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        縣域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時空特征分析

        2017-07-05 15:22:25冉文軍王雅敬張凡
        綠色科技 2017年10期
        關(guān)鍵詞:價值

        冉文軍 王雅敬 張凡

        摘要:指出了在全球環(huán)境變化與城市化的背景下,土地利用的時空格局對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值起著直接的控制作用。為分析區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的時空特征,以貴州省松桃縣2005、2010年兩期遙感數(shù)據(jù)為基本信息源,利用ArcGIS空間分析功能,構(gòu)建了基于彈性概念的生態(tài)敏感性指數(shù)模型,計算了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值空間格局及其變化,并以此分析了該區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)脆弱性。研究結(jié)果表明:①2005-2010年松桃縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(tài)價值量較大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)為寨英鎮(zhèn)、烏羅鎮(zhèn)、盤信鎮(zhèn)、冷水溪鄉(xiāng)、孟溪鎮(zhèn)等5個鄉(xiāng)鎮(zhèn),這些鄉(xiāng)鎮(zhèn)的歷年生態(tài)服務(wù)價值總量均超過5.38×104元。③對整個生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值量其決定作用的是林地面積(相關(guān)系數(shù)為0.99)。因此,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估不僅要關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)面積及其價值當量,更要考慮生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力差異對生態(tài)服務(wù)功能的影響。

        關(guān)鍵詞:生態(tài)系統(tǒng)服務(wù);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(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指生態(tài)系統(tǒng)在生態(tài)過程中為維持系統(tǒng)本身正常運作以及人類生產(chǎn)、生活持續(xù)進行的自然環(huán)境條件和物質(zhì)基礎(chǔ)[1,2],包括光合作用、生態(tài)產(chǎn)品(食物等生物資源)和生態(tài)服務(wù)(污染物運移、凈化)等,其時空特征直接關(guān)系到區(qū)域社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的健康程度。20世紀90年代以來,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的定量評估逐漸成為國內(nèi)外生態(tài)經(jīng)濟學和環(huán)境經(jīng)濟學研究領(lǐng)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(tài)系統(tǒng)服務(wù)的利用方式,其景觀格局與過程也直接體現(xiàn)出生態(tài)系統(tǒng)的時空差異與服務(wù)價值量的區(qū)域性。近年來,國內(nèi)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(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估研究,在生態(tài)系統(tǒng)價值理論、主要生態(tài)系統(tǒng)功能和生態(tài)系統(tǒng)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(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值估算的原理及方法,并利用生態(tài)經(jīng)濟學方法對各類生態(tài)系統(tǒng)價值進行定量化;Hein等[6]構(gòu)建了增強的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的估值框架,分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的空間尺度效應;謝高地等[7]采用專家問卷調(diào)查法對Costanza 等提出的評價模型進行改進,對單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當量進行調(diào)查,建立了中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積服務(wù)價值表;宋佳楠等[8]利用區(qū)域社會經(jīng)濟生態(tài)協(xié)調(diào)系數(shù)對傳統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值測算模型進行修正;唐秀美等[10]根據(jù)不同生態(tài)區(qū)位賦予不同的生態(tài)區(qū)位系數(shù),實現(xiàn)對用地類型的生態(tài)服務(wù)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(shù)據(jù),計算和分析了近10年內(nèi)中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值的時空變化;以往研究表明,我國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(qū)域范圍或單一生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)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(tài)系統(tǒng)上,但對縣域尺度的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時空特征分析相對較少,評估結(jié)果往往不能反映區(qū)域差異性。另外,隨著GIS、RS等技術(shù)的發(fā)展及其在生態(tài)系統(tǒng)領(lǐng)域評估中的應用[17],生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(shù),評價縣域尺度的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的時空異質(zhì)性,揭示城市化過程對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的空間格局影響程度,以期為松桃縣生態(tài)環(huán)境與社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展提供理論支持。

        2 研究區(qū)概況

        松桃縣隸屬于貴州省銅仁市管轄,地跨東經(jīng)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(shù)民族自治縣。全縣地質(zhì)構(gòu)造復雜,具有多個皺褶和斷層構(gòu)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(qū),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(jīng)濟發(fā)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(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比為26.7∶32.7∶40.6,人均GDP為 21132元。

