山江海耦合關(guān)鍵帶生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空變化及其權(quán)衡研究

高春蓮,胡寶清,黃思敏,黃麗芳,李彩茶

(1.南寧師范大學(xué)北部灣環(huán)境演變與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣西地表過(guò)程與智能模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南寧 530001;2.南寧師范大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院,南寧 530001)

地球關(guān)鍵帶是美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)(National Research Community)2001年提出的人類與地球聯(lián)系最為密切影響最為深刻的關(guān)鍵區(qū)域,是處于地球巖石圈、水圈、大氣圈、土壤圈和生物圈五大圈層異質(zhì)交叉地帶的陸地表層系統(tǒng)[1]。地球關(guān)鍵帶科學(xué)是未來(lái)地球科學(xué)研究的重點(diǎn)方向,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)關(guān)鍵帶的物理、化學(xué)和生物過(guò)程進(jìn)行了全面、系統(tǒng)、持續(xù)、深入的跨學(xué)科研究[2]。其中“關(guān)鍵帶服務(wù)(Critical-Zone services)”作為地球關(guān)鍵帶研究的未來(lái)發(fā)展方向之一[3],其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對(duì)維持陸地生態(tài)系統(tǒng)平衡和人類生存發(fā)展至關(guān)重要。由于關(guān)鍵帶是處于異質(zhì)的地表環(huán)境及其要素、結(jié)構(gòu)和過(guò)程的復(fù)雜性,目前地球關(guān)鍵帶生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究仍處于起步階段,但也有不少學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究,如有學(xué)者通過(guò)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估構(gòu)建14個(gè)地球關(guān)鍵帶生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標(biāo),評(píng)估地球關(guān)鍵帶5個(gè)重要組成部分的價(jià)值量[4],張麗等[5]基于地球關(guān)鍵帶創(chuàng)建土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)價(jià)方法,陳琪等[6]針對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建地球關(guān)鍵帶生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)體系,陳金珂等[7]基于土地利用情景模擬和模型評(píng)估方法研究喀斯特關(guān)鍵帶生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)特征及權(quán)衡關(guān)系等?？梢?jiàn),目前針對(duì)地球關(guān)鍵帶生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的研究較多關(guān)注以某一種類型的關(guān)鍵帶為研究對(duì)象構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系以及分析某一種類型關(guān)鍵帶的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)特征,較少涉及對(duì)地球關(guān)鍵帶服務(wù)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值進(jìn)行量化評(píng)估或?qū)⒍喾N關(guān)鍵帶作為一個(gè)連續(xù)的整體,研究不同關(guān)鍵帶的耦合過(guò)程與功能,分析其在空間上呈現(xiàn)不同生態(tài)功能與服務(wù)等方面的研究。

地球關(guān)鍵帶生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)被定義為是由地球關(guān)鍵帶特定的、完整的物理系統(tǒng)提供的廣泛人類惠益[8],其生態(tài)服務(wù)可以分為供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)和文化服務(wù),這很大程度上與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)尤為相似[9],因此,對(duì)于地球關(guān)鍵帶服務(wù)評(píng)價(jià),可以從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中已經(jīng)廣泛使用的方法延伸至地球關(guān)鍵帶,即“生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)”到“地球關(guān)鍵帶服務(wù)”[10]。土地利用作為地球關(guān)鍵帶中的重要組成部分[11],其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及其相互關(guān)系轉(zhuǎn)化具有重大的影響[12],快速的土地利用變化能夠直接改變生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)且在一定程度上影響地域氣候、水文、土壤、生物多樣性以及地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程[13]。例如,1999年的退耕還林工程,迫使2.33×105km2的耕地轉(zhuǎn)為林地,很大程度上影響了區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其之間的相互關(guān)系[14]。當(dāng)前,許多學(xué)者從土地利用類型、時(shí)空尺度、地域范圍等不同方面對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能類型、價(jià)值評(píng)估、權(quán)衡/協(xié)同效應(yīng)等開展了大量研究[15],其中謝高地學(xué)者的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子表法在國(guó)內(nèi)廣泛運(yùn)用[16],該方法主要通過(guò)土地利用現(xiàn)狀評(píng)估不同土地利用提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,從而確定不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的關(guān)系[17]。

