管新建,石悸鋒,孟 鈺,符育文
(鄭州大學(xué)水利與交通學(xué)院,河南鄭州 450001)
生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能是指生態(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[1]。 城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)導(dǎo)致區(qū)域氣候、生物多樣性、生態(tài)循環(huán)過程等發(fā)生了巨大變化,并引發(fā)了水土流失、土壤污染、動植物數(shù)量急劇減少等生態(tài)環(huán)境問題。近年來許多學(xué)者對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值開展了廣泛研究,包括全球、國家、流域及地區(qū)等尺度[2-4]。 國內(nèi)大多采用當(dāng)量因子法計算整個復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的價值[5-7],忽略了地區(qū)間的差異,以及采用經(jīng)濟(jì)學(xué)方法對單個類型生態(tài)系統(tǒng)[8-10]的單項[11-12]或多項[13]生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值進(jìn)行量化評估,對區(qū)域整體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值的評估較少。 開展區(qū)域整體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值研究能夠有效提高人們保護(hù)環(huán)境的意識,并且可以為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)管理提供理論依據(jù),推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)。
空間自相關(guān)分析方法作為進(jìn)行地理分析的常用方法,主要用于城市發(fā)展、規(guī)劃和管理影響的定性評價,評價水資源的空間分布特征以及區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)脆弱性分布和聚集特征等[14-15]。 采用空間自相關(guān)分析方法研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值的空間分布特征,分析其空間相關(guān)性和聚合特征,可以為管理者提供決策依據(jù)。
洛陽市位于河南省西部,地處華北地臺與秦嶺褶皺系交界處,橫跨兩個一級大地構(gòu)造單元,由此決定了洛陽市地形、地貌復(fù)雜,類型多樣。 洛陽市面積15 066 km2,轄7 縣(新安縣、宜陽縣、伊川縣、汝陽縣、嵩縣、欒川縣、洛寧縣)、7 區(qū)(澗西區(qū)、西工區(qū)、老城區(qū)、洛龍區(qū)、孟津區(qū)、偃師區(qū)、瀍河區(qū)),總?cè)丝?17 萬人,氣候?qū)儆谂瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候。 洛陽市具有較為豐富的森林資源,高等植物種類繁多,森林覆蓋率達(dá)47%,主要集中在西部和西南部地區(qū)。 洛陽市水資源豐富,北部有黃河流域,洛河、伊河、澗河由西南向東北在市區(qū)交匯,還有陸渾水庫和故縣水庫等。 本文研究時間為2019 年,因此行政區(qū)劃采用2019 年的行政區(qū)劃,其中偃師市為現(xiàn)在的偃師區(qū),現(xiàn)在的孟津區(qū)由原孟津縣和吉利區(qū)合并而成,同時考慮到澗西區(qū)、西工區(qū)、老城區(qū)、瀍河區(qū)面積較小且位置集中,均為洛陽市核心發(fā)展區(qū)域,因此并為主城區(qū)進(jìn)行研究。
1)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能分類。 目前生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能分類大多采用聯(lián)合國千年生態(tài)系統(tǒng)評估中提出的分類方法,將其分為供給、調(diào)節(jié)、支撐及文化功能四大類。 根據(jù)該分類方法,結(jié)合不同生態(tài)系統(tǒng)的差異性,辨識森林、草地、水域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類別,見圖1(圖中√表示具備該類生態(tài)服務(wù))。 供給功能指生態(tài)系統(tǒng)直接為人類生活及生產(chǎn)提供各種產(chǎn)品及資源。 森林能夠為人類提供木材、食物及藥材等,草地能夠為人類提供肉、蛋、奶等食物,水域在提供魚類產(chǎn)品的同時為人類生活、生產(chǎn)提供淡水資源等,因此選取產(chǎn)品提供、水資源供給等指標(biāo)評價生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給功能的價值。 調(diào)節(jié)功能指人類從生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用發(fā)揮過程中獲得的收益。 