生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與人類活動(dòng)的時(shí)空關(guān)聯(lián)分析——以長(zhǎng)江中游華陽河湖群地區(qū)為例

南 箔,楊子寒,畢 旭,付 奇,李 波

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生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與人類活動(dòng)的時(shí)空關(guān)聯(lián)分析——以長(zhǎng)江中游華陽河湖群地區(qū)為例

南 箔,楊子寒,畢 旭,付 奇,李 波*

(北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部,北京 100875)

以1990、2002和2010年華陽河湖群地區(qū)LandSat TM影像為數(shù)據(jù)源,構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估模型、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值流向損益模型和人類活動(dòng)強(qiáng)度評(píng)估模型,應(yīng)用雙變量空間自相關(guān)分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值和人類活動(dòng)強(qiáng)度的時(shí)空關(guān)聯(lián)特征.結(jié)果表明:1990~2010年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值持續(xù)減少,水域、濕地轉(zhuǎn)為耕地和建設(shè)用地是價(jià)值損失的主要原因.生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值高值區(qū)在中部和東北部水域,湖濱價(jià)值量減少最嚴(yán)重,北部地區(qū)價(jià)值量增加,南部減少.人類活動(dòng)強(qiáng)度低影響區(qū)位于水域,中高影響區(qū)和中影響區(qū)交錯(cuò)分布于北部地區(qū),高影響區(qū)集中在南部和西南部地區(qū). 3個(gè)時(shí)期生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值和人類活動(dòng)強(qiáng)度均呈空間負(fù)相關(guān),高-低聚集分布于南部和西南部,低-高聚集主要分布于水域.

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值；人類活動(dòng)強(qiáng)度；時(shí)空關(guān)聯(lián)；華陽河湖群地區(qū)

地理要素在空間和時(shí)間上并不是獨(dú)立或隨機(jī)分布,而是存在著一定的時(shí)空關(guān)聯(lián),形成了不同的時(shí)空格局[1].挖掘隱含在現(xiàn)象背后的時(shí)空關(guān)聯(lián)對(duì)揭示空間格局及其分異的內(nèi)在形成機(jī)制有著重要作用[2-3].生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是生態(tài)系統(tǒng)形成及所維持的人類生存和發(fā)展必不可少的環(huán)境條件與效用[4-7],其價(jià)值量可作為區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)和資源可持續(xù)利用的重要依據(jù)[7-11].人為開發(fā)強(qiáng)度及類型的空間差異是影響生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能、空間變化的重要驅(qū)動(dòng)力之一[12-14].對(duì)人類活動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行定量分析,探討其與生態(tài)服務(wù)價(jià)值間的時(shí)空關(guān)聯(lián)特征,對(duì)協(xié)調(diào)人地關(guān)系,維護(hù)和保持生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)具有重要作用[15-16].目前對(duì)人類活動(dòng)的定量研究主要體現(xiàn)在人類活動(dòng)強(qiáng)度對(duì)環(huán)境變化[14,17]和土地利用類型的影響[12,18-20]、人類活動(dòng)強(qiáng)度在生態(tài)分類中的應(yīng)用[21]、人類活動(dòng)強(qiáng)度與景觀格局變化等方面[22-24].

長(zhǎng)江中游的江(長(zhǎng)江)—湖(沿岸湖泊)關(guān)系影響著整個(gè)長(zhǎng)江流域洪水災(zāi)害防治、水資源利用和水生態(tài)安全維護(hù)[25-26].一方面,由于人類不合理活動(dòng)的加劇,長(zhǎng)江中游多數(shù)湖泊喪失了原有的防洪、灌溉、提供產(chǎn)品等多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,出現(xiàn)了不同程度的生態(tài)退化[27-29];另一方面,三峽工程等上游控制性水利樞紐地運(yùn)行使長(zhǎng)江對(duì)各湖泊的頂托作用減弱拉空作用增強(qiáng)[30-31],導(dǎo)致長(zhǎng)江中游環(huán)境穩(wěn)定性變差.作為長(zhǎng)江中游江湖關(guān)系的一個(gè)載體,自20世紀(jì)50年代起,華陽河湖群出現(xiàn)了湖泊建閘、湖泊資源濫用、湖泊污染等問題[32-33],不僅嚴(yán)重?fù)p害了湖泊的生態(tài)功能,同時(shí)也給長(zhǎng)江中游地區(qū)江湖關(guān)系的健康發(fā)展帶來挑戰(zhàn).

