2000-2020年山西省寧武縣生態系統服務價值時空動態研究

王 茹,張先平*,張曉玲,張抗萍,郝凱婕,李曉迪

(1.太原學院 園林科研所,山西 太原 030032;2.山西省林業和草原科學研究院,山西 太原 030012;3.山西林業職業技術學院 林學系,山西 太原 030009)

隨著社會經濟的快速發展,城鎮化已經成為改變全球生態空間的主要驅動因素,生態空間與結構的改變通常使自然生態系統轉變為人工或半人工生態系統,生態空間的改變直接影響區域生態系統服務功能,同時加劇了自然生態、社會生態與經濟生態三者之間的矛盾[1]。生態系統的供給、調節、支持和文化生態服務功能是人類賴以生存與可持續發展的基礎[2]。面對全球生態系統出現的多種問題,我國將生態文明建設上升為國家戰略,生態保護修復相關理論與實踐研究也成為關注的熱點[3]。開展區域生態系統服務價值(ecosystem services value,ESV)評估也成為維護生物多樣性[4]、構建區域生態安全格局[5]的重要組成內容。

生態系統服務價值評估是通過貨幣的形式量化生態效益[6-7],直觀反映研究區域生態現狀的優劣及其變化特征[8]。目前,國內外學者對ESV的估算方法分為2類:一類是單位面積服務價值功能價格法,該方法涉及的參數多且標準難統一,計算過程也較為復雜[9];另一類是基于單位面積價值當量因子法[10],該方法直觀易用,適用于大尺度生態系統服務價值評估。在以往的研究中,ESV評估指標體系與方法被廣泛應用于不同尺度行政區域[11-12]、城市群[13]、生態系統類型[14-15]、地貌[16-17]、流域[18]、職能城市[19]的ESV估算。

寧武縣既是煤炭等礦產資源儲量豐富的縣區,也是汾河的發源地,同時又是山西省“山水林田湖草”生態保護修復工程的試點區,對其開展生態系統服務價值時空動態研究,可以揭示近年來生態保護修復相關工作成效,進一步準確識別生態修復空間,對推進構建“山水林田湖草”一體化的生態安全格局具有重要的戰略意義和科學價值。

1 研究區概況

寧武縣(111°50′-112°37′E、38°31′-39°8′N),隸屬于山西省忻州市,位于呂梁山脈北端,總面積為1 987.7 km2,管轄范圍共包含4個鎮、10個鄉(圖1)。寧武縣屬溫帶大陸性氣候,山區多雨,其他地區雨量偏少。區內多山,平均海拔約2 000 m,地勢中部較低,東西兩側較高。地帶性植被為暖溫帶落葉闊葉林,中高山區為以華北落葉松和云杉為優勢種的寒溫性針葉林[20-21]。

圖1 寧武縣在山西的位置

2 材料與方法

基于謝高地等[10]單位面積價值當量因子法,整合統計寧武縣5期(2000、2005、2010、2015、2020年)土地覆被面積,根據公式計算寧武縣ESV,并從時空2個維度分析其變化特征,揭示其主要影響因素。

(1)

(2)

式中,ESV為寧武縣一期生態系統服務價值;ESVj為j類土地覆被類型生態系統服務價值;Mj為j類土地覆被類型面積(hm2);Kij為j類土地覆被類型i種生態系統服務單位價值。

2.1 數據來源與處理

原始數據分為土地覆被類型、高程(DEM)數據、氣象數據、社會經濟統計數據4部分。5期土地覆被類型數據來源于地球大數據科學工程數據共享服務系統、國家基礎地理信息中心全球地表覆蓋數據產品服務網站(DOI:10.11769)以及歐洲太空署全球陸地覆蓋數據,整合為100 m精度土地覆被類型,分為6個一級地類和10個二級地類(圖2)。DEM數據來源于地理空間數據云ASTER GDEM 30 m分辨率數字高程數據。氣象數據來源于美國國家海洋和大氣管理局。社會經濟統計數據來源于《中國糧食年鑒》《全國農產品成本收益資料匯編》《山西省統計年鑒》和中國科學院資源環境科學與數據中心。

圖2 研究區示意圖(2020年土地覆被類型數據)

2.2 ESV單位面積價值當量因子法

依據千年生態系統評估的方法,將生態系統服務分為供給服務、調節服務、支持服務和文化服務4大類,11小類。采用謝高地等[10]的方法,將1 hm2農田生態系統糧食作物生產的凈利潤作為1個標準當量因子的生態系統服務價值量。根據2000、2005、2010、2015年4期山西省小麥、玉米和大豆三大糧食主產物相應統計資料以及全國農產品成本收益情況,計算不同時期1個標準當量因子的生態系統服務價值量,取4期均值[8],即1 022.06元·hm-2。在此基礎上,根據謝高地等[10]2015年改進后的單位面積生態系統服務價值當量表與寧武縣地類整合情況,計算寧武縣不同類型生態系統單位面積ESV(表1)。

