京津冀城市群生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的時(shí)空動(dòng)態(tài)演變

汪東川 ，孫志超，孫然好，陳俊合，張威，張仙，王瀟

1. 天津城建大學(xué)地質(zhì)與測(cè)繪學(xué)院，天津 300384；2. 天津城建大學(xué)/天津市土木建筑結(jié)構(gòu)防護(hù)與加固重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384；3. 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心/城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085

生態(tài)系統(tǒng)作為地球生命與環(huán)境的統(tǒng)一，不僅是人類(lèi)生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，而且為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與功能的形成和維持提供了物質(zhì)基礎(chǔ)（李曉賽等，2015；虞依娜等，2010）。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指生態(tài)系統(tǒng)形成和維持的人類(lèi)賴(lài)以生存和發(fā)展的環(huán)境條件與效用（歐陽(yáng)志云等，1999；Lin et al.，2018），并主要通過(guò)供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、文化服務(wù)、支持服務(wù)等服務(wù)功能為人類(lèi)提供直接或間接的利益（熊善高等，2016；陳能汪等，2009），其價(jià)值的定量評(píng)估結(jié)果對(duì)資源管理決策、維持生態(tài)平衡、促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義（趙苗苗等，2017；陶寶先等，2010）。

自 20世紀(jì)末期以來(lái)，生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)安全日益受到重視，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值定量評(píng)估的研究已成為生態(tài)經(jīng)濟(jì)研究的熱點(diǎn)（Sawut et al.，2013）。最初，Costanza（1998）、Daily et al.（2000）、Groot et al.（2002）國(guó)外學(xué)者對(duì)全球的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行了全面系統(tǒng)的研究，在此基礎(chǔ)上，謝高地等（2001，2003）、歐陽(yáng)志云等（1999a，1999b）、趙景柱等（2000）為代表的國(guó)內(nèi)學(xué)者完善了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的相關(guān)理論、明確了生態(tài)系統(tǒng)的主要功能、構(gòu)建了適宜于中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的評(píng)價(jià)方法，并針對(duì)不同區(qū)域、不同尺度、不同類(lèi)型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行了評(píng)估，其結(jié)果對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)、生態(tài)功能分區(qū)等多個(gè)方面產(chǎn)生了一定的社會(huì)效益（Gong et al.，2017；Zhang et al.，2015；Zhang et al.，2015）。其中，謝高地于 2003年基于我國(guó)200多位生態(tài)學(xué)者的問(wèn)卷調(diào)查內(nèi)容提出的適合我國(guó)生態(tài)環(huán)境的“單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量表”被廣泛接受，并于 2008年從降低水域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的角度修正了該當(dāng)量表（謝高地等，2008）。修正后的方法本質(zhì)依然是基于土地利用/覆被變化進(jìn)行當(dāng)量賦值。然后結(jié)合單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)與各類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)面積實(shí)現(xiàn)對(duì)生態(tài)服務(wù)價(jià)值的定量評(píng)估，后來(lái)又于2015年構(gòu)建了NPP、降水、土壤保持空間調(diào)節(jié)因子，探究了中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在省/直轄市尺度上的異質(zhì)性（謝高地等，2015）。在此基礎(chǔ)上，劉金雅等（2018）基于泰森多邊形修正的市域邊界分析了京津冀城市群在地級(jí)市尺度上的異質(zhì)性，提高了生態(tài)服務(wù)價(jià)值的空間異質(zhì)性精度。隨著研究的深入，該方法依舊存在修正的空間。首先，該方法是問(wèn)卷調(diào)查的結(jié)果，對(duì)區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及價(jià)值的客觀性反映明顯低于主觀性反映（杜加強(qiáng)等，2008；李偉等，2014）；其次，該方法適宜于較大尺度的整體區(qū)域評(píng)估，但對(duì)區(qū)域內(nèi)生態(tài)服務(wù)價(jià)值空間差異性的反映精確度不足，尤其是同種土地利用類(lèi)型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的空間差異性（Zhang et al.，2015）；最后，該方法以土地利用類(lèi)型及面積屬性作為核心評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，但是關(guān)于土地利用內(nèi)部結(jié)構(gòu)與整體格局對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值影響的研究較少（王航等，2017；趙江等，2016；Yirsaw et al.，2017），且多數(shù)研究采用的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值定量評(píng)估方法，以靜態(tài)分析為主，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值受自然和經(jīng)濟(jì)條件變化影響的動(dòng)態(tài)演變研究不完善（Kreuter et al.，2001；Li et al.，2010）。

