方朂錫向麗蒲婕張奇陳虎涂怡孫毅

(1.湖北民族大學(xué)生物資源保護(hù)與利用湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 恩施 445000；2.鶴峰縣走馬鎮(zhèn)綜合行政執(zhí)法大隊(duì)，湖北 鶴峰 445800)

生態(tài)系統(tǒng)作為人類(lèi)生存和發(fā)展的基礎(chǔ)[1]，為人類(lèi)提供產(chǎn)品和服務(wù)[2]，其服務(wù)主要包括供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、文化服務(wù)和支持服務(wù)[3]。土地利用作為人類(lèi)活動(dòng)與環(huán)境因子交互最為密切的環(huán)節(jié)[4]，其結(jié)構(gòu)變化會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)格局和功能產(chǎn)生影響，從而改變生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的價(jià)值[5]。格網(wǎng)是表達(dá)空間分布格局的重要方法和手段，可用于定量分析空間異質(zhì)性和精細(xì)化表達(dá)空間信息[6]。通過(guò)核算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(Ecosystem Services Value，ESV)，可量化生態(tài)系統(tǒng)對(duì)人類(lèi)社會(huì)的貢獻(xiàn)，為制定生態(tài)保護(hù)政策、構(gòu)建生態(tài)安全格局提供重要的決策支持和指導(dǎo)。

關(guān)于ESV評(píng)估的研究成果已較為豐富，Costanza等[7]對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能進(jìn)行了分類(lèi)和定量評(píng)估，國(guó)內(nèi)學(xué)者謝高地等[8]在該研究基礎(chǔ)上針對(duì)中國(guó)不同陸地生態(tài)系統(tǒng)制定了ESV當(dāng)量因子表，并于2015年對(duì)該方法進(jìn)行了改進(jìn)和發(fā)展，形成了改進(jìn)的ESV當(dāng)量因子法[9]。學(xué)者在ESV的價(jià)值估算、時(shí)空變化、情景模擬、驅(qū)動(dòng)力等領(lǐng)域進(jìn)行了豐富研究，目前的估算成果涵蓋全球、國(guó)家、省市縣、城市群和流域等不同空間尺度，以及森林、農(nóng)田、草地等各類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)。雖然有關(guān)ESV的研究已經(jīng)較為成熟且取得豐富的成果，但在研究?jī)?nèi)容方面，基于土地利用變化、空間自相關(guān)分析等方面探討ESV時(shí)空分布特征、集聚特征已成為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究的熱點(diǎn)，同時(shí)，在研究尺度方面，以格網(wǎng)作為研究單元進(jìn)行格網(wǎng)尺度上較高精度研究成為ESV估算及空間演變特征探究的新技術(shù)和趨勢(shì)。

因此，基于湖北省恩施州2000年、2005年、2010年、2015年和2020年5期土地利用數(shù)據(jù)，采用改進(jìn)的ESV當(dāng)量因子法、空間自相關(guān)分析等方法，探究恩施州土地利用和ESV動(dòng)態(tài)變化特征及格網(wǎng)尺度下的ESV和ESV變化量時(shí)空分布格局，對(duì)于了解恩施州生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)格局，合理配置土地資源，促進(jìn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展，促進(jìn)人與自然和諧共生具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

恩施土家族苗族自治州(簡(jiǎn)稱恩施州)，位于湖北省西南部，國(guó)土面積2.4萬(wàn)km2，位于E108°23′12″～110°38′08″，N29°07′10″～31°24′13″，下轄恩施、利川等2個(gè)縣級(jí)市，巴東、建始、咸豐、宣恩、來(lái)鳳、鶴峰等6個(gè)縣。恩施州地理特征獨(dú)特，其地勢(shì)西北和東南部較高，而中部相對(duì)較低，呈現(xiàn)東北至西南縱裂的地帶，是典型山地城市。恩施州擁有豐富的自然資源和獨(dú)特的自然景觀，森林覆蓋率高，是省重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)。

