基于格网的长治市生态系统服务时空演变及空间相关性分析

2021-08-25丁娅楠刘海龙王炜桥王跃飞

陕西理工大学学报(自然科学版) 2021年4期

丁娅楠，刘海龙，王炜桥，张羽，王跃飞

(山西师范大学地理科学学院，山西临汾 041000)

生态系统服务(Ecosystem Services)是指生态系统与生态过程所形成及所维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用，是人类从生态系统获得的所有收益[1]，是人类赖以生存和发展的基础，与人类福祉息息相关[2]。生态系统服务价值(Ecosystem Services Value，ESV)是指对生态系统提供商品和资源环境进行经济价值评估的表现形式[3]。地球生命生存环境的养分循环都靠生态系统来维持，生态系统给予了人类许多生存与发展所需要的资源，人类当前面临的多种生态问题的本质是由于生态系统功能与服务受到破坏与退化的后果[4]，由于人类不合理的开发和利用，生态问题日益严峻，生态系统服务能力不强，而保障国家生态安全迫切需要生态系统服务研究的科学支撑，所以对ESV的研究已经成为国内外地理学和生态学的热点问题之一。

目前，国内外学者对ESV均已开展不同程度的研究。Costanza等[5]首次基于土地利用开展了ESV的评估，并开始推动在全球范围内的探究。我国学者谢高地等[6]基于青藏高原ESV评估建立了中国陆地生态系统单位面积服务价值表，在随后的研究中其他学者对单位面积价值当量因子进行了改进[7-8]。根据此方法，一些学者对不同类型的ESV进行评估，如森林[9]、草地[10]、湿地[11]等，还探究了ESV的演变特征[12]、土地利用对ESV的影响[13]、ESV的权衡与协同关系[14]以及ESV的空间流动[15]等。以上研究大多应用于城市群、生态功能区、流域等尺度，对快速城市化地区ESV的空间关系定量化研究较少。

长治市位于黄土高原的最东部，四周被太行山和太岳山所环绕，形成上党盆地，优越的气候和良好的水文条件，使这里成为山西省森林覆盖率最高的地区，生态环境优越。由于快速城市化的发展，城镇建设用地的扩张，生态系统面临着巨大的挑战，人地矛盾日益加剧，加之独特的地形条件，从而决定了研究区生态系统的敏感性和脆弱性。本文以2000—2018年长治市土地利用数据为依据，基于格网分析生态系统服务的时空演变过程及空间自相关特征，为促进该地区生态系统的可持续发展和城市合理规划提供理论依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

长治市位于山西省东南部，地处东经111°58′—113°44′，北纬35°49′—37°08′，总面积13 955 km2。长治市被太行山、太岳山所环绕，构成高原地形。境内山地的海拔大都在800～1500 m之间，平川、丘陵、山地分别占总面积的15.9%、33.4%、50.7%。全市辖13个县区，247个乡镇。2018年研究区GDP总量1645亿元，增速11.38%，位居全省第二位。随着社会经济的快速发展，人口大量涌入城市，造成境内绿地减少、水体污染、大气污染等较为严重的环境问题，对当地的生态系统产生不良影响。

1.2 数据来源与处理

2000、2005、2010、2018年4期研究区的土地利用数据获取于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn)[16]，将土地利用类型分为耕地、林地、草地、水域、建设用地及未利用土地6类，空间分辨率为30 m×30 m。研究区DEM数据来源于地理空间数据云，分辨率为30 m×30 m，长治市行政边界矢量数据来源于2015年1∶1 000 000基础地理数据库。研究区和全国的粮食价格、单位面积产量等社会经济数据来源于各年份《长治市统计年鉴》和《中国粮食年鉴》。

1.3 格网尺度数据处理

GIS格网尺度法是指用格网点状单元作为指标因子的数据载体和基本评价分析单元的方法[17]。利用ArcGIS软件将2000、2005、2010、2018年4期的长治市土地利用数据转换为矢量数据，结合研究区的地形特征以及面积大小等情况，采用Greate Fishnet工具构建5 km×5 km的网格作为本文的研究单元，并与土地利用分布图裁剪、相交后共产生631个格网，计算得到每个网格中各类土地利用类型的面积，最终突破行政尺度的限制，通过格网数值实现土地利用空间数据的微观重构[18]，会更加直观地表现出每个研究单元的变化程度。

