长江流域安徽段生态系统服务价值与景观生态风险时空演变及其关联分析

贾艳艳，唐晓岚，任宇杰

(1.山东农业大学林学院，山东 泰安 271018；2.南京林业大学风景园林学院，南京林业大学中国特色生态文明建设与林业发展研究院，江苏 南京 210037)

随着社会经济快速发展、人口的高速增长和城镇化建设急剧扩张，土地利用格局发生了极大改变，使得生态用地流失、生态系统服务功能下降和环境健康风险加剧，生态安全问题日益凸显[1-2]。生态系统服务价值(ecosystem service value, ESV)和生态风险指数(ecological risk index, ERI)评估是生态环境评价的重要类型，与生态安全评价密切相关[3]。生态系统服务是指通过生态系统的结构、过程和功能直接或间接得到的生命支持产品和服务[4]，其价值评估是生态环境保护、生态功能区划、生态补偿决策等的重要依据与基础[5]。目前，生态系统服务评估主要包括物质量和价值量，物质量评估方法包括生物物理模型法和能值法等，价值量评估方法包括价值当量法、市场价值法、机会成本法等，其中价值当量法对数据需求相对较少，特别适用于区域和全球尺度生态系统服务价值的评估[6-8]。景观生态风险是指自然因素或人为因素影响下景观格局与生态过程相互作用可能产生的负面影响[9]。景观生态风险评价可以为区域综合风险防范提供决策依据，有效指引区域景观格局优化与管控，是一种能有效支持生态系统管理的工具[10]。

生态系统服务价值和景观生态风险评估的综合运用，能更好地将人类福祉与生态环境变化相联系，能更好地为区域生态环境保护提供决策支持[3, 11]。现阶段，针对生态系统服务价值、景观生态风险的研究逐渐由独立分析走向关联分析，主要分为两大类：一类是结合生态系统服务构建景观生态风险评估体系或评估框架以提高生态风险评价的全面性与时效性，该类研究相对较多[10-14]；另一类则是针对同一时期同一区域生态系统服务价值评估和生态风险评估的空间分布关系及相互作用机理研究，该类研究相对较少。宫继萍等[15]分析了黑河中游民乐县土地利用变化引起的生态系统服务价值和生态风险的动态变化，但对二者空间分布的相互关系仍需深入探讨；多位学者采用生态系统服务价值核算、景观生态风险指数核算、双变量空间自相关模型等方法分别探讨了山东滨州市、三峡库区、安徽芜湖市的生态系统服务价值和生态风险的时空动态特征及其关联性，方法的可行性得到有效验证[3，11，16]。然而，上述研究的尺度多见于单个城市或较小的特殊生态区，缺乏涉及多个城市尤其是缺乏长江流域跨江区域生态系统服务价值和生态风险的关联分析。

在长江三角洲区域一体化战略背景下，长江流域安徽段在长江流域和长江经济带的发展中占据重要地位，随着长江三角洲经济快速发展和城镇化建设，大量生态用地被侵占，景观格局和生态系统服务价值发生变化。本研究以1995年、2005年和2015年的土地利用数据为基础，对长江流域安徽段近20年的生态系统服务价值和景观生态风险指数动态变化及空间分布特征深入分析，并揭示二者在数量变化、空间分布等方面的相关性，旨在为长江流域安徽段及相似区域的生态环境保护与可持续发展提供一定参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

长江流域安徽段位于长江下游(115°15′～119°50′E，29°15′～33°0′N)，行政区划涉及合肥、滁州、马鞍山、芜湖、铜陵、宣城、六安、安庆、池州和黄山10市，总面积66 576.94 km2(图1)。研究区地势呈西南和东南两侧海拔高、中部低的特点[17]，地貌类型上低山、丘陵、平原皆备，但以平原为主；属北亚热带湿润季风气候，四季分明，夏季高温多雨，冬季温和少雨；水系丰富，其中汇入长江干流的主要水系有皖河、青弋江、漳河、水阳江、滁河等，主要湖泊有巢湖、大官湖、武昌湖、菜子湖等。研究区涵盖皖南山区1处陆地生物多样性保护优先区和安庆沿江湿地、扬子鳄保护地2处湿地生物多样性保护优先区[18]；同时，研究区分布着面积较大的重要生态功能区，分别是大别山水源涵养与生物多样性保护重要区、天目山—怀玉山水源涵养与生物多样性保护重要区和皖江湿地洪水调蓄重要区，对维护长江流域生态安全、保护生物多样性和生态系统稳定具有重要作用。此外，研究区保护地数量及类型丰富，有国家级的自然保护区5处、风景名胜区10处、森林公园24处、地质公园8处、水利风景区19处、湿地公园11处。

