浅山丘陵区土地利用地形梯度特征与生态服务价值响应

赵艳霞，武爱彬，刘 欣，秦彦杰

（河北省科学院地理科学研究所，石家庄050021）

生态系统服务是生态系统与生态过程所形成及维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用，包括对人类生存及生活质量有贡献的生态系统产品和生态系统功能［1］，是人类生存和发展的物质基础和基本条件，是人类所拥有的关键自然资本［2］。土地是各种自然生态系统的载体，生态系统类型在土地利用中表现为土地利用类型，土地利用作为人类最基本的实践活动，通过区域生态进程和服务间的相互作用直接影响区域生态服务价值［3］。坡度和高程是土地资源固有的两个重要环境因子，对土地利用和土地承载力有直接作用［4］。浅山丘陵区位于山地平原的过渡地带，高程和坡向决定了区域局部的温度、光照状况、土壤保持和水源涵养能力，影响着人类利用土地的难易程度，所以地形基本上决定了该地区土地利用的方向和方式，从而影响区域的生态系统服务价值。故研究该区生态服务价值在地形梯度上的特征，可为指导该区社会经济发展与生态环境保护提供科学的决策支持依据。

1 研究区概况

河北燕山浅山丘陵区位于河北省东北部，地理位置介于北纬39°45′—41°38′，东经116°40′—119°50′。涵盖承德市东南部、秦皇岛市北部和唐山市北部等区域，总面积约26 999.43km2。中西部处于暖温带大陆性季风气候区，年均温6～10℃，1月均温－12～6℃，7月温度20～25℃，年降水量700mm左右，流水侵蚀作用强烈。东部属于温带季风气候，因受海洋影响较大，气候比较温和，春季少雨干燥，夏季温热无酷暑。

2 研究方法与数据分析

2.1 地形位指数

地形条件对土地利用类型的约束往往表现为地形和高程的综合作用，单一高程或坡度梯度上的空间分析无法体现这种综合影响［5］。参照以往研究成果［6－11］，鉴于研究区浅山丘陵的地貌特征，为综合反映地形条件的空间分异，本研究利用地理信息模型建模方法，将高程和坡度组合成地形位指数，公式表述如下［6］：

式中：T——地形位；E，L——研究区域内任意一点的高程值和坡度值；¯E，¯L——研究区域的平均高程值和坡度值。

2.2 地形分布指数

由于不同土地利用类型在地形梯度上不同区间的出现分布频率可比性受到各类土地利用类型面积带来的量纲影响［6］，本文采用标准化、无量纲的地形分布指数，进行地形梯度上不同区间或不同类型间的比较，公式如下：

式中：P——地形分布指数；S——土地面积；i——土地利用类型；e——地形位级别。P＞1的区间为土地利用类型分布的优势地形区间，P值越大，表明某土地利用类型出现的频率越高。

2.3 生态系统服务价值评价方法

Costanza等［12］在总结过去几十年生态系统公益价值评价研究的基础上，将生态系统服务功能归纳为17种类型，并进行了货币化测算（公式3），谢高地等［13－14］在Costanza的基础上统计修正得出的“中国生态系统服务价值当量因子表”（表1），当量因子是指在定义1hm2全国平均产量的农田每年自然粮食产量的经济价值为1的基础上，其他生态系统相对于农田食物生产服务的贡献值。

式中：ESV——生态系统服务总价值；VC——生态系统服务价值系数；S，i含义同公式（2）

2.4 生态服务价值大小分布指数

生态服务价值在地形梯度上的大小分布会受到不同梯度上土地面积多少的影响，为了更好地比较不同地形单位面积生态服务价值，更好地描述生态服务价值的优势分布区间，借鉴地形分布指数，本研究引入生态服务价值分布指数，公式如下：

式中：Q——生态服务价值分布指数；ESV，S，i，e含义同以上公式。Q＞1的区间为生态服务类型价值的优势分布地形区间，Q值越大，表明在此区间该生态服务类型价值越高。

