基于ESDA的吉林省生態(tài)效益空間分析

谷國鋒，王 坤

（1．東北師范大學 城市與環(huán)境科學學院，吉林 長春 130024；

2．青島理工大學 琴島學院，山東 青島 266001）

基于ESDA的吉林省生態(tài)效益空間分析

谷國鋒1，王 坤2

（1．東北師范大學 城市與環(huán)境科學學院，吉林 長春 130024；

2．青島理工大學 琴島學院，山東 青島 266001）

生態(tài)系統(tǒng)具有巨大的生態(tài)效益，生態(tài)效益評估及生態(tài)補償問題，逐漸成為研究的新熱點。筆者利用ESDA和GIS技術(shù)，揭示了吉林省市縣生態(tài)效益分布規(guī)律，同時結(jié)合經(jīng)濟社會綜合發(fā)展指數(shù)進行聚類分析，描述了吉林省生態(tài)經(jīng)濟社會系統(tǒng)發(fā)展狀況，并提出相關(guān)的生態(tài)補償建議。研究表明：吉林省市縣生態(tài)效益價值是可觀的；吉林省市縣生態(tài)效益Moran's I為0．05，Z值為2．9，說明其存在明顯的正相關(guān)，具有明顯的全局空間集聚現(xiàn)象。LISA分析和Moran散點圖等局部空間自相關(guān)分析，都說明了生態(tài)效益表現(xiàn)為正的空間自相關(guān)，并且顯著性很強；吉林省市縣生態(tài)經(jīng)濟社會系統(tǒng)集聚分析結(jié)果，揭示出生態(tài)補償區(qū)劃類型，同時為出臺相關(guān)的生態(tài)補償政策提供了依據(jù)。

空間自相關(guān)；ESDA；生態(tài)效益；Moran's I；顯著性

近年來，生態(tài)效益研究和生態(tài)補償研究引起了國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注。許多學者基于全球、國家和省市等尺度，對生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)效益評價做了大量研究，并以此為依據(jù)提出了相關(guān)的生態(tài)補償措施［1－4］［5］113－120。探索性空間數(shù)據(jù)分析（Exploratory Spatial Data Analysis，ESDA）作為一種“數(shù)據(jù)驅(qū)動”的分析方法，是利用統(tǒng)計學原理和圖形圖表相結(jié)合對空間數(shù)據(jù)的性質(zhì)進行分析、鑒別，用以引導確定性模型的結(jié)構(gòu)和解法的一種技術(shù)。

本文主要采用Moran's I、空間聯(lián)系的局部指標（Local Indicators of Spatial Association，LISA）和Moran散點圖等分析方法。

Global Moran's I反映的是空間鄰接或鄰近的區(qū)域單元屬性值的相似程度。其計算公式如下：

如果Moran's指數(shù)I（d）大于零，則區(qū)域變量在空間分布上呈現(xiàn)正的空間自相關(guān)性；小于零，為負相關(guān)；等于零，表明不存在空間相關(guān)性。

檢驗統(tǒng)計量為標準化Z值，當Z值為零時，觀測值呈獨立隨機分布；當Z值為正且顯著時，表明存在正的空間自相關(guān)，也就是說相似的觀測值（高值或低值）趨于空間集聚；反之為負。

空間聯(lián)系的局部指標（LISA）包括局部Moran's指數(shù)和局部Geary's指數(shù)，用于反映一個區(qū)域單元上的某種地理現(xiàn)象或某一屬性值與鄰近區(qū)域單元上同一現(xiàn)象或?qū)傩灾档南嚓P(guān)程度。正的局部Moran指數(shù)Ii值表示該區(qū)域單元周圍相似值（高值或低值）的空間集聚，負的Ii值則表示非相似值的空間集聚。Moran散點圖常用來研究局部的空間不穩(wěn)定性，對空間滯后因子（Wz，z）數(shù)據(jù)進行了可視化的二維圖示。

本文基于吉林省的行政區(qū)劃，以經(jīng)數(shù)字化合并的40個市縣為研究對象，通過SPSS、ArcView軟件平臺為支撐，采用上述的全局空間自相關(guān)和局部空間自相關(guān)統(tǒng)計方法，包括LISA分析、Moran指數(shù)、局部Moran散點圖，聚類分析等有效地認識了吉林省市縣生態(tài)系統(tǒng)、社會經(jīng)濟系統(tǒng)的空間分布特征，揭示了空間結(jié)構(gòu)的聯(lián)系，認識了其內(nèi)在規(guī)律性。

