基于地统计学的区域生态服务价值空间分异规律研究

2012-12-21张晓楠宋宏利李振杰

水土保持研究 2012年6期

张晓楠，宋宏利，李振杰

（1.河北工程大学资源学院，河北邯郸056038；2.河北省地矿局石家庄综合地质大队，石家庄050081）

生态系统服务功能是指生态系统与生态过程所形成及维持的人类赖以生存的自然环境条件和效用，包括对人类生存及生活质量有贡献的生态系统产品和生态系统功能［1－2］，是人类生存和发展的物质基础和基本条件。由于土地利用类型与生态系统状态关系密切，因此研究LUCC下的区域生态服务价值演变具有重要意义。近年来，我国学者在生态服务价值方面做了大量研究，取得了一定成果。例如，张明阳等［3］研究了桂西北典型喀斯特区生态服务价值的环境响应及其空间尺度特征，表明该区域生态服务价值随高程、岩石类型、土壤类型分异明显，并具有相应的空间尺度特征；孙慧兰等［4］研究了新疆伊犁河流域生态服务价值对土地利用变化的响应，探讨了伊犁河流域1985—2005年土地利用和生态系统服务价值的变化特征；李保杰等［5］研究了矿区土地利用变化对生态服务价值损益的影响；宋宏利等［6］研究了冀南区域土地利用变化对区域生态服务价值的影响；吴海珍等［7］研究了内蒙古多伦县土地利用变化对生态服务价值的影响。已有研究大都从整体上评价土地利用变化对区域生态服务价值的影响，但事实上，生态服务价值及其变化具有空间异质性，但关于该方面的研究鲜有报道。鉴于此，本文采用空间网格作为基本表达单元，以地质统计学技术为手段，在RS和GIS技术支持下研究邯郸市土地利用类型及变化对区域生态服务价值空间分异的影响，旨在为局部尺度土地的合理利用及生态环境改善提供合理依据。

1 研究区概况

邯郸市位于河北省最南部，太行山南段东麓和华北平原南部，地处东经113°28′—115°28′，北纬36°04′—37°01′，属典型的中纬度地区。与晋、鲁、豫三省接壤，总面积12 000km2，其中市区面积457km2，总人口849.9万人，现辖4区1市14县。邯郸市地势总体西高东低，地面纵坡为1／2 500～1／5 000，自西向东阶梯状分布着山地、丘陵、盆地、高平原、低平原，分别约占全市总面积的14.0%，14.6%，7.0%，28.8%，35.6%。

2 数据来源与分析方法

2.1 数据来源

研究采用的基础数据为邯郸市1997年和2007年Landset TM 遥感影像（空间分辨率为30m），辅助数据为邯郸市1∶5万地形图、2007年邯郸市行政区划图（比例尺为1∶10万）、1994年和2006年邯郸市土地利用现状图（比例尺为1∶1万）及相关统计数据。根据相关资料［8］及实地情况，将邯郸市土地利用类型划分为：耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地6大类。遥感影像采用UTM横轴墨卡托投影，利用GPS采集的控制点对影像进行精几何校正，校正精度不大于0.5个像元。经图像融合、增强处理后，利用邯郸市区域行政边界对处理后的影像进行裁剪，采用目视解译结合计算机监督分类得到1997年、2007年邯郸市土地利用分类遥感图像。

2.2 研究方法

2.2.1 生态服务价值计算 Costanza［9］、谢高地［10］、段瑞娟［11］等人分别提出了针对不同尺度、不同地域的生态服务价值计算方法，但生态服务价值具有区域性特征，不同的区域具有不同的土地利用生态结构，因此，结合已有研究，本文采用偿付意愿法来估算生态系统服务价值［12］。

结合邯郸市土地利用类型结构及区域特征建立了适合于本区域生态系统服务价值的计算公式（公式1）和土地利用类型生态服务价值对照表（表1）。通过表1可知，邯郸区域生态服务价值除了建设用地外，与段瑞娟等［11］提出的北京区域生态服务价值最为接近。

