洞庭湖區生態用地生態服務價值時空演化的地形梯度效應

戴云哲, 李江風

(中國地質大學(武漢) 公共管理學院, 武漢 430074)

生態用地作為地球的“腎”和“肺”，具有多種生態功能[1]，同時為人類提供了供給服務、調節服務、支持服務和文化服務[2]。在《全國生態環境保護綱要》中，生態用地數量和質量的保護被重點強調。2010年頒布的《全國主體功能區規劃》單獨提出了生態功能區的概念并在地方主體功能區規劃中落實到地塊。隨著生產建設對土地需求的逐年增長，生態用地被擠占的速度也隨之加快，生態環境面臨挑戰[3]。將生態系統提供的服務量化為生態服務價值能夠清晰直觀地了解其時空變化的趨勢[4]，并進一步進行環境承載能力和生態風險[5]等評估。目前生態服務價值的研究在方法主要從生態系統產品價值[6-7]和土地利用覆被[8-9]兩個角度入手，研究主要集中于對區域尺度或特定地類生態服務價值總量的測算和變化特征的描述[10-12]。在地形對土地利用[13]的影響引起關注后，有學者對生態服務價值的垂直空間分布進行了探索，發現不同土地利用類型所提供的生態服務價值隨地形起伏呈現出明顯的垂直分布規律[14-15]，但土地利用結構和生態服務價值時間演化的地形梯度效應有待進一步研究。

洞庭湖區囊括了湖泊、平原、山地等多種地貌形態，生態用地數量隨地形變化顯著，根據洞庭湖區大型湖泊流域的特殊性，結合土地的空間形態[16]、生態功能[17]和主體功能[18]等不同視角將生態用地定義為：除生產生活用地外，以提供生態服務功能為主的用地類型，具體到洞庭湖區包括濕地、林地和草地。受長期高強度農業生產與近年來快速城鎮化運動的影響，洞庭湖區存在湖泊萎縮、生態環境惡化等問題[19]。針對這些問題，退耕環湖、還林和濕地公園建設等生態修復與保護工程相繼實施，生態用地的變化也會更加活躍。通過不同時期生態用地及其生態服務價值垂直空間分布的變化，揭示洞庭湖區生態用地時空演化與生態服務價值的地形梯度效應，為合理配置生態用地的數量結構與空間布局和生態環境的保護與提升提供參考。

1　研究區概況

洞庭湖位于長江中游南岸，是我國第二大淡水湖，屬于過水性洪道型湖泊，綜合考慮了流域與行政區劃因素劃定的洞庭湖區涉及岳陽、益陽、常德市共計21個縣市區，以及湖北省的松滋、公安、石首等縣市，土地總面積為37 036.28 km2。洞庭湖區河網密布，生態要素高度聚集，對維護區域生態平衡有重要作用。20世紀大范圍的圍湖造田和造成了洞庭湖區濕地的劇烈萎縮，林地也因毀林開荒而明顯減少。1988年長江發生特大洪災后，為調節洞庭湖區水文調節和水源涵養功能，實施了退耕還湖、還林工程，洞庭湖區濕地和林地得到了有效保護和恢復。然而近年來隨著城鎮化進程的加速，建設用地擴張對耕地安全造成了威脅，在耕地紅線的壓力下，生態用地逐漸成為被占用的對象。

2　數據來源與研究方法

2.1　數據來源與處理

1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年6期土地利用覆被數據為中國科學院資源環境科學數據中心制作的中國遙感影像解譯數據，該解譯數據對全國土地利用覆被劃分了6個一級地類和25個二級地類，柵格分辨率為30 m×30 m[20]。從中提取生態用地，根據柵格數量及分布變化可計算出生態用地面積變化和轉移去向與來源。計算地形梯度所需的高程和坡度數據來源于地理空間數據云平臺(http:∥www.gscloud.cn)。

2.2　土地利用轉移速率和動態度

土地利用轉移速率是某土地利用類型在一定時期內的轉移量。計算公式如下：

(1)

