LUCC影响下辽东湾北部区生态系统服务价值时空演变

闫晓露, 郑 欢, 李洪飞

( 1.辽宁师范大学 海洋经济与可持续发展研究中心,辽宁 大连 116029;2.辽宁师范大学 地理科学学院,辽宁 大连 116029)

生态系统服务价值(Ecosystem Service Values，ESV)是指生态系统能够为人类提供的直接或间接的条件与支持，主要包括生态系统向人类社会成员提供的直接服务和向经济社会系统间接输入有用的物质和能量，以及接受并转化来自经济社会系统的废弃物等[1-4].

土地利用是指人类施加于特定地点的管理方式，而覆被是特定条件下，存在于特定空间中的各种生态系统及其特质，例如湿地、水系、土地、林木、裸地等.因此土地利用/覆被变化(Land Use And Land Cover Change，LUCC) 受生态系统与人类活动的相互影响、相互制约，并成为其重要响应之一.Lautenbach[5]等从历史演变的角度，结合土地利用数据，探讨区域生态系统服务供给的变化；James[6]等通过分析大自然的服务功能，得出社会的发展离不开自然生态系统的服务，并呼吁社会发展应当与自然生态系统保护及恢复并重；陈阳[7]等借助评估生态系统服务价值的方法对三江平原北部地区2市5县1954—2009年间生态系统服务价值进行估量，较系统的探究了土地生态系统服务价值的时空演变；韩增林[8]等探究辽东湾北部区土地利用强度对生态系统服务价值引起的时间及空间的变化，为促进滨海湿地资源合理配置及维持生态系统可持续发展提供重要依据；涂小松与龙花楼[9]运用生态系统服务价值评估模型以及相关分维、空间统计等评估方法,分析鄱阳湖地区生态系统服务价值在空间上的动态变化.纵观国内外相关文献，对土地利用/覆被变化下区域生态系统服务价值的变化开展研究，可以揭示人类活动与生态系统之间的影响关系，从而促进区域经济与环境的协调发展.

辽东湾北部区位于我国渤海湾的北部，是我国海岸滨海湿地的主要分布区之一，因其珍贵的湿地资源而成为许多珍稀濒危生物的重要栖息场所及繁殖基地，具有重要的直接或间接的生态功能.但是大规模的填海活动使研究区滨海湿地面积急剧减小，湿地生态系统受到严重破坏.本研究在 GIS 及 ESV 评估模型的支持下，对1985、1993、2002、2014年辽东湾北部区土地覆盖信息进行ESV空间分布模型的描绘以及时空演变的探究，以期为研究区土地资源合理利用、湿地等自然生态系统的修复与保护，资源的可持续利用以及经济可持续发展提供参考.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

辽东湾位于中国渤海海域内，具体包含了河北省大清河口到辽东半岛南端老铁山角以北的海域，因地处北纬39°左右，而成了中国纬度最高的海湾.其北部地区(东经121°14′～122°9′，北纬40°32 ′～41°12′)囊括了辽河三角洲的中心区域，生态地位十分重要.研究区海岸线绵长，临港产业和水产养殖业发展前景巨大，并且拥有丰富的湿地生态资源、珍稀动物资源、渔业资源以及油气资源，近几十年来引起人类的高度关注.由于人类社会经济发展需求的不断扩大，土地开发利用强度和程度不断加大，生态系统服务的功能受到削弱，破坏的情况也日益加剧.因此，基于土地利用及覆被变化的影响，对辽东湾北部地区进行生态系统服务能力的评估，揭示其时间和空间的演变特点，对修复和完善区域生态系统功能具有重要的实际意义.

1.2 数据来源

研究数据主要来源于美国地质勘探局网站(http://landsat.usgs.gov/)提供的研究区域1985、1993、2002、2014年的Landsat遥感影像.首先，以1∶50 000地形图为基准，结合“高分二号”卫星的高清影像，借助ENVI5.1 软件对获得的4期遥感影像进行预处理，其次，运用ArcGIS(10.2版本)软件，将土地利用类型分为水田、草地、裸地、水产养殖、旱田、湿地、水域及建设用地8个一级分类类型，绘制辽东湾北部区土地利用类型图(1985—2014年).最后，为了达到更加准确的表达效果，将研究区域划分为500 m×500 m 大小的网格单元，计算研究区域每个网格单元的4个时期的ESV平均值，并将其赋值到网格矢量文件和单元几何中心点矢量文件属性表中，得到平均生态系统服务价值的空间格局图.

