基于地形梯度的湘西地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空變化*

陳奕竹, 肖 軼, 孫思琦, 郭 濼**

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基于地形梯度的湘西地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空變化*

陳奕竹1,2, 肖 軼1, 孫思琦1, 郭 濼1**

(1. 中央民族大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 北京 100081; 2. 北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院 北京 100871)

為探究土地利用和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(ecosystem service value, ESV)隨不同地形因子變化的情況, 本文利用湘西地區(qū)1990年、1995年、2000年、2005年、2010年及2015年6期遙感數(shù)據(jù)、野外調(diào)研數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù), 分析了湘西不同土地利用類型在不同地形梯度上的變化、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的時(shí)空變化及土地利用格局與ESV的相關(guān)性。研究結(jié)果表明: 1)受人類活動(dòng)影響較大的土地利用類型如耕地和建設(shè)用地主要分布在較低高度及坡度梯度上, 山體南面和東面方向各類型土地面積較大。林地在不同地形梯度上均為最主要的土地利用類型。建設(shè)用地面積在不同地形梯度上隨時(shí)間均明顯呈增加趨勢(shì)。2)ESV在海拔梯度上表現(xiàn)為先減少后增加, 且海拔越高, ESV隨時(shí)間變化的增長幅度越小; ESV隨坡度增大而增大, 且25年間最小坡度梯度上增長量最多; ESV隨著地形位指數(shù)上升而增大; 坡向變化中, 東南方向出現(xiàn)ESV最低值, 西北方向出現(xiàn)ESV最高值, 東和西北方向ESV隨時(shí)間增長量最大。3)相關(guān)性分析表明, 林地、草地在坡度和地形位梯度上的變化與ESV變化呈正相關(guān)。湘西地區(qū)土地利用變化及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值隨地形變化的差異明顯。本研究為合理布局和保護(hù)我國南方丘陵山地區(qū)域的生態(tài)用地, 發(fā)揮湘西地區(qū)的生態(tài)屏障作用提供了理論依據(jù)和決策支持。

土地利用變化; 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值; 地形梯度; 地形位指數(shù); 湘西地區(qū)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指人類直接或間接地從生態(tài)系統(tǒng)中獲取的利益, 其變化決定著人類的生存環(huán)境和物質(zhì)基礎(chǔ)[1-2]。我國學(xué)者謝高地等[3-4]根據(jù)中國實(shí)際情況, 修訂了中國二級(jí)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量表, 為我國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估工作的開展提供了重要參考[5-7]。2005年千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估報(bào)告(MA)中指出, 較多生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能正在退化或者呈下降趨勢(shì), 且這種趨勢(shì)可能在未來50年內(nèi)仍然不能有效扭轉(zhuǎn)[8]。因此, 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的定量化分析仍舊是一項(xiàng)重要的工作, 對(duì)保護(hù)區(qū)域環(huán)境、響應(yīng)國家可持續(xù)發(fā)展的號(hào)召有著重要意義。同時(shí), 土地可造成物質(zhì)、能流等生態(tài)過程的變化以及生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能的改變, 從而影響整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[9-12]。將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與土地利用面積進(jìn)行相關(guān)性分析, 有助于理解不同類型土地利用面積對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響, 有利于研究區(qū)合理規(guī)劃土地的使用, 是建立人與自然健康互利關(guān)系的重要內(nèi)容。

地形是自然地理學(xué)的基礎(chǔ), 它與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)存在著緊密的聯(lián)系[13-14], 是影響土地利用格局、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分布的重要因素。但在我國, 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與城市化[15-16]、社會(huì)經(jīng)濟(jì)[17-18]和土地利用類型[19-20]的關(guān)系受到較多關(guān)注, 而探討生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值隨地形梯度變化的研究較少。在現(xiàn)已報(bào)道的基于地形梯度的土地利用變化和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化的研究中, 多數(shù)從高度、坡度、地形位對(duì)土地利用類型的分布進(jìn)行探討[21-23], 也有部分利用地形起伏度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行分析[24-25], 但是將基于高度、坡度、坡向、地形位的多種地形因子梯度的土地利用變化和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化結(jié)合起來, 共同說明問題的研究較少。

