縣域生態系統服務價值時空特征分析

冉文軍 王雅敬 張凡

摘要：指出了在全球環境變化與城市化的背景下，土地利用的時空格局對生態系統服務價值起著直接的控制作用。為分析區域生態系統服務價值的時空特征，以貴州省松桃縣2005、2010年兩期遙感數據為基本信息源，利用ArcGIS空間分析功能，構建了基于彈性概念的生態敏感性指數模型，計算了生態系統服務價值空間格局及其變化，并以此分析了該區域的生態系統脆弱性。研究結果表明：①2005-2010年松桃縣生態系統服務價值整體呈下降趨勢，且下降速度較快，由2005年的5038.51×104元下降至2010年的5015.23×104元，下降幅度達24.12×104元。②松桃縣生態價值量較大的鄉鎮為寨英鎮、烏羅鎮、盤信鎮、冷水溪鄉、孟溪鎮等5個鄉鎮，這些鄉鎮的歷年生態服務價值總量均超過5.38×104元。③對整個生態系統服務價值量其決定作用的是林地面積（相關系數為0.99）。因此，生態系統服務價值評估不僅要關注生態系統面積及其價值當量，更要考慮生態系統的生產力差異對生態服務功能的影響。

關鍵詞：生態系統服務；價值；時空特征；松桃縣

中圖分類號：F062.2

文獻標識碼：A 文章編號：16749944（2017）10011605

1 引言

生態系統服務是指生態系統在生態過程中為維持系統本身正常運作以及人類生產、生活持續進行的自然環境條件和物質基礎[1，2]，包括光合作用、生態產品（食物等生物資源）和生態服務（污染物運移、凈化）等，其時空特征直接關系到區域社會經濟的可持續發展和生態環境質量的健康程度。20世紀90年代以來，生態系統服務價值的定量評估逐漸成為國內外生態經濟學和環境經濟學研究領域的熱點問題[3，4]。

土地利用類型直接表征出人類活動對生態系統服務的利用方式，其景觀格局與過程也直接體現出生態系統的時空差異與服務價值量的區域性。近年來，國內外學者已從不同的尺度開展了土地覆被變化背景下的生態系統服務價值評估研究，在生態系統價值理論、主要生態系統功能和生態系統價值評估方法等方面取得了重要進展。如Costanza等[5] 首次明確了生態系統服務價值估算的原理及方法，并利用生態經濟學方法對各類生態系統價值進行定量化；Hein等[6]構建了增強的生態系統服務的估值框架，分析生態系統服務價值的空間尺度效應；謝高地等[7]采用專家問卷調查法對Costanza 等提出的評價模型進行改進，對單位面積生態系統服務價值當量進行調查，建立了中國陸地生態系統單位面積服務價值表；宋佳楠等[8]利用區域社會經濟生態協調系數對傳統的生態系統服務價值測算模型進行修正；唐秀美等[10]根據不同生態區位賦予不同的生態區位系數，實現對用地類型的生態服務價值的修正；石垚等[10]利用中國1999～2008年土地利用和GIMMS遙感影像的NDVI數據，計算和分析了近10年內中國陸地生態系統服務功能價值的時空變化；以往研究表明，我國生態系統服務價值研究雖起步較晚，但其評估尺度廣泛、類型多樣，主要涵蓋某一區域范圍或單一生態系統的生態系統價值評估，即多集中于國家、省級、流域尺度[11～13]、森林[14]、草地[15]、河流[16]等生態系統上，但對縣域尺度的生態系統服務價值時空特征分析相對較少，評估結果往往不能反映區域差異性。另外，隨著GIS、RS等技術的發展及其在生態系統領域評估中的應用[17]，生態系統服務價值時空特征分析已成為當前主要研究趨勢之一。因此，筆者以貴州省松桃縣2005、2010年兩期遙感解譯影像為例，采用RS和GIS空間分析技術，評價縣域尺度的生態系統服務價值的時空異質性，揭示城市化過程對生態系統服務價值的空間格局影響程度，以期為松桃縣生態環境與社會經濟的可持續發展提供理論支持。

