浙江省耕地破碎化与其生态系统服务价值的空间关联特征

何 旺，潘润秋，b

（武汉大学，a.资源与环境科学学院；b.地理信息系统教育部重点实验室，武汉 430079）

耕地作为自然生态系统重要的组成部分，是中国粮食安全的物质基础，更是维护区域生态安全和可持续发展的重要保障［1］。伴随着中国城市化持续推进，建设用地扩张占用城镇周边优质耕地的现象频发，耕地景观破碎化趋势加剧，由此引发的各类生态环境问题突出，造成耕地生态系统服务功能的种类减少、强度受损，对中国耕地保护和区域稳定构成威胁［2］。因此，基于耕地破碎化的生态系统服务价值研究对区域耕地保护、耕地生态系统服务价值的保育与恢复具有重要参考价值。

当前关于耕地破碎化的研究主要集中于不同尺度耕地破碎化的定量测算以及耕地破碎化与农村收入、农业经济水平、耕地利用效率的关系研究［3-7］，对耕地破碎化与耕地生态系统二者之间的关系研究缺少关注；由于耕地的多功能性，其空间形态的变化直接影响到生态系统服务功能的种类与强度，进而影响到耕地生态系统服务的价值。现阶段国内对于生态系统服务价值的研究日趋成熟，谢高地制定的符合中国国情的“中国陆地生态系统服务价值当量因子表”得到诸多学者的认同和广泛应用［8-10］；已有研究一方面围绕在不同尺度下森林、草原、农田等生态系统服务价值的时空特征分析，另一方面展开土地利用变化对生态系统服务价值的影响研究［11-14］。随着相关研究的深入，有学者开始重视农业景观破碎化时空演变及其对生态供给服务的影响探讨［15-17］，但目前尚处于市域尺度的研究，且依然缺乏耕地破碎化与其生态系统服务价值在空间上的聚集特征与空间关联性的定量研究。鉴于此，以浙江省68 个行政单元为研究对象，运用空间计量方法分析浙江省县域耕地破碎化与其地均生态系统服务价值的时空演变特征及空间格局差异，并利用双变量Moran’s I指数深入探讨二者之间的空间关联特征，分析耕地生态系统服务价值对耕地破碎化的空间依赖性。研究结果弥补了耕地破碎化与生态系统服务价值空间关联研究的不足，也为制定耕地管理政策、实现耕地资源可持续利用提供依据。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

浙江省位于长江经济带南翼，是东部沿海最具发展活力的省份之一。地势由西南向东北倾斜，按地形地貌可大致划分为浙南山地、浙西中山丘陵、浙东低山丘陵、浙中金衢盆地、浙北平原和东南沿海平原及滨海岛屿六大区域。浙江省耕地资源稀缺，素有“七山一水二分田”之说，耕地集中分布在平原、盆地地区，人均耕地仅400 m2左右，不到全国人均耕地水平的一半。

1.2 数据来源

以浙江省县级行政区为基本研究单元，考虑到与统计年鉴数据口径保持一致，将各地级市辖区合并为一个市辖区，最终包括11 个市辖区和57 个县市，共68 个研究单元。浙江省2000 年、2005 年、2010 年、2015 年4 期土地利用数据（分辨率30 m×30 m）来源于中国科学院资源环境科学研究中心，提取研究区域耕地数据进行景观破碎化指数测算。各研究单元生态系统服务价值测算基础数据来源于2000—2015 年《全国农产品成本收益统计资料汇编》以及浙江省统计年鉴。

2 研究方法

2.1 耕地破碎化综合指数测算

景观指数分析法是通过fragstats 软件测算景观破碎化的景观指数来分析耕地的破碎化特征，已被广泛应用于景观破碎化研究［3-6］。在前人研究基础上，综合考虑研究区域特征，确定斑块密度（PD）、边缘密度（ED）、景观形状指数（LSI）、平均斑块面积（AREA_MN）、平均周长面积比（PARA_MN）、分离度（DIVISION）及聚集度指数（AI）7 个景观指数来综合反映耕地的破碎化特征。为分析浙江省县域尺度耕地破碎化水平及时空演变特征，实现不同年份的对比，选用基于时间变量的熵权法来确定指标权重［18］，进而计算耕地破碎化综合指数，计算步骤如下。

1）由于各指标量纲不同，采用极值标准化法进行标准化处理。

2）计算第j项指标的信息熵。

式中，ej为第j 项指标的信息熵，ej≥0；k＞0，k=ln（r×n）；Pθij为第θ 年第j项指标下县市i的值占该指标的比重；r 和n 分别表示样本中年份的个数和样本中研究单元的个数；Yθij为第θ 年县市i 的第j 项指标的标准化结果。

