王 航,秦 奮,朱 筠,張傳才

1 黃河中下游數(shù)字地理技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,開封 475004 2 河南大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院,開封 475004 3 韓山師范學(xué)院旅游管理與烹飪學(xué)院,潮州 521041

土地利用及景觀格局演變對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響

王 航1,2,3,秦 奮1,*,朱 筠1,張傳才1

1 黃河中下游數(shù)字地理技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,開封 475004 2 河南大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院,開封 475004 3 韓山師范學(xué)院旅游管理與烹飪學(xué)院,潮州 521041

基于1990—2013年土地利用數(shù)據(jù)和統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù),構(gòu)建CPI指數(shù)修訂生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(ESV)系數(shù),并進(jìn)行淮河上游土地利用結(jié)構(gòu)及空間格局的時空演變特征分析和ESV評價研究,探討ESV對土地利用結(jié)構(gòu)和格局變化的響應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明：(1)淮河上游區(qū)域ESV整體呈上升趨勢,1995—2005年ESV出現(xiàn)波動下降,在2010年前后明顯上升,2010—2013年ESV增值高于其他時段;(2)ESV增量呈現(xiàn)山地>丘陵區(qū)>平原區(qū)的地形梯度效應(yīng),且其生態(tài)增值主要來源于林地和水域貢獻(xiàn);(3)ESV與土地利用時空變化和土地景觀格局豐度和聚集度變化存在明顯相關(guān),說明了合理的土地利用開發(fā)方式及適當(dāng)?shù)拈_發(fā)速度將有助于改善生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),開發(fā)過程要兼顧地類優(yōu)勢,避免地類斑塊過度破碎化;(4)CPI指數(shù)修訂ESV系數(shù)方法,能夠消除時間序列內(nèi)物價變動因素,使得計算結(jié)果更貼近實(shí)際ESV,提高了多個時期生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價的準(zhǔn)確性和可比性。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值;土地利用變化;景觀格局;時空分異;淮河上游

在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的影響下,土地資源的交易和占用愈發(fā)活躍,促使土地使用類型和利用方式快速轉(zhuǎn)變[1,2],對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(ESV,Ecosystem Services Value)產(chǎn)生了顯著影響[3]。自1997年Costanza在《Nature》提出ESV估算原理及方法后[4],我國學(xué)者開始尋找更適合于中國ESV評估的方法。比較有代表性研究有：歐陽志云等[5]綜合運(yùn)用生態(tài)學(xué)及經(jīng)濟(jì)學(xué)方法,探討了大區(qū)域生態(tài)服務(wù)功能的內(nèi)涵與評價方法。陳仲新等[6]、畢曉麗等[7]采用Costanza等人提出的生態(tài)系統(tǒng)類型單位價值對中國生態(tài)系統(tǒng)功能與效益進(jìn)行了價值估算。何浩等[8]結(jié)合遙感技術(shù)計算了2000年中國陸地ESV。謝高地等[9]參考Costanza等人部分成果,同時綜合中國專業(yè)人士的生態(tài)問卷調(diào)查結(jié)果,建立了中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積服務(wù)價值表,在此基礎(chǔ)上,于2006年對中國500位具有生態(tài)學(xué)背景的專業(yè)人員進(jìn)行問卷調(diào)查,得出新的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估單價體系[10],并于2015年進(jìn)行修訂[11],構(gòu)建了年內(nèi)逐月和空間上分省的時空動態(tài)當(dāng)量因子表。雖然后續(xù)也有不少學(xué)者進(jìn)行ESV方法的改進(jìn)與應(yīng)用研究[12- 13],其實(shí)質(zhì)仍以謝高地等于2003年提出的基于單位面積價值當(dāng)量表為基礎(chǔ)進(jìn)行。

