半干旱生態脆弱區生態服務價值時空演變及地理探測機制

邢曉露， 郭 嵐， 楊梅煥， 張全文， 李琛強

(西安科技大學 測繪科學與技術學院， 陜西 西安 710054)

生態系統服務是指人類從自然生態系統中直接或間接獲得的各種利益，生態系統服務價值則是通過價值量形象直觀地表達出人類從自然生態系統中獲得的福利[1-2]。土地利用變化和類型轉變是人類在滿足其經濟目的的同時，對土地長期進行開發、經營等各種實踐活動造成自然環境的變化，是衡量生態環境質量的重要指標，也在一定程度上反映出環境的好壞[3-5]。土地利用變化會造成地球表面結構發生改變，也會影響生態系統結構和生態系統服務功能，而生態系統服務功能與人類生存發展息息相關，生態系統服務功能發生損失會造成生態環境惡化，導致土壤類型轉變，沙漠化、鹽堿化現象嚴重，最終導致生態服務價值發生損失[6-10]。

目前，我國開展的國土空間規劃始終強調土地利用規劃與生態紅線協調整合，更好地建設生態文明、保護生態資源，提升國土空間的生態服務價值。故分析土地利用和生態系統服務價值兩者的關系具有實際且重大的意義。依據兩者的相互關系，挖掘生態用地潛力，改善生態用地類型、功能和空間結構，在特定的區域下，創造合適的環境模式和提高土地利用率來改善當地生態環境，同時根據地區的基本情況，協調每類生態用地份額進而彌補不足[11]。

在經濟快速發展的情況下，土地利用變化與生態系統服務價值的研究受到了國內外學者的高度關注，已成為生態學、地理學等多個學科爭相研究的熱點問題。Brown[12]在全球尺度下研究土地利用/覆蓋變化和生態系統服務中的社會價值兩者之間的關系。Lautenbach等[13]將生態服務功能分為4個方面并基于專家知識分析了德國的生態系統服務價值。劉桂林等[14]是以特殊的長三角地區為研究區域，分析了30年的土地利用變化對該地區的生態服務價值造成的影響。戴文遠等[15]在三生空間的基礎上分析土地類型、功能轉變與生態系統服務價值時空演變，對“三生空間”的管控具有重要的意義。王慧[16]利用三期南京市土地利用數據，在分析土地變化和景觀格局特征基礎上，采用Markov模型預測南京市未來景觀格局的發展趨勢。

目前研究多集中于土地類型變化快、發達的大型城市內部和典型流域等地區，相比較而言，對于西北山區研究很少，尤其對西北部半干旱生態脆弱區的研究更為薄弱。

從干旱山區的角度講，影響干旱山區發展的因素很多，已有學者利用灰色關聯法和主成分分析等多種方法分析土地利用變化與影響因子之間的關系[17-20]，采用地理探測器模型對干旱山區土地演變格局與驅動因子關系的分析較少。地理探測器模型能夠在不需要過多假設條件情況下分析多個自變量與一個因變量之間的關系，且能夠克服在處理變量時的局限性[21]。

景泰縣屬甘、寧、蒙三省交界區域，是我國西北地區的典型生態脆弱區，縣域內鹽堿危害、干旱和風沙共存，水資源缺乏，生態功能弱，生態環境基礎差，集約土地利用、提高生態服務價值尤為迫切。隨著人口不斷增長以及對土地開發程度的加大，起到防護作用的林草地在持續減少，生態系統失衡現象嚴重。深入分析景泰縣土地演變的規律和生態系統服務價值時空評估，以期為生態環境質量改善和“鄉村振興”提供數據支持和戰略支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

景泰縣位于甘肅省中部(103°33′～104°43′ E，36°43′～37°38′ N)，地處騰格里沙漠南部且向黃土高原過渡，地勢西南高，東北低，見圖1。縣域總面積為548 630 hm2，境內山巒丘陵居多，其面積為411 472 hm2，約占研究區總面積的75%。氣候為溫帶干旱型大陸氣候，年均降水量僅為185 mm，蒸發量達到2 303 mm。

圖1 研究區示意圖Fig.1 Location map of study area

1.2 數據收集

本文采用的數據包括土地利用數據、社會統計數據。土地利用數據來源于景泰縣2009，2013和2017土地利用變更調查數據庫，社會經濟數據來源于甘肅省景泰縣統計年鑒(2010—2018)、《中國農產品價格調查年鑒》(2010—2018)和國家統計局網站。根據景泰縣實際用地情況以及研究需要，將景泰縣土地利用類型合并提取，最終劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地6種土地利用類型。

