淺山丘陵區(qū)土地利用地形梯度特征與生態(tài)服務(wù)價(jià)值響應(yīng)

趙艷霞，武愛(ài)彬，劉 欣，秦彥杰

（河北省科學(xué)院地理科學(xué)研究所，石家莊050021）

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過(guò)程所形成及維持的人類賴以生存的自然環(huán)境條件與效用，包括對(duì)人類生存及生活質(zhì)量有貢獻(xiàn)的生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)品和生態(tài)系統(tǒng)功能［1］，是人類生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和基本條件，是人類所擁有的關(guān)鍵自然資本［2］。土地是各種自然生態(tài)系統(tǒng)的載體，生態(tài)系統(tǒng)類型在土地利用中表現(xiàn)為土地利用類型，土地利用作為人類最基本的實(shí)踐活動(dòng)，通過(guò)區(qū)域生態(tài)進(jìn)程和服務(wù)間的相互作用直接影響區(qū)域生態(tài)服務(wù)價(jià)值［3］。坡度和高程是土地資源固有的兩個(gè)重要環(huán)境因子，對(duì)土地利用和土地承載力有直接作用［4］。淺山丘陵區(qū)位于山地平原的過(guò)渡地帶，高程和坡向決定了區(qū)域局部的溫度、光照狀況、土壤保持和水源涵養(yǎng)能力，影響著人類利用土地的難易程度，所以地形基本上決定了該地區(qū)土地利用的方向和方式，從而影響區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。故研究該區(qū)生態(tài)服務(wù)價(jià)值在地形梯度上的特征，可為指導(dǎo)該區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)的決策支持依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

河北燕山淺山丘陵區(qū)位于河北省東北部，地理位置介于北緯39°45′—41°38′，東經(jīng)116°40′—119°50′。涵蓋承德市東南部、秦皇島市北部和唐山市北部等區(qū)域，總面積約26 999.43km2。中西部處于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年均溫6～10℃，1月均溫－12～6℃，7月溫度20～25℃，年降水量700mm左右，流水侵蝕作用強(qiáng)烈。東部屬于溫帶季風(fēng)氣候，因受海洋影響較大，氣候比較溫和，春季少雨干燥，夏季溫?zé)釤o(wú)酷暑。

2 研究方法與數(shù)據(jù)分析

2.1 地形位指數(shù)

地形條件對(duì)土地利用類型的約束往往表現(xiàn)為地形和高程的綜合作用，單一高程或坡度梯度上的空間分析無(wú)法體現(xiàn)這種綜合影響［5］。參照以往研究成果［6－11］，鑒于研究區(qū)淺山丘陵的地貌特征，為綜合反映地形條件的空間分異，本研究利用地理信息模型建模方法，將高程和坡度組合成地形位指數(shù)，公式表述如下［6］：

式中：T——地形位；E，L——研究區(qū)域內(nèi)任意一點(diǎn)的高程值和坡度值；ˉE，ˉL——研究區(qū)域的平均高程值和坡度值。

2.2 地形分布指數(shù)

由于不同土地利用類型在地形梯度上不同區(qū)間的出現(xiàn)分布頻率可比性受到各類土地利用類型面積帶來(lái)的量綱影響［6］，本文采用標(biāo)準(zhǔn)化、無(wú)量綱的地形分布指數(shù)，進(jìn)行地形梯度上不同區(qū)間或不同類型間的比較，公式如下：

式中：P——地形分布指數(shù)；S——土地面積；i——土地利用類型；e——地形位級(jí)別。P＞1的區(qū)間為土地利用類型分布的優(yōu)勢(shì)地形區(qū)間，P值越大，表明某土地利用類型出現(xiàn)的頻率越高。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)價(jià)方法

Costanza等［12］在總結(jié)過(guò)去幾十年生態(tài)系統(tǒng)公益價(jià)值評(píng)價(jià)研究的基礎(chǔ)上，將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能歸納為17種類型，并進(jìn)行了貨幣化測(cè)算（公式3），謝高地等［13－14］在Costanza的基礎(chǔ)上統(tǒng)計(jì)修正得出的“中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子表”（表1），當(dāng)量因子是指在定義1hm2全國(guó)平均產(chǎn)量的農(nóng)田每年自然糧食產(chǎn)量的經(jīng)濟(jì)價(jià)值為1的基礎(chǔ)上，其他生態(tài)系統(tǒng)相對(duì)于農(nóng)田食物生產(chǎn)服務(wù)的貢獻(xiàn)值。

