胡和兵，劉紅玉 ，郝敬鋒，安 靜

(1.南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，南京 210046;2.池州學(xué)院資源環(huán)境與旅游系，池州 247000)

維持和保育生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)［1］。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過程所形成及所維持的人類賴以生存的自然環(huán)境條件與效用［2］。它不僅為人類提供了食品醫(yī)藥及其他生產(chǎn)生活原料，還創(chuàng)造和維持了地球生命支持系統(tǒng)，形成了人類生存所必須的環(huán)境條件［3］，是人類社會(huì)的關(guān)鍵自然資本［4］。對(duì)其價(jià)值進(jìn)行定量評(píng)估是高效、合理配置競(jìng)爭(zhēng)性需要環(huán)境資源的基礎(chǔ)［5］，也是制定生態(tài)環(huán)境建設(shè)補(bǔ)償政策的重要前提［6］.自1997年Costanza［7］等開展全球生態(tài)服務(wù)價(jià)值評(píng)估以來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)全球或區(qū)域［7-8］、流域［9-10］以及城市［11］等不同尺度，森林［12-13］、濕地［14-15］、河流［16-17］以及農(nóng)田［18］等不同類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值展開了廣泛而深入的研究。近年來，隨著研究的逐步深入以及3S技術(shù)的發(fā)展，越來越多的學(xué)者開始注重對(duì)生態(tài)服務(wù)價(jià)值空間分布格局及其影響因素的探討，并取得了一系列成果［18-23］。但以往的相關(guān)研究，大多側(cè)重于研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值分布格局的空間展示，缺乏對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在空間上的聚集規(guī)律、關(guān)聯(lián)模式等分布特征的定量研究，專門關(guān)于土地利用程度對(duì)生態(tài)服務(wù)價(jià)值影響的研究也較少。研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的空間分異特征及其影響因素，對(duì)揭示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，深入了解區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)特征具有重要意義。

空間自相關(guān)分析是定量研究空間關(guān)系問題，分析空間格局的重要方法和有效手段［24-26］。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值和區(qū)域的自然地理要素分布、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r直接相關(guān)。這些因素在空間上均具有隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性，具有地學(xué)特征，因此生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值和各種地理實(shí)體一樣，存在著一定的空間關(guān)聯(lián)性，可以運(yùn)用空間自相關(guān)分析等地學(xué)統(tǒng)計(jì)分析方法［23］。

本研究選擇快速城市化的南京市九鄉(xiāng)河流域?yàn)檠芯繀^(qū)，以2003年和2009年遙感影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，應(yīng)用空間自相關(guān)模型，結(jié)合GIS技術(shù)分析九鄉(xiāng)河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的時(shí)空分異特征，以及土地利用程度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間分異的影響，以期為城市化區(qū)域土地利用規(guī)劃管理、生態(tài)服務(wù)價(jià)值的保育與恢復(fù)提供理論參考。

1 研究區(qū)域概況

九鄉(xiāng)河流域(118°52'—119°1'E，32°1'—32°10'N)位于南京市東郊(圖 1)，南北長(zhǎng) 18.50 km，東西平均寬約5.74km，總面積106.21km2。地勢(shì)南高北低，南部丘陵、崗地連綿起伏，北部沿江平原，地勢(shì)低平，汛期常受洪水威脅，是南京市重點(diǎn)防洪區(qū)之一。北部的仙林大學(xué)城是南京市重要的科技和人才集中區(qū)，棲霞山風(fēng)景區(qū)被譽(yù)為“金陵第一明秀山”。中部和南部農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)雄厚，是南京市重要的農(nóng)副產(chǎn)品生產(chǎn)基地。2003年以前，該地區(qū)是比較典型的農(nóng)業(yè)景觀，在近幾年，隨著南京仙林新市區(qū)的不斷擴(kuò)展，北部大量的自然和農(nóng)業(yè)景觀類型被改造成非農(nóng)業(yè)景觀類型，景觀結(jié)構(gòu)逐漸顯示出強(qiáng)烈的快速城市化色彩，區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)所承受的人為改造壓力不斷增加［20］。

