县域生态系统服务价值时空特征分析

冉文军 王雅敬 张凡

摘要：指出了在全球环境变化与城市化的背景下，土地利用的时空格局对生态系统服务价值起着直接的控制作用。为分析区域生态系统服务价值的时空特征，以贵州省松桃县2005、2010年两期遥感数据为基本信息源，利用ArcGIS空间分析功能，构建了基于弹性概念的生态敏感性指数模型，计算了生态系统服务价值空间格局及其变化，并以此分析了该区域的生态系统脆弱性。研究结果表明：①2005-2010年松桃县生态系统服务价值整体呈下降趋势，且下降速度较快，由2005年的5038.51×104元下降至2010年的5015.23×104元，下降幅度达24.12×104元。②松桃县生态价值量较大的乡镇为寨英镇、乌罗镇、盘信镇、冷水溪乡、孟溪镇等5个乡镇，这些乡镇的历年生态服务价值总量均超过5.38×104元。③对整个生态系统服务价值量其决定作用的是林地面积（相关系数为0.99）。因此，生态系统服务价值评估不仅要关注生态系统面积及其价值当量，更要考虑生态系统的生产力差异对生态服务功能的影响。

关键词：生态系统服务；价值；时空特征；松桃县

中图分类号：F062.2

文献标识码：A 文章编号：16749944（2017）10011605

1 引言

生态系统服务是指生态系统在生态过程中为维持系统本身正常运作以及人类生产、生活持续进行的自然环境条件和物质基础[1，2]，包括光合作用、生态产品（食物等生物资源）和生态服务（污染物运移、净化）等，其时空特征直接关系到区域社会经济的可持续发展和生态环境质量的健康程度。20世纪90年代以来，生态系统服务价值的定量评估逐渐成为国内外生态经济学和环境经济学研究领域的热点问题[3，4]。

土地利用类型直接表征出人类活动对生态系统服务的利用方式，其景观格局与过程也直接体现出生态系统的时空差异与服务价值量的区域性。近年来，国内外学者已从不同的尺度开展了土地覆被变化背景下的生态系统服务价值评估研究，在生态系统价值理论、主要生态系统功能和生态系统价值评估方法等方面取得了重要进展。如Costanza等[5] 首次明確了生态系统服务价值估算的原理及方法，并利用生态经济学方法对各类生态系统价值进行定量化；Hein等[6]构建了增强的生态系统服务的估值框架，分析生态系统服务价值的空间尺度效应；谢高地等[7]采用专家问卷调查法对Costanza 等提出的评价模型进行改进，对单位面积生态系统服务价值当量进行调查，建立了中国陆地生态系统单位面积服务价值表；宋佳楠等[8]利用区域社会经济生态协调系数对传统的生态系统服务价值测算模型进行修正；唐秀美等[10]根据不同生态区位赋予不同的生态区位系数，实现对用地类型的生态服务价值的修正；石垚等[10]利用中国1999～2008年土地利用和GIMMS遥感影像的NDVI数据，计算和分析了近10年内中国陆地生态系统服务功能价值的时空变化；以往研究表明，我国生态系统服务价值研究虽起步较晚，但其评估尺度广泛、类型多样，主要涵盖某一区域范围或单一生态系统的生态系统价值评估，即多集中于国家、省级、流域尺度[11～13]、森林[14]、草地[15]、河流[16]等生态系统上，但对县域尺度的生态系统服务价值时空特征分析相对较少，评估结果往往不能反映区域差异性。另外，随着GIS、RS等技术的发展及其在生态系统领域评估中的应用[17]，生态系统服务价值时空特征分析已成为当前主要研究趋势之一。因此，笔者以贵州省松桃县2005、2010年两期遥感解译影像为例，采用RS和GIS空间分析技术，评价县域尺度的生态系统服务价值的时空异质性，揭示城市化过程对生态系统服务价值的空间格局影响程度，以期为松桃县生态环境与社会经济的可持续发展提供理论支持。

2 研究区概况

松桃县隶属于贵州省铜仁市管辖，地跨东经108°35′42″～109°23′30″，北纬27°49′40″～28°30′20″，国土总面积3409 km2，与湖南湘西、重庆市秀山、酉阳毗邻，是苗族聚居较多的一个少数民族自治县。全县地质构造复杂，具有多个皱褶和断层构造，地势中部低，东西部高，按照地貌组合特征可分为中山地峡谷、山间盆地、丘陵河谷、中低山沟谷和中低山丘陵等5种地貌，包含1637.9 km2的喀斯特地貌和1223.6 km2的非喀斯特地貌。该县属中亚热带季风气候区，受亚热带季风气候的影响，四季分明，径流密度大，地表年径流量达25.44亿m3，且雨量充沛，年平均降水量为1416 mm，年平均日照达1228 h，但由于地形和海拔（县域海拔介于285～2494 m之间）的差异，山地小气候类型多样，生物多样性突出，森林植被和中药材资源丰富。另外，松桃县社会经济发展速度较快，城市化水平高，2015年全县GDP达到103.44亿元，三大产业结构比为26.7∶32.7∶40.6，人均GDP为 21132元。

