基于地形梯度特征淇河流域生態系統服務價值損益

李 理, 朱文博, 李艷紅, 朱連奇, 徐帥博, 馮小燕

(河南大學 環境與規劃學院, 河南 開封 475004)

生態系統服務是指人類通過生態系統結構和功能直接或間接得到的產品和服務[1-3]。自19世紀70年代Constanza基于17類生態系統服務功能量化全球生態系統服務價值后[4]，研究生態系統服務及價值成為國內外[5-10]的熱點之一。我國學者謝高地通過對國內200位生態學家進行問卷調查修正Constanza的全球生態系統服務價值評估量表，建立了中國陸地生態系統服務價值評估體系[11-13]，然而土地利用/覆被變化能改變生態系統結構、功能和過程，以此影響生態系統服務[14]。此后，國內學者廣泛開展基于土地利用變化的生態系統服務價值定量研究[15-18]：文戴遠基于三生空間理論研究福州新區2000—2015年土地利用功能轉變及生態服務價值的響應[19]；史慧慧基于長三角城市群1990—2015年農村地區土地利用數據，采用文獻查閱、多樣性指數模型、土地利用動態度等技術分析城市群生態系統服務價值變化[20]；徐煖銀以典型的南方丘陵山地為研究區，利用遙感、地理信息技術和空間統計的方法分析土地利用變化，進一步分析生態系統服務價值時空差異的驅動因素，將人均GDP、人口密度和城市化率3個驅動因素與生態系統服務價值進行空間相關性分析[21]。雖然很多學者運用不同方法和技術分析土地利用變化并估算生態系統服務價值，但對地形梯度上土地利用變化的生態系統服務價值損益研究不足[22]。高程、坡度和地形起伏度是重要的地形因素，更能對土地利用變化產生直接的影響[23]，以地形梯度為變量研究流域內土地利用變化及生態系統服務價值的差異性對人類福祉具有深遠意義。因此，本文以淇河流域為研究對象，利用2000年、2015年兩期土地利用/覆被數據從地形因子視角研究流域內生態系統服務價值對土地利用/覆被變化的響應關系，結合生態系統服務總價值、單項生態系統服務價值及敏感性指數分析地形梯度特征上生態系統服務價值的變化，以期為研究區內土地資源合理利用及生態環境建設提供理論參考和科學依據。

1 研究區概況

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

2000年淇河流域土地利用數據由國家地球系統數據共享平臺—黃河中下游科學數據中心(http:∥www.geodata.cn/)提供，2015年的土地利用數據是對2015年的Landsat 8遙感影像(來源于地理空間數據云，http:∥www.gscloud.cn/)進行鑲嵌、裁剪并經過人工目視解譯所得，精度為86%，研究區所有土地利用現狀圖均為1∶10萬的矢量圖，DEM數據(來源于地理空間數據云平臺，http:∥www.gsclod.cn)，社會、經濟數據均來源于《中國統計年鑒(2000—2015)》和《河南省統計年鑒(2000—2015)》。

2.2 研究方法

2.2.1 生態系統服務價值估算 本文參照謝高地制訂的中國陸地生態系統服務價值當量表(表1),利用河南省2000—2015年平均糧食產量5 305.24 kg/hm2，2015年河南省單位面積糧食1.36元/kg進行系數修正，根據式(1) 計算得到流域單位面積農田生態系統糧食生產功能價值為1 030.73元/hm2(淇河流域于河南境內分布面積達64%，故采用河南省糧食產量和價格進行系數修正,糧食單價來源于河南省物價局)。其他用地類型分別參考謝高地[11-24]、歐陽志云[25-27]等的研究成果進行計算。

(1)

式中:Va是單位面積農田生態系統食物生產功能的經濟價值；m是作物種類(m=1，2，3，…，n)；pm是m種糧食作物的平均價格；qm是m種糧食單產；am是m種糧食種植面積；A是糧食種植面積。

Vij=eijVa

(2)

式中：Vij是單位面積j生態系統i項生態服務價值(i=1，2，3，…，n)；eij是j項生態系統i項生態系統服務價值當量因子；i是生態系統服務類型；j是生態系統的類別。

