近60年挠力河流域生态系统服务价值时空变化

赵 亮，刘吉平，田学智

(吉林师范大学旅游与地理科学学院，四平 136000)

生态系统服务是指生态系统与生态过程所形成及所维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用［1］。通过经济价值指标量化不同生态系统的服务价值，使人们认识到自然生态体系与人类活动之间的关系，从而奠定可持续利用与发展的基础［2］。动态生态价值的研究为生态价值研究成果进一步在资源合理配置中的应用提供了途径［3］，随着研究问题的深入及技术手段的进步，生态系统服务价值的动态变化成为当前研究趋势之一。近些年，国内外学者基于遥感与GIS技术对生态系统服务价值的动态变化进行了卓有成效的研究，例如周德成、常守志、李晋昌等人［4-10］研究显示，生态系统服务价值的动态变化源于研究区不同土地利用面积的变化［4，6，10］;生态系统服务价值的增减绝大部分取决于湿地、水域和林地面积的消长［4-8］;人为改变土地利用类型是生态系统服务价值变化的主要原因［6，9］。众多研究表明，生态系统服务价值的变化趋势研究能科学直观的反映区域生态系统环境的变化状况，但研究内容偏向总体价值评价，不能反映研究区空间变异及内部差异性变化。

近60年来，三江平原挠力河流域在人为垦荒活动的作用下，原始生态系统遭到大面积破坏，生态系统服务价值呈明显阶段性下降趋势，对该流域乃至三江平原的生态环境造成严重损害［11］。本文以挠力河流域为典型研究区，对该流域1950—2005年生态系统服务价值的时空变化进行区域内差异分析，为保护三江平原生物多样性和维持生态系统功能等方面提供科学依据。

1 研究区域

挠力河流域地处黑龙江省三江平原腹地(图1)，地理位置为 131°31′—134°10′E，45°43′—47°35′N，流域总面积为22542.88 km2，占整个三江平原面积近1/4，是三江平原最大的流域，目前拥有挠力河和宝清七星河两处国家级自然保护区，是三江平原重要的淡水湿地分布区，行政区划包括宝清县、友谊县全部，富锦县、饶河县、双鸭山市、七台河市、集贤县部分。

挠力河是乌苏里江的一级支流，发源于完达山脉，自西南流向东北，河道弯曲狭长，有利于沼泽湿地的发育与形成。挠力河流域开发历史较早、垦荒活动阶段性强、土地利用类型多样、流域水系格局较为完整，是选择该流域作为研究三江平原生态系统服务价值变化典型区的重要原因之一。

2 数据来源与研究方法

2.1 土地利用数据获取

挠力河流域1950年和1965年的土地利用图，以1965年地形图件(1∶20万)作为底图，参照其他相关历史资料汇编制作;1976年的土地利用图，根据1976年编制的1∶20万荒地调查图和1972年MSS数据进行编制;1983年的土地利用图，根据1983年三江平原1∶20万湿地植被图制作;1993年、2005年的土地利用图，根据1993年和2005年的TM遥感数据进行解译和编制。在此基础上，按统一标准对各个时期土地利用类型进行分类，作为研究挠力河流域近60年来生态系统服务价值时空变化的基础。

图1 挠力河流域地理位置示意图Fig.1 Location of the Naoli River Basin

2.2 研究方法

2.2.1 生态系统服务价值计算

Costanza等人［1］于1997年在Nature杂志发表的研究成果中，运用经济学原理定量分析生态系统服务价值，该方法使生态系统服务价值评估得以量化实现，将生态系统服务研究推向生态经济学研究的应用领域。但由于Costanza等人对某些生态系统价值估计存在偏差，我国学者谢高地等［12］参考其可靠的部分，在对我国200位生态学者进行问卷调查的基础上，制定出中国不同陆地生态系统单位面积生态服务价值表(表1)，并在我国青藏高原地区得以应用。考虑到研究区的实际状况，本文使用中国陆地生态系统服务单位面积价值作为统一量表，计算挠力河流域各时期的生态系统服务价值。

表1 中国不同陆地生态系统单位面积生态服务价值［12］Table 1 Chinese ecosystem service value unit area of different ecosystem types

生态系统服务价值的计算公式为:

式中，V为研究区生态系统服务总价值，元;Pi为单位面积上土地利用类型i的生态系统服务总价值，元/hm2;Ai为研究区内土地利用类型 i的分布面积，km2［1］。

本文为了研究生态系统服务价值的空间变化，利用ArcGIS软件，生成挠力河流域2 km×2 km尺度的正方形网格图，将正方形网格图与挠力河流域各时期土地利用图分别进行叠加，根据中国陆地生态系统单位面积生态服务价值表统计每个正方形网格的生态系统服务价值。

2.2.2 质心椭圆模型

质心模型是区域生态系统服务价值动态变化的重要指数之一。质心迁移的方向可以揭示生态系统服务价值在空间上的变化轨迹。如果价值格局在空间各方位上均衡发展，则其质心基本不变;若在某一方向上增减比较明显，则其质心发生明显偏移［13］。本文通过挠力河流域的生态系统服务价值质心的偏移情况来反映价值在空间分布上的动态变化趋势。

