護地體系，同時為生態(tài)系統(tǒng)協(xié)調(diào)管理提供決策依據(jù)，推動當?shù)剞r(nóng)村社區(qū)可持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務能力協(xié)同提升。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域

湘西位于湘、鄂、黔、渝四省市交界處，109°10′—110°22.5′E，27°44.5′—29°38′N，是湖南的西北大門，是南方山地丘陵區(qū)及長江中上游地區(qū)生態(tài)修復與保護的核心和關鍵區(qū)域，研究區(qū)域如圖1所示。湘西歷史悠久，自然資源豐富，具有典型喀斯特地貌特征（陽岳龍等，2007），森林覆蓋率達70.24%，2018年獲得“國家森林城市”稱號，有南華山國家森林公園、不二門國家森林公園等，還有峒河國家濕地公園和瀘溪武水國家濕地公園等各類自然保護區(qū) 32個；湘西民族區(qū)位優(yōu)勢，交通便利；但地域偏僻，生態(tài)環(huán)境脆弱，經(jīng)濟基礎薄弱、發(fā)展滯后，當?shù)鼐用裆鐣?jīng)濟損害、生活拮據(jù)。亟待采取有效措施進行治理，實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務能力對當?shù)丨h(huán)境、社會經(jīng)濟效益的提升。

圖1 湘西研究區(qū)域示意圖Fig. 1 Study area schematic of Xiangxi

1.2 數(shù)據(jù)來源與預處理方法

土地利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)主要來源于中國科學院資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺（數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心http://www.resdc.cn），基于Landsat遙感系列影像，通過人工目視解譯生成。其中獲取1980—2018年5個年度（1980年、1990年、2000年、2010年、2018年）湖南省地表生境空間數(shù)據(jù)，利用GIS的ActToolbox切割裁剪工具提取湘西各類型土地利用數(shù)據(jù)，如圖2所示。

查閱《湘西統(tǒng)計年鑒》，得到湘西州 1980—2018年的GDP與三產(chǎn)業(yè)增加值等社會經(jīng)濟指標，以及自然災害損失、綠地保護區(qū)面積等數(shù)據(jù)。并以湘西州1952年發(fā)展速度100為基準，對主要年份生產(chǎn)總值GDP及三產(chǎn)業(yè)增加值進行轉換。

結合在湘西吉首、古丈、鳳凰、龍山等實地考察調(diào)研，獲得湘西州氣象局、民政局相關部門數(shù)據(jù)作為補充，其中降雨量、氣溫等環(huán)境數(shù)據(jù)由湘西州氣象局提供。

1.3 研究方法

土地利用變化特別是空間變化研究與地理信息系統(tǒng)的空間分析方法密不可分（Zhu et al.，2001），依據(jù)馬爾科夫理論，土地利用轉移矩陣可全面反映區(qū)域土地利用變化結構特征與轉化方向，是研究初期1980年和末期2018年不同土地利用類型之間相互轉化關系的重要模型，公式如下：

式中，S為土地面積；n為土地利用類型數(shù)；Sij表示研究初期 i類型土地利用轉化為研究末期 j類型土地利用面積；Sii表示i類型土地利用在研究時段沒有發(fā)生變化的面積。

湘西土地利用變化直接影響到生態(tài)系統(tǒng)服務價值（ESVs）的變化，利用土地利用面積可以對生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行估算，Wang et al.（2016）細化中國不同區(qū)域不同類型的生態(tài)系統(tǒng)服務供給、調(diào)節(jié)、支持、文化功能進行價值估算，其中湘西所在的中南地區(qū)耕地的單價為10503.09 yuan·hm-2，林地為 37385.68 yuan·hm-2，草地為 15515.32 yuan·hm-2，水域為 66555.02 yuan·hm-2，未利用地為1848.01 yuan·hm-2；利用公式（1）對生態(tài)系統(tǒng)服務各年度時期的耕地、林地、草地、水域類型面積進行總價值的計算。