2 研究區概況

松桃縣隸屬于貴州省銅仁市管轄，地跨東經108°35′42″～109°23′30″，北緯27°49′40″～28°30′20″，國土總面積3409 km2，與湖南湘西、重慶市秀山、酉陽毗鄰，是苗族聚居較多的一個少數民族自治縣。全縣地質構造復雜，具有多個皺褶和斷層構造，地勢中部低，東西部高，按照地貌組合特征可分為中山地峽谷、山間盆地、丘陵河谷、中低山溝谷和中低山丘陵等5種地貌，包含1637.9 km2的喀斯特地貌和1223.6 km2的非喀斯特地貌。該縣屬中亞熱帶季風氣候區，受亞熱帶季風氣候的影響，四季分明，徑流密度大，地表年徑流量達25.44億m3，且雨量充沛，年平均降水量為1416 mm，年平均日照達1228 h，但由于地形和海拔（縣域海拔介于285～2494 m之間）的差異，山地小氣候類型多樣，生物多樣性突出，森林植被和中藥材資源豐富。另外，松桃縣社會經濟發展速度較快，城市化水平高，2015年全縣GDP達到103.44億元，三大產業結構比為26.7∶32.7∶40.6，人均GDP為 21132元。

3 數據與方法

3.1 數據來源

以松桃縣1∶50000 地形圖為參考，在ENVI 5.0 軟件支持下分別對2005年、2010年兩期LANDSAT 影像校正，在建立解譯標志的基礎上對遙感影像進行解譯。為便于分析，將研究區的土地利用類型合并為6 種類型： 水田、旱地、林地、水域、草地、建設用地，并以2.5 m高清遙感影像為參照，對解譯的數據進行精度檢驗，三期土地利用分類的總精度和Kappa 指數等均大于0.85，其分類結果達到精度要求。從而得到松桃縣歷年土地利用類型圖。

3.2 研究方法

3.2.1 生態系統價值計算

該研究基于謝高地等[7]提出的中國生態系統單位面積生態服務價值當量，以單位面積農田提供的食物生產服務經濟價值為依據，確定符合松桃縣土地利用/覆被變化背景下的生態系統服務價值計算公式[18]：

ESV=∑AkCk （1）

式（1）中：ESV為生態系統服務價值（元/a）；Ak為第k類土地利用類型分布面積（hm2）；Ck為單位面積的生態系統服務價值（元/hm2·a）。另外，由于耕地劃分為水田和旱地，但兩者的生態系統服務價值量差異明顯，根據以往研究經驗，將耕地的生態價值量以0.6∶0.4的比例分別賦予水田和旱地（表1）；水域對局部空氣調節主要在為大氣提供蒸發量，保障空氣中水汽的穩定性，故以氣候調節價值的50%為水域的大氣調節功能價值，從而得到研究區各類生態系統的價值當量。

3.2.2 時空特征分析

（1）變異系數。變異系數可以衡量松桃縣不同年份生態系統服務價值的空間離散程度，以及不同地區生態系統服務價值的時間離散程度，其計算公式為[19]：

CV=1k1n∑ni=12Ki|K （2）

（2）空間相關性。相關分析可以定量描述兩個變量之間的線性相關程度，明確兩個變量之間的相關方向[20]。研究中采用Pearson 簡單相關系數，以松桃縣生態系統服務價值、不同土地利用類型在時空尺度的變異系數為變量，定量描述縣域生態系統服務價值與其用地變化之間的關聯性系，其計算公式為：

