贛南地區(qū)土地利用格局及生態(tài)系統(tǒng)服務價值的時空演變

徐煖銀,郭 濼,薛達元,孫思琦

1 中央民族大學生命與環(huán)境科學學院,北京 1000812 北京大學城市規(guī)劃與設計學院,深圳 518055

土地利用/土地覆蓋變化(LUCC)是全球氣候變化和全球環(huán)境變化研究中的重要內(nèi)容,是人類社會經(jīng)濟活動行為與自然生態(tài)過程交互銜接的紐帶[1- 2]。土地利用變化的同時也引起生態(tài)系統(tǒng)服務功能和結構的變化,從而帶來生態(tài)系統(tǒng)服務價值的改變[3]。生態(tài)系統(tǒng)服務是通過生態(tài)系統(tǒng)的功能直接或間接得到的產(chǎn)品和服務,是由自然資本的能流、物流、信息流構成的生態(tài)系統(tǒng)服務和非自然資本結合在一起所產(chǎn)生的人類福利[4- 6]。1997年Costanza等[5]在Nature上發(fā)表的關于全球生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估的文章,生態(tài)系統(tǒng)服務開始成為生態(tài)學的熱點研究。國內(nèi)外學者先后對Costanza提出的評估方法進行相關的研究,Dawson N.等發(fā)現(xiàn)由于生態(tài)系統(tǒng)服務理論未對社會復雜性進行考慮,使得相關研究不能為實際社會中的生態(tài)管理提供有效的指導方案[7]。Hassan M.認為生態(tài)系統(tǒng)本身存在異質(zhì)性,不同地區(qū)使用同一套生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)的做法,其結果的準確性將會受到質(zhì)疑[8]。因此,我國學者謝高地等[9]在Costanza理論基礎上針對中國的實際情況對其進行系數(shù)修正,得到了中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量表。當量因子法與常見的條件價值法、影子工程法、市場機會法和資產(chǎn)價值法等相比具有使用簡便、數(shù)據(jù)需求少、結果可比性高、評估全面等優(yōu)點,該方法被較多研究人員用于區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估[10- 15]。

贛南地區(qū)是典型的南方山地丘陵區(qū),屬于贛江流域重要的生態(tài)屏障區(qū),該區(qū)林業(yè)資源豐富,森林覆蓋率高,其豐富的林業(yè)資源和保護良好的原生生態(tài)系統(tǒng)對區(qū)域氣候調(diào)節(jié)和生態(tài)平衡至關重要。生態(tài)系統(tǒng)服務價值與社會經(jīng)濟的發(fā)展狀況及區(qū)域的自然地理要素分布密切相關,生態(tài)系統(tǒng)服務空間格局是人類針對不同區(qū)域特征實施生態(tài)系統(tǒng)服務功能保護和利用的重要依據(jù)。因此本文從區(qū)域尺度上對生態(tài)系統(tǒng)服務價值格局的時空變化進行量化和描述,并且利用SPSS和GeoDa軟件對生態(tài)系統(tǒng)服務價值時空變化的驅動因素進行多元回歸分析和空間相關性分析,進一步為科學開展丘陵生態(tài)系統(tǒng)服務空間格局研究、生態(tài)系統(tǒng)的管理和資源的合理有效配置、生態(tài)環(huán)境保護、制定社會經(jīng)濟發(fā)展政策提供重要依據(jù),對促進該區(qū)域生態(tài)環(huán)境改善和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展,人與自然的和諧發(fā)展具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

贛南地區(qū)位于江西省南部,贛江上游,包括贛州市全區(qū)的18個縣市,全區(qū)總面積3934700 hm2,占江西總面積的23.6%,為江西省最大的行政區(qū),地處24°29′—27°09′N,113°54′—116°38′E之間(圖1)。全區(qū)平均海拔高度在300—500 m之間,山地、丘陵占總面積的80.98%,是典型的山地丘陵區(qū)。該區(qū)多年平均氣溫19.3℃,多年平均降水量1568.75 mm,屬于亞熱帶山區(qū)濕潤季風氣候,水熱條件好,氣候條件優(yōu)越。其林業(yè)資源豐富,森林覆蓋率達到74.54%,是我國商品林基地和重點開發(fā)的林區(qū)之一。該區(qū)豐富的林地資源和保護良好的原生生態(tài)系統(tǒng),對全省的生態(tài)系統(tǒng)服務的價值有較大的貢獻,但其耕地面積小,耕地后備資源不足,且該區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件較差,經(jīng)濟技術水平落后,城鎮(zhèn)化水平較低。故對該區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務價值的空間格局進行研究,有助于優(yōu)化該區(qū)的產(chǎn)業(yè)分布,在不破壞生態(tài)環(huán)境的前提下,實現(xiàn)該區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務最優(yōu)策略,從而促進當?shù)亟?jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。