山江海耦合關(guān)鍵帶是涵蓋山地、流域、海岸關(guān)鍵帶三者的簡(jiǎn)稱,是山地丘陵、江河流域、海岸帶3種地貌類型共同耦合的過(guò)渡性陸地表層系統(tǒng),該區(qū)域因地形地貌、土地利用與植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化等而呈現(xiàn)出不同結(jié)構(gòu)、功能和特征,表現(xiàn)出獨(dú)特的時(shí)空差異性和演變規(guī)律[18]。廣西桂西南喀斯特—北部灣地區(qū)是山江海耦合關(guān)鍵帶的典型代表,該地區(qū)由桂西南喀斯特山區(qū)、左右江流域和北部灣海岸3 個(gè)典型地帶共同構(gòu)成,在空間上形成由高山—丘陵—濱海平原組成,江河流域貫穿整個(gè)陸地表層系統(tǒng)且由西北向東南傾斜降低的過(guò)渡性特殊空間,是人與自然相互作用的過(guò)渡性地理空間[19]。多年來(lái),由于該地區(qū)受地質(zhì)地貌、氣候、水文、歷史文化發(fā)展等影響以及社會(huì)發(fā)展,人口數(shù)量增多,其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)受人類活動(dòng)干擾強(qiáng)度大,生態(tài)環(huán)境脆弱。因此,為合理充分利用各地區(qū)優(yōu)勢(shì),打通山區(qū)、流域、海岸帶發(fā)展系統(tǒng)邊界,形成山江海聯(lián)動(dòng)綜合發(fā)展的形式,實(shí)現(xiàn)山江海過(guò)渡性地理空間社會(huì)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展,本文在前人的基礎(chǔ)上,通過(guò)將山地、流域、海岸3個(gè)關(guān)鍵帶耦合作為一個(gè)連續(xù)的整體進(jìn)行研究,基于1990—2020年7期土地利用數(shù)據(jù)及采用修訂后的當(dāng)量因子表,運(yùn)用網(wǎng)格法分析桂西南喀斯特—北部灣地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的時(shí)空變化特征,探討山江海耦合關(guān)鍵帶生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)現(xiàn)狀,利用相關(guān)性分析和地理加權(quán)回歸方法分析不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的相互關(guān)系及其空間分異特征,提高對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間相互作用的認(rèn)識(shí),為地球關(guān)鍵帶生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的研究提供新視角、新思路,對(duì)促進(jìn)區(qū)域多種關(guān)鍵帶生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總體效益最大化及經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)實(shí)現(xiàn)“雙贏”具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

廣西桂西南喀斯特—北部灣地區(qū)是由喀斯特山區(qū)和北部灣海岸帶構(gòu)成復(fù)雜的陸地表層系統(tǒng),同時(shí)被左江、右江河流貫穿其中的異質(zhì)性國(guó)土空間,是典型的山江海過(guò)渡地區(qū)(圖1)。該區(qū)域由百色市、崇左市、南寧市、防城港市、北海市、欽州市、崇左市7個(gè)地級(jí)市組成,涵蓋50個(gè)縣(市、區(qū)),土地面積達(dá)108 398.524 5 km2,占廣西總面積的45.80%,至2021年底,桂西南喀斯特—北部灣地區(qū)共有2 922.05萬(wàn)人,占廣西總?cè)丝诘?0.97%,經(jīng)濟(jì)總量達(dá)13 717.49億元,人均GDP達(dá)56 167.14元。該區(qū)域沿云貴高原山麓向北部灣沿海地區(qū)呈自上而下傾斜的過(guò)渡地帶,在空間上呈現(xiàn)出西北—東南地勢(shì)逐漸降低的地域分異規(guī)律,具有亞熱帶季風(fēng)氣候和熱帶海洋性季風(fēng)性氣候兩種,氣溫2.8～40.4℃,平均氣溫23.19℃,雨量充沛,平均降水量達(dá)1 377.8 mm,水資源豐富。

圖1 研究區(qū)域Fig.1 Study area

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本文基于1990 年、1995 年、2000 年、2005 年、2010年、2015年、2020年7期土地利用數(shù)據(jù),空間分辨率為30 m,影像數(shù)據(jù)來(lái)源于武漢大學(xué)楊杰教授團(tuán)隊(duì)制作的中國(guó)土地覆蓋數(shù)據(jù)集(CLCD)[20],根據(jù)其土地利用分類,根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況提取耕地、林地、草地、水域、未利用地、建設(shè)用地6 類地類的分類結(jié)果。研究區(qū)和全國(guó)糧食播種面積及產(chǎn)量數(shù)據(jù)從《廣西統(tǒng)計(jì)年鑒》和《國(guó)家統(tǒng)計(jì)年鑒》中獲取,全國(guó)糧食平均出售價(jià)格及廣西居民消費(fèi)價(jià)格指數(shù)(Consumer Price Index,CPI)分別來(lái)源于《全國(guó)農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編(1990—2020年)》和《廣西統(tǒng)計(jì)年鑒》。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值估算

