2000-2020年山西省宁武县生态系统服务价值时空动态研究

王 茹,张先平*,张晓玲,张抗萍,郝凯婕,李晓迪

(1.太原学院 园林科研所,山西 太原 030032;2.山西省林业和草原科学研究院,山西 太原 030012;3.山西林业职业技术学院 林学系,山西 太原 030009)

随着社会经济的快速发展,城镇化已经成为改变全球生态空间的主要驱动因素,生态空间与结构的改变通常使自然生态系统转变为人工或半人工生态系统,生态空间的改变直接影响区域生态系统服务功能,同时加剧了自然生态、社会生态与经济生态三者之间的矛盾[1]。生态系统的供给、调节、支持和文化生态服务功能是人类赖以生存与可持续发展的基础[2]。面对全球生态系统出现的多种问题,我国将生态文明建设上升为国家战略,生态保护修复相关理论与实践研究也成为关注的热点[3]。开展区域生态系统服务价值(ecosystem services value,ESV)评估也成为维护生物多样性[4]、构建区域生态安全格局[5]的重要组成内容。

生态系统服务价值评估是通过货币的形式量化生态效益[6-7],直观反映研究区域生态现状的优劣及其变化特征[8]。目前,国内外学者对ESV的估算方法分为2类:一类是单位面积服务价值功能价格法,该方法涉及的参数多且标准难统一,计算过程也较为复杂[9];另一类是基于单位面积价值当量因子法[10],该方法直观易用,适用于大尺度生态系统服务价值评估。在以往的研究中,ESV评估指标体系与方法被广泛应用于不同尺度行政区域[11-12]、城市群[13]、生态系统类型[14-15]、地貌[16-17]、流域[18]、职能城市[19]的ESV估算。

宁武县既是煤炭等矿产资源储量丰富的县区,也是汾河的发源地,同时又是山西省“山水林田湖草”生态保护修复工程的试点区,对其开展生态系统服务价值时空动态研究,可以揭示近年来生态保护修复相关工作成效,进一步准确识别生态修复空间,对推进构建“山水林田湖草”一体化的生态安全格局具有重要的战略意义和科学价值。

1 研究区概况

宁武县(111°50′-112°37′E、38°31′-39°8′N),隶属于山西省忻州市,位于吕梁山脉北端,总面积为1 987.7 km2,管辖范围共包含4个镇、10个乡(图1)。宁武县属温带大陆性气候,山区多雨,其他地区雨量偏少。区内多山,平均海拔约2 000 m,地势中部较低,东西两侧较高。地带性植被为暖温带落叶阔叶林,中高山区为以华北落叶松和云杉为优势种的寒温性针叶林[20-21]。

图1 宁武县在山西的位置

2 材料与方法

基于谢高地等[10]单位面积价值当量因子法,整合统计宁武县5期(2000、2005、2010、2015、2020年)土地覆被面积,根据公式计算宁武县ESV,并从时空2个维度分析其变化特征,揭示其主要影响因素。

(1)

(2)

式中,ESV为宁武县一期生态系统服务价值;ESVj为j类土地覆被类型生态系统服务价值;Mj为j类土地覆被类型面积(hm2);Kij为j类土地覆被类型i种生态系统服务单位价值。

2.1 数据来源与处理

原始数据分为土地覆被类型、高程(DEM)数据、气象数据、社会经济统计数据4部分。5期土地覆被类型数据来源于地球大数据科学工程数据共享服务系统、国家基础地理信息中心全球地表覆盖数据产品服务网站(DOI:10.11769)以及欧洲太空署全球陆地覆盖数据,整合为100 m精度土地覆被类型,分为6个一级地类和10个二级地类(图2)。DEM数据来源于地理空间数据云ASTER GDEM 30 m分辨率数字高程数据。气象数据来源于美国国家海洋和大气管理局。社会经济统计数据来源于《中国粮食年鉴》《全国农产品成本收益资料汇编》《山西省统计年鉴》和中国科学院资源环境科学与数据中心。

图2 研究区示意图(2020年土地覆被类型数据)

2.2 ESV单位面积价值当量因子法

依据千年生态系统评估的方法,将生态系统服务分为供给服务、调节服务、支持服务和文化服务4大类,11小类。采用谢高地等[10]的方法,将1 hm2农田生态系统粮食作物生产的净利润作为1个标准当量因子的生态系统服务价值量。根据2000、2005、2010、2015年4期山西省小麦、玉米和大豆三大粮食主产物相应统计资料以及全国农产品成本收益情况,计算不同时期1个标准当量因子的生态系统服务价值量,取4期均值[8],即1 022.06元·hm-2。在此基础上,根据谢高地等[10]2015年改进后的单位面积生态系统服务价值当量表与宁武县地类整合情况,计算宁武县不同类型生态系统单位面积ESV(表1)。