當(dāng)前對(duì)長(zhǎng)江中下游湖泊地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的研究較多[28,34-35].但對(duì)太湖、洞庭湖、鄱陽湖等以外的湖泊研究較少.同時(shí)現(xiàn)有研究多集中在土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響機(jī)制方面[36],研究或停留在靜態(tài)快照式階段,忽視了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值內(nèi)在的動(dòng)態(tài)性和復(fù)雜性,或只分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值單因素的集聚模式[37],對(duì)人類活動(dòng)強(qiáng)度同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的時(shí)空關(guān)聯(lián)研究甚少,在此基礎(chǔ)上提出湖泊濕地生態(tài)功能調(diào)控優(yōu)化的研究也為數(shù)不多.因此,本文以長(zhǎng)江中游典型湖泊群——華陽河湖群地區(qū)為靶區(qū),運(yùn)用空間計(jì)量方法分析該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與人類活動(dòng)強(qiáng)度的時(shí)空關(guān)聯(lián)特征,旨在揭示華陽河湖群地區(qū)人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間異質(zhì)性的機(jī)理,以期為長(zhǎng)江中游典型湖泊群生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的提升,人地關(guān)系協(xié)調(diào)發(fā)展提供相關(guān)借鑒.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

華陽河湖群地區(qū)地處安徽省宿松縣東南(116°04′47′′~116°31′25′′E,29°52′50′′~38°08′47′′N),區(qū)域內(nèi)包涵龍感湖、黃湖、大官湖、泊湖4個(gè)相互連通的湖泊及沿湖11個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn),總面積1670.98km2,占宿松縣總面積的70%(圖1).該地區(qū)地勢(shì)西北高、東南低,依次由丘陵、崗地、湖泊、平原階梯下降.中部水面遼闊,水流自西向東經(jīng)華陽河流入長(zhǎng)江.本區(qū)氣候?qū)俦眮啛釒駶?rùn)氣候,濕地生態(tài)系統(tǒng)具有較好的完整性.

華陽河湖群地區(qū)有常住人口57.43萬人,人口密度約為352.7人/km2.以種植業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖為支柱產(chǎn)業(yè),經(jīng)濟(jì)總體實(shí)力不強(qiáng).近年來該地區(qū)圍網(wǎng)養(yǎng)殖、亂圍濫墾、過量排污致使自然生態(tài)和水環(huán)境惡化趨勢(shì)明顯,湖泊濕地功能下降,生態(tài)資源嚴(yán)重不足,湖泊濕地保護(hù)的形式愈加嚴(yán)峻.

圖1 華陽河湖群地區(qū)行政區(qū)劃

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

獲取1990年11月4日、2002年10月30日和2010年11月15日,分辨率為30m、軌道編號(hào)為121/39的Landsat TM/ETM影像作為數(shù)據(jù)源.在ENVI5.1軟件支持下完成了對(duì)遙感影像的幾何校正、輻射校正和影像增強(qiáng)等預(yù)處理.參照我國(guó)土地利用分類系統(tǒng)及研究區(qū)實(shí)際情況,采用監(jiān)督分類和目視解譯相結(jié)合的方法,將華陽河湖群地區(qū)劃分為耕地、林地、草地、建設(shè)用地、內(nèi)陸灘涂、水庫(kù)坑塘、湖泊河流共7類土地利用類型,分別得到1990、2002、2010年土地利用分類結(jié)果.土地利用分類總精度和Kappa系數(shù)均高于0.85,滿足精度要求.

1.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估模型

本文采用當(dāng)量因子法來構(gòu)建華陽河湖群地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估模型.以謝高地提出的中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量[38-39]為評(píng)估基準(zhǔn),根據(jù)1個(gè)生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子的經(jīng)濟(jì)價(jià)值為當(dāng)年全國(guó)平均糧食單產(chǎn)市場(chǎng)價(jià)值的1/7進(jìn)行評(píng)估.為使研究結(jié)果更具區(qū)域特征,引入宿松縣1990~2010糧食產(chǎn)量對(duì)當(dāng)量因子進(jìn)行修正,得出華陽河湖群地區(qū)單個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)當(dāng)量因子的經(jīng)濟(jì)價(jià)值為1287.93元/hm2.用此值與各生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量相乘,可獲得各生態(tài)系統(tǒng)功能服務(wù)價(jià)值系數(shù),即單位面積生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價(jià)值.在評(píng)估時(shí),將耕地與農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)對(duì)應(yīng),林地與森林生態(tài)系統(tǒng)對(duì)應(yīng),湖泊河流、水庫(kù)坑塘與水域生態(tài)系統(tǒng)對(duì)應(yīng),內(nèi)陸灘涂與濕地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)[27,29,35],建設(shè)用地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值取值為0[38],得到華陽河湖群地區(qū)各土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù).評(píng)估模型如下:

ESV =SESV×VC(1)

ESV=SA×VC(2)

式中:ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值;A為土地利用類型的面積;VC為土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值系數(shù);ESV為生態(tài)系統(tǒng)第項(xiàng)服務(wù)功能價(jià)值;VC土地利用類型的第項(xiàng)服務(wù)功能價(jià)值系數(shù).

