洛阳市生态系统服务功能价值量化及空间分异研究

管新建，石悸锋，孟 钰，符育文

（郑州大学水利与交通学院，河南郑州 450001）

生态系统服务功能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［1］。 城镇化的快速推进导致区域气候、生物多样性、生态循环过程等发生了巨大变化，并引发了水土流失、土壤污染、动植物数量急剧减少等生态环境问题。近年来许多学者对生态系统服务功能价值开展了广泛研究，包括全球、国家、流域及地区等尺度［2-4］。 国内大多采用当量因子法计算整个复合生态系统服务功能的价值［5-7］，忽略了地区间的差异，以及采用经济学方法对单个类型生态系统［8-10］的单项［11-12］或多项［13］生态系统服务功能价值进行量化评估，对区域整体生态系统服务功能价值的评估较少。 开展区域整体生态系统服务功能价值研究能够有效提高人们保护环境的意识，并且可以为区域生态系统的协调管理提供理论依据，推进生态文明建设。

空间自相关分析方法作为进行地理分析的常用方法，主要用于城市发展、规划和管理影响的定性评价，评价水资源的空间分布特征以及区域生态系统脆弱性分布和聚集特征等［14-15］。 采用空间自相关分析方法研究生态系统服务功能价值的空间分布特征，分析其空间相关性和聚合特征，可以为管理者提供决策依据。

1 研究区概况

洛阳市位于河南省西部，地处华北地台与秦岭褶皱系交界处，横跨两个一级大地构造单元，由此决定了洛阳市地形、地貌复杂，类型多样。 洛阳市面积15 066 km2，辖7 县（新安县、宜阳县、伊川县、汝阳县、嵩县、栾川县、洛宁县）、7 区（涧西区、西工区、老城区、洛龙区、孟津区、偃师区、瀍河区），总人口717 万人，气候属于暖温带大陆性季风气候。 洛阳市具有较为丰富的森林资源，高等植物种类繁多，森林覆盖率达47%，主要集中在西部和西南部地区。 洛阳市水资源丰富，北部有黄河流域，洛河、伊河、涧河由西南向东北在市区交汇，还有陆浑水库和故县水库等。 本文研究时间为2019 年，因此行政区划采用2019 年的行政区划，其中偃师市为现在的偃师区，现在的孟津区由原孟津县和吉利区合并而成，同时考虑到涧西区、西工区、老城区、瀍河区面积较小且位置集中，均为洛阳市核心发展区域，因此并为主城区进行研究。

2 研究方法

2.1 生态系统服务功能价值量化

1）生态系统服务功能分类。 目前生态系统服务功能分类大多采用联合国千年生态系统评估中提出的分类方法，将其分为供给、调节、支撑及文化功能四大类。 根据该分类方法，结合不同生态系统的差异性，辨识森林、草地、水域生态系统服务类别，见图1（图中√表示具备该类生态服务）。 供给功能指生态系统直接为人类生活及生产提供各种产品及资源。 森林能够为人类提供木材、食物及药材等，草地能够为人类提供肉、蛋、奶等食物，水域在提供鱼类产品的同时为人类生活、生产提供淡水资源等，因此选取产品提供、水资源供给等指标评价生态系统服务供给功能的价值。 调节功能指人类从生态系统的调节作用发挥过程中获得的收益。 空气质量调节即森林、草地生态系统通过吸收空气中的污染物等调节空气质量；气体调节指植物通过光合作用固定CO2、释放O2；水分调节指森林和草地通过植被截流等减小径流量、蓄积水分；水域生态系统通过水库及河道等进行水量调蓄，同时通过水体自净作用改善水质；气候调节指水域生态系统通过水面蒸发吸收热量，起到区域调温增湿的作用；废弃物降解指草地等生态系统中微生物分解家畜粪便等释放营养物质。 因此，选取净化空气、固碳释氧、涵养水源、水资源调蓄、水质净化、气候调节、废弃物降解等指标评价生态系统服务调节功能的价值。 支撑功能指生态系统所形成的支撑发展的条件与效用。 土壤形成即森林和草地生态系统通过植被覆盖减少土壤侵蚀、保持土壤肥力；初级生产指陆生及水生植物通过光合作用吸收CO2并制造有机物的能力，因与固碳释氧指标重复而舍弃该指标；营养循环即生态系统内部与系统之间循环、运输、积累营养物质；生活质量改善指水域生态系统为城市生态环境如绿地、园林、喷泉等基础建设提供水源，从而维持并改善城市生态环境和人们生活质量的作用。 因此，选取土壤保持、营养物质循环、生活质量改善等指标评价生态系统服务支撑功能的价值。文化功能指生态系统的美学、文化和教育等方面的非物质效益，常选取科学研究、休闲娱乐功能等指标评价生态系统服务文化功能的价值。