4 結果與分析

4.1 生態系統服務價值的時序變化

根據生態系統服務價值計算公式和各生態系統單位面積的價值當量，計算出松桃縣歷年生態價值量（表2）。由表2可知，松桃縣2005、2010年生態服務價值總量分別為5038.51×104元、5015.23×104元，整體呈下降的趨勢，2005～2010年期間生態系統價值減少共24.12×104元，年均下降率為0.12%?？傮w而言，松桃縣2005～2010年間水田、旱地、林地的生態服務價值變化趨勢均為逐漸下降，草地的生態服務價值則上升，水域的生態服務價值則保持不變。其中，林地生態系統的服務價值從2005年的4160.34×104元下降至2010年的4125.46×104元，與其他生態系統相比，同期下降幅度最為明顯，在2005～2010年間下降幅度達24.12×104元，年均下降率達到0.12%；水田、旱地作為耕地的重要組成部分，兩者的生態系統服務價值也從525.36×104元下降至522.67×104元，其歷年年均變化率相差不太明顯，如2005～2010年水田下降率僅比旱地下降率相差0.04%，但水田的變化幅度要明顯小于旱地，其因為旱地面積較大，且容易受人類活動的影響，特別是城市邊緣帶旱地占用現象普遍；草地面積的增減主要受旱地撂荒和建設用地占用的影響，2005～2010年間草地面積增加4.27 hm2，對應的生態系統價值增加3.53×104元，年均增長率為0.2%。其因為2005～2010年間城市化水平不斷提升，農業人口轉化成工業人口趨勢明顯，耕地荒廢后成為草地，導致草地面積上升，其生態價值也隨之上升?？傊?，研究期間土地利用結構的改變對松桃縣生態系統總服務價值產生了較大影響，按價值大小排序為林地>旱地>草地>水田>水域>建設用地，尤其是旱地、水田和水域的變化比較顯著，變異系數均在1.30以上，而林地和草地的變異系數則分別僅有0.50和0.74，基本是其余三者的1/2倍，這也說明林地和草地在松桃縣的生態系統服務價值占有非常重要的作用。

4.2 生態系統服務價值的空間分異

分析采用以鄉鎮為單位的生態系統服務價值來表征區域間的價值差異（表3），從生態系統空間特征來看，2005年間松桃縣生態系統價值較高的鄉鎮是寨英鎮、烏羅鎮和盤信鎮，三者生態系統服務總價值均高于3×104元，其比重比均值也達到7.14%，其次為迓駕鎮、正大鄉等22個鄉鎮，其生態系統服務價值在1.16×104～2.07×104元之間，但其總比重達到73.14%，最后比重較小的是妙隘鄉、九江鄉和大坪場鎮，三者生態系統服務價值的總比重也僅有5.43%。從各個鄉鎮生態系統服務價值的變化特征可以看出，2005～2010年下降率最高的大興鎮，其值從1.88×104元下降至1.83×104元，期間總下降率為2.77%，其次，木樹鄉和長興堡鎮的下降率也達到2.22%以上，其緣于三個鄉鎮的林地或耕地生態系統面積減少，例如大興鎮的林地面積由6150.16 hm2下降至5886.24 hm2，年均下降52.78 hm2，直接導致了整個鄉鎮的生態系統服務價值量的降低。而增長率最高的鄉鎮卻是寨英鎮，其生態系統服務價值增幅達到0.19×104元，比重提升0.34%，也使得其增長率達4.92%。另外，全縣生態服務價值增加的鄉鎮有18個，相應的比重由69.39%增加值69.90%，總體呈上升趨勢。整體而言，松桃縣各個鄉鎮的生態系統服務價值集中于1.72%～4.03%之間，寨英鎮生態系統價值量最高，且呈逐年上升的趨勢，其生態系統服務價值的比重平均值就達8.06%，其次為烏羅鎮、盤信鎮、冷水溪鄉和孟溪鎮等4個鄉鎮，其比重介于5.38%～7.66%之間。