1.3 土地利用信息熵

在人類的實踐活動中，土地利用結構不斷發生演變對土地利用系統的穩定性造成不同程度的影響。本文采用土地利用信息熵表示景泰縣土地利用系統的穩定性。根據熵值的大小形象直觀地看出土地利用結構的穩定性和有序程度，熵值越小，土地利用結構穩定性越好，有序程度越高，反之亦然[22]。表達式為：

(1)

H=-∑p(xi)lnp(xi)

(2)

式中：A為區域內面積的總和；A(xi)(i=1, 2, …,n)表示區域內各種土地利用類型的面積；P(xi)表示各種土地類型的面積所占總面積的比例；H為土地利用結構信息熵。

1.4 土地利用轉移矩陣

土地轉移矩陣可以反映出區域內各種地類之間的轉換動態過程信息[23]。采用空間疊加分析方法得到研究區各土地類型轉換面積，土地利用轉移矩陣表達形式為：

(3)

式中：Nij為面積；n為土地類型的數量；i，j分別為轉移前和轉移后的土地類型。

1.5 生態系統服務價值

Costanza等研究出全球生態系統服務價值的計算方法，謝高地等在此基礎上制定出中國陸地生態系統服務價值當量表[24-25]。參考謝高地等的研究成果，修正糧食單產經濟價值和土地利用類型。根據2009、2013、2017年景泰縣平均糧食產量5 399.144 kg/hm2，平均糧食價格為2.243元/kg，修正計算得到景泰縣的一個當量因子為1 730.04元/hm2，土地利用類型的修正以荒漠-未利用地、水體-水域、森林-林地、農田-耕地形式與中國生態系統服務價值當量因子表對應。最終得到景泰縣生態系統服務價值系數(表1)，生態系統服務價值的計算公式為：

表1 景泰縣不同土地利用類型的ESV系數Tab.1 Parameters of ESV for different land-use categories in Jingtai County

ESV=(Ak×VCk)

(4)

ESVf=(Ak×VCfk)

(5)

式中：ESV是生態系統服務價值；Ak為第k類土地類型的面積；VCk為第k類土地類型的單位面積生態系統服務價值系數；ESVf為第f類生態功能價值；VCfk為第k類土地類型的第f種服務功能價值系數[26]。

1.6 生態貢獻率

生態貢獻率表示的是在特定時間段內，各個土地類型的生態服務價值的變化量對整個研究區總服務價值變化量的影響。表達式為：

(6)

式中：SKT為K類生態系統在T時間段內生態貢獻率；ΔESVKT為K類生態系統在T時間段內的生態服務價值變化量[27]。

1.7 地理探測器

地理探測器是探測空間分異性且能揭露其背后驅動因子的模型，該模型由風險探測器、因子探測器、生態探測器和交互作用探測器組成[28-31]。本文選取因子探測器來分析影響景泰縣生態系統分布格局的各個驅動因素，公式為:

(7)

在復雜的社會環境下，生態系統服務價值的變化不僅受到土地間空間配置的影響，也會受到自然環境以及人文因素的作用。本研究從通達性、聚集性和適宜性三方面對生態系統服務價值驅動力進行分析。首先，根據經濟發展的集聚效應和經濟地理的網絡理論，聚集性因子代表選取到行政中心的距離、人口密度；選取到主要公路的距離、到主要河流的距離作為通達性因子代表；又考慮到自然環境的影響，選取高程和坡度為適宜性因子代表[32]。由上所述，三方面共選取6個變量作為影響生態系統分布格局的表征因子。

2 結果與分析

2.1 土地利用變化

2.1.1土地利用變化/土地覆蓋

見圖2，2009—2017年間，景泰縣的土地利用變化較為顯著，在3個時期，草地和未利用地是景泰縣的主要土地覆蓋類型。景泰縣8年間土地類型變化大的為林地、草地和建設用地。研究區域內寺灘鄉、紅水鎮、漫水灘鄉和喜泉鎮人類活動干預性強，較大部分的林草地和未利用地轉為建設用地、耕地。變化最大的土地類型是草地，從2009年的48.40%，減少到2017年的47.86%。