2.3 空间自相关与热点分析方法

利用ArcGIS 10.5软件Global Moran'sI和Getis-Ord Gi*命令进行宁武县ESV空间变化特征分析。Global Moran'sI[22]指数主要用于分析要素值的整体空间自相关性,指数范围为[-1,1],指数值为正则指示聚集趋势,指数值为负则指示离散趋势。在研究中能够判别宁武县ESV空间变化聚集或离散特征。Getis-Ord Gi*用于分析要素值的空间聚集程度,在研究中用来识别ESV变化值在空间上增加或是减少密集区[22],热点区表示空间上ESV增加的聚集区,冷点区表示空间上ESV减少的聚集区。

2.4 Pearson相关系数分析法

Pearson相关系数是度量两变量之间线性相关程度的方法,相关性系数为[-1,1]。通过Pearson相关系数分析不同社会、自然要素与宁武县ESV之间的相关程度[8]。

3 结果与分析

3.1 2000-2020年间宁武县ESV时间变化规律

3.1.1 宁武县5期年均ESV 宁武县5期的年均ESV为169 032.41万元。20 a间一级生态系统服务均值中(图3),调节服务ESV最高,达到107 555.38万元,文化服务ESV最低,为7 819.28万元。二级生态系统服务中(图4),气候调节ESV最高,为43 695万元;维持养分循环ESV最低,为1 776.87万元。

图3 宁武县2000-2020年一级生态系统服务类型年均ESV

3.1.2 宁武县5期ESV年际动态 从宁武县5期ESV总值年际变化来看,宁武县ESV总值呈现下降-上升-下降-上升的波动性变化(图5)。2005-2010年,宁武县ESV总值变化幅度最小,虽呈现上升趋势,但上升幅度仅为0.92%,2015-2020年宁武县ESV总值变化幅度最大,上升幅度达到19.35%;2020年ESV比2000年增加了5.80%。

图5 宁武县5期ESV总值动态

宁武县一级ESV 5期的变化趋势一致(图6),其中,变化幅度最大的是2010-2015年,供给服务的ESV下降32.87%。宁武县11类二级ESV5期年际变化(图7):2000-2005年11类ESV都呈下降趋势,其中水资源供给下降幅度最大,为5.77%。2005-2010年,宁武县11类二级ESV都呈现上升趋势,上升幅度都在1.8%以内。2010-2015年,宁武县11类二级生态服务系统都呈下降趋势,其中食物生产减幅最大,为54.08%;水资源供给减幅最小,几乎为0。2015-2020年,宁武县11类二级ESV全面呈现上升趋势。

图6 宁武县2000-2020年一级生态系统服务类型ESV年际变化率

图7 宁武县2000-2020年二级生态系统服务类型ESV年际变化率

3.2 2000-2020年间宁武县ESV空间变化规律

3.2.1 宁武县14个乡镇20 a ESV变化情况 14个乡镇中,涔山乡年均ESV最高,为30 484.26万元;石家庄镇年均ESV最低,为4 090.24万元(表2)。研究初期与末期ESV对比,石家庄镇ESV下降幅度最大,为25.73%;迭台寺乡上升幅度最大,为45.42%。14个乡镇5期ESV都呈现波动变化,其中2015-2020年都为上升趋势,除阳方口镇外(上升1.8%),涨幅都超过10%。凤凰镇是唯一2005-2020年呈现3期连续增长趋势的地区,石家庄镇是唯一2000-2015年3期呈现连续下降趋势的地区。

表2 14个乡镇5期ESV变化情况

3.2.2 宁武县14个乡镇20年ESV值空间分布格局 通过ArcGIS 10.5软件生成1.2 km×1.2 km网格,基于网格分析宁武县ESV高低值的具体空间方位(图8)。5期宁武县ESV空间分布特征较为一致:ESV高值集中在涔山乡全境,东寨镇中部及西部、西马坊乡中部及西部、新堡乡西部、化北屯乡西部以及薛家洼乡中部和东南部。ESV低值集中在东寨镇东部、西马坊乡东部、新堡乡东部、石家庄镇全境、阳方口镇全境、凤凰镇中部、化北屯乡东部和中部、东马坊乡东部和南部。