式中，U為生態(tài)系統(tǒng)服務功能總價值；Si為不同生態(tài)系統(tǒng)服務類型單位面積；Ai為對應Si不同類型的服務功能單位價值。

圖2 湘西五期土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)圖Fig. 2 Remote Sensing Monitoring Data Map of Land Use Status in Xiangxi Phase V

2 結果與分析

2.1 1980—2018年湘西土地利用變化及轉移矩陣分析

通過對比1980—2018年湘西州5個年度的土地利用現(xiàn)狀，可以得到4個時間段的不同土地利用類型變化情況，如圖3所示。

圖3反映4個時間段耕地、林地和水域面積先增后減，草地面積逐步減緩，而未利用地和城建用地面積逐步增加的趨勢。從圖3的不同土地利用類型面積變化分析可以看出，耕地、林地和草地面積正在逐漸減少，轉為城市建設用地。

用GIS疊加分析并整理得到的土地利用轉移矩陣，進一步反映土地面積轉移的趨勢，結果表明（表1）：1980—2018年期間，林地轉出面積2404 km2，為6種土地類型面積中轉出最大的，主要轉化為耕地、草地和城建用地；其次為耕地，轉出1999 km2，但耕地由林地轉入面積1727 km2，凈轉出73 km2，是6種類型土地面積中凈轉出最大的；再次，城建用地轉入面積最大為203 km2，主要由耕地和林地轉入，凈轉入面積111 km2；最后，草地與水域面積，主要在與耕地和林地之間轉變，轉出/轉入面積相差不大。

圖3 1980—2018年湘西不同土地利用類型的面積變化Fig. 3 Area change of different land use types in Xiangxi from 1980 to 2018

表1 1980—2018年湘西土地利用轉移矩陣Table 1 Land Use Transfer Matrix of Xiangxi from 1980 to 2018 km2

1980—2018年湘西土地利用變化結果表明：耕地和林地面積明顯減少，而城建面積明顯增大。下問主要對耕地、林地和城建用地生態(tài)系統(tǒng)服務進行時空變化分析。

2.2 湘西生態(tài)系統(tǒng)服務時空變化分析

2.2.1 耕地類型生態(tài)系統(tǒng)服務價值時空變化分析

根據(jù)Wang et al.（2016）的中南地區(qū)耕地單價10503.09 yuan·hm-2可計算各縣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值，并比較各期生態(tài)系統(tǒng)服務價值空間變化情況，如表2所示。

結果表明，耕地生態(tài)系統(tǒng)服務價值在各縣區(qū)各時期段都或有增減變化，而以2010—2018年鳳凰、古丈和永順減少量較大，分別為 3886.14萬元、1470.43萬元、2835.83萬元，龍山縣增加較大為1995.358萬元，總體湘西州耕地生態(tài)系統(tǒng)服務價值呈現(xiàn)逐年減少的趨勢。原因在于 2010—2018年鳳凰縣西北水田和古丈縣西北、永順縣西旱地面積減少較明顯（圖4）。

表2 1980—2018年湘西州各縣區(qū)耕地生態(tài)系統(tǒng)服務價值空間變化情況（萬元）Table 2 Spatial variation of ESVs of cultivated land in counties of Xiangxi Prefecture from 1980 to 2018 (RMB 104 yuan )

圖4 1980—2018年湘西土地利用類型的面積變化Fig. 4 Area Change of Land Use Types in Xiangxi from 1980 to 2018

2.2.2 林地類型時空變化與生態(tài)系統(tǒng)服務價值分析

由表3可知，林地生態(tài)系統(tǒng)服務價值在各縣區(qū)不同時期段也存在增減的情況，而以 2010—2018年花垣減少 6729.42萬元與龍山減少14580.4152萬元較大，總體湘西林地生態(tài)生態(tài)系統(tǒng)服務價值呈現(xiàn)先增后減的趨勢。原因在于2010—2018年花垣縣西部與龍山縣東北有林地面積減少較明顯。