3 数据与方法

3.1 数据来源

以松桃县1∶50000 地形图为参考，在ENVI 5.0 软件支持下分别对2005年、2010年两期LANDSAT 影像校正，在建立解译标志的基础上对遥感影像进行解译。为便于分析，将研究区的土地利用类型合并为6 种类型： 水田、旱地、林地、水域、草地、建设用地，并以2.5 m高清遥感影像为参照，对解译的数据进行精度检验，三期土地利用分类的总精度和Kappa 指数等均大于0.85，其分类结果达到精度要求。从而得到松桃县历年土地利用类型图。

3.2 研究方法

3.2.1 生态系统价值计算

该研究基于谢高地等[7]提出的中国生态系统单位面积生态服务价值当量，以单位面积农田提供的食物生产服务经济价值为依据，确定符合松桃县土地利用/覆被变化背景下的生态系统服务价值计算公式[18]：

ESV=∑AkCk （1）endprint

式（1）中：ESV为生态系统服务价值（元/a）；Ak为第k类土地利用类型分布面积（hm2）；Ck为单位面积的生态系统服务价值（元/hm2·a）。另外，由于耕地划分为水田和旱地，但两者的生态系统服务价值量差异明显，根据以往研究经验，将耕地的生态价值量以0.6∶0.4的比例分别赋予水田和旱地（表1）；水域对局部空气调节主要在为大气提供蒸发量，保障空气中水汽的稳定性，故以气候调节价值的50%为水域的大气调节功能价值，从而得到研究区各类生态系统的价值当量。

3.2.2 时空特征分析

（1）变异系数。变异系数可以衡量松桃县不同年份生态系统服务价值的空间离散程度，以及不同地区生态系统服务价值的时间离散程度，其计算公式为[19]：

CV=1k1n∑ni=12Ki|K （2）

（2）空间相关性。相关分析可以定量描述两个变量之间的线性相关程度，明确两个变量之间的相关方向[20]。研究中采用Pearson 简单相关系数，以松桃县生态系统服务价值、不同土地利用类型在时空尺度的变异系数为变量，定量描述县域生态系统服务价值与其用地变化之间的关联性系，其计算公式为：

4 结果与分析

4.1 生态系统服务价值的时序变化

根据生态系统服务价值计算公式和各生态系统单位面积的价值当量，计算出松桃县历年生态价值量（表2）。由表2可知，松桃县2005、2010年生态服务价值总量分别为5038.51×104元、5015.23×104元，整体呈下降的趋势，2005～2010年期间生态系统价值减少共24.12×104元，年均下降率为0.12%。总体而言，松桃县2005～2010年间水田、旱地、林地的生态服务价值变化趋势均为逐渐下降，草地的生态服务价值则上升，水域的生态服务价值则保持不变。其中，林地生态系统的服务价值从2005年的4160.34×104元下降至2010年的4125.46×104元，与其他生态系统相比，同期下降幅度最为明显，在2005～2010年间下降幅度达24.12×104元，年均下降率达到0.12%；水田、旱地作为耕地的重要组成部分，两者的生态系统服务价值也从525.36×104元下降至522.67×104元，其历年年均变化率相差不太明显，如2005～2010年水田下降率仅比旱地下降率相差0.04%，但水田的变化幅度要明显小于旱地，其因为旱地面积较大，且容易受人类活动的影响，特别是城市边缘带旱地占用现象普遍；草地面积的增减主要受旱地撂荒和建设用地占用的影响，2005～2010年间草地面积增加4.27 hm2，对应的生态系统价值增加3.53×104元，年均增长率为0.2%。其因为2005～2010年间城市化水平不断提升，农业人口转化成工业人口趋势明显，耕地荒废后成为草地，导致草地面积上升，其生态价值也随之上升。总之，研究期间土地利用结构的改变对松桃县生态系统总服务价值产生了较大影响，按价值大小排序为林地>旱地>草地>水田>水域>建设用地，尤其是旱地、水田和水域的变化比较显著，变异系数均在1.30以上，而林地和草地的变异系数则分别仅有0.50和0.74，基本是其余三者的1/2倍，这也说明林地和草地在松桃县的生态系统服务价值占有非常重要的作用。