圖1 恩施州行政區(qū)劃及高程

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本研究使用的主要數(shù)據(jù)：2000年、2005年、2010年、2015年和2020年5期土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)年度土地覆蓋數(shù)據(jù)集(annual China Land Cover Dataset，CLCD)(https：//zenodo.org/)，分辨率為30m，根據(jù)研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)和土地利用現(xiàn)狀分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 21010-2017)[10]，將恩施州地類(lèi)重分類(lèi)為耕地、林地、草地、水域和建設(shè)用地；高程數(shù)據(jù)來(lái)源于ASF DAAC(https：//search.asf.alaska.edu/#/)的ALOS PALSAR 12.5m，分辨率為12.5m；行政區(qū)劃數(shù)據(jù)來(lái)源于湖北省地理信息公共服務(wù)平臺(tái)(https：//hubei.tianditu.gov.cn/)標(biāo)準(zhǔn)地圖，地圖審圖號(hào)為鄂S(2023)009號(hào)；農(nóng)作物播種面積、產(chǎn)量、價(jià)格數(shù)據(jù)來(lái)源于《恩施州統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國(guó)農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》和《全國(guó)農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編》。

為了實(shí)現(xiàn)ESV數(shù)量、變化量的空間可視化表達(dá)，本研究結(jié)合恩施州實(shí)際情況、數(shù)據(jù)分辨率、計(jì)算的工作量等因素以及相關(guān)研究成果，采用等間距網(wǎng)格法將恩施州劃分為24061個(gè)1km×1km的格網(wǎng)作為評(píng)價(jià)單元，計(jì)算各格網(wǎng)ESV總量和變化量，每個(gè)格網(wǎng)的面積為100hm2。

2.2 研究方法

研究方法主要分為基于土地利用數(shù)據(jù)和改進(jìn)的ESV當(dāng)量因子法，分析恩施州土地利用以及ESV在時(shí)間、數(shù)量上的動(dòng)態(tài)演變規(guī)律；在格網(wǎng)尺度上利用空間自相關(guān)分析及熱點(diǎn)分析等方法探究ESV分布及ESV變化量的集聚和時(shí)空分布特征。

2.2.1 土地利用動(dòng)態(tài)度

土地利用動(dòng)態(tài)度從定量角度對(duì)土地利用變化幅度進(jìn)行描述，對(duì)于比較不同土地利用變化區(qū)域的差異以及預(yù)測(cè)未來(lái)土地利用變化趨勢(shì)具有積極作用，計(jì)算公式[11]：

(1)

式中，K為某地類(lèi)的動(dòng)態(tài)度；Ua、Ub分別為研究初期、研究末期某地類(lèi)的面積，hm2；T為研究時(shí)間間隔。當(dāng)T為年時(shí)，K為某地類(lèi)的年變化率，K越小，說(shuō)明該地類(lèi)轉(zhuǎn)為其他地類(lèi)的數(shù)量越少，該地類(lèi)在研究期內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定。

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

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)當(dāng)量因子法將1個(gè)ESV當(dāng)量因子的經(jīng)濟(jì)價(jià)值確定為研究區(qū)年平均糧食單產(chǎn)市場(chǎng)價(jià)值的1/7(式2)[8，12]。通過(guò)查閱研究期間《恩施州統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國(guó)農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》和《全國(guó)農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編》，得知馬鈴薯、稻谷、玉米為恩施州主要糧食作物種類(lèi)，獲得主要糧食作物的播種面積、產(chǎn)量及價(jià)格，由式(2)計(jì)算得到恩施州ESV當(dāng)量因子價(jià)格Ea為1680.96元·hm-2。再以改進(jìn)的單位面積ESV當(dāng)量因子表[9]為基礎(chǔ)，考慮恩施州的實(shí)際情況對(duì)ESV當(dāng)量進(jìn)行修正，由修正的當(dāng)量和當(dāng)量因子價(jià)格計(jì)算得到恩施州各土地利用類(lèi)型ESV，見(jiàn)表1。

(2)

