鹽城海岸帶生態(tài)系統(tǒng)服務價值時空分異

劉玉卿，張華兵，張云峰

（鹽城師范學院 城市與規(guī)劃學院，江蘇 鹽城 224007）

生態(tài)系統(tǒng)服務是指自然生態(tài)系統(tǒng)為人類提供的多種直接和間接的生態(tài)服務和無形的生態(tài)效益［1］。當前人類活動的足跡幾乎遍及各大自然生態(tài)系統(tǒng)，全球近乎60%的生態(tài)系統(tǒng)服務已經(jīng)或正在經(jīng)歷著退化，生態(tài)系統(tǒng)服務功能也隨之發(fā)生變化［2］。自COSTANZA等［1］進行全球生態(tài)系統(tǒng)服務價值（ecosystem service value，ESV）評估后，ESV研究引起了國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注，并成為了可持續(xù)發(fā)展研究的熱點之一。眾多學者［3-9］對森林、草地、濕地、城市等不同生態(tài)系統(tǒng)的ESV進行了研究，尺度涉及國家、省域、市縣及鄉(xiāng)鎮(zhèn)單元，為ESV評估、生態(tài)環(huán)境修復等提供了豐碩的科學支持。當前關(guān)于區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務價值的研究多以土地利用類型或行政區(qū)域作為基本的分析單元，難以深入揭示生態(tài)系統(tǒng)服務價值的空間差異。鹽城海岸帶濕地是中國沿海地區(qū)最大的海岸濕地，擁有鹽城珍禽自然保護區(qū)和麋鹿Elaphurus davidianus自然保護區(qū)，其提供的生態(tài)系統(tǒng)服務對維持區(qū)域生物多樣性和改善人類福祉具有重要意義。長期以來，人類不斷增強的圍墾活動使研究區(qū)灘涂濕地承受了巨大壓力，濕地生態(tài)系統(tǒng)服務功能受損，丹頂鶴Grus japonensis等珍稀鳥禽的生境遭受嚴重破壞［10］。當前關(guān)于鹽城沿海濕地ESV的研究沒有充分反映出區(qū)域ESV時空動態(tài)及內(nèi)部差異性，并且缺乏從空間統(tǒng)計與分析角度研究ESV時空演化的特征［11-13］。因此，本研究以鹽城海岸帶為例，基于3 km×3 km格網(wǎng)尺度對研究區(qū)1997-2014年的ESV進行了估算，并結(jié)合空間自相關(guān)方法探討了ESV的時空分布特征，以期為生態(tài)系統(tǒng)服務估算、濕地生態(tài)修復及生態(tài)補償?shù)忍峁┛茖W依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

鹽城海岸帶（32°34′～34°28′N， 119°27′～121°16′E）位于江蘇省東部沿海， 面積約 45 萬 hm2， 擁有中國面積最大的沿海濕地。一般以蘇北灌溉總渠為界，渠北為南暖溫帶氣候帶，渠南側(cè)為北亞熱帶氣候帶［14］。本研究范圍北至蘇北灌溉總渠，南至北凌河口，西至鹽城老海堤（江蘇226省道），東至海水-3 m等深線的鹽城濱海濕地地區(qū)。研究區(qū)總面積約3 523 km2［15］，年平均氣溫為14℃，年降水量為900～1 100 mm。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

以研究區(qū)1997，2007與2014年3期Landsat TM/ETM+影像為數(shù)據(jù)源，利用ENVI4.7提取研究區(qū)景觀類型信息。區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)類型多樣，包括自然生態(tài)系統(tǒng)和人工生態(tài)系統(tǒng)。其中河流、蘆葦Phragmites australis沼澤、堿蓬Suaeda salsa沼澤、互花米草Spartina alterniflora沼澤及光灘為自然生態(tài)系統(tǒng)，農(nóng)田、鹽田、養(yǎng)殖池與城鎮(zhèn)用地為人工生態(tài)系統(tǒng)。按照研究需要并結(jié)合國際濕地公約對濕地的分類［16］，將研究區(qū)景觀類型劃分為耕地、養(yǎng)殖池、蘆葦沼澤、互花米草沼澤、堿蓬沼澤、光灘、建設(shè)用地、鹽田與河流共9類。本研究采用非監(jiān)督分類和人工目視解譯相結(jié)合的方式解譯影像，以地面調(diào)查的信息對分類結(jié)果進行驗證，解譯精度均在90%以上。最終生成研究區(qū)1997，2007與2014年3期景觀分類圖，提取研究區(qū)各景觀類型的屬性信息用于后續(xù)分析（圖1）。

