近60年撓力河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時空變化

趙 亮，劉吉平，田學(xué)智

(吉林師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院，四平 136000)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過程所形成及所維持的人類賴以生存的自然環(huán)境條件與效用［1］。通過經(jīng)濟價值指標量化不同生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價值，使人們認識到自然生態(tài)體系與人類活動之間的關(guān)系，從而奠定可持續(xù)利用與發(fā)展的基礎(chǔ)［2］。動態(tài)生態(tài)價值的研究為生態(tài)價值研究成果進一步在資源合理配置中的應(yīng)用提供了途徑［3］，隨著研究問題的深入及技術(shù)手段的進步，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的動態(tài)變化成為當前研究趨勢之一。近些年，國內(nèi)外學(xué)者基于遙感與GIS技術(shù)對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的動態(tài)變化進行了卓有成效的研究，例如周德成、常守志、李晉昌等人［4-10］研究顯示，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的動態(tài)變化源于研究區(qū)不同土地利用面積的變化［4，6，10］;生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的增減絕大部分取決于濕地、水域和林地面積的消長［4-8］;人為改變土地利用類型是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化的主要原因［6，9］。眾多研究表明，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化趨勢研究能科學(xué)直觀的反映區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境的變化狀況，但研究內(nèi)容偏向總體價值評價，不能反映研究區(qū)空間變異及內(nèi)部差異性變化。

近60年來，三江平原撓力河流域在人為墾荒活動的作用下，原始生態(tài)系統(tǒng)遭到大面積破壞，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值呈明顯階段性下降趨勢，對該流域乃至三江平原的生態(tài)環(huán)境造成嚴重損害［11］。本文以撓力河流域為典型研究區(qū)，對該流域1950—2005年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的時空變化進行區(qū)域內(nèi)差異分析，為保護三江平原生物多樣性和維持生態(tài)系統(tǒng)功能等方面提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域

撓力河流域地處黑龍江省三江平原腹地(圖1)，地理位置為 131°31′—134°10′E，45°43′—47°35′N，流域總面積為22542.88 km2，占整個三江平原面積近1/4，是三江平原最大的流域，目前擁有撓力河和寶清七星河兩處國家級自然保護區(qū)，是三江平原重要的淡水濕地分布區(qū)，行政區(qū)劃包括寶清縣、友誼縣全部，富錦縣、饒河縣、雙鴨山市、七臺河市、集賢縣部分。

撓力河是烏蘇里江的一級支流，發(fā)源于完達山脈，自西南流向東北，河道彎曲狹長，有利于沼澤濕地的發(fā)育與形成。撓力河流域開發(fā)歷史較早、墾荒活動階段性強、土地利用類型多樣、流域水系格局較為完整，是選擇該流域作為研究三江平原生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化典型區(qū)的重要原因之一。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 土地利用數(shù)據(jù)獲取

撓力河流域1950年和1965年的土地利用圖，以1965年地形圖件(1∶20萬)作為底圖，參照其他相關(guān)歷史資料匯編制作;1976年的土地利用圖，根據(jù)1976年編制的1∶20萬荒地調(diào)查圖和1972年MSS數(shù)據(jù)進行編制;1983年的土地利用圖，根據(jù)1983年三江平原1∶20萬濕地植被圖制作;1993年、2005年的土地利用圖，根據(jù)1993年和2005年的TM遙感數(shù)據(jù)進行解譯和編制。在此基礎(chǔ)上，按統(tǒng)一標準對各個時期土地利用類型進行分類，作為研究撓力河流域近60年來生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時空變化的基礎(chǔ)。

圖1 撓力河流域地理位置示意圖Fig.1 Location of the Naoli River Basin

2.2 研究方法

2.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值計算

Costanza等人［1］于1997年在Nature雜志發(fā)表的研究成果中，運用經(jīng)濟學(xué)原理定量分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，該方法使生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估得以量化實現(xiàn)，將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究推向生態(tài)經(jīng)濟學(xué)研究的應(yīng)用領(lǐng)域。但由于Costanza等人對某些生態(tài)系統(tǒng)價值估計存在偏差，我國學(xué)者謝高地等［12］參考其可靠的部分，在對我國200位生態(tài)學(xué)者進行問卷調(diào)查的基礎(chǔ)上，制定出中國不同陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值表(表1)，并在我國青藏高原地區(qū)得以應(yīng)用?？紤]到研究區(qū)的實際狀況，本文使用中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)單位面積價值作為統(tǒng)一量表，計算撓力河流域各時期的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值。