式中：Mi為第i種土地利用類型的轉移速率；Aib，Aia分別為研究基期、末期第i種土地利用類型的總面積；t為研究時間段。

土地利用動態度代表研究區土地利用變化的綜合活躍程度[21]。其定義為：

(2)

式中：D土地利用綜合動態度；Ai研究基期第i類土地利用類型的面積；ΔAi-j為基期到末期第i類土地利用類型轉化為其他類型的數量；t為時間段；n為土地利用類型總數。

2.3　地形位指數和地形分布指數

高程和坡度對地理要素的分布都具有顯著影響，參照以往研究成果[13,22]，綜合考慮高程和坡度的空間差異，引入地形位指數，計算公式為：

(3)

土地利用類型分布指數無量綱的屬性規避了不同土地利用類型的轉移在不同地形梯度上分布頻率的可比性受到各梯度總面積差異帶來的量綱影響[23]，能夠表征不同地形梯度上各土地利用類型分布的頻率高低，定義如下：

(4)

式中：Lie為土地轉移類型分布指數；A為土地總面積；i為土地利用類型；e為地形梯度。Lie>1的區間為第i類土地利用類型分布的優勢地形區，Lie值越大，表明此土地利用類型在該地形梯度出現的頻率越高。土地轉移分布指數參考了土地利用類型分布指數，對不同地形梯度生態用地的轉移進行比較，反映生態用地的變化垂直分布特征，計算公式為：

(5)

式中：TsIke為土地轉移類型分布指數；TsA為土地轉移面積；k為土地轉移類型；e為地形梯度。TsAke>1的梯度為某土地轉移類型分布的優勢地形區，且出現的頻率隨TsIke值的增加而升高。

2.4　生態服務價值及其地形分布指數

在歸納歷史生態系統公益價值評價研究的過程中，Costanza等人提出了生態系統的服務功能的貨幣化計算方法[24]：

(6)

式中：ESV為生態服務總價值；Ai為第i種土地利用類型的總面積；VCi為單位面積第i種土地利用類型的生態服務價值。

謝高地等在該生態系統服務功能分類的基礎上，結合中國實際情況，定義了農田生態系統糧食生產的服務價值為1，其他生態系統服務價值與其比值為該生態系統當量因子的衡量標準[25]，并于2015年進一步改良和細化[26]。武愛彬等于2017年在壩上高原生態用地生態服務價值演變的研究中結合中國科學院資源環境科學數據中心制作的土地覆被數據中地類劃分的差異進行了相應調整[27]。綜合以上研究方法和研究成果，歸納得出洞庭湖區生態用地生態服務價值當量因子表(表1)，并以1 hm2農田生態系統糧食生產的凈利潤作為糧食生產的服務價值。為使不同時期的生態服務價值更具可比性，以《全國農產品成本收益資料匯編2015》中2015年洞庭湖區糧食收購價格均價為基礎(湖北省128.77元/50 kg，湖南省131.54元/50 kg)[28]，依據1990—2015年湖北省、湖南省統計年鑒中的糧食產量數據計算得出洞庭湖區在1990，1995，2000，2005，2010和2015年的農田生態系統糧食生產的服務價值分別為1 336.54，2 142.04，1 970.92，2 148.40，2 236.79，2 150.02元/hm2。

為了更準確地定位生態服務價值的優勢分布區間，參考土地利用類型分布指數的計算方法，獲得生態服務價值分布指數：

(7)

式中：LESVie為生態服務價值分布指數；ESV，A，i，e與土地利用類型分布指數的計算公式含義相同。若LESVie>1，則為優勢分布區，且LESVie值越大，在此梯度該類生態系統的服務價值越高。