1.3 研究方法

1.3.1 生态系统服务价值ESV的核算方法

由于国外学者Costanza[10]等提出的ESV评估方法不能直接运用于中国的生态系统服务价值的研究，本文采用谢高地[11]等改进后提出的当量因子法：

D=Sr×Fr+Sw×Fw+Sc×Fc.

(1)

其中，D为标准单位当量因子，指全国平均产量的农田每年每公顷的自然粮食产量的经济价值(元/hm2)，Sr、Sw、Sc为某年稻谷、小麦和玉米三种作物的播种面积分别占总播种面积的百分比(%)，Fr、Fw、Fc为该年全国稻谷、小麦和玉米的净利润(元/hm2).

计算辽宁省的地区修订系数：

(2)

其中，φ为辽宁省修订系数，Q为辽宁省单位面积粮食产量，Qo为全国单位面积粮食产量.

对研究区不同生态系统单位面积ESV进行修订：

Ei=φ×Eoi.

(3)

其中，Ei是经地区修订后的第i类土地利用类型的生态服务功能当量，Eoi为第i类土地利用类型的全国平均生态服务功能当量，i=1，…，8依次为水田、草地、裸地、水产养殖、旱田、湿地、水域及建设用地.

本文生态系统服务价值ESV数据采用韩增林[8]等对辽东湾北部区近30年生态系统服务价值与土地利用强度关系的研究.

1.3.2 空间自相关Global Moran’sI分析

Global Moran’sI用于描述研究区域各个单元ESV分布格局的空间相似程度，即空间自相关性[12].其中，-10时，为正相关；I<0时，为负相关；I=0时，不相关，即空间分布具有随机性[8].I值越大，各单元的空间相关性越显著，反之则越不显著.计算公式如下:

(4)

统计的Z(I)得分按以下形式计算:

(5)

其中，zi、zj是空间单元i、j的ESV值与其平均值之差，wij是空间单元i和j之间的空间权重，n为选取的要素总数，So是所有空间权重的聚合,E(I)是I的期望值，V(I)是I的理论方差值.若Z(I)属于[-1.65，1.65]，表明空间呈随机分布的状态，越大于此范围表示空间聚集越显著，越小于此范围表示空间分散越显著.

1.3.3 高/低聚类 Getis-Ord GeneralG分析

Global Moran’sI指数可以说明ESV 空间自相关性的存在模式，而Getis-Ord GeneralG可用于探测空间单元 ESV 是否存在高值或低值聚集的空间分布模式[13]，其计算公式如下:

(6)

其中,xi、xj分别表示空间单元i、j的ESV值，wi、j是二进制空间权重矩阵，n是选取的空间单元数量.G指数属于[0，1]，值越大表明高值聚集越显著，值越小越趋向于低值聚集.此外，运用G值与它的理论期望值E(G)相比较，并判断其标准化统计量Z(G)的显著性，分析ESV动态演变的空间聚集的特点.当G>E(G)且Z(G)显著时，表现为高值聚集；当G

(7)

其中,xj是空间单元j的ESV指数变化量,wi, j是二进制空间权重矩阵,n是空间单元数量.

2 结果与分析

2.1 土地利用/覆被变化

辽东湾北部地区的土地利用变化(表1)，在1985—2014年30 a间，从总体上表现为：旱地、水田、灌草丛、裸地、建设用地和水产养殖面积增加，分别增加了26.11 km2、102.84 km2、61.07 km2、95.59 km2、73.84 km2和278.86 km2；湿地和水系面积减少，分别减少了372.36 km2和265.95 km2.在变化率方面，裸地、旱地和水产养殖的变化幅度较大，分别为3 365.85%、2 637.37%和883.31%；建设用地、湿地、水系、水田和灌草丛的变化幅度较小，分别为191.39%、-94.82%、-75.61%、31.42%和12.19%.各个地类的面积变化呈现出的趋势如下：水系、建设用地和水产养殖的波动较小，其中水系面积逐年减少，建设用地和水产养殖面积逐年增加.而旱地、水田、灌草丛、湿地和裸地变化在不同的时间段出现了差异，呈波动变化的态势.其中,旱地面积只有在1993-2002年减少了2.27 km2，而其他年份都增加，总体来说仍呈增长趋势；水田面积在2002年前一直呈增长态势，仅在2002—2014年变化率为-3.37%，总体为增长状态；灌草丛面积仅在1993—2002年间减少，其他年份均在增长；湿地面积仅在1993—2002年间有所回升，增加了16.26 km2，其他年份都在减少；裸地面积变化的波动较大，表现出先增加、又减少、再增加的交替变动状态，但总体上仍为增长的状态.

