基于GIS技術(shù)的常德市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分異研究

胡逸哲 陳立芳 賀倫尊 陳欣林 陳端呂

摘? ? 要：生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是生態(tài)管理的基礎(chǔ)，本文以常德市為例，采用空間自相關(guān)分析方法進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分異關(guān)系研究。結(jié)果表明：在1995—2018年間，常德市土地生態(tài)服務(wù)總價值最高的年份為2018年，達(dá)24 107.3×106元·a-1，較1995年增加了175.323×106元·a-1，最低年份2000年為23 645.1×106元·a-1，較1995年減少了286.873 5×106元·a-1，空間分布以常德西北部的石門縣和西南部的桃源縣較高;研究期內(nèi)土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值空間分布的全局Moran's I指數(shù)均小于0，基本分布在-0.5左右，總體呈較顯著的空間負(fù)相關(guān)，即空間單元屬性值基本呈不相似的值聚集、相似的值分散的空間分布，同時局部自相關(guān)LISA集聚圖顯示土地生態(tài)服務(wù)價值整體空間分布均具有顯著的集聚特征。本文結(jié)果可為深化常德地區(qū)土地利用規(guī)劃管理決策及生態(tài)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展提供支撐。

關(guān)鍵詞：生態(tài)系統(tǒng)服務(wù);空間分異;空間自相關(guān);常德市

中圖分類號：F301.24? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2020.11.007

Spatial Differentiation of Ecosystem Services in Changde City based on GIS

HU Yizhe， CHEN Lifang， HE Lunzun， CHEN Xinlin， CHEN Duanlv

（College of Resource Environment and Tourism，Hunan University of Arts and Science，Changde，Hunan 415000，China）

Abstract： Ecosystem service is the basis of ecological management. Spatial differentiation relationship of ecosystem service was analyzed by using the spatial autocorrelation and taking Changde city as an example， and the results were as followed. In 1995-2018， the total value of land ecological services was highest in 2018， and the value reached 24 107.3×106 RMB·a-1， which increased by 175.323×106 RMB·a-1 compared with 1995， while the total value was lowest in 2000 （23 645.1×106 RMB·a-1）， which decreased by 286.873 5×106 RMB·a-1 compared with 1995. The spatial distribution of land ecosystem service value showed that Shimen County in the northwest and Taoyuan County in the southwest of Changde City were higher than the other areas. During the study period， the global Moran's I index of the spatial distribution of ecosystem service value was less than 0， with the basic distribution around -0.5， showing an obvious spatial negative correlation on the overall spatial distribution. In other words， the attribute values of spatial units basically showed the trends of dissimilar values aggregation and similar values dispersion. Meanwhile， according to the LISA cluster diagram of local autocorrelation， the overall spatial distribution of the land ecological service value in Changde City had a significant clustering characteristic. The results of this paper could provide supports for deepening the land use planning and management decision and the coordinated development of ecological economy in Changde City.

Key words： value of ecosystem service; spatial variation; spatial autocorrelation; Changde City

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)作為人類從生態(tài)系統(tǒng)獲取的所有惠益，是實(shí)現(xiàn)生態(tài)安全的前提和保障[1]。隨著人類活動干擾生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)程度的加深，致使生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能難以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，生態(tài)安全受到極大的威脅[2]，從而進(jìn)一步危及人類自身的福祉[3]。對于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的理解從簡單的靜態(tài)層面衡量其貨幣化的價值，到現(xiàn)在更為看重生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對人類福祉的影響，并朝著兼顧多方利益的綜合評估方向發(fā)展[4-6]。基于Costanza等[7]以及謝高地等[8]對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分類及價值估算方法的研究，國內(nèi)已有較多學(xué)者就土地利用對生態(tài)服務(wù)價值的影響進(jìn)行研究[9-10]，并在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時空格局分異及影響方面取得了較多成果，但也存在一定局限。本文以1995—2018年常德市的各土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值為基礎(chǔ)，通過生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時空分異分析，從空間上辨識構(gòu)成生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)特征，基于空間自相關(guān)分析探究本地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的時空分布格局及其空間集聚性，揭示不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的時空變化規(guī)律，為深化常德地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供決策依據(jù)，進(jìn)一步為其他區(qū)域生態(tài)服務(wù)管理提供借鑒與參考。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

