?？谑泻０稁鷳B系統服務及其時空變異

喻露露, 張曉祥, 李楊帆, 趙杏杏, 馬生全, Huhua Cao,曹均闊

1 河海大學地理信息科學與工程研究所，南京　210098 2 廈門大學海洋與海岸帶發展研究院，廈門　361102 3 海南師范大學信息學院，海口　571158 4 Department of Geography, School of International Development and Global Studies, University of Ottawa, Ottawa K1N 6N5, Canada

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?？谑泻０稁鷳B系統服務及其時空變異

喻露露1, 張曉祥1, 李楊帆2,*, 趙杏杏1, 馬生全3, Huhua Cao4,曹均闊3

1 河海大學地理信息科學與工程研究所，南京210098 2 廈門大學海洋與海岸帶發展研究院，廈門361102 3 海南師范大學信息學院，?？?71158 4 Department of Geography, School of International Development and Global Studies, University of Ottawa, Ottawa K1N 6N5, Canada

摘要:海岸帶位于陸地、海洋交匯地帶，有著重要的生態價值，但也是生態環境較為脆弱的地區。以?？谑袨檠芯繀^，研究?？谑泻０稁鷳B系統服務及其時空變異?；?990、1995、2004和2012年4期Landsat TM影像得到土地利用覆蓋數據；采用基于當量因子的生態系統服務價值評價方法，結合海口市實際情況，構建了?？谑泻０稁鷳B系統服務價值動態評估模型；借助GIS空間分析技術，應用局部空間自相關模型，定量研究了生態系統服務價值(ESV)的時空變異特征。研究結果表明：(1)在生態系統服務的總值方面，過去20多年的ESV整體變化不大，但近年來ESV有所降低，生態環境出現退化趨勢。(2)在生態系統服務的時空變異方面，?？谑泻０稁SV的空間正相關性顯著，空間集聚程度較高，高值區主要集中于中心城區西部和東寨港周圍，低值區主要集中于中心城區；近來，在發展城市經濟和保護生態環境的雙重作用下，位于中心城區的低值區和位于東寨港紅樹林自然保護區的高值區都有所輻射擴張。

關鍵詞：生態系統服務；GIS；空間相關性；?？谑泻０稁?/p>

生態系統服務(Ecosystem Services)是指生態系統與生態過程所形成及維持的人類賴以生存的自然環境條件與效用[1]，近年來，全球土地利用的變化導致全球生態系統服務功能的大量損失[2]。生態系統服務體現了生態系統的功能狀況，對于像海岸帶這種人類活動劇烈、脆弱性程度高的敏感地帶，進行生態系統服務的價值評價與空間分析具有重要意義[3- 4]。1997年Costanza等對全球生態系統服務功能進行劃分與評估[5]，成為定量評價生態系統服務的里程碑。近年來，國外學者從生態系統服務的定義、度量指標、評估方法等方面進行了更深入的研究[6- 8]，在評估過程中越來越重視模型方法的使用[9- 10]，并開始注重研究單項生態系統服務之間的相互作用[11- 12]。而國內學者主要在以下幾方面取得較大發展：對生態系統服務價值評估方法的比較[13- 14]，對不同區域和不同自然地理區的生態系統服務價值的評估[15]，對森林[16]、海洋[17]、草地[18]、湖泊[19]等不同類型生態系統服務價值的評估，對生態多樣性保護[20]、土壤保持[21]、環境凈化[22]等單項生態系統服務價值的評估，對生態系統服務價值響應區域土地利用[23]或景觀格局變化[24]的研究，對生態系統服務評估新方法的探索[25- 26]。但總體而言，國內學者在評估生態服務價值時，大多依據Costanza等[5]或謝高地等[27]的研究成果，直接使用單位面積生態系統服務價值的平均值進行計算，或者通過生物量、生物多樣性等修訂方法間接估算區域生態系統服務的價值。這種方法主觀性較強，不能充分地反映特定區域生態系統的結構和特性，因此，構建符合研究區域客觀情況的評價模型很有必要。

空間相關性和空間異質性普遍存在于地理對象的空間格局問題中，對地理數據進行空間分析是地理學領域的重要方向?？臻g自相關分析作為空間分析的一個分支，用于探索空間變量的相關性和相關程度，和Tobler的地理學第一定律密切相關[28]。生態系統服務價值和各種地理實體一樣，存在著空間關聯性，但之前的大部分研究都只是靜態的快照式研究，忽視了它的復雜性、動態性以及非線性相關性。對生態服務價值空間分布的聚集模式、關聯特征進行定量研究，有利于理解研究區生態系統的空間格局特征，揭示生態服務價值變化的影響因素和驅動機制。