基于謝高地等[21]修訂的當(dāng)量因子表,結(jié)合桂西南喀斯特—北部灣地區(qū)實(shí)地生產(chǎn)能力,采用糧食修正方法進(jìn)行修正,當(dāng)量基準(zhǔn)由農(nóng)田平均糧食產(chǎn)量來(lái)測(cè)算單位面積食物生產(chǎn)服務(wù)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。1990—2020年全國(guó)單位糧食面積與桂西南喀斯特—北部灣地區(qū)平均產(chǎn)量分別為476 678.65 kg/km2,302 180.46 kg/km2,因此研究區(qū)糧食平均產(chǎn)量當(dāng)量因子修訂系數(shù)為0.634。從《全國(guó)農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編(1990—2020)》中計(jì)算研究區(qū)平均糧食出售價(jià)格為1.6元/kg,在無(wú)其他干擾情況下,自然生態(tài)系統(tǒng)提供的經(jīng)濟(jì)價(jià)值是現(xiàn)有農(nóng)田單位面積提供食物生產(chǎn)服務(wù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的1/7[22]。為消除糧食價(jià)格物價(jià)變動(dòng)及通貨膨脹影響,提高測(cè)算精度,引入CPI對(duì)所求得的VC進(jìn)行修正[23],最后通過(guò)計(jì)算得出研究區(qū)1個(gè)當(dāng)量因子的經(jīng)濟(jì)價(jià)值量為445.27元/km2,將耕地、林地、草地、水域、未利用地分別與農(nóng)田、森林、草地、水體及荒漠5類生態(tài)系統(tǒng)相對(duì)應(yīng),建設(shè)用地單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值單量參考鄧元杰[24]和高振斌[25]等研究確定,最終得到山江海耦合關(guān)鍵帶土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)表(表1)。桂西南喀斯特—北部灣地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值計(jì)算方法為[26]:

表1 山江海耦合關(guān)鍵帶土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)(ESV)Table 1 Landuse type ecosystem service value coefficient(ESV)in the key coupling zone of mountain-river-sea元/km2

式中:ESV 為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(元);Sk為k類土地利用類型面積(km2);VC′ik為修正后k種地類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)(元/km2)。

2.3 生態(tài)敏感性分析

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值敏感性指數(shù)(Coefficient of Sensitivity,CS)是指由VC變化引起ESV變化[27]。為了確認(rèn)ESV的計(jì)算是否符合研究區(qū),引入生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值敏感性系數(shù)進(jìn)行敏感性指數(shù)分析,計(jì)算公式為:

式中:CS表示生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值敏感性系數(shù),是指生態(tài)價(jià)值系數(shù)變動(dòng)1%引起ESV 發(fā)生變化;VC 為當(dāng)量因子;b為調(diào)整后的狀態(tài);a為調(diào)整前的狀態(tài)。VCb和VCal表示第l種初始和調(diào)整后(VC±50%)土地利用類型的價(jià)值系數(shù)。當(dāng)VC＞1時(shí),表示ESV 對(duì)VC 富有彈性;反之,ESV 對(duì)VC缺乏彈性,研究結(jié)果可信。

2.4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同關(guān)系

基于R.4.2軟件中“corrplot”包利用皮爾遜(pearson)相關(guān)性分析確定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的相互關(guān)系,若計(jì)算結(jié)果大于0,則兩個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間為協(xié)同關(guān)系,反之為權(quán)衡關(guān)系,數(shù)值大小表示變量相關(guān)性的強(qiáng)弱。此外,為了凸顯不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相互關(guān)系的空間分異特征,基于R.4.2軟件中“GWmodel”包的GWR模型對(duì)不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行分析。GWR 是基于傳統(tǒng)的回歸框架對(duì)GWR 進(jìn)行修改,使其能夠測(cè)試空間非平穩(wěn)性[28],由于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間在空間上是非平穩(wěn)的,受空間異質(zhì)性的影響,而在本文中,只使用ESV 作為自變量和因變量,分析時(shí)不存在多重共線性問(wèn)題,因此能夠用GWR 結(jié)果中的系數(shù)來(lái)體現(xiàn)不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的空間交互相關(guān)性。公式如下:

式中:(μi,νi)表示點(diǎn)i的空間位置;ρ為獨(dú)立變量個(gè)數(shù);yi為因變量;χjk為獨(dú)立變量;εi為隨機(jī)誤差;βο(μi,νi)表示在i的截距;βk(μi,νi)為回歸系數(shù),數(shù)值大小表示強(qiáng)度的強(qiáng)弱,正值表示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在空間上為協(xié)同關(guān)系,負(fù)值則為權(quán)衡關(guān)系。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用類型面積及變化