2.2.3 城建用地地類型時空變化與生態(tài)系統(tǒng)服務價值分析

湘西城建類型時空變化如圖4，結果表明，1980—2018年吉首市城鎮(zhèn)用地及周邊各縣區(qū)建設用地增加，而吉首市西南的農(nóng)村居民片明顯減少。對比圖7右，吉首市的城鎮(zhèn)用地主要由水田耕地轉入，周邊建設用地由水田和疏松林轉入，而吉首市減少的農(nóng)村居民點主要轉變?yōu)橛辛值?。由于城?zhèn)、建設、住房占用耕地林地情況，湘西工業(yè)城建不斷由中心向周邊擴大，以水田為主的農(nóng)田正在朝著以州府吉首市及各縣城為中心的生態(tài)區(qū)域空心化格局演變，而以有林地為主的森林正朝著邊遠鄉(xiāng)村邊緣化格局演變（圖5），未來區(qū)域生態(tài)形勢不容樂觀。

同理，可以分析草地及水域類型時空變化，得到各縣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值時空變化情況。

2.3 湘西生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化及生態(tài)系統(tǒng)服務影響因素分析

有了各類型各縣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值，可以合并得到區(qū)域總體生態(tài)系統(tǒng)服務價值，湘西生態(tài)系統(tǒng)服務總價值出現(xiàn)先增后減的趨勢，表明近年來生態(tài)系統(tǒng)服務能力明顯下降。其中林地服務價值在2010年達到最大值4074291.41萬元，2010—2018年減幅較大，而耕地服務價值在 1980—2018年時間段逐年遞減（圖6）。截至2018年，湘西基本農(nóng)田保護面積為1.555×105hm2。

耕地、林地和草地土地利用變化如圖7左所示，經(jīng)歷過毀林造田到退耕還林還草的政策影響過程，相應林地生態(tài)系統(tǒng)服務價值轉變耕地生態(tài)系統(tǒng)服務價值，再轉變回林地生態(tài)系統(tǒng)服務價值，結果湘西耕地生態(tài)系統(tǒng)服務價值減少而林地生態(tài)系統(tǒng)服務價值增加。毀林造田與退耕還林是生態(tài)系統(tǒng)服務變化的一個主要影響因素。

2010—2018年，耕地、林地生態(tài)系統(tǒng)服務價值同步減少，可能是由于近年來推進城鎮(zhèn)化建設快速發(fā)展、工業(yè)不斷擴大所致。進一步對湘西生態(tài)系統(tǒng)服務價值與湘西州社會經(jīng)濟各指標作比較（圖8），結果表明生態(tài)系統(tǒng)服務價值與國民 GDP及三產(chǎn)業(yè)反向增長，呈負相關性。

表3 1980—2018年湘西各縣區(qū)林地生態(tài)系統(tǒng)服務價值空間變化情況（萬元）Table 3 Spatial variation of ESVs of Forest land in counties of Xiangxi from 1980 to 2018 (RMB 104 yuan)

圖5 水田與有林地時空格局演變趨勢Fig. 5 Temporal and spatial pattern evolution trend of paddy field and forest land

圖6 湘西主要年度耕地與林地生態(tài)系統(tǒng)服務價值Fig. 6 Cropland and woodland ecosystem service value in the main years of Xiangxi

吉首市及周邊縣區(qū)建設用地不斷增加，耕地林地減少，湘西生態(tài)系統(tǒng)服務價值減少，服務能力下降。因而政策性城建用地是導致區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務價值功能變化的的另一主要影響因素，是生態(tài)系統(tǒng)服務能力下降的影響因素。

水域與耕地林地面積相互轉化主要經(jīng)歷人工開通河渠到圍湖造田過程，水體增加幅度主要來源于降水，1980—2018年湘西州水域面積最大值出現(xiàn)在2010年，為127 km2，其次是1990年的124 km2，空間變化主要在永順縣中心和南部。同時，這一時期段湘西經(jīng)歷過兩次大的氣象自然災害年份，一次是 1995年的“5.31”以永順縣為暴雨中心水災和“6.30”以瀘溪縣為暴雨中心水災，另一次是 2010年5—7月先后14次暴雨洪澇過程。因而，暴雨引發(fā)的洪水泥石流等氣象自然災害沖毀農(nóng)田森林也是生態(tài)系統(tǒng)服務變化的影響因素，是生態(tài)系統(tǒng)服務能力下降的潛在影響因素。

