山區(qū)縣域土地利用變化及其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值響應(yīng)
——以嵩縣為例

尹澤凱,譚立峰,賈 琦

(1.北京建筑大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院,北京 100044；2.天津大學(xué)建筑學(xué)院,天津 300072；3.鄭州輕工業(yè)大學(xué)藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院環(huán)境設(shè)計(jì)系,鄭州 450002)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指人類社會在發(fā)展過程中,通過直接或者間接手段從生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的生產(chǎn)過程中所取得的效益[1-2]。包括以食物、原材料、水資源等生產(chǎn)為主的生態(tài)供給服務(wù)；以氣體、氣候、生態(tài)環(huán)境、水文等改善為主的調(diào)節(jié)服務(wù)；以維持土壤保持、養(yǎng)分循環(huán)、生物多樣性為主的保障服務(wù)以及提供景觀美學(xué)為主的文化服務(wù)等諸多功能[3]。深入評估區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值及其驅(qū)動機(jī)制有助于科學(xué)有效配置土地利用類型,進(jìn)而可為國土空間規(guī)劃和生態(tài)文明建設(shè)等方案制定提供理性決策依據(jù)。鑒于其與人居環(huán)境改善和生態(tài)文明建設(shè)的緊密關(guān)系,自1997年Costanza[4]首次對多種類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行貨幣化定量評估以來,越來越多的中外學(xué)者開始關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(ecosystem service value,ESV),并基于各自學(xué)科視角探討其研究方法和應(yīng)用實(shí)踐。謝高地等[6-7]、歐陽曉等[8]基于Costanza[4]所提出的ESV評估體系,同時(shí)參考中國各省份生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀,修訂并改善了各省多種土地利用生態(tài)系統(tǒng)的單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值因子權(quán)重系數(shù)和當(dāng)量表,此后中國相關(guān)實(shí)證分析的ESV評估[8-11]多廣泛使用該方法和當(dāng)量表。

水土流失和人類活動影響下的區(qū)域土地利用變化是導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)發(fā)生改變的主要驅(qū)動機(jī)制之一,土地利用各類型的面積、空間分布等變化直接引起生態(tài)系統(tǒng)所提供服務(wù)價(jià)值發(fā)生改變[12-14]。尤其近年來快速的城鎮(zhèn)擴(kuò)張進(jìn)程,使得本就處于生態(tài)系統(tǒng)脆弱區(qū)的山區(qū)丘陵地帶生態(tài)環(huán)境危機(jī)持續(xù)惡化，如環(huán)境污染問題加劇、熱島效應(yīng)強(qiáng)度增高、生物多樣性持續(xù)降低等諸多環(huán)境災(zāi)害頻發(fā)。因此,為有效緩解上述問題,多年來已有大量學(xué)者開展了地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)支持下土地利用變化影響的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值演化機(jī)制分析。王航等[15]通過構(gòu)建CPI指數(shù)(居民消費(fèi)指數(shù))來修正ESV因子當(dāng)量系數(shù),使ESV變化更多關(guān)注自然層面的過渡性損耗,從而在方法上彌補(bǔ)了現(xiàn)有生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在時(shí)空演化評估方面的不足之處；湯峰等[16]基于格網(wǎng)劃分評價(jià)單元的方法,分別運(yùn)用ESV評估模型和碳排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法定量探討了兩者的時(shí)空演化規(guī)律及其響應(yīng)特征；李冬杰等[17]則以都市生態(tài)旅游區(qū)為實(shí)證對象,通過景觀格局指數(shù)測定土地利用碎片化程度,進(jìn)而探討土地利用和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的演化特征,并揭示土地利用碎片化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響機(jī)制。由現(xiàn)有研究結(jié)論可知,雖然現(xiàn)有關(guān)于土地利用變化引起的ESV響應(yīng)機(jī)制研究方法已經(jīng)相對成熟,但實(shí)證對象方面多聚焦在都市區(qū)、城市群等快速城鎮(zhèn)化地區(qū)[8，18-20]以及沿海發(fā)達(dá)省市[21-22],關(guān)于山地丘陵等生態(tài)敏感區(qū)域的實(shí)證分析仍不多見。此外,類似成果多探討兩者的演化過程和分布規(guī)律,尚未深入揭示各土地利用類型對生態(tài)系統(tǒng)的影響機(jī)制,多數(shù)學(xué)者更傾向于從土地利用變化視角入手研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值響應(yīng)機(jī)制,但涉及內(nèi)部空間分布規(guī)律及其相互作用視角的驅(qū)動因子考慮依舊不足。因此,選擇位于豫西伏牛山生態(tài)核心區(qū)的嵩縣為研究對象,利用1990—2019年的4期遙感影像數(shù)據(jù),基于ArcGIS、Geoda等軟件平臺,運(yùn)用生態(tài)系統(tǒng)當(dāng)量因子法和空間自相關(guān)分析,研究嵩縣土地利用變化影響下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值響應(yīng)特征,以期為嵩縣乃至整個豫西山區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和生態(tài)文明建設(shè)提供技術(shù)支持。