圖1 研究區(qū)位圖Fig.1 Location of the study area

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

本研究采用1990年、1995年、2000年、2005年、2010年和2015年6個時段的Landsat TM/ETM遙感影像,結合研究區(qū)域1∶25萬地形圖、土壤和植被專題圖進行分析。利用面向對象的遙感分類方法,結合區(qū)域土地類型特征,將贛南地區(qū)土地利用類型分為兩級(圖2),一級用地分為6類：耕地、林地、草地、水體、建設用地和未利用地,二級分類中把林地分為針葉林、闊葉林、針闊混交林和灌木林,耕地分為水田和旱地,六期遙感影像解譯精度均達到80%以上。

圖2 贛南地區(qū)土地利用分類圖Fig.2 Land use types in Gannan region

2.2 土地利用動態(tài)度

土地利用動態(tài)度是評價土地利用類型數(shù)量變化、土地利用程度變化及土地利用變化的區(qū)域差異的指標[16]。本文計算了贛南地區(qū)的單一土地動態(tài)度和綜合土地動態(tài)度,以分析1990—2015年贛南地區(qū)的土地利用動態(tài)。

綜合土地利用類型動態(tài)度公式:

式中,LUi監(jiān)測起始時第i類土地利用類型的面積；ΔLUi-j為監(jiān)測時段內(nèi)第i類土地利用類型轉為非i類土地利用類型面積的絕對值；T為監(jiān)測時段長度。當T的時段設定為年時,LC的值就是該研究區(qū)土地利用年變化率。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估

本文參照近年來關于生態(tài)系統(tǒng)價值的研究[17-22],結合謝高地等[9]提出的價值當量換算方法確定贛南地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量表。謝高地等將生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)的凈利潤看作該生態(tài)系統(tǒng)所能提供的生產(chǎn)價值,將單位面積農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)糧食生產(chǎn)的凈利潤當作1個標準當量因子的生態(tài)系統(tǒng)服務價值量。確定中國2010年1個生態(tài)系統(tǒng)價值當量的經(jīng)濟價值為3406.50元/hm2,根據(jù)《2010年贛州市統(tǒng)計年鑒》(贛州市統(tǒng)計局,2011) 資料,贛州市單位面積糧食產(chǎn)量為5345 kg/hm2,而同期全國單位面積糧食產(chǎn)量為4974 kg/hm2,以此對各生態(tài)系統(tǒng)服務當量價值進行系數(shù)修訂,得出研究區(qū)的修正系數(shù)為1.075,即贛南地區(qū)的一個生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量為3528.79元/hm2。根據(jù)修正后的價值當量和各用地類型的面積得到贛南地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值。生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值的評估公式為：

式中,ESV表示生態(tài)系統(tǒng)的總服務價值；Ai表示第i種土地利用類型的面積(hm2)；VCi表示第i種土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)；ESVf表示生態(tài)系統(tǒng)第f項服務功能的價值；VCfi表示第i種土地利用類型的第f項生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)。

2.4 驅動因素分析

生態(tài)系統(tǒng)服務價值時空差異的驅動因素包括自然因素和人為因素兩大類[23]。根據(jù)相關研究[10-11]可知,生態(tài)系統(tǒng)服務價值在短時間內(nèi)主要受到人為因素的干擾。本文參考其他學者已有研究并結合數(shù)據(jù)可獲取性,選取人口、經(jīng)濟和旅游3個指標的21個人為因素在SPSS 19中進行主成分分析及相關性分析,篩選出對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務價值時空變化差異影響較大的驅動因素進行多元線性回歸分析,得到線性回歸方程,從而得到生態(tài)系統(tǒng)服務價值時空變化的主要驅動因素。

2.5 空間自相關分析

根據(jù)驅動因素分析的結果選取人均GDP、人口密度和城市化率3個指標進行空間相關性分析。利用GeoDa模型中的Bivariate Local Moran′s I分析贛南地區(qū)ESV與人口密度、人均GDP和城鎮(zhèn)化率相關性,繪制BiLISA集聚圖,把集聚區(qū)域劃分為：不顯著、高-高型、低-低型、低-高型和高-低型[24-25]。