1.4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值流向損益模型

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值流向損益模型能夠深入生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值內(nèi)部揭示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的空間轉(zhuǎn)移流動(dòng)情況和數(shù)量變化方向,從而可以更加深入地反映生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的去向和來源[40].它可彌補(bǔ)傳統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值分析模型僅可表現(xiàn)監(jiān)測(cè)期內(nèi)由各類用地面積變化引起的價(jià)值數(shù)值地變化,無法反映生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)內(nèi)部損益的缺陷.本文以土地利用轉(zhuǎn)移矩陣為基礎(chǔ),應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)損益模型,核算研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值損益情況.計(jì)算模型如下:

P= (VC-VC)×A(3)

式中:P為土地利用類型由類轉(zhuǎn)為類時(shí)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值損益; VC、VC分別為地類和地類的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù); A為地類轉(zhuǎn)為地類的面積.

1.5 人類活動(dòng)強(qiáng)度指數(shù)評(píng)估模型

假定各生態(tài)類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的原始自然特性不斷降低,由于不同的生態(tài)類型擁有不同的人類開發(fā)利用強(qiáng)度,因此可以用生態(tài)類型的變化來表征人類的干擾[23].本文采用人類活動(dòng)強(qiáng)度指數(shù)模型來描述研究區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總體受人類活動(dòng)的影響,計(jì)算公式為:

式中: HAI為人類活動(dòng)強(qiáng)度指數(shù);為土地利用類型的數(shù)量;A為第種土地利用類型的面積;P為第種生態(tài)價(jià)值所反映的人類活動(dòng)強(qiáng)度系數(shù); TA為總面積.本文綜合利用Lohani清單法、Leopold矩陣法[41]及Delphi法[12,23]確定人類活動(dòng)強(qiáng)度系數(shù)P[42].為減小誤差,最終取3者的平均值作為P,代入人類活動(dòng)強(qiáng)度指數(shù)評(píng)估模型進(jìn)行計(jì)算(表1).

表1 不同土地利用類型人類活動(dòng)強(qiáng)度系數(shù)

1.6 雙變量空間自相關(guān)模型

空間自相關(guān)是反映一個(gè)區(qū)域單元上某種地理現(xiàn)象或某一屬性值與鄰近區(qū)域單元上同一現(xiàn)象或?qū)傩灾迪嚓P(guān)程度的重要指標(biāo)[43],包括全局空間自相關(guān)和局部空間自相關(guān),多采Moran’s和Local Moran’s指數(shù)來描述.Moran’s指數(shù)計(jì)算公式為:

式中:Y和Y分別表示單元和單元的屬性值;是空間單元數(shù)量;W是基于空間鄰接關(guān)系建立的權(quán)重矩陣.

相關(guān)學(xué)者在Moran’s指數(shù)的基礎(chǔ)上,拓展了雙變量全局自相關(guān)和局部自相關(guān),為揭示不同要素空間分布的相關(guān)性提供了可行方法[10].其定義為:

本文依托雙變量空間自相關(guān)模型,采用Moran散點(diǎn)圖和空間聯(lián)系的局部指標(biāo)(LISA)相結(jié)合的方法,進(jìn)行局部空間自相關(guān)分析,探索二者的空間關(guān)聯(lián)模式,并反映空間關(guān)聯(lián)模式的顯著性水平.相關(guān)計(jì)算利用Geoda095i軟件完成.

此外,在綜合考慮研究區(qū)范圍、數(shù)據(jù)的疏密性以及工作效率的基礎(chǔ)之上,將土地利用數(shù)據(jù)的格網(wǎng)大小定為500m×500m,作圖使用ARCgis10.2軟件,采用自然斷點(diǎn)法進(jìn)行分類.

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估結(jié)果

華陽河湖群地區(qū)面積占比最大的是耕地(>41%)其次是湖泊河流(>32%),面積占比最小的是草地(<0.39%).20a以來,土地利用類型變化的最突出特點(diǎn)是耕地、林地、建設(shè)用地面積持續(xù)大幅度增長(zhǎng),湖泊河流、內(nèi)陸灘涂、草地面積明顯縮小.水庫(kù)坑塘的面積先增加后減少(表2、圖2).