圖1 研究區(qū)位置示意圖Fig.1 The location of Jiuxiang River watershed

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

首先獲取了研究區(qū)2003年6月和2009年6月2景全色Quick Bird影像數(shù)據(jù)(星下點(diǎn)空間分辨率為0.61m)。為消除大氣等因素對(duì)遙感解譯的影響，本研究利用6S模型對(duì)2景影像進(jìn)行大氣校正。同時(shí)以南京市1∶50000地形圖為參考，在ArcGIS9.2中分別對(duì)2景影像進(jìn)行配準(zhǔn)，然后在ArcGIS環(huán)境下，先對(duì)2009年的影像進(jìn)行人機(jī)交互判讀解譯，再將解譯結(jié)果疊加于2003年影像，修改土地利用變化的區(qū)域，獲得2003年的解譯結(jié)果，以保證解譯結(jié)果邊界一致性和可比性。經(jīng)過多次實(shí)地調(diào)查和反復(fù)糾正后檢驗(yàn)，最后2景的影像總體分類精度在98%以上。參照全國(guó)土地利用分類方法，將研究區(qū)的土地利用分為耕地、林地、水域、建設(shè)用地、草地、城市綠地和未利用地7種類型，得到2003和2009年土地利用圖。初步分析表明，從2003至2009年，九鄉(xiāng)河流域土地利用發(fā)生了較大變化，其中耕地面積減少17.33%，其它各土地利用類型面積都有所增加，最為明顯的是未利用地，增加了20.77%，其次是建設(shè)用地和城市綠地，分別增加了19.92%和19.80%。

通過對(duì)1∶50000南京市地形圖進(jìn)行數(shù)字化，獲得該區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)，然后使用ArcGIS9.2的Hydrology模塊完成流域分割，獲取流域范圍。

2.2 研究方法

2.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值計(jì)算

Costanza等提出的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估體系是迄今為止應(yīng)用最為廣泛的方法［7］。謝高地等［27］依據(jù)Costanza的評(píng)估方法，制定了中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子表。本研究運(yùn)用謝高地等［27］的研究成果，結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況進(jìn)行了如下調(diào)整:(1)增加了城市綠地這一土地利用類型。為確定城市綠地的價(jià)值當(dāng)量，本研究將城市綠地簡(jiǎn)化為由林地、草地(草坪)以及景觀水域組成，并假定林地、草地和水域的面積比例為5∶4∶1［28］。由此確定城市綠地的價(jià)值當(dāng)量為:V城市綠地=0.5V林地+0.4V草地+0.1V水域。由于城市綠地一般不具有提供原材料和食物生產(chǎn)功能［28］，故將城市綠地以上兩種功能的價(jià)值當(dāng)量調(diào)整為荒漠的價(jià)值當(dāng)量，而將提供美學(xué)景觀的價(jià)值當(dāng)量調(diào)整為等同于水域的價(jià)值當(dāng)量。(2)對(duì)單位當(dāng)量因子的價(jià)值進(jìn)行了調(diào)整。依據(jù)南京市2003—2008年糧食平均產(chǎn)量(5986.20kg/hm2)，江蘇省糧食的平均收購(gòu)價(jià)格(1.71元/kg)，再考慮沒有人力投入的自然生態(tài)系統(tǒng)提供的經(jīng)濟(jì)價(jià)值是現(xiàn)有單位面積農(nóng)田提供的食物生產(chǎn)服務(wù)經(jīng)濟(jì)的1/7［20］，計(jì)算出九鄉(xiāng)河流域1個(gè)當(dāng)量因子的價(jià)格為1462.3元。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步計(jì)算出研究區(qū)各土地類型的價(jià)值系數(shù)。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的估算模型為:

式中，ESV為研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值，元;Ak為第k種土地利用類型的面積hm2，VCk為第k種土地利用類型的價(jià)值系數(shù)，元·hm－2·a－1。

根據(jù)研究區(qū)范圍大小以及斑塊的平均大小(0.01—0.02km2)，利用ArcGIS技術(shù)，采用0.1km×0.1km的正方形格網(wǎng)單元覆蓋研究區(qū)的兩期土地利用圖，計(jì)算出每個(gè)格網(wǎng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，形成兩期生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的空間分布圖。

2.2.2 土地利用程度指數(shù)