京津冀城市群作為推動(dòng)華北地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的增長(zhǎng)極，其快速的城市土地?cái)U(kuò)張模式改變了生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能，并嚴(yán)重制約了京津冀城市群的可持續(xù)發(fā)展（景永才等，2018）。2015年《京津冀協(xié)同發(fā)展規(guī)劃綱要》的發(fā)布以及 2017年雄安新區(qū)的設(shè)立，不僅強(qiáng)調(diào)了京津冀的協(xié)同發(fā)展，而且把“堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展”放在雄安新區(qū)開(kāi)發(fā)建設(shè)的首要位置（毛漢英，2017；徐涵秋等，2017）。鑒于此，本文從京津冀城市群生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)一體化的角度出發(fā)，基于土地利用類(lèi)型數(shù)據(jù)以及“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”，利用3 km×3 km的格網(wǎng)分析方法，并結(jié)合縣域尺度的糧食單產(chǎn)、NPP、降水量、土壤保持模擬量數(shù)據(jù)對(duì)傳統(tǒng)ESV評(píng)估模型進(jìn)行改進(jìn)，在此基礎(chǔ)上，利用熱點(diǎn)分析方法與等量分類(lèi)方法對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的空間分布特征進(jìn)行分析，并將空間格局指數(shù)、動(dòng)態(tài)度、變化軌跡分析等方法相結(jié)合，探究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能與價(jià)值的時(shí)空動(dòng)態(tài)演變，旨在為京津冀城市群區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能增強(qiáng)、土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整、生態(tài)景觀建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)地理位置Fig. 1 Geographical location of study area

京津冀城市群地處環(huán)渤海核心地帶，位于113°34′－120°05′E，36°00′－42°40′N(xiāo) 之間（圖 1），是由北京市、天津市以及河北省 11個(gè)地級(jí)市組成的城市群，土地總面積約216485.2 km2。境內(nèi)地形以平原和山地為主，南北高程差異大。山地集中分布在京津冀城市群西北地區(qū)，以太行山脈、燕山等為主，土地利用類(lèi)型主要為林地、草地；平原集中分布在京津冀城市群東南部，以華北平原為主，土地利用類(lèi)型以耕地、人工表面為主。氣候?yàn)闇貛Т箨懶詺夂?，冬季?yán)寒，夏季炎熱，氣溫年較差大，故植被類(lèi)型以溫帶落葉闊葉林為主，受氣候影響較大。京津冀城市群作為中國(guó)的“首都經(jīng)濟(jì)圈”，其快速的城鎮(zhèn)化及高強(qiáng)度的城市擴(kuò)張對(duì)京津冀的土地利用類(lèi)型改變強(qiáng)度大，使原本脆弱的生態(tài)環(huán)境更加脆弱，區(qū)域內(nèi)部的生態(tài)服務(wù)功能明顯下降，熱島、霧霾等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重，已嚴(yán)重威脅到京津冀城市群一體化的可持續(xù)發(fā)展（馬程等，2013）。

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

本研究在地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站（http://www.gscloud.cn/）中下載京津城市群2005年、2010年的Landsat ETM+以及2015年Landsat8 OLI遙感影像，影像均無(wú)云層干擾。根據(jù)“中科院土地利用覆蓋分類(lèi)體系”，利用目視解譯的方法，將研究區(qū)分類(lèi)為林地、草地、耕地、水域、人工表面、未利用地，空間分辨率為30 m×30 m。為了保證解譯精度，結(jié)合同期更高分辨率的Google Earth歷史影像及野外調(diào)查進(jìn)行精度驗(yàn)證，3期影像的解譯精度均在93%以上。

在美國(guó)Earth Date search網(wǎng)站（https://search.earthdata.nasa.gov/）中，下載 2005年、2010年、2015年的MOD17A3數(shù)據(jù)，空間分辨率為1 km×1 km，預(yù)處理后得到京津冀城市群的NPP年均數(shù)據(jù)；同時(shí)，下載以上3年7月內(nèi)影像質(zhì)量較好的MODIS植被指數(shù)16天合成產(chǎn)品（MOD13A2數(shù)據(jù)），空間分辨率為1 km×1 km，預(yù)處理后得到京津冀城市群的NDVI數(shù)據(jù)。

降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)國(guó)家級(jí)地面氣象站基本氣象要素日值數(shù)據(jù)集（V3.0），從中選擇2005年、2010年、2015年京津冀150個(gè)氣象站點(diǎn)的年平均降雨量數(shù)據(jù)，并利用克里金插值方法得到京津冀城市群的降水?dāng)?shù)據(jù)，空間分辨率為100 m×100 m。