由于計算ESV的價格基礎(chǔ)不同,出現(xiàn)基于單位面積ESV當(dāng)量的計算結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基于單位面積價值量的計算結(jié)果[6,11,14],直接弱化ESV在土地管理實(shí)踐中的應(yīng)用[15]。張舟等[15]通過分析Zang等[16]兩種ESV當(dāng)量下的ESV變化情況,發(fā)現(xiàn)ESV對當(dāng)量參數(shù)敏感性小的特點(diǎn),并認(rèn)為邊際變化方法可用于ESV變化研究。因此,現(xiàn)有文獻(xiàn)常對兩個時期ESV做差值,進(jìn)而討論ESV的時序演變情況[8,12,17]。事實(shí)上,在排除各ESV當(dāng)量系數(shù)影響敏感性小情況下,單位面積價值成為引起ESV變化的主要因子?，F(xiàn)有單位面積價值用研究區(qū)主要糧食單位面積產(chǎn)值的1/7進(jìn)行替代,該部分計算并未考慮物價上漲因素,造成后續(xù)進(jìn)行邊際變化分析的ESV時序差值仍不是同一定基,從而導(dǎo)致即使生態(tài)系統(tǒng)實(shí)際價值相同也會表現(xiàn)出以評估年份價格為表征的價值量不同現(xiàn)象[11,14],直接影響邊際變化分析結(jié)果準(zhǔn)確性。另外,已有研究基于土地面積進(jìn)行ESV變化研究,更多關(guān)注于土地資源面積變化問題,而忽略土地利用面積變化所引發(fā)的結(jié)構(gòu)與格局的變化[8,13],特別是土地利用過程變化。即使一些學(xué)者研究農(nóng)地非農(nóng)化的代價性損失[18],仍未對土地利用時空變化過程與ESV變化的影響關(guān)系進(jìn)行分析與探討。

淮河流域地處我國南北氣候過渡帶和中原腹地。至2010年,流域以不足全國13%的耕地面積和19%的播種面積,承載了全國20.4%的鄉(xiāng)村人口,生產(chǎn)了全國23%的糧食,提供了全國14%的農(nóng)業(yè)產(chǎn)值[19]。在此自然資源敏感性和經(jīng)濟(jì)需求迫切性并存的背景下,本研究選取淮河上游區(qū)域,進(jìn)行土地利用及景觀格局演變對ESV影響機(jī)理研究,提出基于單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值CPI(居民消費(fèi)價格指數(shù))系數(shù)修訂方法,并結(jié)合ESV損益方法,進(jìn)行ESV過程變化研究。旨在從宏觀和微觀空間尺度上,定量評估土地利用變化引發(fā)的生態(tài)效應(yīng),以期為淮河上游未來土地資源可持續(xù)利用和社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供理論和方法支持。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)位置示意圖Fig.1 Sketch map in the study area

淮河上游處于我國南北氣候的過渡帶。在氣候區(qū)劃中,以淮河和蘇北灌溉總渠為界,北部屬暖溫帶半濕潤地區(qū),南部屬亞熱帶濕潤區(qū),年平均氣溫為11—16℃,并呈現(xiàn)出自南向北逐漸遞減趨勢。流域內(nèi)降水時空分布特征明顯,具有南多北少,山區(qū)高于平原,年內(nèi)降水多發(fā)生于汛期,年際降水量變化大的特點(diǎn)。淮河上游南部由西向東依次為桐柏山和大別山,山地丘陵占優(yōu)勢,海撥1000m以上的中山面積約2000km2,海拔1000m以下的低山丘陵面積近30000km2[20]?；春由嫌伪辈恐饕獮槠皆?是我國重要的糧食、棉花、油料生產(chǎn)基地,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平和土地利用率較高。

淮河上游流域包括信陽市、平頂山市、南陽市和駐馬店市部分地區(qū),為便于社會經(jīng)濟(jì)資料的獲取、分析及成果的應(yīng)用,本文把政區(qū)面積60%以上在淮河上游流域邊界內(nèi)的縣(市、區(qū))納入研究范圍。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究所用流域行政區(qū)劃數(shù)據(jù)和6個年份的土地利用數(shù)據(jù),均來自于國家科技基礎(chǔ)條件平臺——國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺——黃河下游科學(xué)數(shù)據(jù)中心,30m DEM數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院數(shù)據(jù)云平臺。計算各生態(tài)系統(tǒng)單位面積服務(wù)價值所用耕地數(shù)據(jù)、糧食產(chǎn)值數(shù)據(jù)來源于1990年、1995年、2000年、2005年、2010年和2013年河南統(tǒng)計年鑒。消除物價上漲所用的CPI指數(shù)數(shù)據(jù),來源于國家統(tǒng)計局網(wǎng)站。土地利用數(shù)據(jù)源為landsatTM影像,采用人機(jī)交互解譯方法獲得,數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率達(dá)到90%,滿足研究需要。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

