基于格網(wǎng)的長治市生態(tài)系統(tǒng)服務時空演變及空間相關(guān)性分析

丁婭楠， 劉海龍， 王煒橋， 張 羽， 王躍飛

(山西師范大學 地理科學學院， 山西 臨汾 041000)

生態(tài)系統(tǒng)服務(Ecosystem Services)是指生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過程所形成及所維持的人類賴以生存的自然環(huán)境條件與效用，是人類從生態(tài)系統(tǒng)獲得的所有收益[1]，是人類賴以生存和發(fā)展的基礎，與人類福祉息息相關(guān)[2]。生態(tài)系統(tǒng)服務價值(Ecosystem Services Value，ESV)是指對生態(tài)系統(tǒng)提供商品和資源環(huán)境進行經(jīng)濟價值評估的表現(xiàn)形式[3]。地球生命生存環(huán)境的養(yǎng)分循環(huán)都靠生態(tài)系統(tǒng)來維持，生態(tài)系統(tǒng)給予了人類許多生存與發(fā)展所需要的資源，人類當前面臨的多種生態(tài)問題的本質(zhì)是由于生態(tài)系統(tǒng)功能與服務受到破壞與退化的后果[4]，由于人類不合理的開發(fā)和利用，生態(tài)問題日益嚴峻，生態(tài)系統(tǒng)服務能力不強，而保障國家生態(tài)安全迫切需要生態(tài)系統(tǒng)服務研究的科學支撐，所以對ESV的研究已經(jīng)成為國內(nèi)外地理學和生態(tài)學的熱點問題之一。

目前，國內(nèi)外學者對ESV均已開展不同程度的研究。Costanza等[5]首次基于土地利用開展了ESV的評估，并開始推動在全球范圍內(nèi)的探究。我國學者謝高地等[6]基于青藏高原ESV評估建立了中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積服務價值表，在隨后的研究中其他學者對單位面積價值當量因子進行了改進[7-8]。根據(jù)此方法，一些學者對不同類型的ESV進行評估，如森林[9]、草地[10]、濕地[11]等，還探究了ESV的演變特征[12]、土地利用對ESV的影響[13]、ESV的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系[14]以及ESV的空間流動[15]等。以上研究大多應用于城市群、生態(tài)功能區(qū)、流域等尺度，對快速城市化地區(qū)ESV的空間關(guān)系定量化研究較少。

長治市位于黃土高原的最東部，四周被太行山和太岳山所環(huán)繞，形成上黨盆地，優(yōu)越的氣候和良好的水文條件，使這里成為山西省森林覆蓋率最高的地區(qū)，生態(tài)環(huán)境優(yōu)越。由于快速城市化的發(fā)展，城鎮(zhèn)建設用地的擴張，生態(tài)系統(tǒng)面臨著巨大的挑戰(zhàn)，人地矛盾日益加劇，加之獨特的地形條件，從而決定了研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的敏感性和脆弱性。本文以2000—2018年長治市土地利用數(shù)據(jù)為依據(jù)，基于格網(wǎng)分析生態(tài)系統(tǒng)服務的時空演變過程及空間自相關(guān)特征，為促進該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展和城市合理規(guī)劃提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

長治市位于山西省東南部，地處東經(jīng)111°58′—113°44′，北緯35°49′—37°08′，總面積13 955 km2。長治市被太行山、太岳山所環(huán)繞，構(gòu)成高原地形。境內(nèi)山地的海拔大都在800～1500 m之間，平川、丘陵、山地分別占總面積的15.9%、33.4%、50.7%。全市轄13個縣區(qū)，247個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。2018年研究區(qū)GDP總量1645億元，增速11.38%，位居全省第二位。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人口大量涌入城市，造成境內(nèi)綠地減少、水體污染、大氣污染等較為嚴重的環(huán)境問題，對當?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

2000、2005、2010、2018年4期研究區(qū)的土地利用數(shù)據(jù)獲取于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)[16]，將土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、建設用地及未利用土地6類，空間分辨率為30 m×30 m。研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云，分辨率為30 m×30 m，長治市行政邊界矢量數(shù)據(jù)來源于2015年1∶1 000 000基礎地理數(shù)據(jù)庫。研究區(qū)和全國的糧食價格、單位面積產(chǎn)量等社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來源于各年份《長治市統(tǒng)計年鑒》和《中國糧食年鑒》。

