張鵬巖,耿文亮,楊 丹,李顏顏,張 宇,秦明周※
(1. 黃河中下游數(shù)字地理技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南大學(xué)區(qū)域規(guī)劃與發(fā)展研究中心,河南大學(xué)農(nóng)業(yè)與農(nóng)村可持續(xù)發(fā)展研究所,沿黃生態(tài)建設(shè)與鄉(xiāng)村振興研究河南省學(xué)科創(chuàng)新引智平臺(tái),開封 475004;2. 黃河文明省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心,開封 475001)
生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(Ecosystem Services,ES)是指直接或間接促進(jìn)人類福祉的生態(tài)特征、功能或過程,即人類從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的所有益處[1-2],而全球范圍內(nèi)土地利用的變化、人口的增加和經(jīng)濟(jì)的日益增長(zhǎng)都會(huì)大大消耗生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[3-4]。從時(shí)間尺度和空間尺度來看,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化及其脆弱性與土地利用/土地覆被的變化密切相關(guān)[5],土地利用/土地覆被的變化通常直接或者間接對(duì)生態(tài)系統(tǒng)格局與過程產(chǎn)生影響,改變著生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能,從而對(duì)區(qū)域環(huán)境產(chǎn)生深刻的影響,進(jìn)一步對(duì)全球環(huán)境變化產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響[6]。20 世紀(jì)90 年代以來,中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展又迎來一波新的浪潮,城鄉(xiāng)空間結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型導(dǎo)致了土地利用發(fā)生巨大的變化,主要表現(xiàn)為人口的大量增加,城市的盲目擴(kuò)張和經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng),迫使大量耕地、林地、草地、未利用地等轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地,人類對(duì)土地的利用和改造越來越頻繁,引發(fā)了一系列的生態(tài)和環(huán)境問題[7]。因此,基于土地利用變化的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值研究成為國(guó)內(nèi)外生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究的熱點(diǎn)問題。
生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的引入將對(duì)人類社會(huì)的整體發(fā)展具有積極意義[8]。土地利用變化作為其中重要的驅(qū)動(dòng)因素,對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及其服務(wù)價(jià)值產(chǎn)生重要影響[9]。為了對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行更直觀的表達(dá),Costanza 等[1]首先進(jìn)行了全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(Ecosystem Services Value,ESV)的評(píng)估工作,推動(dòng)相關(guān)研究進(jìn)入一個(gè)新的階段[10]。進(jìn)入21 世紀(jì)后,各國(guó)研究人員不斷梳理生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與土地利用變化之間的關(guān)系,將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究、全球變化研究、土地利用變化研究等有機(jī)地融合在一起[11-12]。在世界各國(guó)學(xué)者的研究基礎(chǔ)上,Costanza 等[13]總結(jié)了多年來生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估的研究經(jīng)驗(yàn),對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的評(píng)估工作進(jìn)行了進(jìn)一步的改進(jìn)。目前,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估可分為兩類,一是基于單位面積價(jià)值當(dāng)量因子的評(píng)估方法[14],二是基于單位服務(wù)功能量?jī)r(jià)格的評(píng)估方法[15],相對(duì)而言,當(dāng)量因子法更適用于區(qū)域和全球尺度生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的評(píng)估[16]。國(guó)內(nèi)學(xué)者根據(jù)中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)類型和生態(tài)服務(wù)價(jià)值特征,建立了符合中國(guó)實(shí)際的中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量[14,17],在國(guó)家[18]、城市群[19]、省市縣[20-21]、流域[22]等空間尺度得到廣泛應(yīng)用。全面評(píng)估區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,能夠提高公眾的生態(tài)環(huán)保意識(shí),幫助政府為中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)保育政策制定和決策過程提供理論依據(jù)[23]。