一、吉林省市縣生態(tài)效益價值評價

（一）指標選取

本文生態(tài)效益價值評估指標主要包括：吉林省各市縣的森林、水、耕地、草地和沼澤的面積；經(jīng)濟社會系統(tǒng)發(fā)展水平指標主要包括：吉林省市縣農(nóng)業(yè)技術(shù)人員、圖書總藏量、醫(yī)院衛(wèi)生院床位數(shù)、人均生產(chǎn)總值、人均財政收入和人均住房面積等。

（二）數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)資料來自《吉林省統(tǒng)計年鑒2008》、《吉林省情》、《中國沼澤志》等，空間分析尺度為吉林省所轄的經(jīng)數(shù)字化合并后的40個市縣。

（三）吉林省市縣生態(tài)系統(tǒng)效益總價值

本文采用謝高地等學者的中國不同陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值表，并結(jié)合國內(nèi)外學者提出的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值計量模型［5］113－120［6］等，對吉林省市縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進行評估計價。經(jīng)計算，吉林省市縣生態(tài)系統(tǒng)總價值如表1所示。

表1 吉林省市縣生態(tài)系統(tǒng)效益總價值 （單位：萬元）

二、吉林省市縣生態(tài)效益價值的ESDA分析

（一）全局空間自相關(guān)分析

利用Arcmap軟件的Morans I功能模塊，分別對經(jīng)合并處理的吉林省40個市縣生態(tài)系統(tǒng)總生態(tài)效益進行全局空間自相關(guān)分析。如圖1所示：

圖1 吉林省生態(tài)系統(tǒng)總效益

圖1結(jié)果顯示，生態(tài)系統(tǒng)總的生態(tài)效益Moran's I為0．05，Z值為2．9。說明吉林省生態(tài)效益存在明顯的正相關(guān)，具有明顯的全局空間集聚現(xiàn)象，即具有較高的生態(tài)效益的地區(qū)和同是較高的生態(tài)效益的地區(qū)相鄰，或是具有較低的生態(tài)效益的地區(qū)和同是較低的生態(tài)效益的地區(qū)相鄰。

（二）局部空間自相關(guān)分析

1．LISA分析

利用ArcMap軟件的Anselin Local Morans I功能模塊，對吉林省市縣生態(tài)系統(tǒng)總的生態(tài)效益進行LISA分析。如表2所示：

表2 吉林省市縣生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)效益局部Moran指數(shù)

利用表2的數(shù)據(jù)信息，對LmiInvDst的值做顯著性水平圖，得到如圖2的集聚顯示圖。

圖2 吉林省生態(tài)效益局部空間自相關(guān)分析

通過圖2的LISA分析的數(shù)值以及顯著圖分析，說明通化縣、柳河縣、梅河口市、輝南縣、延吉市、東豐縣、磐石市、東遼縣、伊通縣、九臺市、永吉縣、圖們市、龍井市、德惠市、集安市、樺甸市、榆樹市、汪清縣、靖宇縣、蛟河市、舒蘭市、梨樹縣、公主嶺市、農(nóng)安縣、通榆縣生態(tài)效益價值的LISA值為正值，即說明生態(tài)效益相似值（高值或低值）存在空間集聚現(xiàn)象；其余各市縣LISA值為負值，即說明生態(tài)效益不相似值（高值和低值或低值和高值）存在空間集聚現(xiàn)象。

2．Moran散點圖

LISA分析及其水平顯著圖，顯示了LISA顯著性地區(qū)，不同顏色標識使分析結(jié)果一目了然。局部空間自相關(guān)分析，能反映觀測值的高值或低值是否存在局部空間集聚，刻畫區(qū)域空間單元對全局空間自相關(guān)的貢獻。本文采用Anselin設(shè)計的Geoda軟件，利用Queen（公共邊或公共點的空間單元均視為鄰居）鄰接矩陣作為空間權(quán)重矩陣進行分析。

