喀斯特槽谷區土地利用轉型過程對生態系統服務價值的影響

王 權, 李陽兵, 黃 娟, 胡先培, 鐘盛楠

(貴州師范大學 地理與環境科學學院, 貴陽 550025)

土地利用轉型是土地利用形態在時序上轉變，其通常與社會經濟和社會發展的驅動機制下相對應階段土地利用形態(包括顯性形態和隱性形態)在空間上發生轉變過程[1-2]。土地利用轉型最早是由英國慈利大學Grainger教授在研究以林業為主的國家研究土地利用時提出來的，隨后該研究方向由龍花樓、陸大道等學者引入中國并結合中國當地社會經濟發展模式對區域土地利用轉型進行開展研究[3]。土地利用轉型研究是土地利用/覆被變化(LUCC)綜合研究的新途徑[4]，也是生態環境質量多學科研究的重要內容和生態環境系統對土地利用轉型的合理表征。生態系統服務價值是當今應用生態學、環境學、人文地理學、土地科學等學科研究新熱點[5]。土地是人類社會活動空間的主要載體，為人類提供生活物質保障[6-7]。土地利用對維持生態環境系統具有決定性作用，其土地利用方式的轉變引起了土地利用結構和功能變化，進而導致土地利用/覆被在空間上分布格局，因此對土地資源承載力和生態系統服務價值造成影響[8-9]。通過對土地利用轉型過程分析，定量與定性相結合判斷出區域性生態系統服務價值具有重要意義[10]。隨著我國快速社會經濟發展背景下土地利用轉型特征越來越明顯，其研究領域也越來越得到普遍關注。國內關于土地利用轉型方面的研究趨于成熟，最早龍花樓、李秀彬教授對區域土地利用轉型—以長江沿線樣帶為例，闡述了區域性土地利用轉型與社會經濟階段性相對應[11]。張柏林等對中國山區農村土地利用轉型解析，闡述了山區土地開發及其導致的資源環境問題是農業社會人地關系緊張的體現,工業化、城鎮化進程中勞動力轉移減輕了山區農村土地的人為擾動，由此驅動土地利用發生轉型,引發一系列自然和社會經濟效應[12]。劉永強等研究了土地利用轉型的生態系統服務價值效應分析—以湖南省為例，探討出土地利用轉型對生態系統服務價值影響，從而需要更加合理優化土地資源配置，因地制宜科學規劃土地利用格局[13]。根據以上學者專家研究發現，他們都是對自然條件優越和社會經濟發達地區土地利用轉型進行研究。

西南喀斯特是生態環境較脆弱區域，社會經濟滯后，喀斯特槽谷是典型的喀斯特地貌，地勢起伏大，土地利用空間格局差異顯著，在社會經濟快速發展和土地利用轉型的大背景下，槽谷區是否存在土地利用轉型現象，其生態效應如何？需值得進一步探討。基于此，本研究選取貴州省印江縣、德江縣、沿河縣三縣交界處的喀斯特槽谷典型地貌單元進行分析近12 a來土地利用轉型對生態系統服務價值影響研究，揭示在快速的城鎮化和工業化等社會經濟變化背景下土地利用形態轉型對生態系統服務價值在時空上變化狀況，反映出生態環境承載力，進一步探討出喀斯特槽谷區土地利用轉型對生態系統服務演變規律，以期為科學協調喀斯特槽谷區土地可持續利用與生態環境保護提供參考。

1 研究區概況

本研究區域位于貴州省德江縣、沿河縣和印江縣的交界處，由位于德江縣楓香溪鎮、沿河縣譙家鎮的西部槽谷、印江縣杉樹鎮的中部槽谷、印江縣沙子坡鎮的東部槽谷組成。三條槽谷北東向排列，其坐標位置為東經108°21′48″—108°32′37″和北緯28°12′41″—28°26′35″，海拔為380～1 280 m，最低海拔為380 m，坡度是介于0°～74°，長度一般為42.15 km，寬度一般為14.12 km，高差一般為0.90 km，由東到西，山、槽交替出現。每條槽谷又分別由中間的谷地和兩側的坡面構成，喀斯特槽谷區土地總面積503.39 km2，其中山坡的土地面積359.21 km2,槽谷的土地面積141.64 km2；山坡占總面積71%,槽谷地占總面積29%。鄉鎮、居民點和耕地主要分布在各條槽谷的中部地形平坦部位。喀斯特槽谷區屬亞熱帶濕潤季風氣候，年均氣溫17.5℃，日照時間長達1 250 h，無霜期近310 d，年降雨量1 120 mm。