4.2 生态系统服务价值的空间分异

分析采用以乡镇为单位的生态系统服务价值来表征区域间的价值差异（表3），从生态系统空间特征来看，2005年间松桃县生态系统价值较高的乡镇是寨英镇、乌罗镇和盘信镇，三者生态系统服务总价值均高于3×104元，其比重比均值也达到7.14%，其次为迓驾镇、正大乡等22个乡镇，其生态系统服务价值在1.16×104～2.07×104元之间，但其总比重达到73.14%，最后比重较小的是妙隘乡、九江乡和大坪场镇，三者生态系统服务价值的总比重也仅有5.43%。从各个乡镇生态系统服务价值的变化特征可以看出，2005～2010年下降率最高的大兴镇，其值从1.88×104元下降至1.83×104元，期间总下降率为2.77%，其次，木树乡和长兴堡镇的下降率也达到2.22%以上，其缘于三个乡镇的林地或耕地生态系统面积减少，例如大兴镇的林地面积由6150.16 hm2下降至5886.24 hm2，年均下降52.78 hm2，直接导致了整个乡镇的生态系统服务价值量的降低。而增长率最高的乡镇却是寨英镇，其生态系统服务价值增幅达到0.19×104元，比重提升0.34%，也使得其增长率达4.92%。另外，全县生态服务价值增加的乡镇有18个，相应的比重由69.39%增加值69.90%，总体呈上升趋势。整体而言，松桃县各个乡镇的生态系统服务价值集中于1.72%～4.03%之间，寨英镇生态系统价值量最高，且呈逐年上升的趋势，其生态系统服务价值的比重平均值就达8.06%，其次为乌罗镇、盘信镇、冷水溪乡和孟溪镇等4个乡镇，其比重介于5.38%～7.66%之间。

为便于松桃县各乡镇生态系统服务价值的空间差异进行对比，对松桃县各个乡镇的单位国土面积生态系统服务价值进行测算（图1），并采用自然断点法对松桃县各乡镇的生态系统服务价值进行分类，同时对各个乡镇的数值进行相关性分析，以识别生态系统价值的主要影响部分。从图2中可以看出，松桃县单位面积生态系统服务价值量共分为5类，由高到低依次为高值区、较高值区、中值区、较低值区、低值区。其中，东部的乡镇（大路乡-孟溪镇-普觉镇以东）单位面积生态系统服务价值多属于高值区、较高值区，其平均值为18259元/

hm2，西部的乡镇（妙隘乡-大坪场镇-平头乡-沙坝河乡以西）则以较低值区为主，对应的生态系统平均值仅有16767元/hm2，比东部地区乡镇少8.17%。

从2005～2010年间，高值区、较高值區、中值区的乡镇在数值上存在一定的变化程度，但其隶属的价值区并未发生变化，而较低值区、低值区的乡镇则变化明显，松桃县较低值区的乡镇由9个扩展到11个，长兴堡镇和迓驾镇由中值区转化成较低值区。endprint

生态系统服务价值与土地利用相关性分析（表4）表明，各个乡镇之间的生态系统价值与林地的相关性最为紧密，两者相关系数的历年平均值为0.991。其次为水域、水田和草地，三者的平均相关系数分别为0.405、0.460、0.258，最后旱地的相关系数仅有0.015。这说明林地、水域等单位价值当量大的生态系统服务价值，其面积大小直接决定了区域生态系统价值总量。

5 结论与讨论

在融合RS和GIS技术的基础上，对松桃县2005年、2010年同时结合以往研究成果，从土地利用/覆被变化的视角，分析松桃县生态系统服务价值的空间特征，得出以下主要结论。

（1）松桃县生态系统服务价值总量在2005～2010年间整体呈下降趋势，且下降速度较快。10年间生态系统服务价值由2005年的5038.51×104元下降至2010年的5015.23×104元，下降幅度达24.12×104元，其直接原因在于林地和耕地面积的减少，导致林地、耕地生态系统价值量降低。另外，旱地、草地面积的大幅较少，也加剧了全县生态系统服务价值的下降，由此可见，区域内各生态系统功能彼此密不可分，土地利用方式的改变是不可忽视的因素。

（2）结合2005～2010年各乡镇的生态价值量空间特征发现，松桃县生态价值量较大的乡镇为寨英镇、乌罗镇、盘信镇、冷水溪乡、孟溪镇等5个乡镇，这些乡镇的历年生态服务价值总量均超过5.38×104元，特别是寨英镇的年均生态服务价值达到8.09×104元，为全县生态服务价值量最高的乡镇。从各乡镇的价值密度（单位国土面积生态价值量）来看，寨英镇、乌罗镇、冷水溪乡、孟溪镇等6个乡镇是价值密度较大的乡镇，妙隘乡、大坪场镇等乡镇既是价值密度低的地区，这表明价值密度是区域生态服务价值质量、数量的直观反映，生态服务价值直接决定生态密度。

（3）基于土地利用、覆被变化的生态系统服务价值评估，提供了一种评价生态系统健康质量或生态服务优劣的简易方法，对区域生态环境决策提供重要参考，但由于生态系统服务既受到土地利用、覆被格局变化的影响，也受到生态系统健康程度或生产力的影响，因此，单纯从土地利用类型面积的角度，分析生态系统服务功能是明显不足的，如疏林地与有林地以及乔木林与灌木林的生态服务差别， 此因素也对生态系统服务价值变化的影响不可忽视。这也是研究中不足的地方，下一步将针对不同生产力的生态系统的服务价值进行计算，以分析人类活动对生态系统服务功能的影响，实现区域社会效益、经济效益、生態效益相协调发展。

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