黃河流域是中華民族的搖籃,長(zhǎng)期作為中國(guó)的政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心,其發(fā)展逐漸由農(nóng)耕文明為主導(dǎo)的傳統(tǒng)社會(huì)向大規(guī)模城市化的現(xiàn)代社會(huì)轉(zhuǎn)型,成為全球動(dòng)態(tài)變化的縮影[24]。黃河流域與黃河所流經(jīng)的地區(qū)在國(guó)家發(fā)展中具有極為重要的戰(zhàn)略意義[25]。黃河下游地區(qū)是中國(guó)最重要的糧食主產(chǎn)區(qū)和生產(chǎn)核心區(qū)之一,耕地是研究區(qū)內(nèi)十分重要的土地利用類型,經(jīng)濟(jì)和城市化快速發(fā)展,城市土地?cái)U(kuò)張模式對(duì)生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成嚴(yán)重威脅[26]。加強(qiáng)對(duì)黃河下游地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的研究,對(duì)整個(gè)黃河流域內(nèi)區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。目前,國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于黃河下游的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究主要集中在黃河三角洲[27-28],對(duì)于整個(gè)黃河下游地區(qū)的研究較少。本研究基于土地利用變化數(shù)據(jù),通過對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行估算,分析其時(shí)空演變特征,運(yùn)用熱點(diǎn)分析探究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的高、低值集聚,運(yùn)用重心模型探究重心變化的軌跡,運(yùn)用地理探測(cè)器對(duì)影響區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間分異的驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行探測(cè),有助于深入了解社會(huì)在滿足發(fā)展需求的同時(shí)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的改變程度,對(duì)黃河下游生態(tài)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
黃河下游以河南省滎陽(yáng)市的桃花峪為起點(diǎn),下游全長(zhǎng)785.6 km。參照已有研究成果對(duì)黃河下游地區(qū)的劃分[29],結(jié)合引黃灌區(qū)覆蓋的區(qū)域,同時(shí)考慮地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與黃河下游的密切關(guān)聯(lián)性以及地市級(jí)行政區(qū)劃的完整性,本項(xiàng)目將黃河下游地區(qū)界定為河南、山東兩省的20 個(gè)地級(jí)市133 個(gè)縣區(qū)(含市轄區(qū)),總面積達(dá)14.81 萬km2。黃河下游地區(qū)地形以平原、山地和丘陵為主,海拔在-2~1 682 m,西部是以嵩山為主的豫西山地末段,西北部為太行山脈的豫北山地,東部為魯中山地丘陵區(qū),中部為豫東平原,北部為魯西北平原區(qū),中部和北部的平原區(qū)地勢(shì)坦蕩,土層深厚,是耕地最為集中的地區(qū),構(gòu)成華北平原的一部分。黃河下游因泥沙量大,長(zhǎng)期淤積形成舉世聞名的“地上懸河”。由于獨(dú)特的地貌類型,使下游地區(qū)決溢頻繁。多次決溢使其內(nèi)部土壤存在著鹽堿、沙化、干旱、漬澇、排水不良等多種障礙因素,加之人類對(duì)該地區(qū)的不合理開發(fā)利用,導(dǎo)致下游地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)脆弱性升高、穩(wěn)定性較差,在快速城鎮(zhèn)化、工業(yè)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的背景下,建設(shè)用地?cái)U(kuò)張、水資源短缺以及城鄉(xiāng)居民土地需求多樣化等對(duì)區(qū)域生態(tài)安全提出了挑戰(zhàn)。
圖1 研究區(qū)概況 Fig.1 Location of study area
本研究采用的黃河下游地區(qū)土地覆被數(shù)據(jù)來源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn),為1990、2000、2010 和2015 年中國(guó)土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測(cè)解譯數(shù)據(jù),空間分辨率為1 000 m×1 000 m。根據(jù)研究區(qū)土地資源特征和研究目標(biāo),按照“中國(guó)土地利用/土地覆蓋遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分類系統(tǒng)”對(duì)各年份的土地利用類型進(jìn)行一級(jí)重分類,得到耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地6 種土地利用類型。DEM 是30 m 的ASTER GDEM V2 數(shù)據(jù),來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)。糧食產(chǎn)量數(shù)據(jù)來自于1991、2001、2011、2016 年的《河南統(tǒng)計(jì)年鑒》《山東統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》,糧食價(jià)格根據(jù)2016 年《中國(guó)農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格調(diào)查年鑒》計(jì)算得出。
