基于LUCC的江蘇省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空變化特征研究

丁夢(mèng)婷,裴鳳松,胡引翠,*,董 碩,張征南,劉澤鵬

1 河北師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 石家莊 050024 2 河北省環(huán)境變化遙感識(shí)別技術(shù)創(chuàng)新中心, 石家莊 050024 3 河北省環(huán)境演變與生態(tài)建設(shè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 石家莊 050024 4 江蘇師范大學(xué)地理測(cè)繪與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院, 徐州 221116 5 河北師范大學(xué)旅游系, 石家莊 050024

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是生態(tài)系統(tǒng)所形成及維持人類賴以生存的自然環(huán)境條件與效用,人類可從中直接或間接獲得生命支持的產(chǎn)品和服務(wù)[1-2],生物多樣性是衡量生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要的先決條件[3]。土地利用/覆蓋變化(LUCC)和氣候改變的綜合作用是生物多樣性減少的重要驅(qū)動(dòng)力[4]。土地利用/覆蓋變化作為自然生態(tài)系統(tǒng)的載體,不僅會(huì)降低生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力(如,規(guī)避風(fēng)險(xiǎn),最小化傷害等)[5],還能影響土地生產(chǎn)力,造成土地退化、水污染等一系列不良后果[6]。因此,基于長(zhǎng)期土地利用/覆蓋變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行定量研究,有助于指導(dǎo)人類活動(dòng)、制止和扭轉(zhuǎn)土地退化以及遏制生物多樣性的喪失。

目前對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的評(píng)估研究是生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)、地理學(xué)等相關(guān)學(xué)科研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一,在建設(shè)規(guī)劃生態(tài)屏障、劃分生態(tài)保護(hù)紅線和協(xié)調(diào)生態(tài)經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮重要的作用[7-8]。1997年Costanza等基于均衡價(jià)值理論以及效應(yīng)價(jià)值理論,制定了全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子表[1]。國(guó)內(nèi)學(xué)者歐陽(yáng)志云等[9]基于Costanza的研究結(jié)果評(píng)估了中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。謝高地基于中國(guó)國(guó)情通過(guò)生物量參數(shù)對(duì)當(dāng)量因子表進(jìn)行多次修正,制定出“中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子表”[10-11],為我國(guó)學(xué)者研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值提供了計(jì)算基礎(chǔ),并在國(guó)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用[12-14]。

江蘇省人均國(guó)土面積最少但綜合發(fā)展水平最高。目前對(duì)江蘇省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的研究較少且主要關(guān)注于特定區(qū)域,如劉洋等[15]以太湖流域?yàn)槔芯可鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系；韓煒[16]以無(wú)錫為例研究土地利用變化及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值；于淼等[17]以江蘇省沿海地區(qū)為例研究土地利用變化及其生態(tài)效應(yīng)。但在可持續(xù)發(fā)展理念下,對(duì)于資源環(huán)境容量有限但經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速的典型代表江蘇省來(lái)說(shuō),土地利用變化有哪些表現(xiàn)？其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)有哪些變化以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值演變具有哪些特征？這一科學(xué)問(wèn)題還沒(méi)精準(zhǔn)回答。因此,本研究利用1995—2015年研究區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展重要時(shí)間節(jié)點(diǎn)的LUCC,計(jì)算土地利用動(dòng)態(tài)度及香濃多樣性指數(shù)；引入評(píng)估計(jì)分理論[3,18-19],動(dòng)態(tài)研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化；通過(guò)修正當(dāng)量因子計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,并應(yīng)用空間自相關(guān)與熱點(diǎn)分析方法研究其時(shí)空變化特征,以期為江蘇省在縮小區(qū)域經(jīng)濟(jì)差異進(jìn)行土地整治過(guò)程中科學(xué)規(guī)劃土地、協(xié)同經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)文明建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域

