恩施州生态系统服务价值时空分异研究

方朂锡向丽蒲婕张奇陈虎涂怡孙毅

(1.湖北民族大学生物资源保护与利用湖北省重点实验室，湖北 恩施 445000；2.鹤峰县走马镇综合行政执法大队，湖北 鹤峰 445800)

生态系统作为人类生存和发展的基础[1]，为人类提供产品和服务[2]，其服务主要包括供给服务、调节服务、文化服务和支持服务[3]。土地利用作为人类活动与环境因子交互最为密切的环节[4]，其结构变化会对生态系统格局和功能产生影响，从而改变生态系统服务的价值[5]。格网是表达空间分布格局的重要方法和手段，可用于定量分析空间异质性和精细化表达空间信息[6]。通过核算生态系统服务价值(Ecosystem Services Value，ESV)，可量化生态系统对人类社会的贡献，为制定生态保护政策、构建生态安全格局提供重要的决策支持和指导。

关于ESV评估的研究成果已较为丰富，Costanza等[7]对生态系统的服务功能进行了分类和定量评估，国内学者谢高地等[8]在该研究基础上针对中国不同陆地生态系统制定了ESV当量因子表，并于2015年对该方法进行了改进和发展，形成了改进的ESV当量因子法[9]。学者在ESV的价值估算、时空变化、情景模拟、驱动力等领域进行了丰富研究，目前的估算成果涵盖全球、国家、省市县、城市群和流域等不同空间尺度，以及森林、农田、草地等各类生态系统。虽然有关ESV的研究已经较为成熟且取得丰富的成果，但在研究内容方面，基于土地利用变化、空间自相关分析等方面探讨ESV时空分布特征、集聚特征已成为生态系统服务研究的热点，同时，在研究尺度方面，以格网作为研究单元进行格网尺度上较高精度研究成为ESV估算及空间演变特征探究的新技术和趋势。

因此，基于湖北省恩施州2000年、2005年、2010年、2015年和2020年5期土地利用数据，采用改进的ESV当量因子法、空间自相关分析等方法，探究恩施州土地利用和ESV动态变化特征及格网尺度下的ESV和ESV变化量时空分布格局，对于了解恩施州生态系统服务格局，合理配置土地资源，促进区域可持续发展，促进人与自然和谐共生具有重要意义。

1 研究区概况

恩施土家族苗族自治州(简称恩施州)，位于湖北省西南部，国土面积2.4万km2，位于E108°23′12″～110°38′08″，N29°07′10″～31°24′13″，下辖恩施、利川等2个县级市，巴东、建始、咸丰、宣恩、来凤、鹤峰等6个县。恩施州地理特征独特，其地势西北和东南部较高，而中部相对较低，呈现东北至西南纵裂的地带，是典型山地城市。恩施州拥有丰富的自然资源和独特的自然景观，森林覆盖率高，是省重点生态功能区。

图1 恩施州行政区划及高程

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源与处理

本研究使用的主要数据：2000年、2005年、2010年、2015年和2020年5期土地利用数据来源于中国年度土地覆盖数据集(annual China Land Cover Dataset，CLCD)(https：//zenodo.org/)，分辨率为30m，根据研究区土地利用现状结构和土地利用现状分类标准(GB/T 21010-2017)[10]，将恩施州地类重分类为耕地、林地、草地、水域和建设用地；高程数据来源于ASF DAAC(https：//search.asf.alaska.edu/#/)的ALOS PALSAR 12.5m，分辨率为12.5m；行政区划数据来源于湖北省地理信息公共服务平台(https：//hubei.tianditu.gov.cn/)标准地图，地图审图号为鄂S(2023)009号；农作物播种面积、产量、价格数据来源于《恩施州统计年鉴》《中国农村统计年鉴》和《全国农产品成本收益资料汇编》。

为了实现ESV数量、变化量的空间可视化表达，本研究结合恩施州实际情况、数据分辨率、计算的工作量等因素以及相关研究成果，采用等间距网格法将恩施州划分为24061个1km×1km的格网作为评价单元，计算各格网ESV总量和变化量，每个格网的面积为100hm2。

2.2 研究方法

研究方法主要分为基于土地利用数据和改进的ESV当量因子法，分析恩施州土地利用以及ESV在时间、数量上的动态演变规律；在格网尺度上利用空间自相关分析及热点分析等方法探究ESV分布及ESV变化量的集聚和时空分布特征。

2.2.1 土地利用动态度

土地利用动态度从定量角度对土地利用变化幅度进行描述，对于比较不同土地利用变化区域的差异以及预测未来土地利用变化趋势具有积极作用，计算公式[11]：

(1)

式中，K为某地类的动态度；Ua、Ub分别为研究初期、研究末期某地类的面积，hm2；T为研究时间间隔。当T为年时，K为某地类的年变化率，K越小，说明该地类转为其他地类的数量越少，该地类在研究期内相对稳定。