由表2可知,1990—2020 年來(lái)研究區(qū)林地面積最廣,占總面積67%以上,其次是耕地,占27%以上,水域、建設(shè)用地、草地和未利用地占比較小,其中在研究期間草地面積趨向于縮減,建設(shè)用地面積不斷增加。1990—1995年草地、未利用地面積大幅度銳減,減幅分別為38.89%,38.98%,建設(shè)用地面積增加,增幅為26.83%;1995—2000年,建設(shè)用地面積持續(xù)增加,增幅達(dá)38.86%,主要是由于耕地和林地面積的轉(zhuǎn)入;2000—2005年,建設(shè)用地、耕地、水域面積增加,耕地面積增幅達(dá)6.82%,主要由于林地、草地、未利用地面積的轉(zhuǎn)入;2005—2010年期間,2008年國(guó)家堅(jiān)守耕地保護(hù)紅線,注重生態(tài)環(huán)境保護(hù),強(qiáng)調(diào)退耕還林、還草、還湖,區(qū)內(nèi)耕地面積縮減7.49%,林地、水域等生態(tài)用地面積增加,此外,工業(yè)等建設(shè)用地面積大大增加;2010—2015年,黨的十八大大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè),國(guó)家對(duì)石漠化地區(qū)生態(tài)環(huán)境開展實(shí)際性治理,桂西南喀斯特地區(qū)水土流失等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題逐漸改善,裸土逐漸變成旱地、林地等用地,林地和水域面積不斷增加,林地在研究期間達(dá)到最大面積;2015—2020年,廣西城鎮(zhèn)化和工業(yè)化快速發(fā)展,區(qū)內(nèi)建設(shè)用地面積達(dá)到1 488.24 km2,主要由于草地和水域面積的轉(zhuǎn)入。

表2 1990-2020年山江海耦合關(guān)鍵帶土地利用類型面積及占比Table 2 Landuse type area and proportion of the key coupling zone between mountain-river-sea from 1990 to 2020

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空變化

3.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)間變化 根據(jù)公式(1)求出山江海耦合關(guān)鍵帶1990—2020年各土地利用類型生態(tài)服務(wù)價(jià)值和單項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(表3和表4)。1990—2020年來(lái)研究區(qū)總ESV 從788.55億元增加到792.30億元,增幅0.48%,表明山江海耦合關(guān)鍵帶生態(tài)環(huán)境趨于改善,但改善的水平較低。31 年來(lái),研究區(qū)總ESV 為先增加后減小再增加再減小的變化趨勢(shì),其中1990—2000年和2005—2015年呈持續(xù)增加的趨勢(shì),增幅為0.41%,2.97%,2000—2005年和2015—2020 年為減小的趨勢(shì),減幅為1.64%,1.20%。2015年總ESV 最高,為801.90 億元,2005年最低,為778.78億元,主要原因是由林地面積變化所致,2015年林地在研究期間內(nèi)面積最大,2005年最小,表明研究區(qū)應(yīng)重視退耕還林及喀斯特山區(qū)石漠化治理,堅(jiān)定綠色發(fā)展的理念,注重生態(tài)文明建設(shè)。從各土地類型ESV 總體組成看,1990—2020年期間林地ESV 最大,其次是耕地和水域,平均貢獻(xiàn)率分別為86.11%,7.11%,6.66%,為研究區(qū)ESV 最主要的貢獻(xiàn)因子。從ESV 變化看,31年來(lái),研究區(qū)ESV 變化主要是建設(shè)用地、草地和未利用地ESV 變化所致,建設(shè)用地的ESV 變化幅度最大,為259.58%,林地變化幅度最小,為0.18%,表明建設(shè)用地ESV 較低,受環(huán)境、人類活動(dòng)干擾等因素的影響變化較大,地方應(yīng)該科學(xué)劃定“三區(qū)三線”,確保城鎮(zhèn)和耕地有序發(fā)展,擦亮廣西“山清水秀生態(tài)美”的金字招牌。

表3 1990-2020年山江海耦合關(guān)鍵帶各地類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值及變化Table 3 Value and changes of ecosystem services in the key coupling zone of mountain-river-sea from 1990 to 2020

表4 1990-2020年山江海耦合關(guān)鍵帶單項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值及變化Table 4 Value and changes of individual ecosystem services in the key coupling zone of mountain-river-sea from 1990 to 2020

分析山江海耦合關(guān)鍵帶單項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值及變化(表4),結(jié)果表明單項(xiàng)服務(wù)ESV 變化整體上與總ESV變化趨勢(shì)一致。研究時(shí)期內(nèi)調(diào)節(jié)服務(wù)功能ESV貢獻(xiàn)率最大,均占總ESV67%以上,其次是支持服務(wù),占22%以上,供給服務(wù)占5%左右,最小是文化服務(wù)功能,占4%左右,其中氣候調(diào)節(jié)和水文調(diào)節(jié)為調(diào)節(jié)服務(wù)ESV的主要貢獻(xiàn)因子,土壤保持和生物多樣性為支持服務(wù)ESV的主要貢獻(xiàn)因子,食物生產(chǎn)和原料生產(chǎn)為供給服務(wù)ESV的主要貢獻(xiàn)因子。2005年供給服務(wù)功能中食物生產(chǎn)ESV增加,原料生產(chǎn)和水資源供給減少,主要是由于2005年耕地面積增加所致,耕地面積增加,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)強(qiáng)度加大,所需水量大,從而水資源供給量大大減少,而2005年調(diào)節(jié)服務(wù)功能中的氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、凈化環(huán)境功能ESV大大減少,這與林地總ESV變化一致,原因是林地面積的減少。研究區(qū)水域面積的變化趨勢(shì)為先增加后減少,1990—2010年增加,2010年增加至最高,隨后2010—2020年逐漸減少,水文調(diào)節(jié)ESV 變化與之一致,說(shuō)明該研究區(qū)內(nèi)水文調(diào)節(jié)ESV 變化主要是受水域面積變化所影響。