2 研究數據與方法

2.1 數據來源與處理

本研究數據主要來源包括有：2005年、2010年、2014年、2017年共四期landsat TM遙感影像數據，采用Eradas imagine 9.0遙感處理軟件對影像進行幾何校正,在此基礎上根據2005年、2010年、2014年、2017年的各期數據進行配準，配準誤差控制在0.5個像元內。通過利用ArcGIS 10.2軟件的支持下，采用人工解譯方法為主，再以計算機解譯為輔進行解譯。先是人工解譯的2014年土地利用現狀圖后，并依此與2017年、2010年、2005年的遙感影像放在ArcGIS 10.2軟件中，進行疊加顯示，采用矢量底圖影像對比判讀的方法依次提取各年份的遙感信息。最后得到喀斯特槽谷區2005年、2010年、2014年、2017年各年的土地利用線劃圖，再經過ArcGIS 10.2軟件進行拓撲檢查與修改處理，在分類中參照2007年全國土地利用分類體系，把斑塊分為12種地類(灌木林地、農村居民用地、山地旱地、水田、水域、溝渠、道路、城鎮用地、工礦用地、有林地、草地、裸露巖地)并賦予每個斑塊代碼屬性值，最后得到四期土地利用數據(附圖1)。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用轉型轉移矩陣 土地利用轉移矩陣是指一地區域范圍內土地利用類型在一段時期發生相互轉移的情況。其計算公式見參考文獻[14]。

2.2.2 生態系統服務價值(ESV) 研究區是喀斯特地貌中的一種典型槽谷地貌單元，從而與Costanza[15]和謝高地等學者量化的全球和全國大尺度的生態系統服務價值有較大的差異，謝高地學者修正Costanza的全球生態系統服務價值系數，再結合全國200多位生態學專家們進行問卷調查，獲得了全國生態系統服務價值當量系數[16]。生態系統服務當量因子作為生態系統潛力的相對貢獻率，該因子等于每年每hm2提供糧食價格的1/7。對全國生態系統服務價值研究成果基礎上，結合我國喀斯特地區土地利用實際狀況，利用該方法對喀斯特槽谷區土地生態系統服務價值進行重新修訂。2005—2017年喀斯特槽谷區平均糧食產量為562 322.32 kg/km2且利用2017年的平均糧食價格為2.12元/kg,所以喀斯特槽谷區提供食物生產的當量因子為170 303.33元/km2，進而可得到生態系統服務價值系數(表1)。喀斯特槽谷區生態系統服務價值表達式為：

ESV=∑Ae×VCe

式中：ESV是指研究區域生態系統服務總價值；Ae為研究區內土地利用類型e的面積；VCe為研究區土地利用類型 單位面積生態系統服務價值系數。

表1 喀斯特槽谷區生態系統服務價值系數 萬元/(km2·a)

注：負值為生態系統服務價值的損失。

3 結果與分析

3.1 喀斯特槽谷區土地利用結構及數量變化

由圖1可得，喀斯特槽谷區土地利用類型結構主要是以灌木林地、有林地、山地旱地、草地、農村居民用地分布較廣泛。其中灌木林地、有林地、山地旱地、草地、農村居民用地的平均面積分別為79.35 km2，153.65 km2，148.54 km2，129.16 km2，25.18 km2。有林地從2005年的28.22%增加到2010年的29.91%；再由2010年29.91%減少到2017年25.49%。灌木林地從2005年的12.53%上升到2017年的15.30%；山地旱地由2005年的25.16%增加到2014年的29.01%，隨之減少到2017年的27.20%。農村居民用地由2005年的3.50%增加到2017年的5.77%。草地從2005年的24.78%降到2017年的23.90%。草地的減少是因為實施精準扶貧政策以來，人均收入提高，大量修建房屋占用草地所致。農村居民用地由2005年的3.50%增加到2017年的5.77%。