2.2.2 生态系统服务价值评估

生态系统服务当量因子法将1个ESV当量因子的经济价值确定为研究区年平均粮食单产市场价值的1/7(式2)[8，12]。通过查阅研究期间《恩施州统计年鉴》《中国农村统计年鉴》和《全国农产品成本收益资料汇编》，得知马铃薯、稻谷、玉米为恩施州主要粮食作物种类，获得主要粮食作物的播种面积、产量及价格，由式(2)计算得到恩施州ESV当量因子价格Ea为1680.96元·hm-2。再以改进的单位面积ESV当量因子表[9]为基础，考虑恩施州的实际情况对ESV当量进行修正，由修正的当量和当量因子价格计算得到恩施州各土地利用类型ESV，见表1。

(2)

表1 2000—2020年恩施州ESV当量及各土地利用类型ESV

式中，Ea为1hm2的ESV当量因子的价格，元·hm-2；i为粮食作物的种类；j为主要粮食作物的总种类数；mi为第i种粮食作物播种的总面积，hm2；pi为第i种粮食作物的平均价格，元·t-1；qi为第i种粮食作物面积单位平均产量，t·hm-2；M为所有粮食作物的总播种面积，hm2。

ESV计算公式[12]：

(3)

式中，Ar为土地利用类型r的面积，hm2；VCr为土地利用类型r的ESV，元·hm-2。

2.2.3 空间自相关分析与热点分析

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

3 研究结果与分析

3.1 土地利用动态变化分析

2000—2020年恩施州土地利用结构和动态变化结果见表2。由表2可知，林地在研究期内一直是恩施州的主要地类，其面积在2000年、2005年、2010年、2015年和2020年分别占总面积的82.87%、85.93%、85.93%、82.61%和81.54%，总量保持相对稳定；其次是耕地，各期占比分别为16.67%、13.65%、13.57%、16.73%和17.73%；建设用地、水域的面积占比较少，5个时期的平均面积分别占比0.28%和0.18%；草地面积占比最小，仅占0.09%。20年间恩施州耕地的增加量最多，共增长255.84hm2，建设用地和水域面积也持续增加，林地和草地面积大幅减少，其中林地减少量最多，达到-318.52hm2，主要是人口增加、工业化和城镇化的快速发展等因素引起人们对生产和生活用地需求的改变，从而改变了土地利用结构。

表2 2000—2020年恩施州土地利用结构及动态度

从土地利用动态度来看，建设用地的增加速度最为突出，动态度高达9.32%，其次是水域和耕地，其动态度分别为3.04%和0.32%，相反，林地的减少速度最为显著，动态度为-3.16%，相对而言，林地的变化总体上趋于稳定，主要因为林地总量大，但其仍是耕地和建设用地扩张的主要来源地类。

3.2 ESV时间变化分析

2000—2020年恩施州ESV总量构成和变化特征结果见表3。由表3可知，恩施州5个时期的ESV总量分别为742.18亿元、765.33亿元、767.82亿元、745.37亿元和737.80亿元，总量保持相对稳定态势，未见剧烈波动；不同生态系统类型的服务价值呈现出林地>耕地>水体>草地>建设用地的数量特征。其中，水域和耕地的ESV增加，分别增加3.82亿元和1.72亿元；林地和草地的ESV减少，分别减少9.21亿元和0.71亿元。从不同地类的ESV贡献总量而言，林地和耕地为生态服务价值贡献的主体，其中林地ESV的贡献率最大，平均占总量的94%左右，而草地ESV的贡献率最小，占比0.1%左右。

表3 2000—2020年恩施州各土地利用类型ESV及占比

3.3 ESV空间格局分析

2000—2020年恩施州格网尺度上ESV的空间分布格局见图2a～2e。由图可知，恩施州5个时期的ESV空间分布特征基本一致，整体呈现出“东南高、西北低、局部分散”的空间分布格局，空间集聚效应显著水平较高。其中，ESV高值区主要分布在清江、长江等水系流经的区域，呈现出按水系分布的趋势，这是由于水体的水文调节作用强，当量因子系数大；位于恩施州东南部的宣恩县、鹤峰县是较高值区，该地区属于中低山区地貌，地势相对较高，植被覆盖率高，且建有多个国家级自然保护区，区内受人类活动影响较小；低值区主要分布在恩施州西北部和各县市城区，这些地区的地势较为平坦，用地类型以耕地和建设为主，特别是恩施市、利川市、巴东县和建始县的城区，其土地开发利用程度较高，建设用地规模较大，使得ESV总量较低。

