基于地形梯度的冀西北間山盆地生態系統服務價值評估
——以河北省懷來縣為例

石 垚, 袁大鵬, 趙雪杉, 封 乾, 牛志君, 王樹濤

(1.河北農業大學 資源與環境科學學院, 河北 保定 071000; 2.河北農業大學 國土資源學院, 河北 保定 071000)

生態系統服務功能是指人類賴以生存和維持生態過程的自然環境條件和效用[1-2]，它不僅包括各種生態系統為人類所提供的食物、醫藥和農業生產的原料，也是支撐和維持地球生命支持系統的重要組成部分[1]。土地利用變化(LUCC)不僅從地表結構上帶來巨大的變化，而且影響其生態過程，如物質循環和能量流動，并影響著整個生態系統的結構和功能，從而影響生態系統服務價值及其人類福祉[3-4]。伴隨著全球人口增長和城市化的發展，環境問題日益突出，生態系統服務受到越來越多的關注。探討土地利用變化(LUCC)與生態過程之間的相互影響和相互作用，對土地可持續利用、生態環境保護和區域生態安全等方面的研究具有重要意義[5]。

生態系統服務評估有多種方法，而采用經濟學的手段，從價值的角度可以更直觀的描述生態系統服務價值[6-7]。Costanza等[8]于1997年提出了一種來衡量全球生態系統服務價值的方法，謝高地等[9]結合中國實際情況建立了“中國生態系統單位面積生態系統服務價值當量”表，為我國生態系統服務價值核算以及演化過程提供重要依據[10]。國內大多數學者結合謝高地等[9]的研究成果，采用單位面積生態系統服務價值的平均值直接測算，或者通過生物多樣性、生物量等修正方法間接去估算區域生態系統服務價值[11]，通過建立的區域生態系統服務價值表，可以更為精確地表達研究區域生態系統服務價值的變化。近些年來國內學者主要從LUCC對生態系統服務價值的影響等方面來進行研究，然而，很少通過地形梯度上的土地利用變化對區域生態系統服務價值進行研究[12]。通過從不同地形梯度分析生態系統服務價值，能夠更全面的研究LUCC對生態系統服務價值的影響。

懷來縣地形分異明顯，南部和北部為山地，中部地區為平原，有較好的地形梯度特征。本文根據懷來縣地形梯度上的土地利用變化，通過對不同高程梯度和坡度梯度的分析，對懷來縣生態系統服務價值進行研究，同時對懷來縣敏感性指數進行測算為懷來縣生態環境建設及土地資源的合理利用提供理論支持。

1　研究區概況及數據處理

1.1　研究區概況

懷來縣位于河北省西北部，屬于張家口市，地處于燕山北側，永定河上游區域從中穿過，介于東經115°16′—115°58′、北緯40°4′—40°35′。懷來縣全境屬燕山山地，南部和北部為山地，中部為河谷平原，燕山支脈從西北和西南兩側包圍，因中部低，兩側高而被稱為“懷來盆地”，懷來縣主要有山地、河川平原和丘陵等地貌類型。全縣地處于暖溫帶大陸性季風氣候區，受地形及大氣環流影響，具有光照充足、雨熱同季、四季分明、日溫差大等特點。年平均降水為396 mm，南部和北部兩山偏多，年平均風速為2.3 m/s。懷來縣總面積為1 801 km2，其中河川平原占全縣總面積的35%左右，丘陵占全縣總面積的24.8%左右，山地占全縣總面積的41.7%左右。

1.2　數據來源及處理

本研究所用的土地利用現狀數據來源于2003年、2013年懷來縣的Landsat TM/ETM+遙感影像；地形數據來自中科院國際數據中心下載的DEM和Slop數據，分辨率為90 m。懷來縣2013年Landsat TM/ETM+遙感影像的二次多項式幾何校正通過ENVI 4.8軟件進行，確保校正后誤差小于0.5個像元。將糾正影像作為參考，采用Image to Image模塊對2003年遙感影像進行自動配準，并以行政區作為掩膜切割遙感圖像，遙感圖像的分類是通過監督分類和結合人機交互方法進行的，分別用代碼1，2，3，…，6表示，并通過地面測量數據(GPS現場測量)來測試解釋精度，隨機選擇多個樣本，使用混淆矩陣法進行評價分析，結果表明：2期遙感圖像分類的總體精度分別為83.21%和87.69%，解讀精度超過80%[13]。根據國家一級地類劃分標準，將該區域劃分為耕地、林地、建設用地、園地、水域、未利用地6大類。基于ArcGIS 10.2軟件，運用ArcGIS中自然間斷法依據地類特征將其高程分為6類，坡度梯度分為5類(圖1)，高程分別為0～600 m，600～900 m，900～1 200 m，1 200～1 500 m，1 500～1 800 m，1 800～2 100 m；坡度梯度分別為0°～2°，2°～6°，6°～15°，15°～25°，>25°。