總體分析2005—2017年土地利用類型面積變化得，在該時期土地利用類型波動最大的是灌木林地、有林地農村居民用地、山地旱地、城鎮用地、草地。灌木林地、有林地分別增加了7.09 km2，18.44 km2；原因是2005—2017年時期大量實施退耕還林政策導致大量面積的出現林地的增加。農村居民用地、城鎮用地分別增加了19.13 km2，5.89 km2，山地旱地減少了23.51 km2，農村居民用地、城鎮用地的增加，山地旱地減少原因是國家精準扶貧政策實施，引導當地居民進行產業扶貧，改善居住生活條件，從而當地人民擴張山地旱地進行修建民房。草地減少36.67 km2，原因是當地政府對草地以及山地旱地進行開墾種植茶葉基地所致。

圖1 喀斯特槽谷區土地利用結構

3.2 土地利用轉型分析

3.2.1 土地利用轉移數量分析 土地利用轉移是指在社會經濟發展過程中，人類通過利用土地進行生產生活而使一種土地利用轉變為另外一類土地利用方式和管理，從而導致土地利用覆被變化的過程。喀斯特槽谷區2005—2017年土地利用發生了顯著的轉移(表2)。草地、灌木林地、山地旱地、水田、有林地、農村居民用地、城鎮用地的轉移較為顯著，其中山地旱地轉為草地、城鎮、農村居民點的面積分別是3.44 km2，1.52 km2，5.52 km2，有林地轉為草地、灌木林地、山地旱地的面積分別是9.61 km2，6.10 km2，2.83 km2。灌木林地轉為草地、山地旱地的面積分別為2.89 km2，1.45 km2。然而草地轉為山地旱地、有林地的面積分別為3.29 km2，7.76 km2。槽谷區土地利用類型面積發生大面積的轉移的主要原因是進行退耕還林還草以及喀斯特地區進行綜合石漠化治理的生態修復工程的實施和城鎮化發展，造成大面積不適宜的土地進行退耕還林還草，山地旱地、草地、水田等土地成為被所侵占的現象。

表2 2005-2017年土地利用變化轉移矩陣 km2

3.2.2 土地利用轉型空間特征 為了更加探究出喀斯特槽谷區土地利用類型間的內部轉移，以2005年、2010年、2014年、2017年四期土地利用數據，并利用ArcGIS 10.2軟件空間分析工具對四期土地利用數據進行疊加分析，獲得2005—2010年、2010—2014年、2014—2017年、2005—2017年四期土地利用轉型圖(附圖2)。2005—2010年時期，由于當地實施退耕還林和喀斯特石漠化治理相關政策，西中東部槽谷山坡草地、山地旱地向有林地轉變。在三條槽谷的南部和中部區域石漠化治理，裸巖地轉為有林地，槽谷北部區域地形地貌相對中部南部區域平坦，石漠化現象少，土地類型轉型相對不明顯。2010—2014年階段，隨著社會經濟不斷發展，中國新農村建設初期，由附圖2得出三條槽谷槽壩區域草地、山地旱地轉為農村居民用地和城鎮用地現象顯著，在西部槽谷南部中部北部有鄉鎮分布，從而促使山地旱地向農村居民用地變化現象明顯，中部槽谷槽壩沿著河流出現水田轉為農村居民用地現象，槽谷山坡山地旱地向農村居民用地、有林地變化，有林地向灌木林地變化。東部槽谷山坡則出現山地旱地轉有林地顯著，槽壩山地旱地向農村居民用地和城鎮用地轉化現象顯著。2014—2017年時期，西中東部槽谷山坡與槽壩土地類型之間都發生明顯變化，根據國家2014年以來出臺一系列城鄉一體化建設及惠民政策，喀斯特槽谷山坡區域種植經濟作物則充分利用低產的山地旱地和草地進行種植核桃基地、橘子、桃子轉移為經果林，從而實現種植結構發生變化提高當地人民經濟收入。西中東部槽谷北部由于海拔較高，最高海拔1 280 m左右，該區域出現有林地、灌木林地、山地旱地、草地進行轉為茶葉基地，槽壩山地旱地、部分干旱水田和草地向農村居民用地、城鎮用地變化較明顯。隨著距離越遠則出現山地旱地、水田向草地，有林地轉變。2005—2017年近12 a來喀斯特槽谷區山坡槽壩土地利用類型都發生較大的轉變，轉變較多的地類是山地旱地轉為農村居民用地和城鎮用地，變化面積分別為2.82 km2，0.44 km2。山地旱地轉為有林地和草地面積分別為2.83 km2，3.29 km2，有林地轉為草地和灌木林地面積分別為7.76 km2，10.25 km2，草地轉有林地面積為9.61 km2。