土地利用程度在一定程度上反映著人為活動(dòng)的干擾程度。人為活動(dòng)的作用結(jié)果使土地這一自然綜合體的原始自然屬性不斷降低，不同的土地利用類型代表著不同的人類活動(dòng)或土地利用程度特征。參照劉紀(jì)遠(yuǎn)等提出的計(jì)算方法［29］，給出土地利用程度指數(shù):

式中，L為研究區(qū)域土地利用程度綜合指數(shù);n為土地利用類型的數(shù)量，本研究將土地利用類型的數(shù)量分為7類，故n取7;Ai為第i類土地利用類型的面積;AT為研究區(qū)域總面積;Pi為不同類型的土地利用程度參數(shù)，反映不同土地利用類型的人類參與、管理、改造的強(qiáng)度和屬性特征。將Delphi打分法和Leopold矩陣法相結(jié)合［30］，通過取二者均值的方法確定流域土地利用程度參數(shù)Pi值(表1)。

表1 不同土地利用類型的土地利用程度參數(shù)(Pi)設(shè)置Table1 Determination of land use degree(Pi)for different land use classes

2.2.3 空間自相關(guān)分析方法

空間自相關(guān)分析是用于衡量空間變量的分布是否具有集聚性，主要通過空間自相關(guān)指數(shù)來度量，可分為全局空間自相關(guān)分析和局部空間自相關(guān)分析。表示空間自相關(guān)的指標(biāo)和方法很多，其中最常用的是Moran's I 指數(shù)［25］。

(1)全局空間自相關(guān)

全局空間自相關(guān)可反映觀測(cè)變量在整個(gè)研究區(qū)域內(nèi)空間相關(guān)性的總體趨勢(shì)［26］。本研究采用全局Moran's I指數(shù)，計(jì)算公式為:

式中，n為空間單元的數(shù)量，xi和xj分別代表變量x在第i和j個(gè)空間單元的觀測(cè)值，ˉx為x的均值，wij為空間權(quán)重矩陣，xi和xj相鄰時(shí)為1，不相鄰為0。Moran's I指數(shù)的取值在－1和1之間，小于0時(shí)表示負(fù)相關(guān)，等于0表示不相關(guān)，大于0表示正相關(guān)。其值越大，表示觀測(cè)值在空間分布上的關(guān)聯(lián)性越大，聚集性越強(qiáng)。

(2)局部空間自相關(guān)

雖然全局空間自相關(guān)分析可以揭示區(qū)域空間單元的總體依賴程度，但不能反映局部區(qū)域單元的空間自相關(guān)性［26］。本文采用局部Moran's Ii指數(shù)(LISA)測(cè)度單元i和j之間空間要素的異質(zhì)性，計(jì)算公式為:

式中，m0=(xi－xˉ)2/n;xi、xj、wij以及xˉ的含義同上。Moran'Ii的值大于0，表示空間單元高-高值或低-低值的空間聚集，Moran'Ii的值小于0，表示空間單元高-低或低-高值的空間聚集。對(duì)Moran'Ii的顯著性檢驗(yàn)可用公式(5)進(jìn)行。

式中，Z(Ii)表示空間自相關(guān)的顯著水平，E(Ii)表示Moran'Ii的數(shù)學(xué)期望，VAR(Ii)表示方差。

3 結(jié)果分析

3.1 流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空變化總體特征

從表2可以看出，2003—2009年九鄉(xiāng)河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值、網(wǎng)格的平均值均有所減少，但下降的幅度不大，其中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值下降了2.59%。變異系數(shù)較2003年有所增加，說明隨著流域生態(tài)系統(tǒng)在城市化過程中人為干擾程度的加大，流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的總體離散程度增加。

表2 九鄉(xiāng)河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值描述性統(tǒng)計(jì)Table2 Descriptive statistics of ecosystem services value in Jiuxiang River watershed