土地利用數(shù)據(jù)主要借助于ENVI 5.1和ArcGIS 10.2平臺進(jìn)行影像處理和空間分析計算,景觀指數(shù)采用Fragstats 4.2軟件進(jìn)行獲取,參與計算的柵格數(shù)據(jù)單元為30m×30m。相關(guān)系數(shù)計算基于SPSS統(tǒng)計軟件。土地利用變化分析所用到的變化率、轉(zhuǎn)移矩陣計算公式參照文獻(xiàn)17,景觀格局指數(shù)計算方法詳細(xì)說明參照文獻(xiàn)22。下面著重介紹生態(tài)服務(wù)價值修訂及計算方法。

(1)生態(tài)服務(wù)價值

(1)

式中,ESV為研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值(元);n為土地利用類型的數(shù)量;Ak為研究區(qū)內(nèi)土地利用類型k的分布面積(km2);VCk為第k類土地利用類型的ESV系數(shù),即單位面積上土地利用類型k的ESV(元 km-2a-1)。

在式(1)的基礎(chǔ)上,得出ESV損益計算公式：

(2)

式中,Pij為第i類土地利用類型轉(zhuǎn)化為第j類土地利用類型后的ESV損益;VCi,VCj分別為第i、j類土地利用類型的ESV系數(shù);Aij為第i類土地利用類型轉(zhuǎn)化為第j類土地利用類型面積。

(2)單位面積ESV修訂

ai=CPI/100

(3)

(4)

(5)

VCK′=當(dāng)量×單位面積價值

(6)

2 土地利用結(jié)構(gòu)和空間格局時空變化分析

2.1 土地利用結(jié)構(gòu)的時間變化特征分析

土地利用變化主要從土地利用類型面積變化和變化速率兩個方面進(jìn)行。由表1可以看出,23年間研究區(qū)建筑用地面積比例持續(xù)上升,耕地和草地面積呈下降趨勢。至2013年底,耕地占研究區(qū)67.2%的面積,仍據(jù)主導(dǎo)地位,草地所占比例由1990年的3.02%下降至2013年2.16%。以每5a為間隔計算各時間段的土地利用綜合變化動態(tài)度,分別得到0.48%(1990—1995年)、0.36%(1995—2000年)、0.09%(2000—2005年)、0.38%(2005—2010年)和0.11%(2010—2013年),從中發(fā)現(xiàn),1995年以前是一個地類快速轉(zhuǎn)化的時期,1995年之后地類變化速度減慢,2005年之后逐漸加速轉(zhuǎn)化。

表1 淮河上游1990—2013年土地利用類型構(gòu)成及變化率

表2地類轉(zhuǎn)移矩陣說明了1990—2013年各地類的互轉(zhuǎn)情況,其中,B%為初期轉(zhuǎn)出比重,C%為末期轉(zhuǎn)入比重。23年間耕地轉(zhuǎn)出面積最大,為1801.11km2,按轉(zhuǎn)出面積多少依次為：草地379.82km2,林地340.61km2,水域63.51km2,建筑用地31.46km2;轉(zhuǎn)出比重最大的為草地,轉(zhuǎn)出率為34.52%,其次為耕地7.12%。轉(zhuǎn)入面積最大的為建筑用地,達(dá)1034.93km2,轉(zhuǎn)入率為16.66%,其他地類依次為：林地791.10km2,耕地496.34km2,水域229.73km2和草地64.35km2。因?yàn)槲蠢玫乇旧砘鶖?shù)小,微小的數(shù)量變化都會導(dǎo)致較大的比重差異,23年間只有耕地有少量轉(zhuǎn)為未利用地外,未利用地并未發(fā)生其他變化,因此,忽略未利用地的轉(zhuǎn)移分析。