1.4 研究方法

1.4.1 生态系统服务价值测算

本文参考谢高地等[8]所建立的基于功能单元的单位面积生态系统服务价值评价表，根据长治市实际情况，整理研究区主要的粮食产量(小麦、玉米、大豆)，结合全国平均粮食价格，最终得出研究区单位面积ESV当量因子为1 002.38元/hm2。ESV当量因子的价值量计算公式为[19]

(1)

式中VCk为ESV当量因子的价值量(元/(hm2·a))，P为全国平均粮食价格(元/kg)，Q为研究区平均粮食产量(kg/hm2)，n为年数。

每个网格单一土地利用类型的生态系统服务价值的计算公式为[18]

(2)

每个网格生态系统服务价值的计算公式为

(3)

式中ESVi为单元网格中第i类土地利用类型的生态系统服务价值(元/(hm2·a))，ESV为格网生态系统服务总价值(元/(hm2·a))，Aij为第j个网格第i种土地利用类型的分布面积(hm2)，VCi为第i种土地利用类型的生态系统服务价值系数，m为土地利用类型总数。

表1 长治市生态系统单位面积服务价值系数元/(hm2·a)

1.4.2 空间自相关统计方法

空间自相关分析主要用于测度具有某种属性的空间分布与其临近区域是否存在相关性及相关程度的方法，能直观地表达某种空间现象的关联性与差异性[20-21]。

全局莫兰指数(Moran’s I)为

(4)

局部Moran’s I为

(5)

2 结果与分析

2.1 土地利用动态度变化

根据表2所示的长治市各利用类型土地面积及其变化情况可知，2000—2018年研究区耕地面积最大，占总面积的45.05%，其次是林地，占29.28%。从变化率来看，研究区耕地、草地、水域面积呈下降趋势，分别下降了9.45%、5.74%、4.53%，林地、建设用地、未利用土地呈上升趋势，分别上升6.01%、146.46%、13.24%。随着经济的发展，受城市建设用地扩张的影响，耕地面积持续减少，其面积由2000年的6 468.41 km2减少到2018年的5 857.18 km2， 2010年以后降幅尤为明显，变化率高达-8.49%。草地和水域面积经历了先上升后下降的过程。研究期间林地面积持续增加，2000—2018上升6.01个百分点，这得益于山西省在2010年颁布《山西省林业生态建设总体规划纲要(2011—2020年)》。长治市为响应号召，要求在保护地方生态系统的前提下再进行人类开发活动，2018年研究区森林覆盖率比2010年提高了约20%，森林资源得到了有效的保护。未利用土地面积最小，约占总面积的0.01%，呈先下降后上升的变化趋势。

表2 各时期土地利用类型面积及其变化情况

2.2 长治市ESV时空演变

2.2.1 时间演变特征

根据表3可知，长治市2000、2005、2010、2018年的生态系统服务价值分别为146.72亿元、146.96亿元、147.13亿元、146.26亿元，经历先上升后下降的发展趋势，呈倒U型变化特征。2000—2010年研究区ESV值有小幅度上升(0.27%)，这主要得益于《长治市土地利用总体规划(2006—2020年)》的颁布，长治市开始治理水土流失，加强对耕地和基本农田的保护；2010—2018年ESV下降幅度较大(-0.59%)，这主要是由于城市建设用地的大规模开发，占用了大量的耕地和草地面积，导致两者的矛盾加剧，生态效益下降，生态系统服务价值显著下降；耕地的ESV值逐年下降，草地和水域的ESV值先上升后下降，2010—2018下降的尤为明显；林地一直处于上升趋势。总之ESV值的时间变化与土地利用变化保持一致。从单项ESV值及其变化情况(表4)来看，气候调节和水文调节功能占比最高，所占比例分别达到22.81%和21.10%，其次是气体调节和土壤保持功能，分别占10.36%和13.57%，其余功能对生态系统服务的影响值较小。研究期间，食物生产、原料生产、土壤保持和维持养料生产一直处于下降趋势，这些功能大多由耕地所支持，研究区耕地面积的急剧减少严重影响了土地为人类所提供的服务。与此相反，净化环境、生物多样性和美学景观持续上升，说明长治市对森林的保护已经取得了良好的效果，2018年林地ESV效益比2000年增加了4.5×108元，极大地改善了长治市的空气质量和生态环境。