1 研究數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

嵩縣位于河南省西部,隸屬于洛陽市,地處伏牛山北麓及其支脈外方山和熊耳山之間，位于東經(jīng)111°24′～112°22′和北緯33°35′～34°21′,總面積3 008.9 km2,為河南省面積第四大縣。境內(nèi)轄16個鄉(xiāng)鎮(zhèn),318個行政村。地形上處在黃河、長江、淮河三大水系的分水嶺地帶,由東北向西南逐漸隆起,其中山區(qū)占95%,丘陵占4.5%,平川占0.5%。由于嵩縣地處伏牛山生態(tài)旅游核心區(qū),森林覆蓋率高達(dá)65.18%,森林資源保有量全省第二,中原經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)中對其定位為“主體生態(tài)功能區(qū)”。嵩縣高程圖如圖1所示。2019年縣域總?cè)丝跒?3.7萬,GDP為188.8億元,是國家級貧困縣和秦巴片區(qū)扶貧開發(fā)重點(diǎn)縣。由于其所處的獨(dú)特地理區(qū)位,從而決定了嵩縣生態(tài)系統(tǒng)的敏感性和脆弱性。近年來,隨著區(qū)域工業(yè)強(qiáng)縣和新型城鎮(zhèn)化等政策的持續(xù)推進(jìn),土地開發(fā)強(qiáng)度逐年加劇,生態(tài)系統(tǒng)遭受破壞的潛在危機(jī)增強(qiáng)。因此,對嵩縣展開土地利用演化及其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評估等研究顯得尤為必要。

圖1 嵩縣高程圖Fig.1 Song County elevation map

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

研究所需數(shù)據(jù)來源主要為遙感衛(wèi)星影像,同時(shí)還包括部分地理信息矢量數(shù)據(jù)和社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等。其中遙感衛(wèi)星影像來自地理空間數(shù)據(jù)云平臺提供的嵩縣縣域1990、2000和2010年的Landsat TM和2019年的陸地成像(operational Iand lmager,OLI)數(shù)據(jù),空間分辨率為30 m×30 m,所選的4期遙感影像數(shù)據(jù)均在夏季且云量控制在5%以下,隨后基于ENVI4.5軟件針對相應(yīng)的影像進(jìn)行輻射校正、幾何校正和縣域范圍的裁切等。此外,其他數(shù)據(jù)還包括由洛陽市國土局提供的嵩縣縣域1∶2 000地形圖、嵩縣行政區(qū)劃圖以及洛陽市和嵩縣統(tǒng)計(jì)局提供的社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)資料等。根據(jù)中國《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T 201910—2019)和嵩縣山區(qū)的土地資源分布特征,同時(shí)結(jié)合已有關(guān)于山區(qū)土地利用研究的相關(guān)研究成果[23-25],利用ENVI4.5軟件中的最大似然法分類,將嵩縣劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地共計(jì)6種土地利用類型,進(jìn)而生成圖2所示的嵩縣1990—2019年共計(jì)4期的土地利用類型空間分布。同時(shí)基于Google Earth 高分辨率歷史影像以及嵩縣土地利用總體規(guī)劃(2010—2020年)中用地現(xiàn)狀分布圖,對監(jiān)督分類得出的結(jié)果進(jìn)行精度檢驗(yàn),結(jié)果顯示嵩縣遙感影像分類的Kappa系數(shù)均在92%以上,能夠較好地滿足研究的需要。

