基于地形的县域生态系统服务价值分析

赵文江，徐明德

(太原理工大学环境科学与工程学院，山西 太原 030024)

生态系统服务是指生态系统为人类生存和发展提供的一系列支持功能与环境效用[1]。生态系统服务价值的具体分类包括食物与水资源供给、气候与水质调节、土壤保持、旅游观光以及生物多样性维护等多方面。

从20世纪90年代开始，全球范围内有关生态系统服务价值的研究开始发展起来。在国外，Daily等[2-3]、Prince等[4]、Sellers等[5]和Costanza等[6]较早在全球提出生态系统服务价值的核算方法。在国内，谢高地等[7]、欧阳志云等[8]在生态系统服务价值的研究方面具有权威性。21世纪以来，关于生态系统服务价值的研究成为生态环境领域的研究热点，目前主要研究内容包括三个方面：一是某地域特征生态系统服务价值研究，如石垚等[9]、江波等[10]分别对盆地区和湿地区生态系统服务价值进行了核算；二是某一地区生态系统服务价值的研究，如赖敏等[11]和张瑜等[12]分别对三江源和黄土高原区的生态服务总价值进行了核算；三是不同类型生态系统服务价值的研究，如潘鹤思等[13]总结了森林生态系统服务价值的研究进展,傅伯杰等[14]对中国生物多样性服务价值进行了计算与分析。近几年来，有关生态系统服务价值的研究更多地侧重于生态系统服务价值的时空变化和土地利用类型变化对其价值的影响等方面。如王新闯等[15]分析了河南新郑市土地利用类型变化对生态系统服务价值的影响。但是将土地利用变化与地形结合起来的研究则较少。

山西绛县东南高峻，西北平缓，地形差异明显。本文拟从高程和地形坡度两个方面分析该地区土地利用类型变化对生态系统服务价值的影响，并通过引入生态系统服务价值的动态度和敏感性指数，来分析土地利用类型时空变化在地形梯度上对生态系统服务价值的影响，为绛县地区合理规划和利用资源提供依据。

1 研究区概况

绛县位于山西省南部，运城市东北部，地理坐标为100°10′E～110°60′E、35°20′N～35°38′E，东西长49.1 km，南北宽35.4 km，总面积为993.49 km2，共辖10个乡镇、205个行政村，自然生态环境良好，林木覆盖率达28.9%。该地区地貌东南高峻，西北平缓，其中山区面积占67.5%，丘陵面积占18%，平原面积占14.5%。

研究区属暖温带大陆性气候，气候温和，四季分明，春季多风干燥，夏季炎热多雨，秋季凉爽晴朗，冬季寒冷少雪，光照长，热量足，降水分布少且不均。

2 研究数据与方法

2.1 数据来源与处理

2.1.1 高程与遥感数据

高程数据采用GDEMV2的30 m分辨率DEM数据，遥感数据采用2007年Landsat4-5 TM数据和2017年Landsat8 OLI_TIRS数据，主要来自地理空间数据云。

2.1.2 其他数据

从绛县统计局及其他相关部门得到研究区人口、土地面积、降雨量监测数据等相关文本资料，以及行政区划图、地形地貌图等图件资料。

2.1.3 数据处理

利用ERDAS软件对遥感数据进行波段融合，并通过非监督分类与目视解译，对研究区生态系统类型(林地、灌木、草地、未利用地、水体、建设用地和耕地)进行识别，得到研究区不同土地利用类型分布图，见图1。DEM数据首先在ArcGIS软件中进行掩膜提取，得到绛县高程图；然后通过表面分析和重分类得到绛县高程和地形坡度图，见图2。其中，将高程划分为0～700 m、700～900 m、900～1 200 m、1 200～1 500 m、1 500～1 800 m、1 800～2 100 m 6个等级；将地形坡度划分为0°～6°、6°～13°、13°～20°、20°～28°、>28° 5个等级。

图1 绛县2007年和2017年土地利用类型分布图Fig.1 Distribution map of land use types in Jiang County

图2 绛县高程和地形坡度梯度分布图Fig.2 Distribution map of elevation and slope in Jiang County

2.2 研究方法

2.2.1 生态系统服务价值动态度(EV)的计算

单一生态系统服务价值动态度(EV)表征某土地利用类型生态系统服务价值的变化程度[16]。EV值越大，表明该土地利用类型的变化程度越高，变化量越大。EV值的计算公式为：

(1)