表1　洞庭湖區生態用地單位面積生態服務價值當量因子

3　結果與分析

3.1　生態用地演化基本特征

3.1.1生態用地數量變化特征洞庭湖區1990—2015 年間生態用地由1990年的17 215.77 km2、占總用地的46.48%，增加到2015年的17 258.28 km2、占土地總量的46.59%。其中濕地數量增加，由6 192.45 km2增加至6 354.20 km2，所占土地總量的比例分別由16.72%，增加至17.16%；林地和草地數量下降，分別由10 588.69 km2、434.63 km2減少到10 514.01 km2、390.07 km2，所占土地總量的比例分別由28.59%，1.17%，減少到28.39%，1.05%。從生態用地數量的變化歷程來看，可歸納為3個時期：1990—2000年為穩定期，各類生態用地數量波動較小，總量小幅增加；2000—2010年為增長期，各類生態用地數量大幅增加，占土地總量的比例一度達到48.41%；2010—2015年為萎縮期，生態用地數量劇烈下降，抵消了前20 a的大部分增量(圖1)。

3.1.1生態用地結構變化的地形梯度效應按以上公式計算出地形位指數T(0～3.250 5)(圖2)，整體呈現出中間低，四周高的空間分布規律。將地形位指數等分為50個梯度，并劃分為低梯度(1～10)、中低梯度(10～20)、中高梯度(20～30)、高梯度(30～50)。由于水受重力影響向地勢低洼處匯集的自然特征，濕地主要分布在低梯度。林地分布指數從中梯度開始明顯增加，從中高梯度開始呈現為優勢分布區，且優勢程度隨地形梯度遞增。草地主要分布在高梯度，且比例隨地形梯度升高遞增，在梯度50出現遠高于其他地形梯度的峰值，中梯度是各類生態用地分布都較少的區域，也是人類生產生活的聚集區。各時期不同地類的分布規律相近，故僅列出1990年、2015年為例。

圖1洞庭湖區1990-2015年生態用地數量變化

圖2洞庭湖區地形位指數空間分布

對比1990年、2015年各地形梯度上的生態用地分布指數的變化可以發現：中低(10～20)、中高(20～30)梯度濕地分布指數減小，說明中低、中高梯度是人類活動的主要區域，耕地和建設用地的擴張占用了濕地；其中梯度(4～9)濕地分布指數增加明顯，是濕地面積增長的主要區域，也是20世紀圍湖造田集中發生的區間。林地分布指數在中低、中高梯度(10～30)減小，在低梯度(1～10)和高梯度(30～50)增大，這是由中低、中高梯度的非生態用地擴張與低梯度的生態林建設共同導致的現象。草地總量較小，因此波動幅度明顯大于濕地和林地，其分布指數在低梯度降低而在高梯度上升，一方面中梯度的人類活動導致草地面積減少，另一方面是由于洞庭湖水位的上升，湖畔大量草地轉化為沼澤(圖3)。

圖31990年、2015年不同地形梯度上生態用地分布指數

3.2　生態用地轉移特征

3.2.1生態用地轉移基本特征洞庭湖區1990—2015年期間生態用地綜合動態度為1.94%，草地轉移速率最快，為每年—0.69%；濕地和林地則以年均0.18%，-0.05%的速率轉移。1990—2000年期間生態用地綜合動態度為2.01%，生態用地的數量變化并不明顯，轉入和轉出處于穩定平衡的狀態，濕地和林地的轉入量略高于轉出量，只有草地的轉出規模較大，且去向以濕地為主。2000—2010年期間生態用地綜合動態度為3.24%，生態用地轉移速率明顯加快，總量以轉入為主，濕地數量的增長最為顯著，林地次之、草地增長面積較少，但增長比例較高。2010—2015年期間生態用地綜合動態度為3.57%，生態用地轉移速率進一步加快，綜合活躍程度更高，但生態用地的轉移方向變為以轉出為主，非生態用地擴張迅猛。

表2　洞庭湖區1990-2015生態用地轉移速率及綜合動態度　%

3.2.2生態用地及轉移的地形梯度分布特征由圖4可見，1990—2000年期間生態用地轉出和轉入基本平衡，轉出主要發生在中低和中高梯度(10～30)，峰值位于梯度18，是轉出比例最高的區域。生態用地轉入的優勢分布區則主要位于中高梯度(20～30)，然而峰值卻出現在梯度3，濕地的大量轉入是造成這一現象的直接原因。這段時期雖然生態用地總量波動較小，但在垂直分布上向更高地形梯度轉移。高梯度的生態用地的轉出和轉入在高梯度的活躍程度逐級遞減。