1.3 格網(wǎng)尺度數(shù)據(jù)處理

GIS格網(wǎng)尺度法是指用格網(wǎng)點狀單元作為指標因子的數(shù)據(jù)載體和基本評價分析單元的方法[17]。利用ArcGIS軟件將2000、2005、2010、2018年4期的長治市土地利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為矢量數(shù)據(jù)，結(jié)合研究區(qū)的地形特征以及面積大小等情況，采用Greate Fishnet工具構(gòu)建5 km×5 km的網(wǎng)格作為本文的研究單元，并與土地利用分布圖裁剪、相交后共產(chǎn)生631個格網(wǎng)，計算得到每個網(wǎng)格中各類土地利用類型的面積，最終突破行政尺度的限制，通過格網(wǎng)數(shù)值實現(xiàn)土地利用空間數(shù)據(jù)的微觀重構(gòu)[18]，會更加直觀地表現(xiàn)出每個研究單元的變化程度。

1.4 研究方法

1.4.1 生態(tài)系統(tǒng)服務價值測算

本文參考謝高地等[8]所建立的基于功能單元的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值評價表，根據(jù)長治市實際情況，整理研究區(qū)主要的糧食產(chǎn)量(小麥、玉米、大豆)，結(jié)合全國平均糧食價格，最終得出研究區(qū)單位面積ESV當量因子為1 002.38元/hm2。ESV當量因子的價值量計算公式為[19]

(1)

式中VCk為ESV當量因子的價值量(元/(hm2·a))，P為全國平均糧食價格(元/kg)，Q為研究區(qū)平均糧食產(chǎn)量(kg/hm2)，n為年數(shù)。

每個網(wǎng)格單一土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務價值的計算公式為[18]

(2)

每個網(wǎng)格生態(tài)系統(tǒng)服務價值的計算公式為

(3)

式中ESVi為單元網(wǎng)格中第i類土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務價值(元/(hm2·a))，ESV為格網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)服務總價值(元/(hm2·a))，Aij為第j個網(wǎng)格第i種土地利用類型的分布面積(hm2)，VCi為第i種土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)，m為土地利用類型總數(shù)。

表1 長治市生態(tài)系統(tǒng)單位面積服務價值系數(shù) 元/(hm2·a)

1.4.2 空間自相關(guān)統(tǒng)計方法

空間自相關(guān)分析主要用于測度具有某種屬性的空間分布與其臨近區(qū)域是否存在相關(guān)性及相關(guān)程度的方法，能直觀地表達某種空間現(xiàn)象的關(guān)聯(lián)性與差異性[20-21]。

全局莫蘭指數(shù)(Moran’s I)為

(4)

局部Moran’s I為

(5)

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用動態(tài)度變化

根據(jù)表2所示的長治市各利用類型土地面積及其變化情況可知，2000—2018年研究區(qū)耕地面積最大，占總面積的45.05%，其次是林地，占29.28%。從變化率來看，研究區(qū)耕地、草地、水域面積呈下降趨勢，分別下降了9.45%、5.74%、4.53%，林地、建設用地、未利用土地呈上升趨勢，分別上升6.01%、146.46%、13.24%。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，受城市建設用地擴張的影響，耕地面積持續(xù)減少，其面積由2000年的6 468.41 km2減少到2018年的5 857.18 km2， 2010年以后降幅尤為明顯，變化率高達-8.49%。草地和水域面積經(jīng)歷了先上升后下降的過程。研究期間林地面積持續(xù)增加，2000—2018上升6.01個百分點，這得益于山西省在2010年頒布《山西省林業(yè)生態(tài)建設總體規(guī)劃綱要(2011—2020年)》。長治市為響應號召，要求在保護地方生態(tài)系統(tǒng)的前提下再進行人類開發(fā)活動，2018年研究區(qū)森林覆蓋率比2010年提高了約20%，森林資源得到了有效的保護。未利用土地面積最小，約占總面積的0.01%，呈先下降后上升的變化趨勢。