空氣質(zhì)量調(diào)節(jié)即森林、草地生態(tài)系統(tǒng)通過吸收空氣中的污染物等調(diào)節(jié)空氣質(zhì)量;氣體調(diào)節(jié)指植物通過光合作用固定CO2、釋放O2;水分調(diào)節(jié)指森林和草地通過植被截流等減小徑流量、蓄積水分;水域生態(tài)系統(tǒng)通過水庫及河道等進(jìn)行水量調(diào)蓄,同時通過水體自凈作用改善水質(zhì);氣候調(diào)節(jié)指水域生態(tài)系統(tǒng)通過水面蒸發(fā)吸收熱量,起到區(qū)域調(diào)溫增濕的作用;廢棄物降解指草地等生態(tài)系統(tǒng)中微生物分解家畜糞便等釋放營養(yǎng)物質(zhì)。 因此,選取凈化空氣、固碳釋氧、涵養(yǎng)水源、水資源調(diào)蓄、水質(zhì)凈化、氣候調(diào)節(jié)、廢棄物降解等指標(biāo)評價生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)調(diào)節(jié)功能的價值。 支撐功能指生態(tài)系統(tǒng)所形成的支撐發(fā)展的條件與效用。 土壤形成即森林和草地生態(tài)系統(tǒng)通過植被覆蓋減少土壤侵蝕、保持土壤肥力;初級生產(chǎn)指陸生及水生植物通過光合作用吸收CO2并制造有機(jī)物的能力,因與固碳釋氧指標(biāo)重復(fù)而舍棄該指標(biāo);營養(yǎng)循環(huán)即生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部與系統(tǒng)之間循環(huán)、運(yùn)輸、積累營養(yǎng)物質(zhì);生活質(zhì)量改善指水域生態(tài)系統(tǒng)為城市生態(tài)環(huán)境如綠地、園林、噴泉等基礎(chǔ)建設(shè)提供水源,從而維持并改善城市生態(tài)環(huán)境和人們生活質(zhì)量的作用。 因此,選取土壤保持、營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)、生活質(zhì)量改善等指標(biāo)評價生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)支撐功能的價值。文化功能指生態(tài)系統(tǒng)的美學(xué)、文化和教育等方面的非物質(zhì)效益,常選取科學(xué)研究、休閑娛樂功能等指標(biāo)評價生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)文化功能的價值。
圖1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)辨識
2)評價指標(biāo)與量化方法。 綜合考慮生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型、功能特征、數(shù)據(jù)的可獲取性等因素,選取森林生態(tài)系統(tǒng)供給功能(林業(yè)產(chǎn)品提供)、調(diào)節(jié)功能(涵養(yǎng)水源、固碳釋氧、凈化空氣)、支撐功能(土壤保持、營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán))、文化功能(休閑娛樂)7 項功能指標(biāo),草地生態(tài)系統(tǒng)供給功能(牧業(yè)產(chǎn)品提供)、調(diào)節(jié)功能(涵養(yǎng)水源、凈化空氣、固碳釋氧、廢棄物降解)、支撐功能(土壤保持、營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán))、文化功能(休閑娛樂)8項功能指標(biāo),水域生態(tài)系統(tǒng)供給功能(水產(chǎn)品提供、水資源供給)、調(diào)節(jié)功能(氣候調(diào)節(jié)、水資源調(diào)蓄、水質(zhì)凈化、固碳釋氧)、支撐功能(營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)、生活質(zhì)量改善)、文化功能(科學(xué)研究、休閑娛樂)10 項功能指標(biāo),采用經(jīng)濟(jì)學(xué)方法對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值進(jìn)行量化分析,其指標(biāo)計算方法見表1。
表1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值計算方法[8,10,16-17]
空間自相關(guān)分為全局空間自相關(guān)和局部空間自相關(guān),全局空間自相關(guān)可以探究整個研究區(qū)域變量之間的相關(guān)性,局部空間自相關(guān)可以研究某一區(qū)域與鄰近區(qū)域?qū)δ硨傩灾档募鄢潭?,檢驗局部區(qū)域的空間關(guān)聯(lián)性和空間異質(zhì)性。 當(dāng)全局空間自相關(guān)分析結(jié)果呈現(xiàn)出較強(qiáng)的空間正相關(guān)時,可以進(jìn)一步進(jìn)行局部空間自相關(guān)分析。 單變量空間自相關(guān)分析描述的是空間某一要素同一指標(biāo)的空間關(guān)系,雙變量空間自相關(guān)分析描述的是某一要素的一個屬性與另一個屬性的空間關(guān)系[18]。
一般采用Moran’s I 指數(shù)(莫蘭指數(shù))來描述空間相關(guān)性,單變量莫蘭指數(shù)包括單變量全局莫蘭指數(shù)和單變量局部莫蘭指數(shù),計算公式為
式中:I、Ii分別為單變量全局莫蘭指數(shù)和單變量局部莫蘭指數(shù),Ui、Uj分別為空間單元i、j變量的觀測值,UM為Ui的均值,S為Ui的協(xié)方差,n為研究對象的數(shù)量,wi,j為研究對象之間的空間連接矩陣W中的元素。