表1 中国陆地生态系统单位面积生态服务价值当量

2.5 敏感性分析方法

本文参照相关研究成果［15－19］，应用经济学中常用的弹性系数概念来计算价值系数的敏感性指数（CS）［20］，以确定生态系统服务价值随时间的变化情况对于价值系数的依赖程度。将各类土地利用类型的价值指数分别调整50%，来衡量总生态系统服务价值的变化。如果CS＞1，表明ESV相对于VC是富有弹性的；如果CS＜1，ESV则被认为是缺乏弹性的，比值越大，表明生态服务功能价值指数的准确性越关键。敏感性指数的计算公式为：

式中：ESV、VC、i的含义同以上公式；m，n——初始状态和调整后状态。

2.6 数据来源与处理

本研究数据来自2010年LANDSAT TM5遥感图像，对遥感图像进行几何精校正和图像配准后，针对研究区的实际情况，从遥感图像中提取6种土地利用／覆被类型：耕地、林地、草地、建设用地、水域和未利用地进行监督分类，经过野外校核、错误纠正后，获取研究区2010年的遥感解译土地利用现状数据。将研究区域1∶25万地形图进行扫描矢量化后，通过建立TIN模型得到栅格的DEM（grid格式），并在Arc－Map下提取高程和坡度，利用地理信息建模将二者组合形成地形位指数模型，利用ArcMap计算得出研究区域的地形位指数T（0～2.947 9），等分为50个级别，与土地利用类型图叠加分析，可以得到不同地形位级别各土地利用类型的面积。

3 结果与分析

3.1 土地利用地形梯度分布特征

研究区内各土地利用类型面积和比例如表2所示，林地所占比例最大，为63.72%，未利用地所占比例极小，仅为0.02%。利用公式（2）计算2010年耕地、林地、草地、建设用地和水域在地形位上的分布指数（未利用地所占比重太小，地形梯度特征不明显，本文不做讨论），如图1所示，将地形位指数T（0～2.947 9）等分为50个级别，根据各土地利用类型的分布优势，分为低（1～10）、中（10～25）、高（25～50）三个区段，高区段为林地分布优势地形位区间，中区段为草地和林地分布优势地形位区间，低区段为耕地、建设用地、水域分布优势地形位。主要由于海拔低、坡度小的低地形位区段自然条件适宜农业发展，而人口聚集和分布与耕地的分布格局密不可分，同时人口数量直接决定了建设用地的分布频率，研究区内自然河流极少，水域多为水库、坑塘，分布在耕地与建设用地周围。而海拔高、坡度大的高地形位区段由于地表起伏度较大、气候条件限制，多为灌木林地。

表2 研究区土地利用现状

图1 研究区各土地利用类型在地形位指数梯度上的分布

3.2 生态系统服务总价值变化分析

根据统计资料计算出河北燕山浅山丘陵区2010年平均粮食产值为5 909.31元／（hm2·a），考虑到无人力投入的自然生态系统提供的经济价值是现有单位面积农田提供的食物生产服务经济价值的1／7［14］，得出研究区单位面积农田每年自然粮食产量的经济价值是844.19元／（hm2·a），以此来计算研究区各类土地面积2010年的生态服务价值量（表3）。由表3可以看出，2010年研究区土地利用生态服务总价值为375.21亿元，其中林地生态系统服务价值比例最大，为84.64%，未利用地生态系统服务价值最小，仅为0.001%。如图2所示，河北燕山浅山丘陵区2010年生态服务总价值在地形位在1—3级别上呈上升趋势，3—6级别上生态服务逐渐下降，在6—24级别上波动上升，在24级别达到峰值，然后随着级别增大开始下降，在49级别达到最小值。总体来说土地生态服务价值在地形位差异化十分明显，生态服务价值在地形位24最高为18.01亿元，地形位49最低仅为53.94元。

表3 研究区2010年各土地利用类型生态系统服务价值

图2 基于地形梯度的研究区土地利用生态服务价值

不同地形位级别生态服务价值的大小一定程度上依赖于该地形位土地面积的多少。图3表示单位面积生态服务价值分布指数在地形位级别上的表达，由此可见，随着地形位指数的增加，单位面积生态服务价值总体上呈增大趋势，在低地形位级别（1～10）和高地形位级别（45～50）上，单位面积生态服务价值呈波动状态，说明低地形位区段受人为干扰作用较为频繁，高地形位区段由于自然因素限制生态环境较为脆弱，易受人为干扰影响。是生态服务价值不稳定的区域，更应被重视。