图1 研究区位置及高程图

1.2 数据来源与研究方法

1.2.1 数据来源及处理

基础数据为安徽省1995年、2005年和2015年的土地利用栅格数据，空间分辨率为30 m，来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn)，该数据基于1995年、2005年的Landsat-TM/ETM和2015年的Landsat-8OLI遥感影像(分辨率30 m)解译得到，经过波段提取、合成、几何精纠正、镶嵌等预处理，利用人机交互目视解译，最终通过混淆矩阵进行分类精度及总精度评价，总体精度达90%以上；统一采用Albers圆锥等积投影，Krasovsky参考椭球体、105°E基准经线、25°N和47°N基准纬线[19]。

根据安徽省景观类型的组成和特点，参照 GB/T 21010—2017《土地利用现状分类》，并结合研究目的，将研究区景观类型划分为耕地、林地、草地、湿地、建设用地、裸地6个一级类别(图2)。长江流域矢量边界数据、主要水系空间分布数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn)，社会经济和人口数据来源于安徽省统计年鉴、国家统计局官网(http://data.stats.gov.cn/index.htm)。综合考虑相关研究[16]及计算效率，在ArcGIS 10.2中采用网格化方法对研究区进行6 km×6 km的幅度采样，共形成2 017个评价小区。基于评价小区计算生态系统服务价值和景观生态风险指数，并赋值于评价小区中心点，进行克里金插值，以分析空间格局分布特征。

图2 研究区景观类型空间分布

1.2.2 生态系统服务价值核算方法

利用Costanza等[4]的生态系统服务价值评估模型，计算长江流域安徽段3个时期各景观类型的生态服务价值及生态服务总价值(ESV,式中记为VESV)。

(1)

式中：VESV为研究区生态服务总价值，元；n为景观类型的数量；Ck为第k类景观类型的单位面积生态服务价值系数，元/hm2；Ak为第k类景观类型的面积，hm2。

参照谢高地等[20]对中国陆地生态系统单位面积生态服务价值当量的确定，并结合安徽段景观利用类型，对价值当量表进行修正(表1)，将耕地、林地、草地、裸地的价值当量分别与生态系统类型中农田、森林、草地、荒漠的值相对应。本研究中的湿地包括河渠、湖泊、水库坑塘、滩地，湿地的价值当量取生态系统类型中湿地和水系价值当量的均值；建设用地包括城镇用地、农村居民点、交通用地、工矿企业用地等，对自然生态环境破坏较大，在此只计算生态系统服务的正效用，因此文中不核算建设用地的生态系统服务价值[21]。根据《安徽统计年鉴—2016》得出，2015年研究区平均粮食产量为6 356.5 kg/hm2，根据《2016中国农产品价格调查年鉴》中研究区平均粮食价格为2.495元/kg[22]，以谢高地等[20]的研究成果“1个生态服务价值当量因子的经济价值量等于当年研究区域平均粮食单产市场价值的1/7”为计算依据，得出长江流域安徽段生态服务价值当量因子的经济价值量为2 270.19元/hm2。最后，由“陆地生态系统单位面积生态系统服务价值=当量×单位当量价值”，计算得到安徽段不同景观类型单位面积生态服务价值(表1)。

表1 长江流域安徽段单位面积生态系统服务价值

1.2.3 景观生态风险指数模型及双变量空间自相关模型构建

景观生态风险的大小取决于研究区景观生态系统所受外部干扰强度和内部抵抗能力的大小[23]。基于生态系统的景观格局与生态风险的联系，借鉴已有研究成果[24]，利用景观破碎度指数、景观分离度指数、景观优势度指数、景观干扰度指数、景观脆弱度指数和景观损失度指数构建景观生态风险指数模型。

(2)

式中：IERk为第k个评价小区的景观生态风险指数，Ri为i类景观的景观损失度指数，Aki为第k个评价小区内景观类型i的面积，Ak为第k个评价小区的面积，m为评价小区内景观类型数目，i为耕地、林地、草地、湿地、建设用地和裸地6种景观类型。各参数计算公式及生态意义[20-26]见表2。

表2 景观指数计算方法

空间自相关模型能够反映某种因素在空间位置的相关程度，分为全局空间自相关和局部空间自相关，多采用Moran’sI和Local Moran’sI指数来描述[27-28]。Moran’sI指数计算公式为：

(3)

(4)