江蘇省位于我國(guó)東部沿海中心,位于116 °18′E—121 °57′E,30 °45′N—35 °20′N,處于亞熱帶向暖溫帶過(guò)渡地帶,氣候四季分明,雨量適中,地勢(shì)低平,以平原為主。全省境內(nèi)河渠縱橫、水網(wǎng)稠密,長(zhǎng)江橫穿其南部,大運(yùn)河縱貫?zāi)媳?海岸線長(zhǎng)954km。經(jīng)濟(jì)綜合競(jìng)爭(zhēng)力領(lǐng)先全國(guó),2019年糧食產(chǎn)量占全國(guó)5.58%,地區(qū)生產(chǎn)總值占全國(guó)10.06%,人均地區(qū)生產(chǎn)總值高于全國(guó)水平。但省內(nèi)區(qū)域發(fā)展不平衡,經(jīng)濟(jì)實(shí)力由南至北遞減,2019年蘇南(南京、蘇州、無(wú)錫、常州、鎮(zhèn)江)、蘇中(南通、揚(yáng)州、泰州)和蘇北(徐州、淮安、鹽城、宿遷、連云港)人均地區(qū)生產(chǎn)總值分別為：160747、115360、70369元。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源與環(huán)境數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/data.aspx?DATAID=264),該土地利用數(shù)據(jù)集以Landsat遙感影像數(shù)據(jù)為信息源,分辨率為1km,借助ENVI 5.4.1對(duì)其進(jìn)行精度檢驗(yàn),得到每期影像的總體分類精度在93%左右；五期土地利用數(shù)據(jù)選擇依據(jù)為江蘇省經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要時(shí)間節(jié)點(diǎn)：1995年全省經(jīng)濟(jì)體制改革,2000年為”九五”計(jì)劃的最后一年,2005年進(jìn)入城鄉(xiāng)統(tǒng)籌與區(qū)域共同發(fā)展階段,2010年江蘇省成為全國(guó)創(chuàng)新能力最強(qiáng)的地區(qū),2015年啟動(dòng)”三一一”省級(jí)重大工程推進(jìn)計(jì)劃。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)采用《江蘇省統(tǒng)計(jì)年鑒》、《全國(guó)農(nóng)產(chǎn)品收益資料匯編》和江蘇省糧食和物質(zhì)儲(chǔ)備局(http://lsj.jiangsu.gov.cn/col/col74735/index.html),收集1995—2015年江蘇省糧食作物產(chǎn)量、種植面積、平均交易價(jià)格等資料,整理后為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值計(jì)算的數(shù)據(jù)源。降水?dāng)?shù)據(jù)與土壤保持量數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源與環(huán)境數(shù)據(jù)中心,NPP數(shù)據(jù)采用陳鵬飛[20]逐月凈初級(jí)生產(chǎn)力柵格數(shù)據(jù)集成果,分辨率為1km。此外,本文參考了國(guó)家統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、遙感影像和文獻(xiàn)資料等其他數(shù)據(jù)。

2.2 土地利用分析方法

2.2.1土地利用動(dòng)態(tài)度

土地利用類型的變化幅度通常用單一土地利用動(dòng)態(tài)度表示,以衡量研究區(qū)某種土地利用類型變化速度的大小,對(duì)土地利用/覆蓋變化時(shí)間和區(qū)域差異分析具有重要意義[21]。

(1)

式中，K為研究時(shí)段內(nèi)某一土地利用類型的動(dòng)態(tài)度；Ub為研究期末某一土地利用類型面積；Ua為研究期初的面積；T為研究周期。注，當(dāng)T單位為年時(shí)，K為某種土地利用類型的年均變化率。

2.2.2香濃多樣性指數(shù)(SHDI)

為了深入分析土地利用情況以及聯(lián)系生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化研究,本研究利用土地利用景觀指數(shù)中香濃多樣性指數(shù)(SHDI),結(jié)合其生態(tài)學(xué)意義探索土地利用景觀斑塊的演變特征。SHDI對(duì)景觀中各拼塊類型非均衡分布狀況較為敏感,其值越大,表明土地利用越豐富,破碎化程度越高,不定性的信息含量大。SHDI模型如下：