本研究的驅(qū)動(dòng)因子指標(biāo)選取主要考慮對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值產(chǎn)生影響的自然因素和人文經(jīng)濟(jì)因素。結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況,基于數(shù)據(jù)的可獲取性,最終確定2 類9 項(xiàng)指標(biāo):①自然因子:高程、降水、氣溫、NDVI、土壤侵蝕強(qiáng)度;②社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子:人為影響綜合指數(shù)、地均GDP、人口空間分布數(shù)據(jù)、土地利用類型。高程數(shù)據(jù)基于DEM數(shù)據(jù)提取,人為影響綜合指數(shù)參考前人研究計(jì)算得到[30],降水、氣溫、NDVI、土壤侵蝕強(qiáng)度、地均GDP、人口空間分布數(shù)據(jù)均來源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)。降水、氣溫基于中國(guó)1980 年以來逐年年降水量空間插值數(shù)據(jù)集提取,NDVI 數(shù)據(jù)基于中國(guó)年度植被指數(shù)(NDVI)空間分布數(shù)據(jù)集提取,土壤侵蝕強(qiáng)度基于中國(guó)土壤侵蝕空間分布數(shù)據(jù)提取,地均GDP和人口空間分布數(shù)據(jù)分別基于中國(guó)GDP 空間分布公里網(wǎng)格數(shù)據(jù)集和中國(guó)人口空間分布公里網(wǎng)格數(shù)據(jù)集進(jìn)行提取。若驅(qū)動(dòng)因子為數(shù)值量,需要進(jìn)行離散化處理得到需要的類型數(shù)據(jù)集。
2.2.1 土地利用動(dòng)態(tài)度
土地利用動(dòng)態(tài)度是定量評(píng)價(jià)土地利用變化速度的指標(biāo)[31],表征研究區(qū)內(nèi)某一時(shí)段不同土地類型的變化速度,包含單一土地利用動(dòng)態(tài)度和綜合土地利用動(dòng)態(tài)度。
利用單一土地利用動(dòng)態(tài)度(K)來表達(dá)黃河下游地區(qū)一定時(shí)間內(nèi)某一土地利用類型數(shù)量的速度變化。其模型表達(dá)式為
式中i 為第i 類土地利用類型,Uj、Ui分別為研究期末與研究期初某一土地利用類型的面積,T 為研究時(shí)長(zhǎng)。
利用綜合土地利用動(dòng)態(tài)度(LC)來表示黃河下游地區(qū)一定時(shí)間內(nèi)綜合土地利用類型數(shù)量的速度變化。其模型表達(dá)式為
式中Ui為研究初期第i 類土地利用類型面積;ΔUi-j為研究時(shí)段第i 類土地利用類型轉(zhuǎn)化為非i 類土地利用類型面積的絕對(duì)值;n 為不同的土地利用類型數(shù)量。
2.2.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣
土地利用轉(zhuǎn)移矩陣來源于系統(tǒng)分析中對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)與狀態(tài)轉(zhuǎn)移的定量描述[32],可以全面、具體地刻畫區(qū)域土地利用變化方向以及研究期末各土地利用類型的來源與構(gòu)成,反映出人類活動(dòng)所引導(dǎo)的土地利用變化方向,更好地揭示土地利用格局的時(shí)空演化過程。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為
式中Uij為i 類用地轉(zhuǎn)為j 類用地的土地面積;n 為不同土地利用的類型數(shù)量;i,j 分別為轉(zhuǎn)移前后的土地利用類型。運(yùn)用ArcGIS 10.3 軟件對(duì)反映研究區(qū)內(nèi)土地利用的柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,計(jì)算得到研究期內(nèi)的土地利用轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù),構(gòu)建土地利用轉(zhuǎn)移矩陣。
2.2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值測(cè)算
單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的等效系數(shù)是評(píng)估區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的基礎(chǔ)。本研究以“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”[17]為基礎(chǔ)來測(cè)算黃河下游地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,按單位面積耕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值等于平均糧食單產(chǎn)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的1/7 計(jì)算,通過查閱《河南統(tǒng)計(jì)年鑒》《山東統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》,“國(guó)家統(tǒng)計(jì)局關(guān)于2015 年糧食產(chǎn)量的公告”等,計(jì)算得出黃河下游地區(qū)1990—2015 年糧食單位面積產(chǎn)量為5 162.88 kg/hm2,該地區(qū)主要農(nóng)產(chǎn)品為小麥、玉米、水稻,同時(shí)為了使生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值年份對(duì)比更直觀,選取參照2015 年小麥、玉米、水稻價(jià)格的平均值作為實(shí)際計(jì)算的糧食價(jià)格,經(jīng)查閱《中國(guó)農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格調(diào)查年鑒》并進(jìn)行計(jì)算,得到黃河下游地區(qū)糧食單價(jià)為2.57 元/kg,確定黃河下游地區(qū)單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)表(表1),并根據(jù)前人研究[1,17,20,33],假定建設(shè)用地的價(jià)值系數(shù)為0。
表1 黃河下游單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)表 Table.1 Factor of ecosystem services value per unit area in the Lower Yellow River