表3 各利用类型土地生态系统服务价值及变化率

表4 单项生态系统服务价值及其变化率

2.2.2 空间演变特征

基于5 km×5 km格网单元统计的生态系统服务价值进一步探究长治市ESV的空间分异特征。以4个时期为基准，利用Arcgis软件自然间断点法划分为5个ESV区域(图2，单位为106元/hm2)：分别为低(0～7.91)、较低(7.92～17.21)、中等(17.22～26.05)、较高(26.06～36.27)、高(≥36.28)[22]。2000—2018年研究区ESV值整体呈现出东西高、中部低且西部略高于东部的分布格局，结合图1高程图可知，研究区生态系统服务价值的空间分布特征与地形和土地利用类型的关系极为密切。长治市西部主要是太岳山，东部是太行山，地形以山地高原为主，森林覆盖度较高，土地类型上多以林地、草地为主，生态价值高；中部地区主要以平原为主，耕地多，有利于人们开发和利用，所以这里经济社会比较发达，人口密集，人类活动频繁，人为干扰强烈，耕地和建设类型用地较多，而上述用地ESV因子较低，人地矛盾较为紧张，所以中部地区ESV值较低。

图1 研究区地理位置与高程图

从县域尺度来看，ESV的高值区主要集中在沁源县、黎城县与武乡县的交界处、平顺县的北部和西部、壶关县的东部以及长治市城区和襄垣县的西部。长治市城区及襄垣县西部分别分布着漳泽水库和后湾水库，由于水域因子生态系统当量在各类型用地中最高，所以水库周围形成ESV高值区。低值区大面积分布在长治市辖区、长治县、襄垣县、屯留县、长子县、潞城县，这些县区由于城镇化进程快(2018年城市化率约占50%以上)，受人类活动影响，城市周围的绿地面积和耕地面积不断被城市建设用地所代替，导致ESV低值区从各县区中心不断向外围扩张。从空间变化来看，2000—2010年研究区ESV值总体保持稳定，仅少量增加了较高和高ESV区域；2010—2018年沁源县和平顺县ESV高值增长态势较为明显，这得益于2010年沁源县森林生态效益补偿基金的设立和2014年平顺县植树造林工程，2018年两地森林覆盖率分别达56.7%和41.6%，生态效益良好。但长治市辖区、长治县两地的低ESV区域范围扩大，武乡县较低ESV呈片状分布，表明这些地区土地利用类型变化大，建设用地占用多，生态价值普遍降低。

2.3 长治市ESV空间自相关分析

为进一步探究长治市ESV变化的空间集聚特征和空间异质性，利用GeoDa软件建立空间邻接权重，在研究区631个格网上进行全局空间自相关和局部空间自相关分析。

2.3.1 全局空间自相关

根据获得的Moran’s I散点图统计成表5，从表中可知2000—2018年研究区的Moran’s I分别为0.431、0.412、0.412、0.445，统计量Z值分别为20.65、19.801、19.754、20.726，概率P值均为0.001，通过显著性检验，表明研究区ESV区域相关性显著且呈现出正向空间集聚特征。从表中看出Moran’s I先下降后上升，呈U型变化趋势，且在2010年后出现Moran’s I最大值，表明长治市生态治理取得良好的成果，格网尺度下研究区ESV空间集聚效应明显加强。

表5 长治市生态系统服务价值的全局Moran’s I

2.3.2 局部空间自相关

为深入揭示研究区生态系统服务价值的局部空间集聚变化规律，根据长治市631个ESV格网单元显著的空间集聚关系，在0.001显著水平下，进行局部空间自相关分析，得出空间联系的局部指标(Local Indicators of Spatial Association，LISA)集聚图(图3)，表征每个网格的特定属性与其周围格网单元之间的空间相互关系，并将全市的生态系统服务划分为4种不同的类型(高高集聚、低低集聚、低高集聚和高低集聚)。