華陽河湖群地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值1990年為55.38×108元,2002年為52.13×108元,2010年為49.27×108元.湖泊河流對(duì)總ESV貢獻(xiàn)率非常高,超過63.1%,其次是耕地,超過12.56%.由于內(nèi)陸灘涂單位價(jià)值極高,故雖然其面積遠(yuǎn)小于林地,但和林地的貢獻(xiàn)率相差不大.另外2種地類(草地、建設(shè)用地)或因面積太小,或因單位價(jià)值過低,對(duì)總體貢獻(xiàn)率不足1%(表3).

20a來,ESV持續(xù)減少了6.10×108元,損失的ESV約占到1990年ESV的11%.將1990~2002年、2002~2010年2個(gè)時(shí)段ESV的年均變化率進(jìn)行對(duì)比,可看出2002年以后的變化速率更快.湖泊河流、內(nèi)陸灘涂、草地價(jià)值量持續(xù)減少(-6.00×108元、-1.04×108元,-0.03×108元),草地的年均減少率最大(-1.73%);林地、耕地的價(jià)值量持續(xù)增加(0.83×108元、0.80×108元),林地的年均增加率最大(1.05%);水庫(kù)坑塘的價(jià)值量先增加后減少,年均變化率總體下降(-1.14%).由水域(湖泊河流、水庫(kù)坑塘)引起的價(jià)值量變化,占到總ESV下降的109%,其次是內(nèi)陸灘涂,占到17.4%,這說明水域和內(nèi)陸灘涂?jī)r(jià)值量的變化對(duì)區(qū)域總ESV的變化有決定性作用.

利用GIS技術(shù)將ESV量化到每一個(gè)格網(wǎng),分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的時(shí)空演變.總體而言,ESV高值區(qū)主要集中在中部和東北部湖群水域中;北部地區(qū)ESV高于南部地區(qū)(圖3).

對(duì)比3期華陽河湖群地區(qū)ESV總價(jià)值量和ESV差值的空間分布圖(圖3、圖4),可以看出湖岸區(qū)域及長(zhǎng)江沿岸區(qū)域,價(jià)值量均出現(xiàn)了較嚴(yán)重的下降,這是人類將灘涂地轉(zhuǎn)變?yōu)楦睾徒ㄔO(shè)用地的明確體現(xiàn);同時(shí)在湖岸和長(zhǎng)江沿岸局部地區(qū)出現(xiàn)了價(jià)值量增加,以黃湖和大官湖最為明顯,龍感湖較輕,主要原因是人類圍墾湖區(qū),將水域轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)陸灘涂.北部地區(qū)價(jià)值量增減交錯(cuò)密集分布,以增加為主且增加區(qū)域逐漸集聚,主要原因是北部丘陵地區(qū)施行退耕還林,林地面積增加,但同時(shí)林地、草地不斷地轉(zhuǎn)變?yōu)楦?所以斑塊增減分布較為瑣碎.南部地區(qū)價(jià)值量減少且減少區(qū)域逐漸擴(kuò)大成片,主要原因是在千畝糧棉油基地的建設(shè)和南部濱江新城板塊建設(shè)的驅(qū)動(dòng)下耕地面積和建設(shè)用地面積迅猛擴(kuò)張.連通湖群南北的宿復(fù)大道價(jià)值量降低較為嚴(yán)重,主要原因是交通道路的拓展使內(nèi)陸灘涂和耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地.

值得明確的是,雖然湖泊局部地區(qū)出現(xiàn)了價(jià)值量增長(zhǎng),但這恰恰是不合理的人類活動(dòng)使生態(tài)系統(tǒng)功能的最大效用得不到發(fā)揮的表現(xiàn),總體上濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值大大降低.