圖2 嵩縣1990—2019年土地利用類型分布Fig.2 Distribution ofland use types in Song County in 1990—2019

1.3 研究方法

1.3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值測算

研究基于Costanza[4]對不同生物群區(qū)的貨幣化評估方法以及謝高地等[7]所建立的基于功能單元的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評價(jià)表,結(jié)合嵩縣土地利用現(xiàn)狀實(shí)際,以農(nóng)田-耕地、闊葉林-林地、灌草叢-草地、水系-水域及裸地-未利用土地等將各生物群區(qū)與研究區(qū)生態(tài)類型相對應(yīng),由于不考慮人工生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)功能(相比縣域整體的生態(tài)系統(tǒng)作用可忽略不計(jì)),因此將建設(shè)用地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值默認(rèn)為0。由于全國各省市自有生態(tài)系統(tǒng)差異較大,為避免直接使用謝高地等[6-7]建立的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子法產(chǎn)生的誤差,研究進(jìn)一步參考了謝高地等[7]因地制宜修正后的各省份農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生物量權(quán)重因子系數(shù)。由于河南省的修正系數(shù)為1.39,研究中所涉及糧食生產(chǎn)功能的生態(tài)系統(tǒng)因子均乘以1.39,最終生成表1所示嵩縣單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量權(quán)重因子。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的測算公式為

表1 嵩縣單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量權(quán)重因子Table 1 Equivalent weight factors of ecological service value per unit area in Song County

(1)

式(1)中:ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值；Pi為當(dāng)量因子系數(shù)；Si為第i種土地利用類型的面積；n為縣域所有土地利用類型的數(shù)量。

1.3.2 基于格網(wǎng)尺度的ESV分析方法

基于格網(wǎng)單元對嵩縣縣域的ESV空間分布及演化特征分析可在空間層面進(jìn)一步細(xì)化研究尺度,從而使得其生態(tài)系統(tǒng)分析和優(yōu)化變得更易操作和精細(xì)化管理。由于縣域面積較大,研究基于ArcGIS10.5軟件創(chuàng)建漁網(wǎng)樣本,為提高ESV時(shí)空分異精度,經(jīng)實(shí)驗(yàn)得到最優(yōu)格網(wǎng)單元尺度為300 m×300 m,并最終得到覆蓋縣域范圍單元數(shù)量共計(jì)26 624個(邊界處格網(wǎng)面積稍有差異)。分別統(tǒng)計(jì)各格網(wǎng)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,并將ESV賦值至格網(wǎng)面矢量文件中,從而得到基于格網(wǎng)尺度下嵩縣ESV分布及其自相關(guān)評價(jià)。

1.3.3 空間自相關(guān)統(tǒng)計(jì)方法

1)空間全局自相關(guān)分析(Global Moran’s I)

空間全局自相關(guān)分析以Global Moran’s I指數(shù)表示,主要側(cè)重反映區(qū)域內(nèi)不同格網(wǎng)單元內(nèi)ESV的空間分布集聚(相似性)特征,即全域空間分布中的自相關(guān)性[26]。其指數(shù)變化范圍為[-1,1],若Moran’s I>0,則表示空間呈正相關(guān)關(guān)系,值越接近1表示格網(wǎng)內(nèi)空間相關(guān)性越顯著,相似特征明顯；相反,若Moran’s I<0,則表示空間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,且值越接近-1表示格網(wǎng)內(nèi)空間差異越大,分布特征越分散；若Moran’s I=0,則表示全域空間分布特征沒有相關(guān)性,呈隨機(jī)性分布。Global Moran’s I計(jì)算方法為

(2)