本研究依托双变量空间自相关模型，采用Moran散点图和空间联系的局部指标(LISA)进行空间自相关分析，依据空间分布关系划分为高-高聚集(H-H)、高-低聚集(H-L)、低-高聚集(L-H)和低-低聚集(L-L)4个集聚类型区，探究生态系统服务和生态风险的空间相关特征。相关计算利用GeoDa软件完成。

2 结果与分析

2.1 长江流域安徽段生态系统服务价值特征分析

2.1.1 各类及单项生态服务价值变化

1995—2015年，长江流域安徽段的景观类型以耕地和林地为主，在3个时期的面积占比分别在45%和33%以上。近20年，研究区景观类型变化的典型特征是耕地大量减少和建设用地显著增加，其中耕地减少1 209.81 km2，建设用地增加1 184.42 km2，占比由4.34%增至6.12%；林地、草地有所减少，湿地、裸地均有所增加，但变化不明显(表3)。

表3 1995—2015年研究区各景观类型面积及占比

1995—2015年长江流域安徽段生态系统服务价值(ESV)计算结果及变化情况见表4。近20年，由于耕地、林地和草地的减少，研究区总ESV呈减少趋势，减少了1.219 31×109元，变化率为-0.54%。从各景观类型的ESV来看，林地对生态系统服务价值的贡献率最高，3个时期的贡献率均在48%以上，这与林地面积占比较大和林地在调节服务、支持服务中的优势有关，其次为湿地和耕地；1995—2005年，耕地和草地的ESV呈减少趋势，林地和湿地的ESV呈增加趋势，其中耕地和湿地的服务价值变化明显，耕地减少0.694 98×109元、湿地增加0.657 72×109元，变化率分别为-1.40%和1.14%；2005—2015年，耕地、林地、草地的ESV呈减少趋势，其中耕地的减少最多，减少1.202 86×109元，变化率为-2.46%，而湿地的ESV增加了2.933 80×109元。

表4 1995—2015年安徽段不同景观类型及各单项服务功能的ESV及其变化

从生态系统服务价值的功能来看，1995—2015年长江流域安徽段除文化服务的ESV呈增长趋势，供给服务、调节服务和支持服务的ESV均呈减小趋势；在各单项服务中，3个时期水源涵养的功能价值最大，占总ESV的17.9%以上，其次是废物处理、土壤保持、气候调节和生物多样性保护的功能价值，分别占总ESV的17.3%、14.6%、13.4%和11.2%以上，并且除水源涵养和美学景观的ESV有所增加外，其余各单项服务功能的ESV均在减少。总体来看，近20年安徽段的水源涵养功能价值比例最高，并呈增加趋势，增长率为0.27%，说明安徽段湿地景观得到了较好保护，湿地在水源涵养方面起着重要作用，即水源涵养是影响研究区生态服务价值的敏感因子。

2.1.2 评价小区单位面积生态服务价值空间格局

通过计算长江流域安徽段3个时期评价小区单位面积生态系统服务价值，并赋值于评价小区中心点，在ArcGIS 10.2中进行普通克里金插值，再采用自然断点法将其ESV(元)划分为低(0.74×104, 2.27×104]、较低(2.27×104, 2.85×104]、中(2.85×104, 3.85×104]、较高(3.85×104, 5.9×104]、高(5.9×104, ∞)共5个等级，得到研究区3个时期单位面积生态系统服务价值的空间格局分布图(图3A)，并对研究区单位面积生态系统服务价值不同等级的面积变化进行统计(表5)。1995—2015年，长江流域安徽段单位面积生态系统服务价值主要以较高和中两个等级为主，3个时期两个等级面积占比分别在32%和27%以上；较低、中和较高等级的面积占比呈减少趋势，低和高等级的面积占比呈增加趋势；空间上，高ESV主要分布在湿地集中区，即巢湖区域，龙感湖、黄湖、大官湖及泊湖区域，菜子湖区域，石臼湖区域和南漪湖区域，也是安庆沿江湿地和扬子鳄保护地2处湿地生物多样性保护优先区的主要分布区；较高ESV主要分布在林草景观集中区，即安庆西部的大别山区域、皖南山区陆地生物多样性保护优先区、宣城南部山地以及长江沿岸等河湖湿地区域(图3A)。计算可知，1995—2015年，评价小区尺度下的单位面积生态系统服务价值平均值从1995年的3.432 0×104元下降为2015年的3.421 1×104元，变化率为-0.32%，整体上变化不显著，表明在城镇化快速发展的阶段，长江流域安徽段的生态环境得到了较好的保护，但仍有76.45%的评价小区单位面积生态服务价值呈减少趋势。