3.3 喀斯特槽谷區生態系統服務價值變化分析

生態系統服務價值是指人類從生態系統中獲得價值的惠益[17]。根據表1和生態系統服務價值公式計算出喀斯特槽谷區2005—2017年各個時期土地利用類型的生態系統服務價值。喀斯特槽谷區在2005年、2010年、2014年、2017年的生態系統服務價值分別為129 825.44萬元、134 744.99萬元、102 592.28萬元、102 816.77萬元。分析得到，灌木林地、有林地、山地旱地對該生態系統服務價值總量的貢獻是最大，其分別是28 324.34萬元，62 157.44萬元，15 378.26萬元；然而生態系統服務價值降低的有農村居民用地、道路、城鎮用地、工礦用地，其降低最小值分別為576.50萬元，88.32萬元，47.51萬元，49.01萬元,從而對生態系統帶來負向虧損，造成生態環境質量逐漸降低。根據表3得，隨著時間的發展，灌木林地、有林地、草地、山地旱地、水田等生態系統服務價值逐漸減少的趨勢，說明槽谷區在追求社會經濟發展的同時對生態系統的破壞越來越嚴重，需引起當地政府協調經濟發展與環境保護。

2005—2010年，喀斯特槽谷區生態系統服務價值(ESV)由129 825.43萬元變為134 744.98萬元，增幅為1.85%，在該期間山地旱地轉為有林地，草地轉為有林地，造成了山地旱地、草地面積分別減少為9.5 km2，26.54 km2，從而造成了相應的生態系統服務價值不斷下降，但是有林地、灌木林地面積的增加對生態系統服務價值總量在增加。2005年來喀斯特地區石漠化現象嚴重，則實施大面積退耕還林，封山育林，使得大面積草地、坡耕地轉為林地。在該階段時期研究區自然條件偏遠經濟貧困，當地政府出臺一系列退耕還林和石漠化治理工程對，從而提高了喀斯特槽谷區生態系統服務價值，為當地生態環境改善提供了前有準備。

2010—2014年，研究區生態系統服務價值(ESV)由134 744.99萬元變為102 592.28萬元，下降了13.55%。原因是在該期間大量的草地和山地旱地轉為農村居民用地和林地，其面積分別減少了24.36 km2，4.85 km2，而農村居民用地和有林地分別增加了9.48 km2，9.08 km2，其他土地面積增減幅度不大，由此生態系統服務價值出現總體下降的態勢。研究區分布有楓香溪鎮、譙家鎮、沙子坡鎮、杉樹鄉，在該4 a時期當地修建省道、縣道、鄉道，從而也促使山地旱地、水田、有林地、草地轉為道路，從而出現采石開礦和道路的擴寬和硬化也使得該區域生態系統服務價值下降的原因。

2014—2017年，研究區生態系統服務價值(ESV)由102 592.28萬元變為102 816.77萬元，下降了0.11%，穩中略有下降趨勢。在該時期草地、有林地轉為農村居民用地和城鎮用地，其面積分別減少了37.67 km2，56.65 km2。山地旱地轉為農村居民用地和城鎮用地，其面積減少了9.16 km2，該階段生態系統服務價值下降的主要原因是山地旱地及草地轉為農村居民用地和城鎮用地，交通道路數量也隨之不斷增加，占用了山地旱地及有林地，從而也對生態系統服務價值造成一定影響。

2005—2017年12 a間，喀斯特槽谷區生態系統服務價值(ESV)由129 825.43萬元變為102 816.77萬元，其生態系統服務價值總體下降了11.61%。12 a來農村居民用地、城鎮用地、道路面積分別增加了19.13 km2，5.89 km2，2.19 km2，而草地、山地旱地、有林地面積分別減少了37.67 km2，23.51 km2，51.56 km2。根據數據分析得到，隨著時間發展，當地社會經濟不斷提高，研究區大量農村居民用地和城鎮建設用地的增加導致生態系統服務價值降低趨勢，從而不能被其占用的草地、有林地、山地旱地面積減少而引起生態系統服務價值在逐漸減少引起的占用補償，最后使得喀斯特槽谷區生態系統服務價值逐漸降低，側面反映出；研究區為了社會經濟發展，大力對采礦石的需求，使其有林地、草地、甚至山地旱地等變為工礦用地現象，從而未協調好生態環境與社會經濟的可持續發展[18]。