圖2為流域生態(tài)服務(wù)價(jià)值全局趨勢(shì)分析示意圖。x軸表示正東方向，y軸表示正北方向，z值表示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值大小。圖2顯示，流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值具有明顯的趨勢(shì)效應(yīng):在東西方向(x軸)呈現(xiàn)出東高西低的凸形曲線，在南北方向(y軸)呈南北高中間低的凹形曲線。說明在東西方向，流域東部的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值較高;在南北方向上，流域上游和下游的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值較高，而中游較低。在東西方向，由于流域西部靠近南京市主城區(qū)，受城市化影響明顯，尤其是近年來仙林大學(xué)城的迅速擴(kuò)張，使流域西部的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值不斷下降;而在流域的東部，大小丘陵、崗地連綿起伏，離主城區(qū)相對(duì)較遠(yuǎn)，受城市化影響小，生態(tài)服務(wù)價(jià)值也相對(duì)較高。在南北方向，流域上游分布有青龍山和龍尚湖風(fēng)景區(qū)，在下游分布有棲霞山風(fēng)景區(qū)以及羊山等低山，這些區(qū)域的植被保護(hù)較好，生態(tài)完整性高，生態(tài)服務(wù)價(jià)值也較高;而流域中部是廣大的農(nóng)業(yè)種植區(qū)，受人為擾動(dòng)較大，而且中游的面積也相對(duì)較小，因此中游的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值較低。

圖2 九鄉(xiāng)河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值趨勢(shì)面Fig.2 The trend surface of ecosystem services value in Jiuxiang River watershed

3.2 流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間自相關(guān)分析

3.2.1 流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的全局空間自相關(guān)及其對(duì)尺度的響應(yīng)

為揭示不同尺度上九鄉(xiāng)河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間自相關(guān)性特征，在現(xiàn)有0.1km×0.1km(尺度Ⅰ)格網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用 ArcGIS軟件，繼續(xù)生成流域0.2km×0.2km(尺度Ⅱ)以及0.3km×0.3km(尺度Ⅲ)2種尺度的正方形格網(wǎng)，然后采用不同的間隔距離，計(jì)算出3種尺度下不同年代生態(tài)服務(wù)價(jià)值的Moran'I指數(shù)(圖3)。

圖3 九鄉(xiāng)河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間自相關(guān)的尺度響應(yīng)Fig.3 The spatial autocorrelation change by vale scales of ecosystem services in Jiuxiang River watershed

可以看出，2003年和2009年九鄉(xiāng)河流域生態(tài)服務(wù)價(jià)值的Moran'I均大于0，說明流域生態(tài)服務(wù)價(jià)值整體呈正的空間自相關(guān)關(guān)系，流域生態(tài)服務(wù)價(jià)值在空間分布上并非表現(xiàn)完全的隨機(jī)性，而是表現(xiàn)出一定的空間聚集性:生態(tài)服務(wù)價(jià)值高的區(qū)域趨于相鄰，生態(tài)服務(wù)價(jià)值較低的區(qū)域也趨于相鄰。從不同尺度Moran'I值的大小可以看出，2009年該值整體上較2003年大，表明從2003至2009年，九鄉(xiāng)河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值相近的區(qū)域在空間上趨于集中分布，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的空間差異變小，空間趨同性增強(qiáng)。

圖3顯示，在2003年和2009年，九鄉(xiāng)河流域生態(tài)服務(wù)價(jià)值表現(xiàn)出明顯的尺度效應(yīng):隨著研究尺度的增加流域生態(tài)服務(wù)價(jià)值空間自相關(guān)性逐漸增強(qiáng)。在各尺度上，2003年的空間自相關(guān)性總體上較2009年弱。

3.2.2 流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值局部空間自相關(guān)分析

(1)Moran散點(diǎn)圖

由于全局Moran'I指數(shù)是一種總體統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，只能顯示某一區(qū)域與其周邊地區(qū)空間差異的平均程度，這在一定程度上掩蓋了區(qū)域的局部空間特征［26］，不能全面反映流域內(nèi)部生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的空間關(guān)系。因此，需要借助Moran散點(diǎn)圖進(jìn)一步分析九鄉(xiāng)河流域生態(tài)服務(wù)價(jià)值的空間特征。