根據(jù)不同類型土地利用面積,結(jié)合公式(4)分別計(jì)算研究區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總量,由于研究區(qū)內(nèi)各研究單元受面積大小的影響較大,使得縣域間生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間分異的結(jié)果并不合理,因此,結(jié)合公式(5)計(jì)算研究區(qū)內(nèi)各研究單元的地均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,基于此分析黃河下游地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的時(shí)空演變、空間集聚和驅(qū)動(dòng)因子探測(cè),并結(jié)合公式(6)計(jì)算研究區(qū)內(nèi)地均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化率。
式中ESV 為研究區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總量,元;Ui為土地利用類型i 的面積,hm2;VCi為黃河下游地區(qū)土地利用類型i 單位面積內(nèi)提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù),元/(hm2·a);AESV 為地均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,元/hm2,AESVt1和AESVt2分別為t1 和t2 時(shí)地均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,元/hm2;C 為地均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化率,%。
為分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值隨時(shí)間的變化對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值系數(shù)的依賴程度,本研究使用敏感性指數(shù),通過上下調(diào)整已確定的各類土地利用類型價(jià)值系數(shù)的50%大小,計(jì)算ESV 對(duì)VC 變化的響應(yīng),最終確定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值隨著時(shí)間的變化情況和對(duì)價(jià)值系數(shù)的依賴程度[34]。當(dāng)VC 變化1%時(shí)引起ESV 的變化后,若CS > 1 時(shí),說明ESV對(duì)VC 富有彈性;若CS < 1 時(shí),則缺乏彈性,CS 比值越大,說明VC 的準(zhǔn)確性對(duì)ESV 的計(jì)算越關(guān)鍵。計(jì)算公式如下
式中E(Gi*)為Gi*值的數(shù)學(xué)期望,Var(Gi*)為Gi*值的方差;Wab為第a、b 地理空間單元的空間權(quán)重系數(shù)。當(dāng)Z(Gi*)> 1.96 時(shí),表示為ESV 變化的熱點(diǎn)區(qū),當(dāng)Z(Gi*)介于>1.65~1.96 時(shí),為ESV 次熱點(diǎn)區(qū);當(dāng)Z(Gi*)介于>-1.65~1.65 時(shí),為ESV 不顯著變化區(qū);當(dāng)Z(Gi*)介于-1.96~-1.65 時(shí),為ESV 次冷點(diǎn)區(qū);當(dāng)Z(Gi*)< -1.96時(shí),為ESV 冷點(diǎn)區(qū)。
2.2.5 重心分析
重心模型是研究區(qū)域發(fā)展過程中要素空間變動(dòng)的重要分析工具。由于區(qū)域發(fā)展是要素集聚與擴(kuò)散的過程,各要素的重心位置處于不斷變動(dòng)之中,要素重心的移動(dòng)反映了區(qū)域發(fā)展的空間軌跡[36]。本研究構(gòu)建的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值重心模型公式如下
式中mef為f 年第e 個(gè)評(píng)價(jià)單元的ESV;(xe,ye)為第e 個(gè)評(píng)價(jià)單元的地理中心坐標(biāo);為ESV 第f 年的重心坐標(biāo)。重心移動(dòng)的方向的計(jì)算公式如下
遷移距離的計(jì)算公式如下
式中D 為指研究期間重心的移動(dòng)距離,其余指標(biāo)含義與公式(12)一致。
2.2.6 地理探測(cè)器模型
地理探測(cè)器是用來探測(cè)地理要素空間分異性,揭示地理要素背后驅(qū)動(dòng)因子的一種新的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法[37]。因子探測(cè)可以探測(cè)各驅(qū)動(dòng)因子多大程度上解釋了分析變量的空間分異;交互探測(cè)可以識(shí)別不同驅(qū)動(dòng)因子之間共同作用是否增加或減弱對(duì)分析變量的解釋力[38]。本研究采用地理探測(cè)器模型對(duì)黃河下游地區(qū)影響ESV 空間分異的自然因子、社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子進(jìn)行探測(cè)。公式如下
式中q 為某一影響因子對(duì)區(qū)域ESV 空間分異的影響力;σh2和σ2分別為次一級(jí)區(qū)域和全區(qū)ESV 的方差;N 為整個(gè)研究區(qū)的樣本數(shù);Nh為次一級(jí)樣本數(shù);L 為次一級(jí)區(qū)域個(gè)數(shù)。其中,q 取值范圍為[0,1],若q 值越大,表明驅(qū)動(dòng)因子對(duì)ESV 空間分異的影響越大,能更大程度解釋對(duì)黃河下游地區(qū)ESV 空間分異驅(qū)動(dòng)機(jī)制。
基于遙感數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析,得到黃河下游地區(qū)不同土地利用類型面積變化結(jié)構(gòu)(圖2)。1990—2015年,耕地始終是研究區(qū)內(nèi)最主要的土地利用類型,占全區(qū)總面積70%以上,其次是建設(shè)用地。研究區(qū)內(nèi)不同土地利用類型的變化趨勢(shì)主要表現(xiàn)為:耕地、草地和未利用地面積逐漸減少;建設(shè)用地和水域面積也在逐漸增加,水域面積增幅較?。涣值孛娣e略有增加,變化不大。
