基于GIS和力矩平衡點的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時空動態(tài)分布研究

張鑫 楊瀲威 王曉敏 王寧 劉奇 趙娟 張平*

（1.西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，陜西西安 710048；2.陜西省土地整治重點實驗室，陜西西安 710075）

1 引言

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指通過生態(tài)系統(tǒng)的過程、結(jié)構(gòu)和功能直接或間接得到的生命產(chǎn)品和服務(wù)，形成和維持了人類生存和發(fā)展的環(huán)境條件與效用，是人類得以生存的基礎(chǔ)［1］。人類對環(huán)境的壓力正在時空上發(fā)生變化，這對地球的生物多樣性和人類經(jīng)濟發(fā)展有著深遠的影響，合理評價生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價值是進行生態(tài)環(huán)境保護的必要前提［2-4］。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估為人與地之間的關(guān)系研究提供重要的實踐領(lǐng)域［5］。自從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型、價值科學(xué)測算的原理及方法被Costanza 等［6］提出并發(fā)展后，現(xiàn)已逐漸成為國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點。近年來，國內(nèi)外從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、生物多樣性以及自然資本等方面開展了大量自然資源價值的評估工作［7-8］，并在相關(guān)方法、理論以及應(yīng)用方面取得了較大進展［9-11］。目前國內(nèi)外生態(tài)服務(wù)價值評估的研究重點集中在生態(tài)系統(tǒng)分類方法研究［12-14］、評估方法創(chuàng)新研究［9］，生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值［15］，生態(tài)系統(tǒng)組分變化以及生態(tài)管理方面的模擬生態(tài)過程的模型研究［16］?？傮w而言，當(dāng)前的研究多是對研究區(qū)域進行土地類型生態(tài)系統(tǒng)分類，采用不同的評估方法研究土地利用變化引起的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化。對區(qū)域內(nèi)部不同類型、不同功能生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的時空動態(tài)變化研究不足［17］。本文基于遙感解譯獲取的研究區(qū)不同年代的土地利用數(shù)據(jù)，應(yīng)用地理信息系統(tǒng)GIS，定量計算不同用地類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值、不同生態(tài)服務(wù)功能價值，借助力矩平衡點法評估研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值空間分布重心變化，為區(qū)域土地利用規(guī)劃決策和生態(tài)環(huán)境保護政策提供合理依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值計算方法

1998 年Costanza 等提出了以生態(tài)價值量評價生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值的理論方法，謝高地等［18］根據(jù)中國的實際情況對中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量表進行了修正［19］。

其計算公式如下：

式中，ESVk為k 種土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值；ESVf為f 種生態(tài)服務(wù)功能價值；ESV 為區(qū)域總生態(tài)服務(wù)價值；Ak表示k 種土地利用類型分布面積；VCkf為k 種土地利用類型f 種生態(tài)服務(wù)功能的生態(tài)服務(wù)功能價值指數(shù)。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值重心計算方法

力矩平衡點法是美國學(xué)者弗朗西斯·沃爾克于1874 年提出的，通過計算出研究區(qū)不同時期生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值重心的坐標(biāo)值，根據(jù)重心移動的軌跡，分析生態(tài)服務(wù)價值的變化趨勢，結(jié)合不同時期生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化，分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的時空變化規(guī)律［20］。

其計算公式如下：

由于本研究的研究區(qū)域為整個中國，因此，n 表示研究區(qū)內(nèi)一級行政區(qū)（包括省、直轄市、自治區(qū)、特別行政區(qū)）的數(shù)目；Ei表示一級行政區(qū)內(nèi)土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值（或不同類型土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值）；xi，yi分別代表一級行政區(qū)的政府（省會）所在地的相對坐標(biāo)。

2.3 研究數(shù)據(jù)

本研究土地覆蓋數(shù)據(jù)是采用MODIS 土地覆蓋分類產(chǎn)品（MOD12Q1），該數(shù)據(jù)空間分辨率為500 m，為2001，2007，2013 年的土地利用數(shù)據(jù)，土地利用類型包括林地、耕地、草地、建設(shè)用地、未利用地和水域。此外，還包括中國省界數(shù)據(jù)、中國各省會城市地理坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化分析

2001—2013 年中國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值和生態(tài)服務(wù)功能價值見表1。中國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值2001 年為 119 335.39 億元，2007 年為 118 437.31億元，2013 年為120 408.88 億元。中國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值在2001—2007 年是減少的，2007—2013年是增加的。2001—2013 年，中國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值呈現(xiàn)出先減少后增加的規(guī)律，而且變化較大。生態(tài)系服務(wù)價值最大的用地類型是林地，草地、耕地次之，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值量最小的用地類型是建筑用地。

表1 2001—2013 年中國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值 億元

為進一步分析不同區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值狀況，分區(qū)統(tǒng)計了不同省份的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，并進行了排序，結(jié)果見表2。由表2 得出，2001—2013 年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值最大的區(qū)域是新疆，最小的是香港；以2001 年各省份生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值排序為基準(zhǔn)，2007 年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值增長的地區(qū)有四川、黑龍江、湖南、湖北、貴州、安徽、遼寧、重慶；下降的地區(qū)有甘肅、云南、廣西、廣東、福建、山西、江蘇；其他地區(qū)價值排名沒有變化。2013 年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值增長的地區(qū)有四川、云南、安徽、遼寧、重慶、黑龍江；下降的地區(qū)有山西、甘肅、江蘇；其他地區(qū)價值排名沒有變化。