2.3 空間自相關與熱點分析方法

利用ArcGIS 10.5軟件Global Moran'sI和Getis-Ord Gi*命令進行寧武縣ESV空間變化特征分析。Global Moran'sI[22]指數主要用于分析要素值的整體空間自相關性,指數范圍為[-1,1],指數值為正則指示聚集趨勢,指數值為負則指示離散趨勢。在研究中能夠判別寧武縣ESV空間變化聚集或離散特征。Getis-Ord Gi*用于分析要素值的空間聚集程度,在研究中用來識別ESV變化值在空間上增加或是減少密集區[22],熱點區表示空間上ESV增加的聚集區,冷點區表示空間上ESV減少的聚集區。

2.4 Pearson相關系數分析法

Pearson相關系數是度量兩變量之間線性相關程度的方法,相關性系數為[-1,1]。通過Pearson相關系數分析不同社會、自然要素與寧武縣ESV之間的相關程度[8]。

3 結果與分析

3.1 2000-2020年間寧武縣ESV時間變化規律

3.1.1 寧武縣5期年均ESV 寧武縣5期的年均ESV為169 032.41萬元。20 a間一級生態系統服務均值中(圖3),調節服務ESV最高,達到107 555.38萬元,文化服務ESV最低,為7 819.28萬元。二級生態系統服務中(圖4),氣候調節ESV最高,為43 695萬元;維持養分循環ESV最低,為1 776.87萬元。

圖3 寧武縣2000-2020年一級生態系統服務類型年均ESV

3.1.2 寧武縣5期ESV年際動態 從寧武縣5期ESV總值年際變化來看,寧武縣ESV總值呈現下降-上升-下降-上升的波動性變化(圖5)。2005-2010年,寧武縣ESV總值變化幅度最小,雖呈現上升趨勢,但上升幅度僅為0.92%,2015-2020年寧武縣ESV總值變化幅度最大,上升幅度達到19.35%;2020年ESV比2000年增加了5.80%。

圖5 寧武縣5期ESV總值動態

寧武縣一級ESV 5期的變化趨勢一致(圖6),其中,變化幅度最大的是2010-2015年,供給服務的ESV下降32.87%。寧武縣11類二級ESV5期年際變化(圖7):2000-2005年11類ESV都呈下降趨勢,其中水資源供給下降幅度最大,為5.77%。2005-2010年,寧武縣11類二級ESV都呈現上升趨勢,上升幅度都在1.8%以內。2010-2015年,寧武縣11類二級生態服務系統都呈下降趨勢,其中食物生產減幅最大,為54.08%;水資源供給減幅最小,幾乎為0。2015-2020年,寧武縣11類二級ESV全面呈現上升趨勢。

圖6 寧武縣2000-2020年一級生態系統服務類型ESV年際變化率

圖7 寧武縣2000-2020年二級生態系統服務類型ESV年際變化率

3.2 2000-2020年間寧武縣ESV空間變化規律

3.2.1 寧武縣14個鄉鎮20 a ESV變化情況 14個鄉鎮中,涔山鄉年均ESV最高,為30 484.26萬元;石家莊鎮年均ESV最低,為4 090.24萬元(表2)。研究初期與末期ESV對比,石家莊鎮ESV下降幅度最大,為25.73%;迭臺寺鄉上升幅度最大,為45.42%。14個鄉鎮5期ESV都呈現波動變化,其中2015-2020年都為上升趨勢,除陽方口鎮外(上升1.8%),漲幅都超過10%。鳳凰鎮是唯一2005-2020年呈現3期連續增長趨勢的地區,石家莊鎮是唯一2000-2015年3期呈現連續下降趨勢的地區。

表2 14個鄉鎮5期ESV變化情況

3.2.2 寧武縣14個鄉鎮20年ESV值空間分布格局 通過ArcGIS 10.5軟件生成1.2 km×1.2 km網格,基于網格分析寧武縣ESV高低值的具體空間方位(圖8)。5期寧武縣ESV空間分布特征較為一致:ESV高值集中在涔山鄉全境,東寨鎮中部及西部、西馬坊鄉中部及西部、新堡鄉西部、化北屯鄉西部以及薛家洼鄉中部和東南部。ESV低值集中在東寨鎮東部、西馬坊鄉東部、新堡鄉東部、石家莊鎮全境、陽方口鎮全境、鳳凰鎮中部、化北屯鄉東部和中部、東馬坊鄉東部和南部。

