生态系统服务价值时空变化和权衡及其与人类活动强度关联性分析——以慈利县为例

武彦珍, 王新闯, 王顺忠

(1.河南理工大学 测绘与国土信息工程学院, 河南 焦作 454000; 2.中国科学院 植物研究所 植被与环境变化国家重点实验室, 北京 100093)

生态系统服务是指人类通过生态系统结构、功能和过程直接或间接获取维持人类生存和生活所需的产品或惠益[1]。20世纪末Costanza等[2]将休闲娱乐、水调节和气体调节等17个服务作为生态系统服务的构成，对全球各生态系统价值进行了估算。随着国外理论的进步，各研究体系与相关概念陆续引进国内，使得国内相关研究工作也有了跨越性的发展[3]。谢高地等[4-6]参考相关学者意见，并经过一系列的实践和修订，制作了单位面积价值当量因子表，建立了一个相对完整和精确的评估体系，将现有的各种生态系统服务类型和功能包括在内，其原理为将生态系统生产净利润作为该生态系统所能提供的生产价值。不同的区域作物种植种类不同，价格差异较大，因此区域修正必不可少，众多学者在当量修正和改进的基础上开展了生态系统服务价值评估工作[7-9]。然而仅对生态系统服务价值进行静态评估已满足不了目前研究人类福祉与生态系统服务之间关系的迫切需求。

生态系统服务包括供给、调节、支持和文化服务，各项生态系统服务通常呈现为此消彼长的权衡关系和相互增益的协同关系[10]。千年生态系统评估(MA)认为自然提供给人类的各项服务中，大约有2/3的服务呈下降趋势，主要是受到人类活动的干扰[11]。近年来我国实施各种生态保护政策来正向影响生态系统服务，期望生态系统服务效益能够有所回升。权衡协同关系不仅存在于生态系统服务内部，也存在于生态系统服务与人类活动之间，并且具有显著的地域差异性和动态变化性[12]。目前生态退化和人类活动干扰强烈是全球范围内普遍存在的问题，研究生态系统服务之间的权衡协同关系以及生态系统服务和人类活动强度的关联性，对于提升生态系统服务质量，实现人类社会发展的同时，保证生态系统服务效益具有重要意义[13]。因此，生态系统服务权衡成为众多学者研究的方向[14-16]。

2000年以前，由于森林尤其是天然林的过度采伐、人类活动的过度干扰，致使湖南省水土流失严重、生态环境日益恶化、自然灾害频繁发生。1998年湘、资、阮、澧四水及洞庭湖区发生历史上罕见的特大洪灾，给人民的生命和财产造成了巨大的损失，直接经济损失达329亿元之多[17]。1999年党中央、国务院发出长江上游和黄河上中游天然林禁伐、限伐的指示，以及实施退耕还林的战略决策。2000年，慈利县天然林保护工程正式实施；2001年慈利县退耕还林工程开始实施。县域作为一种行政区划区域，是一个较为完整的生态系统管控主体，有一定的相对独立性和能动性。它是全国实施主体功能区规划的基本单元，也是生态文明建设进程中重要的实践单元[18]。因此，在县域尺度上进行生态系统服务评估研究，具有一定的实践意义和参考价值。慈利县森林资源丰富，林地占总面积半数以上，是一个典型林业县域。本文以慈利县为例，开展生态系统服务价值评估，分析生态系统服务的权衡协同关系以及人类活动对生态系统服务的影响，为林业县域集约、节约利用土地，提高生态效益提供依据，为生态服务可持续发展以及天然林保护工程、退耕还林等相关政策的效益评估提供科学支撑。

1 研究区概况

慈利县隶属于湖南省张家界市，位于武陵山脉东部边缘，东北邻石门县，东南邻桃源县，西北邻桑植县，西南邻永定区[19]。慈利县位于东经110°27′—111°20′，北纬29°04′—29°41′。慈利县总面积3 480 km2，东西最大距离72.2 km，最大南北距离69 km。慈利县处于澧水中游，属于山区与平原过渡地带，地势从西北高处向东南低处倾斜，地貌类型多样，林地在慈利县境内占比最高[20]。自2000年慈利县天然林保护工程实施以来，慈利县公益林建设有序进行，2014年，慈利县公益林面积达128 618.8 hm2，重点公益林面积77 157.9 hm2，一般公益林面积为51 458.9 hm2[21]。