結(jié)合黃河下游地區(qū)土地利用數(shù)據(jù),根據(jù)公式(1)和公式(2)分別計(jì)算研究區(qū)單一土地利用動(dòng)態(tài)度和綜合土地利用動(dòng)態(tài)度(表2)。從單一土地利用動(dòng)態(tài)度來看,1990—2000 年間,研究區(qū)未利用地變化最劇烈,其次是建設(shè)用地,分別是-31.60%和7.33%。2000—2010 年間,未利用地變化幅度仍然最大,但較上一階段,變化幅度略有降低;水域和建設(shè)用地變化幅度較上一階段有明顯的提高;草地較上一階段減少幅度最大,其次是耕地;2010—2015 年間,耕地、草地、未利用地較上一階段都有輕微變化幅度,水域、建設(shè)用地面積增加幅度較為明顯??傮w來看,黃河下游地區(qū)近25a 間,土地利用變化幅度較為劇烈的是未利用地、建設(shè)用地、水域和草地,分別是-48.57%,23.19%,13.24%和-11.62%,耕地變化幅度受制于基數(shù)大,變化幅度不明顯,林地變化幅度較小。從綜合土地利用動(dòng)態(tài)度來看,1990—2015 年變化始終維持在0.10%左右,2000—2010 年間最高,為0.13%,2010—2015 年最低,僅0.07%,主要由于此研究時(shí)段較短。土地利用動(dòng)態(tài)度與人類對(duì)生態(tài)環(huán)境開發(fā)的強(qiáng)度密切相關(guān),人口增加、建設(shè)用地面積擴(kuò)張,未利用地逐漸被開發(fā),耕地被侵占,出現(xiàn)草地退化等現(xiàn)象;水域面積受氣候、徑流影響較大;退耕還林還草工程的實(shí)施對(duì)于林地具有重要的保護(hù)措施。地類變化頻繁,主要是自然因素和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素綜合作用的影響,因此,各個(gè)時(shí)期土地利用動(dòng)態(tài)度出現(xiàn)不同幅度的變化。
圖2 1990—2015 年黃河下游地區(qū)不同土地利用類型面積變化 Fig.2 Area change of different land use types in the Lower Yellow River from 1990 to 2015
表2 1990—2015 年黃河下游地區(qū)土地利用變化動(dòng)態(tài)度 Table 2 Dynamic changes of land use in the Lower Yellow River from 1990 to 2015
根據(jù)1990—2015 年黃河下游地區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(表3),近25 年間,研究區(qū)內(nèi)土地利用類型發(fā)生轉(zhuǎn)變的面積為7 764 km2,占總面積的5.24%,耕地、草地和未利用地面積呈現(xiàn)減少態(tài)勢(shì),分別減少了2 894 、1 476 、856 km2。水域和建設(shè)用地?cái)U(kuò)張明顯,面積分別增加了595、 4 598 km2,林地面積變化微小。其中耕地的轉(zhuǎn)出面積(4 433 km2)占總轉(zhuǎn)出面積(7 764 km2)的57.10%,是其他土地利用類型轉(zhuǎn)入的主要貢獻(xiàn)者。建設(shè)用地則表現(xiàn)出大幅擴(kuò)張的態(tài)勢(shì),轉(zhuǎn)入面積高達(dá)4 650 km2,且有82.19%來源耕地。水域的轉(zhuǎn)入面積為1 300 km2明顯大于轉(zhuǎn)出面積705 km2,有38.69%來自耕地,46.54%來自未利用地。草地大量轉(zhuǎn)出,凈轉(zhuǎn)出面積為856 km2,草地轉(zhuǎn)出量的63.80%轉(zhuǎn)入耕地。
表3 1990—2015 年黃河下游地區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 Table3 Land use transition in the Lower Yellow River from 1990 to 2015 km2
3.2.1 地均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的時(shí)間變化
根據(jù)公式(4)計(jì)算得出1990、2000、2010、2015 年黃河下游地區(qū)ESV 分別為:2 480.24、2 478.13、2 477.95、2 461.38 億元,近25a 間ESV 降低了18.86 億元根據(jù)公式(5)計(jì)算得出AESV 分別為:167.36、167.22、167.21、166.09萬元/km2。1990—2000 年間年均降低0.09‰,2000—2010年間年均降低0.01‰,2010—2015 年間年均降低1.34‰,表明了黃河下游地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)總體趨于惡化。
3.2.2 地均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的空間變化
根據(jù)公式(5)計(jì)算得到黃河下游地區(qū)縣域尺度AESV的空間分布(圖3)。為了更加清晰地表達(dá)縣域尺度AESC的空間演變趨勢(shì),將AESV>210 萬元/km2劃分為高值區(qū)、190~210 萬元/km2為較高值區(qū)、170~190 萬元/km2為中高值區(qū)、150~170 萬元/km2為中低值區(qū)、130~150 萬元/km2為較低值區(qū)、<130 萬元/km2為低值區(qū)。整體來看,黃河下游地區(qū)AESV 空間分布差異明顯,AESV 的高值區(qū)主要分布于主要分布在豫北、豫西和魯中地區(qū),這些地區(qū)海拔較高,多山地丘陵,不適宜進(jìn)行耕作,因此林地和草地分布范圍較廣,生態(tài)環(huán)境相對(duì)較好;低值區(qū)主要分布在中部和北部的平原地區(qū),這些地區(qū)除了耕地外多分布建設(shè)用地,生態(tài)環(huán)境相對(duì)較差。具體來看,1990年的高值區(qū)主要集中在4 個(gè)區(qū)域:豫北和豫西13 個(gè)縣區(qū)(焦作市、鄭州市以及新鄉(xiāng)市、鶴壁市、安陽(yáng)市的少部分縣區(qū))、魯中7 個(gè)縣區(qū)(淄博市、萊蕪市、濟(jì)南市及泰安市的部分縣區(qū))、以及墾利縣和微山縣;有17個(gè)縣區(qū)屬于低值區(qū),主要在周口市和商丘市。2000 年相對(duì)于1990 年比,高值區(qū)明顯較少,減少的區(qū)域主要集中在豫西地區(qū),主要表現(xiàn)在鄭州市轄區(qū)、中牟縣、孟州市、武陟縣,這一階段該區(qū)域城市化發(fā)展水平較快,出現(xiàn)建設(shè)用地侵占耕地、草地等現(xiàn)象;低值區(qū)較前一階段的變化主要表現(xiàn)在河南省新增加了長(zhǎng)葛市、鄢陵縣,山東省新增了定陶縣和莘縣。2010 年較2000 年相比,高值區(qū)和低值區(qū)沒有明顯變化,主要?dú)w功于全面推行退耕還林還草政策的實(shí)施。2015 年與前一階段相比,高值區(qū)較前一階段數(shù)量有所增加,河南省新增了南樂縣,山東省新增了菏澤市轄區(qū)以及荏平縣,而黃河下游中部平原地區(qū)有形成低值區(qū)連接的趨勢(shì)。