表3 喀斯特槽谷區生態系統服務價值 萬元/(km2·a)

4 結論與討論

4.1 討 論

(1) 利用現有數據及資料，對喀斯特槽谷區土地利用轉型過程的生態系統服務價值進行了測算，直觀揭示了土地利用轉型在時空上的動態演變以及對生態系統服務價值的影響，從而對區域生態環境質量和保護的提高有著重要的參考意義[19-21]。在研究過程中，對生態系統服務價值修訂具有一定的局限性，一是研究區處于貴州省印江縣、德江縣、沿河縣的三縣交界處，研究區有楓香溪鎮、譙家鎮、沙子坡鎮和杉樹鄉屬三縣行政管轄范圍內，收集資料時取4鎮的各個功能因子的總和，所以對數據量化有一定的誤差，二是研究區是喀斯特地貌中的一種典型地貌單元，從而與Constanza和謝高地等學者量化的全球和全國大尺度的生態系統服務價值有較大的差異[22]，因此根據研究區情況進行了生態系統服務價值系數的重新修訂。本文在進行生態系統服務價值數估算時沒有把水田和山地旱地的生態系統服務價值系數單獨的進行測算，可能對生態系統服務價值略有偏低，以后可在這方面開展進一步研究。三是研究過程中對單位面積生態系統服務價值估算時采用9個種評價因子，其中且忽略了城鄉建設用地某些因子數值獲取客觀性。

(2) 通過對喀斯特槽谷區土地利用轉型的時空狀態分析對生態系統服務價值有所影響，揭示出了土地利用轉型對土地自然生態景觀選擇適宜性。喀斯特槽谷區地形地貌比較特殊，土地利用類型空間分布格局差異顯著，在進行土地利用規劃時應遵循土地利用在時間與空間的永久適宜性，做到因地制宜原則、綜合分析原則、科學規劃原則對土地利用轉型合理的結構優化調整[23]，從而減輕對喀斯特槽谷區的土地石漠化現象治理及土地生態環境質量和保護、恢復其生態系統服務價值，最終實現喀斯特槽谷區山地土地資源優化配置及土地利用可持續性。

4.2 結 論

(1) 研究區草地、灌木林地、山地旱地、水田、有林地、農村居民用地、城鎮用地的變化較為顯著，山地旱地轉為草地、城鎮、農村居民用地的面積分別是3.44 km2，1.52 km2，5.52 km2，有林地轉為草地、灌木林地、山地旱地的面積分別是9.61 km2，6.10 km2，2.83 km2。灌木林地轉為草地、山地旱地的面積分別為2.89 km2，1.45 km2。然而草地轉為山地旱地、有林地的面積分別為3.29 km2，7.76 km2。

(2) 在2005—2010年階段研究區土地利用轉型是從山坡上山地旱地、草地、裸巖地轉移為有林地及灌木林林地。由于該階段時期當地經濟落后，槽壩土地利用轉型不太顯著。2010—2014年階段土地利用轉型空間分布主要集中在槽壩區域，山地旱地轉為農村居民用地、城鎮用地，水田轉為農村居民用地，草地轉為山地旱地，社會經濟逐步開始發展，槽壩土地開發現象日益顯著。2014—2017年階段土地利用在山坡槽壩同時發生變化。山坡山地旱地、草地轉為經果林地，茶葉生產基地、有林地，有林地轉為灌木林地，槽壩土地轉移復雜，大量山地旱地、干旱水田、草地轉為農村居民用地、城鎮用地，有林地轉為山地旱地、工礦用地。

(3) 喀斯特槽谷區生態系統服務價值在2005年、2010年、2014年、2017年分別為129 825.44萬元、134 744.99萬元、102 592.28萬元、102 816.77萬元。2005—2010年喀斯特槽谷區(ESV)由129 825.43萬元變為134 744.98萬元，增幅為1.85%；2010—2014年ESV由134 744.99萬元變為102 592.28萬元，下降了13.55%；2014—2017年ESV由102 592.28萬元變為102 816.77萬元，下降了0.11%；2005—2017年喀斯特槽谷區生態系統服務價值(ESV)由129 825.43萬元變為102 816.77萬元，總體下降了11.61%。