表2 淮河上游1990—2013年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

B%:初期轉(zhuǎn)出比重;C%:末期轉(zhuǎn)出比重

2.2 土地利用變化的空間變化特征分析

借助于ENVI 5.1對兩個時期的土地利用類型圖進(jìn)行土地利用變化監(jiān)測制圖,找出變化區(qū)域,并在ArcGIS中按5種坡度類別統(tǒng)計,得出表3。表3表明隨坡度增加,各地類轉(zhuǎn)移量均有明顯下降,并呈現(xiàn)地類自然屬性效應(yīng)。其中,耕地轉(zhuǎn)林地,草地轉(zhuǎn)林地兩類轉(zhuǎn)移更多發(fā)生在6—15°坡度區(qū)間。而林地轉(zhuǎn)耕地、耕地轉(zhuǎn)建筑用地則更多發(fā)生在0—2°區(qū)域。

表3 淮河上游1990—2013年土地轉(zhuǎn)移區(qū)域坡度統(tǒng)計

根據(jù)表1和表3,平緩區(qū)域的耕地不斷轉(zhuǎn)為建設(shè)用地,而草地、林地又補(bǔ)給耕地,造成耕地不斷向山區(qū)擴(kuò)張現(xiàn)象。該現(xiàn)象在2005年之前尤為明顯,2010年左右出現(xiàn)耕地轉(zhuǎn)林地、耕地轉(zhuǎn)水域現(xiàn)象,林地、水域面積有所增加,說明為了維護(hù)生態(tài)效應(yīng)開始退耕還林、還草這樣一個人類生態(tài)修復(fù)重建過程。

2.3 景觀格局時空演變分析

景觀指數(shù)高度濃縮景觀格局信息,能夠反映景觀結(jié)構(gòu)組成和空間配置等方面特征[21],是定量描述景觀格局演變及生態(tài)過程影響的重要方法[22]。由于對斑塊的分析常常是以地類為單位,分析某類型景觀的斑塊特征,因此,本文選取類別層次的地類形狀指標(biāo)(FARC)和斑塊聚合度指標(biāo)(AI),景觀層次的蔓延度(CONTAG)、Shannon景觀多樣性(SHDI)、Shannon均勻度(SHEI)和散布與并列指標(biāo)(IJI)進(jìn)行研究區(qū)23年景觀格局變化分析。

從圖2各地類FARC指數(shù)來看,歷年耕地分維數(shù)最高,表明耕地斑塊形狀不規(guī)則程度最高,原因是：耕地分布最廣,且轉(zhuǎn)出量最多,導(dǎo)致破碎程度高,但其面積大(67%以上),所以仍顯示出高的聚合度。從時間演變來看,耕地、草地、建筑用地、林地斑塊形狀隨時間推移愈加不規(guī)則,水域和未利用地形狀則呈相反發(fā)展趨勢;林地在2010年后聚合度下降、而水域和草地呈高的聚集狀態(tài)。

從表4景觀尺度指標(biāo)來看,研究區(qū)CONTAG呈逐年下降趨勢,由1990年的68.10降為2013年的67.59。SHDI、SHEI和IJI均逐年上升,且IJI上升幅度高于SHDI,SHDI高于SHEI,這是水域、草地等地類形狀指標(biāo)趨于規(guī)則、聚集程度上升共同作用的結(jié)果。SHDI和SHEI值上升,表明23年間地類破碎現(xiàn)象一直在延續(xù),優(yōu)勢地類不斷減弱,地類分布復(fù)雜化。CONTAG逐年下降,即為優(yōu)勢度下降所導(dǎo)致的景觀間連接性和通達(dá)性的下降。

圖2 淮河上游1990—2013年不同土地利用類型FRAC_AM和AI指數(shù)變化分析Fig.2 Changing analysis different land use FRAC_AM and AI index at the upper reaches of the Huaihe River from 1990 to 2013