3 結果與分析

3.1 贛南地區(qū)土地利用類型空間變化特征

1990—2015年林地一直是贛南地區(qū)的主要土地利用類型,占總面積的比例分別為75.248%,75.266%,75.175%,74.969%,75.055%,74.542%,處于生態(tài)系統(tǒng)的主導地位。耕地為面積比重第二高的土地利用類型,主要分布在贛南地區(qū)東北部的寧都縣,于都縣,興國縣及西北部的南康市和信豐等縣。贛南地區(qū)的草地、水體、建設用地和未利用地所占面積比重較少。

根據(jù)土地利用動態(tài)評估結果(表1)可知,1990—2015年,贛南地區(qū)土地利用綜合動態(tài)度呈上升趨勢,但整體變化幅度較小。2010—2015年,土地利用動態(tài)度達到最大值,2005—2010年最小。這說明2010—2015年土地利用最為活躍,而2005—2010年土地利用最不活躍。林地在1990—2005年間一直呈現(xiàn)下降的趨勢,在2005—2010年間有所上升,2010年之后又呈現(xiàn)下降的趨勢。與林地變化趨勢恰好相反,耕地面積呈增加趨勢,由1990年的670800 hm2,上升到2015年的680900 hm2,凈增加11100 hm2,尤其是大余縣、尋烏縣、贛縣的耕地面積呈現(xiàn)迅速上升趨勢。在2005年之前,贛南大多數(shù)地區(qū)的耕地面積都在增加,只有少部分呈現(xiàn)下降趨。2005年開始,除大余縣之外,大部分縣都較好地執(zhí)行國家退耕還林政策,耕地面積基本保持下降或者平衡狀態(tài)。草地面積在2010年以前持續(xù)減少,在2010—2015年期間出現(xiàn)上升,整體呈略微上升的趨勢,面積的變化也表明了2010年以后退耕還林還草政策的作用更加顯現(xiàn)。2000年后贛南地區(qū)開始步入快速城鎮(zhèn)化發(fā)展期,隨著經(jīng)濟發(fā)展,大量農(nóng)民外出務工,部分耕作條件差的農(nóng)田被撂荒變?yōu)椴莸?這也是導致耕地面積減少的部分原因。贛南地區(qū)水體的面積基本保持穩(wěn)定狀態(tài)。建設用地主要分布在市區(qū)和縣城,一直呈快速增加之勢,其面積由1990年的33000 hm2快速增加到2015年的47900 hm2,凈增14900 hm2,為1990年的1.5倍。

表1 1990—2015年贛南地區(qū)土地利用動態(tài)度

3.2 贛南地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值時空變化

3.2.1生態(tài)系統(tǒng)服務價值時間維度的差異性分析

本研究以5年為一個時間尺度,估算了基于土地利用二級分類的1990—2015年贛南地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務價值量(表2)。1990—2015年贛南地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務價值量分別為2526.48、2519.66、2516.93、2508.86、2510.63、2506.06億元,整體呈現(xiàn)下降的趨勢。贛南地區(qū)最突出的生態(tài)系統(tǒng)服務為調(diào)節(jié)服務,占總服務價值的68.50%,其次依次為支持服務,供給服務和文化服務。

表2 1990—2015年贛南地區(qū)不同類型生態(tài)系統(tǒng)服務價值估算表 /108元

調(diào)節(jié)服務主要包括氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、凈化環(huán)境和水文調(diào)節(jié)4個方面的內(nèi)容。贛南地區(qū)氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)和凈化環(huán)境服務功能的變化基本一致,呈下降趨勢,在1990—1995年及2005—2010年有略微的回升,其他階段均為下降趨勢。這3種調(diào)節(jié)功能主要受耕地、林地和水體的影響較大,由于贛南地區(qū)林地的面積比重很大,所以調(diào)節(jié)功能變化與林地的面積變化基本保持一致。水文調(diào)節(jié)整體呈現(xiàn)出先下降后上升再下降的過程,該功能受水體的影響較大,水文調(diào)節(jié)價值的變化與水體的面積變化一致,均呈現(xiàn)出下降,上升再平穩(wěn)下降的趨勢。

贛南地區(qū)第二大服務功能為支持服務,該功能包括土壤保持功能、生物多樣性功能和維持養(yǎng)分循環(huán)功能,土壤保持功能和生物多樣性功能的變化趨勢表現(xiàn)一致,在2005年之前呈現(xiàn)下降趨勢,之后略有回升,2010年后再次下降。維持養(yǎng)分循環(huán)功能的價值則呈現(xiàn)波動下降狀態(tài),尤其是2010年后下降迅速,原因是該功能除了受草地和林地的影響之外,還受到了耕地的較大影響。耕地在2010年前穩(wěn)步上升,耕地的上升彌補了林地和草地變化帶來的影響,這也是維持養(yǎng)分循環(huán)功能在2010年之前的價值變化相比另外兩個功能的價值變化較為平穩(wěn)的主要原因,而2010年后林地和耕地都呈現(xiàn)較大的下降,所以維持養(yǎng)分功能下降最為劇烈。

