2000—2013年衡阳市土地利用格局转变对生态系统服务的影响*

王 宽,蔡正华,齐增湘**,陈 坚,李 晖,李 涛,冯 倩

(1.南华大学设计艺术学院 衡阳 421001;2.衡阳市科技信息研究所 衡阳 421001)

2000—2013年衡阳市土地利用格局转变对生态系统服务的影响*

王 宽1,蔡正华2,齐增湘1**,陈 坚1,李 晖1,李 涛1,冯 倩1

(1.南华大学设计艺术学院 衡阳 421001;2.衡阳市科技信息研究所 衡阳 421001)

将生态系统服务评估利用到区域生态保护决策中的重要途径之一是生态系统服务制图。本研究对衡阳市多期遥感影像进行解译,采用当量因子法估算其生态系统服务价值(ESV)及由土地利用格局转变而引起的价值损益;并在ArcGIS 10.0软件支持下,利用空间自相关、高低聚类及重心分析等空间统计方法,对衡阳市ESV的时空变化进行制图模拟,以期为衡阳市的生态保护规划与管理提供决策辅助。研究结果表明:1)2000—2013年衡阳市的ESV略有降低,由2000年的2 410亿元降至2013年的2 394亿元;转移矩阵分析发现林地及耕地转为建设用地,以及林地转为耕地是引起衡阳市ESV降低的最主要原因。2)衡阳市的ESV高值区对低值区呈包围态势;2000—2013年ESV损失区主要分布于市区及其东部区域,而增值区主要分布于市区西部区域。3)衡阳市ESV的空间自相关与高低值聚集现象明显,其程度趋于增强;ESV重心向西偏北9°方向迁移了245.73 m。可考虑通过限制林地及耕地向建设用地的转变、实施“存量”或“减量”用地政策、维护和强化区域整体生态系统格局的连续性等措施来提高研究区的生态系统服务价值。

生态系统服务价值;土地利用;空间统计方法;衡阳市

生态系统服务是指自然生态系统及其物种所提供的能够满足和维持人类生活需要的条件和过程[1-2]。对其价值进行定量评估有利于高效、合理配置竞争性环境资源[3],有利于科学制定生态环境建设补偿政策[4]。Costanza等[5]最先对生态系统服务价值(ecosystem service values,以下均用“ESV”表示)进行了定量评估,并成为国际可持续发展研究的热点之一。欧阳志云等[6-7]、傅伯杰等[8-9]对生态系统服务价值的概念、效用及评估方法进行了较详细的论述;谢高地等[10-12]多次对Constanza的研究方法进行了改进,得出了适合我国国情的ESV当量系数,利用当量因子法对区域ESV进行评估已被国内外学者广泛采纳。此外,综合生态参数和价值当量,以及从生态资产角度对区域ESV进行评估的方法也得到了较好应用与发展[13-14]。

土地利用/覆盖变化(LUCC)影响生态系统的结构和功能[15],其对生态系统维持服务功能起决定性作用[16],因此,诸多学者利用不同方法在不同时间、空间尺度上对土地利用变化引起的ESV变化进行了研究[17-18]。随着3S技术的发展,国内外已有不少学者将遥感数据与生理生态模型相结合,采用当量因子进行ESV评估,并对其空间分布进行制图模拟,其结果为区域保护决策与管理规划的制定提供了很好的支持[19-20]。但利用3S技术进行区域ESV损益情况的空间分布模拟以及利用空间统计分析来揭示ESV的时空格局变化规律与特征的研究尚显不足。

本研究以湖南省衡阳市为例,在ArcGIS 10.0软件支持下,基于衡阳市多年遥感影像数据及经济发展统计数据,对其ESV进行评估,进行ESV及其损益的空间分布制图模拟;并利用空间统计分析方法,探究衡阳市ESV的时空动态演化特征。研究结果可为衡阳市进行区域生态安全管理及发展生态型经济提供必要参考。