3.2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間變化 為進(jìn)一步體現(xiàn)山江海耦合關(guān)鍵帶1990—2020年ESV 空間變化特征,本文選擇格網(wǎng)作為研究尺度,擬定以5 km×5 km格網(wǎng)將研究區(qū)劃分為4 375個(gè)基本單元?；贙riging插值方法對(duì)格網(wǎng)進(jìn)行進(jìn)一步處理,通過(guò)自然斷點(diǎn)法將ESV 值劃分為:低、較低、中等、較高和高5個(gè)等級(jí)[24],得到1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015 年和2020 年7 期山江海耦合關(guān)鍵帶ESV 空間分布格局(圖2)。

圖2 1990-2020年山江海耦合關(guān)鍵帶生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間變化Fig.2 Spatial changes in the value of ecosystem services in the key coupling zone of mountain-river-sea from 1990 to 2020

結(jié)果表明1990—2020年研究區(qū)ESV 空間分布與土地利用類型空間分布格局基本吻合,城鎮(zhèn)等建設(shè)用地密集地區(qū)ESV 較低,林地、耕地、水域等用地ESV 較高。1990—2020年,山江海耦合關(guān)鍵帶ESV空間變化總體上變化不明顯,基本穩(wěn)定,從空間上看,ESV 呈現(xiàn)從西北向東南降低的趨勢(shì),較高級(jí)和高級(jí)ESV 分布范圍較廣,主要分布在桂西南喀斯特山區(qū)和東南方向的十萬(wàn)大山、六萬(wàn)大山等地區(qū),如百色市、崇左市的山區(qū)和防城港市,南寧市隆安縣,欽州市欽北區(qū)、浦北縣,北海市合浦縣,玉林市容縣等森林覆蓋率高的地區(qū),由于這些地區(qū)林地面積廣,植被覆蓋率高,區(qū)域內(nèi)物種豐富,也是眾多江河湖泊的發(fā)源地,生態(tài)環(huán)境優(yōu)越,具有較高的ESV;中級(jí)ESV 主要分布在高級(jí)和較高級(jí)ESV 周邊丘陵盆地、河流洼地等地區(qū),這些地區(qū)地勢(shì)平坦,土壤質(zhì)地比較好,適宜種植農(nóng)作物和發(fā)展?jié)O業(yè),主要以耕地、水域?yàn)橹?林地較少;低級(jí)和較低級(jí)ESV 分布較集中,主要分布在人口密集、人類活動(dòng)頻繁的市縣級(jí)地區(qū)及沿海地區(qū),如南寧市賓陽(yáng)縣、橫州市,崇左市江州區(qū)、扶綏縣,欽州市欽南、欽北區(qū)和靈山縣,北海市合浦縣、玉林市等中心城區(qū),低級(jí)和較低級(jí)ESV 地區(qū)的分布與山江海耦合關(guān)鍵帶城鎮(zhèn)化的發(fā)展方向一致,由城鎮(zhèn)中心逐漸向四周擴(kuò)散,這些地區(qū)主要以建設(shè)用地為主,土地利用開發(fā)強(qiáng)度較高,生態(tài)環(huán)境較差,ESV 相對(duì)較低。

3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值敏感性分析

根據(jù)公式(2),通過(guò)上下調(diào)整50%各土地利用類型ESV 系數(shù),計(jì)算出山江海耦合關(guān)鍵帶ESV 敏感性系數(shù)(表5)。結(jié)果顯示不同年份不同土地利用類型的ESV 敏感性系數(shù)均小于1,表明計(jì)算的ESV 符合研究區(qū)。研究區(qū)內(nèi)ESV 敏感性系數(shù)從大到小依次為林地、耕地、水域、草地和未利用地、建設(shè)用地,該結(jié)論與陳相標(biāo)等計(jì)算石林喀斯特巖溶區(qū)ESV 敏感性指數(shù)結(jié)論一致[29]。因此,本文采用修訂的當(dāng)量因子表計(jì)算結(jié)果符合研究區(qū)的實(shí)際情況,研究結(jié)果可信度高。

表5 1990-2020年山江海耦合關(guān)鍵帶生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值敏感性分析Table 5 Sensitivity analysis of ecosystem service value in the key coupling zone of mountain-river-sea from 1990 to 2020