本文在借鑒已有研究成果的基礎上對?？谑泻０稁У纳鷳B系統服務價值進行研究，利用多期遙感影像分類數據及其它統計數據，結合當地實際情況，構建海口市海岸帶生態系統服務價值動態評估模型，對各年份的生態系統服務價值的分布情況進行了可視化展示，定量研究分析了生態系統服務的時空分布特征和規律，為區域可持續發展提供決策依據。

1研究區與數據準備

海口市地處我國海南省北部沿海，海南省也是我國第二大海島海南島，?？谑呛Ｄ鲜〉氖衷O秀英、龍華、瓊山、美蘭4個區。?？谑泻０毒€長約136.2km，其中自然岸線長101.7km，占全市海岸線的74.7%，人工岸線長34.5km，占全市海岸線的25.3%，主要用于旅游、港口碼頭、防潮堤和防波堤、工程用海、漁業養殖等。?？谑泻０稁郦M長，其東部的東寨港紅樹林自然保護區為國家級自然保護區，也是國際重要濕地保護區之一，對海岸帶起到重要的保護作用。海南島最長的河流南渡江從?？谑泻０稁е胁看┻^而入海，河流搬運大量的泥沙堆積在入?？?，造成海岸淤積，對海岸線產生一定的影響。?？谑泻０稁Ы^大部分區域屬于?？谑兄行某菂^范圍，人口壓力大，道路密度高。此外，海口市海岸帶擁有豐富的旅游資源，在旅游開發的同時，由旅游業帶動的房地產行業也得到蓬勃發展，建設用地的擴展趨勢非常強烈。海口市海岸帶的過度開發趨勢明顯，土地利用結構變化劇烈，導致當地生態系統服務功能發生明顯的改變。

研究區海岸線東起澄邁灣，西至鋪前鎮，海岸帶研究范圍分為陸域部分和海域部分，陸域部分為自海口市海岸線向陸延伸10km的濱海陸地，海域部分由沿海灘涂、紅樹林兩類濕地生態系統組成。

圖1　海口市海岸帶研究區示意圖Fig.1　Location of Haikou city coastal zone

序號Sequencenumber數據名稱Dataname數據格式Dataformat數據時間Datatime數據來源Datasource1遙感影像Landsat條帶號成像日期123/46,124/461988-06-08,1991-10-30123/46,124/461994-08-12,1995-09-23123/46,124/462004-02-13,2004-12-20123/46,124/462012-06-29,2012-10-26美國馬里蘭大學遙感數據下載網站2海南省糧食產量統計數據1990,1995,2004,2012海南省統計年鑒3海南省耕地面積統計數據1990,1995,2004,2012海南省統計年鑒4海南省糧食價格統計數據2001海南省統計年鑒5海南省GDP統計數據1990,1995,2004,2012海南省統計年鑒

本文基于研究區的4期(1990年、1995年、2004年、2012年)Landsat TM遙感影像數據，同時結合土地利用現狀數據進行遙感影像分類，將研究區的土地利用分為耕地、林地、建設用地、沿海灘涂、紅樹林、水域和未利用土地7類。為研究生態系統服務價值的需要，結合海口市海岸帶自然地理環境，將沿海灘涂和紅樹林劃為濕地生態系統，林地劃為森林生態系統，耕地劃為農田生態系統，水域劃為水體生態系統，未利用土地劃為未利用地生態系統，另外，考慮到建設用地對生態環境產生的負效應遠遠大于正效應，故本文不考慮其生態系統服務價值[23]。在綜合考慮研究區范圍、數據的疏密性以及工作效率的基礎之上，將土地利用數據的格網大小定為500m×500m。除了遙感數據之外，其他數據還包括海南省的糧食產量、糧食價格等數據。

2研究方法

2.1生態系統服務價值動態評估模型構建

本文采用基于當量因子的生態系統服務價值評價方法，構建?？谑泻０稁鷳B系統服務價值動態評估模型。根據謝高地等[27]的定義，生態系統生態服務價值1個當量因子為1hm2全國平均產量的農田每年自然糧食產量的經濟價值，在生態系統服務體系中對應為農田食物生產服務，1個生態服務價值當量因子的經濟價值量為當年全國平均糧食單產市場價值的1/7。