计算公式如下:

式中，Xt，Yt分别表示第t年挠力河流域生态系统服务价值质心的坐标;Cti表示第t年第i个网格的生态系统服务价值;Xi，Xi分别表示第i个网格的地理坐标。

当质心在空间上的相反方向均匀消长时，其质心基本不变或变化不明显。因此，运用ArcGIS软件中的方向性分布分析工具(标准椭圆)来反映生态系统服务价值的空间分布的方向性差异。根据椭圆可以概括价值的空间分布状态，且识别方向的趋势。长轴为生态系统服务价值较高的方向，短轴为生态系统服务价值较低的方向。

2.2.3 空间自相关

空间自相关分析是检验具有空间位置的某要素的观测值是否显著地与其相邻空间点上的观测值相关联。空间自相关性使用全局和局部两种指标来度量，全局指标用于探测整个研究区域的空间模式，使用单一的值来反映该区域的自相关程度;局部指标计算每一个空间单元与邻近单元就某一属性的相关程度［14］。表示空间自相关的指标和方法很多，其中最常用的是Moran′s I指数。本文使用GeoDa软件，分别计算挠力河流域1950—2005年6个时期的全局自相关和局部自相关，并进行检验。

3 结果与分析

3.1 挠力河流域生态系统服务价值的时间动态变化

根据挠力河流域网格图生态服务价值的数值特点，参照数据变化的拐点值，按极低(0—244.6×104元)、低(244.6 ×104—500 ×104元)、中(500×104—800×104元)、高(800 ×104—1600 ×104元)、极高(1600 ×104—2300×104元)5个等级划分。实践表明，如此划分可以很好地反映各个时期生态服务价值空间分布和60a间价值阶段性变异的情况。基于ArcGIS软件，生成1950—2005年6个时期的挠力河流域生态系统服务价值格局图(图2)。

1950—2005年间，挠力河流域生态系统服务价值发生了明显的变化，总价值呈递减趋势(图3)，由1950年的749.84亿元降低至2005年的308.82亿元，损失约58.82%。生态系统服务价值极高区与极低区变化最为明显，生态系统服务价值极高区以挠力河主河道为主线逐时期萎缩，其中1950—1965年萎缩最为严重，而1976—2005年减少速度趋于缓和，总体呈破碎化过程;极低区在近60年的时间内，逐时期扩大，呈连片化过程(图2)。挠力河流域生态系统服务价值在近60年的时间内，由以生态系统服务价值极高区为主导的状态(约占总面积41.1%)，逐渐转化为以极低区为主导的空间格局(约占总面积39.2%)。

3.2 挠力河流域生态系统服务价值的空间格局变化

3.2.1 生态系统服务价值质心转移

1950—2005年挠力河流域生态系统服务价值质心(图4)总体由北向南移动11.1 km，表明流域北部的开垦活动相对于南部更加强烈。挠力河流域生态系统服务价值标准椭圆空间分布的方向性差异由河流走向决定，以挠力河主河道为主线分布，价值标准椭圆长轴为东北—西南方向，生态系统服务价值较高;西北—东南短轴方向价值较低。

图2 不同时期挠力河流域生态系统服务价值空间分布图Fig.2 Spatial distribution maps of ecosystem services value at different times in Naoli River Basin

图3 不同时期挠力河流域生态系统服务价值的变化Fig.3 Dynamic changes of ecosystem services value at different times in Naoli River Basin

1950—1976年期间，虽然生态系统服务总价值变化较大，但这段时期，挠力河流域还处于垦荒中前期，分布于河流周边的平原易垦区域依然存在，是该时期垦荒活动的主要区域，各个方向开垦规模较为平衡，价值标准椭圆变化相对较为稳定，价值质心略向东偏移2.14 km。1983—2005年时期价值空间变化较为明显，出现南北方向上的波动，但价值质心明显向南迁移，由1976年向南迁移约9.8 km至2005年的状态。根据李玉凤、刘红玉的研究成果［15］，根据海拔100 m等高线将挠力河流域划分为平原和山地，得出湿地、草地主要分布于中部与北部的平原区域，而林地则主要分布于南部和西部的山地区域，使得平原区易开垦的湿地、林地和草地成为中前期开荒的首要选择;而分布于山地及周边不易开垦的湿地、林地和草地成为中后期垦荒的主要对象。

3.2.2 生态系统服务价值空间自相关的动态变化

由图5可知，近60年挠力河流域单位面积生态系统服务价值的全局空间自相关指数全部大于0，且数值比较高(都在0.65以上)，这说明挠力河流域单位面积生态系统服务价值相似(高高或低低)的地区在空间上集中分布。Moran′s I指数与空间位置有关，反映数据在空间上的集聚或分散程度。挠力河流域单位面积生态系统服务价值全局Moran′s I指数60a间呈总体下降趋势，由1950年的0.7882降至2005年的0.6633，说明这种集聚的趋势略有减弱。