Moran散點(diǎn)圖可用來表達(dá)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的標(biāo)準(zhǔn)化向量ESV(橫軸)與它的空間滯后向量W_ESV(縱軸)之間的相關(guān)關(guān)系。每個(gè)格網(wǎng)生態(tài)服務(wù)價(jià)值的空間滯后即為該格網(wǎng)觀測(cè)值與周圍格網(wǎng)觀測(cè)值的加權(quán)平均，并通過標(biāo)準(zhǔn)化的空間加權(quán)矩陣加以定義。應(yīng)用GeoDA軟件進(jìn)行局域空間自相關(guān)指標(biāo)計(jì)算，獲得2003和2009年的Moran散點(diǎn)圖(圖4)。

從圖4可以看出，2003年和2009年生態(tài)服務(wù)價(jià)值散點(diǎn)主要分布在第一和第三象限(約占全部格網(wǎng)數(shù)的89%)，第二、四象限散點(diǎn)分布較少。說明流域生態(tài)服務(wù)價(jià)值具有顯著的正空間自相關(guān)，生態(tài)服務(wù)價(jià)值相近的格網(wǎng)在空間上呈聚集分布狀態(tài)。其中第三象限的點(diǎn)最為集中，表明在生態(tài)服務(wù)價(jià)值低值區(qū)各格網(wǎng)間的差異較小。而第一象限的點(diǎn)最為離散，說明在生態(tài)服務(wù)價(jià)值較高的區(qū)域各格網(wǎng)間差別較大;相比2003年，2009年沿趨勢(shì)線方向散點(diǎn)數(shù)量也明顯增加，表明隨著城市化過程的推進(jìn)，在生態(tài)服務(wù)價(jià)值的高值區(qū)，有部分格網(wǎng)的生態(tài)服務(wù)價(jià)值增加且明顯高于其他格網(wǎng)。第二和第四象限的變化不大，但均出現(xiàn)了少數(shù)的離群點(diǎn)，說明在生態(tài)服務(wù)價(jià)值高低交錯(cuò)分布的區(qū)域中，仍有少數(shù)的格網(wǎng)生態(tài)服務(wù)價(jià)值與周邊格網(wǎng)差別較大。

(2)LISA集聚圖

LISA是衡量空間單元屬性與周圍單元的相近(正相關(guān))和相異(負(fù)相關(guān))程度及其顯著性的指標(biāo)，可以由LISA集聚圖來表現(xiàn)(圖5，圖6)(其他尺度的結(jié)果相似，限于篇幅，僅以0.1km×0.1km為例說明)。從圖5可以看出，九鄉(xiāng)河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的高值區(qū)主要集中在上游，低值區(qū)主要集中在下游。從2003—2009年，九鄉(xiāng)河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間分布格局發(fā)生了較大的變化。流域的上游和下游變化比較明顯，而中游的廣大農(nóng)業(yè)種植區(qū)變化不大。在流域下游，受城市化過程的影響，低-低類型區(qū)分布的范圍迅速擴(kuò)張，從仙林大學(xué)城一直向北擴(kuò)張至獅子沖，向南延伸至靈山，向東跨過九鄉(xiāng)河蔓延至東長(zhǎng)林，并逐漸連成一片;而高-高類型區(qū)的變化主要集中在九鄉(xiāng)河的源頭以及仙林大學(xué)城附近，這主要是由于在2004年分別在九鄉(xiāng)河源頭和仙林大學(xué)城附近修建了龍尚湖水庫(kù)和羊山水庫(kù)，致使這兩個(gè)區(qū)域的生態(tài)服務(wù)價(jià)值升高。而低—高以及高—低類型區(qū)的范圍很小且變化不大。

圖4 2003與2009年九鄉(xiāng)河流域生態(tài)服務(wù)價(jià)值Moran散點(diǎn)圖Fig.4 Moran scatter of ecosystem services value in Jiuxiang River watershed

圖5 九鄉(xiāng)河流域2個(gè)時(shí)期生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值LISA聚集圖Fig.5 The LISA cluster graph of ecosystem services value in Jiuxiang River watershed