3）计算第j项指标的权重。

式中，wj为第j个指标的权重；m 为指标总数。4）求耕地破碎化综合指数。

式中，Zθi为第θ年县市i的耕地破碎化综合指数。

5）计算研究时段内耕地破碎化综合指数变化率。

式中，μ 为t1 至t2 时间段耕地破碎化综合指数的变化率。

2.2 生态系统服务价值测算

基于谢高地等［8］于2015 年修订的“单位面积生态系统服务价值当量表”，确定耕地生态系统服务价值基础当量对应的旱地、水田生态系统服务价值当量（表1）。结合浙江省各研究单元的粮食作物单位面积产量，采用研究单元单位面积粮食产量与同期全国单位面积产量之比确定研究单元的修正系数［10］。并借鉴谢高地等［9］基于单位面积农田生态系统粮食生产的净利润表示一个标准当量因子的生态系统服务价值量的思路，测算全国尺度标准生态系统服务价值当量的经济值。为消除长时间尺度农作物价格波动以及经济发展成本不断变化对标准生态系统服务当量因子经济价值的影响，选取全国2000—2015 年单位面积净产值的平均值作为1 个标准当量生态系统服务价值量E0，计算步骤如下。

1）计算修正系数。

式中，λ 为研究单元生态服务价值当量修正系数；f 为研究单元粮食作物单位面积产量；F 为同期全国粮食作物单位面积产量。

2）计算耕地生态系统服务价值。

式中，ESV 为研究单元的耕地生态系统服务价值；Ai为耕地类型（指旱地、水田）的面积；VCi为第i类耕地类型基于修正系数λ 修正后的生态系统服务价值系数；ECij为第i 类耕地类型第j 项生态系统服务的价值当量，k=11；E0=1 853.29 元/hm2。

3）计算地均耕地生态系统服务价值及其变化率。

由于各研究单元的耕地生态系统服务价值总量受面积影响较大，导致县域间生态系统服务价值不具有可比性。因此，利用公式（9）求地均耕地生态系统服务价值来探究研究区地均生态系统服务价值时空演变特征，并由公式（10）计算各研究单元AESV 变化率。

式中，ESV 为研究单元耕地生态系统服务价值总量；A 为研究单元耕地总面积；AESV 为地均耕地生态系统服务价值；AESVt1、AESVt2分别为t1 和t2 时地均耕地生态系统服务价值；C 为地均耕地生态系统服务价值变化率。

2.3 双变量空间自相关分析

空间自相关包括全局自相关与局部自相关，主要用于描述变量的空间分布是否具有聚集性［19］。为刻画多个变量之间的空间相关性，Anselin 等［20］在Moran’s I 指数的基础上提出了双变量空间自相关，来揭示不同要素空间分布的相关性特征。因此，本研究利用全局双变量Moran’s I 指数检验耕地破碎化综合指数与AESV 之间是否存在空间相关性以及相关程度的大小，而局部双变量Moran’s I 指数用于检验不同行政单元之间是否存在空间相关性。

3 结果与分析

3.1 耕地景观破碎化时空演变

利用Fragstast4.2 软件测算浙江省2000—2015年耕地景观破碎化指标并计算指标变化率，结果（表2）显示，斑块密度、边缘密度、景观形状指数、平均周长面积比、分离度5 个正向指标均表现为逐年增长的趋势，平均斑块面积和聚集度指数2 个负向指标逐年减小。16 年间各指标变化率表现为斑块密度变化最为明显，16 年间增加了34.15%，边缘密度、景观形状指数、平均周长面积比、分离度分别增加16.75%、8.75%、6.04%、2.04%，负向指标平均斑块面积和聚集度指数分别减少了25.45%和0.90%。对比3 个时间段的各指标变化率发现，除平均周长面积比外，其他指标在2000—2005 年变化幅度最大，2005—2010 年、2010—2015 年变化幅度相对减弱。研究时段内浙江省耕地破碎化程度持续增加，但增加幅度逐渐减缓。

表1 耕地单位面积生态系统服务价值当量

表2 2000—2015 年浙江省耕地破碎化指标变化率 （单位：%）

基于考虑时间变量的熵权法求得4 个时间点各研究单元的耕地破碎化综合指数。为了清楚地表征县域尺度耕地破碎化综合指数的时空演变，将耕地破碎化综合指数分为5 个级区：Ⅰ级（Z≤0.3），Ⅱ级（0.3