式中：E——研究区生态系统服务总价值（亿元）；Ai——研究区第i中土地利用类型的分布面积（km2）；Ci——单位面积土地利用类型i的生态系统服务价值系数。为计算生态服务价值空间分布特征，本文采用1 km×1km空间格网覆盖整个研究区域，然后利用

表1 土地利用类型及生态系统服务价值对照表万元／km2

ArcGIS软件的交叉表分析得出每个格网的土地利用类型面积，在此基础上根据公式（1）将格网内各种土地利用类型生态服务价值累加，计算每个格网的生态服务总价值，最后通过符号分级显示区域生态服务价值的空间分布特征。

2.2.2 地统计学计算原理地统计学是以具有空间分布特点的区域化变量理论为基础，研究自然现象的空间变异与空间结构的一门学科［13］，以变异函数（半方差）作为主要的分析方法。变异函数是判别和分析区域性变量结构性、随机性和变异性的重要工具［14］，其计算公式为：

式中：r（h）——变量样本点距为h的半方差；h——步长；n（h）——变量样本点的点对数；Z（xi），Z（xi＋h）——区域化变量在xi和xi＋h处的数值。变异函数分析通常以对半变异函数图的模型拟合为基础，所考查的主要参数包括：C0（块金值）、C0＋C（基台值）、C0／（C0＋C）（块金方差与基台值之比）、C／（C0＋C）（空间结构比）、a（变程）。当h 较小时，变量在两点（x，x＋h）处的观测值z（x）与z（x＋h）具有某种程度的相关性，且这种相关性随着h的增大而减小，当h达到一定程度及步长a时，两点不再具有相关性；C0＋C（基台值）阐明了区域变量的最大变异程度，C则表示空间自相关部分引起的空间异质性；C0／（C0＋C）（块金方差与基台值之比）反映了随机部分引起空间异质性占总空间异质性的比重；C／（C0＋C）（空间结构比）表示结构因素对总空间异质性的贡献程度。

地统计半方差函数适合于处理以空间离散点方式存储的空间数据，上述所得生态服务价值以格网为单元，表现为面栅格数据，因此需要将其转换为以格网中心点表示的点矢量数据，转换成功后便可将其作为输入数据，通过分析南—北、东—西、东南—西北、东北—西南4个方向的半方差函数模型拟合图及相关参数，阐明生态系统服务价值的空间分异规律。

3 结果与分析

3.1 生态服务价值空间分布

据附图5可知，1997—2007年间邯郸市生态服务价值在空间分布上并未发生剧烈改变，仍保持着较稳定的空间分布格局，其中生态服务价值的典型高值区域主要分布于邯郸市的岳城水库及其周边区域；高值区主要位于邯郸市西部地区及中部零星区，这主要是因为该区域地形较高，据邯郸市生态城市建设规划需要，西部山地丘陵为生态屏障区，起到防风固沙、调节气候、保护环境、保持水土、水源涵养、构成绿色生态体系的目的，这一地区进行退耕还林种植了大量树木，形成了绿色生态屏障为主体的林地，林地在生态服务价值计算模型中所占正向权重较大，从而使该区域生态服务价值最高；生态服务价值较低的的区域主要分布于中部地区，该区域属于城镇集结区，城镇及农村居民用地呈聚集状分布，工业设施完善，而城镇聚落用地在计算过程中的权重较低，导致该区域指数偏低；生态服务价值中等的区域主要分布于邯郸市北部、东部及南部边缘地区，这主要是因为该区域地势平坦，远离城市中心区，土地利用类型以农用地为主，同时该区域水系较多，导致该区域生态服务价值介于高低之间。

3.2 基于地统计的生态服务价值空间结构分析

3.2.1 统计特征分析按照经典统计方法，对1997年和2007年邯郸市生态服务价值及土地利用结构进行统计分析（表2—3），结果表明：1997—2007年10a间，邯郸市的生态系统服务价值呈下降态势，生态系统服务价值由1997年的1 095.8下降为2007年的1 053.3，均值由1997年的56.885降为2007年的56.874，标准差则由1997年的68.289降为2007年的68.207，这说明2007年的生态服务价值比1997年更加向均值区域靠拢，差距缩小。这主要是因为耕地面积、草地、水域面积减少，而建设用地大幅度增加，导致邯郸市生态服务价值降低，尽管林地面积有较大幅度增加，促使生态服务价值增高，但其增高幅度难以弥补其他土地类型变化所导致的生态服务价值下降，因此总体呈下降趋势势。表2表明，1997年和2007年的邯郸市生态系统服务价值均呈偏态分布，因此在进行地统计分析前需对原始数据进行变换，使数据满足高斯正态分布。