(2)

式中，Pi為研究區(qū)景觀斑塊類型i所占的比率；n為研究區(qū)景觀中斑塊類型的數(shù)量。計(jì)算出的SHDI≥0。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化研究方法

本研究引入一種被廣泛應(yīng)用于對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的評(píng)估計(jì)分理論[3,18-19],來(lái)全面地描述生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化情況。研究中將生態(tài)系統(tǒng)提供的四種服務(wù)(支持服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、供給服務(wù)和文化服務(wù))納入景觀功能的三種類別(生態(tài)、生產(chǎn)和文化),且在每種景觀功能中選取四個(gè)特征作為研究指標(biāo)。以1995年為基準(zhǔn)來(lái)研究區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化[22-24],每種功能的得分都在-2—2之間,其中2表示強(qiáng)烈增強(qiáng)了功能屬性,1表示輕微增強(qiáng)了功能屬性,0表示對(duì)功能屬性沒(méi)有影響,-1表示輕微影響了功能屬性,-2表示強(qiáng)烈影響了功能屬性。每個(gè)指標(biāo)最多得到8分,理論上每種土地利用類型的景觀功能得分最大值為24。本研究選取1995年和2015年兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)來(lái)分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化,且利用統(tǒng)計(jì)圖表來(lái)直觀表達(dá)土地利用類型的得分情況(列高)與面積占比份額(帶寬)。在本文研究中,篩選出景觀特征覆蓋率大于等于1%的增長(zhǎng)率的景觀類型,但是所有的景觀類型其得分情況信息被保留在功能表中。

2.4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值研究

2.4.1生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值計(jì)算

本文參考謝高地等人[10]提出的基于單位面積價(jià)值當(dāng)量因子的方法,基于修訂的 “中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量表”[11],結(jié)合江蘇省實(shí)際生產(chǎn)能力,采用糧食產(chǎn)量修正方法[25]對(duì)其進(jìn)行修改。具體修正過(guò)程如下：選取小麥、棉花和油菜籽作為主要糧食作物種類,通過(guò)查閱1995—2015年《江蘇省統(tǒng)計(jì)年鑒》與江蘇省糧食和物質(zhì)儲(chǔ)備局,得到江蘇省1995—2015年三種糧食作物產(chǎn)量、播種面積以及江蘇省1995—2015各年糧食價(jià)格,根據(jù)公式(3),最終得出江蘇省單個(gè)生態(tài)系統(tǒng)當(dāng)量的價(jià)值為894.67元/hm2。由于建設(shè)用地主要提供文化服務(wù)并且構(gòu)建價(jià)值當(dāng)量因子時(shí)缺失科學(xué)數(shù)據(jù)(例如土壤保持時(shí)空調(diào)節(jié)因子受下墊面以及各種人工表面的影響難以確定)以及未利用地端異質(zhì)性且占有面積較少大約0.2%,故在計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)將其排除,其中參與計(jì)算的土地利用類型覆蓋研究區(qū)將近90%的面積。根據(jù)各種土地利用類型的對(duì)應(yīng)值,乘單個(gè)當(dāng)量因子價(jià)值,得到江蘇省各土地利用類型的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(表1)。

表1 江蘇省單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量表/(元 hm-2 a-1)Table 1 Ecosystem service value equivalent per unit area of Jiangsu Province

(3)

式中，Ea為1hm2生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子的經(jīng)濟(jì)價(jià)值(元/hm2)；i為研究區(qū)糧食作物的種類；n為研究區(qū)主要糧食作物的總類別數(shù)；mi為研究區(qū)第i種糧食作物播種的總面積；pi為研究區(qū)第i種糧食作物的平均價(jià)格；qi為研究區(qū)第i種糧食作物面積單位平均產(chǎn)量；M為研究區(qū)所有糧食作物的總播種面積。