常德市位于湖南省西北部，介于28°23'31″N-30°07'53″N、110°27'33″E-112°17'52″E之間，總面積18 190 km2。常德地貌主要為平原，面積達(dá)6 526.5 km2，占總面積的35.9%，同時山地、丘陵、湖泊、河流兼有，水系較為發(fā)達(dá)。常德氣候四季較為分明，日照充足，春秋氣溫多變，夏暑冬寒，雨量豐沛。常德是長江經(jīng)濟(jì)帶、中部崛起重心地帶、環(huán)洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)圈的重要城市，其區(qū)位在東部沿海地區(qū)產(chǎn)業(yè)向中部、西部轉(zhuǎn)移中有很大的優(yōu)勢，土地利用潛力較大?；诔５率械馁Y源利用與環(huán)境變化的特征，將常德市作為研究區(qū)域有一定的代表性。

1.2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值計算 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括1995年、2000年、2005年、2010年、2015年、2018年洞庭湖區(qū)土地利用圖landsat-TM遙感影像。利用ArcGIS軟件對土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以Costanza等學(xué)者制定的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值計算方法為基礎(chǔ)，根據(jù)彭建等學(xué)者的研究方法[10] 及彭保發(fā)等[11]專家計算出的“常德市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值表”進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值計算，其計算公式為：

式中，ESV代表區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能價值;Aj為j類土地類型面積（hm2）;Eij代表的是j類土地類型的i類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能基準(zhǔn)單價（元·hm2·a-1）。

1.2.2 空間自相關(guān)分析 由于全局自相關(guān)分析難以全面揭示區(qū)域內(nèi)部空間生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的自相關(guān)性，為進(jìn)一步揭示常德市土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值局部空間自相關(guān)變化特征，本文同樣以5 km×5 km的網(wǎng)格為基本單元，應(yīng)用GeoDa軟件計算出Moran's I指數(shù)，結(jié)合常德市土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值Moran散點(diǎn)圖與LISA集聚圖對其進(jìn)行分析，探測生態(tài)服務(wù)價值的空間集聚性。根據(jù)胡其玉等[12]得出空間自相關(guān)的分析方法，在GeoDa中導(dǎo)入相關(guān)數(shù)據(jù)，構(gòu)建空間權(quán)重矩陣，對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值數(shù)據(jù)進(jìn)行空間關(guān)聯(lián)與空間集聚分析，公式為：

式中，xi、 xj的含義是第i、j個空間單元的單位面積生態(tài)服務(wù)價值，x代表其平均值，ωij代表空間權(quán)重矩陣，n代表空間單元的數(shù)量。

LISA 本質(zhì)上是將 Morans I 分解到縣域單元，即可表示為：

LISA集聚圖將區(qū)域相關(guān)類型分為高-高、高-低、低-高、低-低4類，用以描述區(qū)域之間的集聚類型。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值分析

根據(jù)常德市1995—2018年的土地利用類型，可以得出各年份的土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值（表1）以及其空間分布（圖1）。由表1可知，1995—2018年常德市土地生態(tài)服務(wù)價值呈先降低（2000年）后波動增加的趨勢，以2018年最高（較1995年增加了175.323×106元·a-1）而2000年最低（較1995年降低了286.873×106元·a-1），說明近年來常德市積極響應(yīng)黨的號召，貫徹落實(shí)黨的政策，在建設(shè)生態(tài)文明和城市綠地方面取得了很大的成功;各年份均以桃源縣最高，其次是石門縣，而津市市最低。

由圖1可知，1995—2018年常德市土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值在空間分布上均表現(xiàn)為西北部的石門縣和西南部的桃源縣生態(tài)服務(wù)價值較高，其次是中部的市轄區(qū)和南部的漢壽縣;同時該區(qū)域土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值具有顯著的空間異質(zhì)性，城區(qū)及其周圍地區(qū)相對較高而人工干擾少的地區(qū)相對較低，變化幅度較大的地區(qū)主要分布在人口密度大及城市建設(shè)力度大的區(qū)域，其主要原因應(yīng)該是城區(qū)城鎮(zhèn)化水平的提高和建設(shè)用地的大幅增多，表明土地利用變化類型空間分異和區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的差異能夠影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值。

綜合而言，常德市土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值空間分布格局比較穩(wěn)定，但是從各個時間節(jié)點(diǎn)來看，一些地區(qū)仍然發(fā)生了一定程度的變化，如安鄉(xiāng)縣在1995—2000年土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值下降了85.954×106元·a-1，在2000—2005年又回升了104.007×106元·a-1。