雙變量莫蘭指數(shù)包括雙變量全局莫蘭指數(shù)和雙變量局部莫蘭指數(shù)。 雙變量全局莫蘭指數(shù)計算公式[19]:
式中:Id為雙變量全局莫蘭指數(shù),pi、qj分別為空間單元i、j的變量p、q的觀測值,pp、qq分別為觀測值pi、qj的均值,σp、σq分別為觀測值pi、qj的方差,w'i,j為pi、qj之間的空間連接矩陣W'中的元素。
然而,在大多數(shù)情況下,這種強(qiáng)硬的策略可能并不是必要的。在一些國家,自由選擇和自由投票的表象可能仍然存在,甚至公眾所受的實(shí)際控制越來越少。誠然,操縱選民情緒的企圖并不新鮮。但是,一旦有人獲得了操控人類內(nèi)心的技術(shù)能力,民主政治就會演變成一場情緒化的木偶劇。
莫蘭指數(shù)大于0 表示空間正相關(guān),值越大,空間相關(guān)性越明顯;莫蘭指數(shù)小于0 表示空間負(fù)相關(guān),值越小,空間差異性越大;莫蘭指數(shù)等于0 表示空間不相關(guān),呈現(xiàn)隨機(jī)性。 當(dāng)呈現(xiàn)較強(qiáng)的正相關(guān)性時可以進(jìn)一步分析其集聚特征,通常采用LISA 指數(shù)即局部莫蘭指數(shù)來衡量空間單元屬性和周圍單元的相近和相異程度,通過繪制LISA 聚類圖可以更加清晰表明各研究對象的聚類特征,主要有高-高、高-低、低-高、低-低、不顯著幾種情況,根據(jù)其不同聚類特征對空間內(nèi)各單元進(jìn)行分析。
1)森林生態(tài)系統(tǒng)。 根據(jù)各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值計算方法,計算2019 年洛陽市森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值,結(jié)果見表2。 2019 年洛陽市森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值為419.79 億元,各指標(biāo)價值排序為固碳釋氧>涵養(yǎng)水源>土壤保持>凈化空氣>產(chǎn)品供給>營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)>休閑娛樂。 供給功能、調(diào)節(jié)功能、支撐功能、文化功能價值占比分別為3.94%、80.24%、15.54%、0.28%。 調(diào)節(jié)功能價值遠(yuǎn)高于其他功能的,其中固碳釋氧和涵養(yǎng)水源的貢獻(xiàn)較為突出,表明森林對區(qū)域氣體調(diào)節(jié)以及水資源調(diào)節(jié)具有重要作用。 文化功能價值占比較低,說明森林生態(tài)系統(tǒng)為人類提供休憩娛樂等有待進(jìn)一步挖掘。 洛陽市西南部欒川縣和嵩縣森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值較高,而主城區(qū)、孟津縣、洛龍區(qū)的價值較低,這與洛陽市森林分布情況相吻合,后續(xù)應(yīng)加大主城區(qū)、孟津縣、洛龍區(qū)植樹造林的力度,合理配置森林資源,緩解生態(tài)壓力,促進(jìn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。
表2 2019 年洛陽市森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值億元
2)草地生態(tài)系統(tǒng)。 2019 年洛陽市草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值見表3。 2019 年洛陽市草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值為64.68 億元,各指標(biāo)價值排序為固碳釋氧>土壤保持>凈化空氣>產(chǎn)品提供>涵養(yǎng)水源>營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)>休閑娛樂>廢棄物降解。 供給功能、調(diào)節(jié)功能、支撐功能、文化功能價值占比分別為8.57%、62.13%、28.08%、1.22%。 調(diào)節(jié)功能價值占比最大,其中凈化空氣和固碳釋氧貢獻(xiàn)較大,廢棄物降解價值較低。 洛陽市西部洛寧縣草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值最高,中部新安縣、宜陽縣和嵩縣價值較高,主城區(qū)、洛龍區(qū)價值最低。 應(yīng)合理增加主城區(qū)草地覆蓋面積,改善地區(qū)環(huán)境,保持并改進(jìn)洛寧縣等草地分布結(jié)構(gòu),增強(qiáng)其穩(wěn)定性和韌性。
表3 2019 年洛陽市草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值億元