2.4.2敏感性分析

由于本文采用的基于當(dāng)量因子計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的計(jì)算方法中,價(jià)值系數(shù)的確定對(duì)其計(jì)算的準(zhǔn)確性相當(dāng)關(guān)鍵。盡管與基于物質(zhì)的量[11](利用NPP數(shù)據(jù)、降水?dāng)?shù)據(jù)與土壤保持?jǐn)?shù)據(jù))計(jì)算出生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值差值比小于5%,但為了使結(jié)果更科學(xué)減少不確定性,引入敏感性指數(shù)(Coefficient of Sensitivity, CS)指隨著時(shí)間變化,價(jià)值指數(shù)對(duì)生態(tài)服務(wù)價(jià)值的影響程度[26-27]驗(yàn)證價(jià)值系數(shù)對(duì)生態(tài)服務(wù)價(jià)值計(jì)算的影響。公式[28]如下：

(4)

式中，CS為敏感性指數(shù)；ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總量，e為ESV系數(shù)；i、j分別表示初始價(jià)值系數(shù)和調(diào)整后的價(jià)值系數(shù)；k為土地利用類型。

2.4.3生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間分布特征

本研究采用全局空間自相關(guān)Global Moran′s I指數(shù)來(lái)反映生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的空間異質(zhì)性。當(dāng)Moran′s I>0時(shí),值越大表明其空間正相關(guān)性越強(qiáng)；Z-Score>1.96時(shí),值越大表明其空間正相關(guān)越顯著；當(dāng)Moran′s I=0時(shí),表示其空間隨機(jī)；當(dāng)Moran′s I<0時(shí),值越小,空間負(fù)相關(guān)性越強(qiáng),空間差異性越大。公式為[29]：

(5)

式中，I為莫蘭指數(shù)；xi和xj分別是第i個(gè)評(píng)價(jià)單元和第j個(gè)ESV評(píng)價(jià)單元的觀測(cè)值；Wij為單元i和j單元之間的空間權(quán)重矩陣；xa為觀測(cè)值的平均值；n為樣本量，即研究區(qū)某一尺度上ESV評(píng)價(jià)單元的總個(gè)數(shù)。

為進(jìn)一步研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化量在空間上的局部表現(xiàn)，使用Hot Spot Analysis的Getis-Ord G*指數(shù)進(jìn)行冷、熱點(diǎn)局域關(guān)聯(lián)性分析。公式為[30]：

(6)

式中，Wij為空間權(quán)重；xi和xj分別是第i個(gè)ESV評(píng)價(jià)單元和第j個(gè)ESV評(píng)價(jià)單元的觀測(cè)值；n為樣本量，即研究區(qū)某一尺度上ESV評(píng)價(jià)單元的總個(gè)數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 江蘇省土地利用變化綜合分析