湘西地區(qū)山地多, 海拔差異大, 地形梯度的變化因子對(duì)于土地利用格局和生態(tài)服務(wù)格局的變化影響顯著, 該地社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展較滯后, 環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的矛盾日益突出, 因此基于地形梯度變化分析湘西地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的時(shí)空變化對(duì)于土地的合理利用與開發(fā)尤為重要和必要。本文以湘西為研究區(qū), 基于地形梯度, 利用1990年、1995年、2000年、2005年、2010年和2015年6期土地利用的遙感分類數(shù)據(jù), 對(duì)不同地形梯度上的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行估算, 分析其時(shí)空變化, 并結(jié)合土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析, 探討研究區(qū)在地形梯度上的不同類型土地面積對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響, 以期對(duì)該地區(qū)土地利用的合理化和區(qū)域的健康發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

湘西地區(qū)位于湖南西部, 湘、鄂、渝、黔4省市邊區(qū)的中心位置(108°47′~112°57′E, 25°58′~29°48′N)。該地區(qū)含邵陽市、張家界市、懷化市、婁底市和湘西自治州5市(州), 有武陵、雪峰兩大山脈, 且被云貴高原環(huán)繞, 整體海拔低至50 m, 高至1 903 m。湘西地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候, 且具有明顯的大陸性特征, 水熱同季、冬暖夏涼、四季分明, 多年平均氣溫在17~18 ℃范圍內(nèi), 平均降水量在1 100~1 600 mm間波動(dòng)。境內(nèi)有沅、澧干流及其支流酉水、?水、渠水等水系。截至2015年底, 湘西地區(qū)居住總?cè)丝跀?shù)為2 019.36萬人, 占全省的29.77%。土地面積為8.17萬km2, 約占全省的38.57%。地區(qū)生產(chǎn)總值為4 897.05億元, 占全省的16.09%。湘西地區(qū)是湖南省少數(shù)民族聚居區(qū), 也是湖南省西部20個(gè)集中連片貧困縣的主體地區(qū), 屬于傳統(tǒng)的老、少、邊、窮地區(qū)?；趪业恼叻龀? 如扶貧開發(fā)和民族地區(qū)優(yōu)惠政策等為大湘西的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了良好條件[26]。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究采用1990年、1995年、2000年、2005年、2010年和2015年6個(gè)時(shí)段的Landsat TM/ETM遙感影像, 結(jié)合研究區(qū)域1∶25萬地形圖、土壤和植被專題圖進(jìn)行分析。根據(jù)土地利用覆蓋(LUCC)分類體系結(jié)合區(qū)域土地類型特征, 將分類系統(tǒng)分為7類(圖1), 包括耕地、林地、草地、濕地、水域、建設(shè)用地、未利用地。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估

本文結(jié)合謝高地等[3-4]的價(jià)值當(dāng)量換算方法確定湘西地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值, 將生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)的凈利潤看作該生態(tài)系統(tǒng)所能提供的生產(chǎn)價(jià)值, 將單位面積農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)糧食生產(chǎn)的凈利潤當(dāng)作1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量因子的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量。2010年全國地均糧食產(chǎn)量為4 974 kg?hm-2, 謝高地等[3-4]將中國2010年1個(gè)生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值當(dāng)量的經(jīng)濟(jì)價(jià)值確定為3 406.50元?hm-2。依據(jù)湖南省糧食產(chǎn)量的相關(guān)資料可知研究區(qū)內(nèi)地均糧食產(chǎn)量為5 575.48 kg?hm-2, 則生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)當(dāng)量價(jià)值系數(shù)為1.120 9, 即湘西地區(qū)的一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能當(dāng)量為3 818.43元?hm-2。根據(jù)價(jià)值當(dāng)量和各用地類型的面積得到湘西地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。