式中：EV为单一生态系统服务价值的动态度；Va和Vb分别表示研究期初和研究期末某土地利用类型的面积(hm2)；t为研究时长(a)。

2.2.2 生态系统服务价值的计算

根据Costanza制定的生态系统服务价值计算公式，参考谢高地在2015年修正的生态系统服务价值当量因子表(见表1)，并结合研究区实际情况，采用下式计算研究区生态系统服务价值：

ESV=∑(Ai×VCt)

(2)

式中：ESV为研究区生态系统服务价值；Ai为研究区第i类土地利用类型的面积(hm2)；VCi为第i类土地利用类型的生态系统服务价值系数(元/hm2)。

表1 生态系统服务价值系数表

2.2.3 生态系统服务价值敏感性指数(SCi)的计算

利用敏感性指数(SCi)来分析研究区土地利用类型的变化对生态系统服务价值变化的敏感程度。SCi越大，表明生态系统服务价值对土地利用类型的变化越敏感；反之则越不敏感。SCi的计算公式为：

(3)

式中：SCi为单一生态系统服务价值的敏感性指数；V1i和V2i分别为研究区2007年和2017年第i类土地利用类型的生态系统服务价值(万元)；ESV1和ESV2分别为研究区2007年和2017年生态系统服务总价值(万元)。

3 结果与分析

3.1 土地利用类型的变化分析

由图1可见，绛县2007年土地利用类型以林地和耕地为主，面积分别为26 725.46 hm2和36 321.46 hm2，耕地主要分布在绛县西部和北部区域，林地和灌木主要分布在绛县东部和南部区域[见图1(a)]；2007—2017年间，绛县林地、草地和建设用地面积呈增加趋势，增加量分别为22 752.73 hm2、735.87 hm2和7 817.89 hm2，灌木、未利用地、水体和耕地面积呈减少趋势，减少量分别为6 537.24 hm2、2 359.62 hm2、1 010.95 hm2和21 507.28 hm2。其中，林地的增加区域基本上还是分布在绛县东部和南部区域，该处是东华山生态旅游区，旅游区开发以来，相关部门对该区域采取了一系列保护措施，不断改善生态环境，使得林地面积不断增加；草地的增加区域主要是分布在绛县西北部和西部边缘区域，主要由耕地演变而来，随着城市化进程的加快，不少耕地被弃耕，使得草地面积增加；建设用地的增加区域主要分布在绛县北部和中部区域，主要也是由耕地演变而来，由于该区域地势平坦、交通便利，经济的不断发展使得企业不断增加，城镇化的加快也使城镇居住用地面积不断增加；未利用地的减少是由经济的不断发展对建设用地的需求增加所致；水体面积的不断减少与该区是干旱地区有关，并且人口的增加也导致对水资源的需求不断增加，地表水资源不断减少。

3.2 生态系统服务价值的变化分析

2007年和2017年绛县各土地利用类型的生态系统服务价值，见表2和表3。

表2 2007年绛县各土地利用类型的生态系统服务价值(万元)

表3 2017年各土地利用类型生态系统服务价值(万元)

由表1和表2可知，从生态服务系统总价值的变化来看，研究区林地和草地的生态系统服务价值增加，其中林地的增加最多，增加量为43 990.12万元，灌木、未利用地、水体和耕地的生态系统服务价值减少，减少量分别为12 639.10万元、87.65万元、4 112.18万元和13 150.19万元,2007年建设用地的生态系统服务价值最低，而2017年水体的生态系统服务价值最低，这与水体的面积骤减密切相关；各土地利用类型(林地、灌木、草地、未利用地、水体、建设用地、耕地)的生态系统服务价值动态度分别为0.85、0.73、0.10、0.17、0.99、1.28、0.59，生态系统服务价值动态度最大的是水体和建设用地，最小的是草地，其中林地和灌木的生态系统服务价值均较高，其动态度也较高，耕地的生态系统服务价值虽然也较高，但其动态度属于中等；在生态系统服务价值的贡献类型来看，林地所贡献的生态系统服务价值除食物提供外都是最高的；从总生态系统服务价值的构成来看，林地、灌木和耕地的生态系统服务价值总和占到了90%以上，2007年为90.57%，2017年为94.75%。

3.3 基于地形的各土地利用类型生态系统服务价值的时空变化特征分析

2007—2017年间绛县各土地利用类型的生态系统服务价值随高程和地形坡度梯度的变化量，见图3。

图3 2007—2017年间绛县各土地利用类型的生态系统 服务价值随高程和坡度梯度的变化量Fig.3 Change of ecosystem service value with elevation and slope gradient of different land use types in Jiang County during 2007—2017