3)水域生態(tài)系統(tǒng)。 2019 年洛陽市水域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值見表4。 2019 年洛陽市水域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能總價值為1 033.25 億元,各指標(biāo)價值排序為氣候調(diào)節(jié)>休閑娛樂>水資源調(diào)蓄>水資源供給>生活質(zhì)量改善>水產(chǎn)品供給>水質(zhì)凈化>科學(xué)研究>營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)>固碳釋氧。 供給功能、調(diào)節(jié)功能、支撐功能、文化功能價值占比分別為4.02%、78.10%、0.63%、17.25%。 調(diào)節(jié)功能價值占比較大,其中氣候調(diào)節(jié)的價值遠(yuǎn)高于其他指標(biāo)的,說明水生態(tài)系統(tǒng)在調(diào)溫增濕上起著巨大作用,對城市小氣候的形成具有重要影響。洛陽市北部新安縣、孟津縣和南部嵩縣水域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值較高,而欒川縣、伊川縣、洛龍區(qū)和偃師市的價值稍低。 價值差異與氣候調(diào)節(jié)功能相關(guān),而氣候調(diào)節(jié)功能價值主要與水域范圍及水量有關(guān),新安縣和孟津縣有小浪底水庫和西霞院水庫,嵩縣建有陸渾水庫,水資源較為充沛,且水庫有較好的調(diào)蓄作用,因此水域生態(tài)系統(tǒng)價值較高。
表4 2019 年洛陽市水域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值億元
4)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能構(gòu)成及分布。 2019 年洛陽市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值為1 517.72 億元,其分布情況見圖2。
圖2 2019 年洛陽市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值分布情況
森林、草地、水域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值占比分別為27.66%、4.26%、68.08%。 洛陽市嵩縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值最高,洛寧縣、欒川縣、孟津縣和新安縣的也較高,而主城區(qū)、偃師市和伊川縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值較低。 城鎮(zhèn)化加速了中心城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的衰退[20],主城區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,但土地利用結(jié)構(gòu)不合理,因此生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值低。 水域面積最小,但水域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值占比最大,且價值系數(shù)即單位面積水域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值遠(yuǎn)高于森林和草地的,因此應(yīng)加強(qiáng)對水生態(tài)的管理和保護(hù),同時應(yīng)對綠化覆蓋面積較低的主城區(qū)等進(jìn)行合理規(guī)劃,使生態(tài)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展相協(xié)調(diào)。
通過Geoda 軟件對不同生態(tài)系統(tǒng)類型的服務(wù)功能價值進(jìn)行單變量空間自相關(guān)分析,得到莫蘭指數(shù)散點(diǎn)圖見圖3。
圖3 2019 年洛陽市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值莫蘭指數(shù)散點(diǎn)圖
洛陽市森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值全局莫蘭指數(shù)為0.518,為強(qiáng)空間正相關(guān);草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值全局莫蘭指數(shù)為0.023,草地覆蓋面積較小,分布較為離散,為較弱的空間正相關(guān);水域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值全局莫蘭指數(shù)為-0.152,為負(fù)相關(guān),說明水域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值在行政區(qū)之間離散特征較為明顯,空間差異性較強(qiáng)[21]。 洛陽市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能總價值全局莫蘭指數(shù)為0.194,為正相關(guān)。
進(jìn)一步對森林生態(tài)系統(tǒng)和整體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值進(jìn)行單變量局部空間自相關(guān)分析,繪制LISA 聚類圖,見圖4。 從圖4 可以看出,洛寧縣、欒川縣、嵩縣森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值為高-高聚集,新安縣、孟津縣、主城區(qū)、洛龍區(qū)、偃師市為低-低聚集。 高-高聚集區(qū)應(yīng)豐富林木物種以及擴(kuò)大森林覆蓋范圍,使生態(tài)系統(tǒng)更加穩(wěn)定;低-低聚集區(qū)需要進(jìn)行植樹造林,增大森林覆蓋面積,使生態(tài)系統(tǒng)更完整有效地為人類提供各項服務(wù)。 