趙 亮，劉吉平，田學(xué)智

(吉林師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院，四平 136000)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過(guò)程所形成及所維持的人類(lèi)賴(lài)以生存的自然環(huán)境條件與效用［1］。通過(guò)經(jīng)濟(jì)價(jià)值指標(biāo)量化不同生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價(jià)值，使人們認(rèn)識(shí)到自然生態(tài)體系與人類(lèi)活動(dòng)之間的關(guān)系，從而奠定可持續(xù)利用與發(fā)展的基礎(chǔ)［2］。動(dòng)態(tài)生態(tài)價(jià)值的研究為生態(tài)價(jià)值研究成果進(jìn)一步在資源合理配置中的應(yīng)用提供了途徑［3］，隨著研究問(wèn)題的深入及技術(shù)手段的進(jìn)步，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的動(dòng)態(tài)變化成為當(dāng)前研究趨勢(shì)之一。近些年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于遙感與GIS技術(shù)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了卓有成效的研究，例如周德成、常守志、李晉昌等人［4-10］研究顯示，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的動(dòng)態(tài)變化源于研究區(qū)不同土地利用面積的變化［4，6，10］;生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的增減絕大部分取決于濕地、水域和林地面積的消長(zhǎng)［4-8］;人為改變土地利用類(lèi)型是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化的主要原因［6，9］。眾多研究表明，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化趨勢(shì)研究能科學(xué)直觀的反映區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境的變化狀況，但研究?jī)?nèi)容偏向總體價(jià)值評(píng)價(jià)，不能反映研究區(qū)空間變異及內(nèi)部差異性變化。

近60年來(lái)，三江平原撓力河流域在人為墾荒活動(dòng)的作用下，原始生態(tài)系統(tǒng)遭到大面積破壞，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值呈明顯階段性下降趨勢(shì)，對(duì)該流域乃至三江平原的生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重?fù)p害［11］。本文以撓力河流域?yàn)榈湫脱芯繀^(qū)，對(duì)該流域1950—2005年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的時(shí)空變化進(jìn)行區(qū)域內(nèi)差異分析，為保護(hù)三江平原生物多樣性和維持生態(tài)系統(tǒng)功能等方面提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域

撓力河流域地處黑龍江省三江平原腹地(圖1)，地理位置為 131°31′—134°10′E，45°43′—47°35′N(xiāo)，流域總面積為22542.88 km2，占整個(gè)三江平原面積近1/4，是三江平原最大的流域，目前擁有撓力河和寶清七星河兩處國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，是三江平原重要的淡水濕地分布區(qū)，行政區(qū)劃包括寶清縣、友誼縣全部，富錦縣、饒河縣、雙鴨山市、七臺(tái)河市、集賢縣部分。

撓力河是烏蘇里江的一級(jí)支流，發(fā)源于完達(dá)山脈，自西南流向東北，河道彎曲狹長(zhǎng)，有利于沼澤濕地的發(fā)育與形成。撓力河流域開(kāi)發(fā)歷史較早、墾荒活動(dòng)階段性強(qiáng)、土地利用類(lèi)型多樣、流域水系格局較為完整，是選擇該流域作為研究三江平原生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化典型區(qū)的重要原因之一。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 土地利用數(shù)據(jù)獲取

撓力河流域1950年和1965年的土地利用圖，以1965年地形圖件(1∶20萬(wàn))作為底圖，參照其他相關(guān)歷史資料匯編制作;1976年的土地利用圖，根據(jù)1976年編制的1∶20萬(wàn)荒地調(diào)查圖和1972年MSS數(shù)據(jù)進(jìn)行編制;1983年的土地利用圖，根據(jù)1983年三江平原1∶20萬(wàn)濕地植被圖制作;1993年、2005年的土地利用圖，根據(jù)1993年和2005年的TM遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯和編制。在此基礎(chǔ)上，按統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各個(gè)時(shí)期土地利用類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)，作為研究撓力河流域近60年來(lái)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空變化的基礎(chǔ)。

圖1 撓力河流域地理位置示意圖Fig.1 Location of the Naoli River Basin

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等人［1］于1997年在Nature雜志發(fā)表的研究成果中，運(yùn)用經(jīng)濟(jì)學(xué)原理定量分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，該方法使生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估得以量化實(shí)現(xiàn)，將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究推向生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)研究的應(yīng)用領(lǐng)域。但由于Costanza等人對(duì)某些生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值估計(jì)存在偏差，我國(guó)學(xué)者謝高地等［12］參考其可靠的部分，在對(duì)我國(guó)200位生態(tài)學(xué)者進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查的基礎(chǔ)上，制定出中國(guó)不同陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值表(表1)，并在我國(guó)青藏高原地區(qū)得以應(yīng)用?？紤]到研究區(qū)的實(shí)際狀況，本文使用中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)單位面積價(jià)值作為統(tǒng)一量表，計(jì)算撓力河流域各時(shí)期的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。