圖8 寧武縣2000-2020年ESV空間分布

3.2.3 寧武縣14個鄉鎮20 a ESV變化冷熱點空間分布 利用ArcGIS 10.5軟件Global Moran'sI命令對2000-2005、2005-2010、2010-2015、2015-2020、2000-2020年5期的研究區ESV空間變化值分布特征進行分析。5期ESV變化的Global Moran'sI指數均>0.5,說明寧武縣ESV在空間上增減值呈現空間聚集分布格局。利用ArcGIS 10.5軟件Getis-Ord Gi*命令對研究區每2期ESV空間變化進行分析(圖9)。2000-2005年研究區ESV變化以冷點區為主,占研究區總面積的6.53%,主要集中于陽方口鎮中部、鳳凰鎮中部以及石家莊鎮。2005-2010年ESV變化以熱點區為主,占研究區總面積的5.92%。2010-2015年ESV變化冷點區占比較大,為13.19%,主要集中在涔山鄉西部、中部以及東寨鎮、西馬坊鄉與化北屯鄉3個鄉鎮交界處。2015-2020年ESV變化熱點區占比較大,為14.03%,主要集中在涔山鄉西部及北部、化北屯鄉東北部、東寨鎮與化北屯鄉交界處。2000-2020年研究初末2期ESV變化冷點區、熱點區占比較平均,分別占研究區總面積的10.14%、9.30%。冷點區分布更為集中,主要在鳳凰鎮與陽方口鎮交界、石家莊鎮。

熱點區表示ESV增加聚集區;冷點區表示ESV較少聚集區

3.3 ESV變化影響因素分析

通過相關性分析,探析各類土地覆被類型對寧武縣ESV影響程度,并選取了人口密度、GDP 2個社會因素以及DEM、坡度、氣溫、降水4個自然因素與ESV總值、4個一級生態系統服務類型ESV進行相關程度分析。針葉林在寧武縣生態系統服務價值中起著不可替代的作用,針葉林ESV與寧武縣ESV總值及4類一級生態系統服務類型ESV的相關度最高,都>0.8。人口密度、GDP 2個社會因素與ESV都呈負相關,但相關性較小。在一定程度上,GDP增加、人口增長會增加城鎮建設面積,建設面積的增加會降低ESV。寧武縣20 a內人口增加并不明顯,所以對ESV總值產生影響較小。DEM、坡度、降水與ESV呈明顯正相關。DEM越高、坡度越陡,ESV越高,兩者對人類活動內容、范圍與強度有較大限制影響,DEM、坡度高值區其土地覆被類型是單位面積ESV較高的針葉與闊葉林地;單位面積ESV較低的裸地分布在DEM、坡度低值區。4期降水量為寧武縣正常年份降水量,在此范圍內降水量高有利于植被生長,進而提升ESV。氣溫與寧武縣ESV呈明顯負相關,氣溫變化能夠影響植被長勢進而影響其覆蓋程度,寧武縣林地類型中寒溫性針葉林占比較大(除2020年),溫度持續升高會影響寒溫性針葉林生長。

4 討論

4.1 寧武縣近20 a ESV時間變化規律

從縣域整體ESV在研究時段的變化趨勢看,2000-2015年前3段是呈下降趨勢的,2010年略有上升,但幅度不大,2020年整體大幅度提升。2020年ESV提升的原因是4類一級生態服務功能都有較大幅度增加,按照貢獻大小排序為調節服務(20.23%)>文化服務(18.63%)>支持服務(18.36%)>供給服務(14.56%),究其原因寧武縣“十三五”期間實施了多項生態治理工程,延續退耕還林、天然林保護、三北防護林以及省級造林綠化工程,并大力推行汾河中上游山水林田湖草生態修復試點工程,取得顯著成效。表明多項生態修復工程的實施,使得寧武縣整體生態調節服務功能如水文調節、氣候調節功能大幅提升;由于旅游業的快速發展,研究區域文化服務功能也快速增強;而土壤保持、維持養分循環和生物多樣性等表征生態系統支持服務功能的價值也在提升;對于供給服務中二級ESV的增加排序為原料生產(18.26%)>水資源供給(15.81%)>糧食生產(7.60%),表明寧武縣作為汾河發源地,其水資源供給能力還有較大提升空間,該區域尚需加大礦產資源開采整治力度,減少對地下水資源的破壞和浪費;繼續提升縣域森林覆蓋面積和森林質量,從而增強其水源涵養服務功能。2015年之前寧武縣整體生態服務功能是呈下降趨勢的,且2015下降幅度較大,究其原因,“十二五”期間退耕還林(草)工程和天然林保護工程的實施,導致糧食生產(-54.08%)、原料生產(-24.74%)減少,且在各類生態工程實施的初期,其生態系統結構尚不完善,相應的調節和支持服務功能也較弱。2000-2020年寧武縣ESV變化趨勢、各期ESV評估數據量級與康曉云[23]、高婧等[24]、陳美娟等[25]的研究結果一致,但同一研究時期評估的結果存在差異。說明在研究過程中單位面積價值當量應用不一致、土地覆被類型解譯偏差、土地覆被類型整合數據不一致對ESV變化趨勢影響較小,對具體數值有影響。