2 研究方法

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務價值估算

圖1 鹽城海岸帶景觀類型示意圖Figure 1 Landscape map in Yancheng coastal zone

參考謝高地等［17］改進的單位ESV系數(shù)并根據(jù)鹽城海岸帶的實際情況，將研究區(qū)不同景觀類型與最接近的生態(tài)系統(tǒng)類型聯(lián)系起來，具體為將養(yǎng)殖池當量因子與水域相對應，蘆葦沼澤、堿蓬沼澤、互花米草沼澤的當量因子均取濕地服務功能的當量因子，光灘當量因子與荒漠相對應。同時，參照謝高地等［17］和索安寧等［18］的研究成果，調(diào)整和確定研究區(qū)各生態(tài)系統(tǒng)類型的當量因子。其中，建設(shè)用地的氣候調(diào)節(jié)和氣體調(diào)節(jié)功能參照荒漠的相應功能，其文化娛樂功能設(shè)定為與森林的文化娛樂功能對應，其他生態(tài)功能設(shè)為0。養(yǎng)殖池的食物生產(chǎn)、氣候及氣體調(diào)節(jié)功能參照水域相應的生態(tài)功能，娛樂文化功能參照農(nóng)田，其他生態(tài)功能取0。基于研究區(qū)1997，2007及2014年小麥Triticum aestivum，玉米Zea mays和大麥Hordeum vulgare的平均產(chǎn)量（7 353 kg·hm-2）和多年糧食平均價格，計算研究區(qū)單位面積農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)提供食物生產(chǎn)的經(jīng)濟價值為2 654.08元·hm-2·a-1。鹽田主要提供原材料功能，計算得出鹽田的原材料提供功能為7 920元·hm-2·a-1。最終確定研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)單位面積價值見表1。

表1 鹽城海岸帶單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值Table 1 Ecosystem service value unit area of different ecosystem type in Yancheng coastal zone

以土地利用類型或行政區(qū)域作為ESV評價單元的研究，難以深入揭示ESV的空間差異。本研究采用格網(wǎng)單元進行ESV評價，其計算公式如下：

式（1）中：VESk是第k個格網(wǎng)的ESV指數(shù)；Ak為第k個格網(wǎng)的面積；Aki為第k個格網(wǎng)第i種景觀類型的面積；Ei為第i種景觀類型的生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)；n為格網(wǎng)中景觀類型的數(shù)量。

2.2 空間自相關(guān)分析

空間自相關(guān)分析是研究ESV空間分布特征的常用方法，可判別ESV各觀測值之間的空間相關(guān)程度。Moran’s指數(shù)是進行空間自相關(guān)分析最常見的方法之一， 選取全局 Moran’s指數(shù)［19］和局部 Moran’s指數(shù)［20］進行分析。前者可揭示ESV在整個研究區(qū)范圍內(nèi)的空間關(guān)聯(lián)程度，后者可描述不同空間位置上ESV可能存在的空間關(guān)聯(lián)模式。全局Moran’s指數(shù)（I）和局部Moran’s指數(shù)（Ii）計算公式如下：

式（2）和式（3）中：I為全局Moran’s指數(shù)；Ii為局部Moran’s指數(shù)；n為參與分析的研究區(qū)格網(wǎng)單元數(shù)；i，j為相鄰的格網(wǎng)；xi，xj為變量x（ESV）在相鄰格網(wǎng)中的取值為空間權(quán)重矩陣是變量的平均值。