3.4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同關(guān)系分析

3.4.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同關(guān)系時(shí)間變化 運(yùn)用R.4.2 軟件中“corrplot”包對(duì)研究區(qū)1990 年、2000年、2010年和2020 年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行相關(guān)性分析,分析不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的相互關(guān)系及時(shí)間變化特征(圖3)。結(jié)果表明區(qū)內(nèi)1990—2020年各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間共形成55組相關(guān)關(guān)系,其中權(quán)衡關(guān)系約占14.55%,協(xié)同關(guān)系占85.45%,體現(xiàn)了研究區(qū)31年來(lái)各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間主要為協(xié)同關(guān)系。各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡關(guān)系主要體現(xiàn)在食物生產(chǎn)—原料生產(chǎn)、食物生產(chǎn)—水資源供給、食物生產(chǎn)—?dú)怏w調(diào)節(jié)、食物生產(chǎn)—?dú)夂蛘{(diào)節(jié)、食物生產(chǎn)—凈化環(huán)境、食物生產(chǎn)—土壤保持、食物生產(chǎn)—生物多樣性、食物生產(chǎn)—美學(xué)景觀之間,其余均為協(xié)同關(guān)系。1990年、2010年和2020年3個(gè)時(shí)期中,不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系不發(fā)生轉(zhuǎn)換,僅作用程度發(fā)生變化,最強(qiáng)權(quán)衡關(guān)系均體現(xiàn)在食物生產(chǎn)—水資源供給服務(wù)之間,最大協(xié)同度均體現(xiàn)在原料生產(chǎn)—?dú)怏w調(diào)節(jié)、凈化環(huán)境—生物多樣性、凈化環(huán)境—美學(xué)景觀之間。2000 年各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間相互程度和方向均發(fā)生改變,權(quán)衡關(guān)系增至9組,食物生產(chǎn)—?dú)夂蛘{(diào)節(jié)服務(wù)由協(xié)同關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)闄?quán)衡關(guān)系,權(quán)衡極值減小,最強(qiáng)權(quán)衡關(guān)系發(fā)生改變,體現(xiàn)在食物生產(chǎn)—生物多樣性服務(wù)之間,最大協(xié)同度比其他時(shí)期增加了氣候調(diào)節(jié)—美學(xué)景觀服務(wù),說(shuō)明山江海耦合關(guān)鍵帶食物生產(chǎn)功能ESV 較低,易受人類活動(dòng)干擾,對(duì)其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響主要是以權(quán)衡關(guān)系為主,使生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力降低,因此,地方進(jìn)行食物生產(chǎn)活動(dòng)時(shí)要注重對(duì)其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行保護(hù)和修復(fù),注重生態(tài)文明的建設(shè)。

圖3 1990-2020年山江海耦合關(guān)鍵帶生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系時(shí)間變化Fig.3 Time variation of ecosystem service trade-off/synergy relationship in the key coupling zone of mountain-river-sea from 1990 to 2020

3.4.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同關(guān)系空間分異特征運(yùn)用R.4.2軟件中“GWmodel”包對(duì)不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行GWR 分析,探討不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相互關(guān)系的空間分異特征。結(jié)果表明1990—2020年研究區(qū)內(nèi)有10組生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在空間上主要為權(quán)衡關(guān)系,其余45組為協(xié)同關(guān)系,由于協(xié)同關(guān)系空間分異較為一致,僅協(xié)同值高低分布有所差異,因此,本文僅對(duì)其中權(quán)衡/協(xié)同面積占比較大的結(jié)果展開討論(圖4)。圖4中權(quán)衡關(guān)系面積占比較大的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)為食物生產(chǎn)—原料生產(chǎn)、食物生產(chǎn)—水資源供給、食物生產(chǎn)—?dú)怏w調(diào)節(jié)、食物生產(chǎn)—?dú)夂蛘{(diào)節(jié)、食物生產(chǎn)—凈化環(huán)境、食物生產(chǎn)—水文調(diào)節(jié)、食物生產(chǎn)—土壤保持、食物生產(chǎn)—維持養(yǎng)分循環(huán)、食物生產(chǎn)—生物多樣性、食物生產(chǎn)—美學(xué)景觀服務(wù),面積占比分別為70.58%,93.60%,73.05%,73.73%,74.13%,64.90%,74.55%,63.17%,76.22%,74.72%,其中權(quán)衡高值區(qū)主要分布在山江海耦合關(guān)鍵帶中部及南部地區(qū),低值區(qū)主要分布在百色市喀斯特山區(qū),權(quán)衡值呈現(xiàn)從左江—右江—邕江—南流江等一帶人類活動(dòng)頻繁及耕地、建設(shè)用地集中連片的區(qū)域向四周山林較多的區(qū)域降低的空間分布特征。協(xié)同關(guān)系中面積占比較大生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)為凈化環(huán)境—美學(xué)景觀、土壤保持—生物多樣性、土壤保持—美學(xué)景觀、生物多樣性—美學(xué)景觀,面積占比分別為73.81%,70.67%,80.42%,77.80%,協(xié)同低值區(qū)主要分布在人口密集、經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的市縣城區(qū)及沿海地區(qū),如百色市右江區(qū)、靖西市,南寧市橫州市、上思縣,欽州市欽南區(qū)、浦北縣,北海市海城區(qū)、鐵山港區(qū)、合浦縣等。