土壤保持模擬量數(shù)據(jù)是基于降水?dāng)?shù)據(jù)、NDVI數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)等其他數(shù)據(jù)，利用劉軍會(huì)等（2018）研究中應(yīng)用的RULSE模型計(jì)算得到，空間分辨率為1 km×1 km，其中土壤質(zhì)地?cái)?shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)土壤科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://soil.geodata.cn/），土壤深度數(shù)據(jù)來(lái)源于寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://westdc.westgis.ac.cn/），DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云。

為了保證數(shù)據(jù)圖層間的運(yùn)算更加科學(xué)，以及減小像元混合現(xiàn)象對(duì)研究結(jié)果帶來(lái)的影響，本研究把所有數(shù)據(jù)全部依據(jù)最鄰近法重采樣為空間分辨率為100 m×100 m的數(shù)據(jù)，并利用ArcGIS 10.2軟件中的Nibble工具使所有數(shù)據(jù)的邊界重合。

2.2 單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的當(dāng)量確定

本研究基于謝高地等（2008）在 2008年提出的“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”（表1），結(jié)合京津冀城市群土地利用一級(jí)分類(lèi)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的評(píng)估。該表中將1 hm2全國(guó)平均產(chǎn)量的農(nóng)田每年自然糧食產(chǎn)量的經(jīng)濟(jì)價(jià)值定義為 1，其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子是指該生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的生態(tài)服務(wù)相對(duì)于農(nóng)田食物生產(chǎn)服務(wù)的貢獻(xiàn)大?。ㄖx高地等，2003），在此不考慮人工表面的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值（姜翠紅等，2016；向悟生等，2009）。

2.3 單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)計(jì)算

參考《2006中國(guó)糧食年鑒》、《2011中國(guó)糧食年鑒》、《2016中國(guó)糧食年鑒》中的北京市、天津市和河北省3年中各糧食作物的播種面積、糧食單產(chǎn)以及對(duì)應(yīng)的全國(guó)平均價(jià)格，利用式（1）（趙江等，2016）確定京津冀城市群?jiǎn)挝幻娣e農(nóng)田食物生產(chǎn)服務(wù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值：

式中，Eat為單位面積農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)在第t年提供的食物生產(chǎn)服務(wù)功能的經(jīng)濟(jì)價(jià)值（yuan·hm-2）；i為研究區(qū)糧食作物的種類(lèi)，京津冀城市群的主要作物有稻谷、小麥、玉米和大豆；n為研究區(qū)的糧食作物種類(lèi)和，在此n=4；Sit為第i種糧食作物研究區(qū)在第t年的種植面積（hm2）；St為n種糧食作物在第 t年總的種植面積（hm2）；pit為第 i種糧食作物在第 t年的全國(guó)平均價(jià)格（yuan·kg-2）；qit為第 i種糧食作物在第t年的單產(chǎn)（kg·hm-2）。1/7是指在沒(méi)有人力投入的自然生態(tài)系統(tǒng)提供的經(jīng)濟(jì)價(jià)值是現(xiàn)有單位面積農(nóng)田提供的食物生產(chǎn)服務(wù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的1/7。

表1 生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量Table 1 Equivalent value per unit area of ecological service

根據(jù)式（1）可知，單位面積農(nóng)田食物生產(chǎn)服務(wù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值與糧食單產(chǎn)存在正相關(guān)，故本研究基于京津冀城市群縣域水平的糧食單產(chǎn)，構(gòu)建單位面積農(nóng)田食物生產(chǎn)服務(wù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的調(diào)節(jié)因子，實(shí)現(xiàn)對(duì)單位面積農(nóng)田食物生產(chǎn)服務(wù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的調(diào)節(jié)。計(jì)算公式如下：

式中，Bat為單位面積農(nóng)田食物生產(chǎn)服務(wù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值在第t年的調(diào)節(jié)因子，xit為第i個(gè)縣在第t年的糧食單產(chǎn)，為n個(gè)縣在第t年糧食單產(chǎn)的平均值，此時(shí)n=166。由于在北京市、天津市等城市中心，不存在或存在的農(nóng)田較小，沒(méi)有糧食單產(chǎn)數(shù)據(jù)，在此區(qū)域的Bat統(tǒng)一設(shè)定為Bat的最小值0.5。

利用式（3）（趙江等，2016）確定京津冀城市群不同縣域內(nèi)其他生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值，從而確定京津冀城市群不同縣域的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)，計(jì)算公式如下：