表2 各時期土地利用類型面積及其變化情況

2.2 長治市ESV時空演變

2.2.1 時間演變特征

根據(jù)表3可知，長治市2000、2005、2010、2018年的生態(tài)系統(tǒng)服務價值分別為146.72億元、146.96億元、147.13億元、146.26億元，經(jīng)歷先上升后下降的發(fā)展趨勢，呈倒U型變化特征。2000—2010年研究區(qū)ESV值有小幅度上升(0.27%)，這主要得益于《長治市土地利用總體規(guī)劃(2006—2020年)》的頒布，長治市開始治理水土流失，加強對耕地和基本農(nóng)田的保護；2010—2018年ESV下降幅度較大(-0.59%)，這主要是由于城市建設用地的大規(guī)模開發(fā)，占用了大量的耕地和草地面積，導致兩者的矛盾加劇，生態(tài)效益下降，生態(tài)系統(tǒng)服務價值顯著下降；耕地的ESV值逐年下降，草地和水域的ESV值先上升后下降，2010—2018下降的尤為明顯；林地一直處于上升趨勢。總之ESV值的時間變化與土地利用變化保持一致。從單項ESV值及其變化情況(表4)來看，氣候調(diào)節(jié)和水文調(diào)節(jié)功能占比最高，所占比例分別達到22.81%和21.10%，其次是氣體調(diào)節(jié)和土壤保持功能，分別占10.36%和13.57%，其余功能對生態(tài)系統(tǒng)服務的影響值較小。研究期間，食物生產(chǎn)、原料生產(chǎn)、土壤保持和維持養(yǎng)料生產(chǎn)一直處于下降趨勢，這些功能大多由耕地所支持，研究區(qū)耕地面積的急劇減少嚴重影響了土地為人類所提供的服務。與此相反，凈化環(huán)境、生物多樣性和美學景觀持續(xù)上升，說明長治市對森林的保護已經(jīng)取得了良好的效果，2018年林地ESV效益比2000年增加了4.5×108元，極大地改善了長治市的空氣質(zhì)量和生態(tài)環(huán)境。

表3 各利用類型土地生態(tài)系統(tǒng)服務價值及變化率

表4 單項生態(tài)系統(tǒng)服務價值及其變化率

2.2.2 空間演變特征

基于5 km×5 km格網(wǎng)單元統(tǒng)計的生態(tài)系統(tǒng)服務價值進一步探究長治市ESV的空間分異特征。以4個時期為基準，利用Arcgis軟件自然間斷點法劃分為5個ESV區(qū)域(圖2，單位為106元/hm2)：分別為低(0～7.91)、較低(7.92～17.21)、中等(17.22～26.05)、較高(26.06～36.27)、高(≥36.28)[22]。2000—2018年研究區(qū)ESV值整體呈現(xiàn)出東西高、中部低且西部略高于東部的分布格局，結(jié)合圖1高程圖可知，研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值的空間分布特征與地形和土地利用類型的關(guān)系極為密切。長治市西部主要是太岳山，東部是太行山，地形以山地高原為主，森林覆蓋度較高，土地類型上多以林地、草地為主，生態(tài)價值高；中部地區(qū)主要以平原為主，耕地多，有利于人們開發(fā)和利用，所以這里經(jīng)濟社會比較發(fā)達，人口密集，人類活動頻繁，人為干擾強烈，耕地和建設類型用地較多，而上述用地ESV因子較低，人地矛盾較為緊張，所以中部地區(qū)ESV值較低。