供給服務和文化服務比重較小且在研究期內(nèi)變化不大。供給服務中的食物生產(chǎn)功能主要受到耕地的影響,故贛南地區(qū)食物生產(chǎn)功能價值的變化與耕地面積變化保持一致,呈現(xiàn)出緩慢增加,快速增加,緩慢減少和快速減少四個階段。原料生產(chǎn)受林地、草地和旱地的影響都較大,該區(qū)的原料供給功能價值變化與林地變化呈現(xiàn)較為同步的趨勢,主要還是由于林地面積比重大,對其價值變化的引導起到了主要的作用。水資源供給受到水體和水田的影響較大,水體對于水資源供給有很大的貢獻,而水田在很大程度上削弱了水資源服務的價值。贛南地區(qū)供給服務的主要貢獻者是食物生產(chǎn)和原料生產(chǎn),水資源供給價值較小,其變化對總供給服務的影響幾乎為零,故其變化主要受到林地、耕地和草地3個用地類型綜合影響,變化原因較為復雜,整體呈減少的趨勢。文化服務價值受林地和水體的影響較大,基本處于下降,這與林地的變化趨勢較為一致。

整體上,贛南地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務價值呈現(xiàn)下降的趨勢,在1990—2015年期間總價值減少,總價值變化與調(diào)節(jié)服務的變化趨勢一致。

3.2.2生態(tài)系統(tǒng)服務價值空間維度的差異性分析

生態(tài)系統(tǒng)服務價值總量隨著時間的變化呈減少趨勢,但總量的變化并不能反映空間上的變化,本文采用單位面積(hm2)生態(tài)系統(tǒng)服務價值來分析各縣生態(tài)系統(tǒng)服務價值(ESV)的空間變化(表3,圖3),分析結果可知：崇義縣的生態(tài)系統(tǒng)服務價值最高,1990—2015年的生態(tài)系統(tǒng)服務價值均排在第一,超過70000元/hm2,贛州市市區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務價值最低,1990—2015年均排在最后,且處于持續(xù)下降狀態(tài)。把生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化分為Ⅰ型(增長型)和Ⅱ型(衰退型),贛南地區(qū)18個縣中有4個Ⅰ型和14個Ⅱ型,在14個Ⅱ型的縣中有8個縣的生態(tài)系統(tǒng)服務價值下降的值均超過1000元/hm2。從圖3可知,增長型主要分布在贛南地區(qū)的東部多個縣市和西北部的崇義縣,其他地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值處于下降的狀態(tài),其中西南地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值下降最為明顯。

表3 1990—2015年贛南地區(qū)各縣地均生態(tài)系統(tǒng)服務價值及類型/(元/hm2)

圖3 1990—2015年贛南地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值空間變化Fig.3 Spatial Change of ecosystem service value in Gannan region from 1990 to 2015

3.3 贛南地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值時空差異驅動因素分析

通過相關性分析和主成分分析后選取人口、經(jīng)濟及旅游3個指標的10個因素進行多元線性回歸分析,得到生態(tài)系統(tǒng)服務價值與各因素之間的線性回歸方程,該線性方程的擬合度大于0.99,擬合效果極好。

Y=-0.867X1+1.669X2+2.303X3-1.228X4-3.042X5+2808.247

式中,Y：生態(tài)系統(tǒng)服務價值(億元)；X1：農(nóng)業(yè)人口數(shù)(人)；X2：農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值(萬元)；X3：接待入境旅游人數(shù)(萬人)；X4：城市化率(%)；X5：人均GDP(元)。

通過多元回歸分析可知,贛南地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值的整體變化受到以上5個因素的影響。本文中城市化率由城鎮(zhèn)人口數(shù)占總人口數(shù)的比重求得,根據(jù)回歸方程的相關性系數(shù)可知,城市化率越高,生態(tài)系統(tǒng)服務價值越低。這是因為城鎮(zhèn)人口的增加會導致區(qū)域的經(jīng)濟和生態(tài)結構變化,從而導致生態(tài)系統(tǒng)服務價值發(fā)生變化。