图3 1995—2015年研究区生态系统服务价值和生态风险空间分布及其LISA聚类

表5 1995—2015年研究区不同等级单位面积生态系统服务价值和生态风险的面积占比及变化

2.2 长江流域安徽段生态风险特征分析

结合研究区实际情况和各评价小区生态风险指数(ERI)所处的范围，借助ArcGIS 10.2的自然断点法将生态风险划分为低(0.034 7, 0.056 0]、较低(0.056 0, 0.076 1]、中(0.076 1, 0.096 8]、较高(0.096 8, 0.123 9]、高(0.123 9, ∞)共5个等级(图3B)，并对研究区2 017个评价小区生态风险不同等级的面积变化进行统计，结果见表5。由图3B和表5可知，研究区以中、较低和低生态风险等级为主，2015年其面积占比分别为29.69%、26.67%和23.46%；低和较低风险区面积占比逐渐减少，较高风险区面积呈先增后减的整体增加趋势，中和高风险区面积占比持续增加，1995—2015年较高和高风险增长率分别为33.32%和85.67%。空间上，较高和高风险区主要分布在巢湖区域及长江沿岸，低和较低风险区集中在大别山区、皖南山区陆地生物多样性保护优先区及宣城南部山地，这些区域以林地和草地景观为主，生态风险较小，也是安徽段重要的自然生态屏障区；中风险区主要分布在滁州、合肥、马鞍山的大部分区域和芜湖、安庆、池州的沿江区域，因为该区域地势平坦，以耕地为主；较高和高等级风险区由集聚分布趋于连片扩张。

计算可知，1995—2015年，长江流域安徽段评价小区尺度下的生态风险平均值分别为0.071 5、0.075 1和0.077 5，呈不断升高趋势；同时，近20年96.78%的评价小区生态风险呈增加趋势，进一步表明安徽段景观生态风险整体上呈上升趋势。

2.3 生态系统服务价值和生态风险的关联性分析

2.3.1 双变量全局空间自相关

采用GeoDa空间分析工具，建立空间权重矩阵，计算1995年、2005年和2015年长江流域安徽段生态系统服务价值和生态风险的双变量空间自相关指数，获得Moran’sI散点图(图4)。由图4可知，1995年、2005年和2015年的全局Moran’sI分别为0.132 8、0.107 3、0.085 7，表明生态系统服务与生态风险存在一定的空间正相关性，但相关性有减弱趋势。

图4 研究区单位面积总生态系统服务价值与生态风险的Moran散点

2.3.2 双变量局部空间自相关

局部空间自相关(LISA)聚类图是对散点图中通过了显著性检验的区域单元的地理表达[26]。LISA分析结果如图3C所示，生态系统服务价值与生态风险关联性显著区域主要分布在巢湖区域、长江沿岸、大别山区域、安庆沿江湿地和扬子鳄保护地2处湿地生物多样性保护优先区、皖南山区陆地生物多样性保护优先区，分为高价值-高风险(H-H)、低价值-低风险(L-L)、低价值-高风险(L-H)、高价值-低风险(H-L)和不显著(N-S)5种模式。

H-H区代表研究区单位面积生态系统服务价值高，同时生态风险等级高的区域。计算可知，H-H区在1995年、2005年和2015年的面积比例分别为7.47%、7.72% 和7.57%，呈先增加后减少但整体增加的趋势，主要分布在长江干流10 km范围区域(与长江呈平行态势)及巢湖区域，具体为安庆沿江湿地生物多样性保护优先区、升金湖国家级自然保护区、铜陵淡水豚国家级自然保护区和巢湖国家级风景名胜区等区域。上述区域均涵盖面积较大、能够提供高价值生态系统服务的湿地，但湿地面临破碎化、面积萎缩(尤其是天然湿地)、被耕地及建设用地侵占的高生态风险；同时，由于长江干流区生态环境脆弱，如安庆、池州、铜陵紧邻长江干流区域洪涝、滑坡等地质灾害频发[18]，生态风险较高，因此必须加强对湿地生态景观的保护与持续重视。L-L区代表单位面积生态系统服务价值低，生态风险也低的区域。计算可知，L-L区在3个时期的面积比例分别为1.68%、1.73%和1.48%，整体呈减少趋势但变化不明显；主要零散分布在皖南山区和大别山区中的耕地区域，耕地的生态系统服务价值贡献率变化不大，同时，由于人类活动对耕地景观的改造，使其处于相对稳定状态，生态风险相对较低。L-H区代表研究区单位面积生态系统服务价值较低而生态风险较高的区域。计算可知，L-H区的面积比例由1995年的3.61%增加为2015年的4.65%，分布在H-H区的外围紧邻区，即巢湖区域西北部的合肥市市区和长江干流区域的安庆市市区、铜陵市市区、芜湖市市区、马鞍山市市区，上述区域均以建设用地为主，因此生态服务价值相对较低而生态风险较高。H-L区代表研究区单位面积生态系统服务价值较高，而生态风险较低的区域。计算可知，H-L区的面积比例由1995年的19.74%增加为2015年的20.98%，主要分布在大别山区和皖南山区，得益于2007年《国家重点生态功能保护区规划纲要》的颁布、地方政府关于生态环境政策的出台与相应措施的落实，促进了大别山区和皖南山区的生态保护与修复，使区域生态服务价值升高、生态风险降低。