圖2 2009—2017年景泰縣土地利用變化圖Fig.2 Land-use change of Jingtai County during 2009—2017

見表2，總體上，景泰縣變化幅度最大的土地利用類型為草地，變化幅度最小則是水域。林地、草地和未利用地不斷減少，耕地、建設用地快速增加，主要原因為是經濟發展加快，農業經濟結構發生轉變，未利用地得到有效利用，耕地面積擴大，同時景泰縣人口增加以及經濟發展都需要以土地為承載力，才能其滿足城鎮建設的需求。

表2 2009—2017年間景泰縣土地利用變化格局Tab.2 Change patterns of land-use in Jingtai County from 2009 to 2017

2.1.2土地利用信息熵分析

根據表2以及式(1)算出3個時期的土地利用信息熵，分別為1.730 0、1.743 5、1.752 0。土地利用信息熵日益增加，說明景泰縣土地利用的有序度在下降，無序度日漸上升，土地利用系統沒有良好的穩定性。中國在不斷向前發展，城鎮化率也日益增加，建設用地的需求更加明顯，侵占了大量的生態用地，導致景泰縣的整個土地利用系統發生改變，朝著不穩定的趨勢發展。2009—2013年土地利用信息熵增長率較高，為0.78%，此階段內，人類干預力度較大，注重城鎮化的發展，土地利用不合理，而后階段土地利用信息熵增長率呈現下降趨勢，主要由于主張發展以人為本的新型城鎮化的提出，同時景泰縣在經濟發展過程中，注重人居生態質量，對土地利用結構進行了調整。

2.1.3土地利用轉移

土地類型的相互轉換在一定程度上能反映出研究區域內土地利用的整體發展方向以及各個土地類型的演變過程。見表3，2009—2017年間，研究區域的6種土地類型都發生了不同程度的變化，變化程度較大是林地和草地，8年間林地、草地轉出面積分別為447.3hm2、2 982.71hm2，主要轉出類型為耕地和建設用地，林地轉為耕地和建設用地的面積分別為318.54hm2、122.70hm2，草地轉為耕地和建設用地的面積分別為1 772.56 hm2、1 119.63 hm2，較少面積轉為未利用地、水域。說明由于景泰縣農業在經濟的帶動下有所發展，轉換為建設用地的原因主要來源于氣候變化以及人類活動的影響，破壞林地、草地進行開荒，致使農林業種植結構發生調整，對森林的砍伐以及對草地的占用使得土地類型發生改變。耕地的轉換也有很大變化，約有548.73 hm2轉為建設用地，景泰縣城鎮化速度加快導致城鎮附近的耕地被侵占，耕地轉換也與因土壤貧瘠的耕作條件出現農田撂荒有關。建設用地也發生較小的轉移，轉為各個類型的總面積為4.76 hm2，其中轉為耕地的面積為2.17 hm2，可能與村落整理以及工業廢棄地復墾相關。水域轉出量最少，僅為4.04 hm2，主要建設用地的利用。研究周期內，未利用地也發生了較為顯著的變化，主要流向為建設用地、耕地、水域和草地，轉出面積分別為496.06 hm2、120.39 hm2、42.16 hm2、9.22 hm2，主要受到農業、生態環境的修復和建設活動等多重因素的影響。

表3 2009—2017年間景泰縣土地利用轉移矩陣Tab.3 Transition matrix of LUCC in Jingtai County from 2009 to 2017 單位：hm2

2.2 ESV變化

2.2.1ESV總量變化

見表4，2009—2017年景泰縣生態系統服務功能總價值由每年5 204.84×106元減少到5 182.76×106元，共減少約22.08×106元。其中耕地和水域ESV呈上升趨勢，林地、草地和未利用地ESV下降趨勢。草地ESV占總價值高達60%，但呈持續下降的趨勢，林地和未利用地的ESV也相對較高，但都呈現持續下降的趨勢，而未利用地下降幅度較大。

表4 2009—2017年間景泰縣各類生態系統服務價值及變化Tab.4 ESV values and its change in Jingtai County from 2009 to 2017

2009—2017年間景泰縣耕地的ESV增加幅度較大，變化率為1.98%，從景泰縣整個研究區來看耕地面積較少，但其ESV增加值較大。研究區內水域面積較少，但對景泰縣生態系統服務功能的貢獻較大，對于生態脆弱區域來說水域的作用很大，是改善研究區域生態環境、提升生態環境質量的重要組成部分。