        3 數(shù)據(jù)與方法

        3.1 數(shù)據(jù)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(chǔ)上對遙感影像進行解譯。為便于分析,將研究區(qū)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(shè)用地,并以2.5 m高清遙感影像為參照,對解譯的數(shù)據(jù)進行精度檢驗,三期土地利用分類的總精度和Kappa 指數(shù)等均大于0.85,其分類結(jié)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(tài)系統(tǒng)價值計算

        該研究基于謝高地等[7]提出的中國生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值當量,以單位面積農(nóng)田提供的食物生產(chǎn)服務(wù)經(jīng)濟價值為依據(jù),確定符合松桃縣土地利用/覆被變化背景下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值計算公式[18]:

        ESV=∑AkCk (1)

        式(1)中:ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值量差異明顯,根據(jù)以往研究經(jīng)驗,將耕地的生態(tài)價值量以0.6∶0.4的比例分別賦予水田和旱地(表1);水域?qū)植靠諝庹{(diào)節(jié)主要在為大氣提供蒸發(fā)量,保障空氣中水汽的穩(wěn)定性,故以氣候調(diào)節(jié)價值的50%為水域的大氣調(diào)節(jié)功能價值,從而得到研究區(qū)各類生態(tài)系統(tǒng)的價值當量。

        3.2.2 時空特征分析

        (1)變異系數(shù)。變異系數(shù)可以衡量松桃縣不同年份生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的空間離散程度,以及不同地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(guān)性。相關(guān)分析可以定量描述兩個變量之間的線性相關(guān)程度,明確兩個變量之間的相關(guān)方向[20]。研究中采用Pearson 簡單相關(guān)系數(shù),以松桃縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值、不同土地利用類型在時空尺度的變異系數(shù)為變量,定量描述縣域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值與其用地變化之間的關(guān)聯(lián)性系,其計算公式為:

        4 結(jié)果與分析

        4.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的時序變化

        根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值計算公式和各生態(tài)系統(tǒng)單位面積的價值當量,計算出松桃縣歷年生態(tài)價值量(表2)。由表2可知,松桃縣2005、2010年生態(tài)服務(wù)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(tài)系統(tǒng)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(tài)服務(wù)價值變化趨勢均為逐漸下降,草地的生態(tài)服務(wù)價值則上升,水域的生態(tài)服務(wù)價值則保持不變。其中,林地生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)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(tài)系統(tǒng)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(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(xiàn)象普遍;草地面積的增減主要受旱地撂荒和建設(shè)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(tài)系統(tǒng)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(nóng)業(yè)人口轉(zhuǎn)化成工業(yè)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(tài)價值也隨之上升。總之,研究期間土地利用結(jié)構(gòu)的改變對松桃縣生態(tài)系統(tǒng)總服務(wù)價值產(chǎn)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(shè)用地,尤其是旱地、水田和水域的變化比較顯著,變異系數(shù)均在1.30以上,而林地和草地的變異系數(shù)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(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值占有非常重要的作用。

        4.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的空間分異

        分析采用以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單位的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值來表征區(qū)域間的價值差異(表3),從生態(tài)系統(tǒng)空間特征來看,2005年間松桃縣生態(tài)系統(tǒng)價值較高的鄉(xiāng)鎮(zhèn)是寨英鎮(zhèn)、烏羅鎮(zhèn)和盤信鎮(zhèn),三者生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(zhèn)、正大鄉(xiāng)等22個鄉(xiāng)鎮(zhèn),其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(xiāng)、九江鄉(xiāng)和大坪場鎮(zhèn),三者生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的總比重也僅有5.43%。從各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化特征可以看出,2005~2010年下降率最高的大興鎮(zhèn),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(xiāng)和長興堡鎮(zhèn)的下降率也達到2.22%以上,其緣于三個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的林地或耕地生態(tài)系統(tǒng)面積減少,例如大興鎮(zhèn)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(xiāng)鎮(zhèn)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值量的降低。而增長率最高的鄉(xiāng)鎮(zhèn)卻是寨英鎮(zhèn),其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(tài)服務(wù)價值增加的鄉(xiāng)鎮(zhèn)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(xiāng)鎮(zhèn)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值集中于1.72%~4.03%之間,寨英鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)價值量最高,且呈逐年上升的趨勢,其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的比重平均值就達8.06%,其次為烏羅鎮(zhèn)、盤信鎮(zhèn)、冷水溪鄉(xiāng)和孟溪鎮(zhèn)等4個鄉(xiāng)鎮(zhèn),其比重介于5.38%~7.66%之間。