我國各地的自然地理環境差異顯著，這決定著各地的糧食產量及生態系統的生物量相差較大，所以需要對文獻[27]制定的代表全國平均水平的生態服務價值當量因子表進行改進，使其符合區域特征。海口市海岸帶生態系統服務價值動態評估模型的構建如圖2所示，包括3個部分：(1)影像數據預處理，對獲得的遙感影像進行分類、類型合并，得到各生態系統的面積；(2)生物量修訂，結合海口市海岸帶的實際生物量，得到各生態系統的生物量因子調整系數；(3)地區糧食產量、價格調整，計算一個當量因子的價值量值。

圖2　?？谑泻０稁SV動態評估模型構建流程圖Fig.2　The flowchart of building dynamic evaluation model of coastal Ecosystem Services Values in Haikou city

關于模型中的生物量修訂，一般來說，生物量越大，生態服務功能越強[29]，于是為研究方便起見，假設生物量與生態系統服務價值呈線性關系，并在此基礎上利用植被凈第一生產力(net primary productivity, NPP)的比較分析進行生物量因子的調整[30]。植物的凈第一性生產力(NPP)反映了植物群落在自然環境條件下的生產能力，因而能夠反映出各土地類型的生態服務的高低。另外，關于地區糧食價格的調整，本文剔除價格變化的影響，直接將2001年?？谑懈鞣N糧食作物的平均價格定為糧食單產值的計算價格。

模型中所涉及到的計算公式及其變量含義見表2。

2.2局部空間自相關分析

為定量研究?？谑泻０稁鷳B系統服務的空間分布差異和變化規律，本文在利用構建好的價值評估模型計算出各年份的生態系統服務總價值的基礎上，采用Moran散點圖和空間聯系的局部指標(LISA)相結合的方法，進行局部空間自相關分析，探索局部空間關聯模式，反映空間關聯模式的顯著性水平。具體流程見圖3，分為A、B和C三部分。其中，A部分為數據預處理，得到ESV格網數據；B部分為探索局部空間關聯模式，通過計算區域單元的空間權重矩陣，得到Moran散點圖；C部分為反映空間關聯模式的顯著性水平，計算局部Moran′s I指數，并進行顯著性水平檢驗，結合Moran散點圖，得到LISA聚類地圖和LISA顯著性水平圖。

表2　評估模型中的公式及其變量

圖3　?？谑泻０稁SV時空變異分析流程圖Fig.3　The flowchart of spatial-temporal variation analysis of coastal Ecosystem Services Values in Haikou city

Moran散點圖的橫軸是各單元標準化處理后的屬性值，縱軸為該單元與周圍單元屬性值的加權平均，即空間滯后因子。Moran散點圖的4個象限表達了空間單元與鄰域的4種空間聯系類型，分別為“高高(HH)”、“高低(HL)”、“低高(LH)”和“低低(LL)”。HH類型和LL類型為正的空間自相關關系，表示空間單元和周邊單元的空間差異程度小，而HL類型和LH類型為負的空間自相關關系，表示空間單元和周邊單元的空間差異程度大。

空間聯系局部指標值由局部Moran′s I指數計算得到，計算公式為：

(1)

在給定顯著性水平α的情況下，可用標準化統計量對局部Moran′s I指數的顯著性進行檢驗，如公式(2)所示。

(2)

式中，Z(Ii)表示Ii的標準化，E(Ii)表示Ii的數學期望，VAR(Ii)表示方差。

本文利用Geoda095i軟件計算空間權重矩陣，繪制Moran散點圖，計算局部Moran′sI指數，并在顯著性水平P=0.05的情況下，利用99次置換方法對局部Moran′sI指數進行顯著性檢驗。

3結果與分析

3.1數據假設

本文基于前人的研究成果[31- 32]，計算了海口市海岸帶生物量因子調整系數?；跀祿目色@得性，除農田、森林之外的其他生態系統的生物量水平未做調整，具體情況見表3。

表3　生態系統生物量因子調整系數及其基礎數據

關于?？谑泻０稁ЪZ食產量的調整，考慮到本研究的重點以及數據的可得性，將海南省的糧食產量作為?？谑泻０稁У募Z食產量來參與計算。表4是通過查閱海南省的各年份統計年鑒，計算得到的海南省各年份單位耕地面積的糧食生產情況，以此為基礎得到?？谑泻０稁Ц髂攴莸?個生態服務價值當量因子的經濟價值量En。