表1 中國不同陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值［12］Table 1 Chinese ecosystem service value unit area of different ecosystem types

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的計算公式為:

式中，V為研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值，元;Pi為單位面積上土地利用類型i的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值，元/hm2;Ai為研究區(qū)內(nèi)土地利用類型 i的分布面積，km2［1］。

本文為了研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的空間變化，利用ArcGIS軟件，生成撓力河流域2 km×2 km尺度的正方形網(wǎng)格圖，將正方形網(wǎng)格圖與撓力河流域各時期土地利用圖分別進行疊加，根據(jù)中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值表統(tǒng)計每個正方形網(wǎng)格的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值。

2.2.2 質(zhì)心橢圓模型

質(zhì)心模型是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值動態(tài)變化的重要指數(shù)之一。質(zhì)心遷移的方向可以揭示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值在空間上的變化軌跡。如果價值格局在空間各方位上均衡發(fā)展，則其質(zhì)心基本不變;若在某一方向上增減比較明顯，則其質(zhì)心發(fā)生明顯偏移［13］。本文通過撓力河流域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值質(zhì)心的偏移情況來反映價值在空間分布上的動態(tài)變化趨勢。

計算公式如下:

式中，Xt，Yt分別表示第t年撓力河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值質(zhì)心的坐標;Cti表示第t年第i個網(wǎng)格的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值;Xi，Xi分別表示第i個網(wǎng)格的地理坐標。

當質(zhì)心在空間上的相反方向均勻消長時，其質(zhì)心基本不變或變化不明顯。因此，運用ArcGIS軟件中的方向性分布分析工具(標準橢圓)來反映生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的空間分布的方向性差異。根據(jù)橢圓可以概括價值的空間分布狀態(tài)，且識別方向的趨勢。長軸為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值較高的方向，短軸為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值較低的方向。

2.2.3 空間自相關(guān)

空間自相關(guān)分析是檢驗具有空間位置的某要素的觀測值是否顯著地與其相鄰空間點上的觀測值相關(guān)聯(lián)?？臻g自相關(guān)性使用全局和局部兩種指標來度量，全局指標用于探測整個研究區(qū)域的空間模式，使用單一的值來反映該區(qū)域的自相關(guān)程度;局部指標計算每一個空間單元與鄰近單元就某一屬性的相關(guān)程度［14］。表示空間自相關(guān)的指標和方法很多，其中最常用的是Moran′s I指數(shù)。本文使用GeoDa軟件，分別計算撓力河流域1950—2005年6個時期的全局自相關(guān)和局部自相關(guān)，并進行檢驗。

3 結(jié)果與分析

3.1 撓力河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的時間動態(tài)變化

根據(jù)撓力河流域網(wǎng)格圖生態(tài)服務(wù)價值的數(shù)值特點，參照數(shù)據(jù)變化的拐點值，按極低(0—244.6×104元)、低(244.6 ×104—500 ×104元)、中(500×104—800×104元)、高(800 ×104—1600 ×104元)、極高(1600 ×104—2300×104元)5個等級劃分。實踐表明，如此劃分可以很好地反映各個時期生態(tài)服務(wù)價值空間分布和60a間價值階段性變異的情況?；贏rcGIS軟件，生成1950—2005年6個時期的撓力河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值格局圖(圖2)。

1950—2005年間，撓力河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值發(fā)生了明顯的變化，總價值呈遞減趨勢(圖3)，由1950年的749.84億元降低至2005年的308.82億元，損失約58.82%。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值極高區(qū)與極低區(qū)變化最為明顯，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值極高區(qū)以撓力河主河道為主線逐時期萎縮，其中1950—1965年萎縮最為嚴重，而1976—2005年減少速度趨于緩和，總體呈破碎化過程;極低區(qū)在近60年的時間內(nèi)，逐時期擴大，呈連片化過程(圖2)。撓力河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值在近60年的時間內(nèi)，由以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值極高區(qū)為主導(dǎo)的狀態(tài)(約占總面積41.1%)，逐漸轉(zhuǎn)化為以極低區(qū)為主導(dǎo)的空間格局(約占總面積39.2%)。