欒川縣整體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能總價值為高-高聚集,洛龍區(qū)為低-低聚集,其他區(qū)域聚集程度不顯著,這顯示出區(qū)域整體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的差異性。對于高-高聚集區(qū)的后續(xù)發(fā)展需要在目前的發(fā)展策略基礎(chǔ)上保持穩(wěn)中求進(jìn),以鞏固已有的服務(wù)功能價值為管理目標(biāo)。 低-低聚集區(qū)需要對整體生態(tài)系統(tǒng)管理的方案進(jìn)行改進(jìn),尋找與區(qū)域更為匹配的發(fā)展戰(zhàn)略[22],提升區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值。 同時需要改善草地結(jié)構(gòu),增強(qiáng)區(qū)域間水資源的調(diào)控和管理。
圖4 2019 年洛陽市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值LISA 聚類圖
通過GeoDa 軟件,采用雙變量自相關(guān)分析方法對不同類型生態(tài)系統(tǒng)之間服務(wù)功能價值的相關(guān)性進(jìn)行分析,計算得到:森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值與草地、水域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值之間的莫蘭指數(shù)分別為0.340、-0.043,草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值與森林、水域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值之間的莫蘭指數(shù)分別為0.525、-0.173,水域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值與森林、草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值之間的莫蘭指數(shù)分別為0.167、-0.094。 森林生態(tài)系統(tǒng)與草地生態(tài)系統(tǒng)之間服務(wù)功能價值相互影響,為較強(qiáng)的空間正相關(guān)關(guān)系;水域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值與森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值為一定程度空間正相關(guān)關(guān)系,與草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值的相關(guān)性較弱,同時水域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值的空間差異性較大,水域生態(tài)系統(tǒng)對森林和草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值的影響較小。
目前區(qū)域發(fā)展越來越注重生態(tài)環(huán)境保護(hù),提高草地覆蓋率相對于提高森林覆蓋率更加容易,但森林的生態(tài)效益更強(qiáng),因此需要提高城市森林覆蓋率。 森林和草地生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)較強(qiáng)的空間相關(guān)性,說明在同一區(qū)域草地和森林生態(tài)系統(tǒng)在提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時具有互相促進(jìn)作用,與完全的草地分布相比,區(qū)域內(nèi)一定林地分布能夠使草地生態(tài)系統(tǒng)為人類提供更多的服務(wù)價值,因此可以增加森林和草地的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)來提高城市綠化質(zhì)量,促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)協(xié)調(diào)健康發(fā)展。 針對水域生態(tài)系統(tǒng)的空間差異性,要加強(qiáng)水生態(tài)的維護(hù),注重水資源的合理配置和調(diào)控,緩解水資源地區(qū)分布不平衡問題。
對洛陽市2019 年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值進(jìn)行量化,通過空間自相關(guān)分析發(fā)現(xiàn),生態(tài)系統(tǒng)能夠為人類帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益,其中水域生態(tài)系統(tǒng)價值系數(shù)最高,但地區(qū)差異性較大,因此需要重視水資源保護(hù)以及水資源地區(qū)間的調(diào)控;森林生態(tài)系統(tǒng)比草地生態(tài)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益更顯著,且兩者在空間上具有一定集聚特征,可以根據(jù)呈現(xiàn)出的聚集特征調(diào)整各行政區(qū)發(fā)展策略。同時森林和草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值具有較強(qiáng)的空間正相關(guān)性,能夠為城市綠化規(guī)劃中森林、草地的分布設(shè)計提供一些新思考。