圖8 湘西主要年度生態(tài)系統(tǒng)服務價值與社會經(jīng)濟發(fā)展的變化情況Fig. 8 Changes of Xiangxi ecosystem service value and socio-economic development in the main years

3 討論與建議

3.1 討論

圖7 1980—2018年湘西各類型土地利用面積轉化情況Fig. 7 Conversion of land use area of various types in Western Hunan from 1980 to 2018

生態(tài)系統(tǒng)服務價值評價的方法有很多，如InVEST模型（唐堯等，2015）、CASA模型及生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)關系的簿記模型（黃卉，2015），使用服務價值法對小流域的保育土壤、水源涵養(yǎng)、碳循環(huán)、生物多樣性等的生態(tài)系統(tǒng)服務功能評估能起到很好的作用；但對于大區(qū)域來說，輸入?yún)?shù)較多、計算過程較為復雜，每種服務價值的評價方法和參數(shù)標準也難以統(tǒng)一（謝高地等，2015）。歐陽志云等（2013）在對一個地區(qū)或國家的生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)總值的核算也指出生態(tài)系統(tǒng)指標的模糊性和服務評估現(xiàn)狀，而空間測算宏觀估算方法要較為簡便，使用當量因子法數(shù)據(jù)需求少，較為直觀易用。當然謝高地等（2003）提出的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量表也出現(xiàn)過很多問題，比如我國生態(tài)系統(tǒng)服務價值的計算，普遍沒有考慮灌叢生態(tài)系統(tǒng)的價值（王慶慧等，2019），這種缺失，影響價值演變規(guī)律的揭示以及驅動力分析；謝高地等（2015）根據(jù)我國實際情況修訂了中國陸地 14類二級生態(tài)系統(tǒng)單位面積服務價值當量表，采用千年生態(tài)系統(tǒng)評估（MA）的方法，將生態(tài)系統(tǒng)4大類服務進一步細分為食物生產(chǎn)、原料生產(chǎn)、水資源供給、氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、凈化環(huán)境、水文調(diào)節(jié)、土壤保持、維持養(yǎng)分循環(huán)、生物多樣性和美學景觀等 11種服務功能，已被用于區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估（曾杰等，2014；涂小松等，2015；韓蕊等，2019；汪東川等，2019）。中國地理范圍幅員遼闊，不同區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)單位面積服務價值當量還是有所差異，本研究采用Wang et al.（2016）細化的中國不同區(qū)域不同類型的生態(tài)系統(tǒng)服務功能來進行價值估算，以解決區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務評估的差異，當然不同的方法在結果上會存在一定的誤差，但生態(tài)系統(tǒng)服務價值時空變化的總體趨勢是一致的。

影響生態(tài)系統(tǒng)服務變化的驅動力因素有很多，涉及人口、社會經(jīng)濟、農(nóng)業(yè)系統(tǒng)、氣象、自然災害和生態(tài)建設多個方面（袁開國，2004）。有研究表明生態(tài)系統(tǒng)服務價值與國內(nèi)旅游收入正相關性良好，與人口密度、工業(yè)總產(chǎn)值和城鎮(zhèn)率變化等指標因素因素呈現(xiàn)顯著負相關（韓蕊等，2019），城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展對生態(tài)系統(tǒng)服務產(chǎn)生負面效應，該結論也與其他區(qū)域研究結果（李濤等，2016；韓蕊等，2019）是一致的。通過湘西生態(tài)系統(tǒng)服務時空變化及影響因素分析，可為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務能力提升提供決策依據(jù)，將有利于南方丘陵山地屏障帶生態(tài)系統(tǒng)服務提升技術研究與示范。

3.2 建議

近年來區(qū)域系統(tǒng)服務能力持續(xù)下降，城鎮(zhèn)化建設快速發(fā)展的同時也帶來了大量的生態(tài)環(huán)境問題（趙少華等，2019），由于政策性城建用地和氣象自然災害等因素的影響，對生態(tài)系統(tǒng)服務功能提升提出幾點建議如下：