圖3 1990—2015 年黃河下游地區(qū)AESV 空間分布 Fig. 3 Spatial distribution of Average Ecosystem Services Value(AESV) in the lower Yellow River from 1990 to 2015
根據(jù)公式(6)計(jì)算得出黃河下游縣域尺度AESV 的變化率,得到AESV 變化率的空間分布(圖4)。具體來看,1990—2000 年間,81.2%的縣區(qū)AESV 處于減少趨勢(shì),17.29%的縣區(qū)處于增加趨勢(shì),增加幅度較大的縣區(qū)主要分布在山東省,其中微山縣增幅高達(dá)83.22%,減少幅度較大的縣區(qū)主要分布在河南省,其中鄭州市轄區(qū)、開封市轄區(qū)、周口市轄區(qū)、濮陽(yáng)市轄區(qū)、新鄭市、中牟縣、開封縣、封丘縣、長(zhǎng)垣縣、武陟縣、溫縣、孟州市AESV減少幅度超過10%。2000—2010 年間,36.84%的縣區(qū)AESV 處于增加趨勢(shì),60.9%的縣區(qū)趨于減少,這一階段,呈增加趨勢(shì)的縣區(qū)數(shù)量較1990—2000年這一階段增加26個(gè)。2010—2015 年間,86.47%的縣區(qū)AESV 趨于較低幅度的降低,增長(zhǎng)的地區(qū)主要為山東省12 個(gè)縣區(qū)以及河南省3 個(gè)縣區(qū)。
圖4 1990—2015 年黃河下游地區(qū)AESV 變化率空間分布 Fig. 4 Spatial distribution of the change rate of AESV in the Lower Yellow River from 1990 to 2015
3.2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值對(duì)價(jià)值系數(shù)的敏感性分析
根據(jù)公式(7),通過上下調(diào)整50%的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)來計(jì)算敏感性指數(shù)(表4),結(jié)果表明,黃河下游地區(qū)所有土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)的敏感性指數(shù)均小于1,由高到低依次為耕地、水域、林地、草地、未利用地。其中,耕地的敏感性指數(shù)為0.63~0.65,說明當(dāng)耕地的價(jià)值系數(shù)增加1%時(shí),生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值將增加0.63%~0.65%。敏感性分析表明,黃河下游地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值是缺乏彈性的,相對(duì)于價(jià)值系數(shù)來說是相對(duì)穩(wěn)定的,因此本研究所選取的價(jià)值系數(shù)適用于該研究區(qū)。
表4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值敏感性指數(shù)變化表 Table4 Changes of sensitivity index of ecosystem service value
為探究1990—2015 年黃河下游地區(qū)AESV 空間集聚特征,根據(jù)公式(8)和公式(9),采用ArcGIS 10.3 軟件中的熱點(diǎn)分析工具,對(duì)1990、2000、2010、2015 四個(gè)年份AESV 進(jìn)行冷熱點(diǎn)探測(cè),得到黃河下游地區(qū)AESV的冷熱點(diǎn)分布(圖5)。整體來看,黃河下游地區(qū)AESV的空間格局保持相對(duì)穩(wěn)定,熱點(diǎn)區(qū)仍然主要分布在豫西和魯中的山地地區(qū);冷點(diǎn)區(qū)主要分布在豫東平原地區(qū)。具體來看,1990 年AESV 的空間集聚最為明顯,熱點(diǎn)區(qū)主要分布在豫西地區(qū)鄭州市、焦作市下轄的12 個(gè)縣區(qū)和魯中地區(qū)泰安市、萊蕪市下轄的5 個(gè)縣區(qū),除此之外,水域面積分布較廣的山東省微山縣和魚臺(tái)縣也成為高值集聚的區(qū)域;冷點(diǎn)區(qū)主要集中在周口市轄區(qū)、商水縣、項(xiàng)城市、淮陽(yáng)縣、西華縣、鹿邑縣、柘城縣、太康縣、睢縣、寧陵縣等耕地分布較廣的平原地區(qū)。2000 年熱點(diǎn)區(qū)和冷點(diǎn)區(qū)較前一階段出現(xiàn)萎縮趨勢(shì),魯中地區(qū)的濟(jì)南市轄區(qū)、泰安市轄區(qū)和新泰縣由熱點(diǎn)區(qū)變?yōu)榱舜螣狳c(diǎn)區(qū),豫西地區(qū)的熱點(diǎn)區(qū)有一半變成了不顯著區(qū),豫東地區(qū)的次冷點(diǎn)區(qū)逐漸消失,變?yōu)椴伙@著區(qū),冷點(diǎn)區(qū)大量消減。2010 年較2000 年冷點(diǎn)區(qū)和熱點(diǎn)區(qū)變化并不明顯,只有河南省許昌市轄區(qū)、許昌縣、襄城縣與鄢陵縣新增成為次冷點(diǎn)區(qū)。2015 年冷點(diǎn)區(qū)已經(jīng)消失,冷熱點(diǎn)和熱點(diǎn)區(qū)變化極其微小,只有周口市次冷點(diǎn)區(qū)減少。
圖5 1990—2015 年黃河下游地區(qū)AESV 的空間集聚圖 Fig.5 Spatial clustering of AESV in the Lower Yellow River from 1990 to 2015