图1 生态系统服务辨识

2）评价指标与量化方法。 综合考虑生态系统服务类型、功能特征、数据的可获取性等因素，选取森林生态系统供给功能（林业产品提供）、调节功能（涵养水源、固碳释氧、净化空气）、支撑功能（土壤保持、营养物质循环）、文化功能（休闲娱乐）7 项功能指标，草地生态系统供给功能（牧业产品提供）、调节功能（涵养水源、净化空气、固碳释氧、废弃物降解）、支撑功能（土壤保持、营养物质循环）、文化功能（休闲娱乐）8项功能指标，水域生态系统供给功能（水产品提供、水资源供给）、调节功能（气候调节、水资源调蓄、水质净化、固碳释氧）、支撑功能（营养物质循环、生活质量改善）、文化功能（科学研究、休闲娱乐）10 项功能指标，采用经济学方法对区域生态系统服务功能价值进行量化分析，其指标计算方法见表1。

表1 生态系统服务功能价值计算方法［8，10，16-17］

2.2 空间自相关分析

空间自相关分为全局空间自相关和局部空间自相关，全局空间自相关可以探究整个研究区域变量之间的相关性，局部空间自相关可以研究某一区域与邻近区域对某属性值的集聚程度，检验局部区域的空间关联性和空间异质性。 当全局空间自相关分析结果呈现出较强的空间正相关时，可以进一步进行局部空间自相关分析。 单变量空间自相关分析描述的是空间某一要素同一指标的空间关系，双变量空间自相关分析描述的是某一要素的一个属性与另一个属性的空间关系［18］。

一般采用Moran’s I 指数（莫兰指数）来描述空间相关性，单变量莫兰指数包括单变量全局莫兰指数和单变量局部莫兰指数，计算公式为

式中：I、Ii分别为单变量全局莫兰指数和单变量局部莫兰指数，Ui、Uj分别为空间单元i、j变量的观测值，UM为Ui的均值，S为Ui的协方差，n为研究对象的数量，wi，j为研究对象之间的空间连接矩阵W中的元素。

双变量莫兰指数包括双变量全局莫兰指数和双变量局部莫兰指数。 双变量全局莫兰指数计算公式［19］：

式中：Id为双变量全局莫兰指数，pi、qj分别为空间单元i、j的变量p、q的观测值，pp、qq分别为观测值pi、qj的均值，σp、σq分别为观测值pi、qj的方差，w'i，j为pi、qj之间的空间连接矩阵W'中的元素。

然而，在大多数情况下，这种强硬的策略可能并不是必要的。在一些国家，自由选择和自由投票的表象可能仍然存在，甚至公众所受的实际控制越来越少。诚然，操纵选民情绪的企图并不新鲜。但是，一旦有人获得了操控人类内心的技术能力，民主政治就会演变成一场情绪化的木偶剧。

莫兰指数大于0 表示空间正相关，值越大，空间相关性越明显；莫兰指数小于0 表示空间负相关，值越小，空间差异性越大；莫兰指数等于0 表示空间不相关，呈现随机性。 当呈现较强的正相关性时可以进一步分析其集聚特征，通常采用LISA 指数即局部莫兰指数来衡量空间单元属性和周围单元的相近和相异程度，通过绘制LISA 聚类图可以更加清晰表明各研究对象的聚类特征，主要有高-高、高-低、低-高、低-低、不显著几种情况，根据其不同聚类特征对空间内各单元进行分析。