2.2.2 生態系統服務損益值估算 生態系統服務損益值由各土地利用類型間相互轉化的面積及對應的生態系統服務價值系數相乘計算得到[28]，其公式為:

PLij=(VCi-VCj)×Aij

(3)

式中：PLij定義為初期第i類景觀轉化為末期第j類景觀后的生態服務價值損益值；VCi，VCj分別為第i類景觀和第j類景觀的生態服務價值系數；Aij表示i類景觀轉化為第j類景觀的面積。

表1淇河流域生態系統服務價值量 元/hm2

2.2.3 地形因子分析 利用ArcGIS 10.3中自然斷裂點法將高程劃分<200 m，200～400 m，400～600 m，600～800 m，800～1 000 m，1 000～1 200 m，1 200～1 400 m，1 400～1 600 m和>1 600 m共九級，如圖1和表2所示，研究區200～400 m高程分級分布淇河中下游區域，面積占比最大(20.6%)。其次為400～600 m，主要分布在淇河中游地區及林州境內；將坡度按自然斷裂點法劃分0°～5°，5°～8°，8°～15°，15°～25°，25°～35°和>35°共6類，坡度分級上15°～25°和8°～15°占比分別為24.9%，23.3%，主要分布于淇河中游地區及林州與鶴壁交界處。基于30 m分辨率的DEM數據，采用鄰域分析和均值變點法，計算淇河流域最佳統計單元大小為0.13 km2，得到流域地形起伏度(0～503 m)，平均為105.7 m，參考張靜靜[30]等的研究將淇河流域地形起伏度劃分為平坦(0～30 m)、微起伏(30～70 m)、低起伏(70～200 m)和中起伏(>200 m)。淇河流域以小起伏為主(56.45%)，主要位于淇河上游和沿中起伏地區向東西兩側展開，其次為微起伏(20.58%)，主要分散分布在淇河下游地區，部分分布在最西端陵川和壺關境內[29]。

圖1 高程、坡度和地形起伏度分布

2.2.4 敏感性分析 本文在采用中國單位面積陸地生態系統服務價值量表的基礎上，引入敏感性指數(Coefficient of Sensitivi-ty CS)[30]檢驗謝高地的生態系統服務價值量表的準確性。若CS>1，表明生態系統服務價值對生態系統服務價值系數調整富有彈性，表征本文研究結果可信程度低，反之，則本文研究結果可信程度高。其計算公式如下：

(4)

式中：ESV為研究區內生態系統服務總價值(元)；VC為各土地利用類型生態系統服務價值系數(元/hm2)；i，j分別為調整后和調整前；k為研究區某一種土地利用類型。

3 結果與分析

3.1 淇河流域土地利用/覆被變化

淇河流域土地利用類型以耕地、草地和林地為主，面積比重之和達95%。2000—2015年研究區內耕地減少了29 671.64 hm2，減幅最明顯；其次為林地減少了2 104.05 hm2。草地面積增加8 854.38 hm2，增幅最明顯；建設用地、水域和未利用地分別增加了4 235.10 hm2，1 998.80 hm2，632.14 hm2。從單一動態度分析，未利用地單一動態度最高為632.14%，其主要原因為2000年未利用地面積為10.97 hm2，2000—2015年增加面積為69.35 hm2；其次為水域和建設用地，分別為55.58%，53.65%(表3)。