图8 宁武县2000-2020年ESV空间分布

3.2.3 宁武县14个乡镇20 a ESV变化冷热点空间分布 利用ArcGIS 10.5软件Global Moran'sI命令对2000-2005、2005-2010、2010-2015、2015-2020、2000-2020年5期的研究区ESV空间变化值分布特征进行分析。5期ESV变化的Global Moran'sI指数均>0.5,说明宁武县ESV在空间上增减值呈现空间聚集分布格局。利用ArcGIS 10.5软件Getis-Ord Gi*命令对研究区每2期ESV空间变化进行分析(图9)。2000-2005年研究区ESV变化以冷点区为主,占研究区总面积的6.53%,主要集中于阳方口镇中部、凤凰镇中部以及石家庄镇。2005-2010年ESV变化以热点区为主,占研究区总面积的5.92%。2010-2015年ESV变化冷点区占比较大,为13.19%,主要集中在涔山乡西部、中部以及东寨镇、西马坊乡与化北屯乡3个乡镇交界处。2015-2020年ESV变化热点区占比较大,为14.03%,主要集中在涔山乡西部及北部、化北屯乡东北部、东寨镇与化北屯乡交界处。2000-2020年研究初末2期ESV变化冷点区、热点区占比较平均,分别占研究区总面积的10.14%、9.30%。冷点区分布更为集中,主要在凤凰镇与阳方口镇交界、石家庄镇。

热点区表示ESV增加聚集区;冷点区表示ESV较少聚集区

3.3 ESV变化影响因素分析

通过相关性分析,探析各类土地覆被类型对宁武县ESV影响程度,并选取了人口密度、GDP 2个社会因素以及DEM、坡度、气温、降水4个自然因素与ESV总值、4个一级生态系统服务类型ESV进行相关程度分析。针叶林在宁武县生态系统服务价值中起着不可替代的作用,针叶林ESV与宁武县ESV总值及4类一级生态系统服务类型ESV的相关度最高,都>0.8。人口密度、GDP 2个社会因素与ESV都呈负相关,但相关性较小。在一定程度上,GDP增加、人口增长会增加城镇建设面积,建设面积的增加会降低ESV。宁武县20 a内人口增加并不明显,所以对ESV总值产生影响较小。DEM、坡度、降水与ESV呈明显正相关。DEM越高、坡度越陡,ESV越高,两者对人类活动内容、范围与强度有较大限制影响,DEM、坡度高值区其土地覆被类型是单位面积ESV较高的针叶与阔叶林地;单位面积ESV较低的裸地分布在DEM、坡度低值区。4期降水量为宁武县正常年份降水量,在此范围内降水量高有利于植被生长,进而提升ESV。气温与宁武县ESV呈明显负相关,气温变化能够影响植被长势进而影响其覆盖程度,宁武县林地类型中寒温性针叶林占比较大(除2020年),温度持续升高会影响寒温性针叶林生长。

4 讨论

4.1 宁武县近20 a ESV时间变化规律

从县域整体ESV在研究时段的变化趋势看,2000-2015年前3段是呈下降趋势的,2010年略有上升,但幅度不大,2020年整体大幅度提升。2020年ESV提升的原因是4类一级生态服务功能都有较大幅度增加,按照贡献大小排序为调节服务(20.23%)>文化服务(18.63%)>支持服务(18.36%)>供给服务(14.56%),究其原因宁武县“十三五”期间实施了多项生态治理工程,延续退耕还林、天然林保护、三北防护林以及省级造林绿化工程,并大力推行汾河中上游山水林田湖草生态修复试点工程,取得显著成效。表明多项生态修复工程的实施,使得宁武县整体生态调节服务功能如水文调节、气候调节功能大幅提升;由于旅游业的快速发展,研究区域文化服务功能也快速增强;而土壤保持、维持养分循环和生物多样性等表征生态系统支持服务功能的价值也在提升;对于供给服务中二级ESV的增加排序为原料生产(18.26%)>水资源供给(15.81%)>粮食生产(7.60%),表明宁武县作为汾河发源地,其水资源供给能力还有较大提升空间,该区域尚需加大矿产资源开采整治力度,减少对地下水资源的破坏和浪费;继续提升县域森林覆盖面积和森林质量,从而增强其水源涵养服务功能。2015年之前宁武县整体生态服务功能是呈下降趋势的,且2015下降幅度较大,究其原因,“十二五”期间退耕还林(草)工程和天然林保护工程的实施,导致粮食生产(-54.08%)、原料生产(-24.74%)减少,且在各类生态工程实施的初期,其生态系统结构尚不完善,相应的调节和支持服务功能也较弱。2000-2020年宁武县ESV变化趋势、各期ESV评估数据量级与康晓云[23]、高婧等[24]、陈美娟等[25]的研究结果一致,但同一研究时期评估的结果存在差异。说明在研究过程中单位面积价值当量应用不一致、土地覆被类型解译偏差、土地覆被类型整合数据不一致对ESV变化趋势影响较小,对具体数值有影响。