2.3 敏感性分析

式（4）中：VESb為系數(shù)調(diào)整前的ESV；CVb為調(diào)整前的ESV系數(shù)；VESa為調(diào)整系數(shù)后的ESV；CVa為調(diào)整后的ESV系數(shù)；Cs為敏感性系數(shù)，Cs＞1表明ESV的估算結(jié)果可信度低，Cs＜1表明研究結(jié)果是可信的。

采用敏感性指數(shù)分析ESV對ESV系數(shù)的敏感程度［21］。計算公式如下：

3 結(jié)果與分析

3.1 鹽城海岸帶不同景觀類型ESV分析

從表2看出：鹽城海岸帶1997，2007和2014年的ESV分別為134.33億元，117.72億元和97.13億元。ESV在1997-2014年呈不斷下降趨勢，主要原因是研究區(qū)自然濕地蘆葦沼澤、堿蓬沼澤、河流面積的減少，三者的單位生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)較高，使得ESV總量減少。耕地、養(yǎng)殖池、鹽田ESV增加在一定程度上抵消了ESV總量的損失。從ESV具體構(gòu)成來看，研究區(qū)耕地、蘆葦沼澤、互花米草沼澤ESV占ESV總量的比例較高，3種景觀類型的ESV占比超過60%，是研究區(qū)主要的景觀類型。光灘、建設(shè)用地、鹽田對研究區(qū)ESV的貢獻相對較小。堿蓬沼澤ESV在研究期間表現(xiàn)出顯著下降的變化趨勢，人類圍墾和互花米草的擴張引起堿蓬生境的減少，最終導致其提供生態(tài)系統(tǒng)服務的功能受損。研究期間由于經(jīng)濟利益的驅(qū)使，養(yǎng)殖池面積不斷擴張，雖然其提供ESV的貢獻不斷增加，由1997年的2.71%上升至2014年的9.27%，其擴張也對研究區(qū)自然濕地造成了嚴重破壞，威脅到丹頂鶴等珍稀鳥禽的生存生境。河流提供的ESV在研究期間有先增加后下降的趨勢。

表2 鹽城海岸帶1997-2014年不同景觀類型ESVTable 2 ESV of different landscape types in Yancheng coastal zone from 1997 to 2014

3.2 鹽城海岸帶格網(wǎng)單元不同等級ESV時序分析

根據(jù)研究需要和景觀斑塊面積的大小確定格網(wǎng)尺寸［22］，采用3 km×3 km作為格網(wǎng)尺度ESV分析的基本單元，共采集研究區(qū)507個格網(wǎng)?；贏rc GIS并依據(jù)式（1）計算每個格網(wǎng)的ESV指數(shù)，作為格網(wǎng)中心點的ESV。采用標準差分級法將不同格網(wǎng)的ESV劃分為5級：低區(qū)（VESk≤796.67萬元）、較低區(qū)（796.67萬元＜VESk≤3 014.78萬元）、中區(qū)（3 014.78萬元＜VESk≤5 238.92萬元）、 較高區(qū)（5 238.92萬元＜VESk≤7 463.04萬元）和高區(qū)（VESk＞7 463.04萬元），并據(jù)此統(tǒng)計研究區(qū)3個時期不同等級ESV分布情況（表3）。從表3看出：研究區(qū)在1997-2014年ESV高區(qū)分布面積顯著減少，其面積由1997年的467.9 km2下降到2014年的179.99 km2；較高區(qū)分布面積也呈不斷減少的趨勢，從1997年的151.86 km2減少至98.96 km2；中區(qū)面積變化不大，但也呈減少趨勢；較低區(qū)的面積表現(xiàn)出逐漸擴大的格局，由1997年的1 986.94 km2上升到2014年的2 626.85 km2，其占ESV的比例相應地由1997年的56.38%增加到2014年的74.54%，格網(wǎng)數(shù)由1997年的242個增加到2014年的314個。

表3 鹽城海岸帶1997-2014年不同等級ESV統(tǒng)計Table 3 ESV level in Yancheng coastal zone from 1997 to 2014