表1 辽东湾北部区土地利用变化(1985—2014年)

通过制作并分析辽东湾北部区1985—2014年土地利用类型图看出：水田主要分布于研究区的东部地区，并且有不断向中部扩张的趋势；灌草丛主要分布于研究区的中部，即双台子河沿岸，有向沿海扩张的趋势，但整体上增加量不多；裸地的分布表现为波动变化的状态， 1985—1993年，人们对双台子河沿岸湿地进行开发，其西侧多用于水产养殖，而东侧则成为大面积裸地，导致裸地面积迅速增加，1993—2002年，双台子河东侧的大面积裸地被用于进行水田种植，使裸地面积迅速减少，2002—2014年，由于填海造陆等原因，研究区沿海地区的东西两侧各出现了一块裸地集中分布的区域，裸地面积再次增加；水产养殖在研究区西南侧增长迅速，到2014年几乎全部为水产养殖用地；旱地零星地分布在研究区的边缘地区，所占面积较少，总体呈增加状态；湿地在1985年集中连片分布于双台子河入海口的两侧，随后迅速减少；水系主要包括双台子河以及研究区的沿海地区，因其大部分被用作水产养殖、建设用地和裸地，所以面积处于不断减少的状态；建设用地主要呈斑点状散布于水田用地中，到2014年还有一部分呈块状集中分布于研究区域的东南侧，其面积呈不断增长的趋势.这些变化表明，在1985—2014年这30 a间，由于城市快速发展的需要，人类大面积开发和占用湿地、沿海滩涂及水系、流域等自然土地，并将其用于满足耕地种植、建设房屋和水产养殖等人为活动.

2.2 生态系统服务价值变化

2.2.1 各地类生态系统服务价值变化

1985—2014年辽东湾北部区各地类的ESV变化(表2)总体上表现为减少状态，从1985—2014年共减少了4 789.86×106元，变化率达到52.95%，虽然在1985—1993年略有增加，但变化率仅有1.08%，此后从1993—2014年一直处于减少状态，特别是2002—2014年，减少了4 449.44×106元，变

表2 辽东湾北部区各地类的 ESV 变化(1985—2014年)

化率高达51.12%.各个地类的ESV变化较大的有湿地、水系和水产养殖这三类用地，且这三类用地之间有密切联系，湿地和水系的ESV虽在一些年份略有增加，但总体上迅速减少，30 a内分别减少2 316.83×106元和4 072.34×106元，水产养殖的ESV一直呈现增长态势；旱地、水田、灌草丛和裸地的ESV在不同的研究区间有增有减，呈波动变化趋势，整体表现为增加态势，从1985—2014年，变化率分别为2 440.30%、21.97%、4.12%和3 115.21%；建设用地的ESV值则几乎可以忽略不计.

辽东湾北部地区的生态系统整体上呈退化状态，且退化状况不断加重.其中，总生态系统服务价值在1985-1993年因水产养殖业迅速发展而略有增加，但从1993—2014年，随着湿地和水域生态系统服务价值的大量减少以及水产养殖业提供生态系统服务价值的增长率逐渐放缓，生态系统服务价值的总量不增反降，下降的速度越来越快.进一步证明人类对自然生态资源的利用和索取的速度已经超过了生态系统恢复自身平衡以及继续为人类提供各种服务的能力.在各地类的ESV变化中，以湿地和水系为代表的自然滨海湿地和以水产养殖为代表的人工湿地ESV变化最明显.两者之间密切联系，许多自然滨海湿地以及河流流域被围垦用于海水养殖或填海造陆，导致自然海岸湿地大量消失，人工湿地面积迅速增加.因此，自然滨海湿地和水系提供的ESV减少，而水产养殖的ESV增加.旱地、水田、灌草丛和裸地的ESV值虽然有所增加，但相比于湿地和水系的ESV减少量，其增加值可以说是微不足道.此外，成倍增加的建设用地面积也在挤占本就不断减少的自然湿地面积，这也是导致研究区生态系统退化不断加重的原因之一.不同的土地利用方式会对生态系统服务价值带来间接影响，合理规划土地利用方式，及时采取措施进行生态恢复工程建设刻不容缓.

