李 萱，李靜芝,2*

（1. 長沙理工大學，湖南 長沙 410076；2. 洞庭湖水環(huán)境治理與生態(tài)修復湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410076）

目前，利用GIS技術，結合遙感數(shù)據(jù)和生態(tài)模型，對區(qū)域進行LUCC數(shù)據(jù)統(tǒng)計，與ESV聯(lián)系制圖進行時空演變分析取得了豐富成果。李慶玲[1]等利用三省土地利用數(shù)據(jù)，研究景觀格局與生態(tài)系統(tǒng)服務功能的相互關系；吉瑋[2]等對愛輝區(qū)遙感影像進行分類，核算分析其生態(tài)系統(tǒng)服務價值。此外，已有學者在土地利用時空變化基礎上對研究區(qū)生態(tài)風險做出評價。呂樂婷[3]等引入景觀生態(tài)風險模型評估溪河流域生態(tài)狀況；朱潤苗[4]基于福建省土地利用數(shù)據(jù)定量評價其風險等級。

湘西州屬于我國西南部地區(qū)典型喀斯特地貌和武夷山脈疊加區(qū)，以山地丘陵為主，承載重要生態(tài)功能。截至目前，學者對其ESV時空演變及土地利用與生態(tài)系統(tǒng)服務關聯(lián)研究較少，生態(tài)風險評價研究有空缺。據(jù)此，本文以湘西州為例，借助遙感影像圖獲取土地利用數(shù)據(jù)，采用ESV 評估當量因子法，研究湘西州1990—2018年7期土地利用及生態(tài)系統(tǒng)服務價值時空變化和兩者相關性，并做出土地利用風險評價。為優(yōu)化區(qū)域土地利用及生態(tài)可持續(xù)發(fā)展提供參考，為維持湘西州生態(tài)系統(tǒng)健康穩(wěn)定提供借鑒意義，同時豐富丘陵區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值研究類型。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

湘西土家族苗族自治州（湘西州）位于湖南省西北部，云貴高原東側(cè)的武陵山區(qū)，處于109°10′～110°22.5′E， 27°44.5′～29°38′N 之間，坐落在湖南、湖北、貴州和四川四省交界處，是湖南省的“西北門戶”。面積約1.5 萬k㎡。屬中亞熱帶大陸性季風濕潤氣候區(qū)，四季分明。地勢由西北向東南傾斜，海拔主要分布于200～800 m 之間，地貌類型多樣，以山地為主，兼有丘崗及部分河谷平地。境內(nèi)的主要河流為沅江和酉水水系。2020年末全州常住人口248.8 萬人，城鎮(zhèn)化率50.7 %；全州實現(xiàn)生產(chǎn)總值725.11 億元。近年來隨著城市化快速推進，粗放土地利用方式導致湘西州生態(tài)服務發(fā)生改變。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文采用數(shù)據(jù)主要包括：①土地利用矢量數(shù)據(jù)：1990、1995、2000、2005、2010、2013、2018年的7期湘西州土地利用數(shù)據(jù)從中國地理國情監(jiān)測云平臺獲取；②時空修正因子數(shù)據(jù)：NPP、降水量數(shù)據(jù)來源于中國科學院；③社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)：全國及區(qū)域農(nóng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)、恩格爾系數(shù)及GDP 數(shù)據(jù)來源于1990—2018年的《湘西州統(tǒng)計年鑒》、《中國統(tǒng)計年鑒》、《全國農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編》。

為了方便ESV評估，根據(jù)湖南省土地利用分類標準和謝高地當量基礎表分類，將土地利用類型重分類為耕地、林地、草地、水域、未利用地和建設用地6大類，前5 類分別與生態(tài)系統(tǒng)分類中農(nóng)田、森林、草地、水域和荒漠對應。

2 研究方法

2.1 土地利用變化

利用GIS軟件，采用土地利用動態(tài)度[5]2種方法對湘西州土地利用變化進行分析。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估

2.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值當量表構建

本文應用謝高地[6]當量因子法，在其制定的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量表的基礎上，利用研究區(qū)NPP、降水和土壤保持調(diào)節(jié)的時空動態(tài)因子進行修訂，構建湘西州價值當量表。目前關于建設用地的生態(tài)效應有所爭議，其評估計算方法還有待商榷。因此，本文生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值評價中不考慮建設用地。結果采用1990—2018年時空修訂因子的平均值。