3 结果分析

3.1 生态系统服务功能价值构成分析

1）森林生态系统。 根据各生态系统服务功能价值计算方法，计算2019 年洛阳市森林生态系统服务功能价值，结果见表2。 2019 年洛阳市森林生态系统服务功能价值为419.79 亿元，各指标价值排序为固碳释氧＞涵养水源＞土壤保持＞净化空气＞产品供给＞营养物质循环＞休闲娱乐。 供给功能、调节功能、支撑功能、文化功能价值占比分别为3.94%、80.24%、15.54%、0.28%。 调节功能价值远高于其他功能的，其中固碳释氧和涵养水源的贡献较为突出，表明森林对区域气体调节以及水资源调节具有重要作用。 文化功能价值占比较低，说明森林生态系统为人类提供休憩娱乐等有待进一步挖掘。 洛阳市西南部栾川县和嵩县森林生态系统服务价值较高，而主城区、孟津县、洛龙区的价值较低，这与洛阳市森林分布情况相吻合，后续应加大主城区、孟津县、洛龙区植树造林的力度，合理配置森林资源，缓解生态压力，促进区域可持续发展。

表2 2019 年洛阳市森林生态系统服务功能价值亿元

2）草地生态系统。 2019 年洛阳市草地生态系统服务功能价值见表3。 2019 年洛阳市草地生态系统服务功能价值为64.68 亿元，各指标价值排序为固碳释氧＞土壤保持＞净化空气＞产品提供＞涵养水源＞营养物质循环＞休闲娱乐＞废弃物降解。 供给功能、调节功能、支撑功能、文化功能价值占比分别为8.57%、62.13%、28.08%、1.22%。 调节功能价值占比最大，其中净化空气和固碳释氧贡献较大，废弃物降解价值较低。 洛阳市西部洛宁县草地生态系统服务功能价值最高，中部新安县、宜阳县和嵩县价值较高，主城区、洛龙区价值最低。 应合理增加主城区草地覆盖面积，改善地区环境，保持并改进洛宁县等草地分布结构，增强其稳定性和韧性。

表3 2019 年洛阳市草地生态系统服务功能价值亿元

3）水域生态系统。 2019 年洛阳市水域生态系统服务功能价值见表4。 2019 年洛阳市水域生态系统服务功能总价值为1 033.25 亿元，各指标价值排序为气候调节＞休闲娱乐＞水资源调蓄＞水资源供给＞生活质量改善＞水产品供给＞水质净化＞科学研究＞营养物质循环＞固碳释氧。 供给功能、调节功能、支撑功能、文化功能价值占比分别为4.02%、78.10%、0.63%、17.25%。 调节功能价值占比较大，其中气候调节的价值远高于其他指标的，说明水生态系统在调温增湿上起着巨大作用，对城市小气候的形成具有重要影响。洛阳市北部新安县、孟津县和南部嵩县水域生态系统服务价值较高，而栾川县、伊川县、洛龙区和偃师市的价值稍低。 价值差异与气候调节功能相关，而气候调节功能价值主要与水域范围及水量有关，新安县和孟津县有小浪底水库和西霞院水库，嵩县建有陆浑水库，水资源较为充沛，且水库有较好的调蓄作用，因此水域生态系统价值较高。

表4 2019 年洛阳市水域生态系统服务功能价值亿元

4）生态系统服务功能构成及分布。 2019 年洛阳市生态系统服务功能价值为1 517.72 亿元，其分布情况见图2。

图2 2019 年洛阳市生态系统服务功能价值分布情况

森林、草地、水域生态系统服务功能价值占比分别为27.66%、4.26%、68.08%。 洛阳市嵩县生态系统服务功能价值最高，洛宁县、栾川县、孟津县和新安县的也较高，而主城区、偃师市和伊川县生态系统服务价值较低。 城镇化加速了中心城市生态系统服务功能的衰退［20］，主城区经济发展迅速，但土地利用结构不合理，因此生态系统服务功能价值低。 水域面积最小，但水域生态系统服务价值占比最大，且价值系数即单位面积水域生态系统服务功能价值远高于森林和草地的，因此应加强对水生态的管理和保护，同时应对绿化覆盖面积较低的主城区等进行合理规划，使生态与经济发展相协调。