通过对比土地利用分布图和ESV的LISA集聚图可知：2000—2018年研究区生态系统服务价值的空间集聚特征基本保持稳定，呈现出西部高、东北和东南高、中部低的分布格局，且高高集聚和低低集聚类型面积较大，呈片状分布，空间相关性显著，低低集聚和高高集聚空间面积较小，呈零散状分布，集聚效果不明显，表明长治市ESV集聚特征明显，显现以高高集聚和低低集聚为主的空间特征。具体来看：

(1)高高集聚区：主要分布在沁源县、黎城县、平顺县中部及壶关县东部，这些地区地势较高，森林草地资源丰富，森林覆盖率在40%以上，风景名胜区多分布在这里，如沁源县的灵空山，平顺县的通天峡、天脊山，壶关县的太行山大峡谷等。

(2)低低集聚区：多分布在襄垣县、长治县、潞城市的西部和屯留县的东部，这些地区是城市扩建区，以市辖区为中心向外逐渐扩张，形成南—北经济发展走廊，生态环境受人为干扰强烈，生态价值较低，并形成集聚区。

(3)低高集聚区：零散分布在长治市市辖区周围以及高高集聚区的边缘，从土地利用类型上看，这些地区主要是水域和与耕地、建设用地的交界地带，例如市区的漳泽水库，水库周围耕地面积和城乡建设用地面积比例较高，所以在低低集聚的附近出现低高集聚的现象。

(4)高低集聚区：零散分布在黎城县的边界和长治县的边界，这些地方处于两个行政区的交界地带，城市中心经济的辐射影响较小，而又处于林地、草地和耕地的交界地带，所以出现高ESV和低ESV集聚区。

3 结论及建议

3.1 结论

基于2000、2005、2010、2018年长治市土地利用数据，通过建立5 km×5 km格网对研究区生态系统服务的时空变化过程及空间特征进行深入分析，得出以下结论：

(1)从土地利用类型变化来看，研究区耕地、草地、水域面积呈下降趋势，林地、建设用地、未利用土地呈上升趋势。

(2)从ESV的时间演变来看，研究区生态系统服务价值经历了先上升后下降的发展趋势，呈倒U型变化特征，耕地的ESV在研究期间持续下降，而林地一直在上升；研究期间ESV的时间变化与土地利用变化保持一致。

(3)从ESV的空间分布来看，研究期间研究区ESV整体呈现出东西高、中部低且西部略高于东部的分布格局；从空间演变来看，2000—2010年研究区ESV总体保持稳定，2010—2018年沁源县和平顺县ESV高值区增长态势较为明显，但长治市辖区、长治县两地ESV低值区域范围扩大，呈片状分布。

(4)通过全局空间自相关发现，研究期间长治市ESV区域相关性显著且呈现出正向空间聚集特征，并呈U型变化趋势。局部空间自相关表明研究区ESV的空间集聚特征基本保持稳定，呈现出西部、东北和东南高，中部低的分布格局，高高集聚和低低集聚空间相关性较为显著。高高集聚区主要分布在沁源县、黎城县、平顺县中部及壶关县东部，低低集聚区多分布在襄垣县、长治县、潞城市的西部和屯留县的东部。

3.2 建议

基于研究结果，为提高当地生态系统服务价值，提出以下建议：

(1)合理增加城市绿地面积。随着经济的发展和城市人口的扩张，对城市建设用地需求不断加大，必然会对生态系统服务造成负面影响，但是城市绿地和水域等绿化景观的设计可以有效改善生态风貌，如长治市城区的漳泽水库和城市湿地公园，襄垣县的后弯水库以及武乡县的关河水库，这些区域为城市调节水流、维护生物多样性以及给人类提供休息娱乐场所等方面具有重要意义，因此应该重视对城市的绿地、公园、水体的建设，为人类创造优良的宜居环境。

(2)优化土地利用结构。生态系统服务价值变化直接受到土地利用程度的影响，因此，因地制宜优化土地利用结构尤为重要，如退耕还林还湖、合理控制建设用地的扩张和提高土地集约程度和利用率等，在开发利用土地的同时要充分考虑生态环境效应。

(3)加强对自然保护区的规划和建设。自然保护区具有较高的生态系统服务价值，对一个地区生态系统提供着重要的调节、支持和美化服务，如沁源县的灵空山，平顺县的通天峡、天脊山，壶关县的太行山大峡谷等。这些地区在水源涵养、净化环境、维持生物多样性和美学景观等方面提供了重要的生态价值。