表2 海拔、坡度、地形位分級及面積比例

表3 淇河流域2000-2015年土地利用/覆被變化

3.2 淇河流域生態系統服務價值變化

3.2.1 淇河流域生態系統服務價值地形梯度特征分析 文章基于高程、坡度和地形起伏度并結合2000年、2015年研究區土地利用/覆被數據，根據本文修正后的中國陸地生態系統服務價值量表和2000年、2015年各土地利用類型對應的面積相乘計算得到2000年、2015年生態系統服務價值的變化值，利用自然斷裂法分類的高程、坡度和地形起伏度分析不同高程、不同坡度和不同地形起伏度上的生態系統服務價值變化情形。如圖2A所示：高程分級上ESV增加呈U型分布，200～400 m高程分級上增減幅度最明顯，耕地ESV減幅最大(4 464.64萬元)，主要原因為研究時段內耕地面積減少，建設用地面積增加。由于2000—2015年水域面積增加和生態系統服務價值系數高等雙重因素，高程梯度上水域ESV增益顯著，其中400～600 m高程分級上增幅最大為2 354.88萬元；林地ESV在200～400 m，1 200～1 400 m和1 400～1 600 m高程分級上呈增加態勢，1 400～1 600 m增加最多(1 339萬元)，600～800 m高程分級上減幅最明顯為4 464萬元。研究期內草地ESV在600～800 m高程分級上減少了903萬元，其他高程分級上呈增加趨勢，200～400 m增幅最大為1 675萬元，其主要原因為研究期內草地面積增加最多，但草地生態系統服務價值系數低，所以草地ESV增幅不明顯。本研究區尚未考慮建設用地生態系統服務價值，因此建設用地面積的增加不會對生態系統服務價值造成直接影響。圖2B坡度分級上ESV變化差異不顯著：耕地ESV表現為減少趨勢且集中分布于<25°坡度分級上，0°～5°坡度分級ESV減幅最大(3 197萬元)、其次為8°～15°分級上減少2 923萬元；林地ESV在25°～35°和>35°坡度分級上減幅明顯，分別減少了3 547萬元和4 293萬元，0°～15°坡度分級上增幅明顯，以8°～15°區間增幅最大(2 593萬元)，林地生態系統服務價值系數高是主要原因；水域ESV隨坡度增加呈倒U型分布，15°～25°坡度分級上水域ESV增幅最大(2 332萬元)；草地ESV變化幅度不明顯。圖2C地形起伏度上ESV增益值隨地形起伏度增加呈先增后減趨勢，ESV減損值隨地形起伏度增加逐漸增多：耕地ESV減損值分布于平坦(0～30 m)、微起伏(30～70 m)和小起伏地區(70～200 m)較多，平坦地區減損值最大為3 720萬元，主要原因為耕地面積集中分布在微起伏地區，受人類活動干擾影響強[30]；水域ESV增幅最大為小起伏地區(5 940萬元)，水域生態系統服務價值系數高是水域ESV增益明顯的主要原因；林地ESV在平坦地區(0～30 m)和微起伏地區(30～70 m)呈增加趨勢、小起伏地區和中起伏地區呈減少趨勢，增幅最大為微起伏地區(3 967萬元)，減幅最大為中起伏地區(5 492萬元)，表征2000—2015年來淇河流域林地面積轉移趨勢，反映流域內中下游地區生態環境明顯改善，生態環境質量得到提升；研究時段內淇河流域草地面積增加，但生態系統服務價值系數不高，故草地ESV增幅不顯著，平坦地區增益最大(1 118萬元)。

3.2.2 淇河流域生態系統服務功能價值變化 本文采用修正后的中國陸地生態系統服務價值量表分析研究區內2000—2015年各生態系統服務功能變化情形，有利于分析流域內生態系統服務功能權衡與協同關系，科學探討流域內生態系統服務功能的內在聯系。基于一級生態系統服務功能視角，分析2000—2015年各項生態系統服務功能價值及貢獻率(表4)：研究區內支持服務ESV最高，2000年、2015年分別為9.27億元和9.18億元，貢獻率分別達到47.42%，47.32%，貢獻等級排序第一；其次為調節服務，2000年ESV為6.66億元、貢獻率為34.07%，2015年ESV為6.68億元、貢獻率為34.43%；2000年供給服務和文化服務ESV分別為2.83億元、0.78億元，貢獻率分別為14.47%和3.99%，2015年供給服務和文化服務ESV分別為2.69億元、0.85億元，貢獻率分別為13.81%和1.38%。研究區在研究時段內供給服務ESV減少最多(0.14億元)，其次為文化服務ESV減少了0.09億元；文化服務ESV增幅最大(0.07億元)、調節服務增加了0.02億元。2000—2015年文化服務貢獻率增加最多(0.39%)，其次調節服務貢獻率增加0.36%，而支持服務和供給服務貢獻率分別減少了0.1%，0.66%，表明淇河流域內生態系統功能變化趨勢。按照生態系統服務功能貢獻率進行等級排序：支持服務>調節服務>供給服務>文化服務。