為便于松桃縣各鄉鎮生態系統服務價值的空間差異進行對比，對松桃縣各個鄉鎮的單位國土面積生態系統服務價值進行測算（圖1），并采用自然斷點法對松桃縣各鄉鎮的生態系統服務價值進行分類，同時對各個鄉鎮的數值進行相關性分析，以識別生態系統價值的主要影響部分。從圖2中可以看出，松桃縣單位面積生態系統服務價值量共分為5類，由高到低依次為高值區、較高值區、中值區、較低值區、低值區。其中，東部的鄉鎮（大路鄉-孟溪鎮-普覺鎮以東）單位面積生態系統服務價值多屬于高值區、較高值區，其平均值為18259元/

hm2，西部的鄉鎮（妙隘鄉-大坪場鎮-平頭鄉-沙壩河鄉以西）則以較低值區為主，對應的生態系統平均值僅有16767元/hm2，比東部地區鄉鎮少8.17%。

從2005～2010年間，高值區、較高值區、中值區的鄉鎮在數值上存在一定的變化程度，但其隸屬的價值區并未發生變化，而較低值區、低值區的鄉鎮則變化明顯，松桃縣較低值區的鄉鎮由9個擴展到11個，長興堡鎮和迓駕鎮由中值區轉化成較低值區。

生態系統服務價值與土地利用相關性分析（表4）表明，各個鄉鎮之間的生態系統價值與林地的相關性最為緊密，兩者相關系數的歷年平均值為0.991。其次為水域、水田和草地，三者的平均相關系數分別為0.405、0.460、0.258，最后旱地的相關系數僅有0.015。這說明林地、水域等單位價值當量大的生態系統服務價值，其面積大小直接決定了區域生態系統價值總量。

5 結論與討論

在融合RS和GIS技術的基礎上，對松桃縣2005年、2010年同時結合以往研究成果，從土地利用/覆被變化的視角，分析松桃縣生態系統服務價值的空間特征，得出以下主要結論。

（1）松桃縣生態系統服務價值總量在2005～2010年間整體呈下降趨勢，且下降速度較快。10年間生態系統服務價值由2005年的5038.51×104元下降至2010年的5015.23×104元，下降幅度達24.12×104元，其直接原因在于林地和耕地面積的減少，導致林地、耕地生態系統價值量降低。另外，旱地、草地面積的大幅較少，也加劇了全縣生態系統服務價值的下降，由此可見，區域內各生態系統功能彼此密不可分，土地利用方式的改變是不可忽視的因素。

（2）結合2005～2010年各鄉鎮的生態價值量空間特征發現，松桃縣生態價值量較大的鄉鎮為寨英鎮、烏羅鎮、盤信鎮、冷水溪鄉、孟溪鎮等5個鄉鎮，這些鄉鎮的歷年生態服務價值總量均超過5.38×104元，特別是寨英鎮的年均生態服務價值達到8.09×104元，為全縣生態服務價值量最高的鄉鎮。從各鄉鎮的價值密度（單位國土面積生態價值量）來看，寨英鎮、烏羅鎮、冷水溪鄉、孟溪鎮等6個鄉鎮是價值密度較大的鄉鎮，妙隘鄉、大坪場鎮等鄉鎮既是價值密度低的地區，這表明價值密度是區域生態服務價值質量、數量的直觀反映，生態服務價值直接決定生態密度。

（3）基于土地利用、覆被變化的生態系統服務價值評估，提供了一種評價生態系統健康質量或生態服務優劣的簡易方法，對區域生態環境決策提供重要參考，但由于生態系統服務既受到土地利用、覆被格局變化的影響，也受到生態系統健康程度或生產力的影響，因此，單純從土地利用類型面積的角度，分析生態系統服務功能是明顯不足的，如疏林地與有林地以及喬木林與灌木林的生態服務差別， 此因素也對生態系統服務價值變化的影響不可忽視。這也是研究中不足的地方，下一步將針對不同生產力的生態系統的服務價值進行計算，以分析人類活動對生態系統服務功能的影響，實現區域社會效益、經濟效益、生態效益相協調發展。

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