評(píng)估公式為:

式中: ESV表示研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)的總服務(wù)價(jià)值,A表示研究區(qū)第種土地利用類型的面積(hm2),VC表示第種土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù), ESV表示生態(tài)系統(tǒng)第項(xiàng)服務(wù)功能的價(jià)值,VC表示研究區(qū)第種土地利用類型的第項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)。

圖1 1990—2015年湘西地區(qū)土地利用類型圖

2.3 地形梯度分析

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值是自然因素和人為因素共同影響的結(jié)果。地形位指數(shù)是復(fù)合分析海拔及坡度的地形因子, 常用于定量分析土地利用空間格局與地形梯度的關(guān)系, 計(jì)算公式如下:

=ln[(/0+1)′(/0+1)] (3)

式中:為地形位指數(shù),為某點(diǎn)的海拔(m),0為該點(diǎn)所在區(qū)域的平均海拔(m),為某點(diǎn)的坡度(°),0為該點(diǎn)所在區(qū)域的平均坡度(°)。

本研究根據(jù)湘西地區(qū)地形分布特點(diǎn), 采用分位數(shù)法(quantile)把海拔、坡度及地形位指數(shù)均分為5個(gè)等級(jí), 將坡向分為8個(gè)等級(jí)(表1)。對(duì)海拔、坡度、坡向、地形位指數(shù)4個(gè)方面各梯度的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行計(jì)算, 并利用6期數(shù)據(jù)進(jìn)重復(fù)驗(yàn)證。

表1 湘西地區(qū)海拔、坡度、坡向及地形位梯度設(shè)置情況

2.4 相關(guān)性分析

基于R語言主程序以及Hmisc擴(kuò)展包進(jìn)行相關(guān)性分析, 并結(jié)合Pearson相關(guān)性計(jì)算方法, 計(jì)算不同土地利用類型面積隨各地形梯度變化與各梯度上總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化之間的相關(guān)性。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用結(jié)構(gòu)的時(shí)空變化

3.1.1 基于海拔梯度的土地利用變化

湘西地區(qū)土地利用類型在海拔梯度上存在一定差異, 隨著海拔升高, 土地利用面積變化大致表現(xiàn)為4種類型: ①持續(xù)減少。包括耕地、建設(shè)用地、水域及濕地。其中耕地和建設(shè)用地屬于人為干擾較強(qiáng)的土地利用類型, 易受到開發(fā)條件及居住適宜度、種植適宜度的限制。也表現(xiàn)出水域和濕地對(duì)海拔的適應(yīng)性較差, 與許策等[25]的研究結(jié)果一致。②持續(xù)增加。該類型主要為林地。林地受海拔限制較小, 且隨著海拔上升, 人為活動(dòng)干擾降低, 人工開發(fā)建設(shè)土地面積減少, 側(cè)面加強(qiáng)了對(duì)高海拔林地的保護(hù)。③先減少后增加。主要為草地。草地對(duì)海拔適應(yīng)性更高, 易附著生長。④波動(dòng)型, 含未利用地。該類型在海拔梯度上的變化有較多波動(dòng), 特別在低海拔區(qū)域人為活動(dòng)頻繁, 過度開發(fā)或土地荒廢均可能導(dǎo)致未利用地面積變大。

各海拔梯度上土地利用類型隨時(shí)間變化大致如下: ①5個(gè)梯度的耕地面積都隨時(shí)間的推移不斷減少。②低海拔上林地面積先增加后減少, 梯度3、4上林地面積隨時(shí)間變化不明顯, 高海拔上林地面積先減少后增加。③不同年間草地面積波動(dòng)較大, 但始末變化不大。從海拔變化上看, 湘西地區(qū)在2005年之前退耕還林政策實(shí)施的較為有效, 耕地面積減少且林地面積增加, 尤其是高海拔地區(qū)。但2005年之后, 可能因社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求, 林地面積有所下降。同時(shí), 湘西地區(qū)城市快速擴(kuò)張主要發(fā)生在2010—2015年, 各梯度間建設(shè)用地面積均有較大增長。