表1 2000—2020年恩施州ESV當(dāng)量及各土地利用類(lèi)型ESV

式中，Ea為1hm2的ESV當(dāng)量因子的價(jià)格，元·hm-2；i為糧食作物的種類(lèi)；j為主要糧食作物的總種類(lèi)數(shù)；mi為第i種糧食作物播種的總面積，hm2；pi為第i種糧食作物的平均價(jià)格，元·t-1；qi為第i種糧食作物面積單位平均產(chǎn)量，t·hm-2；M為所有糧食作物的總播種面積，hm2。

ESV計(jì)算公式[12]：

(3)

式中，Ar為土地利用類(lèi)型r的面積，hm2；VCr為土地利用類(lèi)型r的ESV，元·hm-2。

2.2.3 空間自相關(guān)分析與熱點(diǎn)分析

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

3 研究結(jié)果與分析

3.1 土地利用動(dòng)態(tài)變化分析

2000—2020年恩施州土地利用結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)變化結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，林地在研究期內(nèi)一直是恩施州的主要地類(lèi)，其面積在2000年、2005年、2010年、2015年和2020年分別占總面積的82.87%、85.93%、85.93%、82.61%和81.54%，總量保持相對(duì)穩(wěn)定；其次是耕地，各期占比分別為16.67%、13.65%、13.57%、16.73%和17.73%；建設(shè)用地、水域的面積占比較少，5個(gè)時(shí)期的平均面積分別占比0.28%和0.18%；草地面積占比最小，僅占0.09%。20年間恩施州耕地的增加量最多，共增長(zhǎng)255.84hm2，建設(shè)用地和水域面積也持續(xù)增加，林地和草地面積大幅減少，其中林地減少量最多，達(dá)到-318.52hm2，主要是人口增加、工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展等因素引起人們對(duì)生產(chǎn)和生活用地需求的改變，從而改變了土地利用結(jié)構(gòu)。

表2 2000—2020年恩施州土地利用結(jié)構(gòu)及動(dòng)態(tài)度

從土地利用動(dòng)態(tài)度來(lái)看，建設(shè)用地的增加速度最為突出，動(dòng)態(tài)度高達(dá)9.32%，其次是水域和耕地，其動(dòng)態(tài)度分別為3.04%和0.32%，相反，林地的減少速度最為顯著，動(dòng)態(tài)度為-3.16%，相對(duì)而言，林地的變化總體上趨于穩(wěn)定，主要因?yàn)榱值乜偭看螅淙允歉睾徒ㄔO(shè)用地?cái)U(kuò)張的主要來(lái)源地類(lèi)。

3.2 ESV時(shí)間變化分析

2000—2020年恩施州ESV總量構(gòu)成和變化特征結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，恩施州5個(gè)時(shí)期的ESV總量分別為742.18億元、765.33億元、767.82億元、745.37億元和737.80億元，總量保持相對(duì)穩(wěn)定態(tài)勢(shì)，未見(jiàn)劇烈波動(dòng)；不同生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型的服務(wù)價(jià)值呈現(xiàn)出林地>耕地>水體>草地>建設(shè)用地的數(shù)量特征。其中，水域和耕地的ESV增加，分別增加3.82億元和1.72億元；林地和草地的ESV減少，分別減少9.21億元和0.71億元。從不同地類(lèi)的ESV貢獻(xiàn)總量而言，林地和耕地為生態(tài)服務(wù)價(jià)值貢獻(xiàn)的主體，其中林地ESV的貢獻(xiàn)率最大，平均占總量的94%左右，而草地ESV的貢獻(xiàn)率最小，占比0.1%左右。