式中：ESV——生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值；VC——生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)；S，i含義同公式（2）

2.4 生態(tài)服務(wù)價(jià)值大小分布指數(shù)

生態(tài)服務(wù)價(jià)值在地形梯度上的大小分布會(huì)受到不同梯度上土地面積多少的影響，為了更好地比較不同地形單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值，更好地描述生態(tài)服務(wù)價(jià)值的優(yōu)勢(shì)分布區(qū)間，借鑒地形分布指數(shù)，本研究引入生態(tài)服務(wù)價(jià)值分布指數(shù)，公式如下：

式中：Q——生態(tài)服務(wù)價(jià)值分布指數(shù)；ESV，S，i，e含義同以上公式。Q＞1的區(qū)間為生態(tài)服務(wù)類型價(jià)值的優(yōu)勢(shì)分布地形區(qū)間，Q值越大，表明在此區(qū)間該生態(tài)服務(wù)類型價(jià)值越高。

表1 中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量

2.5 敏感性分析方法

本文參照相關(guān)研究成果［15－19］，應(yīng)用經(jīng)濟(jì)學(xué)中常用的彈性系數(shù)概念來(lái)計(jì)算價(jià)值系數(shù)的敏感性指數(shù)（CS）［20］，以確定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值隨時(shí)間的變化情況對(duì)于價(jià)值系數(shù)的依賴程度。將各類土地利用類型的價(jià)值指數(shù)分別調(diào)整50%，來(lái)衡量總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化。如果CS＞1，表明ESV相對(duì)于VC是富有彈性的；如果CS＜1，ESV則被認(rèn)為是缺乏彈性的，比值越大，表明生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值指數(shù)的準(zhǔn)確性越關(guān)鍵。敏感性指數(shù)的計(jì)算公式為：

式中：ESV、VC、i的含義同以上公式；m，n——初始狀態(tài)和調(diào)整后狀態(tài)。

2.6 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本研究數(shù)據(jù)來(lái)自2010年LANDSAT TM5遙感圖像，對(duì)遙感圖像進(jìn)行幾何精校正和圖像配準(zhǔn)后，針對(duì)研究區(qū)的實(shí)際情況，從遙感圖像中提取6種土地利用／覆被類型：耕地、林地、草地、建設(shè)用地、水域和未利用地進(jìn)行監(jiān)督分類，經(jīng)過(guò)野外校核、錯(cuò)誤糾正后，獲取研究區(qū)2010年的遙感解譯土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)。將研究區(qū)域1∶25萬(wàn)地形圖進(jìn)行掃描矢量化后，通過(guò)建立TIN模型得到柵格的DEM（grid格式），并在Arc－Map下提取高程和坡度，利用地理信息建模將二者組合形成地形位指數(shù)模型，利用ArcMap計(jì)算得出研究區(qū)域的地形位指數(shù)T（0～2.947 9），等分為50個(gè)級(jí)別，與土地利用類型圖疊加分析，可以得到不同地形位級(jí)別各土地利用類型的面積。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用地形梯度分布特征

研究區(qū)內(nèi)各土地利用類型面積和比例如表2所示，林地所占比例最大，為63.72%，未利用地所占比例極小，僅為0.02%。利用公式（2）計(jì)算2010年耕地、林地、草地、建設(shè)用地和水域在地形位上的分布指數(shù)（未利用地所占比重太小，地形梯度特征不明顯，本文不做討論），如圖1所示，將地形位指數(shù)T（0～2.947 9）等分為50個(gè)級(jí)別，根據(jù)各土地利用類型的分布優(yōu)勢(shì)，分為低（1～10）、中（10～25）、高（25～50）三個(gè)區(qū)段，高區(qū)段為林地分布優(yōu)勢(shì)地形位區(qū)間，中區(qū)段為草地和林地分布優(yōu)勢(shì)地形位區(qū)間，低區(qū)段為耕地、建設(shè)用地、水域分布優(yōu)勢(shì)地形位。主要由于海拔低、坡度小的低地形位區(qū)段自然條件適宜農(nóng)業(yè)發(fā)展，而人口聚集和分布與耕地的分布格局密不可分，同時(shí)人口數(shù)量直接決定了建設(shè)用地的分布頻率，研究區(qū)內(nèi)自然河流極少，水域多為水庫(kù)、坑塘，分布在耕地與建設(shè)用地周圍。而海拔高、坡度大的高地形位區(qū)段由于地表起伏度較大、氣候條件限制，多為灌木林地。