此外,還可以用標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計(jì)值Z(I)進(jìn)一步檢測全域空間自相關(guān)性的顯著性程度,上述Moran’s I指數(shù)和Z(I)均可通過GIS中的空間自相關(guān)工具進(jìn)行分析,Z(I)在-1.65～1.65則表示空間分布不規(guī)律,呈隨機(jī)分布的特點(diǎn),值越高則表明空間集聚性越強(qiáng),值越小則表明空間分布分散化趨勢加劇。

2)高低值聚類分析(Getis-Ord General G)

Global Moran’s I指數(shù)側(cè)重反映ESV的全局自相關(guān)性特點(diǎn),而Getis-Ord General G指數(shù)則可深入檢測ESV在局部格網(wǎng)空間單元之間是否存在高值或者低值在空間分布上集聚或者分散的狀態(tài)[25]。計(jì)算方法為

(3)

式(3)中:G為高低值聚類程度,G的取值范圍為0～1,G越高則表示高值呈集聚特征,G越低則表示低值呈集聚特征。通過G、理論期望E(G)及其標(biāo)準(zhǔn)化后的Z(G)顯著性水平分析,可有效評估局部ESV動態(tài)演化過程中的集聚類型,其中,如果G>E(G)且Z(G)呈顯著性水平時(shí),可檢測出高值的集聚規(guī)律；如果G

3)冷熱點(diǎn)區(qū)域演化分析(Getis-Ord GeneralGi*)

與Getis-Ord GeneralG指數(shù)所反映出的聚類程度指數(shù)不同,Getis-Ord GeneralGi*主要從空間布局上檢測ESV的冷熱點(diǎn)空間分布變化特征[25]。Gi*指數(shù)得分越高,則表明其熱點(diǎn)區(qū)域趨于聚集狀態(tài),該格網(wǎng)周邊的ESV均處于較高位置；Gi*指數(shù)得分越低,則表明其冷點(diǎn)區(qū)域趨于集聚狀態(tài),該格網(wǎng)周邊的ESV均處于較低位置。計(jì)算方法為

(4)

(6)

2 結(jié)果與分析

2.1 嵩縣土地利用類型演化特征

根據(jù)嵩縣1990—2109年4期的土地利用類型遙感解譯數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)表(圖2、表2),進(jìn)而分析各土地利用類型的演化特征。變化規(guī)模上,1990—2019年嵩縣草地面積變化幅度最高,以持續(xù)減少為主,共計(jì)減少32.57 km2,耕地面積增加最多,研究期段共計(jì)增加13.27 km2,其次為建設(shè)用地,增加面積為8.85 km2,其他土地利用類型變化規(guī)模相對較?。蛔兓噬?嵩縣1990—2019年間未利用地變化率最高,呈持續(xù)減少趨勢,高達(dá)-45.48%,其次為草地,變化率為-10.5%,其他類型均呈現(xiàn)出不同程度的增長趨勢,尤以建設(shè)用地和水域增幅明顯,增速分別為22.4%、10.15%。各階段性變化上,耕地面積呈現(xiàn)出持續(xù)加速增長的趨勢,增速比率由1990—2000年的0.04%增至2000—2010年的0.65%,2010年以后更是達(dá)到了1.05%,建設(shè)用地則是從2010年以后呈現(xiàn)出快速增長的趨勢,高達(dá)8.99%,而水域則是出現(xiàn)先快速增加,隨后大幅下跌,自2010年以后則出現(xiàn)小幅上漲的趨勢,草地則整體呈現(xiàn)出持續(xù)下降的趨勢。究其原因,則是由于2010年以后的快速城鎮(zhèn)擴(kuò)張導(dǎo)致大量草地不斷被建設(shè)用地侵占,人口持續(xù)增長引發(fā)的耕地面積不斷擴(kuò)張,未利用地得到持續(xù)開發(fā)和利用,縣域水資源面積變化主要以境內(nèi)陸渾水庫各時(shí)段內(nèi)采取的攔蓄洪水及水資源調(diào)度等引起的水域面積變化相關(guān)。

表2 1990—2019年嵩縣各土地利用類型面積變化Table 2 land use type proportion change of Song County in 1990—2019