3.1.2 基于坡度梯度的土地利用變化

隨著坡度增大, 不同土地利用類型的面積表現(xiàn)出4種變化: ①持續(xù)減少。包括耕地、建設(shè)用地及水域。隨著坡度增大, 多數(shù)作物及建筑物無法穩(wěn)固存在。同時(shí), 坡度的增大不利于水資源儲(chǔ)備, 故3者有所下降。②持續(xù)增加。包括林地及草地。二者對(duì)坡度的適應(yīng)性較強(qiáng), 且人為活動(dòng)強(qiáng)度隨坡度的增大而降低, 有利于較大坡度上林地和草地的維持保護(hù)。③先減少后增加。主要為濕地。

各坡度梯度上土地利用類型隨時(shí)間變化: 林地面積在前4個(gè)梯度內(nèi)整體隨時(shí)間增加, 且梯度1和梯度2內(nèi)林地面積在2000年達(dá)到最大值, 梯度5內(nèi)面積有所下滑。草地面積在低坡度上隨時(shí)間減少, 但在高坡度上隨時(shí)間增加。除梯度2以外, 水域面積均隨時(shí)間有所增大。建設(shè)用地在各梯度上整體均表現(xiàn)為隨時(shí)間變化而增大, 且坡度等級(jí)越低, 增大越明顯。坡度上土地利用類型的變化也反映出湘西地區(qū)城市建設(shè)的發(fā)展。

3.1.3 基于坡向梯度的土地利用變化

坡向?qū)μ栞椛涞慕邮蘸徒涤陼?huì)產(chǎn)生一定影響, 從而可能造成局部氣候的差異, 由此對(duì)土地利用類型的分布造成一定限制。湘西地區(qū)內(nèi)有武陵、雪峰兩大山脈, 二者走向均為東北-西南。土地利用類型在不同坡向上表現(xiàn)不同: 林地、耕地和草地是湘西地區(qū)主要土地利用類型, 各坡向梯度中占比最大的仍是林地, 約69%, 其次為耕地, 約24%, 草地約5%, 其余類型土地占比相差不多且十分微小, 約為1%。

1990—2015年間, 各土地利用類型面積變化規(guī)律明顯: ①耕地和濕地在北、東北、東、西及西北方向上均減少, 而在東南、南、西南方向上增加。②林地和草地在南、西南、西方向上減少, 而在北、東北、東、東南及西北方向上均增加。③水域在北、東北及西北方向上減少, 在東、東南、南及西南方向上增加。④建設(shè)用地在各個(gè)坡向上均有較大增加, 相對(duì)變化率最高達(dá)174%。

3.1.4 基于地形位梯度的土地利用變化

湘西地區(qū)土地利用類型隨地形位指數(shù)的升高呈現(xiàn)以下變化: ①耕地和水域面積持續(xù)減少, 與海拔梯度和坡度梯度結(jié)果相同。②林地、草地面積持續(xù)增加, 是人為影響和植被適應(yīng)力共同作用的結(jié)果。③濕地面積先減少后增加。④建設(shè)用地總體表現(xiàn)為梯度越低, 面積越大。

1990—2015年間, 除梯度1外, 耕地面積在各梯度上均隨時(shí)間增大; 各地形位梯度上的林地面積均隨時(shí)間而減少; 草地在梯度1、3上有所增加, 其余梯度有所減少; 水域面積在梯度1、3、5上不斷增加至最高值; 建設(shè)用地面積在各地形位梯度內(nèi)均隨時(shí)間有所增加。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值格局的時(shí)空變化