由1995—2015年江蘇省土地利用(圖1)可知,耕地、建設(shè)用地和水體為研究區(qū)主要土地利用類型,總覆蓋度達(dá)到90%以上,其中主要以耕地為主。土地利用類型數(shù)量變化呈“三增三減”模式：水體、建設(shè)用地和未利用地面積增加,林地、草地和耕地面積減少,其中建設(shè)用地急劇增長(zhǎng),耕地面積快速縮減,20年間,4.01×105hm2耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地,土地利用/覆蓋變化劇烈。時(shí)間上,基于土地利用動(dòng)態(tài)度模型(1),得出不同時(shí)段內(nèi)江蘇省6種土地利用類型變化動(dòng)態(tài)度,其值越大表明土地利用/覆蓋變化速度越快。由表2可知,1995—2005年,土地利用動(dòng)態(tài)度(絕對(duì)值)表現(xiàn)為：草地>建設(shè)用地>未利用地>水體>耕地>林地；其中,草地動(dòng)態(tài)度為負(fù)值,表明草地面積縮減比例較大,由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展嚴(yán)重污染了水質(zhì),將主要河流湖泊周圍大面積草地修復(fù)成水體。2005—2015年,未利用地變化動(dòng)態(tài)度達(dá)到7.22%,主要是因?yàn)?300hm2水體變?yōu)槲蠢玫?表明江蘇省在此階段土地利用不合理,正處于土地轉(zhuǎn)型階段；并且由于水質(zhì)治理成果顯著一部分水體被規(guī)劃為生態(tài)濕地?？傮w來(lái)看,20年間建設(shè)用地和水體動(dòng)態(tài)度為正,其中建設(shè)用地動(dòng)態(tài)度持續(xù)上升到1.77%,表明城市在不斷擴(kuò)張,逐漸聚集以及注重水體的修復(fù)治理。未利用地動(dòng)態(tài)度波動(dòng)較大,急劇上升又急劇下落,表明江蘇省在土地開(kāi)發(fā)中產(chǎn)生大量“富余”土地,并不斷地優(yōu)化土地利用。林地、水體以及草地動(dòng)態(tài)度遠(yuǎn)小于耕地的原因是開(kāi)發(fā)利用難度大、成本高。另一方面,2005—2015年土地利用類型動(dòng)態(tài)度總體大于1995—2005年,說(shuō)明江蘇省在2005—2015年土地利用/覆蓋變化速度更為顯著?？臻g上,利用香濃多樣性指數(shù)來(lái)描述景觀異質(zhì)性,反映土地利用豐富性。根據(jù)(2)計(jì)算出1995—2015年江蘇省各地級(jí)市SHDI。由表3可知,1995—2000年研究區(qū)土地利用最為單一,SHDI值均為0.98。2005—2015年,香濃多樣性指數(shù)每年增加0.02,2015年SHDI值達(dá)到 1.04,13個(gè)地級(jí)市中,異質(zhì)性水平高于該值的有淮安市(1.11)、南京市(1.19)、鎮(zhèn)江市(1.10)、蘇州市(1.19)、常州市(1.12)和無(wú)錫市(1.26)。上述城市大多數(shù)位于江蘇省南部地區(qū),說(shuō)明蘇南土地利用較為豐富,破碎化程度相對(duì)較高,土地利用結(jié)構(gòu)更加合理,而蘇中和蘇北的土地利用較為單一,需要不斷優(yōu)化其土地利用結(jié)構(gòu)。蘇中和蘇北地區(qū)大都以一種或少數(shù)幾種土地利用類型為主,主要為耕地及建設(shè)用地,2015年,鹽城市耕地面積占總面積比最大達(dá)到75.83%,建設(shè)用地所占比例為11.68%；徐州市耕地面積占比最小為48.20%,其余各地級(jí)市耕地面積占總面積比例均在55%以上。其中,徐州市、宿遷市、淮安市、鹽城市、揚(yáng)州市和連云港市,20年間SHDI指數(shù)變化幅度在-0.01—0.02之間。

圖1 1995—2015年江蘇省土地利用圖Fig.1 Land use map of Jiangsu Province from 1995—2015

表2 江蘇省土地利用類型變化動(dòng)態(tài)度/%Table 2 Dynamic degree of land use type change in Jiangsu Province

表3 江蘇省及其各地級(jí)市香濃多樣性指數(shù)(SHDI)Table 3 SHDI of Jiangsu Province and its local cities