2.2.2 生态系统服务价值结构变化

依据生态系统提供服务的对象的不同，可将生态系统在划分为生产服务和生态调节两类一级服务结构的基础上，进一步划分出11种单项服务功能(表3).从一级服务功能来看：生态系统为人类的食物和原料生产服务供给在增加，但水资源供给和美学景观服务价值在下降，而为生态调节的ESV却在下降.

表3 辽东湾北部区ESV 结构变化(1985—2014年)

表3(续)

从进一步划分出的11种单项服务功能来看：食物生产和原料生产的ESV一直呈增长趋势，1985—2014年增长率分别达到889.93%和143.62%；水资源供给和美学景观的ESV一直在减少，1985—2014年分别减少了405.83×106元和265.78×106元；生态调节下进一步划分出的7种生态系统服务功能都表现为减少状态，但减少量不同，按减少量由多到少排列为：水文调节、生物多样性、净化环境、气候调节、土壤保持、气体调节和养分循环，分别为4 360.03×106元、425.44×106元、333.24×106元、145.87×106元、123.87×106元、69.56×106元和7.87×106元.

上述变化表明：1985—2014年，研究区生态系统为人类提供了生产和生活等方面的需求，也为城市化进程提供了大量支持，但与此同时，人类不断加强对自然环境的索取，削弱了生态调节功能，其中水文调节功能损害最为严重，以至于水资源供给功能甚至下降到几乎无法为人类提供服务，进一步证明辽东湾北部区自然滨海湿地的生态状况急需保护和修复.

2.3 平均生态系统服务价值空间分布格局

在ESV空间分异分析方面，为达到更加精确的效果，在ArcGIS10.2环境下，将研究区域划分为500 m×500 m 大小的网格单元，计算出研究区域内每个格网单元的4个时期的ESV平均值，得到平均生态系统服务价值的空间格局图.并将其划分为五个等级：低值(0～0.39×106元)、 较低值(0.39×106～0.95×106元) 、中等值(0.95×106～1.72×106元) 、较高值(1.72×106～2.65×106元) 、高值(2.65×106～4.0×106元).由平均生态系统服务价值的空间格局图分析得出，辽东湾北部区平均ESV的等级差别较大，在空间上总体呈现由海岸滨海湿地及河流沿岸向内陆减少的趋势. ESV高值区与较高值区主要分布在研究区的南部和中部，与海岸滨海湿地及入海河流所在位置基本一致，区域内主要是水田及水产养殖等水域用地；中值区主要位于较高值区与较低值区的过渡地带，且呈偏向于沿海及河流的带状分布；低值区域与较低值区主要分布在研究区的东部和西北部的内陆地区，其原因主要是区域内裸地和建设用地的分布比例较高.

2.4 空间自相关与冷热点区演化

2.4.1 空间自相关分析

由表4可以得出，辽东湾北部区4个年份的ESV的I指数均大于0，表示空间呈正相关，单元间的相关性显著，性质相近，并且Z(I)得分均远高于1%显著性水平的标准值1.65，表明区域ESV在空间上表现出聚集分布的格局，单元间的相关性也较强.通过比较研究区4个年份ESV的I指数和Z(I)值的变化发现，I指数和Z(I)得分以1993年为界先增加后减少，但增加的幅度不明显，且1985—2014年总体上在减少，这说明研究区生态服务价值的空间自相关性及空间集聚现象在总体上呈减弱趋势.随后，从ESV动态变化的空间自相关性角度分析，3个时间段DESV的I指数皆大于0，且通过与1%显著性水平的标准值相比较，说明研究区生态系统服务价值动态演化过程也具有较强的空间自相关性并呈现出一定的空间聚集的现象.