從圖中可以看出，高程分布以600～900 m，900～1 200 m，1 500～1 800 m范圍居多，主要分布于懷來縣中南部和中北部地區，1 800～2 100 m范圍內分布最少；坡度在2°～6°，15°～25°范圍內分布較多，同樣分布于中南部和中北部地區，>25°范圍內分布最少。

2　研究方法

2.1　生態系統服務價值動態度

生態系統服務價值動態度指研究區某一段時間某種地類生態系統服務價值的變化[14]，它可以在一定程度上反應某種地類的土地利用變化，其動態度值越高，表明該地類土地利用變化越頻繁，動態度值越低，表明該地類土地利用變化越少，公式如下：

式中：Va，Vb分別為研究區某種地類研究期初和期末的生態系統服務價值；T為研究時間；EV為某種地類生態系統服務價值動態度。

圖1　研究區高程梯度和坡度梯度

2.2　生態系統服務價值測算

本文利用Costanza等[8]提出的生態服務價值計算公式，基于謝高地等[9]人建立的中國陸地生態系統單位面積服務價值的基礎上，陳影等[15]人結合研究區實際情況對其修正制定了懷來縣生態系統單位面積生態系統服務價值表(表1)，參照懷來縣生態系統單位面積生態系統服務價值表計算懷來縣生態系統服務價值，生態系統服務價值計算公式如下：

式中：ESV表示生態系統價值；Ai表示研究區第i類土地類型的面積；VCi為第i種地類生態系統服務價值的系數。

表1　懷來縣生態系統服務單位面積價值表　元/hm2

2.3　敏感性分析方法

借鑒相關研究成果[16-19]，運用經濟學中常用的彈性系數概念，計算價值系數的敏感性指數(CS)[20]，確定生態系統服務價值在時間的變化過程中對于價值系數的依賴程度。將各種地類的價值指數分別調整50%，來衡量生態系統服務總價值的變化。敏感指數計算公式如下：

式中：ESV表示生態系統總價值；VC表示生態系統服務價值系數；m，n分別為調整前后生態服務價值系數。如果CS>1，則ESV相對于VC是有彈性的；如果CS<1，則表明ESV是缺乏彈性的，比值越大，表明生態系統服務價值指數的準確性越高。

3　結果與分析

3.1　土地利用變化分析

由圖2分析可知，懷來縣土地利用主要以林地和未利用地為主，主要以南部和北部山地居多。2003—2013年期間，懷來縣園地、林地和建設用地面積呈增加趨勢，增長面積分別為7 077.63 hm2，4 331.36 hm2，157.12 hm2；水域、耕地和未利用地呈減少趨勢減少面積分別為4 190.84 hm2，3 292.74 hm2，207.3 hm2。具體變化區域為，園地增加的主要區域為官廳水庫西部山地，隨著人類社會經濟活動的擴大，部分耕地轉為經濟效益較好的園地；林地增加的主要區域為懷來縣南部和北部的山地，由于退耕還林工程的實施，將耕地坡度較大的區域退耕為林地，因此林地面積明顯增加，耕地面積減少；建設用地在中部河谷平原地區擴張明顯，其原因是該地區交通便利、地勢平坦和人口集中，隨著懷來縣經濟迅速發展，建設面積不斷增加；水域面積減少區域主要為懷來縣中部的官廳水庫周邊區域，主要原因為干旱加之人類生產生活對水資源的需求增加等因素；近些年人們對未利用地的開發及利用使其面積逐漸減少。