3.3 鹽城海岸帶1997-2014年格網(wǎng)尺度ESV空間變化分析

結(jié)合表3和圖2可看出：研究區(qū)1997-2014年的ESV在空間上發(fā)生了顯著變化。研究區(qū)ESV高區(qū)和ESV較高區(qū)主要分布在珍禽國家級自然保護區(qū)和麋鹿自然保護區(qū)及其鄰近區(qū)域，且ESV高區(qū)有逐漸減少的趨勢，印證了保護區(qū)受到人為因素影響后面積和空間范圍縮小的狀況。研究區(qū)內(nèi)ESV較高區(qū)空間分布呈先擴大后減少的現(xiàn)象，ESV中區(qū)分布較為零散。ESV低區(qū)和ESV較低區(qū)是分布范圍最廣的類型，從陸地一側(cè)到光灘都有分布。其中，ESV較低區(qū)在空間分布上表現(xiàn)出逐漸擴大的趨勢。

圖2 鹽城海岸帶1997-2014年ESV等級空間分布示意圖Figure 2 Spatial pattern of ESV level in Yancheng coastal zone from 1997 to 2014

3.4 ESV空間自相關(guān)分析

3.4.1 ESV全局自相關(guān)分析 經(jīng)計算，1997，2007和2014年研究區(qū)ESV的全局Moran’s指數(shù)I分別為0.660 8，0.632 2和0.620 9（表4），且均為正值，表明ESV的空間分布存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，相鄰格網(wǎng)單元空間ESV呈高度相似性和集聚分布現(xiàn)象。Z檢驗結(jié)果顯著，3個時期全局Moran’s指數(shù)I的顯著性水平均小于0.05。然而，研究區(qū)ESV在1997-2014年的空間集聚分布總體上呈不斷下降趨勢，表明研究區(qū)ESV空間集聚有逐漸減弱的趨向，各土地利用類型趨于破碎化。

3.4.2 ESV局部空間自相關(guān)分析 全局自相關(guān)指數(shù)只能從整體上判定ESV空間集聚情況，難以測度相鄰格網(wǎng)之間ESV聚集位置和空間相關(guān)程度。因此，采用局部自相關(guān)指數(shù)Ii，測算了研究區(qū)507個格網(wǎng)在不同時段的ESV局部空間自相關(guān)格局（圖3），統(tǒng)計不同時段ESV局部自相關(guān)的格網(wǎng)數(shù)（表5）。結(jié)合圖3和表5可看出：研究區(qū)高—高集聚的區(qū)域主要位于研究區(qū)的珍禽國家級自然保護區(qū)和大豐麋鹿自然保護區(qū)及其周邊區(qū)域。隨著灘涂圍墾、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和工業(yè)開發(fā)的不斷加強，ESV高—高集聚的區(qū)域范圍不斷縮小，代表的格網(wǎng)數(shù)從1997年的79個下降到2014年的38個，下降幅度達51.90%。研究區(qū)ESV低—低集聚的區(qū)域主要分布于光灘，低—低集聚的空間范圍也在不斷縮減，由1997年的45個格網(wǎng)減少至2014年的24個格網(wǎng)。研究區(qū)存在低—高集聚的空間區(qū)域，主要位于保護區(qū)周邊，由不同的土地利用方式造成，當前保護區(qū)周邊的土地利用方式為農(nóng)業(yè)用地，其ESV價值遠低于保護區(qū)景觀類型ESV的價值。同時，研究區(qū)存在較多集聚性不顯著的格網(wǎng)，其數(shù)量從1997年的371個增加到2014年的431個。

表4 鹽城海岸帶1997-2014年ESV全局自相關(guān)指數(shù)Table 4 Global autocorrelation index of ESV in Yancheng coastal zone from 1997 to 2014

圖3 鹽城海岸帶1997-2014年ESV局部空間自相關(guān)格局示意圖Figure 3 Local spatial autocorrelation of ESV in Yancheng coastal zone from 1997 to 2014

表5 1997-2014年鹽城海岸帶格網(wǎng)尺度ESV局部空間自相關(guān)Table 5 Local spatial autocorrelation of ESV at grid scale in Yancheng coastal zone from 1997 to 2014