表2 2001—2013 年中國各省份生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值 億元

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值重心變化

從整個中國來看，2001—2013 年中國不同土地利用類型及生態(tài)服務(wù)總價值重心分布在河南省、河北省、湖北省、湖南省、甘肅省、青海省，并且青海省分布的價值重心最多。其中總價值重心分布在甘肅省和青海省東部地區(qū)；耕地的價值重心分布在河南省東北部地區(qū)和河北省西南部地區(qū)；林地的價值重心分布在青海省東部地區(qū)；草地的價值重心分布在青海省、甘肅省西部；水域的價值重心分布在青海省中部地區(qū)；未利用地的價值重心分布在湖南省東部地區(qū)和東北部地區(qū)以及湖北省東部地區(qū)。

從時間變化上來看，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值重心在2001—2007 年期間主要由西往東移動，南北方向移動幅度很小。在2007—2013 年期間，其總價值重心主要由北向南移動，東西方向移動幅度很小。耕地的價值重心在2001—2007 年這一時段主要由北往南移動，東西方向移動幅度較小，在2007—2013 年期間主要由南向北移動，東西方向移動幅度較小。林地的價值重心在2001—2007 年期間主要由西往東移動，南北方向上變化幅度不大，在2007—2013 年間主要由北向南移動，東西方向上移動幅度很小。草地的價值重心在2001—2013 年期間主要由東往西移動，南北方向上的移動幅度不大。水域的價值重心在2001—2007 年期間主要由南往北移動，東西方向上變化很小，而在2007—2013 年期間卻與之相反，其價值重心主要由東往西移動，南北方向上移動幅度很小。未利用地的價值重心在2001—2013 年期間主要由南向北移動，東西方向上的移動幅度不大。

從整個中國的空間范圍上看，9 種生態(tài)服務(wù)功能的價值重心分布在青海省、甘肅省和陜西省，同時，青海省分布的服務(wù)功能價值重心最多，其次是甘肅省，最少的是陜西省。從時間變化上看，氣體調(diào)節(jié)的價值重心在2001—2007 年主要由北向南移動，東西方向移動幅度很小，在2007—2013 年時由西往東南移動，東西方向移動幅度很小。土壤形成與保護的價值重心在東西方向上移動，南北方向幾乎沒有移動。氣候調(diào)節(jié)的價值重心在2001—2007年主要由西往東移動，南北方向上變化較小，在2007—2013 年主要由北向南移動，東西方向移動幅度較大。水源涵養(yǎng)的價值重心在2001—2007 年主要由西往東移動，南北方向上移動幅度較東西方向小，在2007—2013 年主要由北向南移動，東西方向移動很小。土壤形成與保護的價值重心在2001—2007 年主要由西往東移動，南北方向移動很小，在2007—2013 年主要由北向南移動，東西方向上移動幅度較大。廢物處理的價值重心在2001—2007 年在南北方向和東西方向上的移動幅度都較大，在2007—2013 年主要由東往西移動，南北方向移動幅度較小。生物多樣性保護的價值重心在2001—2007年主要由西往東移動，南北方向移動較小，在2007—2013 年主要由北向南移動，東西方向移動幅度很小。食物生產(chǎn)的價值重心在2001—2007 年由北向南的移動幅度較大，東西方向移動較小，在2007—2013 年主要由南向北移動，東西方向幾乎沒有移動。原材料的價值重心在2001—2007 年主要由西往東移動，南北方向移動幅度非常小，在2007—2013 年主要由北向南移動，東西方向移動幅度較大。娛樂文化的價值重心在2001—2007 年主要由西往東移動，南北方向移動幅度較小，在2007—2013 年主要由北向南移動，東西方向移動幅度較小。

4 結(jié)論與討論

由生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值統(tǒng)計計算結(jié)果來看，2001—2013 年中國的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值是先減少后增加的。不同用地類型的價值重心轉(zhuǎn)移情況顯示，總價值與林地的價值重心在研究時期內(nèi)的轉(zhuǎn)移方向一直都是同步的。2001—2007 年它們的價值重心都是由西往東移動，而在2007—2013 年時，主要都是從北向南轉(zhuǎn)移。由此說明林地對總價值重心的轉(zhuǎn)移起到了一定的推動作用。就服務(wù)功能而言，2001—2013 年，廢物處理與食物生產(chǎn)在東西南北4個方向上均有大幅移動，只有氣體調(diào)節(jié)由北向南轉(zhuǎn)移。2007—2013 年時期，氣體調(diào)節(jié)與廢物處理的價值重心主要在東西方向上移動，只有食物生產(chǎn)主要由南向北移動。

本文從國家尺度上分析了中國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的時空動態(tài)變化，揭示了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值在不同土地類型和服務(wù)價值類型2 個方面的分布重心以及轉(zhuǎn)移規(guī)律。認為力矩平衡點法可以對分類型、分功能的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的重心進行變化趨勢分析，可以分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的時空變化規(guī)律。今后還應(yīng)和區(qū)縣小尺度研究結(jié)合，從大尺度和小尺度2 個不同尺度探討土地利用變化的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時空動態(tài)分布。