2.2 土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值空間自相關(guān)分析

2.2.1 全局自相關(guān) 為了得到常德市土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值空間相關(guān)性的總體趨勢，利用ArcGIS軟件以5 km×5 km的網(wǎng)格為基本單元，生成常德市6期土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值空間分布格局圖（圖2），并以此在GeoDe軟件中計算出不同年期土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值空間分布的全局Moran's I指數(shù)（圖2）。結(jié)果顯示，各年期土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值空間分布的全局Moran's I指數(shù)均小于0，且均在-0.5左右，說明研究期間常德市土地生態(tài)服務(wù)價值整體空間分布呈顯著空間負(fù)相關(guān)，空間單元屬性基本呈現(xiàn)不相似值聚集、相似值分散的空間分布。在時間上也經(jīng)歷了1995—2000年集聚性微弱的降低，再到2005—2018年集聚性又有所回升，并以2018年的集聚性最為顯著的過程。全局Moran's I指數(shù)由2000年的-0.617上升至2005年的-0.573，之后從2010年的-0.545攀升到2018年的-0.483，增長態(tài)勢較為明顯，表明了1998年特大洪水、三峽水庫蓄水運(yùn)行等大事件后土地利用布局的調(diào)整促使著常德市土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值空間分布的集聚性不斷增強(qiáng)。

從2010年前后兩個時段的土地生態(tài)服務(wù)價值空間集聚格局的變化來看，實(shí)際上主要是常德中部地區(qū)的集聚性變化較大，其他地區(qū)的變化則相對較小。2010年之前，該地區(qū)整體集聚性減弱，而2010年之后又再次增強(qiáng)，這也直接影響到了常德市土地生態(tài)服務(wù)價值的整體集聚程度。

2.2.2 局部自相關(guān) Moran散點(diǎn)圖用于研究局部空間的不穩(wěn)定性。從圖2可以看出，常德市土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值散點(diǎn)主要分布在x、y軸的正半軸上，Moran散點(diǎn)圖中一、三象限散點(diǎn)數(shù)之和占每期散點(diǎn)總數(shù)的95%以上，在象限內(nèi)幾乎沒有，表明常德市局部空間的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值呈較明顯的負(fù)相關(guān)，價值接近的格網(wǎng)呈離散的空間分布。就總的變化趨勢而言，象限軸正半軸上的點(diǎn)越來越集聚，意味著生態(tài)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中，由于土地利用分布的優(yōu)化，常德市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的局部同質(zhì)性逐漸增強(qiáng)。

LISA集聚圖可以表現(xiàn)空間單元某種屬性與相鄰空間單元的相互聯(lián)系及其程度。從圖3不難發(fā)現(xiàn)，常德市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的高值區(qū)主要分布在人工干預(yù)較少的地區(qū)，低值區(qū)主要分布在南部、中部的城市化水平較高且建設(shè)用地較集中的地區(qū)。1995—2018年間，土地生態(tài)服務(wù)價值空間集聚的基本形態(tài)基本一致，但局部地區(qū)發(fā)生了較大變化，如常德市市轄區(qū)部分區(qū)域由原來的低—高類型轉(zhuǎn)換為了高—低類型。在城市化的影響下，常德地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的低-高類型區(qū)逐漸增多。土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的高-高異動不大，但是西北部有一部分由高-低類型區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榈?高類型區(qū)。從全局Moran' I指數(shù)可知，2005—2010年常德市地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的整體集聚性有所增強(qiáng)，從LISA圖我們則可以發(fā)現(xiàn)，此現(xiàn)象在石門縣地區(qū)體現(xiàn)較為明顯，期間雖然高值區(qū)向西北方向有所延伸，但高值區(qū)的整體集聚性效果則明顯減弱。另外，高值區(qū)在東部地區(qū)的集聚形態(tài)基本上變化不大，說明該地區(qū)在本時間段空間分布較為穩(wěn)定。總體來看，常德市局部空間主要表現(xiàn)為“高-高”集聚和“低-高”集聚，反映了區(qū)域空間的負(fù)相關(guān)性，也體現(xiàn)了空間的集聚與相似性。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié) 論