圖1 研究區(qū)地理位置與高程圖

(a)2000年 (b)2005年 (c)2010年 (d)2018年圖2 2000—2018年長治市生態(tài)系統(tǒng)服務價值空間分布

從縣域尺度來看，ESV的高值區(qū)主要集中在沁源縣、黎城縣與武鄉(xiāng)縣的交界處、平順縣的北部和西部、壺關(guān)縣的東部以及長治市城區(qū)和襄垣縣的西部。長治市城區(qū)及襄垣縣西部分別分布著漳澤水庫和后灣水庫，由于水域因子生態(tài)系統(tǒng)當量在各類型用地中最高，所以水庫周圍形成ESV高值區(qū)。低值區(qū)大面積分布在長治市轄區(qū)、長治縣、襄垣縣、屯留縣、長子縣、潞城縣，這些縣區(qū)由于城鎮(zhèn)化進程快(2018年城市化率約占50%以上)，受人類活動影響，城市周圍的綠地面積和耕地面積不斷被城市建設用地所代替，導致ESV低值區(qū)從各縣區(qū)中心不斷向外圍擴張。從空間變化來看，2000—2010年研究區(qū)ESV值總體保持穩(wěn)定，僅少量增加了較高和高ESV區(qū)域；2010—2018年沁源縣和平順縣ESV高值增長態(tài)勢較為明顯，這得益于2010年沁源縣森林生態(tài)效益補償基金的設立和2014年平順縣植樹造林工程，2018年兩地森林覆蓋率分別達56.7%和41.6%，生態(tài)效益良好。但長治市轄區(qū)、長治縣兩地的低ESV區(qū)域范圍擴大，武鄉(xiāng)縣較低ESV呈片狀分布，表明這些地區(qū)土地利用類型變化大，建設用地占用多，生態(tài)價值普遍降低。

2.3 長治市ESV空間自相關(guān)分析

為進一步探究長治市ESV變化的空間集聚特征和空間異質(zhì)性，利用GeoDa軟件建立空間鄰接權(quán)重，在研究區(qū)631個格網(wǎng)上進行全局空間自相關(guān)和局部空間自相關(guān)分析。

2.3.1 全局空間自相關(guān)

根據(jù)獲得的Moran’s I散點圖統(tǒng)計成表5，從表中可知2000—2018年研究區(qū)的Moran’s I分別為0.431、0.412、0.412、0.445，統(tǒng)計量Z值分別為20.65、19.801、19.754、20.726，概率P值均為0.001，通過顯著性檢驗，表明研究區(qū)ESV區(qū)域相關(guān)性顯著且呈現(xiàn)出正向空間集聚特征。從表中看出Moran’s I先下降后上升，呈U型變化趨勢，且在2010年后出現(xiàn)Moran’s I最大值，表明長治市生態(tài)治理取得良好的成果，格網(wǎng)尺度下研究區(qū)ESV空間集聚效應明顯加強。

表5 長治市生態(tài)系統(tǒng)服務價值的全局Moran’s I

2.3.2 局部空間自相關(guān)

為深入揭示研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值的局部空間集聚變化規(guī)律，根據(jù)長治市631個ESV格網(wǎng)單元顯著的空間集聚關(guān)系，在0.001顯著水平下，進行局部空間自相關(guān)分析，得出空間聯(lián)系的局部指標(Local Indicators of Spatial Association，LISA)集聚圖(圖3)，表征每個網(wǎng)格的特定屬性與其周圍格網(wǎng)單元之間的空間相互關(guān)系，并將全市的生態(tài)系統(tǒng)服務劃分為4種不同的類型(高高集聚、低低集聚、低高集聚和高低集聚)。

(a)2000年 (b)2005年 (c)2010年 (d)2018年圖3 2000—2018年長治市生態(tài)系統(tǒng)服務價值LISA集聚圖

通過對比土地利用分布圖和ESV的LISA集聚圖可知：2000—2018年研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值的空間集聚特征基本保持穩(wěn)定，呈現(xiàn)出西部高、東北和東南高、中部低的分布格局，且高高集聚和低低集聚類型面積較大，呈片狀分布，空間相關(guān)性顯著，低低集聚和高高集聚空間面積較小，呈零散狀分布，集聚效果不明顯，表明長治市ESV集聚特征明顯，顯現(xiàn)以高高集聚和低低集聚為主的空間特征。具體來看：

(1)高高集聚區(qū)：主要分布在沁源縣、黎城縣、平順縣中部及壺關(guān)縣東部，這些地區(qū)地勢較高，森林草地資源豐富，森林覆蓋率在40%以上，風景名勝區(qū)多分布在這里，如沁源縣的靈空山，平順縣的通天峽、天脊山，壺關(guān)縣的太行山大峽谷等。

(2)低低集聚區(qū)：多分布在襄垣縣、長治縣、潞城市的西部和屯留縣的東部，這些地區(qū)是城市擴建區(qū)，以市轄區(qū)為中心向外逐漸擴張，形成南—北經(jīng)濟發(fā)展走廊，生態(tài)環(huán)境受人為干擾強烈，生態(tài)價值較低，并形成集聚區(qū)。