3.4 贛南地區(qū)社會經(jīng)濟因素與生態(tài)系統(tǒng)服務價值空間相關性分析

根據(jù)多元回歸分析結果結合數(shù)據(jù)的可獲取性,選取贛南各縣市表征人口和經(jīng)濟的3個因素與生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化率進行空間相關性分析。局部分析結果(圖4)顯示：人均GDP、人口密度和城市化率與ESV的局部空間相關性具有高度的一致性,主要集中分布在贛南地區(qū)東北部的會昌、于都和瑞金3個縣市?？臻g相關性分析的顯著性水平達到95%以上,說明3個因素與ESV變化率的局部空間相關的顯著性良好。這3個縣市的ESV都呈現(xiàn)出較高的增長率,其中于都縣和瑞金市的人均GDP變化率和城市化變化率低,人口密度變化較大,故分別在局部形成低-高型和高-高型集聚。會昌縣因為高ESV變化率和高城市化率變化率,在城市化率變化率與ESV變化率的集聚上表現(xiàn)出與另外兩個縣不同的集聚模式。

圖4 贛南地區(qū)社會經(jīng)濟因素與生態(tài)系統(tǒng)服務價值空間相關性集聚圖Fig.4 The BiLISA cluster map of Socio-economic factors and ESV in Gannan region

4 討論

本文在謝高地等[9]于2015年更新的中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量表的基礎上結合贛南地區(qū)的實際情況進行系數(shù)修正,得到贛南地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量表,該法使用簡單,數(shù)據(jù)需求少,對于區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估特別適用。近年來關于江西及贛江區(qū)域較多研究[23,26-28]均使用該法進行區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估,因此運用該方法對贛南地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行評估方法合理,得到結果較為準確及可靠,且能夠較好的反應出贛南地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值的時空動態(tài)變化。生態(tài)系統(tǒng)服務價值時空變化的原因較多,根據(jù)選取的指標進行相關性分析和主成分分析可以剔除大部分對其影響較小且相關性不夠顯著的因素,最終選取10個因素進行多元回歸分析,得到生態(tài)系統(tǒng)服務價值的多元回歸方程,擬合度高,驅動因素分析較為準確。并且文章在此基礎上對關鍵驅動因素進行空間相關性分析,能夠更清楚贛南地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化受人為因素影響較大的空間分布,也有利于該區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)管理。

從分析結果可知,贛南地區(qū)的林地比例高,但其在25年間的處于下降趨勢,呈現(xiàn)與全國同期的林地變化相反的趨勢,這與贛南地區(qū)原本就極高的森林覆蓋率有極大的關聯(lián)。但高的森林覆蓋率并未賦予該區(qū)較高的生態(tài)系統(tǒng)服務價值,這與其地形特點有極大的關系。山地丘陵地形限制了其農(nóng)業(yè)的發(fā)展,因此提高農(nóng)業(yè)耕作技術和改善農(nóng)業(yè)種植環(huán)境對于該區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務價值提高極為重要。

5 結論

本文利用江西贛南地區(qū)6期遙感分類數(shù)據(jù),研究了25年間該區(qū)土地利用類型結構的變化,并對生態(tài)用地所提供的生態(tài)系統(tǒng)服務功能的時空演變進行評估,并分析了人均GDP變化率、人口密度變化率及城市化率變化率與ESV變化率的空間相關性。主要結論如下：

(1)贛南地區(qū)的主要用地類型為林地,根據(jù)土地利用動態(tài)度結果可知，1990—2015年,贛南地區(qū)土地利用綜合動態(tài)度呈上升趨勢,但整體變化幅度較小,其中建設用地,草地和耕地的單一動態(tài)度比其他四類用地單一動態(tài)度更大,說明這3種類型的用地變化最為明顯。

(2)贛南地區(qū)調(diào)節(jié)服務價值為總價值的主要貢獻者,占總價值的68.49%,因此贛南地區(qū)對于臨近城市乃至全省起到了很好的調(diào)節(jié)作用。但在研究期內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務價值整體呈現(xiàn)下降趨勢。

(3)通過多元回歸分析得出,影響贛南地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值時空差異的主要人為因素包括人均GDP、城市化率、農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值、農(nóng)業(yè)人口數(shù)和接待入境旅游人數(shù)。通過GeoDa空間相關分析可知,社會經(jīng)濟因素與ESV變化率的空間相關性主要集中的贛南東北地區(qū)三縣,在空間分布上具有極高的顯著性。

(4)林地對于贛南地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值的維持起到關鍵性作用,未來發(fā)展應注重保持現(xiàn)有的林地優(yōu)勢,積極開展生態(tài)旅游觀光等提升當?shù)氐慕?jīng)濟效益。同時要提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術,以改善其山地丘陵地勢所帶來的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)薄弱的劣勢。