图2 2000—2020年恩施州ESV和ESV变化量空间分布格局

2000—2020年恩施州格网尺度上ESV的变化见图2f。由图可知，恩施州ESV减少量为0～100万元的格网数量最多，分布在恩施州的大部区域，东南部最为密集；其次是增加量为0～100万元的格网，主要分布在恩施州北部、西部以及来凤县，存在一定破碎化现象；ESV变化量超过100万元的格网较少，其中恩施市城区的减少量最大，巴东县北部的增加量最大。总体上，ESV减少格网数量大于增加格网数量，进一步说明研究期内恩施州ESV总量减少，因此，在未来土地利用上应更重视生态用地的保护。

3.4 ESV空间自相关分析

恩施州2000年、2005年、2010年、2015年和2020年的全局Moran′s I分别为0.578、0.512、0.475、0.499和0.507，说明恩施州ESV的空间分布具有较强的正向自相关性，存在空间集聚效应，且随着时间的推移，这种空间集聚效应保持着一定的一致性。2000—2020年恩施州格网尺度上ESV的空间自相关分析结果见图3，由图3可知，恩施州ESV高值、低值聚集特征明显，高值在宣恩县、鹤峰县显著聚集，这与当地建立的七姊妹山、木林子国家级自然保护区等生态保护措施关系密切；低值在恩施市、利川市、来凤县城区等地聚集，与各县市近年来的产业发展、扩张模式有一定关系，说明ESV在空间上的分布格局受土地利用结构和城市发展的影响。

图3 2000—2020年恩施州ESV的LISA分布图

3.5 ESV变化量热点分析

将恩施州2000—2005年、2005—2010年、2010—2015年、2015—2020年和2000—2020年5个时段的ESV变化量进行热点分析，选择置信度在90%以上的具有统计显著性的“冷点区”和“热点区”，得到ESV变化量冷热点区统计表和空间分布图见表4、图4。由表4可知，5个时段的冷点区、不显著区、热点区分别占比10%、13%和70%左右，其中2010—2015年的变化量冷点区和热点区占比最大，分别达18.37%和16.85%。20年间，冷点区由6.20%增加到16.22%，热点区由12.98%增加到13.93%，总体上ESV冷点区面积的增加比例大于热点区面积，这也说明恩施州在城市发展进程中，也在积极推进生态文明建设。

表4 2000—2020年恩施州ESV变化量冷热点区统计表

图4 2000—2020年恩施州ESV变化量冷热点空间分布图

由图4可知，在空间分布上，ESV变化量热点区主要分布在来凤县、巴东县北部和利川市西部等区域，冷点区主要分布在恩施市中部、咸丰县西部以及各县市城区，其他区域热点区、冷点区多零散分布。通过叠加土地利用数据和遥感目视解译可以发现，其空间分布特征与土地利用变化特征类似：热点区出现的原因多是形成林地、水域等生态用地；冷点区则是由于城区扩张占用林地、耕地和草地等原因导致植被破坏，造成ESV的损失。

4 结论

本文选取恩施州2000—2020年5期土地利用数据，利用改进的ESV当量因子法、空间自相关分析与热点分析等方法，分析恩施州土地利用和ESV动态变化特征及格网尺度下的ESV和ESV变化量时空分布格局特征，以期为恩施州生态保护开发、保障生态安全等提供一定支撑。主要结论如下。

2000—2020年，林地是恩施州的主要地类，平均占总面积的80%以上，耕地增加量最大，为255.84hm2，林地减少量最多，为-318.52hm2。建设用地增加速度最快，其动态度为9.32%；林地减少速度最显著，其动态度为-4.35%，是耕地和建设用地扩张的主要来源地类。

2000—2020年，恩施州ESV总量保持相对稳定态势，林地和耕地是ESV贡献的主体，草地的贡献率最小，不同生态系统类型的服务价值呈现林地>耕地>水体>草地>建设用地的数量特征。

5个时期的ESV分布特征基本一致，整体呈现出“东南高、西北低、局部分散”的空间分布格局，空间集聚效应显著水平较高。ESV减少量为0～100万元的格网数量最多；恩施市城区的减少量最大，巴东县北部的增加量最大，其格网的ESV变化量超过100万元。

各时期全局Moran′s I分别为0.578、0.512、0.475、0.499和0.507，说明ESV的空间分布具有较强的正向自相关性，并在时间上保持较高程度的一致性；ESV变化量高值、低值聚集特征明显，高特征值在宣恩县、鹤峰县显著聚集，低特征值在恩施市、利川市、来凤县城区等地聚集。

20年间ESV变化量“冷点区”和“热点区”均增加，2010—2015年ESV变化最为显著，冷点区和热点区占比分别为18.37%和16.85%。热点区主要分布在来凤县、巴东县北部和利川市西部等区域，冷点区主要分布在恩施市中部、咸丰县西部以及各县市城区。