圖2 2000-2015年高程、坡度和地形起伏度生態系統服務價值變化

3.3 地形梯度上單項生態系統服務價值變化特征

研究時段內淇河流域高程梯度上單項生態系統服務價值變化(圖3)：各項生態系統服務價值在高程梯度上變化幅度不同，水源涵養、廢物處理和娛樂文化等單項生態系統服務價值在研究時段內不同高程分級上呈增加態勢，其他單項生態系統服務類型價值減少；400～600 m高程分級上水源涵養ESV增幅最大(944萬元)，主要原因為2000—2015年水域面積增加了578.93 hm2，水域的水源涵養生態系統服務價值系數高(18 440.2元)；廢物處理ESV高程分級上增益不一致，增幅最明顯為400～600 m高程分級上，ESV增加了597萬元，水域面積增加和廢物處理生態系統服務價值系數高(16 086.6元)是導致廢物處理ESV增益的主要原因；土壤形成與保護ESV在不同高程分級上呈減損態勢，200～400 m高程分級減幅最明顯(739萬元)，主要原因為耕地面積減少了6 268.50 hm2，生態系統服務價值系數高(1 504.87元)，而草地和水域面積增加在一定程度上補償了由耕地面積減少引起的土壤形成與保護生態系統服務減損；食物生產ESV在高程分級上減幅不同，耕地面積減少是食物生產ESV減損的主要原因。

基于坡度分級上單項生態系統服務價值變化所示(圖4)，坡度分級上各項生態系統服務價值變化幅度不一致，25°～35°坡度分級上水域涵養和廢物處理增益最明顯，分別增加了4 703萬元和4 322萬元，研究時段內水域、草地、未利用地面積增加是主要原因。

2000—2015年地形起伏度上單項生態系統服務價值動態變化特征(圖5)，水源涵養、廢物處理生態系統服務價值呈增加趨勢，土壤形成與保護、食物生產和原材料等生態系統服務價值呈減少趨勢：變化最明顯為小起伏地區(70～200 m)，其中水源涵養ESV增幅最大(2 184萬元)，其次為廢物處理ESV增加了1 814萬元，低起伏地區水域面積增加了1 460.46 hm2和生態系統服務價值系數高是引起水源涵養和廢物處理ESV增益的主要因素；土壤形成與保護在各個地形起伏度上變化呈減少趨勢，70～200 m地形起伏度上減幅(833萬元)最大，其主要原因為低起伏地區耕地轉換為建設用地。

表4 淇河流域生態系統服務價值及變化率

圖3 基于高程梯度上單項生態系統服務價值變化

圖4 基于坡度分級上單項生態系統服務價值變化

3.4 生態系統服務價值地形起伏度空間特征分析

利用2000年、2015年兩期土地利用數據，分析不同地形起伏度上生態系統服務價值及變化，探討流域內地形因子對生態系統服務價值的影響，本文將研究區內0～30 m(平坦地區)、30～70 m(微起伏地區)、70～200 m(小起伏地區)和>200 m(中起伏地區)分別對應abcd。以5 km×5 km為網格單元按照ArcGIS中自然斷裂法將各地形起伏度上生態系統服務價值劃分為<6 000元、6 000～12 000元、12 000～30 000元和>30 000元4類，2000—2015年地形起伏度上生態系統服務價值變化趨勢劃分為增加區域、不變區域和減少區域(圖6)。如圖6所示，不同地形起伏度上生態系統服務價值分布不一致，生態系統服務價值>30 000元主要分布于小起伏地區(70～200 m)，其主要原因為水域、林地和草地分布面積廣，生態系統服務價值系數高。平坦地區(0～30 m)在研究區分布面積小，生態系統服務價值<6 000元主要分布于淇河下游地區。微起伏地區(30～70 m)內生態系統服務價值<6 000元主要分布于上游草地覆蓋的地區，主要原因為草地生態系統服務價值系數小；介于6 000～12 000元和12 000～30 000元分布于耕地覆蓋的地區，主要原因是耕地面積分布廣和生態系統服務價值系數高。中起伏地區生態系統服務價值>30 000元分布于林地覆蓋的地區，林地生態系統服務價值高是其主要原因。2000—2015年地形起伏度上生態系統服務價值處于動態變化過程中：變化最為明顯的小起伏地區，生態系統服務價值增加的區域主要為草地和水域面積增加[32]，耕地和林地面積減少導致研究區內生態系統服務總價值減少；淇河流域生態系統服務總價值減少了0.14億元(表4)，表明研究區在研究期內生態系統服務功能呈衰退狀態。