表3 2000—2020年恩施州各土地利用類(lèi)型ESV及占比

3.3 ESV空間格局分析

2000—2020年恩施州格網(wǎng)尺度上ESV的空間分布格局見(jiàn)圖2a～2e。由圖可知，恩施州5個(gè)時(shí)期的ESV空間分布特征基本一致，整體呈現(xiàn)出“東南高、西北低、局部分散”的空間分布格局，空間集聚效應(yīng)顯著水平較高。其中，ESV高值區(qū)主要分布在清江、長(zhǎng)江等水系流經(jīng)的區(qū)域，呈現(xiàn)出按水系分布的趨勢(shì)，這是由于水體的水文調(diào)節(jié)作用強(qiáng)，當(dāng)量因子系數(shù)大；位于恩施州東南部的宣恩縣、鶴峰縣是較高值區(qū)，該地區(qū)屬于中低山區(qū)地貌，地勢(shì)相對(duì)較高，植被覆蓋率高，且建有多個(gè)國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，區(qū)內(nèi)受人類(lèi)活動(dòng)影響較??；低值區(qū)主要分布在恩施州西北部和各縣市城區(qū)，這些地區(qū)的地勢(shì)較為平坦，用地類(lèi)型以耕地和建設(shè)為主，特別是恩施市、利川市、巴東縣和建始縣的城區(qū)，其土地開(kāi)發(fā)利用程度較高，建設(shè)用地規(guī)模較大，使得ESV總量較低。

圖2 2000—2020年恩施州ESV和ESV變化量空間分布格局

2000—2020年恩施州格網(wǎng)尺度上ESV的變化見(jiàn)圖2f。由圖可知，恩施州ESV減少量為0～100萬(wàn)元的格網(wǎng)數(shù)量最多，分布在恩施州的大部區(qū)域，東南部最為密集；其次是增加量為0～100萬(wàn)元的格網(wǎng)，主要分布在恩施州北部、西部以及來(lái)鳳縣，存在一定破碎化現(xiàn)象；ESV變化量超過(guò)100萬(wàn)元的格網(wǎng)較少，其中恩施市城區(qū)的減少量最大，巴東縣北部的增加量最大?？傮w上，ESV減少格網(wǎng)數(shù)量大于增加格網(wǎng)數(shù)量，進(jìn)一步說(shuō)明研究期內(nèi)恩施州ESV總量減少，因此，在未來(lái)土地利用上應(yīng)更重視生態(tài)用地的保護(hù)。

3.4 ESV空間自相關(guān)分析

恩施州2000年、2005年、2010年、2015年和2020年的全局Moran′s I分別為0.578、0.512、0.475、0.499和0.507，說(shuō)明恩施州ESV的空間分布具有較強(qiáng)的正向自相關(guān)性，存在空間集聚效應(yīng)，且隨著時(shí)間的推移，這種空間集聚效應(yīng)保持著一定的一致性。2000—2020年恩施州格網(wǎng)尺度上ESV的空間自相關(guān)分析結(jié)果見(jiàn)圖3，由圖3可知，恩施州ESV高值、低值聚集特征明顯，高值在宣恩縣、鶴峰縣顯著聚集，這與當(dāng)?shù)亟⒌钠哝⒚蒙?、木林子?guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)等生態(tài)保護(hù)措施關(guān)系密切；低值在恩施市、利川市、來(lái)鳳縣城區(qū)等地聚集，與各縣市近年來(lái)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展、擴(kuò)張模式有一定關(guān)系，說(shuō)明ESV在空間上的分布格局受土地利用結(jié)構(gòu)和城市發(fā)展的影響。

圖3 2000—2020年恩施州ESV的LISA分布圖

3.5 ESV變化量熱點(diǎn)分析

將恩施州2000—2005年、2005—2010年、2010—2015年、2015—2020年和2000—2020年5個(gè)時(shí)段的ESV變化量進(jìn)行熱點(diǎn)分析，選擇置信度在90%以上的具有統(tǒng)計(jì)顯著性的“冷點(diǎn)區(qū)”和“熱點(diǎn)區(qū)”，得到ESV變化量冷熱點(diǎn)區(qū)統(tǒng)計(jì)表和空間分布圖見(jiàn)表4、圖4。由表4可知，5個(gè)時(shí)段的冷點(diǎn)區(qū)、不顯著區(qū)、熱點(diǎn)區(qū)分別占比10%、13%和70%左右，其中2010—2015年的變化量冷點(diǎn)區(qū)和熱點(diǎn)區(qū)占比最大，分別達(dá)18.37%和16.85%。20年間，冷點(diǎn)區(qū)由6.20%增加到16.22%，熱點(diǎn)區(qū)由12.98%增加到13.93%，總體上ESV冷點(diǎn)區(qū)面積的增加比例大于熱點(diǎn)區(qū)面積，這也說(shuō)明恩施州在城市發(fā)展進(jìn)程中，也在積極推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)。