景觀指數(shù)Landscapeindex199019952000200520102013CONTAG68．104668．043668．02267．787767．858967．5849IJI49．859849．861249．89150．107651．214251．2435SHDI1．56161．5631．56651．57891．61731．6329SHEI0．55120．55140．55290．55730．55950．565

CONTAG:蔓延度,contagion;IJI：散布與并列指數(shù),interspersion juxtaposition index;SHDI：香農(nóng)多樣性,shannon's diversity index;SHEI：香農(nóng)均勻度,shannon's evenness index

3 ESV變化分析

生態(tài)系統(tǒng)的異質(zhì)性、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的復(fù)雜性,造成ESV測量困難性[15]。Gret-Regamey[23]等認(rèn)為ESV研究不是給區(qū)域生態(tài)環(huán)境加上一個準(zhǔn)確的、絕對的價格標(biāo)簽,而是探討單位自然資產(chǎn)增加或減少時其服務(wù)價值的邊際變化,進(jìn)而探討一種合理的土地利用格局。已有研究表明,邊際變化分析更適合于研究ESV變化[24- 26]。

3.1 ESV時間變化特征分析

參照河南省1990—2013年統(tǒng)計年鑒,進(jìn)行主要糧食作物播種面積及產(chǎn)值的計算。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)各年份CPI和式(3)—(6),得到剔除通貨膨脹部分的單位面積價值,結(jié)合各生態(tài)系統(tǒng)面積數(shù)據(jù)和式(1),計算研究區(qū)各年份ESV(表5)。

表5 淮河上游1990—2013年ESV時間變化表

由表5可知,1995—2005年ESV波動下降,2005年后呈明顯上升趨勢。11種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能亦呈現(xiàn)上述年際變化特征。其中調(diào)節(jié)服務(wù)功能增值最多,其次為支持服務(wù)功能,分別增加154.24億元和29.79億元。結(jié)合表6,6類ESV在1995—2005年間均有不同程度下降,2005年之后明顯上升。林地、水域和農(nóng)田是ESV的主要構(gòu)成部分,23年間,水域增值最大,增值97.55億元,其次為林地、農(nóng)田,分別增加72.70億元和39.12億元,濕地為唯一負(fù)增長項(xiàng),減少4.64億元。

表6 淮河上游1990—2013年各生態(tài)系統(tǒng)ESV表

根據(jù)表1和表6,水域和林地所占區(qū)域面積比例分別為3.26%、17.62%,ESV貢獻(xiàn)量卻占有33.67%和36.00%,表明水域和林地是引起ESV提升的主要土地利用類型。耕地、草地面積的減少,其ESV卻在增加,這一現(xiàn)象的產(chǎn)生在于研究區(qū)主要糧食單位產(chǎn)值的增加,致使各生態(tài)系統(tǒng)單位面積價值增加,抵消了面積減少帶來的負(fù)面效應(yīng)。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)損益分析

基于式2和1990—2013年土地轉(zhuǎn)移矩陣進(jìn)行ESV損益計算,得到表7。由表7可知23年間,ESV增加205.93億元,主要由農(nóng)田轉(zhuǎn)為林地、農(nóng)田轉(zhuǎn)為水域帶來的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)增值構(gòu)成;所有地類轉(zhuǎn)水域均為正流向,增值178.52億元。ESV損失主要由林地、草地、水域轉(zhuǎn)農(nóng)田造成,林地轉(zhuǎn)農(nóng)田損失最多,達(dá)138.05億元。所有地類轉(zhuǎn)建筑用地均呈負(fù)流向,損失80.34億元,該部分損失主要由農(nóng)田轉(zhuǎn)建設(shè)用地構(gòu)成。整體來看,1990—2013年ESV呈收益大于損失情況,生態(tài)增值主要來源于林地和水域生態(tài)價值貢獻(xiàn)。