图3 不同地形位单位土地利用面积生态服务价值

3.3 生态系统单项服务价值变化分析

由表4看出，研究区2010年占生态系统功能总价值比重较大的是保持土壤、气体调节、维持生物多样性，提供美学景观和食物生产价值比重最小。

表4 研究区2010年单项生态系统服务功能的价值

由图4生态系统单项服务价值在地形位上分布，就地形位区段而言，9类单项生产服务价值指数在地形位区段（1～15）均呈波动分布；在地形位区段（11～45），食物生产服务价值随地形位增加而减小、原材料生产、气体调节、气候调节、保持土壤、维持生物多样性、水源涵养和提供美学景观的生态服务价值分布趋势基本一致，均随着地形位增加而增加；在地形位区段（45～50），原材料生产、气体调节、气候调节、保持土壤、维持生物多样性、水源涵养和提供美学景观的单项生态服务价值略有波动，呈先减少后增加态势，食物生产服务价值呈先增加后减小趋势；废物处理的服务价值在地形位区段（11～50）呈极缓慢的减少态势，随地形位的增加基本保持不变。

图4 基于地形梯度的土地利用生态系统单项服务价值

就单项生态服务价值而言，食物生产的服务价值优势分布区间为地形位1～15，废物处理的服务价值优势分布区间为1～12，主要为耕地和水域的优势分布区间，食物生产服务功能价值在地形位4，7出现波动，食物生产出现谷底，废物处理出现波峰，此外水源涵养也在此地形位4，7出现两次波峰，与水域面积分布指数在地形位4，7出现波峰响应。说明食物生产、废物处理、水源涵养与耕地和水域面积多少存在较大的相关关系；原材料生产、气体调节、气候调节、水源涵养、保持土壤、维持生物多样性、提供美学景观的服务价值优势分布区间集中在地形位16～50，为草地和林地的分布优势区间，随着地形位级别的增加，分布优势也在不断加大，与林地面积在地形位级别分布趋势响应，说明以上服务功能价值与林地分布有较大的相关关系。

3.4 敏感性分析

根据敏感性指数的计算公式，本文把不同土地利用类型的生态价值系数调整50%，计算出了研究区2010年的敏感性指数。由图5可见，不同地形位级别上不同土地利用类型生态服务功能价值指数的敏感性指数变动较大，但敏感性指数小于1，这表明研究区内生态系统服务价值对生态服务功能价值指数是缺乏弹性的，研究结果是可信的。

图5 研究区地形位敏感性指数

4 结论

（1）研究区域内不同土地利用类型在地形梯度上表现出较为显著变化。整体空间分布特征大致保持三段模式：低地形位区段（1～10）为耕地、建设用地和水域的优势分布区；中地形位区段（10～25）是草地和林地的优势分布区；高地形位区段（25～50）是林地的优势分布区。

（2）就生态系统服务总价值而言，2010年河北燕山浅山丘陵区林地生态系统服务价值所占比例最大，达到了84.64%，未利用地生态系统服务价值最小，仅为0.001%，生态服务总价值在地形位1—3级别上呈上升趋势，3—6级别上生态服务逐渐下降，在6—24级别上波动上升，在24级别达到峰值，然后随着级别增大开始下降，在49级别达到最小值。土地生态服务价值在地形位差异化十分明显。

（3）就生态系统单项服务价值而言，2010年，保持土壤、气体调节、维持生物多样性的生态系统服务价值较大，提供美学景观和食物生产价值比重较小。食物生产、废物处理、水源涵养优势分布区间为地形位1—12，与耕地和水域面积多少存在较大相关关系；原材料生产、气体调节、气候调节、水源涵养、保持土壤、维持生物多样性、提供美学景观的服务价值优势分布区间集中在地形位16—50，与林地面积分布有较大的相关关系。

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