表2 研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀

圖1 研究區(qū)各土地利用類型在地形位指數(shù)梯度上的分布

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值變化分析

根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料計(jì)算出河北燕山淺山丘陵區(qū)2010年平均糧食產(chǎn)值為5 909.31元／（hm2·a），考慮到無(wú)人力投入的自然生態(tài)系統(tǒng)提供的經(jīng)濟(jì)價(jià)值是現(xiàn)有單位面積農(nóng)田提供的食物生產(chǎn)服務(wù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的1／7［14］，得出研究區(qū)單位面積農(nóng)田每年自然糧食產(chǎn)量的經(jīng)濟(jì)價(jià)值是844.19元／（hm2·a），以此來(lái)計(jì)算研究區(qū)各類土地面積2010年的生態(tài)服務(wù)價(jià)值量（表3）。由表3可以看出，2010年研究區(qū)土地利用生態(tài)服務(wù)總價(jià)值為375.21億元，其中林地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值比例最大，為84.64%，未利用地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值最小，僅為0.001%。如圖2所示，河北燕山淺山丘陵區(qū)2010年生態(tài)服務(wù)總價(jià)值在地形位在1—3級(jí)別上呈上升趨勢(shì)，3—6級(jí)別上生態(tài)服務(wù)逐漸下降，在6—24級(jí)別上波動(dòng)上升，在24級(jí)別達(dá)到峰值，然后隨著級(jí)別增大開(kāi)始下降，在49級(jí)別達(dá)到最小值?？傮w來(lái)說(shuō)土地生態(tài)服務(wù)價(jià)值在地形位差異化十分明顯，生態(tài)服務(wù)價(jià)值在地形位24最高為18.01億元，地形位49最低僅為53.94元。

表3 研究區(qū)2010年各土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值

圖2 基于地形梯度的研究區(qū)土地利用生態(tài)服務(wù)價(jià)值

不同地形位級(jí)別生態(tài)服務(wù)價(jià)值的大小一定程度上依賴于該地形位土地面積的多少。圖3表示單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值分布指數(shù)在地形位級(jí)別上的表達(dá)，由此可見(jiàn)，隨著地形位指數(shù)的增加，單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值總體上呈增大趨勢(shì)，在低地形位級(jí)別（1～10）和高地形位級(jí)別（45～50）上，單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值呈波動(dòng)狀態(tài)，說(shuō)明低地形位區(qū)段受人為干擾作用較為頻繁，高地形位區(qū)段由于自然因素限制生態(tài)環(huán)境較為脆弱，易受人為干擾影響。是生態(tài)服務(wù)價(jià)值不穩(wěn)定的區(qū)域，更應(yīng)被重視。

圖3 不同地形位單位土地利用面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值

3.3 生態(tài)系統(tǒng)單項(xiàng)服務(wù)價(jià)值變化分析

由表4看出，研究區(qū)2010年占生態(tài)系統(tǒng)功能總價(jià)值比重較大的是保持土壤、氣體調(diào)節(jié)、維持生物多樣性，提供美學(xué)景觀和食物生產(chǎn)價(jià)值比重最小。

表4 研究區(qū)2010年單項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的價(jià)值

由圖4生態(tài)系統(tǒng)單項(xiàng)服務(wù)價(jià)值在地形位上分布，就地形位區(qū)段而言，9類單項(xiàng)生產(chǎn)服務(wù)價(jià)值指數(shù)在地形位區(qū)段（1～15）均呈波動(dòng)分布；在地形位區(qū)段（11～45），食物生產(chǎn)服務(wù)價(jià)值隨地形位增加而減小、原材料生產(chǎn)、氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、保持土壤、維持生物多樣性、水源涵養(yǎng)和提供美學(xué)景觀的生態(tài)服務(wù)價(jià)值分布趨勢(shì)基本一致，均隨著地形位增加而增加；在地形位區(qū)段（45～50），原材料生產(chǎn)、氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、保持土壤、維持生物多樣性、水源涵養(yǎng)和提供美學(xué)景觀的單項(xiàng)生態(tài)服務(wù)價(jià)值略有波動(dòng)，呈先減少后增加態(tài)勢(shì)，食物生產(chǎn)服務(wù)價(jià)值呈先增加后減小趨勢(shì)；廢物處理的服務(wù)價(jià)值在地形位區(qū)段（11～50）呈極緩慢的減少態(tài)勢(shì)，隨地形位的增加基本保持不變。