表1 中國(guó)不同陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值［12］Table 1 Chinese ecosystem service value unit area of different ecosystem types

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的計(jì)算公式為:

式中，V為研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值，元;Pi為單位面積上土地利用類(lèi)型i的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值，元/hm2;Ai為研究區(qū)內(nèi)土地利用類(lèi)型 i的分布面積，km2［1］。

本文為了研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的空間變化，利用ArcGIS軟件，生成撓力河流域2 km×2 km尺度的正方形網(wǎng)格圖，將正方形網(wǎng)格圖與撓力河流域各時(shí)期土地利用圖分別進(jìn)行疊加，根據(jù)中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值表統(tǒng)計(jì)每個(gè)正方形網(wǎng)格的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。

2.2.2 質(zhì)心橢圓模型

質(zhì)心模型是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值動(dòng)態(tài)變化的重要指數(shù)之一。質(zhì)心遷移的方向可以揭示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在空間上的變化軌跡。如果價(jià)值格局在空間各方位上均衡發(fā)展，則其質(zhì)心基本不變;若在某一方向上增減比較明顯，則其質(zhì)心發(fā)生明顯偏移［13］。本文通過(guò)撓力河流域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值質(zhì)心的偏移情況來(lái)反映價(jià)值在空間分布上的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)。

計(jì)算公式如下:

式中，Xt，Yt分別表示第t年撓力河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值質(zhì)心的坐標(biāo);Cti表示第t年第i個(gè)網(wǎng)格的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值;Xi，Xi分別表示第i個(gè)網(wǎng)格的地理坐標(biāo)。

當(dāng)質(zhì)心在空間上的相反方向均勻消長(zhǎng)時(shí)，其質(zhì)心基本不變或變化不明顯。因此，運(yùn)用ArcGIS軟件中的方向性分布分析工具(標(biāo)準(zhǔn)橢圓)來(lái)反映生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的空間分布的方向性差異。根據(jù)橢圓可以概括價(jià)值的空間分布狀態(tài)，且識(shí)別方向的趨勢(shì)。長(zhǎng)軸為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值較高的方向，短軸為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值較低的方向。

2.2.3 空間自相關(guān)

空間自相關(guān)分析是檢驗(yàn)具有空間位置的某要素的觀測(cè)值是否顯著地與其相鄰空間點(diǎn)上的觀測(cè)值相關(guān)聯(lián)?？臻g自相關(guān)性使用全局和局部?jī)煞N指標(biāo)來(lái)度量，全局指標(biāo)用于探測(cè)整個(gè)研究區(qū)域的空間模式，使用單一的值來(lái)反映該區(qū)域的自相關(guān)程度;局部指標(biāo)計(jì)算每一個(gè)空間單元與鄰近單元就某一屬性的相關(guān)程度［14］。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)。本文使用GeoDa軟件，分別計(jì)算撓力河流域1950—2005年6個(gè)時(shí)期的全局自相關(guān)和局部自相關(guān)，并進(jìn)行檢驗(yàn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 撓力河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的時(shí)間動(dòng)態(tài)變化

根據(jù)撓力河流域網(wǎng)格圖生態(tài)服務(wù)價(jià)值的數(shù)值特點(diǎn)，參照數(shù)據(jù)變化的拐點(diǎn)值，按極低(0—244.6×104元)、低(244.6 ×104—500 ×104元)、中(500×104—800×104元)、高(800 ×104—1600 ×104元)、極高(1600 ×104—2300×104元)5個(gè)等級(jí)劃分。實(shí)踐表明，如此劃分可以很好地反映各個(gè)時(shí)期生態(tài)服務(wù)價(jià)值空間分布和60a間價(jià)值階段性變異的情況?；贏rcGIS軟件，生成1950—2005年6個(gè)時(shí)期的撓力河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值格局圖(圖2)。

1950—2005年間，撓力河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值發(fā)生了明顯的變化，總價(jià)值呈遞減趨勢(shì)(圖3)，由1950年的749.84億元降低至2005年的308.82億元，損失約58.82%。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值極高區(qū)與極低區(qū)變化最為明顯，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值極高區(qū)以撓力河主河道為主線逐時(shí)期萎縮，其中1950—1965年萎縮最為嚴(yán)重，而1976—2005年減少速度趨于緩和，總體呈破碎化過(guò)程;極低區(qū)在近60年的時(shí)間內(nèi)，逐時(shí)期擴(kuò)大，呈連片化過(guò)程(圖2)。撓力河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在近60年的時(shí)間內(nèi)，由以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值極高區(qū)為主導(dǎo)的狀態(tài)(約占總面積41.1%)，逐漸轉(zhuǎn)化為以極低區(qū)為主導(dǎo)的空間格局(約占總面積39.2%)。