表7 淮河上游1990—2013年ESV損益矩陣

3.3 ESV空間變化特征分析

從研究區(qū)地形分布來看,沿西北-東南向,由南至北,依次呈山地、丘陵、平原三個梯段,圖3各縣市ESV亦呈現(xiàn)梯段變化規(guī)律：山區(qū)面積居多的泌陽縣、桐柏縣、信陽市、羅山縣、新縣和商城縣6個時期的ESV普遍最高,丘陵面積居多的確山縣、光山縣、潢川縣和固始縣6個時期的ESV較高,平原區(qū)域的縣市ESV較低。其中,汝南縣因其水資源豐富,ESV偏高于其他平原區(qū)域縣市。各縣市1995年和2005年ESV均呈明顯低谷區(qū),2005年之后增值迅速,2010年之后,山區(qū)縣市仍呈高速增長趨勢,其他區(qū)域縣市2013年ESV基本與2010年相平。駐馬店市是唯一的負(fù)增長區(qū)域,究其原因,城市建設(shè)迅速,地類多樣性下降嚴(yán)重。

結(jié)合表7和圖3,23年間生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總值增加,增值主要來源于林地與水域生態(tài)價值貢獻(xiàn),而林地與水域的分布多依賴于地形因素,因此出現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總值增加,但又空間分布不平衡現(xiàn)象,且耕地不斷被轉(zhuǎn)移為建筑用地所造成的負(fù)面效應(yīng)已經(jīng)呈現(xiàn),因此未來應(yīng)更加重視自然資源保護(hù)和生態(tài)服務(wù)價值的空間均衡化,使得人人得以享受生態(tài)環(huán)境改善所帶來的增值服務(wù)。

圖3 淮河上游1990—2013年各縣市ESV空間分布圖Fig.3 The spatial distribution of ESV in each counties of the upper reaches of the Huaihe River from 1990 to 2013

4 ESV與土地類型變化、土地景觀變化的響應(yīng)關(guān)系分析

4.1 土地利用變化與ESV變化的相關(guān)性分析

采用研究區(qū)1990年、1995年、2000年、2005年、2010年和2013年6個年份的一級地類面積與相應(yīng)ESV進(jìn)行相關(guān)性分析,相關(guān)系數(shù)為0.35,在0.10水平上達(dá)到顯著。表明經(jīng)過CPI單位價值系數(shù)修正后的ESV與6大地類面積存在一定的相關(guān)性。那么6大地類的空間分布情況與其ESV存在怎樣的相關(guān)性？以各縣市為統(tǒng)計單元(圖3),以1990年和2013年的土地利用面積變化量與ESV變化量進(jìn)行相關(guān)性分析,其中,變化量為前、后兩個時期的差值,兩組變化量的相關(guān)系數(shù)為0.38,在0.01水平上達(dá)到顯著,相關(guān)程度明顯高于兩個總量的相關(guān)性,表明ESV在隨面積變化影響的基礎(chǔ)上,主要受地類面積的空間分布影響。那么地類的時空演變過程是否與ESV存在一定聯(lián)系？仍以縣市為統(tǒng)計單元,以1990年和2013年的土地利用變化率與ESV變化率進(jìn)行相關(guān)性分析,變化率參照文獻(xiàn)[17](式(3-3))獲得,相關(guān)系數(shù)為0.28,在0.05水平上達(dá)到顯著。該值略低于ESV與空間分布變化量相關(guān)性,表明地類變化的時間效應(yīng)對ESV的影響程度要低于地類的空間位置變化。

但研究區(qū)地形差異大,處于南、北氣候交接帶,自古以來是我國重要的糧食、棉花、油料生產(chǎn)基地,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平和土地利用率較高,各地類轉(zhuǎn)移頻繁,不同地類的景觀指數(shù)與ESV又表現(xiàn)為怎樣的相關(guān)性？基于此,以下從土地景觀格局角度,分析不同地類景觀指標(biāo)與ESV的響應(yīng)關(guān)系。