表2 華陽河湖群地區(qū)土地利用類型面積變化

圖2 華陽河湖群地區(qū)土地利用類型分布

表3 華陽河湖群地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值

圖3 華陽河湖群地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間分布

圖4 華陽河湖群地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值差值空間分布

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值流向損益分析

由生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值流向損益模型,得到華陽河湖群地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值流向損益矩陣(表4).結(jié)果表明:①1990~2002年,ESV增值5.24×108元,損失8.67×108元,共計(jì)損失3.43×108元.約82%的增值來自于建設(shè)用地轉(zhuǎn)湖泊河流,耕地轉(zhuǎn)林地,建設(shè)用地、耕地轉(zhuǎn)水庫(kù)坑塘;約81%的價(jià)值損失來源于湖泊河流、林地轉(zhuǎn)耕地及其他用地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地.②2002~2010年間,ESV增值4.01×108元,損失7.12×108元,共計(jì)損失3.11×108元.這一時(shí)段內(nèi)土地格局轉(zhuǎn)換較前一時(shí)段更為劇烈.73%的價(jià)值增值來自于耕地、建設(shè)用地轉(zhuǎn)林地,耕地和建設(shè)用地轉(zhuǎn)湖泊河流,58%的價(jià)值損失主要由各類用地轉(zhuǎn)為耕地,34%的價(jià)值量損失來源于其他用地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地.③1990~2010年,ESV增值3.20×108元,損失9.58×108元,共計(jì)損失6.38×108元.其中耕地和林地的相互轉(zhuǎn)換引起ESV增長(zhǎng)了0.36×108元,但湖泊河流、水庫(kù)坑塘和內(nèi)陸灘涂大量向耕地和建設(shè)用地轉(zhuǎn)入等轉(zhuǎn)變導(dǎo)致的價(jià)值量損失高達(dá)9.38×108元.

表4 華陽河湖群地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值流向損益矩陣(108元)

綜上,20a以來華陽河湖群地區(qū)ESV增值主要來源于林地面積的增長(zhǎng),但湖泊河流、水庫(kù)坑塘和內(nèi)陸灘涂面積大量轉(zhuǎn)變?yōu)楦睾徒ㄔO(shè)用地致使ESV大量損失.雖然在轉(zhuǎn)換過程中,其他地類對(duì)單位價(jià)值量較高的水域和內(nèi)陸灘涂也有一定面積的補(bǔ)充,但總體入不敷出,區(qū)域整體的價(jià)值量損失較大.

2.3 單項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能變化

表5 華陽河湖群地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)各功能變化情況

以一級(jí)服務(wù)來看,調(diào)節(jié)服務(wù)遠(yuǎn)強(qiáng)于支持服務(wù)、文化服務(wù)、供給服務(wù).以二級(jí)服務(wù)來看,水文調(diào)節(jié)和廢物處理的價(jià)值貢獻(xiàn)率合計(jì)大于60.2%,但糧食生產(chǎn)和原材料兩者貢獻(xiàn)率不大于5.23%,表明華陽河湖群地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)性功能遠(yuǎn)大于生產(chǎn)性功能.

20a以來,供給服務(wù)和支持服務(wù)增強(qiáng),調(diào)節(jié)服務(wù)和文化服務(wù)減弱,表明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)性功能逐漸向生產(chǎn)性功能轉(zhuǎn)變.然而雖然食物生產(chǎn)、原材料生產(chǎn)、氣體調(diào)節(jié)、保持土壤功能增強(qiáng),但無法彌補(bǔ)氣候調(diào)節(jié)、水文調(diào)節(jié)、廢物處理、生物多樣性保護(hù)、提供美學(xué)景觀功能的大幅度減弱,導(dǎo)致華陽河湖群地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)性功能衰減程度較大.

2.4 人類活動(dòng)強(qiáng)度的空間分異分析

分別計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格的人類活動(dòng)強(qiáng)度數(shù)(HAI),并將其作為每個(gè)網(wǎng)格中心點(diǎn)的值,在趨勢(shì)分析和正態(tài)檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上,利用Kriging空間插值方法得到華陽河湖群地區(qū)1990年、2002年、2010年3期人類活動(dòng)強(qiáng)度的空間分布圖(圖5).HAI值介于0~1之間,數(shù)值越大表示人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化的干擾越強(qiáng);反之表示人類干擾越小.將人類活動(dòng)強(qiáng)度指數(shù)(HAI)定義為5類:高(HAI>0.80)、較高(0.60< HAI￡0.80)、中(0.40

圖5 華陽河湖群地區(qū)人類活動(dòng)強(qiáng)度分布

華陽河湖群地區(qū)人類活動(dòng)強(qiáng)度以低影響、中影響和中高影響為主.低影響區(qū)域主要集中湖泊群及長(zhǎng)江等水域中部,中高影響同中影響區(qū)域交織分布在北部地區(qū),高影響區(qū)域多集中在南部及西南部地區(qū).比較3期人類活動(dòng)強(qiáng)度分布圖,可以發(fā)現(xiàn)其變化趨勢(shì)為:20a以來,湖泊群水域中部的低影響區(qū)域基本保持不變,但湖岸的低影響區(qū)域逐漸發(fā)展為中低影響區(qū)域,北部中高影響區(qū)域先擴(kuò)大后又縮小;南部中高影響區(qū)域呈蔓延式擴(kuò)展成片,高影響強(qiáng)度斑塊增多.