2.2.2 當量因子經(jīng)濟價值確定

一個標準當量因子的價值量為1 hm2農(nóng)田生產(chǎn)糧食的經(jīng)濟價值[7]，根據(jù)研究區(qū)糧食產(chǎn)量和價格求得。本文選取2018年全國糧食平均價格2.19 元/kg和1990—2018年湘西州平均糧食產(chǎn)量4143.06 kg/hm2，計算得出研究區(qū)單位生態(tài)系統(tǒng)服務當量因子為1298.08 元/hm2。

根據(jù)修訂后的當量因子表和標準當量經(jīng)濟價值得到湘西州生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)表（表1）。

表1 湘西州生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)/（元/hm2）

2.2.3 社會發(fā)展系數(shù)修訂

隨著社會進步、城市化進程加快，ESV 變化受支付意愿和支付能力的影響，在不同的社會階段影響不同[8]。本文采用社會發(fā)展系數(shù)修正ESV 測算。

式中，Dt為第t年的社會發(fā)展修正系數(shù)；W為支付意愿；A為支付能力；GDPst、GDPct分別為第t年研究區(qū)和全國人均GDP；En為第t年的恩格爾系數(shù)，Enu，Enr分別為第t年城鎮(zhèn)和農(nóng)村恩格爾系數(shù)，U 和R 分別為城鎮(zhèn)和農(nóng)村人口比例；Ls、Lc分別為湘西州和全國的社會發(fā)展系數(shù)。計算得出研究年份的社會發(fā)展修正系數(shù)分別為0.4271、0.3318、0.2553、0.2770、0.2803、0.3796、0.3924。

2.2.4 生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估模型

在以上修正基礎上，根據(jù)湘西州各土地利用類型面積，建立生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估模型。計算公式為：

式中，ESV 為生態(tài)系統(tǒng)服務總價值；Ai為第i 種土地利用類型面積；VCkij為修正后第i地類第j種生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值系數(shù)。

2.3 灰色關聯(lián)度分析

參照灰色系統(tǒng)理論[9]，計算1990—2018年各研究時段湘西州各地類分別與生態(tài)系統(tǒng)服務價值的關聯(lián)度。將湘西州5 種地類作為灰色關聯(lián)模型的比較數(shù)列，選取7 個研究年份的生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值為參考數(shù)列。

式中，ξi(k)為關聯(lián)度；為序列差；ρ為分辨系數(shù)，通常取常數(shù)0.5；ri為關聯(lián)度，得出的值越大表示兩者之間的關聯(lián)度越高，該地類對生態(tài)服務價值影響越大；當0＜ξi≤0.35，關聯(lián)度為輕度；當0.30＜ξi≤0.55，關聯(lián)度為中度；當0.55＜ξi≤0.75，關聯(lián)度為強度；當0.75＜ξi≤1，關聯(lián)度為極強度。

2.4 生態(tài)風險評價

本文在網(wǎng)格分析基礎上，參考相關研究[10]，根據(jù)土地利用結構構建生態(tài)風險指數(shù)，用于評價湘西州生態(tài)變化情況。

式中，ERI 為土地生態(tài)風險指數(shù)；Ai為格網(wǎng)內(nèi)地類面積；A 為格網(wǎng)面積；Wi為地類生態(tài)風險強度權重?；谙嫖髦輰嶋H，將其劃分為1 km×1 km 的網(wǎng)格生成生態(tài)風險指數(shù)空間分布圖，本文借鑒前人研究成果，將生態(tài)風險強度權重設置為：耕地0.32，草地0.16，水域0.53，未利用地0.82，林地0.12，建設用地0.85。

3 結果與分析

3.1 湘西州土地利用變化分析

1990—2018年28 a間，湘西州土地利用結構、地類面積占比次序未發(fā)生改變（圖1）。從地類結構來看，研究區(qū)內(nèi)以林地、耕地為主，研究期林地占比約71%，耕地占比約20%，未利用地比重最小，研究期內(nèi)占比不到0.01%。從面積變化來看，28 a間，耕地、草地、水域面積減少，林地、未利用地、建設用地面積增加，耕地減少數(shù)量最多，為8073.55 hm2；林地增加數(shù)量最多，為1279.95 hm2；受城鎮(zhèn)化進程的影響，建設用地規(guī)模明顯擴張，增加面積8358.95 hm2。1990年林地、耕地、草地、水域、未利用地、建設用地占比分別為70.54%、19.76%、8.12%、0.76%、0.01%、0.81%，到2018年分別為70.63%、19.24%、8.05%、0.74%、0.01%、1.35%。