4.2 景觀格局變化與ESV變化的相關(guān)性分析

利用Fragstats 4.2軟件進(jìn)行斑塊個數(shù)(NP)、斑塊平均面積(AREA_MN)、最大斑塊所占景觀面積的比例(LPI)、形狀(SHAPE_MN)、形狀維數(shù)(FRAC_MN)、聚集度(AI)6個景觀指數(shù)的計算,分別得到出6期農(nóng)田、林地、草地、水域、濕地和荒地6個地類的景觀指數(shù)。在此基礎(chǔ)上,對6個地類的每個指數(shù)與各期ESV進(jìn)行相關(guān)性分析。得出下表：

表8 淮河上游1990—2013年景觀格局指數(shù)與ESV相關(guān)性

**0.01水平上顯著相關(guān);*0.05水平上達(dá)到顯著

表8表明ESV與景觀豐度和地類聚集度存在明顯相關(guān)性,與地類斑塊大小相關(guān)性偏弱,與各斑塊形狀復(fù)雜程度呈較強(qiáng)負(fù)相關(guān)性,說明了景觀破碎化對ESV的影響程度。

4.3 ESV時空變化的影響因素分析

已有研究表明,土地利用變化影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),但對影響的過程和機(jī)理認(rèn)識仍然不足[27]。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。運(yùn)用相關(guān)系數(shù)量化土地利用指標(biāo)與ESV的關(guān)系,有助于凸現(xiàn)ESV動態(tài)變化規(guī)律,進(jìn)而探討構(gòu)建更為合理的生態(tài)系統(tǒng)空間格局。研究表明：(1)ESV與地類空間分布相關(guān)性顯著,表3和圖3的空間變化一致性亦驗(yàn)證了該結(jié)論,也與胡和兵等[28]和歐陽志云等[5]研究結(jié)果相一致。均表現(xiàn)為受地形地貌影響的水熱條件好、利于植被生長的區(qū)域,其生態(tài)系統(tǒng)的單位面積價值量較高,而往往這些區(qū)域景觀多樣性和生態(tài)完整性也較好,因此ESV與NP和AI亦呈明顯相關(guān)性。(2)ESV與地類年際變化相關(guān)性偏高。從表1可知,1995—2005年地類轉(zhuǎn)移最為頻繁,大面積耕地轉(zhuǎn)為建筑用地,而林地和草地轉(zhuǎn)出補(bǔ)給耕地,2010年后,部分耕地轉(zhuǎn)出為林地和草地。而ESV在相應(yīng)年份分別出現(xiàn)波動下降,和明顯上升趨勢(表6),兩者時間節(jié)點(diǎn)變化一致。雖然林地與水域面積比例小(表1),受ESV當(dāng)量影響,兩者對區(qū)域ESV總值貢獻(xiàn)比重大,成為ESV的關(guān)鍵“熱點(diǎn)”區(qū)[28-29]。也驗(yàn)證了,對于不同類型的生態(tài)系統(tǒng),面積變化與其ESV相關(guān)性偏弱這一結(jié)論。(3)ESV與AREA_MN和LPI相關(guān)性偏高,與FRAC_MN存在負(fù)相關(guān),與郝芳華等[30]研究結(jié)果相一致。這是因?yàn)?23年間景觀破碎化在逐年加重,景觀優(yōu)勢度逐年降低,這一現(xiàn)象在1995年左右表現(xiàn)最為明顯(圖3),生態(tài)系統(tǒng)“熱點(diǎn)”區(qū)域不斷被破壞,也說明了人為活動是影響土地景觀格局的主要因素,而城鎮(zhèn)擴(kuò)張引發(fā)生態(tài)用地的減少往往是導(dǎo)致ESV總值損失的主要原因[31]。(4)研究地類結(jié)構(gòu)和格局時空演變特征,細(xì)化地類結(jié)構(gòu)、格局指標(biāo),并按各指標(biāo)與ESV的相關(guān)程度進(jìn)行梳理,分析自然和人為因素在ESV過程變化中的作用機(jī)理,較好的克服了已往評價尺度過大,評價內(nèi)容過泛[28],結(jié)論針對性不強(qiáng)的問題。成為探究土地利用變化下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)響應(yīng)特征研究的一種有益嘗試。今后仍需加強(qiáng)土地利用、景觀空間格局、CPI對最終的ESV影響定量判定研究,以深入揭示土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響過程。