2 材料与方法

2.1 数据源

慈利县1980年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年、2018年8期土地利用覆盖遥感解译数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http:∥www.resdc.cn)[22]。基于Landsat-TM/ETM和Landsat-8遥感影像，通过人机交互式目视解译获得，遥感解译总体精度为88.95%。根据慈利县实际土地利用分布情况，按照研究数据需求进行重分类，分为旱地、水田、草地、林地、灌木林、水域、建设用地7种地类。1980—2018年慈利县土地利用状况见表1。社会经济统计数据来源于《湖南统计年鉴》、《张家界市统计年鉴》和《慈利县志》。

表1 1980-2018年慈利县土地利用状况 hm2

2.2 生态系统服务价值估算方法

采用谢高地等的价值当量换算法对慈利县境内生态服务价值做出评估[23]，将农田生态系统单位面积粮食生产净利润当作1个标准当量因子的生态系统服务价值量[24]，中国2010年单位面积生态系统价值当量值为3 406.50元，由于慈利县数据较难获得，以张家界市单位面积粮食产量作为慈利县单位面积粮食产量，从《湖南统计年鉴20 11》中获得2010年张家界市单位面积粮食产量为4 501元/hm2，与2010年全国单位面积粮食产量4 973.58元/hm2相比，确定其修正系数为0.905，由此可得慈利县单位面积生态系统服务价值当量为3 082.88元。根据谢高地等确定的不同区域农田生态系统生物量因子表，对研究区生态系统服务价值当量作区域修正[25](其中湖南省的修正系数为1.95)。

生态系统服务价值计算公式为

(1)

(2)

式中:V为生态系统服务总价值;Si为第i种土地利用类型的面积(hm2);VCi为第i种土地利用类型的单位面积生态系统服务价值当量(元/hm2);Vf为第f项生态系统服务的价值(元);VCfi为第i种土地利用类型第f项生态系统服务单位面积价值当量(元/hm2);n为土地利用类型数量。

2.3 生态系统服务相关性

相关性分析描述两种生态系统服务之间线性相关关系[26]。数值大小，为相关性强弱程度；数值>0，为正相关，否则为负相关，计算公式如下：

(3)

式中:Rxy为两种生态系统服务的相关性系数;x和y分别为两种生态系统服务的价值;n为样本个数;xi为x的第i个值;xmean为x的平均值;yi为y的第i个值;ymean为y的平均值。

2.4 人类活动强度指数评估模型与双变量空间自相关模型

为了定量化描述生态系统服务受人类活动的影响程度，本文引入人类活动强度指数模型，其计算公式如下：

(4)

式中:HAI为人类活动强度指数;n为土地利用类型的数量;Si为第i种土地利用类型的面积;Ci为第i种土地利用类型的人类活动强度系数;S为研究区的总面积。

人类活动对于不同土地利用类型的影响程度不同，利用人类活动强度系数来定量描述这种程度[27](表2)，并将其代入上述人类活动强度指数评估模型进行计算。

表2 不同土地利用类型的人类活动强度系数

采用双变量空间自相关分析度量生态系统服务与人类活动强度的空间相关程度[28]。其计算公式如下：

(5)

(6)

将慈利县划分成1 km×1 km的格网单元，获取各个格网单元的生态系统服务价值和人类活动强度指数。利用Geoda软件进行双变量局部自相关分析，计算1980—2018年生态系统服务和人类活动强度的空间自相关指数，得到慈利县Moran′sI散点图、显著性地图和LISA聚类图，分析生态系统服务价值与人类活动强度权衡协同关系的局部空间自相关格局，其中高高集聚和低低集聚表示协同关系，高低集聚和低高集聚表示权衡关系。

3 结果与分析

3.1 生态系统服务价值变化

3.1.1 单项生态服务功能价值变化 慈利县在1980—2018年生态系统服务总值呈上升状态，从315.62亿元增加至328.89亿元，共增加13.27亿元，生态系统服务单项的价值变更较为明显(表3)。其中食物生产从2000年开始呈减少趋势，总共减少了0.08亿元，主要原因为退耕还林政策使耕地面积有所减少；原料生产功能在40年间有微小波动，气体调节和维持养分循环功能基本保持稳定状态；其他服务功能的价值都呈上升趋势，且逐年递增，其中水文调节的价值上升最为明显，在2000年以前大幅度增加，2000年以后缓慢增加，1980—2018年共增加了10.58亿元；其次是水资源供给虽然总值为负，但在1995—2000年快速增长，其他时间段也有缓慢增加，共增加了1.15亿元，其原因为水域面积在1995—2000年有了大幅度上升，增加了1 115 hm2。