1 研究区概况

衡阳市位于湖南省中南部,湘江中游,衡山之南,是湖南省域副中心城市、中南地区重要工业城市、区域性物流中心,现辖5区(石鼓区、雁峰区、珠晖区、蒸湘区、南岳区)5县(衡阳县、衡南县、衡山县、衡东县、祁东县)、代管2个县级市(耒阳市、常宁市)。地处东经110°32′16″～113°16′32″,北纬26°07′05″～27°28′24″,总面积约15 310 km2。近年来,衡阳市经济与社会发展迅速,区域土地利用类型及其空间结构也随之发生了较大变化,进而影响到区域内生态系统服务价值。

2 研究方法

2.1 数据来源与处理

采用衡阳地区2000年、2005年、2010年及2013年同期的LandSatTM遥感影像,空间分辨率30 m×30 m。根据研究所需,采用目视解译方式,将研究区土地利用类型划分为耕地、林地、草地、湿地、水域、建设用地及未利用地共7个类型得到研究区土地利用类型(图1),其总体精度分别为85.2%、86.5%、88.7%、87.4%,Kappa值超过0.8,达到本研究所需。相关经济与社会发展数据来源于衡阳市统计年鉴。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用格局转变的ESV核算

采用基于单位面积价值当量因子的方法对衡阳市土地利用格局转变引起的ESV变化进行核算。ESV当量因子是生态系统产生服务的相对贡献率。根据谢高地等[10]的定义,中国地区1个ESV当量因子的经济价值等于当年全国平均粮食单产市场价格的1/7。为使研究结果体现区域特征,在利用研究区粮食产量进行ESV当量因子计算的同时,引入基于生物量的调整因子[11]对研究区的ESV价值系数进行修正。

图1 衡阳市2000年、2005年、2010年和2013年土地利用类型Fig.1 Maps of land use types in Hengyang City in 2000,2005,2010 and 2013

计算研究区的土地利用转移矩阵,并核算研究区土地利用格局转变引起的ESV损益。传统的基于各用地类型面积的ESV分析模型,只考虑监测期间的ESV数值的变化,无法深层次地反映ESV损益的去向及来源。基于土地转移矩阵分析ESV,能够同时考虑各用地类型的ESV的空间转移分布和数量变化方向,能更深入揭示ESV的变化特征。

核算过程所涉及到的计算公式见表1。

2.2.2 ESV演变的空间统计分析

地理数据受空间相互作用及空间扩散的影响,某位置上的数据与其他位置上的数据彼此间存在相互依赖的现象,即空间自相关性。对ESV在一定地理范围内不同空间单元间的相互影响和依赖程度进行分析,是把握其演变特征与规律的关键。采用Global Moran’s I、Getis-Ord General G探测研究区ESV在特定尺度上的空间自相关性、高/低聚类。Global Moran’s I用于分析ESV的整体空间自相关性,Getis-Ord General G用于探测ESV是否存在空间集聚。重心分析是一种探讨地理现象空间分异及其动态变化过程的方法,运用重心概念,分析ESV移动方向及距离来反映区域ESV的空间差异,探寻其动态演变过程。

分析中所涉及的公式见表2。

3 结果与分析

3.1 ESV的变化

3.1.1 ESV结构的变化

基于研究区遥感解译数据(图1),利用上述ESV估算模型,得出衡阳市2000年、2005年、2010年及2013年ESV值(表3),并计算这4个时期的ESV均值,制作衡阳市2000—2013年ESV平均分布格局图(图2)。

表1 生态系统服务价值核算中利用到的公式及其变量Table 1 Formulas and variables in the ecosystem services value (ESV) accounting

表2 生态系统服务价值空间统计分析中利用到的公式及其变量Table 2 Formulas and variables in the spatial statistical analysis of ecosystem services value (ESV)

续表

表3 衡阳市2000—2013年生态系统服务价值结构变化Table 3 Structure changes of ecosystem services value of Hengyang City in 2000—2013