表4 辽东湾北部区空间自相关与高/低聚类指数

2.4.2 空间分布模式

通过分析辽东湾北部区ESV的高/低聚类指数(表4)可得出，ESV的G值与 E(G) 值均较小且非常接近，但总体而言，各年份ESV的G值均高于其对应的 E(G) 值，同时Z(G) 值也表现为显著，这表明辽东湾北部区 ESV的空间分布及其动态演变均存在高/低值聚集的模式.但同时Z(G)值以1993年为界先增加后减少，但增加幅度不明显，且总体上1985—2014年间在减少，这表明研究区ESV 空间分布及其动态变化的高/低值聚集程度均在减弱，并且表现为一定程度的破碎化的空间分布格局.相对来说，研究区ESV空间分布高值聚集的现象比低值聚集现象更加显著一些.

2.4.3 冷/热点区分布演化

从整体上看，研究区4个年份的ESV 热点区均主要在南部沿海岸线呈带状分布，在双台子河两侧沿岸呈块状分布，行政区为盘锦市和锦州市凌海市的沿海地区(具体包括凌海市建业镇、盘锦市盘山县石新镇、双台子区南尖子村、冯家湾村、兴隆台区葫芦头村、大洼区清水镇及疙瘩楼水库、营口市西市区永远角湿地等)；而ESV 冷点区均主要分布在研究区西北部和东部地区，即距离海岸线和双台子河较靠近内陆的地区，行政区包括盘锦市和锦州市.其主要原因是，研究区的南部及中部与沿岸湿地及河流分布位置基本一致，区域内主要分布水田及水产养殖等水域用地，提供了较多的生产服务；而研究区的东部和西北部的裸地和建设用地的分布比例较高，提供的生态系统服务价值自然较少.

从ESV动态变化上看，1983年ESV增值热点区主要分布在与自然湿地及水域用地分布位置基本一致的中部和南部，位于研究区中部的双台子河沿岸受人类活动干扰程度较低，所以成为高值区的聚集区域，但由于双台子河上游拦河大坝的建设，导致自然资源环境的破坏，使高值区与较高值区围绕双台子河呈碎块状分布；而单位面积ESV的低值与较低值区域主要位于研究区的西北部和东部，其原因是裸地和建设用地分布比例较高.1985—1993年，大洼区三角洲地区开展了大面积的围垦活动，使双台子河两岸的土地利用类型由湿地和近岸水域转化为水产养殖及水田，导致原本呈碎块状分布于双台子河两岸的ESV增值热点区由高值和较高值区转变为中值区，从而减少了热点区的范围；而双台子河入海口东侧的高值区和中值区都被低值区侵占，进一步扩大了冷点区范围.1993—2002年，ESV增值热点区的范围没有太大的变动；而冷点区范围有一定程度的缩小，其原因在于人为将大凌河河口进行了向东河流的改道，这就在一定程度上扩大了研究区西北部的中值区范围，从而使低值区面积有所减少.2002—2014年，研究区东南侧的ESV增值热点区迅速减少且破碎成块，并且不断被冷点区侵占，但研究区西南侧的ESV增值热点区迅速扩大并聚集成片，其主要原因是，东南部的土地利用方式中建设用地和裸地面积不断增加，尤其是2005年辽东湾新区的建设，使东部的建设用地面积不断扩大，导致东部的热点区逐渐被冷点区侵占并逐渐向西扩张，直至与研究区中部的低值区汇合；而研究区西南部的土地利用方式以水产养殖为主，使低值区和中值区被高值区取代，也就扩大了西南部的热点区范围.

从1985—2014年ESV总体动态变化上看，ESV增值热点区向沿海地区尤其是向双台子河流域聚集，并且由带状连片分布向孤立的块状分布演变，西北部成块分布的热点区有向中值区变化的趋势，东部的热点区逐渐减少并且不断破碎化；ESV损失冷点区在研究区西北部由成片分布向碎块化转变，同时中值区范围扩大，而东部的冷点区范围在扩大并不断侵占热点区，并且略有破碎成块的趋势.其主要原因为：双台子河流域的开发利用以及沿海地区的围垦和水产养殖业的发展迅速，使其提供的ESV值增加，但由于沿海自然滩涂湿地被人为开发为建设用地尤其是双台子河上游拦河大坝的修建，其生态系统服务价值逐渐减弱，并导致ESV热点区被破碎成块.