圖3反映了各市縣所在的象限和與趨勢線的距離。如果散點分布距趨勢線的點較遠，則相關(guān)關(guān)系微弱；反之如果較近，且分布較集中，則趨同趨勢顯著。對于總的生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)效益而言，大安市、鎮(zhèn)賚縣、長白縣、撫松縣、安圖縣、敦化市、通榆縣等市縣處于HH型；洮南市、乾安縣、臨江縣、前郭縣、雙遼市、和龍市、靖宇縣、長嶺縣等市縣處于LH型；其余市縣處于LL型。

通過上述結(jié)果分析可知，各生態(tài)系統(tǒng)效益價值處于HH型和LL型的市縣，具有顯著的趨同性。因此，在生態(tài)區(qū)劃和出臺相關(guān)生態(tài)補償政策時，可采取相同的措施。

圖3 吉林省生態(tài)系統(tǒng)總效益散點圖及其對應市縣分布情況

3．吉林省市縣生態(tài)經(jīng)濟社會系統(tǒng)集聚分析

通過對經(jīng)濟社會系統(tǒng)發(fā)展水平指標主成分分析后，計算得出吉林省市縣經(jīng)濟社會綜合發(fā)展指數(shù)，如表3所示。

表3 吉林省市縣經(jīng)濟社會綜合發(fā)展指數(shù)表

圖4 吉林省生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)效益

圖5 吉林省經(jīng)濟社會系統(tǒng)發(fā)展水平

基于GIS對吉林省市縣生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)濟效益和社會經(jīng)濟系統(tǒng)做聚類分析，如圖4、圖5所示，生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)濟效益從高到低依次以Ⅰ—Ⅴ分為五類；社會經(jīng)濟指標從高到低依次以1—5分為五類。

由此可知：撫松縣、長白縣為Ⅰ2；大安市、安圖縣為Ⅰ3；鎮(zhèn)賚縣為Ⅰ4；長嶺縣為Ⅰ5；敦化市為Ⅱ2；通榆縣為Ⅱ3；乾安縣、前郭縣為Ⅲ2；蛟河市為Ⅲ4；舒蘭市為Ⅲ5；琿春市為Ⅳ2；樺甸市、靖宇縣、汪清縣、樺甸市、靖宇縣、汪清縣、和龍市、和龍市為Ⅳ3；柳河縣為Ⅳ4；延吉市為Ⅴ1；圖們市為Ⅴ2；九臺市、磐石市、輝南縣、通化縣、臨江縣、集安市為Ⅴ3；洮南市、農(nóng)安縣、公主嶺市、雙遼市、德惠市、梨樹縣、永吉縣、東豐縣、梅河口市、龍井市為Ⅴ4；扶余縣、榆樹市、伊通縣、東遼縣為Ⅴ5。

三、基本結(jié)論

1．吉林省市縣生態(tài)效益價值是可觀的；吉林省市縣生態(tài)效益Moran's I為0．05，Z值為2．9。說明吉林省生態(tài)效益存在明顯的正相關(guān)，具有明顯的全局空間集聚現(xiàn)象。LISA分析與Moran散點圖等局部空間自相關(guān)分析，表明吉林省市縣生態(tài)效益表現(xiàn)為正的空間自相關(guān)，并且顯著性很強。

2．吉林省市縣生態(tài)經(jīng)濟社會系統(tǒng)集聚分析結(jié)果表明：

長嶺縣屬于生態(tài)效益價值最大類，經(jīng)濟社會條件最差，應為重點被補償區(qū)域，即要加大其他區(qū)域所提供的補償資金在本區(qū)域的投入力度；

鎮(zhèn)賚縣、大安市、安圖縣屬于生態(tài)效益價值最大類，社會經(jīng)濟條件較差，應為次重點補償區(qū)域；

通榆縣、舒蘭市、蛟河市生態(tài)效益價值較大，但經(jīng)濟社會條件較差，應為主要的補償區(qū)域；

長白縣、撫松縣屬于生態(tài)效益價值最大類，社會經(jīng)濟條件較好，屬于可通過當?shù)氐胤阶晕艺{(diào)節(jié)補償資金的區(qū)域；

洮南市、扶余縣、農(nóng)安縣、公主嶺市、雙遼市、榆樹市、德惠市、九臺市、伊通縣、梨樹縣、永吉縣、磐石市、東遼縣、東豐縣、梅河口市、輝南縣、柳河縣、通化縣、龍井市、臨江縣、集安市等生態(tài)效益價值與社會經(jīng)濟條件較差，這類區(qū)域在加強自身生態(tài)建設(shè)的同時，必須不斷提高經(jīng)濟社會發(fā)展水平；