式中，Eijt為單位面積在第t年第i種生態(tài)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的第 j種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值（yuan·hm-2）；fij為第i種生態(tài)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的第j種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子；i為6種生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型；j為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能類(lèi)型，包括食物生產(chǎn)、原料生產(chǎn)、氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、水文調(diào)節(jié)、廢物處理、土壤保持、維持生物多樣性和美學(xué)景觀共9種。

2.4 單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)因子

由于生態(tài)系統(tǒng)在不同單位區(qū)域、不同時(shí)間段的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外部形態(tài)不一致，因而其所具有的生態(tài)服務(wù)功能及其價(jià)值量存在時(shí)空異質(zhì)性（李曉賽等，2015），而這種時(shí)空異質(zhì)性與各區(qū)域的生物量、降水量、植被覆蓋度、地形坡度、土壤性質(zhì)等因素息息相關(guān)（李士美等，2010）。謝高地等（2015）通過(guò)構(gòu)建NPP、降水、土壤保持時(shí)空動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)因子探索了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在中國(guó)?。ㄖ陛犑校┯虺叨壬系目臻g異質(zhì)性，本研究基于格網(wǎng)的尺度探究京津冀城市群生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的空間異質(zhì)性（唐秀美等，2017），若引用謝高地的調(diào)節(jié)因子可能會(huì)過(guò)分的夸大或降低某些格網(wǎng)內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，故本部分基于歸一化的思想修正了謝高地的時(shí)空動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)因子。此外，選取的格網(wǎng)尺度過(guò)大會(huì)影響要素異質(zhì)性的充分體現(xiàn)，格網(wǎng)過(guò)小會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)量過(guò)大，故本研究基于研究數(shù)據(jù)的最小分辨率（1 km×1 km），選取 3 km×3 km 的網(wǎng)格，將研究區(qū)劃分為24767個(gè)相互獨(dú)立的地理空間單元，實(shí)現(xiàn)了對(duì)京津冀城市群?jiǎn)挝幻娣e生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的時(shí)空調(diào)節(jié)。

NPP時(shí)空動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)因子公式：

式中，Pkt指第 k個(gè)地理空間單元在第 t年的NPP時(shí)空動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)因子，Bkt指第k個(gè)地理空間單元在第 t年內(nèi)的 NPP（t·hm-2），Bmt指京津冀城市群所有地理單元在第t年內(nèi)的NPP平均值。該因子用于調(diào)節(jié)區(qū)域內(nèi)食物生產(chǎn)、原材料生產(chǎn)、氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、廢物處理、維持生物多樣性和提供美學(xué)景觀的服務(wù)功能價(jià)值。

降水時(shí)空動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)因子公式：

式中，Rkt指第k個(gè)地理空間單元在第t年的降水空間動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)因子，Wkt指第k個(gè)地理空間單元在第 t年內(nèi)年降水量（t·hm-2），Wmt指京津冀城市群所有地理空間單元在第t年的平均降水量。該因子用于調(diào)節(jié)區(qū)域內(nèi)水文調(diào)節(jié)服務(wù)功能價(jià)值。

土壤保持時(shí)空動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)因子公式：

式中，Skt指第k個(gè)地理空間單元在第t年的土壤保持空間調(diào)節(jié)因子，Lkt指第k個(gè)地理空間單元在第 t年的土壤保持模擬量（t·hm-2），Lmt指京津冀城市群所有地理空間單元在第t年的平均土壤保持模擬量。該空間動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)因子用于調(diào)節(jié)區(qū)域內(nèi)土壤保持服務(wù)功能價(jià)值，其中土壤保持模擬量是利用修正通用的水土流失方程RULSE模型（劉軍會(huì)等，2018）計(jì)算得到，公式為：

式中，Ac為土壤保持模擬量，Ap、Ar依次為潛在土壤侵蝕量與實(shí)際土壤侵蝕量，R、K依次為降雨侵蝕力因子與土壤可蝕性因子，R值、K值參考王萬(wàn)忠等（1996）研究，分別基于降水資料計(jì)算得到與基于土壤質(zhì)地賦予不同的 K值；L、S依次為坡長(zhǎng)、坡度，基于DEM數(shù)據(jù)提取后得到；C為植被覆蓋度因子，在此引用NDVI值。

2.5 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值計(jì)算

為反映京津冀城市群生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的異質(zhì)性，本研究基于式（8）利用空間調(diào)節(jié)因子對(duì)單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，并結(jié)合 3 km×3 km的地理空間單元，利用式（9）統(tǒng)計(jì)分析每一地理空間單元的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。

式中，Ekt為第k個(gè)單位面積在第t年的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值（yuan·hm-2）。