        為便于松桃縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的空間差異進行對比,對松桃縣各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的單位國土面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進行測算(圖1),并采用自然斷點法對松桃縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進行分類,同時對各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的數(shù)值進行相關(guān)性分析,以識別生態(tài)系統(tǒng)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(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值量共分為5類,由高到低依次為高值區(qū)、較高值區(qū)、中值區(qū)、較低值區(qū)、低值區(qū)。其中,東部的鄉(xiāng)鎮(zhèn)(大路鄉(xiāng)-孟溪鎮(zhèn)-普覺鎮(zhèn)以東)單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值多屬于高值區(qū)、較高值區(qū),其平均值為18259元/

        hm2,西部的鄉(xiāng)鎮(zhèn)(妙隘鄉(xiāng)-大坪場鎮(zhèn)-平頭鄉(xiāng)-沙壩河鄉(xiāng)以西)則以較低值區(qū)為主,對應的生態(tài)系統(tǒng)平均值僅有16767元/hm2,比東部地區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)少8.17%。

        從2005~2010年間,高值區(qū)、較高值區(qū)、中值區(qū)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)在數(shù)值上存在一定的變化程度,但其隸屬的價值區(qū)并未發(fā)生變化,而較低值區(qū)、低值區(qū)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)則變化明顯,松桃縣較低值區(qū)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)由9個擴展到11個,長興堡鎮(zhèn)和迓駕鎮(zhèn)由中值區(qū)轉(zhuǎn)化成較低值區(qū)。

        生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值與土地利用相關(guān)性分析(表4)表明,各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)之間的生態(tài)系統(tǒng)價值與林地的相關(guān)性最為緊密,兩者相關(guān)系數(shù)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(guān)系數(shù)分別為0.405、0.460、0.258,最后旱地的相關(guān)系數(shù)僅有0.015。這說明林地、水域等單位價值當量大的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值,其面積大小直接決定了區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)價值總量。

        5 結(jié)論與討論

        在融合RS和GIS技術(shù)的基礎(chǔ)上,對松桃縣2005年、2010年同時結(jié)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(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的空間特征,得出以下主要結(jié)論。

        (1)松桃縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(tài)系統(tǒng)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(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的下降,由此可見,區(qū)域內(nèi)各生態(tài)系統(tǒng)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(jié)合2005~2010年各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的生態(tài)價值量空間特征發(fā)現(xiàn),松桃縣生態(tài)價值量較大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)為寨英鎮(zhèn)、烏羅鎮(zhèn)、盤信鎮(zhèn)、冷水溪鄉(xiāng)、孟溪鎮(zhèn)等5個鄉(xiāng)鎮(zhèn),這些鄉(xiāng)鎮(zhèn)的歷年生態(tài)服務(wù)價值總量均超過5.38×104元,特別是寨英鎮(zhèn)的年均生態(tài)服務(wù)價值達到8.09×104元,為全縣生態(tài)服務(wù)價值量最高的鄉(xiāng)鎮(zhèn)。從各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的價值密度(單位國土面積生態(tài)價值量)來看,寨英鎮(zhèn)、烏羅鎮(zhèn)、冷水溪鄉(xiāng)、孟溪鎮(zhèn)等6個鄉(xiāng)鎮(zhèn)是價值密度較大的鄉(xiāng)鎮(zhèn),妙隘鄉(xiāng)、大坪場鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)既是價值密度低的地區(qū),這表明價值密度是區(qū)域生態(tài)服務(wù)價值質(zhì)量、數(shù)量的直觀反映,生態(tài)服務(wù)價值直接決定生態(tài)密度。

        (3)基于土地利用、覆被變化的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估,提供了一種評價生態(tài)系統(tǒng)健康質(zhì)量或生態(tài)服務(wù)優(yōu)劣的簡易方法,對區(qū)域生態(tài)環(huán)境決策提供重要參考,但由于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)既受到土地利用、覆被格局變化的影響,也受到生態(tài)系統(tǒng)健康程度或生產(chǎn)力的影響,因此,單純從土地利用類型面積的角度,分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(tài)服務(wù)差別, 此因素也對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(chǎn)力的生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價值進行計算,以分析人類活動對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響,實現(xiàn)區(qū)域社會效益、經(jīng)濟效益、生態(tài)效益相協(xié)調(diào)發(fā)展。

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