3.5 敏感性分析

采用敏感性指數(shù)Cs來確定ESV隨時間變化情況對價值系數(shù)的依賴程度。本研究將各景觀類型的價值系數(shù)上下分別調(diào)整50%來驗證ESV的變化狀況。表6表明：研究區(qū)在1997-2014年調(diào)整價值系數(shù)后的Cs＜1?？梢姡珽SV對ESV價值系數(shù)變化缺乏彈性，研究結(jié)果可信。

表6 鹽城海岸帶1997-2014年ESV對價值系數(shù)的敏感程度Table 6 Sensitivity of ESV to value coefficients in Yancheng coastal zone from 1997 to 2014

4 結(jié)論與討論

4.1 討論

研究區(qū)在研究期間景觀格局發(fā)生了顯著變化，主要體現(xiàn)在自然濕地向人工濕地的轉(zhuǎn)變，ESV總體上呈不斷下降的趨勢。這與相關(guān)學者的研究成果基本一致［11-12］。ESV評價受諸多主觀因素的影響，如研究時段、研究方法、ESV價值系數(shù)修正的差異等，使得生態(tài)系統(tǒng)服務價值估算的絕對值存在一定的差異。本研究估算的ESV值高于邢偉等［11］的結(jié)果，低于周鑫等［12］的估算，但ESV的變化趨勢是相近的。因此，本研究的ESV評估仍需進一步改進與完善。首先要加強ESV評估的規(guī)范性。雖然本研究ESV估算中對濕地生態(tài)系統(tǒng)類型進行了細分，但未區(qū)分互花米草、蘆葦及堿蓬沼澤ESV價值系數(shù)的差異。近年來互花米草的負面生態(tài)影響得到了廣泛的認可［23-24］，本研究未對其生態(tài)入侵的危害作深入分析。后續(xù)研究要采用更科學的方法對不同濕地景觀類型的ESV系數(shù)進行修訂，還應考慮當?shù)鼐用駥ι鷳B(tài)系統(tǒng)服務的支付意愿、支付能力和社會經(jīng)濟發(fā)展水平的差異。其次，本研究僅對鹽城海岸帶濕地生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行了估算，暫未考慮海洋生態(tài)系統(tǒng)。因此核算海洋生態(tài)系統(tǒng)ESV是下一步的研究方向。王靜等［25］和李占玲等［26］研究表明：圍墾前后生態(tài)系統(tǒng)服務總的價值相差不大，但圍墾在增加供給服務的同時引起調(diào)節(jié)服務的較大損失。本研究也表明：不同生態(tài)系統(tǒng)類型的此消彼長引起ESV的時空變化，如何權(quán)衡與協(xié)同研究區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)服務之間的相互關(guān)系，尤其是供給服務與調(diào)節(jié)服務的關(guān)系，實現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)保護的 “雙贏”局面是今后的研究方向之一。

4.2 結(jié)論

從時間上看，鹽城海岸帶在1997，2007和2014年的ESV分別為134.33億元，117.72億元和97.13億元，總體上呈持續(xù)下降的趨勢。研究期間蘆葦沼澤、堿蓬沼澤、河流等自然濕地面積持續(xù)減少，耕地、養(yǎng)殖池等人工濕地持續(xù)增加，對研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境造成了巨大壓力，同時引起ESV的顯著變化。敏感性分析得出：不同時期ESV的敏感性系數(shù)均小于1，表明本研究結(jié)果可信，可為研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值的精細化估算、濕地生態(tài)修復及濕地補償?shù)忍峁┛茖W參考。

從空間分布來看，鹽城海岸帶的ESV在空間上發(fā)生了顯著變化。ESV高區(qū)面積和空間分布顯著減少，ESV較低區(qū)空間分布和面積表現(xiàn)出逐漸擴大的趨勢。自相關(guān)分析得出鹽城沿海濕地的ESV在空間上具有一定的集聚分布特征。高—高ESV集聚區(qū)主要位于研究區(qū)兩大自然保護區(qū)及其周邊區(qū)域，低—低ESV集聚區(qū)主要分布在光灘，且隨著圍墾活動的不斷加強，低—低ESV集聚區(qū)域也存在不斷縮小的趨勢。表明當?shù)厝祟惢顒訉坝^類型利用方式的影響最終影響ESV的供給和分布格局。