2.2.2ESV類型間的變化

見表5，2009—2017年間，景泰縣的水源涵養、廢物處理、食物生產和娛樂文化價值均有呈現出增加的趨勢，其他服務項目價值則均有不同程度的減少。水域對生態服務價值的作用顯著，水源涵養價值的增加主要源于多個水庫的擴建。廢物處理、食物生產和娛樂文化價值服務項目價值升高的主要是因為耕地和建設用地面積的擴大。減少的價值中原材料和氣體調節的減少幅度較大，這是由于城鎮化的推進，林地、草地面積大幅減少的結果。

表5 2009—2017年景泰縣各類型ESV的變化Tab.5 ESV change in Jingtai County from 2009 to 2017

從生態系統服務的功能上看，土壤形成與保護、廢物處理、生物多樣性保護和氣候調節排在前列，且是影響景泰縣整個研究區生態系統服務總價值的四大主要生態功能，其價值比率高達68%；而娛樂文化、原材料和食物生產的價值比率僅為9.16%。為此，可以看出景泰縣的服務性功能強，但是生產性功能較弱。

2.2.3ESV空間差異

見表6，景泰縣生態系統服務價值總量呈減少的趨勢，但波動幅度較小。為形象直觀地看出景泰縣各個鄉鎮生態系統服務價值的差異，本文利用ArcGIS中的自然間斷點分級法將景泰縣2009—2017年生態服務價值劃分為5個等級，見圖3。

表6 2009—2017年景泰縣各鄉鎮生態服務價值變化Tab.6 Changes in ESV of each township in Jingtai County from 2009 to 2017

研究期內，條山集團和一條山鎮的生態服務價值總體處于低值范圍，漫水灘鄉、五佛鄉的生態系統服務價值是一直處于較低水平，總體處于中等范圍的有紅水鎮、蘆陽鎮、草窩灘鎮。上沙沃鎮、正路鎮、喜泉鎮、中泉鎮的生態服務價值為較高水平，高價值范圍的生態系統服務價值僅有寺灘鄉。總體上，景泰縣生態系統服務價值呈西南高、東北低的分布格局，在景泰縣西南部有明顯的高聚集區，在其東北部平原及其輻射區域構成低值地帶，說明景泰縣生態系統服務價值的空間差異與該地區的地形地貌有密切關聯。總體上，西南部和西北部山地丘陵區林草覆蓋率較高，占到相應土地面積的1/2，良好的生態資源條件賦予了較高的生態系統服務價值；東部平原地區，耕地、建設用地資源多，森林覆蓋率低，水域資源優勢不明顯，一定程度上對該區域的生態系統服務價值產生影響。

見圖3，從2009—2017年生態系統服務價值空間變化來看，8年間景泰縣西部地區的生態優勢有削減的趨勢。東部地區的生態系統服務價值的變化較大，一條山鎮生態系統服務價值由較低等級轉變為低等級，草窩灘鎮的生態系統服務價值中等水平變為較低水平。同時，變化后的景泰縣生態系統服務價值的分布格局具有一定規律，景泰縣西南和西北方向形成以寺灘鄉高價值水平向四周下降，而西南方向呈現出逐次減弱梯度的分布特征。

圖3 景泰縣 2009—2017年生態系統服務價值的空間分異Fig.3 Spatial differences of the ESV in Jingtai County from 2009 to 2017

2.2.4生態貢獻率

見表7，2009—2013年和2013—2017年兩個時段，草地對生態服務價值變化的貢獻率最大，分別是52.6%和36%，未利用地對生態服務價值變化的貢獻率最小，分別為0.82%和0.36%。2009—2013年，水域、耕地、林地的生態貢獻率依次為20.27%、18.6%和7.75%，2013—2017年，林地、耕地和水域的生態貢獻率為27.6%、24.4%以及11.6%。2009—2017年草地、耕地和林地的生態貢獻率分別為42.84%、22.03%和19.44%，三者之和高達84.31%。兩個時期中的林地、草地和水域的生態貢獻率變化較大，分別是19.85%、16.6%和8.67%，說明景泰縣總服務價值受到林地、草地和水域產生的生態服務價值變化量影響較大。因此，耕地、草地和水域是主要的貢獻因子和敏感因子。

表7 2009—2017年景泰縣不同土地利用類型生態服務價值變化的貢獻率

2.2.5ESV變化驅動因素分析

不同影響因素使得景泰縣的生態系統服務價值發生不同程度的變化，根據地理探測器軟件數據處理要求，將各影響因子數據通過ARCGIS軟件進行離散化處理，高程、坡度、到主要河流的距離、到主要公路的距離以及到行政中心的距離分為9類，人口密度以鄉鎮為單位分為12類，便于在模型中進行分析。