圖4 1990-2020年山江海耦合關(guān)鍵帶生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系空間分布Fig.4 Spatial distribution of ecosystem service trade offs/synergistic relationships in the key coupling zone of mountain-river-sea from 1990 to 2020

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

(1)量化和分析山江海耦合關(guān)鍵帶生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值及時(shí)空變化特征,不僅有助于認(rèn)識(shí)區(qū)域整體的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平,利于區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境保護(hù)與國(guó)土空間優(yōu)化管控,而且有助于促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展,提升人類福祉。在本文研究中,近31年來(lái),桂西南喀斯特—北部灣地區(qū)ESV 整體呈上升的趨勢(shì),表明山江海耦合關(guān)鍵帶生態(tài)環(huán)境趨于改善,此結(jié)果與其他學(xué)者評(píng)價(jià)廣西地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值結(jié)論基本一致[30],這主要得益于地方根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)情對(duì)喀斯特山區(qū)開展石漠化治理和注重濱海地區(qū)紅樹林生態(tài)環(huán)境保護(hù)、合理利用海洋資源,區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境得到逐漸改善。該地區(qū)ESV 主要貢獻(xiàn)因子為林地、耕地、水域,此結(jié)果與珠江—西江廣西段生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)價(jià)的結(jié)果相同[31],由于林地、水域、耕地被侵占轉(zhuǎn)為建設(shè)用地,總體上使關(guān)鍵帶服務(wù)中原料生產(chǎn)、水資源供給、氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、凈化環(huán)境、水文調(diào)節(jié)生態(tài)服務(wù)ESV大大減少,可見(jiàn)生產(chǎn)、生活用地與生態(tài)環(huán)境保護(hù)存在著一定的沖突。1990—2020年來(lái),該區(qū)域建設(shè)用地、林地、水域面積分別增加1 074.35 km2,136.34 km2,146.22 km2,對(duì)應(yīng)ESV 增加0.02,1.24,5.99億元,耕地面積減少1 082.72 km2,ESV 減少1.97億元,表明地方應(yīng)該統(tǒng)籌規(guī)劃“三區(qū)三線”,堅(jiān)守生態(tài)保護(hù)紅線、永久基本農(nóng)田紅線和城鎮(zhèn)開發(fā)邊界,繼續(xù)加強(qiáng)喀斯特關(guān)鍵帶石漠化綜合治理與修復(fù),提高山地森林覆蓋率,減少水土流失。山江海耦合關(guān)鍵帶ESV從空間上呈現(xiàn)從西北向東南降低的變化趨勢(shì),此研究結(jié)果與其他學(xué)者研究結(jié)果相似[32],說(shuō)明在喀斯特、流域和海岸帶關(guān)鍵帶中,流域、海岸關(guān)鍵帶海拔較低,地勢(shì)平坦,土地利用開發(fā)強(qiáng)度大,生態(tài)服務(wù)易受人類活動(dòng)干擾。