表3 慈利县1980-2018年生态系统单项服务功能价值变化 亿元

旱地1980—2000年减少了184 hm2， 2000—2018年减少629 hm2；水田1980—2000年减少了717 hm2，2000—2018年减少939 hm2。因此耕地的价值始终是减少状态，其中旱地减少0.19亿元，水田减少0.39亿元。然而，林地的生态价值却在逐年增加，1980—2018年增加了1.33亿元；灌木林在天保工程实施前价值有所增加，实施后一直呈现递减状态，总价值共减少0.5亿元，其原因为林地占用了灌木林2.02%的面积，以及有2.29%灌木林转变为耕地。草地的价值同灌木林一样也是先增后减的状态，在天保工程实施前生态服务价值增加0.11亿元，实施后减少0.4亿元，40年间总计减少0.29亿元，主要原因为有4.76%的草地转变为林地。水域价值在1995—2000年骤增，增加了8.42亿元，其原因为江垭水库的建设使水域的面积大幅度增加。建设用地价值同样有所增加，增加量为0.8亿元，其面积增加了1 185 hm2，相较于1980年增幅达82.7%，可见40年间建设用地扩张明显，城市化水平迅速提升，至2018年慈利县城市化水平已达46.97%(表4)。

表4 慈利县1980-2018年各地类生态系统服务价值变化 亿元

3.1.2 生态系统服务价值空间分异 慈利县生态系统服务价值的空间异质性非常明显(图1)。总体来看，生态系统服务价值最高的地方分布在中部澧水区域、东南边缘一些小型水域以及2000年后慈利县西北部的江垭水库；生态系统服务价值较高的地方主要分布在北部、中东部以及南部，这些地区主要地类为林地；价值居中的地区主要集中于西北部和南部，主要地类为草地；价值较低的地区主要集中于中部，由建设用地、耕地等地类交叉组成。由于慈利县是一个林业县域，林地面积占比是水域的33倍，因此林地对于慈利县生态系统服务总价值的贡献率较其他地类来说更高。

图1 慈利县1980-2018年生态系统服务价值空间分布

时间上慈利县生态系统服务价值的空间分布变化并不明显(图2)。相对而言，1995—2000年、2005—2010年慈利县生态服务价值变化较为明显，西北部、中部和南部一些区域生态服务价值显著上升，价值降低的区域面积较少，且无明显聚集。1995—2000年西北部价值变化极大的区域即为江垭水库的建设地，江垭水库位于澧水一级支流溇水中游，1998年建设完成，使慈利县生态系统服务价值有了显著提高。而1980—1990年、2000—2005年、2010—2015年、2015—2018年生态系统服务价值变化较其他两个时间段更弱一些，这与慈利县这些年土地利用分布变化较少有一定关系。1980—2018年，慈利县生态服务价值呈上升趋势，上升区域分布在中部、南部和西北部，但并不集中。

图2 慈利县1980-2018年生态系统服务价值变化空间分布

3.2 生态系统服务相关性

1980—2018年慈利县生态系统服务相关性关系以协同关系为主，其中34组为正向相关、21组为负向相关，协同关系占62%(表5)。在0.05水平上显著正相关与0.05水平上显著负相关的数目皆为3组，在0.01水平上显著正相关和在0.01水平上显著负相关的数量差距较大，分别为15组和7组，表明协同关系在生态系统关系中占主导地位。供给服务与各项生态系统服务的权衡协同关系较为均衡，协同占55.5%，权衡占44.5%，其中食物生产与除维持养分循环功能之外的服务均呈权衡关系，原料生产与除食物生产和维持养分循环之外皆为相互增益的协同关系，水资源供给与其他服务关系中也是协同为主。支持服务、调节服务和文化服务与其他生态系统服务关系中，均是协同占主导地位。调节服务中气体调节与其他服务关系较为均衡，且不显著；气候调节与食物生产呈显著的负相关，与原料生产、土壤保持和生物多样性呈显著的正相关；净化环境与支持服务和文化服务较为显著；水文调节与水资源供给、净化环境、生物多样性和美学景观为显著的正相关。支持服务中土壤保持与原料生产、气候调节和生物多样性之间协同关系显著；维持养分循环与水资源供给、净化环境、水文调节、生物多样性以及美学景观权衡关系显著；生物多样性与除食物生产和维持养分循环之外的服务都为协同关系。文化服务与食物生产、气体调节和维持养分循环呈权衡关系，其余为协同关系，与净化环境关系最为显著。