3.2 撓力河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的空間格局變化

3.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值質(zhì)心轉(zhuǎn)移

1950—2005年撓力河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值質(zhì)心(圖4)總體由北向南移動(dòng)11.1 km，表明流域北部的開(kāi)墾活動(dòng)相對(duì)于南部更加強(qiáng)烈。撓力河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)橢圓空間分布的方向性差異由河流走向決定，以撓力河主河道為主線分布，價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)橢圓長(zhǎng)軸為東北—西南方向，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值較高;西北—東南短軸方向價(jià)值較低。

圖2 不同時(shí)期撓力河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間分布圖Fig.2 Spatial distribution maps of ecosystem services value at different times in Naoli River Basin

圖3 不同時(shí)期撓力河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化Fig.3 Dynamic changes of ecosystem services value at different times in Naoli River Basin

1950—1976年期間，雖然生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值變化較大，但這段時(shí)期，撓力河流域還處于墾荒中前期，分布于河流周邊的平原易墾區(qū)域依然存在，是該時(shí)期墾荒活動(dòng)的主要區(qū)域，各個(gè)方向開(kāi)墾規(guī)模較為平衡，價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)橢圓變化相對(duì)較為穩(wěn)定，價(jià)值質(zhì)心略向東偏移2.14 km。1983—2005年時(shí)期價(jià)值空間變化較為明顯，出現(xiàn)南北方向上的波動(dòng)，但價(jià)值質(zhì)心明顯向南遷移，由1976年向南遷移約9.8 km至2005年的狀態(tài)。根據(jù)李玉鳳、劉紅玉的研究成果［15］，根據(jù)海拔100 m等高線將撓力河流域劃分為平原和山地，得出濕地、草地主要分布于中部與北部的平原區(qū)域，而林地則主要分布于南部和西部的山地區(qū)域，使得平原區(qū)易開(kāi)墾的濕地、林地和草地成為中前期開(kāi)荒的首要選擇;而分布于山地及周邊不易開(kāi)墾的濕地、林地和草地成為中后期墾荒的主要對(duì)象。

3.2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間自相關(guān)的動(dòng)態(tài)變化

由圖5可知，近60年撓力河流域單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的全局空間自相關(guān)指數(shù)全部大于0，且數(shù)值比較高(都在0.65以上)，這說(shuō)明撓力河流域單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值相似(高高或低低)的地區(qū)在空間上集中分布。Moran′s I指數(shù)與空間位置有關(guān)，反映數(shù)據(jù)在空間上的集聚或分散程度。撓力河流域單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值全局Moran′s I指數(shù)60a間呈總體下降趨勢(shì)，由1950年的0.7882降至2005年的0.6633，說(shuō)明這種集聚的趨勢(shì)略有減弱。

由于全局Moran′s I指數(shù)只反映研究區(qū)總體的區(qū)域單元值的相似性程度，而不反映研究區(qū)內(nèi)區(qū)域間的關(guān)系，因此需要用局部自相關(guān)分析來(lái)探測(cè)撓力河流域內(nèi)部單元間的相關(guān)關(guān)系，輸出結(jié)果如圖6。

由圖6可知，自1950年至2005年，撓力河流域單位生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值高-高自相關(guān)類(lèi)型呈明顯的逐漸減少趨勢(shì)，且破碎化顯著;低-低自相關(guān)類(lèi)型呈先減少后增加的“V”趨勢(shì)，顯現(xiàn)不顯著連片化趨勢(shì);而無(wú)空間自相關(guān)有逐漸增加趨勢(shì)。從空間分布上來(lái)看，主要分為3個(gè)階段，在1950年，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)單位價(jià)值高-高自相關(guān)類(lèi)型在整個(gè)流域處主導(dǎo)地位，且集中分布于撓力河中上游;低-低自相關(guān)類(lèi)型，分布較為廣闊，主要分布流域周邊區(qū)域，與高-高類(lèi)型共同構(gòu)成該時(shí)期的絕對(duì)主體。1965—1983年時(shí)期，高-高、低-低自相關(guān)類(lèi)型較為平穩(wěn)，無(wú)空間自相關(guān)成為又一主導(dǎo)類(lèi)型，這一階段較上一階段，高-高、低-低自相關(guān)類(lèi)型萎縮較為明顯，且分別向中下游、中上游相反方向轉(zhuǎn)移。1993—2005年間，高-高自相關(guān)類(lèi)型顯著沿?fù)狭又骱拥婪植迹页霈F(xiàn)破碎化趨勢(shì);低-低自相關(guān)類(lèi)型略為穩(wěn)定。

圖4 撓力河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值質(zhì)心和標(biāo)準(zhǔn)橢圓的動(dòng)態(tài)變化Fig.4 Change of ecosystem services value centroid and standard deviation ellipse in Naoli River Basin