通過GeoDetector軟件處理數據，得到2009、2013、2017年土地演變各驅動因子在因子探測器模塊中影響強度值q，q值越大表示該因子對土地演變空間分異性作用強，也就是生態系統服務價值的主要因素。表8為因子探測器計算結果，景泰縣地區土地格局影響因子作用強度值從大到小排列依次是：人口密度(0.236 4)、到行政中心的距離(0.178 0)、海拔高程(0.045 7)、到主要公路的距離(0.029 3)、到主要河流的距離(0.021 0)、坡度(0.005 4)。景泰縣地區土地利用格局和生態系統服務價值的變化，是多個因子共同作用的結果。第一，聚集性因子起到主導作用，聚集性因子q值統計量合計達到40%，人口密度(X6)對于土地變化的影響最為顯著，區域發展是人口與經濟在生態系統的兩個主體，土地變化程度與人口密度有關，生態環境也會受到社會經濟活動的干擾；其次是到行政中心的距離(X5)，因為行政中心周圍出現集聚可能性大，且距行政中心近的地區，土地擴張現象嚴重，在一定程度上更利于生態用地的形成。第二，通達性因子影響強度較高，到主要公路的距離(X1)和到主要河流的距離(X2)兩個因素關系著人們的衣食住行，道路的通達性會影響人們對土地的開發力度，從而引起土地類型演變，造成生態環境發生不同程度的變化。充分的水資源更有利于周圍植被的生長，河流周圍人們活動也會有所增加，生態效益得到提升。第三，在適宜性因子中，海拔高程和坡度q值統計量合計僅為5%，影響強度較弱，表明景泰縣土地利用變化受自然地理條件的制約不明顯。總之，人為因素和自然因素共同對土地格局和生態系統服務價值產生影響。

表8 泰縣土地利用變化影響因子探測Tab.8 Detection of impact factors ofland use change in Jingtai County

3 結論與討論

3.1 討 論

本文是以縣域為單位，基于土地利用變化研究景泰縣的生態服務價值，著重從土地利用信息熵、土地利用矩陣和生態貢獻率等方面分析生態服務價值時空演變，通過地理探測器模型分析土地類型變化及生態系統服務價值演變的驅動力。本文選用的評估方法參數少，操作容易，但由于建設用地的復雜性，定量分析其生態服務價值和對生態環境的影響較難，因此本文沒有計算建設用地的生態系統服務價值，以及該評估方法存在多方面的不確定性。全國各個城市發展需求導向不同，核算生態服務價值選擇參數就會有一定的局限性。土地利用分類結果細化以及生態系統功能改變也會對評估結果造成影響，地理探測器模型最大優勢就是無假設條件，能有效克服傳統數學統計模型局限性，但由于數據的可獲取性，沒有考慮規劃調控、經濟管理等政策因素對土地演變及生態服務價值變化的影響。今后研究中可以改進評估方法，另外應全面考慮驅動因素，使得評估結果和探測結果更準確。

3.2 結 論

1) 隨著經濟的快速發展，景泰縣土地利用發生了明顯的變化。2009—2017年間，耕地和建設用地面積增長較多，分別從2009年的14.58%和1.90%增加到2017年的14.87%和2.31%；林地、草地和未利用地面積較少，但減少幅度較劇烈；水域小幅度增加。

2) 研究區生態系統服務功能總價值量呈不斷減少的趨勢，8年間共減少22.08×106元。其中耕地和水域ESV呈上升趨勢，林地、草地和未利用地ESV下降趨勢。草地ESV占總價值高達60%，但呈持續下降的趨勢。生態系統服務的土壤形成與保護、廢物處理、生物多樣性保護、氣候調節功能是影響景泰縣生態系統服務總價值的四大主要生態功能，其價值比率高達68%；而娛樂文化、原材料和食物生產的價值比率僅為9.16%。

3) 景泰縣生態系統服務價值總量呈減少的趨勢，但波動幅度較小。總體上，景泰縣生態系統服務價值分布格局呈西南高、東北低。

4) 景泰縣土地格局和ESV變化受通達性因子、聚集性因子和適宜性因子的共同影響。短時間內適宜性因素對景泰縣的影響較小，聚集性和通達性的影響能力較強，尤其是人口密度因子和到行政中心的距離因子影響特別顯著，因此人文因素是景泰縣生態系統服務價值時空變化的主要驅動因素。