2.2 嵩縣ESV時(shí)序變化特征

2.2.1 總價(jià)值時(shí)序變化

1990—2019年,嵩縣縣域ESV整體呈現(xiàn)出先快速增加后緩慢減少的趨勢,由1990年的599.196億元快速增加至2000年的608.953億元,該時(shí)段內(nèi)增加了9.756億元,增加率為10.758%,隨后2000—2019年的2個時(shí)段內(nèi)則分別降至601.813 億元和602.887 億元(表3)。就各用地類型的ESV變化而言,林地和水域的生態(tài)服務(wù)價(jià)值與縣域ESV變化過程整體相似,均在1990—2000年出現(xiàn)小幅增長趨勢,隨后持續(xù)緩慢下降至穩(wěn)定狀態(tài),其中,水域面積雖然在2000—2010年減少了-7.328%,但其在1990—2019年間總計(jì)增加了8.632億元,增幅高達(dá)10.15%,同時(shí)由于其生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)為各土地利用類型中最高,故其增幅比例和面積均為各土地生態(tài)價(jià)值中最高,其變化特征是引起嵩縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值發(fā)生變化的主要原因。草地和未利用地雖變化幅度均較高,但其各自ESV總量偏小,加之生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)較小,因此上述土地利用類型面積變化對嵩縣ESV總價(jià)值變化影響較小。

表3 1990—2019年嵩縣各用地類型ESV變化Table 3 Changes of ESV of different land use types in Song County in 1990—2019

2.2.2 單項(xiàng)服務(wù)價(jià)值時(shí)序變化

結(jié)合表4中1990—2019年嵩縣ESV中單項(xiàng)服務(wù)功能變化統(tǒng)計(jì)可發(fā)現(xiàn):除水資源供給、水文調(diào)節(jié)和糧食生產(chǎn)功能有小幅增長趨勢外(分別為3.752%、3.543%、0.41%),其他各類供給、調(diào)節(jié)和保障等功能的ESV均出現(xiàn)了一定程度的下降,降幅均在-1% 以內(nèi)。從階段性變化特征來看:氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、土壤保持和維持生物多樣性等功能的ESV在1990—2019年間始終處于持續(xù)減少的趨勢,水文調(diào)節(jié)、水資源供給和糧食生產(chǎn)等功能則表現(xiàn)出1990—2000年快速增加,隨后的2000—2010年出現(xiàn)不同程度的下跌,而在2010年后其ESV開始逐漸緩慢上升,原料生產(chǎn)、凈化環(huán)境、維持養(yǎng)分循環(huán)和提供美學(xué)景觀等功能整體ESV變化及其比率較低,各時(shí)段變化幅度較小。從嵩縣各單項(xiàng)功能的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值構(gòu)成規(guī)模來看,水文調(diào)節(jié)和氣候調(diào)節(jié)功能在各單項(xiàng)服務(wù)價(jià)值功能中占據(jù)絕對優(yōu)勢,兩者合占比例約占各時(shí)段嵩縣總ESV的52%；其次為土壤保持、氣體調(diào)節(jié)、凈化環(huán)境和維持生物多樣性功能,四者ESV價(jià)值之和約占各時(shí)段生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值的35%左右；糧食生產(chǎn)、原料生產(chǎn)、水資源供給等供給服務(wù)以及維持養(yǎng)分循環(huán)、提供美學(xué)景觀等功能的ESV所占比例較小,合計(jì)約占總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的13%左右?？傮w而言,水文調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、土壤保持、氣體調(diào)節(jié)、凈化環(huán)境和維持生物多樣性等6種功能的ESV占嵩縣ESV總價(jià)值比例超過87%,對嵩縣土地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生決定性影響作用。

表4 1990—2019年嵩縣ESV單項(xiàng)服務(wù)價(jià)值變化Table 4 Changes of ESV single service value in Song County in 1990—2019