在湖岸區(qū),人類逐年不斷地向湖要地,一方面占用天然湖濱濕地改造成為人工濕地,另一方面加大圍網(wǎng)養(yǎng)殖的規(guī)模和密度,促使這一區(qū)域人類活動(dòng)強(qiáng)度在面積和程度上都有很大加強(qiáng).宿松縣出臺(tái)的森林保護(hù)政策限制砍伐和林地轉(zhuǎn)換,使北部地區(qū)人類干擾降低.在龍感湖建立自然保護(hù)區(qū)對(duì)人類活動(dòng)嚴(yán)格管控,使中高影響區(qū)域明顯減少.但同時(shí)隨著宿松縣南部濱江三鄉(xiāng)鎮(zhèn)成為新的發(fā)展重點(diǎn),吸引人口向這三鄉(xiāng)鎮(zhèn)遷移集聚,湖群南部的人類活動(dòng)強(qiáng)度有明顯提升.

研究發(fā)現(xiàn):在經(jīng)濟(jì)利益和政府政策的推動(dòng)下,干擾強(qiáng)度高的區(qū)域主要分布在湖濱及開發(fā)區(qū),其變化規(guī)律及分布趨勢(shì)與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值高低值相反.干擾強(qiáng)度最大的區(qū)域也是人類活動(dòng)最頻繁和環(huán)境質(zhì)量退化最顯著的區(qū)域.

2.5 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與人類活動(dòng)強(qiáng)度指數(shù)的雙變量空間自相關(guān)分析

自相關(guān)分析采用Geoda095i空間分析工具,建立空間權(quán)重矩陣,計(jì)算1990、2002、2010年人類活動(dòng)強(qiáng)度與生態(tài)服務(wù)價(jià)值的雙變量空間自相關(guān)指數(shù),獲得Moran’I散點(diǎn)圖(圖6).可以看出,散點(diǎn)主要分布在第二象限(LH)和第四象限(HL),第一象限(HH)和第三象限(LL)分布較少,說明HAI和ESV具有空間負(fù)相關(guān)性.從沿趨勢(shì)線分布散點(diǎn)的變化情況來看,2002年的負(fù)相關(guān)程度最強(qiáng),Moran指數(shù)達(dá)到了-0.70,1990年為-0.69,2010年為-0.67,故1990年~2010年負(fù)相關(guān)程度先增強(qiáng)后減弱.1990~2010年,第二和第四象限點(diǎn)逐漸集中,表明在HAI低和ESV高和HAI高和ESV低的區(qū)域各格網(wǎng)間差異減小.

在Geoda095i中采用蒙特卡羅模擬的方法對(duì)Moran’進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),三期值均等于0.001,說明99.9%的置信度下的空間自相關(guān)是顯著的.

圖6 華陽河湖群地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與人類活動(dòng)強(qiáng)度的Moran散點(diǎn)

LISA聚類圖是對(duì)Moran散點(diǎn)圖中通過了顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域單元的地理表達(dá).在z檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上(=0.05)繪制雙變量局部空間自相關(guān)LISA聚集圖(圖7).華陽河湖群地區(qū)HAI和ESV的雙變量空間相關(guān)關(guān)系的聚集形態(tài)明顯,主要以低-高相關(guān)和高-低相關(guān)為主,僅在零星區(qū)域呈現(xiàn)高-高相關(guān)和低-低相關(guān),這說明了人類活動(dòng)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的負(fù)相關(guān)具有空間差異性.20a以來,高-高相關(guān)區(qū)域有所增加,低-高相關(guān)區(qū)域有所減少,其他集聚方式區(qū)域基本不變,這印證了Moran’I散點(diǎn)圖所揭示的空間負(fù)相關(guān)性.

在顯著性水平=0.05的情況下,利用99次置換方法對(duì)局部Moran's指數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),繪制LISA顯著性水平圖(圖8).大部分區(qū)域的相關(guān)性不顯著,主要在低-高聚集區(qū)和高-低聚集區(qū)表現(xiàn)出較高的顯著性水平.顯著性水平達(dá)到=0.01的區(qū)域和顯著性水平達(dá)到=0.05的區(qū)域交錯(cuò)分布.20年以來,=0.01的區(qū)域面積呈增長(zhǎng)趨勢(shì),主要發(fā)生在湖群地區(qū),表明這部分區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在空間分布上的差異性變小,空間趨同性增強(qiáng).=0.05的區(qū)域面積減小,表明空間差異性增大.