2000—2010年期間生態用地轉移以轉入為主，轉出在中梯度(10～20)的分布指數較上一期明顯下降，于梯度3出現峰值，而優勢分布區向中高梯度(20～30)集中，生態用地轉入的優勢分布區則明顯偏向中低梯度(10～20)。隨著退田還湖工程的推進，中低梯度的生態用地數量明顯增加。2010—2015年期間生態用地轉出和轉入優勢區的同步性較強，主要都活躍在中高梯度(10～30)，生態用地的保護與蠶食展開拉鋸，但從總量變化上看轉出明顯占優，生態用地數量大幅下降，以中梯度損失最為嚴重，是人類活動較為集中的區域。1990—2015年期間生態用地轉出主要發生在中低和中高低梯度(10～30)，也是城鎮和農業空間擴張的主要梯度，生態用地轉入主要集中于低梯度(3～10)，是退耕還湖的重點區域。梯度3在各時段生態用地的轉出和轉入都出現波峰，表明以濕地為主的梯度3是濕地和非生態用地相互轉移拉鋸最重要的梯度。

圖4　1990-2015年不同地形位上生態用地轉移分布指數

3.3　生態用地生態服務價值演化特征

3.3.1生態服務價值演化的基本特征洞庭湖區生態用地生態服務價值在1990—2015年期間由856.72億元增加到1 393.28億元，漲幅為62.63%。其中1990—2000年期間年均增長幅度為4.7%，受1988年、1998年兩次洪澇災害的沖擊，糧食減產嚴重，生態用地生態服務價值明顯低于其他年份。對比1990年和2000年的生態用地與生態服務價值變化，在洪水流量更大的情況下[29]，1998年受到的影響要明顯小于1988年，洞庭湖水文調節功能提高是重要因素。2000—2010年期間增長速率明顯放緩，但生態用地在各種生態建設工程的實施下大面積恢復，生態服務功能有明顯的實質性提升。2010—2015年期間生態用地受到快速城鎮化的影響快速減少，生態服務價值也有所下降。濕地和林地提供的生態服務價值較高，草地由于總量較小，提供的生態服務價值也較低。

3.3.2生態用地生態服務價值及變化的地形梯度分布特征由于濕地主要分布于低梯度，林地數量則隨梯度升高遞增，洞庭湖區生態用地生態服務價值的優勢分布區集中在低梯度(1～10)和高梯度(30～50)。而低梯度生態服務價值明顯高于高梯度則與濕地的單位面積當量因子較高有明顯的關聯，是典型的大型湖泊地區的共有特征。相比供給服務和支持服務，文化服務和調節服務更集中在低梯度。生態服務價值在地形梯度8，13分別出現兩次波峰，與濕地分布指數在梯度8，13出現波峰響應，說明低梯度和中梯度的生態服務價值由濕地主導。在梯度(20～50)，生態服務價值的分布趨勢與林地極為接近，表明林地貢獻了高梯度絕大部分的生態服務價值。草地由于總量很小，在各地形梯度提供的生態服務價值也較低，對生態用地生態服務價值的整體分布沒有顯著影響。

表3　1990-2015年生態用地生態服務價值變化

1990—2000年期間生態服務價值總量大幅增加，生態用地由中低梯度(10～20)和中高梯度(20～30)向高梯度(30～50)轉移的趨勢明顯，生態服務價值的流動方向與之基本同步，并在梯度3與生態用地轉入產生波峰響應，總量增加的同時在垂直空間上完成了重新配置(圖5)。2000—2010年期間中低梯度(10～20)生態用地大量恢復，生態服務價值分布指數也出現明顯增加，并在在梯度10形成波峰，生態用地轉入明顯高于轉出，是生態用地恢復成效最明顯的區域。梯度8，13的濕地數量較大，但變化并不明顯，生態服務價值分布指數變化出現波谷，增長并不如附近其他梯度明顯。梯度3為波谷，與生態用地轉出的波峰響應。2010—2015生態服務價值總量下降明顯，各梯度生態用地都有不同程度的減少，但主要集中在中梯度，表現為中低梯度(10～20)是生態服務價值下降最明顯的區域，生態服務價值的大幅下降在梯度10形成波谷，與2000—2010年期間分布指數在梯度10的波峰形成鮮明對比，非生態用地在梯度10附近的分布優勢極為顯著，這說明梯度10附近不僅是人類活動最為密集的地區，生態用地的流轉頻率也最高，穩定性最差。在中低梯度生態服務價值整體下滑的情況下，梯度8，13仍然與濕地分布產生波峰響應，生態服務價值下降較少，證明濕地對洞庭湖區生態服務價值的分布具有決定性作用，也是其穩定性的重要保障。