计算结果表明:①从ESV价值构成方面来看,衡阳市各单项生态功能价值所占比例的大小依次为生物多样性保护>水源涵养>土壤形成与保护>气候调节>气体交换>原材料>废物处理>休闲娱乐>食物生产。前5项服务功能的价值量相对较高且相差不大,2000—2013年平均占总功能价值量的比例分别为15.16%、14.99%、14.37%、13.75%、13.74%;原材料与废物处理的功能价值量次之,这2项各占总功能价值量的9.23%、9.12%;食物生产与娱乐休闲的价值量最低,两者各占总功能价值量的2.94%和6.71%。②从ESV变化情况来看,2000—2013年衡阳市ESV变化较缓,所有单项ESV均略有降低,总量减少0.67%。在2000—2005年间,衡阳市ESV量增加了0.62亿元,是由于其生态服务功能中的废物处理、水源涵养、气候调节及娱乐休闲的价值量略有增加,分别增加了0.54%、0.25%、0.18%和0.12%;2005—2010年间及2010—2013年间,所有单项ESV均呈减少趋势。

ESV平均分布格局图显示:衡阳市ESV高值区大体分布于靠近市界线的山林地,而低值区多分布于市域范围的较中心处,此范围内地势较缓,适宜城镇建设及农耕开发。整体看来,高值区与低值区均具有较好的整体性及连续性,高值区对低值区呈包围态势,低值区以市区为核向各县城区心蔓延,与衡阳市的盆地地形暗合。

3.1.2 土地利用格局转变的ESV损益

根据图1计算衡阳市土地利用格局的转移矩阵,并结合ESV计算公式,得出由于土地利用格局转变引起的ESV损益结果(表4),并利用ArcGIS软件中的栅格计算器及插值分析得出各研究时段的ESV损益空间分布图(图3)。

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图2 2000—2013年衡阳市生态系统服务价值(EVS)平均空间分布格局Fig.2 Spatial distribution pattern of average ecosystem services value (EVS) in Hengyang City from 2000 to 2013

计算结果表明:①2000—2005年间,由于土地转变引起ESV增值5.13亿元,损失4.51亿元,共计增值0.62亿元。增值中贡献较多的土地利用转变方式为耕地转林地、耕地转水域、林地转水域以及水域转湿地这4种,约86%的增值来自于这4种转变方式;耕地、林地转为建设用地是引起此时段ESV损失的主要原因,总损失量的73%由这两种转变引起。②2005—2010年间,ESV增值56.27亿元,损失66.37亿元,共计损失10.09亿元,显示出此时段内的土地格局变化较另外两个研究时段更为剧烈。增值中贡献较多的土地利用转变方式为耕地向林地、水域的转变,高达70%的增值来自于这两种转变方式;而林地转为耕地及建设用地是引起此时段ESV损失的主要原因,总损失量的87%由这两种转变引起。③2010—2013年间,ESV增值5.85亿元,损失12.41亿元,共计损失6.57亿元。其中耕地与林地的相互转变引起的ESV损益基本持平,造成ESV损失的主要原因在于林地及耕地向建设用地的转变,这两种转变引起ESV损失达6.1亿元。

图3 2000—2013年衡阳市生态系统服务价值(ESV)损益分布空间格局Fig.3 Spatial distribution patterns of profit and loss of ecosystem services value (ESV) in Hengyang City from 2000 to 2013