3 讨 论

1995—2015年，长江流域安徽段总ESV不断减少，变化率为-0.54%；林地对ESV的贡献率最高，3个时期的贡献率均在48%以上，其次为湿地和耕地；各单项服务功能中水源涵养和美学景观的ESV有所增加，其余各服务功能的ESV均在减少，并且水源涵养的功能价值最大，是影响区域生态服务价值的敏感因子；研究区ESV等级以较高和中等为主，评价小区尺度下的单位面积ESV呈减少趋势。

1995—2015年，长江流域安徽段景观生态风险整体上呈增长趋势；研究区以中、较低和低生态风险等级为主，但较高和高风险等级增长率分别为33.32%和85.67%；空间上，较高和高风险区主要分布在巢湖区域及长江沿岸区域，并由集聚分布趋于连片扩张；评价小区尺度下的生态风险平均值呈不断升高趋势。

1995—2015年，长江流域安徽段评价小区单位面积总ESV与景观生态风险之间存在空间正相关性，主要关系为高价值-高风险相关和高价值-低风险相关；并且，高价值-高风险区和高价值-低风险区均呈增加趋势，分别主要分布在长江干流、巢湖区域和皖南山区、皖西大别山区。

研究结果可为长江流域安徽段生态系统服务价值提高、生态风险防范、景观生态管理和沿江生态环境保护提供一定依据，也可为跨江区域的生态安全研究提供一定参考。

生态系统服务价值评估和景观生态风险评估的有机结合，更有助于区域生态环境保护决策的制定与实施[11, 16]。皖南山区和大别山区域是高价值-低风险区的主要集聚区，以林地、草地景观为主，对研究区生态系统服务价值贡献率较大，尤其在调节服务和支持服务方面占主导优势，是长江三角洲区域一体化高质量发展的生态大屏障，对维持安徽段乃至长江流域和长江经济带的生态系统稳定起着重要支撑作用，因此必须加强对该区域林草生态系统的保护与修复力度，着力构建皖南山区和皖西大别山区两大生态安全屏障。生态风险指数对生态系统服务价值变化具有一定的预示作用，高生态风险区域代表着未来该区域生态系统服务价值最可能呈现减小态势[3, 11]。长江干流区域以及巢湖区域是高价值-高风险区的主要集聚区，既是研究区生态系统服务的主要供给区之一，又是生态风险高危区，要特别注重此类区域生态环境保护和生态安全建设的质量。因此，在保护与修复皖南山区和大别山区林草生态系统的同时必须高度重视安徽段湿地景观资源的保护与管控；应以国家公园和生态文明建设为契机，依托区域内的自然保护地、湿地与陆地生物多样性保护优先区，加强对林、草、湿地生态系统的保护管理质量和对建设用地扩张的管控力度，进一步优化区域景观格局和构建生态安全格局。

此次研究采用单位面积总生态系统服务价值进行空间可视化，反映了总生态系统服务价值的时空分布特征，受篇幅限制，本研究中笔者未深入探讨各单项生态系统服务价值的时空分布特征及其与生态风险在数量变化和空间分布的关联性。以双变量空间自相关分析揭示了长江流域安徽段生态系统服务价值和生态风险之间具有空间正相关关系，可为区域景观布局和生态安全提供一定参考，但由于长江对沿江两岸的辐射效应存在差异，以及不同沿江城市经济发展状况和自然资源禀赋不同，可能影响安徽段生态系统服务价值和景观生态风险的空间分布，在今后的研究中应深入探讨。此外，研究区内有多处自然保护地和生物多样性保护优先区，未来还需进一步探讨保护地和保护优先区对区域生态系统服务价值和生态风险影响的机制。