圖1 1990、2018年湘西州土地利用類型面積變化

從動態(tài)度來看，28 a 間研究區(qū)土地利用綜合動態(tài)度較小，土地利用變化程度不高，2010年前土地利用變化程度比2010年后低。單一地類變化趨勢可分為遞增、先增后減、波動增減3種類型。遞增的為建設用地，先增后減的有耕地和草地，波動增減的有林地和水域。未利用地在所有地類中變化最劇烈，1990—2018年動態(tài)度為3.28%，其中2010—2013年間未利用地動態(tài)度最大，達到33.35%。變化劇烈程度排第2的為建設用地，以每年2.39%的速度增加，面積增長較為迅猛，主要分布在吉首市城區(qū)及周邊各縣區(qū)。受城鎮(zhèn)化、退耕還林政策及草地開墾和破壞力度加大的影響，耕地、草地呈現(xiàn)先增后減、整體減少趨勢；受1995年和2010年暴雨自然災害的影響，水域呈現(xiàn)增減波動趨勢；而作為主體地類的林地，28 a間波動增減，動態(tài)度僅為0.01%，面積較為穩(wěn)定，增減趨勢不明顯。

3.2 湘西州生態(tài)系統(tǒng)服務價值時空變化

3.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務價值時間變化分析

由圖2 可知，從總體來看，1990—2018年湘西州生態(tài)系統(tǒng)服務價值呈現(xiàn)先減后增趨勢，總價值在1990—2000年下降，2000—2018年上升，28 a 下降17.21 億元。一方面雖然林地和未利用地面積增加，但耕地、草地、水域面積減少；另一方面社會發(fā)展系數(shù)的變化對其造成影響。從各土地利用類型貢獻率來看，研究期內(nèi)林地的貢獻率一直居首位，在85%～86%之間波動，對湘西州ESV 有重要影響，且2018年比1990年高0.28%；其次是草地，貢獻率在5.98%～6.10%之間波動；水域和耕地的貢獻率相當，耕地在4.40%～4.52%之間，呈下降趨勢，水域在3.60%～3.80%之間波動；未利用地的貢獻率最低，在0.018%～0.037%之間，先增加再減少。

圖2 湘西州1990-2018年生態(tài)系統(tǒng)服務價值總量變化

由表2可知，28 a內(nèi)，除了未利用地，其他4種地類ESV 下降。細分來看，1990—2000年，所有地類ESV 減少；2000—2013年，所有地類ESV 增加；2013—2018年，耕地、林地、草地、水域4 類土地利用類型ESV增加，未利用地減少。1990—2018年，林地ESV 降低量最大，為14.24 億元；水域降低幅度最大，為11.12%，未利用地增加幅度最大，為76.34%。

表2 湘西州1990-2018年各土地利用類型的ESV變化/億元

3.2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值空間變化分析

本文基于格網(wǎng)分析[11]，將研究區(qū)劃分為若干個相同大小為1 Km×1 Km 的格網(wǎng)矩陣，將土地利用數(shù)據(jù)與格網(wǎng)數(shù)據(jù)關聯(lián)，根據(jù)上述公式計算出各格網(wǎng)的7個時間節(jié)點的地均ESV 值，利用GIS 自然間斷點分級方法將研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值分為5 個等級，即較低值、低值、中值、高值、較高值，并進行ESV空間特征分析。

1990—2018年湘西州生態(tài)系統(tǒng)服務價值空間分布格局總體變化小，表現(xiàn)出顯著的區(qū)域差異性；總體特征表現(xiàn)為東南部高于西北部，原因是東南部林地分布密集。ESV 較高值區(qū)集中在酉水和沅江水域范圍內(nèi)，高值區(qū)分布在瀘溪縣境內(nèi)的林地密集區(qū)，中值區(qū)以高程在500～1000 m 的山脈為主，集中在研究區(qū)西北部；低值區(qū)和較低值區(qū)受人類活動影響較大，分布在市縣建設用地集中范圍內(nèi)。

3.3 土地利用對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響

通過灰色關聯(lián)度分析（式4）出研究期內(nèi)耕地、林地、草地、水域和未利用地與生態(tài)系統(tǒng)服務價值的平均關聯(lián)度分別為0.6346、0.6417、0.6352、0.5869、0.6229。從高到低排序為：林地＞草地＞耕地＞未利用地＞水域；5種地類與其生態(tài)服務價值之間均存在強烈關聯(lián)性，土地利用變化對生態(tài)服務價值影響劇烈。從平均關聯(lián)度來看，林地關聯(lián)度最高，表明林地是影響研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值的重要因素，因此加強林地保護管理，恢復林地面積對湘西州生態(tài)價值提升十分重要，其次是耕地和草地。