4.2 寧武縣近20 a ESV空間變化規律

從寧武縣14個鄉鎮近20 a的ESV均值來看,總體比較高的是涔山鄉,大小順序為涔山鄉(30 484.26萬)>東寨鎮(24 008.22萬元)>西馬坊鄉(18 204.38萬元)>化北屯鄉(12 592.95萬元)>薛家洼鄉(11 867.39萬元),前4個鄉鎮位于縣域西南方向,基本處于管涔山山脈海拔較高的山區,薛家洼鎮位于縣域東北方向的山區,且這5個鄉鎮的國土面積相對較大;而ESV比較低的鄉鎮是石家莊鎮,大小順序為石家莊鎮(4 090.24萬元)<圪廖鄉(4 583.42萬元)<陽方口鎮(5 372.90萬元),這3個鄉鎮位于縣域平緩的區域,且國土面積較小。國土面積較大、ESV居中的是鳳凰鎮、余莊鄉,這2個鄉鎮位于恢河流域,地勢平坦,人口密度相對較大,生態修復難度較大。生態修復空間較大的鄉鎮是東馬坊鄉、懷道鄉和迭臺寺鄉。

縣域內14個鄉鎮20 a的ESV分布格局整體上呈聚集分布,高值主要集中在管涔山脈西側,這是縣域乃至汾河的重要生態屏障,對于構建縣域乃至汾河源頭生態安全格局具有重要價值,應加強保護和生態修復;低值分布在汾河下游和恢河流域,是主要的生活和生產空間,應適度控制。研究時段內ESV變化冷熱點空間分布顯示,4個時段的熱點區呈穩步增加的趨勢,表明各類生態修復工程的生態系統服務功能正在逐漸提升。

4.3 ESV影響因素分析

寧武縣ESV分別與土地覆被類型、4個自然因素和2個社會因素進行相關性分析,結果顯示針葉林與其相關性較高(相關系數0.924),其次是灌木(相關系數0.540)和灌草(相關系數0.539);4個自然因素中,坡度、降水及高程與ESV呈顯著正相關,氣溫呈顯著負相關;2個社會因素(人口密度與GDP)與ESV呈負相關,但不顯著。這意味著寧武縣域內針葉林的質量與面積對提升整體ESV意義重大,灌木、灌草植被及濕地等也對提升整體ESV起重要作用。自然因素中高程、坡度與ESV值的相關性表明,高海拔、陡坡地段限制了土地利用方式和人類活動強度,保護了生態系統,提升其生態服務功能;降水與溫度影響植被生產力,進而影響其生態功能,值得注意的是,溫度上升,全球變暖,不利于寒溫性針葉林的生長。

5 結論

20 a間寧武縣年均ESV總值為169 032.41萬元,供給服務ESV最高,為107 555.38萬元;5期ESV總值呈現下降—上升—下降—上升的波動性變化,但研究末期比初期ESV增加了5.80%,說明近年來寧武縣生態修復工程取得了一定的效益,且調節服務、文化服務和支持服務的提升幅度較供給服務大。

14個鄉鎮年均ESV最高為涔山鄉30 484.26萬元,最低為石家莊鎮4 090.24萬元;14個鄉鎮2015-2020年都為上升趨勢,除陽方口鎮外,增加比例都超過10%,2015-2020年5 a來全縣都注重生態的保護與修復且都取得一定成效。14個鄉鎮20 a的ESV呈明顯的聚集分布格局,高值主要分布在管涔山西側和東北部的禪房山區,低值分布在恢河流域和汾河下游,生態修復空間較大的鄉鎮是位于中部的迭臺寺鄉和東部的東馬坊鄉、懷道鄉。東西兩側的山區對于構建全縣生態安全格局有重要意義,需在已有基礎上持續提升總體生態系統服務功能。

研究時段內ESV變化冷熱點空間分布顯示,4個時段的熱點區呈穩步增加的趨勢,表明各類生態修復工程的生態系統服務功能正在逐漸提升。冷點區分布主要集中在鳳凰鎮、陽方口鎮和石家莊鎮這些地勢平坦、交通便利的地方,冷點區的生態修復空間與生產生活空間矛盾依然突出。

針葉林、灌木、灌草、濕地這4類土地覆被類型對寧武縣ESV提升有重要意義,針葉林影響最大。人口密度、GDP與寧武縣ESV呈現負相關,但相關性較低;自然因素對寧武縣ESV影響更大,原因是高程、坡度限制了人類對土地的利用方式與開放強度,從而影響土地覆被類型,而氣溫與降水能夠影響植被生產力,溫度增加,全球變暖不利于寒溫性針葉林生長,這一問題有待于進一步深入研究。