為深入探究1990—2015 年黃河下游地區(qū)AESV 變化的空間分布特征,仍然采用ArcGIS 10.3 中熱點(diǎn)分析工具,對(duì)1990—2000 年、2000—2010 年、2010—2015 年3 個(gè)時(shí)段AESV 的變化量進(jìn)行冷/熱點(diǎn)探測(cè),得到黃河下游地區(qū)AESV 增減變化的冷熱點(diǎn)分布(圖6)。
具體來看,1990—2000 年,AESV 變化的熱點(diǎn)區(qū)分布在濟(jì)寧市的微山縣和魚臺(tái)縣。冷點(diǎn)區(qū)和次冷點(diǎn)區(qū)集中分布在河南省焦作、鄭州、新鄉(xiāng)、開封四市相臨的縣區(qū)。2000—2010 年,價(jià)值量變化較前一階段出現(xiàn)了明顯的高值集聚,熱點(diǎn)區(qū)主要分布在焦作市下轄孟州市、溫縣、沁陽(yáng)市、博愛縣和緊鄰的鞏義市,開封市轄區(qū)、開封縣及北部相鄰的封丘縣,以及山東的曲阜市。次熱點(diǎn)區(qū)有5 個(gè)縣區(qū),其中3 個(gè)分布在熱點(diǎn)區(qū)周圍,2 個(gè)分布在東營(yíng)市的利津縣和墾利縣。冷點(diǎn)區(qū)轉(zhuǎn)移至許昌下轄6 個(gè)縣區(qū)以及北邊的新鄭市。2010—2015 年,與前一階段相比,冷熱點(diǎn)遷移明顯,熱點(diǎn)區(qū)分布在沾化縣和濱州市轄區(qū),次熱點(diǎn)區(qū)數(shù)量衰減至2 個(gè),冷點(diǎn)區(qū)分布在鄭州市下轄的新密市、新鄭市、中牟縣,以及永城市、曲阜市和寧陽(yáng)縣,次熱點(diǎn)區(qū)分布在鄭州市轄區(qū)、夏邑縣和汶上縣。
圖6 1990—2015 年黃河下游地區(qū)AESV 變化的空間集聚圖 Fig.6 Spatial clustering of AESV changes in the Lower Yellow River from 1990 to 2015
根據(jù)區(qū)域ESV 重心模型公式(10)和公式(11)計(jì)算得出1990—2015年間黃河下游地區(qū)ESV的重心變化趨勢(shì)(圖7)。由圖7 可知,1990 年的重心是(115°51'25.2"E,35°42'39.6"N),2000 年的重心是(115°55'8.4"E,35°43'15.6"N),2010 年的重心是(115°54'50.4"E,35°42'46.8"N),2015 年的重心是(115°54'50.4"E,35°42'54"N)。根據(jù)重心分布的位置來看,1990—2015年間ESV 的重心始終分布在山東省鄆城縣,說明山東地區(qū)的ESV 始終高于河南地區(qū)。根據(jù)公式(12)計(jì)算黃河下游地區(qū)ESV 重心的移動(dòng)方向,根據(jù)公式(13)計(jì)算重心的移動(dòng)距離,得到1990—2000 年間ESV 重心向北偏東78°方向遷移了7.57km,結(jié)合1990—2000 年間的ESV來看,整個(gè)黃河下游地區(qū)減少了2.11 億元,河南地區(qū)減少了44.46 億元,山東地區(qū)增加了42.35 億元,兩地區(qū)ESV差值出現(xiàn)較大幅度的增加,表現(xiàn)為ESV 的重心向ESV 增加的地區(qū)(山東地區(qū))明顯遷移趨勢(shì)。2000—2010 年間,ESV 重心向南偏東24.5°方向遷移了0.71km,這一階段整個(gè)地區(qū)的ESV 減少了0.18 億元,河南地區(qū)增加5.69億元,山東地區(qū)減少了5.87 億元,因此這一階段重心出現(xiàn)向河南地區(qū)遷移的趨勢(shì)。2010—2015 年間,重心遷移較前一階段幾乎沒有變化,在這5a 間,整個(gè)黃河下游地區(qū)減少了16.56 億元,這一階段與前兩個(gè)階段相比出現(xiàn)了較大幅度的減少,但是由于河南地區(qū)和山東地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值減少數(shù)值十分相近,且相對(duì)均衡,河南地區(qū)減少了8.51 億元,山東地區(qū)減少了8.05 億元,因此這一階段黃河下游地區(qū)ESV 的重心變化非常微小。
基于黃河下游地區(qū)縣域研究尺度,以AESV 作為因變量,以氣溫(X1)、降水(X2)、高程(X3)、土壤侵蝕強(qiáng)度(X4)、NDVI(X5)、人為影響綜合指數(shù)(X6)、地均GDP(X7)、人口空間分布數(shù)據(jù)(X8)、土地利用類型(X9)為因變量,基于GeoDetector 工具的“因子探測(cè)”和“交互作用探測(cè)”功能,輸入地理探測(cè)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)因子及驅(qū)動(dòng)因子之間交互作用的定量分析,探討黃河下游地區(qū)ESV 空間分異的主導(dǎo)因子,以及各驅(qū)動(dòng)因子間交互作用的特征,最終得到地理探測(cè)器對(duì)黃河下游AESV空間分異的因子探測(cè)結(jié)果(表5)和交互探測(cè)結(jié)果(表6).
圖7 1990—2015 年黃河下游地區(qū)ESV 重心變化軌跡 Fig.7 Change of barycenter of average ESV in the Lower Yellow River from 1990 to 2015
表5 地理探測(cè)器的因子探測(cè) Table 5 Factor detector of the GeoDetector
從表5 中可以看出,黃河下游地區(qū)AESV 空間上的差異受自然因素和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素共同作用的影響,根據(jù)各驅(qū)動(dòng)因子的q 統(tǒng)計(jì)量從大到小排序?yàn)椋喝藶橛绊懢C合指數(shù)、高程、氣溫、降水、NDVI、地均GDP、人口空間分布數(shù)據(jù)、土壤侵蝕強(qiáng)度、土地利用類型,可以看出,人類綜合影響指數(shù)(X6)的q 統(tǒng)計(jì)量為0.75,對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響最大,是黃河下游地區(qū)縣域尺度AESV空間分異最主要的原因,也反映了黃河下游地區(qū)是人類活動(dòng)的熱點(diǎn)區(qū)域,人類活動(dòng)頻繁,社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速。高程(X3)的q 統(tǒng)計(jì)量也達(dá)到0.23,是影響其空間分異的重要因素;氣溫(X1)、降水(X2)、NDVI(X5)在0.10~0.15 之間,也是影響其空間分異較為重要的因素。而地均GDP(X7)、人口空間分布(X8)、土壤侵蝕強(qiáng)度(X4)、土地利用類型(X9)q 值小于0.1,說明這些驅(qū)動(dòng)因子一定程度上影響著AESV 的空間分異,但是影響程度較小。