3.4 土地生態(tài)風險評價

利用GIS 軟件，自然斷點法將評價結果按照0.15、0.2、0.26、0.45 為風險臨界閾值，分為較低風險、低風險、中風險、高風險和較高風險5 個等級。得出湘西州土地利用生態(tài)風險圖。

由表3 可知湘西州較低生態(tài)風險區(qū)和低生態(tài)風險區(qū)一直居主導地位，1990—2018年的主要變化為較低風險區(qū)和中風險區(qū)分別減少0.01%，高風險區(qū)增加0.02%。可見，城市化進程加快，城市建設用地增加對生態(tài)風險有明顯擾動，水域面積減少對生態(tài)安全有顯著影響，但湘西州優(yōu)越的自然本底保證其良好的生態(tài)狀況。1990—2018年高風險地區(qū)主要呈團狀和帶狀分布在鳳凰縣和吉首縣境內(nèi)建設用地密集處；中風險區(qū)顯著減少，由于研究期內(nèi)水域面積減少，城市建設活動沿水域展開，主要表現(xiàn)為酉水周邊地區(qū)生態(tài)風險等級增加；較低生態(tài)風險區(qū)主要分布在研究區(qū)西部和東北部，土地利用類型以耕地和林地為主。湘西州七期生態(tài)風險指數(shù)均值分別為0.172、0.169、0.172、0.172、0.173、0.173、0.175，略有波動且保持在0.2 低風險以下，但總體呈小幅上升。說明研究期內(nèi)湘西州整體生態(tài)安全狀況穩(wěn)定，憑借良好的自然本底和生態(tài)治理手段，研究區(qū)生態(tài)安全狀況較好。

表3 1990-2018年湘西州生態(tài)風險等級土地利用占比/%

4 討論與結論

4.1 結論

1）1990—2018年，林地、耕地為湘西州主體土地利用類型，兩者之和約占總面積的90%；耕地、草地、水域整體呈減少趨勢，林地、建設用地和未利用地整體呈增加趨勢。2013—2018年綜合土地利用動態(tài)度最高；28 a間，未利用地動態(tài)度最大。

2）1990—2018年，湘西州總體生態(tài)系統(tǒng)服務價值呈現(xiàn)先減后增趨勢，28 a間總價值減少17.21 億元，林地、耕地、草地、水域的ESV 降低，未利用地的ESV增加；林地對其貢獻率最大。未來湘西州土地利用應注重林地生態(tài)系統(tǒng)保護。

3）1990—2018年，ESV 空間表現(xiàn)出明顯的區(qū)域差異性，總體特征為東南部高于西北部。較高值區(qū)分布在水域范圍內(nèi)，高值區(qū)分布在林地密集區(qū)，中值區(qū)分布在500～1000 m 山脈范圍內(nèi)，較低值和低值區(qū)分布在建設用地范圍內(nèi)。

4）1990—2018年，湘西州土地利用類型與生態(tài)系統(tǒng)服務價值灰色關聯(lián)度結果顯示，林地＞草地＞耕地＞未利用地＞水域，林地對于研究區(qū)生態(tài)價值影響最劇烈。

5）1990—2018年，湘西州生態(tài)風險指數(shù)整體保持在0.2 低風險等級，研究期內(nèi)小幅上漲；較高風險區(qū)主要集中在建設用地密集區(qū)。

4.2 討論

1）本文在使用謝高地當量因子法時，為使方法適用于研究區(qū)，利用時空動態(tài)因子進行區(qū)域修訂，為避免不同社會發(fā)展階段帶來計算結果偏差，利用社會發(fā)展系數(shù)進行時間修訂，在時間序列方面ESV評估準確性提升。研究結果客觀，為丘陵區(qū)土地利用和生態(tài)服務提供理論依據(jù)和參考。

2）在實際情況中，建設用地對生態(tài)系統(tǒng)服務總價值存在增益或損益影響，本研究未考慮建設用地生態(tài)系統(tǒng)服務價值，存在一定局限性。

3）研究結果看出，28 a 來，研究區(qū)ESV 總量減少，與土地利用結構有強關聯(lián)。土地利用結構方面，林地、耕地為土地利用主導類型，對生態(tài)系統(tǒng)價值有強影響，未來應注重林地保育，耕地面積不減少質(zhì)量不降低，同時保護草地、林地，進一步提高土地集約節(jié)約利用水平。

4）在城市快速發(fā)展時期，湘西州生態(tài)風險受經(jīng)濟發(fā)展、土地利用格局影響；為維持改善湘西州良好生態(tài)狀況，要注重生態(tài)用地保護和生態(tài)風險水平管控。