ESV损益空间分布格局图显示:①2000—2005年间,ESV损失区主要分布于市区、衡东县城区北部以及耒阳市城区南稍偏东部处;增值区主要分布于衡阳县东部、祁东县西部、衡南县西南部以及常宁市东部区域。②2005—2010年间,ESV的损益分布较另外两个研究时段复杂,损失区主要分布于衡阳县东部与市区相邻区域、衡南县城区西南部区域、耒阳市南端的铁路及高速公路周边区域、衡东山县的南部及北部区域、衡山县南部以及南岳区西稍偏北部区域;增值区主要分布于衡南县东北部与市区相接处、衡阳县西北部、祁东县西北部、衡东县东部、常宁市西北部以及耒阳市东北及东南部区域。③2010—2013年间,ESV损失区主要分布于衡南县东部、衡东县南部以及常宁市东南部区域,另外市区以及衡阳县、衡东县、衡南县与市区接壤区域的ESV也损失较明显;增值区主要分布在衡阳县北部、衡山县西北部、衡阳县西部、祁东县南部以及耒阳市南部区域。

3.2 ESV的空间自相关与高/低聚类分析

计算结果(表5)显示:①空间自相关分析中,4个年份的I值较高,同时引入标准化统计量Z(I)用以检验空间自相关的显著性水平,[其中E(I)、Var(I)分别为指数I的理论期望值与理论方差值]。结果显示,Z(I)值全部高于1%显著性水平标准值,这表明衡阳市ESV的空间分布具有较强的空间自相关性,空间分布格局呈聚集模式;另外4个时期的I指数与Z(I)值呈先下降后上升的趋势,表明衡阳市的ESV空间自相关性先趋向减弱再趋于增强。②高/低聚类分析中,4个年份ESV的G指数无明显大于E(G)值,但Z(G)值较显著,表明衡阳市ESV的空间分布存在高值及低值聚集模式;Z(G)值呈先下降后上升趋势,表明ESV的高值以及低值的聚集程度在2000—2005年间有所弱化,其后又一直增强并超过2000年时的聚集程度。

表5 2000—2013年衡阳市生态系统服务价值(ESV)空间自相关值(I)与高/低聚类指数Table 5 Spatial autocorrelation &high/low clustering index of ecosystem services value (ESV) in Hengyang City in 2000-2013

3.3 ESV高值区重心迁移轨迹

根据表2中的公式4,计算4个年份的ESV加权重心,制作ESV重心迁移轨迹图(图4),并统计其迁移距离(图5)。由图4可看出,2000—2013年衡阳市的ESV重心一直落入于珠晖区长尾冲附近。图5显示2000—2013年衡阳市的ESV重心迁移非常缓慢,主要向西稍偏北方向移动,大体上呈“U”型态势。ESV重心迁移具有一定的阶段性,经历了“缓慢—剧烈—缓慢”的变化阶段,2000—2013年间的总迁移直线距离约为247 m,分阶段来看,2005—2010年间ESV重心平均年际移动距离最长,为ESV重心迁移的剧烈阶段,其余两个阶段平均移动距离相差不大。

4 讨论与结论

本研究以当量因子法为基础,对衡阳市的遥感影像进行解译,得到7种类型的土地利用方式,利用生物量指标对ESV当量因子进行修正,估算各年份研究区的ESV,并对研究区的ESV分布及损益的空间分布进行制图模拟,运用空间自相关、高低聚类及加权重心求算等空间统计分析方法,探究衡阳市ESV的时空动态演化特征。研究结果可为衡阳市决策者制定符合客观实际的土地利用结构、进行环境保护与管理生态系统提供参考,促进衡阳市经济、社会与生态的协调发展。

研究发现:①2000—2005年,衡阳市ESV总量略有上升,这应该主要得益于湖南省自2000年开展实施的退耕还林工程;而2005—2013年衡阳市ESV总量的持续下降,可能是衡阳市城市化进程中侵占林地及耕地带来的必然问题。②衡阳市ESV的平均分布格局为外围高内心低,这主要与衡阳市的盆地地形有关,已有不少研究发现地形因子对区域的生态环境质量影响显著[21-23]。③影响衡阳市ESV损益变化的主要原因为林地、耕地及建设用地三者间的交互转变,损益分析图显示,ESV损失区主要发生在市区及各县城区所在地,这应是城市建设使大量耕地及林地转为建设用地,卫星影像图显示,衡阳市的建设用地面积2000—2013年共增加了18 504.72 hm2。④衡阳市的ESV重心在向西稍偏北方向移动。这可能与其各区、县的经济发展与人口增长的不平衡有关。衡阳市统计年鉴[24]显示,衡阳市的经济及人口存在空间分异,耒阳市、常宁市及衡南县的经济发展与人口增长规模较祁东县、衡东县及衡山县速度快,衡阳市的县域经济发展水平趋势主要为东高西低,这与本研究的ESV重心变化轨迹相呼应。