3.2　生態系統服務價值的時空特征

懷來縣生態系統服務價值分布及變化趨勢見圖3，其生態系統服務價值總體程南北高中部低的分布趨勢，生態系統服務價值高的地區主要分布于南北的山地地區，中部平原生態系統服務價值較低。2003—2013年懷來縣生態系統服務總價值增加0.38億元，其中建設用地和園地的生態系統服務價值動態度較高，增加生態系統服務價值分別為157.12萬元、7 077.63萬元，年遞增率分別為0.43%，0.19%，增加區域主要在中部平原區；耕地和水域的生態系統服務價值分別減少3 292.74萬元、4 190.84萬元，年遞減率分別為0.17%，0.16%，減少區域主要分布在北部山地和中部官廳水域地區。

圖3　懷來縣生態系統服務價值分布及變化趨勢

3.3　生態系統服務價值的地形梯度特征

懷來縣生態系統服務價值在高程梯度上呈先減少再增加的分布特征，分布不均。在0～600 m的高程梯度范圍內，50%的耕地生態系統服務價值集中于該梯度范圍，占該梯度總價值的13.8%。在600～900 m高程梯度范圍內，82.8%的水域、68.6%的建設用地和57.3%的園地生態系統服務價值主要集中于該高程梯度。高程梯度在900～1 200 m范圍內有34.2%林地和33.6%的未利用地生態系統服務價值，其他用地分布較少。在高程梯度為1 200～1 500 m范圍內各土地利用類型生態系統服務價值均較少。在1 500～1 800 m高程梯度內，主要有42.2%的林地生態系統服務價值集中在該梯度。在1 800～2 100 m高程梯度范圍內各土地利用類型生態服務價值最少，主要分布于南部和北部的山地地區。

根據高程梯度上生態系統服務變化圖(圖4)分析可知。在0～600 m高程梯度上，園地生態系統服務價值增加最多為4 869.87萬元，水域生態系統服務價值減少的最多，減少了3 958.10萬元，主要由于生產生活對水資源需求的增加及其干旱等因素，使其水域面積呈減少趨勢；600～900 m和900～1 200 m高程梯度內，耕地生態系統服務價值顯著減少，減少2 682.41萬元，主要是由于人類開發建設活動占用了大量的耕地以及部分耕地轉向了經濟效益較好的園地[13]；在1 200～1 500 m，1 500～1 800 m和1 800～2 100 m的高程范圍內，林地生態系統服務價值增加顯著為3 247.98萬元，生態保護政策的實施和退耕還林工程是其變化的主要原因。

圖4　基于高程梯度的生態系統服務價值變化

懷來縣生態系統服務價值在坡度上呈波浪型分布，在0°～2°和2°～6°坡度梯度內生態系統服務價值隨坡度的增加而增加，6°～15°坡度范圍內緩慢減少，在15°～25°坡度梯度內達到最大，>25°坡度范圍又逐漸減少。0°～2°坡度梯度主要分布于中部平原地區，該梯度內生態系統服務總價值為21 907.96萬元。15°～25°坡度梯度面積在該區分布最廣，其生態系統服務價值約為63 011.98萬元，達最大值，主要分布于南部和北部山地地區。

懷來縣坡度梯度上生態系統服務價值的變化見圖5。在0°～2°坡度梯度內，園地和林地的生態系統服務價值分別增加1 425.18萬元和278.71萬元，耕地和水域的生態系統服務價值分別減少1 495.27萬元和635.21萬元；在2°～6°坡度梯度內，園地的生態系統服務價值增加最多為4 285.09萬元，由于園地的經濟效益較好，懷來縣的耕地較多的轉變為園地，水域的面積在人類活動和自然環境的影響下日益減少，其生態系統服務價值減少最多為2 924.24萬元；6°～15°梯度范圍內，林地生態系統服務價值增加943.91萬元，水域生態系統服務價值減少600.7萬元；在15°～25°坡度梯度內，林地生態系統服務價值增加最多，為1 902.23萬元，該梯度主要分布與南部和北部山地地區，由于退耕還林工程的實施，懷來縣耕地的生態系統服務價值減少，林地生態系統服務價值增加；在大于25°坡度梯度內，林地的生態系統服務價值共增加450.66萬元，該梯度范圍主要分布于懷來縣東南部和東北部山地地區，該地區是林地生態服務價值增長的主要原因。