表5 慈利县生态系统服务相关关系

3.3 生态系统服务价值与人类活动强度关联性

3.3.1 人类活动强度时空变化 人类活动强度从低到高分为5个级别，即低、较低、中、较高和高(图3)。慈利县人类活动强度以较低为主，集中分布在北部、中部和南部，占地面积极大，主要原因为大部分地类为林地；人类活动强度低的区域较少集中分布在西北部和南部的草地区域；人类活动强度适中和较高的区域分布较为分散，主要分布在水域和耕地周围；人类活动强度高的区域集中在中北部耕地面积分布较广的区域、中部主城区以及建设用地和耕地交错区域。1980—2018年慈利县人类活动强度分布格局变化不大，但2005—2010年人类活动低强度区域面积明显减少，有向较低强度转化的趋势，而中部高强度区域面积有所增加，表明2005—2010年慈利县中南部生态质量有恶化的趋势。2015年生态质量有所好转，低强度区域面积增加，高强度区域减少，表明人类活动对生态系统服务的干扰得到了有效的控制。

图3 慈利县1980-2018年人类活动强度空间格局分布

3.3.2 生态系统服务价值与人类活动强度双变量空间自相关 生态系统服务与人类活动强度之间具有明显的空间负相关，Moran′sI散点在4个象限内均有分布，其中第二象限分布较为密集，Moran′sI指数均为负数(图4)。生态系统服务与人类活动强度之间一直保持负相关性，但显著性不强；相关性先呈降低趋势，2005年开始保持稳定状态。人类活动行为对生态系统进行干扰，对于林地的干扰程度较弱，对于耕地和建设用地的干扰程度较强，然而相对于耕地和建设用地，林地和水域的生态系统服务价值更高。因此，生态系统服务价值和人类活动强度一直保持负相关性。

图4 1980-2018年慈利县生态系统服务与人类活动强度Moran′s I散点图

生态系统服务与人类活动之间协同与权衡关系的空间集聚特征总体较为显著(图5—6)。生态系统服务与人类活动强度双变量空间相关关系在时间尺度上变化不明显，各集聚类型面积无明显变化，但低—高和高—低呈集聚态势，分别占比17%，18%；高—高集聚和低—低集聚占地面积较少，分别占比4%，10%。LISA聚类分析不显著区域面积占比51%左右，在中部和北部林地与其他地类混合区域。低—高聚集显著性水平较高，其达到0.001的区域和达到0.01的区域交叉分布，该区域地类基本为耕地和建设用地，分布在中北部和中南部。低—低集聚区域基本达到了0.01的显著性水平，基本分布在草地区域。显著性水平为0.05的区域基本为高—低集聚，分布在南部和东部的林地区域，该区域坡度较高，林地较为集中。高—高集聚占地面积极少，分散在慈利县中部澧水线上。

图5 1980-2018年慈利县生态系统服务与人类活动强度双变量空间自相关显著性

图6 1980-2018年慈利县生态系统服务与人类活动强度双变量空间自相关LISA聚类图

4 讨论与结论

4.1 讨 论

慈利县生态系统服务价值整体随年际变化而增加，这与土地利用变化密切相关[29]，慈利县林地和水域都有所增加，而林地和水域具有较高的生态服务价值。在政策引导下，人类活动迅速而直观地改变土地利用模式，从而引起生态服务变化，随着20世纪80年代改革开放的深入，人民进入城市，从零散村落逐步聚集，建设用地不断扩张和聚集到河流两岸，1980—2000年慈利县GDP从1.31亿元增至17.99亿元，粮食生产地位下降，耕地面积有所减少，但是由于农业内部结构的调整，种植作物的改良，粮食生产等生态系统服务价值基本保持稳定；2000—2018年慈利县人口从67.41万人升至69.95万人，建设用地进一步扩张，而其占用的地类主要为耕地，耕地由于地形位置等因素占用成本较低。虽然，1982年慈利县制定《慈利县保护森林、发展林业的暂行规定》，但是由于经济建设的压力，2000年前慈利县林地生态服务价值依旧有所降低。1998年特大洪水的爆发引起政府和人民对生态环境保护的重视，陆续实行了退耕还林政策和天然林保护工程，耕地面积继续减少，其减少的面积大部分转变为林地，使得食物生产等生态系统服务价值有所下降；还有一部分被水域占用，水域面积有所增加，但相较于1980—2000年水域增加量较少，水资源供给、水文调节、净化环境等相关生态系统服务价值仍然有所提升；由于政策实施的滞后性以及林地建设的时效性，2005年开始，林地面积持续增加使调节服务、支持服务等服务的价值提升较多；2000—2018年慈利县经济快速增长，GDP从18亿元增至192亿元，增加了近10倍，人均GDP从3 000元增至3.12万元，而第三产业占比越来越高(目前旅游收入GDP占比超25%)，这与慈利生态状况良好、旅游源丰富密不可分，说明慈利县开展生态保护工作卓有成效，实现了经济发展与生态保护的双赢局面。