圖5 基于地形起伏度上單項生態系統服務價值變化

圖6 2000年、2015年地形起伏度上生態系統服務價值及變化

4 生態系統服務價值敏感性分析

本文將研究區采用的生態系統服務價值量表中各項生態系統服務價值系數分別上下調整50%后與對應的土地利用類型面積相乘得到2000年、2015年生態系統服務價值及敏感性指數(表5)。由表5可以看出，各項土地利用類型的生態系統服務價值的敏感性指數均小于1，其中2000年林地敏感性指數最高(0.53)，2015年未利用地敏感性指數最低(0.000 1)，表明研究區生態系統服務價值對調整生態系統服務價值系數缺乏彈性，進一步說明生態系統服務價值系數的改變對淇河流域生態系統服務價值影響不顯著。

表5 調整后生態系統服務價值及敏感性指數

5 結論與討論

5.1 討 論

學界研究生態系統服務價值的變化集中采用單位面積價值法和單位面積服務功能法測度，而單位面積價值法具有輸入參數少，計算過程簡單，對于流域等小尺度地區應用范圍廣等優勢[32]，故本文利用單位面積價值法測定淇河流域生態系統服務價值。由于供給服務、支持服務、調節服務和文化服務等服務功能主要是耕地、林地、草地、水域等土地利用類型提供，建設用地對生態系統服務功能的供給不產生直接影響，參照謝高地等[11-13]的研究，本文不對建設用地進行價值評估。淇河流域地形復雜，處于太行山南段向華北平原的山地平原過渡地帶，運用地形因子研究山區流域生態系統服務價值展開了思路，對深入分析土地利用/覆被變化與生態系統服務價值相互關系具有重要價值。

生態系統服務的集成與測度一直是地理學和生態學研究的熱點，然而對于生態系統服務的研究范式成為學界的難題[5]。目前，多數學者利用土地利用/覆被的變化研究生態系統服務的變化，其中RUSLE、InVEST和VER等模型成為研究生態系統服務權衡與協同的主要手段，生態系統服務研究的精準化和小尺度已成為趨勢，然而對生態系統服務權衡與協同的影響因素尚不多見。因此，筆者今后將在本文的基礎上運用模型分析淇河流域生態系統服務權衡與協同關系，進一步探討小尺度地區生態系統服務和功能的外部影響因素及人類活動強度的干擾程度。

5.2 結 論

(1) 淇河流域內以林地、草地和耕地為主，比重之和占研究區總面積的95%：2000—2015年研究區內耕地面積減少了29 671.64 hm2，減幅最明顯；草地面積增加8 854.38 hm2，增幅最大；未利用地單一動態度最高為632.14%。

(2) 2000—2015年地形因子上生態系統服務價值變化顯著：200～400 m高程分級上耕地ESV減幅最大(4 464.64萬元)，600～800 m高程分級上林地ESV減幅最明顯(4 464萬元)，水域ESV在400～600 m上增益2 354.88萬元；耕地ESV在0°～5°坡度分級上減幅最大(3 197萬元)，林地ESV在>35°坡度分級上減幅最大(4 293萬元)，8°～15°坡度分級上增加了2 593萬元，水域ESV在15°～25°坡度分級上增幅最大(2 332萬元)；耕地ESV在平坦地區減幅最大(3 720萬元)，水域ESV在微起伏地區增幅最大(5 940萬元)，林地ESV在中起伏地區減幅最大(5 492萬元)、微起伏地區增幅最大(3 967萬元)。

(3) 2000—2015年各項生態系統服務價值在高程、坡度和地形起伏度損益幅度不同，其中廢物處理和水源涵養生態系統價值增益最明顯，土壤形成與保護生態系統服務價值減損最多。從一級生態系統服務類型分析，研究時段內調節服務和文化服務價值呈增加趨勢、供給服務和支持服務價值呈減少趨勢；支持服務貢獻率等級最大、調節服務次之。

(4) 2000—2015年淇河流域內敏感性指數均小于1，證明本文研究結果真實可信。