（1）嚴守耕地紅線，開荒造田。中央文件一再指出要嚴守 18億畝耕地紅線，而隨著城鎮(zhèn)化建設的快速發(fā)展耕地面積卻在逐年下降。保障耕地面積，劃定永久基本農(nóng)田，需要防止各種原因的農(nóng)田土地占有。最大限度限制耕地林地土地面積向城建土地利用的轉化，對生態(tài)系統(tǒng)服務價值增長及生態(tài)功能穩(wěn)定起著關鍵作用；同時開墾荒地，充分利用龍山和永順余出的3 km2未利用地，充分利用城建間地施肥種田，發(fā)展城中村，防止富余勞動力外流引起的農(nóng)村空心化現(xiàn)象（緱文學，2012），工業(yè)城建的發(fā)展可在原有土地的基礎上向樓宇層面空間發(fā)展。

（2）建立以國家森林公園為主的自然保護地建設，開發(fā)旅游景區(qū)。由于森林生態(tài)系統(tǒng)服務單位面積價值遠大于耕地生態(tài)系統(tǒng)服務單位面積價值，重點適當加大以國家森林公園為主的自然保護地建設，可以保持一定生態(tài)系統(tǒng)服務價值固有量，利于嚴守生態(tài)紅線政策的有效實施，達到美化生態(tài)環(huán)境，推進生態(tài)功能提升；同時興建具有旅游價值意義的國家森林公園，在城鎮(zhèn)發(fā)展交通便利處劃定特定區(qū)域設立旅游生態(tài)景區(qū)，可以吸引外地游客投入資金，促進當?shù)剞r(nóng)村社區(qū)的協(xié)同發(fā)展。

（3）增加科技科技設備投資力度，加強防災防水意識，修建蓄水設施。科技是第一生產(chǎn)力，必要加強科技監(jiān)測預測能力，準確預防極端惡劣天氣，最大限度緩解洪澇侵蝕耕地林地，防止因暴雨泥石流造成的水土流失對農(nóng)田、森林生態(tài)系統(tǒng)服務的影響，促使區(qū)域生態(tài)功能回升；同時修建河堤水庫等蓄水設施，使洪水化害為利，提升區(qū)域生態(tài)功能。

此外，通過分析生態(tài)環(huán)境-區(qū)域災害-社會經(jīng)濟活動耦合關系影響因素，為綜合管理作出有效決策，協(xié)同區(qū)域社會的可持續(xù)發(fā)展。

4 結論與展望

綜合湘西州1980—2018年5個自然年度4個時期段六類土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務時空變化規(guī)律及生態(tài)功能驅動力影響因素，可以得到以下結論：

（1）1980—2018年湘西州耕地和林地面積明顯減少，而城建面積明顯增大；湘西總體生態(tài)系統(tǒng)服務價值減少。

（2）研究期間湘西生態(tài)系統(tǒng)服務價值時空變化情況主要表現(xiàn)在永順縣和吉首市，工業(yè)城建用地不斷由州中心向周邊擴大，水田農(nóng)田正朝著各市縣區(qū)生態(tài)區(qū)域空心化的格局演變，而有林地則正朝著邊緣化的格局演變。

（3）湘西生態(tài)功能逐年下降主要是由政策性城建用地所致，其次是受氣象自然災害影響。對此提出嚴守耕地紅線、開荒造田，建立以森林為主的國家公園自然保護地建設、開發(fā)旅游景區(qū)，加強防災防水意識、修建蓄水設施的初步建議。

由于數(shù)據(jù)來源所限，本文在遙感數(shù)據(jù)精度選取上的有些不足，大致反映湘西區(qū)域的主要生態(tài)系統(tǒng)服務價值時空變化及生態(tài)系統(tǒng)服務驅動力影響規(guī)律，且不同的生態(tài)系統(tǒng)服務估算方法所得的結果會有偏差，生態(tài)系統(tǒng)服務價值與社會經(jīng)濟各指標之間相關關系與回歸關系，期待今后的進一步完善。