3.2 江蘇省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化對(duì)比分析

基于1995年和2015年江蘇省不同土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)功能得分表(表4),通過(guò)定性評(píng)估景觀功能的表現(xiàn),分析其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化。近年來(lái)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展、工業(yè)生活污水的排放、土地的過(guò)度利用以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的損耗,江蘇省水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象逐漸加重[31],導(dǎo)致2015年水體生態(tài)系統(tǒng)中水質(zhì)與生物多樣性得分下降,但由于河岸管制的增強(qiáng),增強(qiáng)了水體的水土保持能力；由于水體是影響景觀美學(xué)的重要特征(frank),因此1995年研究區(qū)的美學(xué)價(jià)值相對(duì)較高。1991年至今,隨著大規(guī)模防護(hù)林的建設(shè),形成多林種、多樹(shù)種、多層次、多功能的綜合防護(hù)林體系,極大地豐富了沿海地區(qū)林業(yè)資源與生物多樣性,提高了林地生態(tài)系統(tǒng)的美學(xué)價(jià)值[32]；2015年林地生態(tài)系統(tǒng)碳匯水平、生物多樣性與文化功能得分高于1995年反映了自然物種組成的變化與人工干預(yù)的影響。盡管通過(guò)實(shí)地調(diào)查與土地利用影像可以看出草地與未利用地的面積與管理發(fā)生了變化,但缺少關(guān)于此問(wèn)題的具體信息與理論支撐。因此,兩個(gè)時(shí)期的草地與未利用地的功能屬性都獲得了相同的得分。由于1995年耕地的開(kāi)發(fā)和管理強(qiáng)度遠(yuǎn)不如今天,因此對(duì)土壤保持和水質(zhì)的影響較小,同樣產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)價(jià)值較低(根據(jù)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)分析得出)；另外,小規(guī)模人工土地耕作到大規(guī)模機(jī)械化土地耕作的轉(zhuǎn)換,減少了耕作的娛樂(lè)屬性但提高了景觀的視覺(jué)質(zhì)量。由于城市發(fā)展過(guò)程中,水泥、瀝青等不透水面的增加,2015年生物多樣性與土壤保持得分低于1995年,同時(shí)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,導(dǎo)致大量生活污水與工業(yè)廢水的排放,進(jìn)一步污染水質(zhì)；另一方面基礎(chǔ)設(shè)施的完善又增強(qiáng)了建設(shè)用地的生產(chǎn)功能與文化功能?？傮w而言,耕地的面積份額最大(圖2),盡管在2015年耕地面積縮減但依舊占研究區(qū)大面積比重。就文化功能來(lái)看,森林和建設(shè)用地獲得了最高分。林地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能屬性最高,尤其在2015年,森林達(dá)到了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能屬性最高得分(20),表明與其他景觀類型相比,森林生態(tài)系統(tǒng)提供服務(wù)的種類最齊全且強(qiáng)度最大。本研究所研究的三類功能屬性中,只有耕地和建設(shè)用地的生態(tài)功能得分為負(fù),1995年耕地和建設(shè)用地的生態(tài)功能得分為-4和-6,2015年得分分別又下降兩個(gè)百分點(diǎn)。研究結(jié)果還表明,2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能屬性與1995年相比,除生態(tài)功能水平下降,生產(chǎn)功能與文化功能都有所提高。其中,在研究后期耕地和建設(shè)用地的生態(tài)功能明顯下降,同時(shí)建設(shè)用地的面積比重明顯增加。盡管2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)所提供的功能屬性總得分高于1995年,但是在景觀規(guī)劃中尤其要注意對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中生態(tài)功能的影響,使其在生產(chǎn)能力與供應(yīng)能力之間達(dá)到最優(yōu)。

表4 1995年和2015年功能屬性的評(píng)分工作表Table 4 Scores for functional attributes in 1995 and 2015

圖2 1995年和2015年功能屬性得分圖Fig.2 functional attribute scores in 1995 and 2015

3.3 江蘇省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空變化特征分析

首先,根據(jù)(4),將4種土地利用類型的各單項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)分別上下調(diào)整50%,來(lái)驗(yàn)證價(jià)值系數(shù)對(duì)生態(tài)服務(wù)價(jià)值計(jì)算的影響。表5顯示,1995—2015年,CS結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1,反映出本研究中測(cè)算出的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的系數(shù)與江蘇省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總量之間缺乏彈性。估算出的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值結(jié)果適用于江蘇省,結(jié)果可信。