3 讨论与结论

3.1 讨 论

人类的土地利用方式在区域资源开发利用、快速城市化进程、政策引导、生态环境工程等因素的影响下，常引起覆被变化以及空间结构的转变，并由此驱动区域生态系统结构及服务功能的变化，而特定的生态环境条件又决定着该区域的覆被状况，进而反过来影响人类的土地开发利用方式[14].由此可见，各地区的土地开发利用方式与生态系统服务功能各具特点且相辅相成.因此，土地利用与生态保护应在因地制宜基础上促成联防联控联治式的区域合作关系,从全局的角度上协调区域之间的合作共赢，需要制定不同层级区域性合作方案, 构建起环境保护区与经济受益区之间的生态调节机制, 加强各个区域之间的配合，大力支持生态恢复工程建设，反对并阻止盲目的开发利用.本文基于土地利用/覆被变化相关数据，评估辽东湾北部区的生态系统服务价值，并结合GIS空间自相关统计方法，探讨ESV的时空格局及其动态演变.评估辽东湾北部区的生态系统服务价值.研究区生态服务功能价值正呈下降趋势，建设用地面积急剧扩张，大量的草甸湿地、沼泽化草地等湿地被开垦为耕地或用于水产养殖，导致人为土地利用类型的增加, 削弱了生态系统提供服务的能力.当地政府应当引起高度重视，加强土地管理，规划好土地利用的搭配方式，重视生态问题，加大力度保护湿地，在区域土地开发利用过程中要采取有力措施，保证人类社会初级生产能够拥有足够数量和质量的地面空间.研究结果具有一定科学借鉴意义，并且可以为合理地制定土地利用配置方案提供学术支持.但本研究采用的样本较少，客观上存在一定的不确定性，若能利用较多的近期高分辨率的遥感影像资源进行ESV评估，将进一步提高研究结果的精准度，其研究结果也将更加可靠.

3.2 结 论

(1)1985—2014年，辽东湾北部区的土地利用变化显著.各地类的面积变化：除湿地和水域面积迅速减少外，其他地类的面积均增加；变化率方面：裸地、旱地和水产养殖的变化幅度较明显，其余地类变化幅度较小；各地类的面积变化趋势：水系、建设用地和水产养殖的波动较小，旱地、水田、灌草丛、湿地和裸地变化呈波动变化的态势.

(2)辽东湾北部区的ESV在1985—2014年这30年间的总体上表现为减少状态，共减少了4 789.86×106元，变化率高达52.95%，生态系统服务价值的总量降低.在各地类的ESV变化中：以湿地和水系为主要代表的自然滨海湿地和以水产养殖为主要代表的人工湿地的ESV变化最为明显.在ESV结构变化中：生态系统在为人类提供食物和原料生产服务供给的能力在提升，但其在水资源供给和美学景观服务价值等方面的功能却在下降，而为生态调节的ESV却在下降，生态调节下进一步划分出的7种生态系统服务功能都表现为减少状态，但其减少量有所不同.

(3)辽东湾北部区平均ESV的等级差别较大，在空间上总体呈现由海岸滨海湿地及河流沿岸向内陆减少的趋势. ESV高值区与较高值区主要分布于与研究区沿海湿地及河流分布位置基本一致的南部及中部地区；中值区则分布在过渡地带，且略呈偏向于较高值区的带状；研究区的东部和西北部则成为ESV的低值区域与较低值区.

(4)从整体上看，研究区4个年份的ESV 热点区均主要在南部沿海岸线呈带状分布以及在双台子河两侧沿岸呈块状分布，这与滨海湿地及河流分布位置基本一致；而研究区西北部和东部地区生态系统服务价值少，成为ESV冷点区.从动态变化上看：ESV增值热点区因围垦和水产养殖业而快速发展，向沿海地区尤其是向双台子河流域聚集，并且由带状连片分布向孤立的块状分布演变，西北部成块分布的热点区有向中值区变化的趋势，东部的热点区逐渐减少并且不断破碎化；ESV损失冷点区在研究区西北部由成片分布向碎块化转变，同时中值区范围扩大，因建设用地面积不断扩张使东部的冷点区范围在扩大，不断地侵占热点区，并且略有破碎成块的趋势.