表4 2000—2020年恩施州ESV變化量冷熱點(diǎn)區(qū)統(tǒng)計(jì)表

圖4 2000—2020年恩施州ESV變化量冷熱點(diǎn)空間分布圖

由圖4可知，在空間分布上，ESV變化量熱點(diǎn)區(qū)主要分布在來(lái)鳳縣、巴東縣北部和利川市西部等區(qū)域，冷點(diǎn)區(qū)主要分布在恩施市中部、咸豐縣西部以及各縣市城區(qū)，其他區(qū)域熱點(diǎn)區(qū)、冷點(diǎn)區(qū)多零散分布。通過(guò)疊加土地利用數(shù)據(jù)和遙感目視解譯可以發(fā)現(xiàn)，其空間分布特征與土地利用變化特征類(lèi)似：熱點(diǎn)區(qū)出現(xiàn)的原因多是形成林地、水域等生態(tài)用地；冷點(diǎn)區(qū)則是由于城區(qū)擴(kuò)張占用林地、耕地和草地等原因?qū)е轮脖黄茐?，造成ESV的損失。

4 結(jié)論

本文選取恩施州2000—2020年5期土地利用數(shù)據(jù)，利用改進(jìn)的ESV當(dāng)量因子法、空間自相關(guān)分析與熱點(diǎn)分析等方法，分析恩施州土地利用和ESV動(dòng)態(tài)變化特征及格網(wǎng)尺度下的ESV和ESV變化量時(shí)空分布格局特征，以期為恩施州生態(tài)保護(hù)開(kāi)發(fā)、保障生態(tài)安全等提供一定支撐。主要結(jié)論如下。

2000—2020年，林地是恩施州的主要地類(lèi)，平均占總面積的80%以上，耕地增加量最大，為255.84hm2，林地減少量最多，為-318.52hm2。建設(shè)用地增加速度最快，其動(dòng)態(tài)度為9.32%；林地減少速度最顯著，其動(dòng)態(tài)度為-4.35%，是耕地和建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的主要來(lái)源地類(lèi)。

2000—2020年，恩施州ESV總量保持相對(duì)穩(wěn)定態(tài)勢(shì)，林地和耕地是ESV貢獻(xiàn)的主體，草地的貢獻(xiàn)率最小，不同生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型的服務(wù)價(jià)值呈現(xiàn)林地>耕地>水體>草地>建設(shè)用地的數(shù)量特征。

5個(gè)時(shí)期的ESV分布特征基本一致，整體呈現(xiàn)出“東南高、西北低、局部分散”的空間分布格局，空間集聚效應(yīng)顯著水平較高。ESV減少量為0～100萬(wàn)元的格網(wǎng)數(shù)量最多；恩施市城區(qū)的減少量最大，巴東縣北部的增加量最大，其格網(wǎng)的ESV變化量超過(guò)100萬(wàn)元。

各時(shí)期全局Moran′s I分別為0.578、0.512、0.475、0.499和0.507，說(shuō)明ESV的空間分布具有較強(qiáng)的正向自相關(guān)性，并在時(shí)間上保持較高程度的一致性；ESV變化量高值、低值聚集特征明顯，高特征值在宣恩縣、鶴峰縣顯著聚集，低特征值在恩施市、利川市、來(lái)鳳縣城區(qū)等地聚集。

20年間ESV變化量“冷點(diǎn)區(qū)”和“熱點(diǎn)區(qū)”均增加，2010—2015年ESV變化最為顯著，冷點(diǎn)區(qū)和熱點(diǎn)區(qū)占比分別為18.37%和16.85%。熱點(diǎn)區(qū)主要分布在來(lái)鳳縣、巴東縣北部和利川市西部等區(qū)域，冷點(diǎn)區(qū)主要分布在恩施市中部、咸豐縣西部以及各縣市城區(qū)。