表2 邯郸市1997年、2007年生态服务价值统计

表3 邯郸市1997年、2007年土地利用类型结构

3.2.2 生态系统服务价值空间变异结构分析据图4及表4，邯郸市生态系统服务价值的空间结构在东—西、南—北、东北—西南、西北—东南4个方向存在明显的方向性特征，其中东—西和南—北方向的块金效应较为相似，差值仅为0.01，而东北—西南和西北—东南两个方向的块金效应较为相似，差值为0.19，这表明东—西和南—北、东北—西南和西北－东南两组方向上的误差影响基本相同。变程反映了区域化变量在空间上的相关范围，图1表明生态系统服务价值的相关范围在4个方向上存在较明显差异，大小顺序为西北—东南＜南北＜东北—西南＜东—西，分别为23.3，32.0，33.6，37.1km，在东—西方向，生态系统服务价值具有大尺度的空间相关性，这说明该方向的土地利用类型呈聚集分布，具有较好的空间均质性；西北—东南方向具有最小的变程，说明在该方向的生态服务价值只在局部尺度具有相关性，这是因为该方向的土地利用景观呈现出较强的破碎性，空间异质性严重。

C0／（C0＋C）是反映区域化变量空间异质性程度的重要指标，该比值反映了在空间变异的成分中区域因素（自然因素）和非区域因素（人为因素）的主导作用。从表4可知，生态服务价值在4个方向的比值顺序为南—北＜东—西＜西北—东南＜东北—西南，分别为0.21，0.28，0.32，0.34，4个方向均不超过0.5，反映出邯郸市生态系统服务价值在所研究的尺度上具有较强的空间自相关格局，目前虽然受到一些地形、土壤类别等小尺度因素的影响，但还没有达到破坏其原有空间格局的程度。

图1 邯郸市生态系统服务价值多方向空间结构

表4 1997年邯郸市生态系统服务价值空间结构参数

4 结论

（1）1997—2007年10a间邯郸市的生态系统服务价值总体比较稳定，空间分布格局基本未发生改变，但通过极值分析，发现10a间区域的生态系统服务价值呈下降态势，这主要是由耕地面积、草地、水域面积减少，而建设用地大幅度增加导致邯郸市生态服务价值降低，尽管林地面积有较大幅度增加，促使生态服务价值增高，但其增高幅度难以弥补其他土地类型变化所导致的生态服务价值下降，因此总趋势呈下降态势；

（2）邯郸地区生态服务价值空间异质性显著，其中高值区域主要集中于邯郸市西部山区、半山区地带，这主要是因为根据邯郸市生态城市建设规划需要，西部山地丘陵为生态屏障区，起到防风固沙、调节气候、保护环境、水土保持、涵养水源、构成绿色生态体系的目的，这一地区退耕还林，种植了大量树木，形成了绿色生态屏障为主体的林地，土地利用类型以生态价值贡献较大的林地为主；低值区域主要分布于城乡交错及城镇建成区，呈现出云簇状分布；中等价值区域呈现条带状分布，穿插于高低指数之间，主要分布于城乡过渡地区。总体来讲，邯郸地区生态服务价值呈现出从中间向四周特别是向西北部呈放射性增加趋势。

（3）地统计学研究表明，邯郸市生态服务价值的分布表现出显著的方向性，尤其在东—西和西北—东南两个方向，存在明显的地带分布差异，西北—东南方向的生态服务价值存在小尺度的相关性，即景观的分布表现出一定的破碎性；生态服务价值在东西方向表现出大尺度的相关性，景观分布表现出均质性。同时，邯郸市生态系统服务价值在所研究的尺度上具有较强的空间自相关格局，目前虽然受到一些地形、土壤类别等小尺度因素的影响，但还没有达到破坏其原有空间格局的程度。

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