圖6　1990-2015年生態用地生態服務價值地形分布指數變化

1990—2015年期間，生態服務價值的增加主要集中在低梯度(1～10)，低梯度濕地的大規模恢復，減輕了核心湖區的生態服務壓力，高梯度林地的良好維護與保養使洞庭湖區各地形梯度的生態服務價值分布更加平衡。然而這樣的變化主要來源于2000—2010年期間退湖還田和生態林地建設，2010年后生態用地銳減的趨勢導致洞庭湖區的生態安全形勢依舊嚴峻。

4　結 論

(1) 洞庭湖區生態用地數量在研究期間呈先增加后減少的變化趨勢，其中濕地數量明顯增加，林地、草地數量減少。轉移速率最高的為草地，濕地次之，林地最低。洞庭湖區在2000—2010年期間實施的退耕還林、還草、還湖等生態工程使各類生態用地數量都有顯著增加，綜合動態度達到3.24%，活躍程度遠高于1990—2000年期間的2.01%，而2010—2015年城鎮化建設的快速推進，生態用地大幅減少，綜合動態度達到3.57%。生態用地轉移主要表現為草地向非生態用地、林地轉移，林地向草地轉移，濕地向非生態用地轉移。非生態用地主要轉移為草地和林地。

(2) 生態用地生態服務價值在1990—2015年期間從856.72億元增加到1 393.28億元，漲幅為62.63%，農田生態系統糧食生產的服務價值從1990年的1 336.54元/hm2提高到2015 年的2 150.02元/hm2是決定性因素，但在生態用地總量減少的情況下，濕地恢復也起到了至關重要的作用。

(3) 不同生態用地在地形梯度上表現出顯著差異。垂直分布特征大致保持三段模式：低梯度(1～10)為濕地的優勢分布區；高梯度(30～50)是林地和草地的優勢分布區。生態用地轉出和轉入在不同時期和地形梯度上交替進行。1990—2000年期間主要變現為生態用地總量變化不大，空間上向較高梯度轉移。2000—2010年各梯度生態用地數量都有明顯增加，以中低梯度為主，濕地恢復成效可觀。而2010—2015年期間非生態用地快速擴張，在中低梯度占據了數量龐大的生態用地。

(4) 1990—2015年期間低梯度濕地大面積增加，生態服務價值分布指數增長明顯，中梯度由于非生態用地的擴張導致分布指數的下降幅度大于高梯度區域。其中1990—2000年。2000—2010年期間梯度3濕地的大規模恢復極大地緩解了梯度1，2湖泊核心區的生態服務壓力，濕地生態服務功能得到顯著增強。但2010年后，中梯度濕地和林地大量減少，生態服務價值也隨之降低，與2000—2010年以生態用地恢復為主形成強烈反差，之前恢復的生態用地遭到快速蠶食，相比低梯度濕地生態系統有較高的政策保障和生態建設投入，中高梯度的林地、草地的保護存在較大隱患。

洞庭湖區是長江流域中段最重要的水文調節緩沖區，同時也是兩湖地區重要的生物多樣性寶庫，對維持兩湖地區的生態平衡有著不可或缺的作用。通過對最近25 a生態用地格局演變與生態服務價值變化在不同地形梯度上差異化分布的研究，揭示其垂直空間分布規律，有助于環保機構和部門進行更精準的生態管控和建設，在生態環境遭受快速城鎮化高強度沖擊的新形勢下采取切實有效的措施積極應對。

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