流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值局部自相關(guān)顯著性水平隨空間分布格局也發(fā)生明顯的變化(圖6)。2009年達(dá)到顯著水平(P=0.05)的面積明顯大于2003年的面積，這種變化主要發(fā)生在下游的仙林大學(xué)城及上游源頭一帶。從空間分布上看，流域大部分區(qū)域相關(guān)性不顯著，主要在高-高類型區(qū)以及低-低類型區(qū)表現(xiàn)出較高的顯著性水平，說明這些區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值表現(xiàn)出強(qiáng)烈的空間正相關(guān)性(P=0.05):這些區(qū)域的生態(tài)服務(wù)價(jià)值高，相鄰地區(qū)的生態(tài)服務(wù)價(jià)值也高，這些區(qū)域的生態(tài)服務(wù)價(jià)值低，相鄰地區(qū)的生態(tài)服務(wù)價(jià)值也低。在局部區(qū)域達(dá)到了0.001的顯著性水平，這在下游仙林大學(xué)城一帶的低-低類型區(qū)的中心區(qū)域表現(xiàn)最為明顯，呈集中分布，表明這一區(qū)域生態(tài)服務(wù)價(jià)值在空間分布上差異性較小，空間趨同性強(qiáng)，從而表現(xiàn)出很強(qiáng)烈的正相關(guān)性。

3.3 流域土地利用程度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響

為探測(cè)流域土地利用程度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間分異的影響，本文選用1km×1km的格網(wǎng)分別對(duì)兩期土地利用類型分布圖進(jìn)行覆蓋全區(qū)的系統(tǒng)采樣，各獲得68個(gè)完整網(wǎng)格，分別計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值和土地利用程度指數(shù)值，然后繪制生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值和土地利用程度之間的散點(diǎn)圖(圖7)。圖7顯示，隨著土地利用程度的增加，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總體上呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。這表明，土地利用程度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值存在負(fù)效應(yīng):土地利用程度越大，流域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值越低。

圖6 九鄉(xiāng)河流域2個(gè)時(shí)期生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值LISA顯著性水平Fig.6 The LISA significance level of ecosystem services value in Jiuxiang River watershed

圖7 流域土地利用程度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響Fig.7 Impact of land use degree on ecosystem services value in Jiuxiang River watershed

4 討論

4.1 流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間自相關(guān)特征

采用空間自相關(guān)模型可以有效分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間聚集規(guī)律和空間關(guān)聯(lián)模式的動(dòng)態(tài)變化，揭示研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間分異特征。相比于傳統(tǒng)的生態(tài)服務(wù)價(jià)值空間格局分析方法［20］，該方法能定量識(shí)別出生態(tài)服務(wù)價(jià)值關(guān)鍵的“熱點(diǎn)”區(qū)(高-高類型)和“冷點(diǎn)”區(qū)(低-低類型)［23］。本研究中，流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值表現(xiàn)出較明顯的空間聚集特征:“熱點(diǎn)”區(qū)位于上游的青龍山一帶，這一帶由于受人為干擾小，生態(tài)完整性先好，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值最高;“冷點(diǎn)”區(qū)位于下游的仙林大學(xué)城一帶，這一區(qū)域受城市化影響最為明顯，土地利用程度高，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值相應(yīng)較低;而中游的廣大農(nóng)業(yè)種植區(qū)沒有表現(xiàn)出明顯的聚集性。6a來，隨著流域城市化過程的推進(jìn)，“冷點(diǎn)”區(qū)明顯擴(kuò)展，使整個(gè)流域表現(xiàn)出空間自相關(guān)性增強(qiáng)，而“熱點(diǎn)”區(qū)變化不大。這兩個(gè)區(qū)域應(yīng)是將來流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)保育和恢復(fù)的重點(diǎn)區(qū)域。

流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的空間自相關(guān)也表現(xiàn)出明顯的尺度效應(yīng)特征:隨著空間尺度的增大，空間自相關(guān)逐漸增強(qiáng)。說明流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的空間自相關(guān)性與尺度密切相關(guān)［23］。這與相關(guān)研究的結(jié)論一致［25，31］。這是由于生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能依賴于不同空間和時(shí)間尺度上的生態(tài)與地理系統(tǒng)過程［32］。也可能與數(shù)據(jù)平均時(shí)的濾波特性和Moran'I系數(shù)對(duì)距離的非線性特征有關(guān)［25，33］。因此，研究中確定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的特征尺度就成為能否科學(xué)揭示研究對(duì)象本質(zhì)一個(gè)不可或缺的重要環(huán)節(jié)［34］。本文依據(jù)2期土地利用類型斑塊的平均面積(0.01—0.02km2之間)，結(jié)合多次實(shí)驗(yàn)，確定基本研究尺度為0.1km×0.1km，然后在此基礎(chǔ)上派生出尺度Ⅱ和尺度Ⅲ的數(shù)據(jù)。從研究結(jié)果來看，該尺度較客觀的反映了九鄉(xiāng)河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的空間分異特征。但在尺度推繹上(尺度Ⅱ和尺度Ⅲ)仍然存在一定的主觀性，因此，如何更科學(xué)的確定流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的空間尺度還有待于深入研究。