图4 2000—2013年衡阳市生态系统服务价值(ESV)重心落入处(左图)及其局部放大图(右图)Fig.4 Location of ecosystem services value (ESV) gravity centers in Hengyang (left picture) and its partial enlarged detail (right picture) from 2000 to 2013

图5 2000—2013年衡阳市生态系统服务价值(ESV)重心迁移轨迹Fig.5 Moving track of ecosystem services value (ESV) gravity centers in Hengyang City from 2000 to 2013

需要指出的是:①不同的ESV估算方法得到的结果很可能存在较大差异,目前ESV评估方法可大致分为“基于单位服务功能价格的方法”和“基于单位面积价值当量因子的方法”两类,相对于服务价格法,当量因子法由于直观且所需数据量少,且该方法特别适用于区域及全球尺度的ESV评估,便于进行结合GIS进行分析,因此研究采用此方法。②当量因子法存在缺陷之处,如研究区域内的某种用地类型的面积未发生变化,但其景观指数如斑块数目、平均板块面积、聚集度等发生了变化,这势必会对ESV产生影响,虽然生物量法对此能够有所修正,但不能完美解决此问题,因此有学者指出应进行不同空间层次、不同尺度的ESV评估实证分析[10,25]。③除用生物量法进行修正外,有学者还根据研究区农田生态系统的实际情况,对其食物生产的ESV系数进行修正[26],或利用突变理论对我国的陆地生态系统的单位面积ESV系数进行修正[27],不同的区域修正方法必将产生不同的ESV最终评估结果。④若能细分土地利用类型及分析更高分辨率栅格,研究结果将更为可信;另外限于篇幅,本文主要着重于ESV的平均分布、损益进行制图,以及空间统计方面的相关分析,未对ESV的时空分异特征及其变化的驱动机制进行分析,这将在以后的研究中给予完善。

本研究主要结论如下:

1)2000—2013年,衡阳市的ESV由2000年的2 410亿元降至2013年的2 394亿元;研究区中生物多样性保护、水源涵养、土壤形成与保护、气候调节及气体交换这5项服务功能较为突出,食物生产与娱乐休闲的价值量最低。衡阳市的ESV高值区对低值区呈包围态势,高值区主要分布于市界四周的山林地,中心区域由于地势较缓利于农耕及建设,因而成为ESV的低值区,这与衡阳市的盆地地形暗合。

2)林地及耕地转为建设用地,以及林地转为耕地是引起衡阳市ESV降低的最主要原因;ESV损失区主要分布于市区、衡南县、衡阳县东部区域、耒阳市城区南部以及常宁市城区东南部。

3)衡阳市的ESV表现出明显的空间自相关与高低值聚集现象,2000—2013年总ESV呈降低趋势,但其自相关与聚集程度趋于增强,即其空间分布的破碎化程度在降低;ESV重心一直落入于市区南部稍偏西与衡南县车江镇的交接处,且迁移速度非常缓慢,主要向西稍偏北方向移动,呈“缓慢—剧烈—缓慢”的趋势。

根据研究结论,可考虑以下措施实现对衡阳市生态系统服务的有效管控:

1)限制林地及耕地向建设用地的转变;鼓励植树造林、退耕还湖,以抵消建设用地扩张而带来的ESV损失。

2)对ESV损失区重点监测,实施“存量”或“减量”用地政策以严格控制其范围,引导ESV系数低的土地利用类型向高的类型转变。

3)在编制区域土地利用总体规划中,可通过维护和强化区域整体生态系统格局的连续性,加强对林地、湿地及水域的保护,以提高研究区ESV。

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Effect of land use transformation pattern in 2000–2013 on ecosystem services in Hengyang City,China*

WANG Kuan1,CAI Zhenghua2,QI Zengxiang1**,CHEN Jian1,LI Hui1,LI Tao1,FENG Qian1
(1.College of Design and Arts,South China University,Hengyang 421001,China;2.Hengyang Institute of Science and Technology Information Research,Hengyang 421001,China)

Using ecosystem services assessment in regional ecological protection is one of the most important ways in ecosystem services mapping.In order to perfect the method of ecosystem services mapping,spatio-temporal variations in ecosystem services value (ESV) in Hengyang Region was simulated based on interpretation of multi-period remote-sensing images of Hengyang City,estimation of ESV with the equivalent factor method and incurred profit-loss due to transformation of land use.Also the results of methods such as spatial autocorrelation,high-low clustering and barycenter analysis were analyzed in ArcGIS 10.0 environment.The results showed that:1) the proportion of ESV components were different in the study area anddecreased with the sequence of biodiversity conservation,water conservation,soil formation and conservation,climate regulation,gas exchange,raw material,waste disposal,entertainment and food production.The ESV for Hengyang City decreased slightly from 241.0 billion Yuan to 239.4 billion Yuan during 2000–2013.The transformation of forests and cultivated lands into construction lands and the transformation of forests into cultivated lands were identified as the main reasons for the decrease in ESV revealed by conversion matrix analysis.2) Areas with low ESV were nearly encircled by those with high ESV.While regions with losses in ESV were mainly distributed around the urban and county districts,value-added regions were located in the western zone of the study area.3) Spatial autocorrelation and value aggregation phenomena were obvious,which tends strengthened.The barycenter of ESV moved 245.73 meters west-northwest 9°.To improve ESV in the study area,measures including limiting transformation of forests and cultivated lands into construction lands,conducting “stock” or “reduction” policy on land use,and preserving and intensifying continuity of whole ecosystem patterns were required.Compared with previous studies,the spatial distribution of ESV was visualized in this study as more precisely expressing the income and transfer of ESV.This was critical for the promotion of more reasonable ecological protection planning and management works in the study area and beyond.

Ecosystem service value;Land use;Spatial statistical analysis;Hengyang City

Oct.17,2016;accepted Mar.3,2017

F301.24

:A

:1671-3990(2017)07-1060-11

10.13930/j.cnki.cjea.160913

王宽,蔡正华,齐增湘,陈坚,李晖,李涛,冯倩.2000—2013年衡阳市土地利用格局转变对生态系统服务的影响[J].中国生态农业学报,2017,25(7):1060–1070

Wang K,Cai Z H,Qi Z X,Chen J,Li H,Li T,Feng Q.Effect of land use transformation pattern in 2000–2013 on ecosystem services in Hengyang City,China[J].Chinese Journal of Eco-Agriculture,2017,25(7):1060-1070

*湖南省科技计划项目(2015SK2003)、衡阳市社会科学项目(2015D040,2016D090,2016D038)和衡阳市科技计划项目(2015KS02)资助

** 通讯作者:齐增湘,主要研究方向为生态规划与设计。E-mail:ecotope@163.com

王宽,主要研究方向为环境生态学及生态规划与设计。E-mail:349128948@qq.com

2016-10-17 接受日期:2017-03-03

*This work was supported by the Science &Technology Project of Hunan Province (2015SK2003),the Social Science Project of Hengyang(2015D040,2016D090,2016D038) and the Science &Technology Project of Hengyang (2015KS02).

** Corresponding author,E-mail:ecotope@163.com