本文基于ArcGIS軟件平臺，得到1995—2018年常德市土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，再通過空間自相關(guān)分析探討常德市土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的時空分異規(guī)律，得出如下結(jié)論：（1）從時空分異特征來看，常德市土地生態(tài)服務(wù)價值空間分布的基本格局比較穩(wěn)定，以常德西北部的石門縣和西南部的桃源縣較高，研究期間其總價值雖略有起伏，但總體呈波動上升趨勢;（2）從土地生態(tài)服務(wù)價值空間集聚性特征來看，1995—2000年集聚性微弱的降低，2005—2018年集聚性略有回升，其中變化較大的區(qū)域主要集中在中部和西北部，這與當(dāng)?shù)赝恋乩貌季值膬?yōu)化有密不可分的關(guān)系。

3.2 討 論

由于人們對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的偏好和需求，產(chǎn)生了土地利用空間布局優(yōu)化問題，從而對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)管理有了更高的要求。正確認(rèn)識生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與生態(tài)建設(shè)的關(guān)系，對于發(fā)展生態(tài)建設(shè)有著指導(dǎo)性的意義。本文通過對常德市的土地生態(tài)服務(wù)價值時空分異規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn)：研究區(qū)在城市化的過程中，由于土地利用類型布局的調(diào)整，土地生態(tài)服務(wù)價值上升，同時，區(qū)域集聚性也有所增加，這與城市化進(jìn)程的加速有密不可分的聯(lián)系。從單個年度的常德市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值來看，空間格局基本呈現(xiàn)西高東低的總體趨勢，與彭保發(fā)等[11]研究結(jié)論一致。本文運(yùn)用了空間自相關(guān)的分析方法，分析了1995—2018年期間的空間分異特征，在區(qū)域關(guān)系方面進(jìn)行了較為深入的探索，但是由于采用LUCC分類標(biāo)準(zhǔn)沒有進(jìn)一步的類型細(xì)化，估算結(jié)果略顯粗糙，因此生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評價的準(zhǔn)確性是進(jìn)一步研究的重要工作，同時對于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的時空分布規(guī)律以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的空間集聚性影響成因尚有待于深入研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳健生，岳新欣，秦維.基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值重構(gòu)的生態(tài)安全格局構(gòu)建——以重慶兩江新區(qū)為例[J].地理研究，2017，36（3）：429-440.

[2]景永才，陳利頂，孫然好.基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需的城市群生態(tài)安全格局構(gòu)建框架[J].生態(tài)學(xué)報，2018，38（12）：4121-4131.

[3]孫藝杰，任志遠(yuǎn)，趙勝男.關(guān)中盆地生態(tài)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同時空差異[J].資源科學(xué)，2016，38（11）：2127-2136.

[4]李雙成，王玨，朱文博，等.基于空間與區(qū)域視角的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)地理學(xué)框架[J].地理學(xué)報，2014，69（11）：1628-1639.

[5]DE GROOT R S， WILSON M A， BOUMANS R M J. A typology for the classification， description and valuation of ecosystem functions， goods and services[J].Ecological economics， 2002， 41（3）： 393-408.

[6]POSTHUMUS H， ROUQUETTE J R， MORRIS J， et al. A framework for the assessment of ecosystem goods and services; a case study on lowland floodplains in England[J].Ecological economics， 2010， 69（7）： 1510-1523.

[7]COSTANZA R， D'ARGE R， DE GROOT R， et al. The value of the world's ecosystem services and natural capital[J]. Nature， 1997， 387： 253-260.

[8]謝高地，張彩霞，張雷明，等.基于單位面積價值當(dāng)量因子的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值化方法改進(jìn)[J].自然資源學(xué)報，2015，30（8）：1243-1254.

[9]李晶，任志遠(yuǎn).陜北黃土高原土地利用生態(tài)服務(wù)價值時空研究[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2006（12）：2538-2544.

[10]彭建，王仰麟，張?jiān)矗?滇西北生態(tài)脆弱區(qū)土地利用變化及其生態(tài)效應(yīng)——以云南省永勝縣為例[J].地理學(xué)報，2004（4）：629-638.

[11]彭保發(fā)，陳端呂.常德市土地覆被的生態(tài)服務(wù)價值空間變異分析[J].經(jīng)濟(jì)地理，到，2012，32（1）：141-145.

[12]胡其玉，陳松林.廈漳泉地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時空分布格局演變[J].水土保持研究，2019，26（5）：334-339.