(3)低高集聚區(qū)：零散分布在長治市市轄區(qū)周圍以及高高集聚區(qū)的邊緣，從土地利用類型上看，這些地區(qū)主要是水域和與耕地、建設用地的交界地帶，例如市區(qū)的漳澤水庫，水庫周圍耕地面積和城鄉(xiāng)建設用地面積比例較高，所以在低低集聚的附近出現(xiàn)低高集聚的現(xiàn)象。

(4)高低集聚區(qū)：零散分布在黎城縣的邊界和長治縣的邊界，這些地方處于兩個行政區(qū)的交界地帶，城市中心經(jīng)濟的輻射影響較小，而又處于林地、草地和耕地的交界地帶，所以出現(xiàn)高ESV和低ESV集聚區(qū)。

3 結(jié)論及建議

3.1 結(jié)論

基于2000、2005、2010、2018年長治市土地利用數(shù)據(jù)，通過建立5 km×5 km格網(wǎng)對研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務的時空變化過程及空間特征進行深入分析，得出以下結(jié)論：

(1)從土地利用類型變化來看，研究區(qū)耕地、草地、水域面積呈下降趨勢，林地、建設用地、未利用土地呈上升趨勢。

(2)從ESV的時間演變來看，研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值經(jīng)歷了先上升后下降的發(fā)展趨勢，呈倒U型變化特征，耕地的ESV在研究期間持續(xù)下降，而林地一直在上升；研究期間ESV的時間變化與土地利用變化保持一致。

(3)從ESV的空間分布來看，研究期間研究區(qū)ESV整體呈現(xiàn)出東西高、中部低且西部略高于東部的分布格局；從空間演變來看，2000—2010年研究區(qū)ESV總體保持穩(wěn)定，2010—2018年沁源縣和平順縣ESV高值區(qū)增長態(tài)勢較為明顯，但長治市轄區(qū)、長治縣兩地ESV低值區(qū)域范圍擴大，呈片狀分布。

(4)通過全局空間自相關(guān)發(fā)現(xiàn)，研究期間長治市ESV區(qū)域相關(guān)性顯著且呈現(xiàn)出正向空間聚集特征，并呈U型變化趨勢。局部空間自相關(guān)表明研究區(qū)ESV的空間集聚特征基本保持穩(wěn)定，呈現(xiàn)出西部、東北和東南高，中部低的分布格局，高高集聚和低低集聚空間相關(guān)性較為顯著。高高集聚區(qū)主要分布在沁源縣、黎城縣、平順縣中部及壺關(guān)縣東部，低低集聚區(qū)多分布在襄垣縣、長治縣、潞城市的西部和屯留縣的東部。

3.2 建議

基于研究結(jié)果，為提高當?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)服務價值，提出以下建議：

(1)合理增加城市綠地面積。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和城市人口的擴張，對城市建設用地需求不斷加大，必然會對生態(tài)系統(tǒng)服務造成負面影響，但是城市綠地和水域等綠化景觀的設計可以有效改善生態(tài)風貌，如長治市城區(qū)的漳澤水庫和城市濕地公園，襄垣縣的后彎水庫以及武鄉(xiāng)縣的關(guān)河水庫，這些區(qū)域為城市調(diào)節(jié)水流、維護生物多樣性以及給人類提供休息娛樂場所等方面具有重要意義，因此應該重視對城市的綠地、公園、水體的建設，為人類創(chuàng)造優(yōu)良的宜居環(huán)境。

(2)優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)。生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化直接受到土地利用程度的影響，因此，因地制宜優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)尤為重要，如退耕還林還湖、合理控制建設用地的擴張和提高土地集約程度和利用率等，在開發(fā)利用土地的同時要充分考慮生態(tài)環(huán)境效應。

(3)加強對自然保護區(qū)的規(guī)劃和建設。自然保護區(qū)具有較高的生態(tài)系統(tǒng)服務價值，對一個地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)提供著重要的調(diào)節(jié)、支持和美化服務，如沁源縣的靈空山，平順縣的通天峽、天脊山，壺關(guān)縣的太行山大峽谷等。這些地區(qū)在水源涵養(yǎng)、凈化環(huán)境、維持生物多樣性和美學景觀等方面提供了重要的生態(tài)價值。