慈利县生态系统服务价值表现出了明显的时空异质性，李辉等[30]对于三峡库区的研究中同样表明生态系统服务价值空间分异特征比较明显。生态系统服务价值较高的地方分布在西北部、中部、东南部的水域以及北部、中东部和南部的林地集中区域，水域单位面积生态系统服务价值高于林地，但是由于慈利县是一个林业县域，林地在慈利县生态系统服务总价值的贡献率较水域来说更高；西北部和南部的草地集中区域价值居中；价值较低的地区主要集中于中部，由建设用地、耕地等地类交叉组成。在刘凤莲等[31]对武汉市生态系统服务价值评估结果中，各地类对生态系统服务价值的贡献率为水域>耕地>林地>草地>未利用地，与本文评估结果林地>水域>耕地>草地>建设用地有较大的差异。这说明土地利用分布在不同区域有较大的差异性，武汉市作为城市化率较高、经济发展较快的地区，水域、耕地和林地是生态系统服务价值最重要的部分，而慈利县作为南方丘陵地带典型的林业县域，境内大部分区域为林地，相对来说，人类活动干扰较弱，未来的生态保护应继续以林地为主，将生态保护重心放在林地的生态质量上，以免因过度关注生态用地的面积而导致的生态质量下降。

协同关系在慈利县生态系统服务权衡协同关系中占主导地位，而生态系统服务价值与人类活动之间以权衡为主，与前人的研究结果基本一致[26,32]。不同生态系统服务存在相互增益的协同关系或者此消彼长的权衡关系。这是由于对不同服务起积极影响作用的用地类型不同。例如水域主要对水资源供给、气候调节、水文调节、净化环境等起积极作用，但是水域面积的增加也会导致耕地、林地的减少，对于食物生产等服务有一定的消极影响，降雨量过多对于耕地、林地的生态质量也会产生负面影响，因此水资源供给与气候调节、水文调节、净化环境等为协同关系，且关系显著，与食物生产则为权衡关系。生态系统服务价值和人类活动强度一直保持负相关性，说明人类活动对生态系统服务产生的影响仍以负面为主。无论是正面影响还是负面影响，人类活动行为对于生态系统服务的影响在小区域都能够非常迅速的显现出来。粮食灌溉、防洪泄洪的需求使得慈利县境内兴建水利，1980—2019年慈利县内建设完成了2个大型水库、3个中型水库、84个小型水库，水域面积持续增加，使得水域生态系统服务价值迅速上升，因此人类活动强度与生态系统服务价值在水域区域呈现高高集聚的协同关系[33]。建设用地基本不为生态系统服务提供增益，但经济发展的要求使得建设用地的增加不可避免，因此在建设用地区域人类活动强度与生态系统服务价值则呈现高低集聚的权衡关系。研究生态系统服务的权衡协同关系对于满足经济发展、保证粮食安全的同时提高生态效益、合理配置土地资源、生态与经济平衡发展、人与自然和谐共生有重要意义。研究生态系统服务与人类活动强度之间的关系则有利于于推进生态文明建设，将生态建设融入到经济建设、政治建设、文化建设和社会建设的方方面面，进一步提高生态效益，为决策者制定以及相关利益者更好地实施生态保护政策提供依据。此外，本文仅以土地利用变化作为评估生态系统服务的因素，事实上人类活动对于不同生态系统生态质量的影响也不可小觑，未来研究中应结合更多数据，使生态系统服务评估结果更加精确。

4.2 结 论

(1) 慈利县在1980—2018年生态系统服务总值呈上升状态，共增加26.41亿元。其中食物生产功能的价值先增后减，气体调节功能和维持养分循环功能基本保持稳定状态；其他服务功能的价值都呈上升趋势，且逐年递增，其中水文调节的价值上升最为明显。4个一级生态系统服务中，调节服务的比重相较于其他3种服务来说更大，其次是支持服务，供给服务较弱。林地对于生态系统服务价值的贡献相对较高。

(2) 慈利县生态系统服务价值较高的地方主要集中在东部、中部以及西北部和南部，价值较低的地区主要集中于慈利县中东部，中部、南部和西北部区域价值上升较为明显。

(3) 协同关系在慈利县生态系统关系中占主导地位。供给服务和其他服务关系较为均衡；支持、调节和文化这三项服务与其他服务均以协同关系为主。慈利县人类活动强度以较低为主，生态系统服务价值和人类活动强度一直保持负相关性，以高—低集聚和低—高集聚的权衡关系为主。低—高聚集区表现出较高的显著性水平，基本分布在耕地和建设用地。低—低集聚、高—低集聚和高—高集聚分别分布在草地、林地和水域。