表5 不同土地利用利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值敏感性指數(shù)變化結(jié)果Table 5 Changes in the sensitivity index of ecosystem service values for different land use types

1995—2015年江蘇省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值持續(xù)降低并與多項(xiàng)式曲線高度吻合(圖3)。20年間生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值從1258.19億元減少為1208.74億元,若不及時(shí)干預(yù)土地利用,根據(jù)趨勢(shì)計(jì)算出2022年江蘇省ESV會(huì)跌至1.35億元。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總量下降最快的區(qū)域集中在蘇南地區(qū)。蘇州市ESV下降最明顯,減少了14.03億元,其次為無(wú)錫市,ESV減少了6.16億元,南京市ESV降低了4.46億元,鎮(zhèn)江市和常州市 ESV分別減少了4.10、3.02億元。蘇中地區(qū)ESV平均減少2.57億元,蘇北地區(qū)ESV平均減少1.99億元。結(jié)合土地利用變化數(shù)據(jù)可知,研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總量急劇減少的主要原因是由于耕地和林地的減少,尤其是耕地大面積縮減。社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展以及城市化水平的快速提高,耕地的開(kāi)發(fā)難度與開(kāi)發(fā)成本相對(duì)于其他土地利用類型較低,因此大規(guī)模耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地。2015年江蘇省經(jīng)濟(jì)綜合競(jìng)爭(zhēng)力居于中國(guó)第一位,經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)總值從1995年的14.12億元,占全國(guó)5.8%,增長(zhǎng)到2015年的192.10億元,占全國(guó)10.4%,20年間江蘇省經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展,但是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總體減少了29.25億元。與此同時(shí),環(huán)境污染加劇,環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的矛盾日益凸顯[33],且郭存芝[34]通過(guò)面板數(shù)據(jù)模型證實(shí)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與土地利用結(jié)構(gòu)是影響生態(tài)效率的幾個(gè)重要因素之一。

圖3 1995—2015年江蘇省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化趨勢(shì)Fig.3 Changes in the value of ecosystem services in Jiangsu Province from 1995—2015

根據(jù)江蘇省1995—2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的空間自相關(guān)性結(jié)果(表6)。結(jié)果顯示,根據(jù)P值,1995、2000和2005年0.05>P<0.1,無(wú)法拒絕零假設(shè),無(wú)分析價(jià)值。2010和2015年,江蘇省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值數(shù)據(jù)小于5%的可能是隨機(jī)的,出現(xiàn)數(shù)據(jù)集聚的可能性大于隨機(jī)分布可能,且能顯著的拒絕零假設(shè)；表明在2010和2015年,江蘇省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的空間分布具有較強(qiáng)的空間相關(guān)性,在空間上呈現(xiàn)空間聚集分布格局,但沒(méi)有顯著的變化。為進(jìn)一步更好的揭示研究區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在空間上的變化,應(yīng)用熱點(diǎn)分析式(6)來(lái)顯示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化量在空間上的局部表現(xiàn)(圖4)。熱點(diǎn)分析表明,1995—2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化的熱點(diǎn)區(qū)域主要位于江蘇省南部,常州市,無(wú)錫市和蘇州市；蘇北地區(qū)宿遷市為冷點(diǎn)區(qū),其余地區(qū)無(wú)顯著變化。熱點(diǎn)分析的結(jié)果和統(tǒng)計(jì)結(jié)果基本吻合,蘇南地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值縮減劇烈。另外,江蘇省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化與土地利用/覆蓋變化呈線性相關(guān)并且與區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)律大致相近,進(jìn)一步證明了土地利用結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)生態(tài)效率造成影響。因此,蘇南地區(qū)為響應(yīng)可持續(xù)發(fā)展,在土地利用過(guò)程中要貫徹優(yōu)化大于開(kāi)發(fā)原則,保護(hù)優(yōu)質(zhì)耕地合理規(guī)劃土地,而蘇中與蘇北地區(qū)應(yīng)在遵循生態(tài)紅線原則上加強(qiáng)土地的開(kāi)發(fā)利用刺激經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng),進(jìn)而縮小區(qū)域經(jīng)濟(jì)差異,實(shí)現(xiàn)生態(tài)資源的保護(hù)、生態(tài)系統(tǒng)功能的優(yōu)化及經(jīng)濟(jì)協(xié)同發(fā)展的目標(biāo)。