空間地理單元內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值計(jì)算公式：

式中，ESVt表示第 t個(gè)地理空間單元的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總量（元）；n表示第 t個(gè)地理空間單元內(nèi)包含的單位面積總數(shù)；1代表1 hm2，為1單位面積。

2.6 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的空間異質(zhì)性表達(dá)

熱點(diǎn)分析方法能夠識(shí)別具有統(tǒng)計(jì)顯著性的高值（熱點(diǎn)）和低值（冷點(diǎn)）的空間聚類(lèi)區(qū)域并把空間聚類(lèi)的位置進(jìn)行可視化表達(dá)。本研究利用熱點(diǎn)分析方法對(duì)京津冀城市群生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行分析，得到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值低值及高值發(fā)生聚類(lèi)的位置及值，值越趨近于0時(shí)，說(shuō)明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值沒(méi)有聚集情況，呈隨機(jī)分布；的絕對(duì)值越大，說(shuō)明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值低值及高值聚集的程度就越高。當(dāng)值為正時(shí)，該聚集區(qū)域?yàn)椤盁狳c(diǎn)區(qū)域”，是高值聚集的區(qū)域；當(dāng)值為負(fù)時(shí)，該聚集區(qū)域?yàn)椤柏?fù)熱點(diǎn)區(qū)域”，即冷點(diǎn)區(qū)域，是低值聚集的區(qū)域。公式（王蓓等，2016）為：

式中：n表示地理空間單元數(shù)；wij為第 i與 j地理空間單元的空間權(quán)重系數(shù)，反映第i與j區(qū)域在空間上的關(guān)系，本研究中 wij由反距離方法自動(dòng)生成空間權(quán)重文件；xi是第i單元某現(xiàn)象的發(fā)生數(shù)，本研究中為地理空間單元內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總量；為所有地理空間單元生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總量的平均數(shù)。

2.7 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的時(shí)空動(dòng)態(tài)演變

景觀指數(shù)可以高度濃縮景觀格局信息，能夠反映景觀結(jié)構(gòu)組成和空間配置等方面特征。在基于等量分類(lèi)的方法對(duì)京津冀城市群生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值從低到高依次分為5個(gè)等級(jí)（I，II，III，IV，V，對(duì)應(yīng)的柵格值依次為1，2，3，4，5），選取類(lèi)型層次上的景觀面積（Patch Density，PD）、蔓延度指數(shù)（Aggregation Index，AI）表達(dá)不同等級(jí)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在空間上的團(tuán)聚程度或延展趨勢(shì)（彭建等，2006），并結(jié)合動(dòng)態(tài)度、變化軌跡分析方法反映不同等級(jí)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在全域、局部的變化情況。

動(dòng)態(tài)度（劉盛和等，2002）模型的表達(dá)式為：

式中：K為研究時(shí)段內(nèi)某服務(wù)價(jià)值等級(jí)的動(dòng)態(tài)度；Ua和 Ub分別為研究期初及研究期末生態(tài)服務(wù)價(jià)值等級(jí)的斑塊密度或聚合度指數(shù)；t為研究時(shí)段長(zhǎng)，當(dāng)t的時(shí)段設(shè)定為年時(shí)，K的值就是該研究區(qū)某服務(wù)價(jià)值等級(jí)的年變化率，本研究中t=5。

變化軌跡分析方法（黃勇等，2015）是利用軌跡代碼記錄空間內(nèi)某一屬性的動(dòng)態(tài)變化方法。首先利用式（12）計(jì)算兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化情況，其次利用式（13）生成變化軌跡代碼：

3 分析與討論

3.1 調(diào)節(jié)前后單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的對(duì)比分析

根據(jù)表2可知，從2005－2015年，在未被空間調(diào)節(jié)因子調(diào)節(jié)之前，單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的最大值依次為38244.109、61315.926、80092.641 yuan·hm-2，平均值依次為 12925.517、20572.184、26381.263 yuan·hm-2；在利用空間調(diào)節(jié)因子調(diào)整后，單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的最大值依次為62053.742、102983.422、126188.164 yuan·hm-2，平均值依次為 13081.535、20407.107、27056.767 yuan·hm-2。發(fā)現(xiàn)單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值處于不斷增加狀態(tài)，造成這種現(xiàn)象的原因不是生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能提高了，而是隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，糧食單產(chǎn)不斷增加，糧食價(jià)格逐漸增高的原因。

表2 單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical table of ecological service value per unit area