3.2 撓力河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的空間格局變化

3.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值質(zhì)心轉(zhuǎn)移

1950—2005年撓力河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值質(zhì)心(圖4)總體由北向南移動11.1 km，表明流域北部的開墾活動相對于南部更加強烈。撓力河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值標準橢圓空間分布的方向性差異由河流走向決定，以撓力河主河道為主線分布，價值標準橢圓長軸為東北—西南方向，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值較高;西北—東南短軸方向價值較低。

圖2 不同時期撓力河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值空間分布圖Fig.2 Spatial distribution maps of ecosystem services value at different times in Naoli River Basin

圖3 不同時期撓力河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化Fig.3 Dynamic changes of ecosystem services value at different times in Naoli River Basin

1950—1976年期間，雖然生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值變化較大，但這段時期，撓力河流域還處于墾荒中前期，分布于河流周邊的平原易墾區(qū)域依然存在，是該時期墾荒活動的主要區(qū)域，各個方向開墾規(guī)模較為平衡，價值標準橢圓變化相對較為穩(wěn)定，價值質(zhì)心略向東偏移2.14 km。1983—2005年時期價值空間變化較為明顯，出現(xiàn)南北方向上的波動，但價值質(zhì)心明顯向南遷移，由1976年向南遷移約9.8 km至2005年的狀態(tài)。根據(jù)李玉鳳、劉紅玉的研究成果［15］，根據(jù)海拔100 m等高線將撓力河流域劃分為平原和山地，得出濕地、草地主要分布于中部與北部的平原區(qū)域，而林地則主要分布于南部和西部的山地區(qū)域，使得平原區(qū)易開墾的濕地、林地和草地成為中前期開荒的首要選擇;而分布于山地及周邊不易開墾的濕地、林地和草地成為中后期墾荒的主要對象。

3.2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值空間自相關(guān)的動態(tài)變化

由圖5可知，近60年撓力河流域單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的全局空間自相關(guān)指數(shù)全部大于0，且數(shù)值比較高(都在0.65以上)，這說明撓力河流域單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值相似(高高或低低)的地區(qū)在空間上集中分布。Moran′s I指數(shù)與空間位置有關(guān)，反映數(shù)據(jù)在空間上的集聚或分散程度。撓力河流域單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值全局Moran′s I指數(shù)60a間呈總體下降趨勢，由1950年的0.7882降至2005年的0.6633，說明這種集聚的趨勢略有減弱。

由于全局Moran′s I指數(shù)只反映研究區(qū)總體的區(qū)域單元值的相似性程度，而不反映研究區(qū)內(nèi)區(qū)域間的關(guān)系，因此需要用局部自相關(guān)分析來探測撓力河流域內(nèi)部單元間的相關(guān)關(guān)系，輸出結(jié)果如圖6。

由圖6可知，自1950年至2005年，撓力河流域單位生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值高-高自相關(guān)類型呈明顯的逐漸減少趨勢，且破碎化顯著;低-低自相關(guān)類型呈先減少后增加的“V”趨勢，顯現(xiàn)不顯著連片化趨勢;而無空間自相關(guān)有逐漸增加趨勢。從空間分布上來看，主要分為3個階段，在1950年，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)單位價值高-高自相關(guān)類型在整個流域處主導(dǎo)地位，且集中分布于撓力河中上游;低-低自相關(guān)類型，分布較為廣闊，主要分布流域周邊區(qū)域，與高-高類型共同構(gòu)成該時期的絕對主體。1965—1983年時期，高-高、低-低自相關(guān)類型較為平穩(wěn)，無空間自相關(guān)成為又一主導(dǎo)類型，這一階段較上一階段，高-高、低-低自相關(guān)類型萎縮較為明顯，且分別向中下游、中上游相反方向轉(zhuǎn)移。1993—2005年間，高-高自相關(guān)類型顯著沿撓力河主河道分布，且出現(xiàn)破碎化趨勢;低-低自相關(guān)類型略為穩(wěn)定。