3.2 空间自相关分析

通过Geoda 软件对不同生态系统类型的服务功能价值进行单变量空间自相关分析，得到莫兰指数散点图见图3。

图3 2019 年洛阳市生态系统服务功能价值莫兰指数散点图

洛阳市森林生态系统服务功能价值全局莫兰指数为0.518，为强空间正相关；草地生态系统服务功能价值全局莫兰指数为0.023，草地覆盖面积较小，分布较为离散，为较弱的空间正相关；水域生态系统服务功能价值全局莫兰指数为-0.152，为负相关，说明水域生态系统服务功能价值在行政区之间离散特征较为明显，空间差异性较强［21］。 洛阳市生态系统服务功能总价值全局莫兰指数为0.194，为正相关。

进一步对森林生态系统和整体生态系统服务功能价值进行单变量局部空间自相关分析，绘制LISA 聚类图，见图4。 从图4 可以看出，洛宁县、栾川县、嵩县森林生态系统服务功能价值为高-高聚集，新安县、孟津县、主城区、洛龙区、偃师市为低-低聚集。 高-高聚集区应丰富林木物种以及扩大森林覆盖范围，使生态系统更加稳定；低-低聚集区需要进行植树造林，增大森林覆盖面积，使生态系统更完整有效地为人类提供各项服务。 栾川县整体生态系统服务功能总价值为高-高聚集，洛龙区为低-低聚集，其他区域聚集程度不显著，这显示出区域整体生态系统服务功能的差异性。对于高-高聚集区的后续发展需要在目前的发展策略基础上保持稳中求进，以巩固已有的服务功能价值为管理目标。 低-低聚集区需要对整体生态系统管理的方案进行改进，寻找与区域更为匹配的发展战略［22］，提升区域生态系统服务功能价值。 同时需要改善草地结构，增强区域间水资源的调控和管理。

图4 2019 年洛阳市生态系统服务功能价值LISA 聚类图

通过GeoDa 软件，采用双变量自相关分析方法对不同类型生态系统之间服务功能价值的相关性进行分析，计算得到：森林生态系统服务功能价值与草地、水域生态系统服务功能价值之间的莫兰指数分别为0.340、-0.043，草地生态系统服务功能价值与森林、水域生态系统服务功能价值之间的莫兰指数分别为0.525、-0.173，水域生态系统服务功能价值与森林、草地生态系统服务功能价值之间的莫兰指数分别为0.167、-0.094。 森林生态系统与草地生态系统之间服务功能价值相互影响，为较强的空间正相关关系；水域生态系统服务功能价值与森林生态系统服务功能价值为一定程度空间正相关关系，与草地生态系统服务功能价值的相关性较弱，同时水域生态系统服务功能价值的空间差异性较大，水域生态系统对森林和草地生态系统服务功能价值的影响较小。

目前区域发展越来越注重生态环境保护，提高草地覆盖率相对于提高森林覆盖率更加容易，但森林的生态效益更强，因此需要提高城市森林覆盖率。 森林和草地生态系统呈现较强的空间相关性，说明在同一区域草地和森林生态系统在提供生态系统服务时具有互相促进作用，与完全的草地分布相比，区域内一定林地分布能够使草地生态系统为人类提供更多的服务价值，因此可以增加森林和草地的复合生态系统来提高城市绿化质量，促进生态系统协调健康发展。 针对水域生态系统的空间差异性，要加强水生态的维护，注重水资源的合理配置和调控，缓解水资源地区分布不平衡问题。

4 结论

对洛阳市2019 年生态系统服务功能价值进行量化，通过空间自相关分析发现，生态系统能够为人类带来巨大的经济效益，其中水域生态系统价值系数最高，但地区差异性较大，因此需要重视水资源保护以及水资源地区间的调控；森林生态系统比草地生态系统的经济效益更显著，且两者在空间上具有一定集聚特征，可以根据呈现出的聚集特征调整各行政区发展策略。同时森林和草地生态系统服务功能价值具有较强的空间正相关性，能够为城市绿化规划中森林、草地的分布设计提供一些新思考。