2.3 嵩縣ESV空間演化特征

2.3.1 空間分布格局

為進(jìn)一步深入分析嵩縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的空間分布總體格局特征,研究基于ArcGIS中柵格數(shù)據(jù)重采樣工具,將1990、2000、2010、2019年4期的土地利用分類數(shù)據(jù)柵格進(jìn)行重采樣,采樣尺度為300 m×300 m,進(jìn)而結(jié)合單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量權(quán)重因子對其重分類并賦值ESV屬性,再利用ArcGIS中的地統(tǒng)計(jì)工具,對所有格網(wǎng)內(nèi)的ESV值進(jìn)行克里金預(yù)測,并得到嵩縣縣域空間分布格局(圖3)。

圖3 嵩縣1990—2019年ESV空間格局Fig.3 Spatial pattern of ESV in Song County in 1990—2019

1990—2019年,嵩縣的ESV在空間分布上整體呈現(xiàn)出以陸渾水庫及伊河流域?yàn)楹诵牡母逧SV片區(qū),且南部片區(qū)的ESV值均稍高于北部片區(qū)的特征,區(qū)域差異顯著。其中,陸渾水庫及伊河流域等沿線水域之所以成為嵩縣縣域的ESV高值集聚區(qū),主要?dú)w因于其所擁有的極為豐富的水資源特征,加之水域因子生態(tài)價(jià)值因子為各類型用地中最高,所以在類似規(guī)模下所產(chǎn)生的ESV比其他類型更高。結(jié)合圖1嵩縣高程圖及圖2各時(shí)段嵩縣土地利用類型分布可知,縣域東北部在地形上以平原為主,且靠近陸渾水庫,十分有利于耕種,所以該片區(qū)以農(nóng)田和建設(shè)用地分布較多,上述用地類型生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值因子較低,且處于社會經(jīng)濟(jì)相對發(fā)達(dá),人地矛盾相對緊張的區(qū)域,其ESV為縣域最低；而在南部以及西北片區(qū),地形上以山地丘陵等為主,植被覆蓋度較高,用地類型上多以林地為主,林地的生態(tài)價(jià)值因子僅稍低于水域,而高于耕地和其他用地類型,因此,ESV空間分布上形成了南部和西北片區(qū)高于東北片區(qū)的格局特征。

2.3.2 空間自相關(guān)特征

通過GIS中自相關(guān)性統(tǒng)計(jì)工具得出表5中4個時(shí)段內(nèi)的ESV自相關(guān)指數(shù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn):研究區(qū)域4個時(shí)段內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的Moran I指數(shù)均在0.75左右,遠(yuǎn)高于0且Z(I)均超過顯著性水平的標(biāo)準(zhǔn)值(1.65),表明嵩縣縣域內(nèi)的ESV在空間分布特征上具有很強(qiáng)的自相關(guān)性,其ESV具有典型的聚集分布規(guī)律；此外,在階段性變化上,上述自相關(guān)指數(shù)呈波段式變化特征,且在2010年以后出現(xiàn)持續(xù)增強(qiáng)的趨勢,表明區(qū)域ESV在空間分布上集聚現(xiàn)象不斷增多。

表5 嵩縣ESV空間自相關(guān)與聚類指數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 5 Statistics of spatial autocorrelation and clustering index of ESV value in Song County

結(jié)合嵩縣縣域ESV的高/低值的聚類指數(shù)變化統(tǒng)計(jì)可知:G與E(G)統(tǒng)計(jì)指數(shù)均小于0.01且兩者變化不大,總體來看,各年份的G均高于E(G)指數(shù),由于Z(G)遠(yuǎn)高于顯著性水平的標(biāo)準(zhǔn)值,由此得出:嵩縣縣域的ESV在1990—2019年的空間動態(tài)演化過程中均存在高值集聚的特征。同時(shí)Z(G)在2000年后出現(xiàn)小幅下降趨勢,則表明ESV在該時(shí)段后的空間演化過程中,高值聚集強(qiáng)度出現(xiàn)了持續(xù)減弱的趨勢。與高值聚集特征相比,區(qū)域內(nèi)的ESV低值聚集現(xiàn)象相對較弱。