由于全局Moran′s I指数只反映研究区总体的区域单元值的相似性程度，而不反映研究区内区域间的关系，因此需要用局部自相关分析来探测挠力河流域内部单元间的相关关系，输出结果如图6。

由图6可知，自1950年至2005年，挠力河流域单位生态系统服务价值高-高自相关类型呈明显的逐渐减少趋势，且破碎化显著;低-低自相关类型呈先减少后增加的“V”趋势，显现不显著连片化趋势;而无空间自相关有逐渐增加趋势。从空间分布上来看，主要分为3个阶段，在1950年，生态系统服务单位价值高-高自相关类型在整个流域处主导地位，且集中分布于挠力河中上游;低-低自相关类型，分布较为广阔，主要分布流域周边区域，与高-高类型共同构成该时期的绝对主体。1965—1983年时期，高-高、低-低自相关类型较为平稳，无空间自相关成为又一主导类型，这一阶段较上一阶段，高-高、低-低自相关类型萎缩较为明显，且分别向中下游、中上游相反方向转移。1993—2005年间，高-高自相关类型显著沿挠力河主河道分布，且出现破碎化趋势;低-低自相关类型略为稳定。

图4 挠力河流域生态系统服务价值质心和标准椭圆的动态变化Fig.4 Change of ecosystem services value centroid and standard deviation ellipse in Naoli River Basin

图5 挠力河流域不同时期生态系统服务价值全局自相关指数Fig.5 Global spatial autocorrelation index of ecosystem services value at different times in Naoli River Basin

图6 挠力河流域单位生态系统服务价值局部空间自相关格局的动态变化Fig.6 Ecosystem service value pattern of local spatial autocorrelation dynamics in Naoli River Basin

3.3 挠力河流域生态系统服务价值变化的驱动力分析

挠力河流域位于温带湿润半湿润季风气候区，其自然条件的变化对该流域土地利用有着一定的影响，且很大程度与人为作用共同起作用。近60年，挠力河流域年平均气温升高约1.3℃，温度的升高使该地区土壤环境更加适宜耕种，加剧了人们对湿地、草地、林地的开垦，地表的长期裸露，又致使地表增温，形成恶性循环;同时人为修建排水系统，使土壤中的含水量适宜农作物生长，这也使得地下水位下降、空气中湿度降低等等，导致原始生态系统发生改变。

不同土地利用类型的生态系统服务价值存在差异，人为改变土地利用类型是近60年间挠力河流域生态系统服务价值发生变化的主要原因。根据1950年—2005年6个时期各土地利用类型面积的统计，其中农田、林地、草地、湿地的面积(图7)之和占各个时期流域总面积的93%以上，这4种土地利用类型是各个时期生态系统服务价值组成的重要基础。近60年以来，人类的垦殖活动使挠力河流域的湿地面积大幅度减少，耕地大面积增加［16］，开垦湿地是挠力河流域生态系统服务价值减少的主要驱动因素。

图7 1950—2005年挠力河流域不同土地利用类型面积Fig.7 The area of different land use types of Naoli River Basin from the year 1950 to 2005

建国以来，大量人口迁入三江平原。由于挠力河流域自然条件较优越，成为三江平原开发最早的流域。1950年至1965年，是该流域开荒规模最大的一次，湿地面积减少5790 km2，林地面积减少590 km2，农田面积增加4158 km2，草地面积增加3366 km2，湿地与林地损失面积基本转化为草地和农田，挠力河流域生态系统服务价值在这一时期损失286.09亿元，至1965年总价值仅为463.75亿元。1965年后期至1983年，开荒规模在原有的基础上有所扩大，林地面积稳定，湿地面积减少758 km2，农田面积增加4137 km2，草地面积减少3890 km2，由于湿地面积减速趋于缓和，农田面积基本由草地转化所得，使得这一时期挠力河流域的生态系统服务价值变化较为平稳，至1983年总价值为435.42亿元。1983年以后，湿地、草地、林地面积继续减少;1983—1993年间，林地减少面积为近60年最大，减少1411 km2，湿地面积减少2200 km2，草地面积减少701 km2，农田面积增加3883 km2，生态系统服务价值损失126.6亿元。至2005年，挠力河流域的生态系统服务价值仅为308.82亿元。

4 结论

(1)近60年挠力河流域生态系统服务总价值，由1950年的749.84亿元降低至2005年的308.82亿元，损失约58.82%。生态系统服务价值极高值以挠力河主河道为主线逐时期萎缩，且由1950年以极高区为主导的状态逐渐转化为2005年以极低区为主导的格局。

(2)1950—2005年挠力河流域生态系统服务价值质心总体由北向南移动11.1 km，表明流域北部的开垦活动相对于南部更加强烈;空间自相关分析表明，挠力河流域单位生态系统服务价值单元间差异有扩大化趋势;高-高自相关类型呈明显的逐渐减少的趋势，且破碎化显著;低-低自相关类型呈先减少后增加的“V”趋势，显现不显著连片化趋势;而无空间自相关有逐渐增加趋势。

(3)土地利用类型的改变是该流域生态系统服务价值时空格局转变，价值质心向南转移的主要驱动因素。

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