4.2 宁武县近20 a ESV空间变化规律

从宁武县14个乡镇近20 a的ESV均值来看,总体比较高的是涔山乡,大小顺序为涔山乡(30 484.26万)>东寨镇(24 008.22万元)>西马坊乡(18 204.38万元)>化北屯乡(12 592.95万元)>薛家洼乡(11 867.39万元),前4个乡镇位于县域西南方向,基本处于管涔山山脉海拔较高的山区,薛家洼镇位于县域东北方向的山区,且这5个乡镇的国土面积相对较大;而ESV比较低的乡镇是石家庄镇,大小顺序为石家庄镇(4 090.24万元)<圪廖乡(4 583.42万元)<阳方口镇(5 372.90万元),这3个乡镇位于县域平缓的区域,且国土面积较小。国土面积较大、ESV居中的是凤凰镇、余庄乡,这2个乡镇位于恢河流域,地势平坦,人口密度相对较大,生态修复难度较大。生态修复空间较大的乡镇是东马坊乡、怀道乡和迭台寺乡。

县域内14个乡镇20 a的ESV分布格局整体上呈聚集分布,高值主要集中在管涔山脉西侧,这是县域乃至汾河的重要生态屏障,对于构建县域乃至汾河源头生态安全格局具有重要价值,应加强保护和生态修复;低值分布在汾河下游和恢河流域,是主要的生活和生产空间,应适度控制。研究时段内ESV变化冷热点空间分布显示,4个时段的热点区呈稳步增加的趋势,表明各类生态修复工程的生态系统服务功能正在逐渐提升。

4.3 ESV影响因素分析

宁武县ESV分别与土地覆被类型、4个自然因素和2个社会因素进行相关性分析,结果显示针叶林与其相关性较高(相关系数0.924),其次是灌木(相关系数0.540)和灌草(相关系数0.539);4个自然因素中,坡度、降水及高程与ESV呈显著正相关,气温呈显著负相关;2个社会因素(人口密度与GDP)与ESV呈负相关,但不显著。这意味着宁武县域内针叶林的质量与面积对提升整体ESV意义重大,灌木、灌草植被及湿地等也对提升整体ESV起重要作用。自然因素中高程、坡度与ESV值的相关性表明,高海拔、陡坡地段限制了土地利用方式和人类活动强度,保护了生态系统,提升其生态服务功能;降水与温度影响植被生产力,进而影响其生态功能,值得注意的是,温度上升,全球变暖,不利于寒温性针叶林的生长。

5 结论

20 a间宁武县年均ESV总值为169 032.41万元,供给服务ESV最高,为107 555.38万元;5期ESV总值呈现下降—上升—下降—上升的波动性变化,但研究末期比初期ESV增加了5.80%,说明近年来宁武县生态修复工程取得了一定的效益,且调节服务、文化服务和支持服务的提升幅度较供给服务大。

14个乡镇年均ESV最高为涔山乡30 484.26万元,最低为石家庄镇4 090.24万元;14个乡镇2015-2020年都为上升趋势,除阳方口镇外,增加比例都超过10%,2015-2020年5 a来全县都注重生态的保护与修复且都取得一定成效。14个乡镇20 a的ESV呈明显的聚集分布格局,高值主要分布在管涔山西侧和东北部的禅房山区,低值分布在恢河流域和汾河下游,生态修复空间较大的乡镇是位于中部的迭台寺乡和东部的东马坊乡、怀道乡。东西两侧的山区对于构建全县生态安全格局有重要意义,需在已有基础上持续提升总体生态系统服务功能。

研究时段内ESV变化冷热点空间分布显示,4个时段的热点区呈稳步增加的趋势,表明各类生态修复工程的生态系统服务功能正在逐渐提升。冷点区分布主要集中在凤凰镇、阳方口镇和石家庄镇这些地势平坦、交通便利的地方,冷点区的生态修复空间与生产生活空间矛盾依然突出。

针叶林、灌木、灌草、湿地这4类土地覆被类型对宁武县ESV提升有重要意义,针叶林影响最大。人口密度、GDP与宁武县ESV呈现负相关,但相关性较低;自然因素对宁武县ESV影响更大,原因是高程、坡度限制了人类对土地的利用方式与开放强度,从而影响土地覆被类型,而气温与降水能够影响植被生产力,温度增加,全球变暖不利于寒温性针叶林生长,这一问题有待于进一步深入研究。