(2)1990—2020 年,山江海耦合關(guān)鍵帶各項(xiàng)生態(tài)服務(wù)的相互關(guān)系主要以協(xié)同關(guān)系為主,且各項(xiàng)生態(tài)服務(wù)間相互關(guān)系基本穩(wěn)定,表明該地區(qū)各項(xiàng)生態(tài)服務(wù)整體上為協(xié)調(diào)狀態(tài)且保持動(dòng)態(tài)平衡。權(quán)衡高值區(qū)主要分布在山江海耦合關(guān)鍵帶中部及南部地區(qū),這與人類活動(dòng)強(qiáng)度有關(guān),尤其是近些年來(lái),廣西在國(guó)家戰(zhàn)略的支持下,對(duì)北部灣地區(qū)施行大開發(fā),導(dǎo)致沿海地區(qū)土地利用強(qiáng)度大,人口密集,人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響越來(lái)越大,土地鹽漬化、海岸線倒退、海水污染等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題突出;低值區(qū)主要分布在百色市喀斯特山區(qū),這主要由于地方近年來(lái)對(duì)喀斯特石漠化開展綜合性治理,實(shí)行退耕還林、封山育林措施,使林地面積增加,植被覆蓋率增加,從而增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)對(duì)外界的干擾能力。此外,區(qū)內(nèi)食物生產(chǎn)功能ESV 較高,但與其他生態(tài)服務(wù)功能之間主要為權(quán)衡關(guān)系,說(shuō)明該地區(qū)進(jìn)行食物生產(chǎn)活動(dòng)時(shí),人類活動(dòng)的頻繁干擾會(huì)加劇地表水土流失、土地石漠化、化學(xué)污染等環(huán)境問(wèn)題,因此,地方應(yīng)嚴(yán)格把控生產(chǎn)活動(dòng)開發(fā)邊界,注重對(duì)生產(chǎn)地區(qū)的環(huán)境保護(hù)與修復(fù)。本文通過(guò)將喀斯特關(guān)鍵帶、流域關(guān)鍵帶和海岸帶關(guān)鍵帶耦合作為一個(gè)連續(xù)的整體,基于土地利用提供的生態(tài)服務(wù)價(jià)值來(lái)評(píng)估山江海耦合關(guān)鍵帶的生態(tài)服務(wù)現(xiàn)狀及確定各項(xiàng)生態(tài)服務(wù)間的相互關(guān)系,為合理充分利用各地區(qū)優(yōu)勢(shì),打通山區(qū)、流域、海岸帶發(fā)展系統(tǒng)邊界提供理論依據(jù),對(duì)實(shí)現(xiàn)區(qū)域全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。但本文對(duì)于該區(qū)域多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相互影響的驅(qū)動(dòng)機(jī)制仍無(wú)法進(jìn)一步探究,后續(xù)研究還需要通過(guò)其他方法和技術(shù)深入研究。此外,當(dāng)前生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)價(jià)逐漸隨著3S技術(shù)發(fā)展向模型法靠近[33],在后續(xù)研究中,應(yīng)關(guān)注山江海耦合關(guān)鍵帶地表、地下、大氣要素整體的生態(tài)服務(wù)功能,創(chuàng)建一個(gè)更加系統(tǒng)全面的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和模型,準(zhǔn)確評(píng)估山江海耦合關(guān)鍵帶的生態(tài)服務(wù)現(xiàn)狀,量化生態(tài)產(chǎn)品,為決策者做出更具有針對(duì)性的保護(hù)措施和科學(xué)決策提供參考。

4.2 結(jié)論

(1)1990—2020 年山江海耦合關(guān)鍵帶地區(qū)總ESV 從788.55 億元增加到792.30 億元,增幅0.48%,總ESV 為增加后減小再增加再減小的變化趨勢(shì),其中林地、耕地、水域?yàn)榭侲SV 主要貢獻(xiàn)因子,總ESV 變化與林地面積變化有關(guān)。各單項(xiàng)服務(wù)ESV 變化整體上與總ESV 變化趨勢(shì)一致,其中調(diào)節(jié)服務(wù)ESV 貢獻(xiàn)率最大,均占總ESV67%以上,其次是支持服務(wù),占22%以上。2005年供給服務(wù)和調(diào)節(jié)服務(wù)ESV 變化主要與耕地、林地面積變化有關(guān)。

(2)1990—2020年山江海耦合關(guān)鍵帶地區(qū)建設(shè)用地ESV 較低,林地、耕地、水域等地類ESV 較高。ESV 在空間上呈現(xiàn)從西北向東南降低的趨勢(shì),其中較高級(jí)和高級(jí)ESV 主要分布在桂西南喀斯特關(guān)鍵帶的山區(qū)和東南方向的十萬(wàn)大山、六萬(wàn)大山等地區(qū),中級(jí)ESV 主要分布在地勢(shì)低平的丘陵盆地、河流洼地等流域地區(qū),低級(jí)和較低級(jí)ESV 主要分布在人口密集、人類活動(dòng)頻繁、經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的市縣級(jí)地區(qū)以及海岸帶地區(qū)。

(3)1990—2020年山江海耦合關(guān)鍵帶地區(qū)各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相互關(guān)系以協(xié)同關(guān)系為主,約占85.45%,除2000年食物生產(chǎn)與氣候調(diào)節(jié)服務(wù)相互關(guān)系由協(xié)同關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)闄?quán)衡關(guān)系外,其他時(shí)期各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相互保持著動(dòng)態(tài)平衡,不發(fā)生轉(zhuǎn)換,僅作用程度發(fā)生變化;權(quán)衡關(guān)系的高值區(qū)主要分布在山江海耦合關(guān)鍵帶中部及南部地區(qū),低值區(qū)主要分布在百色市喀斯特山區(qū),權(quán)衡值呈現(xiàn)從左江—右江—邕江—南流江等一帶向四周降低的空間分布特征;協(xié)同關(guān)系的低值區(qū)主要分布在人口密集、人類活動(dòng)頻繁、經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的市縣級(jí)城區(qū)及沿海地區(qū)。