3.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在海拔梯度上的變化

1990—2015年海拔梯度上的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(ESV)變化如圖2所示。由圖可看出, 各年單位面積ESV的梯度變化情況較一致, 呈現(xiàn)出先減少后增加的變化, 在276~380 m上達(dá)到最低值, 之后單位面積ESV一直攀升, 在680~1 903 m內(nèi)達(dá)到最高值。該梯度變化與草地面積隨海拔梯度變化一致, 均在第2梯度出現(xiàn)最小值, 在湘西地區(qū)草地面積隨梯度變化而變化的趨勢(shì)反而比林地更顯著。1990—2015年單位面積ESV在低海拔區(qū)域表現(xiàn)為增長, 隨海拔升高增長幅度不斷減少, 在高海拔區(qū)域出現(xiàn)單位面積ESV減少, 這可能與草地面積在高海拔地區(qū)占比不斷增加而林地面積占比減少相關(guān)。海拔越低人為干擾越嚴(yán)重, ESV越減小。

3.2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在坡度梯度上的變化

湘西地區(qū)單位面積ESV在坡度梯度上表現(xiàn)為隨坡度增大而增大(圖2), 且在0°~2.39°間變化較大。不同土地利用類型中, 水域、濕地、林地、草地的單位面積ESV較大, 耕地和未利用地較小。隨著坡度增大, 林地和草地面積持續(xù)增加, 耕地面積持續(xù)減少, 單位面積ESV隨坡度增加而不斷升高。1990—2015年, 各個(gè)坡度梯度上的單位面積ESV均有所增長, 不同梯度的增長幅度不同。

3.2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在坡向梯度上的變化

1990—2015年湘西地區(qū)單位面積ESV在坡向梯度上的變化相似, 即在東南部出現(xiàn)單位面積ESV最低值, 在西北部出現(xiàn)最高值(圖2)。雖然多數(shù)土地利用類型的面積在東南方向上有所增加, 但是增加的主要是耕地及建設(shè)用地, 所以東南部整體ESV較小。在西北部上林地、草地的增加大于建設(shè)用地故整體有利于提高ESV。1990—2015年間, 各坡向上的單位面積ESV均表現(xiàn)為增長。其中單位面積ESV增長最多的是東部和西北部, 均增長2.08%。其次為南部增長了0.86%, 西部減少了0.26%。

3.2.4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在地形位梯度上的變化

湘西地區(qū)單位面積ESV在地形位梯度上表現(xiàn)為隨梯度增大而增大(圖2), 且各梯度間增長較平均。即山地特征越明顯, 單位面積ESV越高。1990—2015年, 地形位梯度1和梯度5上單位面積ESV有所增加, 梯度1增長4.01%, 梯度2至梯度4單位面積ESV分別減少1.02%、0.45%、0.93%, 梯度5增長0.20%。與海拔梯度和坡度梯度變化相似的是, 湘西地區(qū)單位面積ESV增長最多的地區(qū)均出現(xiàn)在最低地形位上, 高地形位梯度上, 人類活動(dòng)強(qiáng)度較小, 負(fù)面影響較小, 且部分湘西地區(qū)屬于退耕還林試點(diǎn), 自然生態(tài)系統(tǒng)功能較優(yōu), 服務(wù)價(jià)值較高。

3.3 土地利用與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在地形梯度上的相關(guān)性分析

將不同土地利用類型在海拔、坡度、坡向、地形位梯度上的變化情況與單位面積ESV在不同地形梯度上的變化情況進(jìn)行相關(guān)性分析, 發(fā)現(xiàn)不同土地利用類型對(duì)單位面積ESV的影響差異顯著(表2)。林地和草地在各個(gè)地形梯度上大部分的指數(shù)變化與ESV表現(xiàn)出極強(qiáng)的正相關(guān)。在坡度梯度上, ESV的變化與耕地、林地、草地、水域和濕地的面積變化均有顯著相關(guān)性。在坡向梯度上, 耕地和未利用地與ESV存在極強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性, 林地面積與ESV存在極強(qiáng)正相關(guān), 其余的土地利用類型與ESV相關(guān)性較差?？梢钥闯? 影響不同坡向ESV變化的主要因素是耕地、林地及未利用地。在地形位梯度上, ESV與林地、草地呈極強(qiáng)的正相關(guān)性, 而與耕地、水域面積呈極強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性。