調(diào)節(jié)前后，單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值的平均值比較接近，只是調(diào)整后的最大值明顯大于調(diào)整前的最大值，研究結(jié)果與李曉賽等（2015）的研究結(jié)果相似。除此之外，調(diào)節(jié)后的結(jié)果也表明了同一種土地利用類(lèi)型的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值表現(xiàn)出了明顯的空間差異性（圖2），例如：林地在承德、秦皇島、唐山市的生態(tài)服務(wù)價(jià)值較高，在張家口市的生態(tài)服務(wù)價(jià)值較低；內(nèi)陸湖泊的單位面生態(tài)服務(wù)價(jià)值明顯高于環(huán)渤海濕地的單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值。這種空間差異與區(qū)域降水、凈初級(jí)生產(chǎn)力、土壤保持能力等因素息息相關(guān)（謝高地等，2015），更符合生態(tài)系統(tǒng)受環(huán)境和生物條件影響而表現(xiàn)出的復(fù)雜性特點(diǎn)（李曉賽等，2015）。

3.2 單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值空間特征分析

圖3表明，京津冀城市群?jiǎn)挝幻娣e生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在2005年、2010年、2015年的空間分布特征相似，熱點(diǎn)區(qū)域集中分布在京津冀城市群北部、太行山及燕山等山地區(qū)域、環(huán)渤海濕地、白洋淀及衡水湖等內(nèi)陸湖泊地區(qū)，冷點(diǎn)區(qū)域集中分布在平原地區(qū)及張家口市等高原區(qū)域。由表1可知，林地的各項(xiàng)生態(tài)服務(wù)功能均較強(qiáng)，故林地的綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能相對(duì)較強(qiáng)（趙江等，2016），在京津冀北部以及太行山、燕山附近，景觀類(lèi)型以林地為主，植被覆蓋度高，人為干擾較少，故其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值較高，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的等級(jí)多為IV、V類(lèi)；另外，由于河湖的水文調(diào)節(jié)功能及廢物處理功能最強(qiáng)，且該兩項(xiàng)生態(tài)服務(wù)功能遠(yuǎn)大于其他土地利用類(lèi)型，故其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值較高，服務(wù)價(jià)值等級(jí)多為第V類(lèi)（王蓓等，2016）；京津冀城市群的東南地區(qū)以及西北地區(qū)，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值等級(jí)多為第II、III類(lèi)，單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值較低，受土地利用類(lèi)型影響較大，其土地利用類(lèi)型以耕地為主，水域、林地等生態(tài)用地的面積較少，耕地的各類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能與林地、水域比較相對(duì)較弱（Lin et al.，2018）；由于本研究假定人工表面的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值為0（姜翠紅等，2016），所以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的第 I類(lèi)區(qū)域的土地利用類(lèi)型多為人工表面，故生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值最低，在各城市建成區(qū)表現(xiàn)出明顯的低值聚集現(xiàn)象。

3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值動(dòng)態(tài)變化研究

3.3.1 景觀格局指數(shù)動(dòng)態(tài)度分析

由表3可知，從2005－2010年，京津冀城市群生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的第I、II、V類(lèi)的PD動(dòng)態(tài)度依次為 0.020、0042、0.029，AI的動(dòng)態(tài)度依次為-0.007、-0.046、-0.025。這 3種等級(jí)的斑塊密度均增加了，聚合度均降低了，與圖4反映的信息一致，且第二等級(jí)的變化程度更劇烈，側(cè)面反應(yīng)了這段時(shí)期內(nèi)這3種等級(jí)的破碎度增加了，且第二等級(jí)的破碎狀況更嚴(yán)重。第III、IV類(lèi)的PD動(dòng)態(tài)度依次為-0.015、-0.014，AI的動(dòng)態(tài)度依次為 0.027、0.022，與第I、II、V類(lèi)的正負(fù)性相反，且兩者之間的變化程度接近，說(shuō)明這兩個(gè)等級(jí)的破碎度降低了，聚合度升高了。從 2010－2015年，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的第I、II、V類(lèi)的 PD動(dòng)態(tài)度依次為-0.002、-0.003、-0.002，AI的動(dòng)態(tài)度依次為0.001、0.002、0.002；第 III類(lèi)的 PD動(dòng)態(tài)度為 0.002，AI的動(dòng)態(tài)度為-0.003；第IV類(lèi)的PD動(dòng)態(tài)度與AI動(dòng)態(tài)度均為0。

圖2 單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值Fig. 2 Ecological service value per unit area