4.2 流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空分異的主要影響因素

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化受自然和人為等多種因素的影響［21］。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的空間分異也是隨機(jī)性因素(人為)和結(jié)構(gòu)性因素(自然)共同作用的結(jié)果。它們對(duì)空間總異質(zhì)性的相對(duì)貢獻(xiàn)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系［35］。其中隨機(jī)性因素如土地利用開發(fā)等人為活動(dòng)，往往減弱生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間變異的結(jié)構(gòu)性，使生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的空間分布朝均一化發(fā)展，這在局部小區(qū)域如仙林大學(xué)城一帶表現(xiàn)更為明顯。由于受快速城市化過程中人類活動(dòng)的影響，仙林大學(xué)城一帶的土地利用變化迅速，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值低值區(qū)呈明顯的連片聚集態(tài)勢(shì)，均質(zhì)化明顯。而結(jié)構(gòu)性因素如氣候、地形地貌以及土壤類型等是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間變異的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力，有利于提高生態(tài)服務(wù)價(jià)值空間變異的結(jié)構(gòu)性，這在整個(gè)流域尺度上表現(xiàn)更為明顯。本文的研究時(shí)段較短，研究區(qū)的地勢(shì)較為平坦，土壤類型等相對(duì)均一，使得結(jié)構(gòu)性因素對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變異性影響較小。因此，對(duì)快速城市化的九鄉(xiāng)河流域而言，人類活動(dòng)主導(dǎo)下土地利用變化是影響流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空變異的主要因素。相關(guān)研究也表明，城市土地利用方式的變化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值之間存在密切聯(lián)系［21，23，28］。而城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張引起生態(tài)用地的減少往往是導(dǎo)致生態(tài)服務(wù)總價(jià)值損失的主要原因［20，36］。因此，制定嚴(yán)格的生態(tài)規(guī)劃，限定人為開發(fā)的強(qiáng)度和規(guī)模，保護(hù)好林地、水域等重要生態(tài)用地，開展已開發(fā)區(qū)域的近自然恢復(fù)是保育和恢復(fù)九鄉(xiāng)河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的有效途徑。

4.3 流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值對(duì)土地利用程度的響應(yīng)

土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)影響的研究已引起廣泛的關(guān)注［37］。已有的研究表明，土地利用/覆蓋的變化影響生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能［33］，進(jìn)而對(duì)生態(tài)系統(tǒng)維持其服務(wù)功能產(chǎn)生影響［34-35］。但對(duì)影響的過程和機(jī)理認(rèn)識(shí)仍然不足［38］。本研究表明，土地利用程度對(duì)流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值存在負(fù)效應(yīng)，這與黃靜等［36］、黃云鳳等［39］以及高莉潔等［40］的研究結(jié)果一致，但與石龍宇等［38］的研究相反。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，以上相關(guān)研究的數(shù)據(jù)來源、研究區(qū)域等基本相同，僅在生態(tài)服務(wù)價(jià)值評(píng)估方法上有所差別:黃靜、黃云鳳及高莉潔等的生態(tài)服務(wù)價(jià)值核算是基于Costanza［7］、謝高地等［27］的價(jià)值量方法，在結(jié)合研究區(qū)實(shí)際對(duì)價(jià)值系數(shù)進(jìn)行調(diào)整的基礎(chǔ)上，核算了9種生態(tài)服務(wù)功能的價(jià)值;而石龍宇的生態(tài)服務(wù)價(jià)值核算是基于物質(zhì)量和價(jià)值量相結(jié)合的方法，在生態(tài)服務(wù)功能辨識(shí)的基礎(chǔ)上，獲得研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的12種功能類型對(duì)應(yīng)的物質(zhì)量，然后利用直接市場(chǎng)技術(shù)將其分別折算成相應(yīng)的價(jià)值量。本文從易于空間化的角度考慮，選擇了國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用的Costanza、謝高地等的評(píng)估方法。由于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估尚未形成一整套完備的評(píng)價(jià)理論、指標(biāo)體系、實(shí)施原則［41］。不同的生態(tài)服務(wù)價(jià)值評(píng)估方法，在計(jì)算模型、參數(shù)確定以及區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)分類等方面不同［38，41］，其價(jià)值評(píng)估結(jié)果往往會(huì)存在較大的差異［5］。即便對(duì)完全相同的生態(tài)系統(tǒng)的價(jià)值評(píng)估，評(píng)價(jià)結(jié)論可能相差甚遠(yuǎn)。如對(duì)全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的評(píng)價(jià)，Pimentel［42］和 Constanza［7］的結(jié)論產(chǎn)生了數(shù)量級(jí)的差異。黃靜等［36］與石龍宇等［38］基于不同方法估算的2007年廈門市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值相差也達(dá)5倍多。因此，生態(tài)服務(wù)價(jià)值評(píng)估方法的差異可能是導(dǎo)致上述研究結(jié)果不一致的主要原因。