表6 地理探測(cè)器的交叉探測(cè) Table 6 Interaction detector of the GeoDetector
從表6 中可以看出,任何兩種驅(qū)動(dòng)因子對(duì)黃河下游地區(qū)縣域尺度AESV 空間分異的交互作用均大于一個(gè)驅(qū)動(dòng)因子的單獨(dú)作用,也證實(shí)了黃河下游地區(qū)縣域尺度AESV 空間分異結(jié)果的不是由單一驅(qū)動(dòng)因子造成的,而是由不同驅(qū)動(dòng)因子共同作用的結(jié)果。從交互探測(cè)的結(jié)果來看,人為影響綜合指數(shù)(X6)與氣溫(X1)、降水(X2)、NDVI(X5)之間的交互作用程度達(dá)到0.85 左右,不同驅(qū)動(dòng)力之間的交互作用對(duì)區(qū)域AESV 的空間分異影響明顯增強(qiáng),不同因子之間的復(fù)雜耦合作用所形成的協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)共同影響了區(qū)域AESV 在空間上分異效果。黃河下游地區(qū)生態(tài)環(huán)境較為脆弱,受制于自然因素的約束,加之人類活動(dòng)較為頻繁,因此要采取與自然環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相適應(yīng)的發(fā)展模型,加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)治理,促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)。
1)耕地是黃河下游地區(qū)最主要的土地利用類型,1990—2015 年間,全區(qū)耕地、未利用地、草地面積逐漸減少,分別減少了2 894 、1 476 、856 km2,而建設(shè)用地和水域面積逐漸增加,分別增加了4 598 、595 km2。從不同土地利用類型的動(dòng)態(tài)變化度來看,變化最劇烈的未利用地,幅度最小的是林地;綜合土地利用變化度基本上穩(wěn)定在0.1%左右。從土地利用類型的轉(zhuǎn)移情況來看,耕地是其他土地利用類型轉(zhuǎn)入的主要貢獻(xiàn)者,建設(shè)用地表現(xiàn)出大幅擴(kuò)張的態(tài)勢(shì),且有82.19%來源耕地。
2)從時(shí)間尺度看,黃河下游地區(qū)近25 年間生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值ESV 降低了18.86 億元,生態(tài)系統(tǒng)需要進(jìn)行保護(hù)和改善。從空間尺度來看,縣域尺度的地均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值A(chǔ)ESV 空間分布差異明顯,高值區(qū)主要分布于主要分布在豫西、豫北的山地地區(qū)和魯中山地丘陵區(qū),低值區(qū)主要分布在建設(shè)用地較多的平原地區(qū)。高值區(qū)逐漸減少,低值區(qū)逐漸增加,且低值區(qū)有形成沿著平原地區(qū)南北貫通的趨勢(shì)。黃河下游地區(qū)各縣區(qū)AESV 的變化較為明顯,大多數(shù)縣區(qū)處于減少趨勢(shì),2000—2010 年較前一階段情況稍有好轉(zhuǎn)。本研究通過敏感性指數(shù)來反映ESV 對(duì)生態(tài)價(jià)值系數(shù)的依賴程度,表明所選用的生態(tài)價(jià)值系數(shù)比較合理。
3)黃河下游地區(qū)AESV 的熱點(diǎn)區(qū)主要分布在海拔較高、植被覆蓋較廣的豫西和魯中地區(qū),冷點(diǎn)區(qū)分布在豫東平原地區(qū)。整體來看,熱點(diǎn)區(qū)和冷點(diǎn)區(qū)都有逐漸減少的趨勢(shì),空間集聚趨于弱化。微山縣和魚臺(tái)縣受廣闊水域面積的影響始終是熱點(diǎn)區(qū)。重心模型研究表明,山東地區(qū)ESV 始終高于河南地區(qū),重心前移距離與兩地區(qū)之間生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化差值有關(guān)。
4)黃河下游地區(qū)AESV 空間上的差異受自然因素和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素共同作用的影響,人為綜合影響指數(shù)對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響最大,是黃河下游地區(qū)縣域尺度AESV 空間分異最主要的原因,其次是高程,地均GDP、人口空間分布、土壤侵蝕強(qiáng)度、土地利用類型等對(duì)于AESV 空間分異的影響較小。黃河下游地區(qū)縣域尺度AESV 空間分異結(jié)果的不是由單一驅(qū)動(dòng)因子造成的,而是由不同驅(qū)動(dòng)因子共同作用的結(jié)果,不同驅(qū)動(dòng)因子之間的復(fù)雜耦合作用所形成的協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)共同影響了區(qū)域AESV 在空間上分異效果。
黃河下游地區(qū)未來的發(fā)展需完善生態(tài)保護(hù)的法律法規(guī)、強(qiáng)化監(jiān)管責(zé)任,嚴(yán)格控制城市建設(shè)用地的盲目擴(kuò)張,劃定區(qū)域生態(tài)保護(hù)紅線,加大生態(tài)用地保護(hù)力度,同時(shí)還需做好區(qū)域范圍內(nèi)的生態(tài)補(bǔ)償,從而促進(jìn)黃河下游地區(qū)生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)協(xié)調(diào)高質(zhì)量發(fā)展。在建設(shè)用地的ESV 評(píng)估方面,由于其自然的復(fù)雜性對(duì)區(qū)域ESV 總量的結(jié)果影響較大,在今后的研究中將從不同城鄉(xiāng)等級(jí)、多種建設(shè)用地生態(tài)功能角度探究建設(shè)用地ESV 的評(píng)估。在ESV 空間分異的驅(qū)動(dòng)力探測(cè)方面,本研究?jī)H以2015 年為例探測(cè)了黃河下游地區(qū)縣域尺度AESV 空間分異的驅(qū)動(dòng)因子,驅(qū)動(dòng)因子探測(cè)還可以從多個(gè)年份、不同空間尺度開展研究,揭示不同驅(qū)動(dòng)因子對(duì)于ESV 在時(shí)序和多層次空間上的變化規(guī)律。