2.3.3 冷/熱點(diǎn)區(qū)域演化特征

基于GIS中的熱點(diǎn)分析工具,分別對1990—2019年共計(jì)4個年份的嵩縣ESV進(jìn)行熱點(diǎn)分析(Getis-Ord GeneralGi*),并針對分析結(jié)果用自然斷點(diǎn)法將ESV劃分為-2.93～-1.83、-1.83～-1.00、-1.00～-0.30、-0.30～0.30、0.30～2.68、2.68～9.77、9.77～16.20共7個等級,并最終得出嵩縣ESV冷/熱點(diǎn)區(qū)域的空間分布格局(圖4)。

圖4 嵩縣1990—2019年ESV熱點(diǎn)空間分布格局Fig.4 Spatial distribution pattern of ESV hotspots in Song County in 1990—2019

1990年,嵩縣ESV熱點(diǎn)區(qū)主要分布在陸渾水庫及周邊伊河、汝河、白河以及南部白云山、伏牛山脈等片區(qū)。分布規(guī)律主要與其所處的地形地貌和土地利用類型等緊密相關(guān),以水域和林地等類型為主,且分布面積較廣,自身生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值因子較高,因而形成各自的熱點(diǎn)區(qū)域；而冷點(diǎn)區(qū)域則主要集中分布在陸渾水庫北側(cè)大面積平原地帶、車村鎮(zhèn)以及嵩縣-舊縣鎮(zhèn)沿線,沿線區(qū)域流經(jīng)伊河流域,同時(shí)洛欒高速貫穿全域,同時(shí)也是縣域地勢相對平緩的片區(qū)之一,處于嵩縣的城鎮(zhèn)綜合發(fā)展軸線核心區(qū),區(qū)域分布人口較多,城鎮(zhèn)建設(shè)用地多集中分布在該片區(qū)；1990—2000年,嵩縣ESV冷熱點(diǎn)區(qū)整體來看變化較小。熱點(diǎn)區(qū)域變化方面,僅有陸渾水庫邊緣區(qū)出現(xiàn)南向蔓延趨勢,冷點(diǎn)區(qū)主要涉及閆莊鎮(zhèn)-大坪鄉(xiāng)北側(cè)和舊縣鎮(zhèn)東南伊河南岸周邊區(qū)域。其中,熱點(diǎn)區(qū)域擴(kuò)張主要?dú)w因于2000年左右陸渾水庫蓄水防洪等水利政策影響,而冷點(diǎn)區(qū)域多與相應(yīng)片區(qū)內(nèi)的土地利用擴(kuò)張有直接關(guān)系；2000—2010年,嵩縣ESV增值熱點(diǎn)以及損失冷點(diǎn)區(qū)域的演化過程并不顯著,以冷點(diǎn)區(qū)域增強(qiáng)為主,且集中在陸渾水庫西南一側(cè),總體而言各網(wǎng)格單元的變化度不大；2010—2019年,縣域ESV變化以冷點(diǎn)區(qū)域增強(qiáng)為主,隨著城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張、農(nóng)田耕地等持續(xù)開墾等因素,ESV損失片區(qū)開始在縣域各鄉(xiāng)鎮(zhèn)蔓延,主要包括中心城區(qū)南側(cè)、白河鎮(zhèn)延白河流域南段、舊縣鎮(zhèn)南側(cè)以及大坪鄉(xiāng)北側(cè)等片區(qū)。上述片區(qū)導(dǎo)致ESV損失的主要原因與嵩縣城鄉(xiāng)規(guī)劃政策的制定、區(qū)域產(chǎn)業(yè)定位等直接相關(guān),尤其在嵩縣縣城-舊城鎮(zhèn)形成的城鎮(zhèn)綜合發(fā)展軸及陸渾水庫北側(cè)的城鎮(zhèn)重點(diǎn)發(fā)展區(qū)一帶生態(tài)價(jià)值普遍較低,它們作為城鄉(xiāng)建設(shè)和農(nóng)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)區(qū)域,在服務(wù)縣域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的同時(shí),也導(dǎo)致了嵩縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的損失。