此外，研究中較少的樣本數(shù)量可能對(duì)二者間的關(guān)系也存在一定影響。受數(shù)據(jù)來源的限制，以上相關(guān)研究的結(jié)論都是基于5—6個(gè)樣本(5—6期遙感影像)的分析獲得，樣本數(shù)量明顯偏少，而過少的樣本數(shù)量，可能會(huì)使統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果出現(xiàn)較大偏差。本文采用空間采樣方法，通過對(duì)2期土地利用圖的系統(tǒng)采樣，各獲得68個(gè)樣本，以此為基礎(chǔ)分析土地利用程度和生態(tài)服務(wù)價(jià)值間的關(guān)系，較好的克服了有限數(shù)據(jù)的影響，有助于更準(zhǔn)確的凸顯規(guī)律，也是解決上述問題的一種較好的思路和方法。

由于上述因素的存在，再加上研究區(qū)域間固有的差異性［38］，致使土地利用程度對(duì)生態(tài)服務(wù)價(jià)值影響的評(píng)價(jià)結(jié)論不盡一致。但本文基于流域尺度的研究結(jié)果，可為城市化地區(qū)維護(hù)、恢復(fù)和改善生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供一定的參考，同時(shí)也是探究人類干擾下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)響應(yīng)特征的一種有益嘗試。今后還需加強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估方法的研究，以及不同評(píng)估方法下生態(tài)服務(wù)價(jià)值與土地利用程度間關(guān)聯(lián)關(guān)系的對(duì)比研究，以深入揭示土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響過程。

5 結(jié)論

2003至2009年，九鄉(xiāng)河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值減少2.59%，而流域生態(tài)服務(wù)價(jià)值的空間聚集性增強(qiáng);流域生態(tài)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間自相關(guān)表現(xiàn)出較明顯的尺度效應(yīng)，隨著研究尺度的增大生態(tài)服務(wù)價(jià)值空間自相關(guān)性增強(qiáng)。

流域生態(tài)服務(wù)價(jià)值的空間分異明顯，高-高分布區(qū)主要在上游的青龍山一帶，低-低分布區(qū)主要在下游的仙林大學(xué)城一帶;下游的低-低分布區(qū)向周邊快速擴(kuò)展，而高-高分布區(qū)僅在九鄉(xiāng)河源頭和下游局部區(qū)域有所增加。

流域土地利用程度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值存在負(fù)效應(yīng)，土地利用程度越高，生態(tài)服務(wù)價(jià)值越低。隨著仙林新市區(qū)建設(shè)的不斷推進(jìn)，九鄉(xiāng)河流域快速的城市化過程將不可避免，因此，依據(jù)流域生態(tài)服務(wù)功能現(xiàn)狀以及未來的用地需求，制定嚴(yán)格的生態(tài)規(guī)劃，加強(qiáng)已開發(fā)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的近自然恢復(fù)，是恢復(fù)和保育九鄉(xiāng)河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的有效途徑。

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