图1 2000—2015 年浙江省耕地破碎化综合指数的空间分布

从图1 可以看出，浙江省耕地破碎化综合指数在空间分布上有明显的差异性，高值区集中在浙西丘陵、浙东丘陵以及浙南山地一带，低值区主要分布在中部金衢盆地、浙北平原以及东南沿海平原地区，说明地形是导致耕地破碎化差异的重要因素。各地区破碎化程度在16 年间随时间的变化趋势上表现为Z 在0.4 以上的地区逐年增加，至2015 年，Z 大于0.4 的县市占比高达85.29%，其中Z 在0.6 以上的占31.03%，浙江省耕地破碎化程度持续恶化。2000 年耕地破碎化程度处于Ⅰ级至Ⅴ级的县市分别为6、18、22、7、15 个（图1a），至2005 年Ⅰ级至Ⅴ级的县市分别为5、13、24、11、15 个（图1b）；2010 年仅有12 个县市Z 得分在0.4 以下（图1c），浙江省北部县市耕地破碎化综合指数明显增加；另外，2015 年Z 在0.5 以上的县市有37 个（图1d），相较于研究初期增加了15个。以上结果表明各地区耕地破碎化综合指数呈逐步递增趋势，北部平原和中部盆地一带的县市破碎化程度增加更为明显，关于耕地破碎化具体变化情况还需要通过变化率进一步分析。

从图2 可以看出，2000—2005 年仅庆元县、遂昌县、舟山市区、淳安县、岱山县的Z 是减少的，其余县市的Z 均明显增加，其中有17.46%的县市增长率在15%以上，53.97%的县市增长率在0～5%（图2a）。2005—2010 年65 个县市的Z 处于增长趋势，其中70.77%的县市增长率处于0～5%，仅永康市、海宁市、义乌市、慈溪市的Z 增长率在10%以上（图2b）。2010—2015 年仅慈溪市、海盐县、洞头县、桐乡市、上虞市、平湖市的Z 减小，其余县市的Z 均增加（图2c）。3 个时间段耕地破碎化程度变化率呈逐步减小趋势，增长率集中在0～5%，与前述省域耕地破碎化指标的变化趋势相同，浙江省县域耕地破碎化程度加剧，而耕地破碎化增加率逐渐减小。总体来看，2000—2015 年，有95.56%的县市耕地破碎化程度加剧，其中有23 个县市的Z 变化率在15%以上，且集中分布在宁波、嘉兴、绍兴、温州、台州、金华市区以及这些市区的相邻县市（图2d），说明随着城镇化快速发展，建设用地扩张，导致经济发达地区耕地破碎化趋势更为严重。

图2 2000—2015 年浙江省耕地破碎化综合指数变化率的空间分布

3.2 耕地生态系统服务价值时空演变

测算浙江省2000—2015 年耕地生态系统服务价值（ESV）可知，16 年间ESV 减少57.13 亿元；浙江省地均耕地生态系统服务价值（AESV）亦呈下降趋势，由2000 年 的9 215.30 元/hm2降 低 到2015 年 的8 290.96 元/hm2，AESV 降低10.03%，表明研究期内浙江省耕地生态系统持续恶化。由公式（9）计算各县市的AESV，得到AESV的空间分布（图3）。为了准确地表达AESV 的时空演变趋势，将AESV 进行了5 个等级的划分：低值区（≤7 000 元/hm2）、较低值区（7 000～8 000 元/hm2）、中值区（8 000～9 000 元/hm2）、较高值区（9 000～10 000元/hm2）、高值区（＞10 000元/hm2）。

AESV 的分布格局与同期耕地破碎化综合指数大致处于相反趋势（图3）。2000 年AESV 高值区集中分布在浙北平原，并在湖州市、宁波市、绍兴市等地连绵成片，而低值区集中在丽水市及周边地区，这是由于研究区耕地资源集中分布在平原、盆地地区，山地地区本身耕地资源匮乏、破碎，生态经济产出效益差；至2015 年仅湖州市区AESV 在10 000 元/hm2以上，较高值区明显减少，低值区明显增多，形成集中成片的趋势。研究时段内各县市AESV 表现为高值区逐步减少并向低值区扩展，浙江省北部地区高值区减少幅度尤为明显，表明经济发达地区耕地生态系统破坏严重，AESV 存在持续降低的趋势。

图3 2000—2015 年浙江省AESV 的空间分布

从AESV 变化率分布格局上看，研究时段内AESV 变化幅度与耕地破碎化综合指数的变化幅度大致处于相同趋势（图4），耕地破碎化综合指数增长幅度大的地区，AESV 降低幅度相对较大。2000—2005 年有83.82%的地区AESV 呈降低趋势，降低幅度较大的地区集中在东部沿海地区且连接成带（图4a）。2005—2010 年有69.12%的地区处于降低趋势，但降低幅度均在10%以下，有30.88%的地区处于升高趋势（图4b），表明该时间段AESV 降低趋势有所减缓，且部分地区耕地生态系统逐步改善，AESV有所提高。2010—2015 年有73.53%的地区AESV 趋于降低，而浙江省西部的开化县和衢州市区、浙江东部及东南部部分县市AESV 表现为较高幅度的上升（图4c）。总体来看，2000—2015 年有86.76%的地区AESV 呈下降趋势，其中32 个地区AESV 的减少率在10%以上，集中分布在杭州、宁波、嘉兴、绍兴、温州、丽水市区以及这些市区的部分相邻县市（图4d），说明城镇化发展水平越高，侵占耕地的现象越严重，耕地破碎化程度越高，AESV 减少越严重。