圖4 1995—2015年江蘇省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化量熱點(diǎn)分析 Fig.4 Analysis ecosystem service values with Hot Spot in Jiangsu Province from 1995—2015

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

本文基于LUCC研究首先以1995—2015年研究區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展重要時(shí)間節(jié)點(diǎn)的土地利用數(shù)據(jù)系統(tǒng)分析土地利用/覆蓋變化特征,然后引入評(píng)估計(jì)分理論對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估,最后通過(guò)修正當(dāng)量因子計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值并應(yīng)用空間自相關(guān)與熱點(diǎn)分析研究江蘇省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其價(jià)值的時(shí)空變化特征。結(jié)論如下：

(1)耕地、建設(shè)用地和水體為研究區(qū)主要土地利用類型,總覆蓋度達(dá)到90%以上,其中主要以耕地為主；土地利用類型數(shù)量變化呈“三增三減”模式；時(shí)間上,江蘇省在2005—2015年土地利用變化速度顯著；空間上,蘇南地區(qū)土地利用豐富,蘇中與蘇北地區(qū)土地利用單一。由于全省土地利用不均衡從而會(huì)威脅生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

(2)一方面森林生態(tài)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的生態(tài)功能、生產(chǎn)功能和文化功能,另一方面2015年功能屬性總得分高于1995年,但生態(tài)功能水平下降,森林面積較1995年減少8100hm2,因此在景觀規(guī)劃中必須關(guān)注對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響尤其注意對(duì)生態(tài)功能的影響,使其生產(chǎn)能力與供應(yīng)能力達(dá)到最優(yōu)。

(3)1995—2015年江蘇省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總體下降49.45億元,據(jù)預(yù)測(cè)至2022年,ESV會(huì)跌到1.35億元。蘇南地區(qū)價(jià)值變化最大,其中蘇州市ESV縮減9.03億元。經(jīng)濟(jì)發(fā)展、土地利用結(jié)構(gòu)與生態(tài)效率之間的關(guān)系不容忽視,蘇南地區(qū)為響應(yīng)可持續(xù)發(fā)展,在土地利用過(guò)程中要貫徹優(yōu)化大于開(kāi)發(fā)原則而蘇中與蘇北地區(qū)應(yīng)在遵循生態(tài)紅線原則上加強(qiáng)土地的開(kāi)發(fā)利用刺激經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。

4.2 討論

本文基于LUCC研究江蘇省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空變化特征,并將生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)、供給服務(wù)和文化服務(wù)和土地利用的景觀功能(生態(tài)、生產(chǎn)和文化)相聯(lián)系,與江蘇省類似的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值研究相比,可更全面地描述生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化情況。但是確定研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值采用基于單位面積價(jià)值當(dāng)量因子并運(yùn)用糧食產(chǎn)量修正[25]的方法,該方法數(shù)據(jù)獲取簡(jiǎn)便、計(jì)算過(guò)程容易、適用性與接受度較強(qiáng)并且便于結(jié)果比較。但沒(méi)有考慮人與環(huán)境系統(tǒng)的復(fù)雜性和異質(zhì)性而導(dǎo)致的價(jià)值泛化和轉(zhuǎn)移誤差等問(wèn)題從而使結(jié)果存在不確定性?？傊疚姆治錾鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的時(shí)空變化特征為江蘇省協(xié)同經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)文明建設(shè)、縮小區(qū)域經(jīng)濟(jì)差異進(jìn)行科學(xué)土地整治提供理論依據(jù),但計(jì)算方法有待于進(jìn)一步完善。