綜合以上分析，后5年內(nèi)PD、AI的動(dòng)態(tài)度與前5年相反，且動(dòng)態(tài)度的絕對(duì)值明顯較小。在前5年內(nèi)，城市化發(fā)展強(qiáng)度高，城市擴(kuò)張、人口向城市聚集的現(xiàn)象明顯，侵占了林地、草地、濕地等生態(tài)用地，改變了景觀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使得景觀破碎化嚴(yán)重。同時(shí)人們的環(huán)保意識(shí)不足，為了追求高的GDP，重點(diǎn)發(fā)展工業(yè)，三廢排放嚴(yán)重，使得霧霾、高溫、氣候異常、河流污染等環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重（嚴(yán)珅等，2018），這些原因使得水文調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、氣體調(diào)節(jié)、維持生物多樣性等生態(tài)服務(wù)功能明顯下降，從而造成該時(shí)段內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值破碎度增加較多，蔓延度降低幅度大（Su et al.，2012）；而在后5年內(nèi)，隨著人們的環(huán)保意識(shí)加強(qiáng)，第三產(chǎn)業(yè)比例一直處于上升狀態(tài)，環(huán)境污染得到了一定的控制，另外國(guó)家于 2014年強(qiáng)調(diào)的京津冀一體化政策以及京津冀協(xié)同發(fā)展重大國(guó)家戰(zhàn)略的實(shí)施更是強(qiáng)調(diào)了區(qū)域的協(xié)同發(fā)展，強(qiáng)調(diào)了人口經(jīng)濟(jì)資源環(huán)境相協(xié)調(diào)的重要性（苑清敏等，2017），對(duì)各區(qū)的盲目城市擴(kuò)張現(xiàn)象進(jìn)行了限制，降低了對(duì)生態(tài)服務(wù)功能的干擾程度（呂金霞等，2018）。

3.3.2 變化軌跡分析

圖3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值等級(jí)及熱點(diǎn)分析結(jié)果Fig. 3 Ecosystem service value level and hotspot analysis results

圖4 服務(wù)價(jià)值等級(jí)的PD、AI指數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig. 4 PD, AI index statistics of service value level

由圖5可知，從2005－2015年，第I類(lèi)生態(tài)服務(wù)價(jià)值的變化區(qū)域集中分布在天津市、滄州市、衡水市等平原區(qū)域以及張家口市。在天津市周邊，變化情況多為前5年不變，后5年升高；在滄州市、衡水市，變化情況多為前5年等級(jí)提高，后5年等級(jí)不變。在平原地區(qū)，第II類(lèi)生態(tài)服務(wù)價(jià)值的變化區(qū)域分布較多，先升后不變或下降的區(qū)域集中分布在衡水市、邢臺(tái)市，先降后不變或上升的區(qū)域集中分布在滄州市。前兩類(lèi)的生態(tài)服務(wù)價(jià)值較低，且集中分布在以耕地為主要景觀的平原地區(qū)以及以草地、耕地為主要景觀的高原地區(qū)，這些區(qū)域人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度大，景觀受人為干擾程度嚴(yán)重，景觀變化往往會(huì)削弱景觀變化較為密集的城鄉(xiāng)結(jié)合部的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能和景觀價(jià)值（Wu et al.，2015），由于前5年內(nèi)的城市活動(dòng)比后5年內(nèi)的城市活動(dòng)強(qiáng)，故有此現(xiàn)象。第 III類(lèi)生態(tài)服務(wù)價(jià)值的持續(xù)下降區(qū)域或先下降后不變的區(qū)域集中分布在平原與山地丘陵的交界處以及邯鄲市，先升后不變或下降的區(qū)域多分布于張家口市。因?yàn)樵搮^(qū)域是生態(tài)服務(wù)功能強(qiáng)弱的過(guò)渡區(qū)，耕地、林地、草地面積均較多，毀林造田、毀山造田等人類(lèi)活動(dòng)破壞了原有的植被，降低了植被覆蓋度，增加了水土流失的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)的水土保持、水文調(diào)節(jié)等服務(wù)功能下降，從而降低該區(qū)域內(nèi)的生態(tài)服務(wù)功能（嚴(yán)珅等，2018）。由于生態(tài)服務(wù)價(jià)值的第IV、V類(lèi)區(qū)域多集中分布在燕山、太行山等山地丘陵地區(qū)以及環(huán)渤海區(qū)域，故其變化區(qū)域也集中分布于此，第 III類(lèi)生態(tài)服務(wù)價(jià)值的變化以先升后降或不變?yōu)橹?，多分布于山地丘陵的西部；?III類(lèi)生態(tài)服務(wù)價(jià)值的變化以持續(xù)下降或先下降后不變?yōu)橹?，集中分布于承德市東部。山地丘陵西部的平均海拔較高，人為干預(yù)少，而承德市東部的海拔較低，是人類(lèi)活動(dòng)相對(duì)頻繁的山地區(qū)域。