由图3(a)可见，研究区随着高程梯度的增加，林地的生态系统服务价值变化量呈先增后减的趋势，水体的生态系统服务价值变化不明显，而其他的生态系统服务价值变化量基本上呈先减后增的趋势。其中，在0～700 m高程梯度上，建设用地的生态系统服务价值增加量最多，为6 013.52万元，耕地的生态系统服务价值减少量最多，为11 909.73万元，这是由城镇化进程的加快，工业企业不断发展，所需面积不断增加导致；在900～1 200 m高程梯度上，林地的生态系统服务价值增加量最多，为12 620.66万元，主要原因是该高程梯度的土地主要分布在林地丰富的东部和南部区域；在1 200～1 500 m、1 500～1 800 m和1 800～2 100 m高程梯度上，生态系统服务价值增加量最多的均为林地，分别为6 110.69万元、2 060.19万元和55.36万元，减少量最多的均为灌木，分别为3 602.37万元、1 118.08万元和34.26万元，主要是因为政府对东部和南部地区旅游资源的开发与保护，使得林地逐渐成为优势土地利用类型。

由图3(b)可见，随着地形坡度梯度的增加，林地的生态系统服务价值变化量呈先增后减的趋势，耕地的生态系统服务价值变化量呈先增加后基本保持不变的趋势，而其他土地利用类型的生态系统服务价值变化量基本上呈先减后增的趋势，且变化量越来越小。在坡度梯度上，生态系统服务价值量变化程度最大的为林地和耕地。其中，在0°～6°地形坡度梯度上，生态系统服务价值增加量最多的为建设用地，为8 334.29万元；生态系统服务价值减少量最多的为耕地，为13 371.09万元，这与高程梯度上的变化情况相同，因为0°～6°地形坡度梯度的土地利用类型包含0～700 m高程梯度的土地利用类型；在6°～13°地形坡度梯度上，生态系统服务价值增加量最多的是林地，为7 714.30万元，生态系统服务价值减少量最多的是耕地，为4 042.53万元；这与城镇化进程的加快以及退耕还林政策有关。在13°～20°、20°～28°和>28°地形坡度梯度上，生态系统服务价值增量最多的均为林地，生态系统服务价值最大增加量为9 946.53万元；生态系统服务价值减少量最多的均为灌木，这与东部和南部区域旅游资源的开发与保护相关。

3.4 基于地形的单项生态系统服务价值时空变化特征分析

2007—2017年间绛县各单项生态系统服务价值随高程和地形坡度梯度的变化量，见图4。

图4 2007—2017年间绛县各单项生态系统服务价值 随高程和地形坡度梯度的变化量Fig.4 Change of each ecosystem service value with elevation and slope gradient in Jiang County during 2007—2017

由图4可见，研究区不管是在高程梯度还是地形坡度梯度上，除食物提供和废物处理外，各单项生态系统服务价值量的变化趋势大致相同，都呈不断减少的趋势，而食物提供和废物处理的生态系统服务价值变化量呈不断增加的趋势，且耕地具有最高的食物提供生态系统服务价值，水体具有最高的废物处理生态系统服务价值。这是因为2007—2017年间，研究区耕地和水体面积的大幅减少，使得食物提供和废物处理的生态系统服务价值不断减少，减少量分别为1 744.28万元、2 777.60万元；由于林地面积的大幅增加，在高程梯度和地形坡度梯度上，气体调节、原材料提供、生物多样性保护和土壤形成与保护生态系统服务价值的增加量最多，分别为4 122.55万元、3 542.56万元、3 338.85万元和2 953.02万元。

在0～700 m高程梯度上，食物提供和废物处理生态系统服务价值减少，减少量分别为527.38万元、837.86万元，废物处理减少量达到最多，其他各单项生态系统服务价值均增加，气体调节的增加量达到最多，为1 253.69万元；在700～900 m、900～1 200 m、1 200～1 500 m和1 500～1 800 m高梯度上，各单项生态系统服务价值的变化量逐渐减少，而在1 800～2 100 m高梯度上，各单项生态系统服务价值量均无明显的变化。

在0°～6°地形坡度梯度上，气体调节生态系统服务价值的增加量最多，为1 640.02万元；废物处理生态系统服务价值的减少量最多，为1 096.04万元；在6°～13°地形坡度梯度上，各单项生态系统服务价值的变化量骤减，增减量均大幅减少；在13°～20°、20°～28°和>28°生态系统服务梯度上，各单项生态系统服务价值的增减量变化不大，但是增加量最多的仍为气体调节价值，减少量最多的仍为废物处理价值。