延吉市、圖們市生態(tài)效益價值最差，但社會經(jīng)濟條件相對較好，這類區(qū)域應該在加強自身生態(tài)建設(shè)的同時，要向其他區(qū)域提供一定的資金投入，以支持其他區(qū)域的生態(tài)建設(shè)與發(fā)展；

琿春市、樺甸市、靖宇縣、汪清縣、和龍市為生態(tài)效益價值較差但社會經(jīng)濟條件尚可，這類區(qū)域應該加強自身生態(tài)建設(shè)，在增加地方自我調(diào)節(jié)補償資金的同時還要兼顧其他區(qū)域在本區(qū)域的投入資金；

乾安縣、前郭縣、敦化市為生態(tài)效益較好或尚可，經(jīng)濟社會條件處于較好的地區(qū)，此類區(qū)域要在自我調(diào)節(jié)補償資金流動的同時，保持生態(tài)建設(shè)。

［1］潘竟虎，張佳龍，張勇．甘肅省區(qū)域經(jīng)濟空間差異的ESDA－GIS分析［J］．西北師范大學學報：自然科學版，2006，42（6）：83－91．

［2］魯鳳．區(qū)域經(jīng)濟差異的空間統(tǒng)計分析［D］．上海：華東師范大學，2004：34－36．

［3］蒲英霞，葛瑩，馬榮華等．基于ESDA的區(qū)域經(jīng)濟空間差異分析［J］．地理研究，2005，24（6）：965－974．

［4］中國21世紀議程管理中心可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略研究組．生態(tài)補償：國際經(jīng)驗與中國實踐［M］．北京：社會科學文獻出版社，2007：36－38．

［5］Ouyang zh－Y，Wang R－S，etal．Ecological Niche Suitablity Model and Its Application in Land Suitability Assessment［J］．Acta Ecol Sin，1996，16（2）：113－120．

［6］Xue D－Y．Economic Valuation of Biodiversity A Case Study on Changbaishan Mountain Biosphere Reserve in Notheast China［M］．Beijing：China Environmental Science Press，1997．

The Spatial Analysis of Ecological Benefits in Jilin Province Based on ESDA

GU Guo－feng1，WANG Kun2
（1．College of Urban Environmental Sciences，Northeast Normal University，Changchun 130024，China；
2．Qindao College，Qingdao Technological University，Qingdao 266001，China）

Ecosystems have great eco－efficiency，the research of the assessment of eco－efficiency and the question of ecological compensation have gradually become the new hot spot．In this paper，we used the technology of ESDA and GIS，revealed distribution rules of the eco－efficiency of ecosystems in Jilin Province，combined with cluster analysis of economic and social developments，described the situation of ecological，economic and social system of the cities and counties in Jilin Province，and put forward proposals about how to compensate．Conclusions are drawn as follows：Firstly，the total value of the ecological benefits are enormous for cities and counties in Jilin Province．Secondly，the value of Moran's I index of ecological benefits is 0．05，Z value is 2．9in Jilin Province．It showed that are an obvious positive correlation，a clear spatial overall concentration phenomenon in Jilin Province．Local spatial autocorrelation analysis，whether LISA analysis or Moran scatter，suggested that ecological benefits performed highly significant and spatial autocorrelation for 40cities and counties in Jilin Province．Thirdly，the results revealed the ecological compensation division，as well as the basis of eco－compensation related policies from the concentration analysis for ecological，economic and social systems in Jilin Province．

Spatial Autocorrelation；ESDA；Eco－efficiency；Moran's I；Significance

F062．1

A

1001－6201（2011）06－0040－06

2011－05－24

教育部人文社會科學研究規(guī)劃基金項目（11YJA790034）；吉林省科技發(fā)展計劃（20110639）。

谷國鋒（1966－），男，吉林農(nóng)安人，東北師范大學城市與環(huán)境科學學院副教授，博士；王坤（1982－），女，山東諸城人，青島理工大學琴島學院，碩士。

［責任編輯：秦衛(wèi)波］