圖4 撓力河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值質(zhì)心和標準橢圓的動態(tài)變化Fig.4 Change of ecosystem services value centroid and standard deviation ellipse in Naoli River Basin

圖5 撓力河流域不同時期生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值全局自相關(guān)指數(shù)Fig.5 Global spatial autocorrelation index of ecosystem services value at different times in Naoli River Basin

圖6 撓力河流域單位生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值局部空間自相關(guān)格局的動態(tài)變化Fig.6 Ecosystem service value pattern of local spatial autocorrelation dynamics in Naoli River Basin

3.3 撓力河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化的驅(qū)動力分析

撓力河流域位于溫帶濕潤半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，其自然條件的變化對該流域土地利用有著一定的影響，且很大程度與人為作用共同起作用。近60年，撓力河流域年平均氣溫升高約1.3℃，溫度的升高使該地區(qū)土壤環(huán)境更加適宜耕種，加劇了人們對濕地、草地、林地的開墾，地表的長期裸露，又致使地表增溫，形成惡性循環(huán);同時人為修建排水系統(tǒng)，使土壤中的含水量適宜農(nóng)作物生長，這也使得地下水位下降、空氣中濕度降低等等，導(dǎo)致原始生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生改變。

不同土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值存在差異，人為改變土地利用類型是近60年間撓力河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值發(fā)生變化的主要原因。根據(jù)1950年—2005年6個時期各土地利用類型面積的統(tǒng)計，其中農(nóng)田、林地、草地、濕地的面積(圖7)之和占各個時期流域總面積的93%以上，這4種土地利用類型是各個時期生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值組成的重要基礎(chǔ)。近60年以來，人類的墾殖活動使撓力河流域的濕地面積大幅度減少，耕地大面積增加［16］，開墾濕地是撓力河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值減少的主要驅(qū)動因素。

圖7 1950—2005年撓力河流域不同土地利用類型面積Fig.7 The area of different land use types of Naoli River Basin from the year 1950 to 2005

建國以來，大量人口遷入三江平原。由于撓力河流域自然條件較優(yōu)越，成為三江平原開發(fā)最早的流域。1950年至1965年，是該流域開荒規(guī)模最大的一次，濕地面積減少5790 km2，林地面積減少590 km2，農(nóng)田面積增加4158 km2，草地面積增加3366 km2，濕地與林地損失面積基本轉(zhuǎn)化為草地和農(nóng)田，撓力河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值在這一時期損失286.09億元，至1965年總價值僅為463.75億元。1965年后期至1983年，開荒規(guī)模在原有的基礎(chǔ)上有所擴大，林地面積穩(wěn)定，濕地面積減少758 km2，農(nóng)田面積增加4137 km2，草地面積減少3890 km2，由于濕地面積減速趨于緩和，農(nóng)田面積基本由草地轉(zhuǎn)化所得，使得這一時期撓力河流域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化較為平穩(wěn)，至1983年總價值為435.42億元。1983年以后，濕地、草地、林地面積繼續(xù)減少;1983—1993年間，林地減少面積為近60年最大，減少1411 km2，濕地面積減少2200 km2，草地面積減少701 km2，農(nóng)田面積增加3883 km2，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值損失126.6億元。至2005年，撓力河流域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值僅為308.82億元。

4 結(jié)論

(1)近60年撓力河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值，由1950年的749.84億元降低至2005年的308.82億元，損失約58.82%。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值極高值以撓力河主河道為主線逐時期萎縮，且由1950年以極高區(qū)為主導(dǎo)的狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)化為2005年以極低區(qū)為主導(dǎo)的格局。

(2)1950—2005年撓力河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值質(zhì)心總體由北向南移動11.1 km，表明流域北部的開墾活動相對于南部更加強烈;空間自相關(guān)分析表明，撓力河流域單位生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值單元間差異有擴大化趨勢;高-高自相關(guān)類型呈明顯的逐漸減少的趨勢，且破碎化顯著;低-低自相關(guān)類型呈先減少后增加的“V”趨勢，顯現(xiàn)不顯著連片化趨勢;而無空間自相關(guān)有逐漸增加趨勢。

(3)土地利用類型的改變是該流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時空格局轉(zhuǎn)變，價值質(zhì)心向南轉(zhuǎn)移的主要驅(qū)動因素。

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