3.5 生态系统服务价值敏感性分析

2007—2017年间绛县各土地利用类型的生态系统服务价值敏感性指数柱状图，见图5。

图5 2007—2017年间绛县各土地利用类型的生态系统 服务价值敏感性指数柱状图Fig.5 Sensitivity index of different land use types in Jiang County during 2007—2017

由图5可见，研究区建设用地的生态系统服务价值敏感性指数是最高的，为8.73，说明建设用地的变化对生态系统服务价值量的影响最大，10年间建设用地生态系统服务价值增加了127.9%；除此之外，水体、林地、灌木和耕地的生态系统服务敏感性指数也较高，分别为6.77、5.81、4.97和4.04，其中水体的生态系统服务价值减少了99.1%，林地的生态系统服务价值增加了85.1%，灌木的生态系统服务价值减少了72.8%，耕地的生态系统服务价值减少了59.2%；草地、未利用地的生态系统服务价值敏感性指数较低，对应的生态系统服务价值变化量均小于20%。

4 讨 论

生态系统服务价值与土地利用情况有关，而土地利用情况与地形密切相关。由于不同高度的地貌特征、气候条件、土壤条件、光照条件等的差异，造成植被在不同高程和地形坡度上的分布存在差异，人口聚集区的分布也与地形密切相关。这些差异造成不同高程地形坡度上生态系统服务价值存在差异。绛县的优势土地利用类型是林地，主要分布在海拔较高、地形坡度较陡的东南部地区，而耕地、建设用地则分布在海拔较低、地形坡度较平缓的北部和西部地区。

绛县2007年的生态系统服务总价值为100 754.18万元，2017年的生态系统服务总价值为115 516.98万元，增加了14.65%，2007年和2017年对生态系统服务价值贡献最多的都是林地。在高程梯度上，绛县2007年在1 200～1 500 m高程梯度上林地生态系统服务价值增加量最多，为11 393.49万元；2017年在900～1 200 m高程梯度上生态系统服务价值增加量最多，为21 714.76万元。在坡度梯度上，绛县2007年在20°～28°地形坡度梯度上林地生态系统服务价值增加量最多，为9 139.04万元；2017年在13°～20°地形坡度梯度上林地生态系统服务价值增加量最多，为17 500.41万元，其生态系统服务价值动态度为0.85，敏感性指数为5.81，均较高。2007—2017年间，绛县建设用地和水体的生态系统服务价值动态度和敏感性指数虽高，但是由于建设用地和水体的面积少，所贡献的生态系统服务价值量也较少。因此，对绛县总体生态系统服务价值变化起决定性作用的仍是林地，这与崔文全等[17]的研究结果相近。由图1和图2可见，林地主要分布在绛县东南部的东华山生态旅游区，各单项生态系统服务价值均较高，其对生态系统服务价值的贡献最大。

5 结论与建议

本文基于地形分析了山西绛县各土地利用类型生态系统服务价值和单项生态系统服务价值的时空变化特征，得到以下结论：

(1) 2007—2017年，绛县土地利用面积增加了9 596 hm2，林地面积增加量最大为22 752.73 hm2，耕地面积减少量最大为21 507.28 hm2。绛县生态系统服务总价值增加了14 762.80万元。其中，林地、草地和耕地的生态系统服务价值增加，林地生态系统服务价值增加量最大为43 990.12万元；灌木、未利用地、水体和耕地的生态系统服务价值减少，耕地生态系统服务价值减少量最大为13 150.19万元。

(2) 2007—2017年间，绛县各土地利用类型高程生态系统服务价值在高程梯度上的变化量除水体以外都呈先增后减的趋势，水体生态系统服务价值的变化量在各高程梯度上则一直在减少；在高程梯度和地形坡度梯度上，平均生态系统服务价值量变化程度最大的均为林地和耕地。

(3) 单项生态系统服务价值中，在每一高程梯度和地形坡度梯度上，增加量最大的均为气体调节价值，减少量最大的均为废物处理价值。

(4) 绛县总生态系统服务价值动态度和敏感性指数最大的均为建设用地，但是对生态系统服务价值贡献最多且变化量最大的则是林地。

综上研究发现，绛县东南区域林地对该地区总生态系统服务价值和整体经济贡献较突出，需合理规划开发与保护。