圖2 湘西地區(qū)隨海拔、坡度、坡向、地形位指數(shù)梯度變化的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值

表2 梯度變化的土地利用面積與地形梯度變化的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值相關(guān)性系數(shù)

*0.05水平(雙側(cè))顯著相關(guān)。相關(guān)系數(shù) 0.8~1.0為極強(qiáng)相關(guān)、0.6~0.8為強(qiáng)相關(guān)、0.4~0.6為中等相關(guān)、0.2~0.4為弱相關(guān)、0~0.2為極弱相關(guān)或不相關(guān)。* represents significant correlation at 0.05 level (both sides). Correlation coefficient of 0.8-1.0 represents extremely strong correlation, 0.6-0.8 represents strong correlation, 0.4-0.6 represents medium correlation, 0.2-0.4 represents weak correlation, 0-0.2 represents extremely weak correlation or non-correlation.

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

本文分析了湘西地區(qū)土地利用類型在海拔、坡度、坡向及地形位指數(shù)上的變化, 計(jì)算了不同梯度上ESV的變化, 對(duì)土地利用類型與ESV的梯度變化進(jìn)行了相關(guān)性分析。在梯度等級(jí)的劃分上, 本文采用了分位數(shù)法(quantile), 根據(jù)湘西地區(qū)地形情況,海拔高度主要分布在50~900 m, 坡度主要分布在0°~7.5°, 相較于分位數(shù)法, 自然斷點(diǎn)法容易造成某一梯度內(nèi)面積過小, 進(jìn)而在后續(xù)操作中易造成相對(duì)較大的損失, 導(dǎo)致結(jié)果偏差較大。吳見等[23]同樣選取了這種分級(jí)方法。本文采用湘西地區(qū)糧食產(chǎn)量對(duì)謝高地等[3-4]提出的“中國生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量”進(jìn)行修正, 從而刻畫出研究區(qū)內(nèi)ESV時(shí)空變化特征, 該方法適用于較大區(qū)域的評(píng)估, 國內(nèi)有較多相似的應(yīng)用[5-7]。本文數(shù)據(jù)利用R語言進(jìn)行相關(guān)性分析, 保證數(shù)據(jù)處理的可靠性和準(zhǔn)確性,降低人工出錯(cuò)幾率。

研究結(jié)果顯示, 土地利用分布在不同地形梯度上差異顯著, 總體而言, 海拔較高、坡度較大、地形位指數(shù)較大的區(qū)域自然植被類型面積所占比例更大, 這與哈凱等[27]、吳見等[23]的研究結(jié)果一致。同樣地, 單位面積ESV在較高海拔、較大坡度、較大地形位指數(shù)上更高, 這與許策等[25]的研究結(jié)果相似。湘西地處武陵山區(qū), 山地的ESV普遍比平原高[25,28-29]。ESV變化由自然和人為雙重因素控制。從自然因素出發(fā), 地形對(duì)人類活動(dòng)限制較大, 導(dǎo)致農(nóng)田和建設(shè)用地對(duì)地形的選擇更為局限, 主要分布于低海拔、低坡度、低地形位指數(shù)上。從人為因素出發(fā), 研究時(shí)段內(nèi), 我國生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識(shí)逐漸提高, 頒布了許多相關(guān)保護(hù)政策, 湘西地區(qū)含多處退耕還林還濕工程試點(diǎn), 故隨時(shí)間變化, 湘西地區(qū)耕地面積明顯減少, 濕地面積增加。但盡管如此, 城市建設(shè)仍在快速進(jìn)行, 這體現(xiàn)在建設(shè)用地迅猛擴(kuò)張上。此外, 本文將坡向因子也考慮在內(nèi), 以研究區(qū)內(nèi)主要山脈為基礎(chǔ), 研究山脈不同方向上各土地利用類型和ESV的時(shí)空變化, 希望能夠更全面地了解研究區(qū)情況。在此基礎(chǔ)上, 本文還對(duì)7種土地利用類型和ESV在4種地形因子梯度上的變化進(jìn)行了相關(guān)性分析, 探究對(duì)ESV隨梯度變化影響較顯著的土地利用類型, 結(jié)果顯示林地和草地面積多與地形梯度上的ESV呈正相關(guān)關(guān)系, 增加二者的占地面積對(duì)提高湘西地區(qū)ESV有一定幫助, 這與退耕還林的工作基點(diǎn)相符合。