3 討論

研究主要基于山區(qū)縣域的土地利用演變視角探討其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值響應(yīng)機(jī)制。需要指出的是,山區(qū)ESV變化除了土地利用影響外,山區(qū)自身的地形、氣候等自然資源要素以及區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、政府政策制度、人口流動等人文因素均對區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)變化產(chǎn)生一定程度的影響[27],由于縣域?qū)用鎻奈⒂^尺度(鄉(xiāng)鎮(zhèn)乃至村級尺度)展開研究所涉及的相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)難以獲得,因此,打破原有的鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政級別,從格網(wǎng)尺度下探討山區(qū)土地利用演變及其ESV響應(yīng)機(jī)制,使得政府部門在開展國土空間規(guī)劃及生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃等決策中能更有效地精細(xì)化建設(shè)和管控。今后在開展相關(guān)研究中,將進(jìn)一步結(jié)合地理探測器、人工智能分析等方法探索格網(wǎng)尺度下山區(qū)自然和人文因素對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的影響機(jī)制,以期更有效指導(dǎo)山區(qū)國土空間規(guī)劃建設(shè)。

4 結(jié)論

研究基于1990、2000、2010、2019年4期的嵩縣土地利用遙感解譯數(shù)據(jù),通過謝高地等[6-7]所修正Costanza的生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值當(dāng)量評價(jià)法和空間自相關(guān)等分析方法,定量探討了山區(qū)縣域土地利用變化及其ESV響應(yīng)機(jī)制,并對格網(wǎng)尺度下的ESV空間分布格局特征進(jìn)行了深入分析。結(jié)論如下。

(1)土地利用類型演化方面:1990—2019年,嵩縣草地面積變化幅度最高(減少32.57 km2),耕地面積增幅最高(增加13.27 km2),其他土地利用類型變化規(guī)模相對較??；未利用地變化率最高,呈持續(xù)減少趨勢,其次為草地,其他類型均呈現(xiàn)出不同程度的增長趨勢,尤以建設(shè)用地和水域增幅明顯。

(2)ESV時(shí)序變化方面:嵩縣縣域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值整體呈現(xiàn)出先快速增加后緩慢減少的趨勢,由1990年的599.196 億元快速增加至2000年的608.953 億元,隨后2000—2019年的2個時(shí)段內(nèi)則分別降至601.813 億元和602.887億元。其中,林地和水域與縣域ESV變化過程整體相似,均在1990—2000年出現(xiàn)小幅增長趨勢,隨后持續(xù)緩慢下降。水文調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、土壤保持、氣體調(diào)節(jié)、凈化環(huán)境和維持生物多樣性等功能占ESV總價(jià)值超過87%,對嵩縣土地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生決定性影響作用。

(3)ESV空間分布格局方面:整體呈現(xiàn)出以陸渾水庫及伊河流域?yàn)楹诵牡母呱鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值片區(qū),且南部片區(qū)的ESV均稍高于北部片區(qū)的特征。縣域ESV在空間分布上具有很強(qiáng)的自相關(guān)性,且在2010年以后出現(xiàn)持續(xù)增強(qiáng)的趨勢。1990年,ESV熱點(diǎn)主要分布在陸渾水庫、伊河、汝河、白河及南部白云山、伏牛山脈等片區(qū)。1990—2000年僅有陸渾水庫邊緣區(qū)熱點(diǎn)區(qū)出現(xiàn)南向蔓延趨勢,冷點(diǎn)區(qū)開始出現(xiàn)多中心蔓延的趨勢,涉及閆莊鎮(zhèn)-大坪鄉(xiāng)北側(cè)和舊縣鎮(zhèn)東南伊河南岸周邊區(qū)域；2000—2010年主要以冷點(diǎn)區(qū)域增強(qiáng)為主,且集中在陸渾水庫西南一側(cè)；2010—2019年,隨著城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張、農(nóng)田耕地等持續(xù)開墾等因素,ESV損失片區(qū)開始在縣域各鄉(xiāng)鎮(zhèn)蔓延,導(dǎo)致ESV損失的主要原因與嵩縣城鄉(xiāng)規(guī)劃政策、產(chǎn)業(yè)定位等直接相關(guān)。