圖7 華陽河湖群地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與人類活動(dòng)強(qiáng)度LISA聚類

圖8 華陽河湖群地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與人類活動(dòng)強(qiáng)度LISA顯著性水平

2.6 討論

目前,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估尚未形成一套完整的評(píng)價(jià)體系[10].較為常用的評(píng)估方法主要有基于單位服務(wù)功能價(jià)格的方法和基于單位面積價(jià)值當(dāng)量因子的方法兩類[40].這兩種方法在計(jì)算模型、參數(shù)選擇等方面不同,故評(píng)估結(jié)果也存在較大差異.當(dāng)量因子法以土地利用覆被數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源,能夠更好的反應(yīng)人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、過程、功能的影響,且便于結(jié)合GIS進(jìn)行空間分析,因此本研究采用此方法.但當(dāng)量因子法自身也存在一定缺陷,如對(duì)當(dāng)量因子數(shù)值較為依賴,修正方法和參數(shù)的不同都會(huì)使評(píng)價(jià)結(jié)果產(chǎn)生差異.此外,由于生態(tài)系統(tǒng)具有異質(zhì)性、復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)性特征,其服務(wù)功能也表現(xiàn)出明顯的空間尺度差異性[40].采用空間自相關(guān)分析方法,可直觀地描述生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值和人類活動(dòng)強(qiáng)度時(shí)空演化的宏觀尺度特征,但其演化過程中的局部異常信息難于被有效識(shí)別.因此需要更為精準(zhǔn)的評(píng)估模型,以便能夠識(shí)別不同尺度下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值非線性變化特征及局部特異信息.

作為長(zhǎng)江中下游的重要湖泊濕地和蓄洪區(qū),20a以來,華陽河湖地區(qū)土地利用/覆被類型的改變直接導(dǎo)致了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能結(jié)構(gòu)的改變,使華陽河湖群由一個(gè)集防洪治洪、水利灌溉、提供產(chǎn)品的多功能湖泊轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)性功能大量提升,服務(wù)性功能急劇衰退的功能欠協(xié)調(diào)型湖泊.對(duì)濕地和水域的大規(guī)模圍墾雖然使湖濱局部地區(qū)的生產(chǎn)功能增強(qiáng),帶來短期經(jīng)濟(jì)效益的提升,但從長(zhǎng)期來看,生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)、文化服務(wù)的大量喪失,將會(huì)影響到人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)的支持基礎(chǔ),為湖濱區(qū)域帶來不可逆轉(zhuǎn)的人類福利的損失.

對(duì)于華陽河湖群地區(qū)及整個(gè)長(zhǎng)江中游湖泊群,協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的矛盾仍是當(dāng)務(wù)之急.需要以河湖群生態(tài)系統(tǒng)功能協(xié)調(diào)為原則,統(tǒng)籌考慮社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)功能保護(hù),建立分區(qū)差異化利用管理體制.對(duì)于水域,應(yīng)從華陽河湖群全流域整體上減少各類污染,降低河湖群接納污水的壓力,加強(qiáng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)高值區(qū)的保值與增值;在湖岸區(qū)域,應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格取締圍網(wǎng)養(yǎng)殖、實(shí)行退耕環(huán)湖,拆除不合理的水利設(shè)施,恢復(fù)江湖互通的生態(tài)走廊;湖群北部地區(qū)應(yīng)繼續(xù)跟進(jìn)退耕還林工作,加大水土保持力度.湖群南部新城板塊應(yīng)以保護(hù)和修復(fù)河湖群生態(tài)功能為前提,建設(shè)生態(tài)城市.總之,必須樹立生態(tài)文明理念,協(xié)調(diào)湖泊利用與保護(hù)間的矛盾;引導(dǎo)人類活動(dòng)向生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值保值和增值方向發(fā)展;形成生產(chǎn)、生活、生態(tài)合理的國(guó)土空間的利用格局;實(shí)現(xiàn)河湖群功能整體的增強(qiáng)和優(yōu)化.

3 結(jié)論

3.1 1990年、2002年和2010年,華陽河湖群地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值分別為55.38×108元、52.13× 108元、49.27×108元,共減6.10×108元.水體和耕地是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的主體.生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的高值區(qū)主要集中在中部和東北部湖群水域中,北部地區(qū)價(jià)值量高于南部地區(qū).1990~2010年湖岸區(qū)域和長(zhǎng)江沿岸區(qū)域是價(jià)值量嚴(yán)重下降區(qū)域,湖群北部地區(qū)價(jià)值量增加趨勢(shì)明顯;南部地區(qū)以價(jià)值量減少趨勢(shì)明顯.

3.2 1990~2010年,華陽河湖群地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值增值主要來源于林地面積增加,價(jià)值損失歸因于湖泊河流、水庫(kù)坑塘和內(nèi)陸灘涂面積大量轉(zhuǎn)變?yōu)楦睾徒ㄔO(shè)用地.退耕還林的執(zhí)行、濱江新城板塊的建設(shè)和圍湖墾殖是價(jià)值量變化的主要驅(qū)動(dòng)力.