本文通過以上工作希望展示湘西地區(qū)土地利用發(fā)展的不合理之處, 為未來的建設(shè)與保護(hù)提供理論基礎(chǔ)。未來的工作中, 在海拔、坡度、地形位指數(shù)較小的區(qū)域內(nèi), 穩(wěn)定建設(shè)用地面積占比的同時(shí)應(yīng)保證水域、濕地的保護(hù)建設(shè)工作, 這樣有利于ESV的提高, 而地形因子較大的梯度區(qū)內(nèi)由于人為活動(dòng)強(qiáng)度較小, 負(fù)面影響易得到控制, 故林地、草地等自然生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)非常重要, 應(yīng)防止過度開發(fā), 造成水土流失甚至因地形的起伏而導(dǎo)致開發(fā)地廢置為荒地。將自然因素與社會(huì)因素有效結(jié)合進(jìn)行對(duì)ESV變化機(jī)制的分析是今后的工作重點(diǎn), 應(yīng)合理規(guī)劃建設(shè)用地和農(nóng)田、注重自然生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù), 同時(shí)應(yīng)增加實(shí)地調(diào)研來進(jìn)一步驗(yàn)證理論研究。

4.2 結(jié)論

1)土地利用類型在地形因子的作用下表現(xiàn)出明顯的梯度變化。耕地和建設(shè)用地主要分布在低海拔、低坡度、低地形位指數(shù)的區(qū)域, 林地與草地反之。研究區(qū)內(nèi)山脈的南面和東面各類型土地面積較大。林地在不同地形因子的不同梯度上均為最主要的土地利用類型, 平均所占比例約70%, 建設(shè)用地面積在不同地形因子的不同梯度上隨時(shí)間均表現(xiàn)為增加。

2)研究區(qū)ESV在不同地形梯度上呈現(xiàn)出差異性變化。在海拔梯度上, ESV呈現(xiàn)出先減少后增加的變化趨勢(shì), 在276~380 m達(dá)最低值, 25年間海拔梯度越高ESV增長幅度越小, 最高海拔梯度內(nèi)ESV減少。在坡度梯度上, ESV隨坡度增大而增大, 25年間最小坡度上ESV增長最多。地形位梯度上ESV的變化與坡度梯度相似, 即較低地形位梯度內(nèi)的ESV呈現(xiàn)較大增長。坡向變化中, 在東南方向上出現(xiàn)單位面積ESV最低值, 在西北方向上出現(xiàn)最高值, 25年間單位面積ESV增長最多的是東和西北方向。

3)不同土地利用類型與ESV變化在不同梯度上的相關(guān)性有明顯差異。在海拔梯度上, 草地面積與ESV呈極強(qiáng)正相關(guān)。在坡度梯度上, ESV與林地和草地面積呈極強(qiáng)正相關(guān), 而與耕地、水域和濕地面積呈極強(qiáng)負(fù)相關(guān)。在坡向梯度上, 耕地和未利用地面積與ESV呈極強(qiáng)負(fù)相關(guān), 林地面積與ESV呈極強(qiáng)正相關(guān)。在地形位梯度上, ESV與林地、草地面積呈極強(qiáng)正相關(guān), 與耕地、水域面積呈極強(qiáng)負(fù)相關(guān)。因此, 加強(qiáng)對(duì)林地和草地的保護(hù)可以促進(jìn)湘西地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的提高。