4 結(jié)論

本研究基于3 km×3 km的網(wǎng)格，基于格網(wǎng)尺度改進(jìn)了單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的調(diào)節(jié)因子，并結(jié)合熱點(diǎn)分析方法、景觀格局指數(shù)、動(dòng)態(tài)度模型、變化軌跡分析方法分析了京津冀城市群生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的空間異質(zhì)性及其動(dòng)態(tài)變化特征，主要有以下結(jié)論：

表3 服務(wù)價(jià)值等級(jí)的CA、AI指數(shù)動(dòng)態(tài)度Table 3 PD, AI index dynamics of service value level

（1）京津冀城市群?jiǎn)挝幻娣e生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的熱點(diǎn)區(qū)域集中分布在京津冀城市群北部、太行山及燕山等山地區(qū)域、環(huán)渤海濕地、白洋淀及衡水湖等內(nèi)陸湖泊地區(qū)，服務(wù)價(jià)值等級(jí)以 V類(lèi)為主，IV類(lèi)為輔；冷點(diǎn)區(qū)域集中分布在平原地區(qū)及張家口市等高原區(qū)域（圖3），服務(wù)價(jià)值等級(jí)以I、II類(lèi)為主，III類(lèi)為輔。這種差異與京津冀城市群的景觀類(lèi)型、植被覆蓋度等因子相關(guān)密切。

（2）從 2005－2010年，京津冀城市群生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的第I、II、V類(lèi)的PD動(dòng)態(tài)度均為正值，AI動(dòng)態(tài)度均為負(fù)值，說(shuō)明斑塊密度均增加了，聚合度均降低了；第III、IV類(lèi)的PD動(dòng)態(tài)度均為負(fù)值，AI的動(dòng)態(tài)度均為正值，說(shuō)明斑塊密度降低了，聚合度升高了。從 2010－2015年，京津冀城市群生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的第I、II、III、V類(lèi)的PD、AI動(dòng)態(tài)度的正負(fù)性與前5年相反，第IV類(lèi)的PD、AI動(dòng)態(tài)度均為0值，說(shuō)明該類(lèi)的斑塊密度與聚集度變化不明顯。

圖5 服務(wù)價(jià)值等級(jí)的變化軌跡分析結(jié)果Fig. 5 Analysis results of the change trajectory of service value level

（3）在張家口市、衡水市、邢臺(tái)市，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的等級(jí)多為先升后不變的區(qū)域，滄州市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的等級(jí)既存在先升后不變的區(qū)域，又存在先降后不變的區(qū)域；第 III類(lèi)生態(tài)服務(wù)價(jià)值的持續(xù)下降區(qū)域或先下降后不變的區(qū)域集中分布在平原與山地丘陵的交界處以及邯鄲市；第 III類(lèi)的變化以先升后降或不變?yōu)橹?，多分布于山地丘陵的西部；?III類(lèi)的變化以持續(xù)下降或先下降后不變?yōu)橹鳎蟹植加诔械率袞|部。

本研究選取 3 km×3 km的網(wǎng)格來(lái)縮小研究尺度，并改進(jìn)了謝高地等（2015）基于市域尺度上提出的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的空間調(diào)節(jié)因子，改進(jìn)的模型降低了基于網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)信息可能會(huì)存在的異常值對(duì)研究結(jié)果的影響程度，并從縣域的尺度上修正了單位面積農(nóng)田食物生產(chǎn)服務(wù)價(jià)值。其中調(diào)節(jié)因子是基于格網(wǎng)尺度構(gòu)建的，其受網(wǎng)格尺度的影響，故后續(xù)可利用不同尺度的網(wǎng)格做對(duì)比分析，以求可以表達(dá)研究結(jié)果的更優(yōu)尺度，從而降低網(wǎng)格尺度大小對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間差異準(zhǔn)確表達(dá)的影響程度。同時(shí)，該方法不僅適用于城市群的尺度，而且通過(guò)改變網(wǎng)格的大小適用于任何區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的空間異質(zhì)性探索，包括市域、縣域尺度。

致謝：感謝京津冀國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題（2016YFC0503001）提供了這次寫(xiě)作的機(jī)會(huì)，感謝地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn/)以及美國(guó)Earth Date search網(wǎng)站（https://search.earthdata.nasa.gov/）提供的遙感影像資料，感謝中國(guó)國(guó)家級(jí)地面氣象站提供的氣象數(shù)據(jù)資料，感謝國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)土壤科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供的土壤質(zhì)地?cái)?shù)據(jù)，感謝寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供的土壤深度數(shù)據(jù)。