圖5　基于坡度梯度的生態系統服務價值變化

3.4　基于地形梯度的單項生態系統服務價值變化分析

水體具有最高的廢物處理生態系統服務功能，而懷來縣水域面積較少，因此大部分的廢物處理生態系統服務價值由耕地和林地提供。食物生產生態系統服務價值主要由耕地提供，其他土地利用類型的食物生產生態系統服務價值較低。懷來縣廢物處理和食物生產生態系統價值因耕地面積的大量的減少而導致供給服務大幅減少，其中食物生產生態系統服務價值為369.41萬元，廢棄物處理為1 542.36萬元。食物生產生態系統服務價值是當地居民的生存與發展的物質基礎，因此，食物生產價值的顯著減少應當引起有關部門的重視[12]。森林具有較高的土壤形成與保護、氣體調節和生物多樣性保護等生態系統服務價值，由于林地的增加，氣體調節、土壤形成與保護和生物多樣性保護等生態系統服務價值增多，分別為1 501.93萬元、1 497.85萬元、1 099.59萬元。

2003—2013年單項生態系統服務價值在高程梯度上變化見圖6。

在0～600 m高程梯度內，水源涵養、廢物處理、食物生產和娛樂文化均有不同程度的減少，分別減少1 096.48萬元、1 254.48萬元、30.53萬元、119.94萬元，其他單項生態系統服務價值均有所增加；高程梯度在600～900 m梯度范圍內，氣候調節、生物多樣性保護、原材料和娛樂文化等生態系統服務價值均有所增加，其他5項生態系統服務價值都有不同程度的減少；在900～1 200 m高程梯度內，除食物生產項的生態系統服務價值減少外，其他8項生態系統服務價值均增加；在1 200～1 500 m和1 500～1 800 m高程梯度內，各項生態系統服務價值均增加；在1 800～2 100 m高程梯度內，各單項生態系統服務價值未有明顯變化。

圖6　基于高程梯度的單項生態系統服務價值變化

圖7為各單項生態系統服務價值在坡度梯度上的變化。在坡度梯度0°～2°的范圍內，水源涵養、廢物處理和食物生產等的生態系統服務價值均有所減少，其他各單項生態系統服務價值均增加；在2°～6°坡度梯度內，水源涵養與廢物處理生態系統服務價值均減少最多，分別為697.42萬元、993.84萬元，氣體調節、氣候條件、土壤形成與保護、生物多樣性和原材料的生態系統服務價值均增長最多；在6°～15°，15°～25°和大于25°范圍內各單項生態系統服務價值增減程度不一。

圖7　基于坡度梯度的單項生態系統服務價值變化

3.5　敏感性分析

通過將研究區各土地利用類型的價值系數分別上下調整50%，并計算出研究區2003年、2013年2期各土地利用類型的敏感性指數(圖8)。研究結果表明，懷來縣所有地類生態系統服務價值系數(VC)的敏感性指數(CS)均小于1，并且都接近于0，從高到低分別為耕地、園地、林地、水域、未利用地、建設用地，說明研究區內生態系統服務總價值(ESV)對生態系統服務價值系數(VC)缺乏彈性，通過懷來縣生態系統服務價值系數核算的結果是可信的。

圖8　研究區敏感性指數

4　結 論

懷來縣在2003—2013年期間園地、林地和建設用地面積呈增加趨勢；水域、耕地和未利用地呈減少趨勢；懷來縣生態系統服務價值在2003—2013年共增加了0.38億元，增加區域主要為中部平原區，以建設用地和園地為主；生態系統服務價值在高程上呈南北高、中部低的分布趨勢，主要集中于600～900 m高程梯度內，在坡度上隨坡度的增加呈波浪型變化，在15°～25°坡度梯度內達到最大值；單項生態系統服務價值中，由于水域和耕地面積的減少，水源涵養、廢物處理和食物生產等生態系統服務價值損失嚴重，分別損失539.53萬元、1 542.36萬元、369.41萬元，應引起高度重視；懷來縣各地類生態系統服務價值(ESV)對于價值系數(VC)的敏感性指數均小于1，表示缺乏彈性，說明本文所采用的懷來縣生態服務價值系數是可信的。

本文從地形梯度上對懷來縣生態系統服務價值進行評估，可為懷來縣生態環境建設及土地資源的合理利用提供理論支持。在今后的研究中，應當結合修正不同梯度范圍內的單位面積生態系統服務當量，從而更加精確的計算出不同梯度范圍內的生態系統服務價值。

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