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Spatial-temporal changes of ecosystem service values in Xiangxi region based on terrain*

CHEN Yizhu1,2, XIAO Yi1, SUN Siqi1, GUO Luo1**

(1. College of Life and Environmental Sciences, Minzu University of China, Beijing 100081, China; 2. College of Urban and Environmental Sciences, Peking University, Beijing 100871, China)

To understand the change of land use and ecosystem service value (ESV) on different terrain gradients, this study used remote sensing data, field data and statistic data of Xiangxi region in 1990, 1995, 2000, 2005, 2010 and 2015 to analyze the change of each land use types along the gradients of elevation, slope, aspect and terrain index, which were classified into five levels by quantile method, respectively. The study also evaluated the ESV with XIE Gaodi’s method to explore the spatio-temporal change of ESV in Xiangxi region. And R Studio and Pearson correlations were used to analyze correlation between areas changes of different land use types and change of ESV with terrain gradients. The results showed that: 1) areas of different land use types were significantly different on different terrain gradients. The human-activity-affected cropland and construction land mainly distributed on low gradients of elevation, slope and terrain index, while the natural systems, such as forestland and grassland, were mainly on high gradients of the three terrain factors. The south and east slopes were with larger areas of each land use type. Forestland occupied about 70% area on every terrain gradient, and the construction land area significantly increased on every terrain gradient over 25 years. 2) ESV decreased first and then increased with increasing elevation. From 1990 to 2015, ESV increased at lower elevation gradient, however, change was slighter at higher elevation, and it even decreased on the highest elevation gradient. ESV increased with slope growth. Over 25 years, ESV increased most on the lowest slope gradient. In a similar way, ESV evenly increased with increasing terrain index gradient. ESV was the lowest in southeast slope, highest in northwest slope, and increased most in east and northwest slopes from 1990 to 2015. 3) Correlations between change of land use types areas and ESV with gradients of elevation, slope, aspect, terrain index were different. On elevation gradient, grassland area change significantly positively correlated with ESV change. On slope gradient, forestland and grassland areas changes both had extremely positive correlation with ESV change. On aspect gradient, cropland and unused land areas changes had extremely negative correlation with ESV change, while forestland had a significant positive correlation. On terrain index gradient, areas changes of forestland and grassland were significantly correlated with change of ESV. In summary, the changes of land use and ESV were obviously different regarding topography. Forestland and grassland were two important land use types for improvement of ESV in mountain area of Xiangxi region.

Land use change; Ecosystem service value; Terrain gradient; Terrain index; Xiangxi region

, E-mail: guoluo@muc.edu.cn

Aug. 8, 2018;

Dec. 3, 2018

10.13930/j.cnki.cjea.180751

S181

A

2096-6237(2019)04-0623-09

郭濼, 主要從事景觀生態(tài)學(xué)研究。E-mail: guoluo@muc.edu.cn

陳奕竹, 主要從事景觀生態(tài)學(xué)研究。E-mail: baggieChen@126.com

2018-08-08

2018-12-03

* This study was supported by the Key Research and Development Project of Chinese Ministry of Science and Technology (2017YFC0505601).

* 科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題(2017YFC0505601)資助

陳奕竹, 肖軼, 孫思琦, 郭濼. 基于地形梯度的湘西地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空變化[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(中英文), 2019, 27(4): 623-631

CHEN Y Z, XIAO Y, SUN S Q, GUO L. Spatial-temporal changes of ecosystem service values in Xiangxi region based on terrain[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2019, 27(4): 623-631