图4 2000—2015 年浙江省AESV 变化率的空间分布

3.3 耕地破碎化综合指数与AESV 的空间自相关分析

利用Geoda软件空间分析工具，建立空间邻接关系的权重矩阵，计算耕地破碎化综合指数与AESV 之间的全局空间自相关指数。研究时段内全局Moran’s I 均为负值，P 远小于0.01（表3），通过了1%水平的显著性检验，说明研究时段内浙江省耕地破碎化指数与AESV 之间一直存在显著的空间负相关关系，破碎化程度较高的区域AESV 较低，与前述研究结果一致。研究时段内全局Moran’s I 指数的绝对值一直呈下降趋势，Moran’s I 指数的绝对值由2000 年的0.472 4 降低至2015 年的0.373 2，这一现象表明随着社会经济的发展，浙江省耕地破碎化指数与耕地生态系统服务价值之间的空间负相关性逐渐减弱。

表3 全局空间自相关性分析

为更直观地观察各县市耕地破碎化综合指数与AESV 的空间相关类型及分布情况，利用Geoda 绘制双变量局部空间自相关LISA 聚集图（图5），用于表征区域耕地破碎化综合指数与AESV 之间为高-高（H-H）/低-低（L-L）的空间正相关，或低-高（L-H）/高-低（H-L）的空间负相关，或无显著的空间相关性。

图5 耕地破碎化综合指数与AESV 的双变量LISA 聚集情况

由图5 可知，研究时段内耕地破碎化综合指数与AESV 的空间聚集主要分布在浙北平原、浙南山地以及浙东丘陵一带的城市，且有一定变动，其中高-低聚集区大多分布在丽水市及其周边地区。该区域是高耕地破碎化所围绕的低AESV 的地区，形成这种聚集的原因是这些县市位于山地、丘陵地带，耕地资源匮乏，破碎化程度高，且难以规模化经营，单位耕地面积粮食作物产量较低，地均耕地生态系统服务价值也相对较低。低-高聚集区域分布在杭州市区、湖州市、嘉兴市以及绍兴市的部分县市，这些县市是被低耕地破碎化所围绕的高AESV 的地区，究其原因为低-高聚集区位于浙北平原一带，地理条件优越，耕地资源总量大，质量高，破碎化程度较低，地块集中整齐，有利于农机投入，单位面积耕地产量高，较好的生态环境提供生态服务功能的种类多、强度高，耕地的生态系统服务价值也随之较高。

4 小结与讨论

1）浙江省耕地破碎化综合指数呈明显的空间差异，高值区集中分布在山地、丘陵区，低值区聚集在平原、盆地区；研究时段内，区域耕地破碎化趋势持续加剧，且变化率高值区主要集中在地势平坦、城市化水平高的浙北平原、东南沿海平原及金衢盆地一带，低值聚集区主要位于地势起伏大、经济发展一般的浙西、浙东丘陵及浙南山地等地区。

2）AESV 空间格局与同期耕地破碎化综合指数分布大致处于相反趋势，高值区集中分布在浙北平原，低值区分布在浙南山地。从变化率来看，2000—2015 年AESV 减少幅度最大的区域集中在浙江北部地区，与破碎化指数增加幅度较大的区域分布大致相同，研究时段内，耕地破碎化增长幅度越大的地区其AESV 降低的幅度也越大。

3）研究时段内，耕地破碎化综合指数与AESV 之间存在显著的空间负相关关系，高-低聚集区域分布在浙南山地与浙东丘陵地区，低-高聚集区域分布在浙北平原地区。

分析了浙江省县域耕地破碎化时空演变的动态过程，在此基础上从动态角度分析耕地破碎化过程对其生态系统服务价值的影响，并利用双变量Mo⁃ran’s I 指数分析了耕地破碎化空间分布与AESV 空间分布的空间关联特征，是对已有研究的补充与细化。研究结果表明，浙江平原、盆地地区城镇化迅猛发展，建设用地侵占城镇周边的大量优质耕地，导致耕地面积减少，破碎化趋势加剧，引发耕地生态系统萎缩、生态环境恶化，是造成浙江省地均耕地生态系统服务价值降低的主要原因。因此，政府及有关部门必须结合耕地的生态效益和各地区城镇化发展状况，制定差别化耕地保护制度以及长期有效的耕地补偿机制。