5 結(jié)論

ESV與地類的的空間分布屬性相關(guān)性最為顯著,與地類的變化速度相關(guān)偏弱;ESV與土地景觀異質(zhì)性和破碎性相關(guān)性顯著,對景觀的形狀特征相關(guān)性偏弱。

采用生態(tài)系統(tǒng)價值損益分析方法,使價值變化更多關(guān)注在自然資源的過渡性損失方面,彌補(bǔ)了現(xiàn)有生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在過程變化評價方面的欠缺,更利于評價結(jié)果在土地利用實(shí)際管理中的運(yùn)用。

采用CPI指數(shù)修訂ESV系數(shù),能夠消除時間序列內(nèi)各年份物價上漲帶來的價值變化,避免了價格影響下的ESV研究結(jié)果不盡一致問題,使得計算結(jié)果更貼近實(shí)際生態(tài)系統(tǒng)價值,提高了多時間序列生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價的準(zhǔn)確性和可比性。

致謝：感謝國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺——黃河下游科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://henu.geodata.cn)提供數(shù)據(jù)支撐。

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The effects of land use structure and landscape pattern change on ecosystem service values

WANG Hang1,2,3, QIN Fen1,*, ZHU Jun1, ZHANG Chuancai1

1LaboratoryofGeospatialTechnologyfortheMiddleandLowerYellowRiverRegions,Kaifeng475004,China2CollegeofEnvironmentandPlanning,HenanUniversity,Kaifeng475004,China3SchoolofTourismManagementandCulinaryArts,HanshanNormalUniversity,Chaozhou521041,China

It is important to study the effect of land use change on ecosystem service value (ESV). Most previous studies have tended to directly use the ecosystem service equivalent value to calculate the ESV and then have compared multi period ESVs. Because of the use of different price bases, even if the value of the same ecosystem is assessed using multi period ESVs, the conclusions can be very different, which means there has to be a deviation evaluation. In order to improve the accuracy of these comparisons, we developed a Consumer price index(CPI) revised ESV coefficient method for multi period ESV computation. The upper reaches of the Huaihe River was used as a case study to estimate the spatial distribution and dynamics of ecosystem services. In this study, we used the land use and statistical yearbook data to investigate how the spatial-temporal evolution of land use structure and spatial patterns affect the ESV. The results showed that (1) the ESV generally showed an increasing trend in the study region. Between 1995 and 2005, the ESV decreased, but then increased significantly around 2010. Furthermore, the increase from 2010 to 2013 was higher than that for any other period. (2) The ESV increase was higher in mountain areas than in hilly areas, and the increase in hilly areas was higher than that in the plains, which shows a topographical gradient effect. The increase was mainly because of the contributions made by forest and water ecosystems. (3) There were significant correlations between the ESV and land use change and Aggregation index (AI) and Number of patches(NP)landscape pattern indexes. These correlations show that a reasonable model for land use development and an appropriate development rate will help enhance ecosystem services. The development process should take into account the advantages that different land types can offer so that excessive fragmentation of land type patches can be avoided. (4) A method that uses the CPI index to revise ESV coefficients means that the values more closely reflect the actual ESV and improve multi-period ecosystem service evaluation comparability and accuracy.

ecosystem services value; land use change; landscape pattern; spatial-temporal heterogeneity; the upper reaches of the Huaihe River

國家科技支撐計劃項(xiàng)目(2013BAC05B01);河南省重大科技專項(xiàng)(121100111300);潮州市科技支撐項(xiàng)目

2016- 06- 29;

2016- 09- 05

10.5846/stxb201606291295

*通訊作者Corresponding author.E-mail: qinfun@126.com

王航,秦奮,朱筠,張傳才.土地利用及景觀格局演變對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響.生態(tài)學(xué)報,2017,37(4):1286- 1296.

Wang H, Qin F, Zhu J, Zhang C C.The effects of land use structure and landscape pattern change on ecosystem service values.Acta Ecologica Sinica,2017,37(4):1286- 1296.