圖5 撓力河流域不同時(shí)期生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值全局自相關(guān)指數(shù)Fig.5 Global spatial autocorrelation index of ecosystem services value at different times in Naoli River Basin

圖6 撓力河流域單位生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值局部空間自相關(guān)格局的動(dòng)態(tài)變化Fig.6 Ecosystem service value pattern of local spatial autocorrelation dynamics in Naoli River Basin

3.3 撓力河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化的驅(qū)動(dòng)力分析

撓力河流域位于溫帶濕潤(rùn)半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，其自然條件的變化對(duì)該流域土地利用有著一定的影響，且很大程度與人為作用共同起作用。近60年，撓力河流域年平均氣溫升高約1.3℃，溫度的升高使該地區(qū)土壤環(huán)境更加適宜耕種，加劇了人們對(duì)濕地、草地、林地的開(kāi)墾，地表的長(zhǎng)期裸露，又致使地表增溫，形成惡性循環(huán);同時(shí)人為修建排水系統(tǒng)，使土壤中的含水量適宜農(nóng)作物生長(zhǎng)，這也使得地下水位下降、空氣中濕度降低等等，導(dǎo)致原始生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生改變。

不同土地利用類(lèi)型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值存在差異，人為改變土地利用類(lèi)型是近60年間撓力河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值發(fā)生變化的主要原因。根據(jù)1950年—2005年6個(gè)時(shí)期各土地利用類(lèi)型面積的統(tǒng)計(jì)，其中農(nóng)田、林地、草地、濕地的面積(圖7)之和占各個(gè)時(shí)期流域總面積的93%以上，這4種土地利用類(lèi)型是各個(gè)時(shí)期生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值組成的重要基礎(chǔ)。近60年以來(lái)，人類(lèi)的墾殖活動(dòng)使撓力河流域的濕地面積大幅度減少，耕地大面積增加［16］，開(kāi)墾濕地是撓力河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值減少的主要驅(qū)動(dòng)因素。

圖7 1950—2005年撓力河流域不同土地利用類(lèi)型面積Fig.7 The area of different land use types of Naoli River Basin from the year 1950 to 2005

建國(guó)以來(lái)，大量人口遷入三江平原。由于撓力河流域自然條件較優(yōu)越，成為三江平原開(kāi)發(fā)最早的流域。1950年至1965年，是該流域開(kāi)荒規(guī)模最大的一次，濕地面積減少5790 km2，林地面積減少590 km2，農(nóng)田面積增加4158 km2，草地面積增加3366 km2，濕地與林地?fù)p失面積基本轉(zhuǎn)化為草地和農(nóng)田，撓力河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在這一時(shí)期損失286.09億元，至1965年總價(jià)值僅為463.75億元。1965年后期至1983年，開(kāi)荒規(guī)模在原有的基礎(chǔ)上有所擴(kuò)大，林地面積穩(wěn)定，濕地面積減少758 km2，農(nóng)田面積增加4137 km2，草地面積減少3890 km2，由于濕地面積減速趨于緩和，農(nóng)田面積基本由草地轉(zhuǎn)化所得，使得這一時(shí)期撓力河流域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化較為平穩(wěn)，至1983年總價(jià)值為435.42億元。1983年以后，濕地、草地、林地面積繼續(xù)減少;1983—1993年間，林地減少面積為近60年最大，減少1411 km2，濕地面積減少2200 km2，草地面積減少701 km2，農(nóng)田面積增加3883 km2，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值損失126.6億元。至2005年，撓力河流域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值僅為308.82億元。

4 結(jié)論

(1)近60年撓力河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值，由1950年的749.84億元降低至2005年的308.82億元，損失約58.82%。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值極高值以撓力河主河道為主線逐時(shí)期萎縮，且由1950年以極高區(qū)為主導(dǎo)的狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)化為2005年以極低區(qū)為主導(dǎo)的格局。

(2)1950—2005年撓力河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值質(zhì)心總體由北向南移動(dòng)11.1 km，表明流域北部的開(kāi)墾活動(dòng)相對(duì)于南部更加強(qiáng)烈;空間自相關(guān)分析表明，撓力河流域單位生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值單元間差異有擴(kuò)大化趨勢(shì);高-高自相關(guān)類(lèi)型呈明顯的逐漸減少的趨勢(shì)，且破碎化顯著;低-低自相關(guān)類(lèi)型呈先減少后增加的“V”趨勢(shì)，顯現(xiàn)不顯著連片化趨勢(shì);而無(wú)空間自相關(guān)有逐漸增加趨勢(shì)。

(3)土地利用類(lèi)型的改變是該流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空格局轉(zhuǎn)變，價(jià)值質(zhì)心向南轉(zhuǎn)移的主要驅(qū)動(dòng)因素。

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