圖4 基于地形梯度的土地利用生態(tài)系統(tǒng)單項(xiàng)服務(wù)價(jià)值

就單項(xiàng)生態(tài)服務(wù)價(jià)值而言，食物生產(chǎn)的服務(wù)價(jià)值優(yōu)勢(shì)分布區(qū)間為地形位1～15，廢物處理的服務(wù)價(jià)值優(yōu)勢(shì)分布區(qū)間為1～12，主要為耕地和水域的優(yōu)勢(shì)分布區(qū)間，食物生產(chǎn)服務(wù)功能價(jià)值在地形位4，7出現(xiàn)波動(dòng)，食物生產(chǎn)出現(xiàn)谷底，廢物處理出現(xiàn)波峰，此外水源涵養(yǎng)也在此地形位4，7出現(xiàn)兩次波峰，與水域面積分布指數(shù)在地形位4，7出現(xiàn)波峰響應(yīng)。說(shuō)明食物生產(chǎn)、廢物處理、水源涵養(yǎng)與耕地和水域面積多少存在較大的相關(guān)關(guān)系；原材料生產(chǎn)、氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)、保持土壤、維持生物多樣性、提供美學(xué)景觀的服務(wù)價(jià)值優(yōu)勢(shì)分布區(qū)間集中在地形位16～50，為草地和林地的分布優(yōu)勢(shì)區(qū)間，隨著地形位級(jí)別的增加，分布優(yōu)勢(shì)也在不斷加大，與林地面積在地形位級(jí)別分布趨勢(shì)響應(yīng)，說(shuō)明以上服務(wù)功能價(jià)值與林地分布有較大的相關(guān)關(guān)系。

3.4 敏感性分析

根據(jù)敏感性指數(shù)的計(jì)算公式，本文把不同土地利用類型的生態(tài)價(jià)值系數(shù)調(diào)整50%，計(jì)算出了研究區(qū)2010年的敏感性指數(shù)。由圖5可見(jiàn)，不同地形位級(jí)別上不同土地利用類型生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值指數(shù)的敏感性指數(shù)變動(dòng)較大，但敏感性指數(shù)小于1，這表明研究區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值對(duì)生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值指數(shù)是缺乏彈性的，研究結(jié)果是可信的。

圖5 研究區(qū)地形位敏感性指數(shù)

4 結(jié)論

（1）研究區(qū)域內(nèi)不同土地利用類型在地形梯度上表現(xiàn)出較為顯著變化。整體空間分布特征大致保持三段模式：低地形位區(qū)段（1～10）為耕地、建設(shè)用地和水域的優(yōu)勢(shì)分布區(qū)；中地形位區(qū)段（10～25）是草地和林地的優(yōu)勢(shì)分布區(qū)；高地形位區(qū)段（25～50）是林地的優(yōu)勢(shì)分布區(qū)。

（2）就生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值而言，2010年河北燕山淺山丘陵區(qū)林地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值所占比例最大，達(dá)到了84.64%，未利用地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值最小，僅為0.001%，生態(tài)服務(wù)總價(jià)值在地形位1—3級(jí)別上呈上升趨勢(shì)，3—6級(jí)別上生態(tài)服務(wù)逐漸下降，在6—24級(jí)別上波動(dòng)上升，在24級(jí)別達(dá)到峰值，然后隨著級(jí)別增大開(kāi)始下降，在49級(jí)別達(dá)到最小值。土地生態(tài)服務(wù)價(jià)值在地形位差異化十分明顯。

（3）就生態(tài)系統(tǒng)單項(xiàng)服務(wù)價(jià)值而言，2010年，保持土壤、氣體調(diào)節(jié)、維持生物多樣性的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值較大，提供美學(xué)景觀和食物生產(chǎn)價(jià)值比重較小。食物生產(chǎn)、廢物處理、水源涵養(yǎng)優(yōu)勢(shì)分布區(qū)間為地形位1—12，與耕地和水域面積多少存在較大相關(guān)關(guān)系；原材料生產(chǎn)、氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)、保持土壤、維持生物多樣性、提供美學(xué)景觀的服務(wù)價(jià)值優(yōu)勢(shì)分布區(qū)間集中在地形位16—50，與林地面積分布有較大的相關(guān)關(guān)系。

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