3.3 華陽河湖地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)性功能遠(yuǎn)強(qiáng)于生產(chǎn)性功能.一級(jí)服務(wù)中調(diào)節(jié)服務(wù)占絕對(duì)比重;二級(jí)服務(wù)中水文調(diào)節(jié)和廢物處理突出.1990~2010年食物生產(chǎn)、原材料生產(chǎn)、氣體調(diào)節(jié)功能增強(qiáng),氣候調(diào)節(jié)、水文調(diào)節(jié)、廢物處理、生物多樣性保護(hù)、提供美學(xué)景觀功能的大幅度減弱,導(dǎo)致華陽河湖群地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)性功能逐漸向生產(chǎn)性功能轉(zhuǎn)變.

3.4 華陽河湖群地區(qū)人類活動(dòng)強(qiáng)度以低影響、中影響和中高影響為主.低影響區(qū)域主要集中在湖群及長(zhǎng)江水域中,北部中高影響和中影響區(qū)域交織分布,南部和西南部區(qū)域高影響區(qū)域集聚.1990~2010年湖岸的低影響區(qū)域逐漸發(fā)展為中低影響區(qū)域,北部中高影響區(qū)域先擴(kuò)大后又縮小,南部中高影響區(qū)域擴(kuò)展成片,高影響強(qiáng)度斑塊增多.

3.5 華陽河湖群地區(qū)人類活動(dòng)強(qiáng)度和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值呈現(xiàn)顯著的空間負(fù)相關(guān).人類活動(dòng)強(qiáng)度和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的主要關(guān)系為低-高相關(guān)和高-低相關(guān).其中低-高相關(guān)區(qū)域集中在中部湖群水域中,高-低區(qū)域出現(xiàn)在湖群南部和北部陸地區(qū)域.1990~ 2010年,高-高相關(guān)區(qū)域有所增加,低-高相關(guān)區(qū)域有所減少,其他集聚方式區(qū)域基本不變.

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致謝：本課題得到中國(guó)科學(xué)院流域地理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助(編號(hào):WSGS2017007),在此表示感謝.

Spatial-temporal correlation analysis of ecosystem services value and human activities—a case study of Huayang lakes area in the middle reaches of Yangtze River.

NAN Bo, YANG Zi-han, BI Xu, FU Qi, LI Bo*

(Faculty of Geographical Science, Beijing Normal University, Beijing 100875, China)., 2018,38(9)：3531~3541

Based on multi-temporal remote-sensing images (1990, 2002, 2010) in the Huayang Lakes area, a typical lakes area in Yangtze river basin, we built the Ecosystem Services Value (ESV) assessment model using the equivalent factor method and developed the ecosystem service flow gain-and-loss matrix. Meanwhile, a human activity intensity index (HAI) was introduced and correlated with ESV by bivariate spatial autocorrelation method. The results indicated that: The ESV decreased continuously for 20years mainly resulted from the conversions of water area, tidal-flat area into cultivated land and construction land. From 1990to 2010, the lakeside area showed a massive reduction in ESV. The high ESV areas were distributed mainly in the central and northeastern lake areas because of the returning from farmland to forest in hilly areas. The southern lake areas decreased substantially with the decreased area expanded because of the agricultural bases and new cities construction. The supply and support services functions had been strengthened, conversely, the regulation and cultural services had been weakened. Spatially, human activities intensity was dominated by low-intensity, medium-intensity and medium-high intensity. The low-intensity human activities were mainly distributed around lake areas, with medium-intensity and medium-high intensity interlaced in the northern region and high-intensity in the southern and southwestern regions. According to the bivariate spatial autocorrelation analysis, HAI was discovered to have the significant negative correlation with ESV. Spatial correlation was significant and the degree of spatial agglomeration was relatively high in the study area. The bivariate LISA figures between HAI with ESV showed the high-low clusters located near the south shore of lakes and the low-high groups mainly gathered in the center water area. It is vital to establish the regional differentiated utilization management policies under the principle of ecological and economy coordinated development in this region and even in the whole Yangtze River basin.

ecosystem services value；human activities intensity；spatial-temporal correlation；Huayang lakes area

X24

A

1000-6923(2018)09-3531-11

南 箔(1988-),女,甘肅蘭州人,北京師范大學(xué)博士研究生,主要從事土地利用與生態(tài)響應(yīng)研究.發(fā)表論文10余篇.

2018-03-06

國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2014BAC15B00);中國(guó)科學(xué)院流域地理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金:華陽河湖群地區(qū)土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響(WSGS2017007)

* 責(zé)任作者, 教授, 03143@bnu.edu.cn