表4　海南省各年份單位耕地面積糧食生產情況

3.2生態系統服務價值評估結果分析

表5和圖4顯示了?？谑泻０稁鷳B系統的面積變化情況和分布變化情況。從表5可以看出，從1990至2012年，海口市生態系統的面積發生了很大的變化，變化最明顯的是未利用地生態系統和水體生態系統。首先，未利用地生態系統減少了89.27%，這體現了人類對未利用土地的開發力度。其次，水體生態系統增加了63.72%，這和水產養殖面積的增大密切相關。

表5　海口市海岸帶各年份各生態系統面積

圖4　海口市海岸帶生態系統分布圖Fig.4　The distribution diagram of ecosystem in Haikou coastal zone

表6和圖5顯示的是?？谑泻０稁Ц髂攴萆鷳B系統服務價值情況。總體看來，對生態系統服務總價值貢獻最大的是森林生態系統，其次是農田生態系統和水體生態系統。從時間角度來看，?？谑泻０稁鷳B系統服務總價值在1990至2004年之間處于增長趨勢，在2004至2012年之間出現下降的情況。對于單個生態系統而言，水體生態系統的生態系統服務價值持續增加，未利用地生態系統的生態系統服務價值持續減少，而森林生態系統、農田生態系統和濕地生態系統的生態系統服務價值都處于有增有減的狀態。

表6　海口市海岸帶各年份生態系統服務價值表/(104元)

圖5　?？谑泻０稁鷳B系統服務價值變化情況Fig.5　Changes in ecosystem services values in Haikou coastal zone

3.3生態系統服務價值時空變化總體特征

本研究利用GIS技術將生態系統服務總價值量化到每個格網，來分析生態系統服務價值的時空演變。圖6為各年度生態系統服務價值的空間分布情況圖。從空間角度來看，由于海口中心城區西面的森林覆蓋率比較高，生態完整性好，所以生態服務價值高；東寨港周圍分布有國家級的紅樹林保護區，人類活動干擾程度低，所以生態服務價值也較高；?？谑兄行某菂^人口密度高，城市化水平高，對自然生態系統的干擾程度大，所以生態服務價值低。從時間角度來看，1990—2012年間，生態系統服務高值區域在不斷縮小，且離散度變高，而低值區域以海口市中心城區為中心向周圍不斷擴張。

圖6　?？谑泻０稁鷳B系統服務價值空間分布Fig.6　The spatial distribution of ecosystem services values in Haikou coastal zone

3.4生態系統服務價值局部空間自相關分析

Moran散點圖(圖7)展現了區域單元和周圍單元的空間聯系形式，從圖中可以看出，生態系統服務價值散點主要分布在第一象限(HH)和第三象限(LL)，第二象限(LH)和第四象限(HL)散點分布相對較少，說明生態系統服務價值具有較大的空間正相關性。從1990至2012年，沿趨勢線分布的散點越來越多，散點與趨勢線匹配的效果越來越好，這體現了自相關程度的增強。

LISA聚類圖(圖8)是對Moran散點圖中通過了顯著性檢驗的區域單元的地理表達。可以看出，生態系統服務價值之間的空間集聚主要為空間相似值之間的集聚，空間奇異值極少，這印證了Moran散點圖所揭示的空間正相關性。和生態系統服務價值的分布情況相一致，高值集聚區主要分布在中心城區西面和東寨港周圍，低值集聚區主要是以中心城區為中心分布。

LISA顯著性水平圖(圖8)顯示了和周圍單元具有顯著的空間聯系的區域單元。從空間上看，大部分區域的相關性不顯著，主要在高值集聚區和低值集聚區表現出較高的顯著性水平，顯著性水平達到0.01的區域位于顯著性水平達到0.05區域的中間位置。從時間上看，較高顯著水平(P=0.01)的區域面積呈增長趨勢，主要發生在東寨港周圍以及海口市中心城區周圍，表明這部分區域的生態系統服務價值在空間分布上的差異性變小，空間趨同性增強。

圖8　海口市海岸帶4個時期生態系統服務價值顯著性檢驗Fig.8　The significance testing of the ecosystem services values in Haikou coastal zone

4結論與討論

本文在借鑒已有的研究成果基礎之上，采用基于當量因子的生態系統服務價值評價方法，結合?？谑泻０稁У膶嶋H自然地理和社會經濟情況，構建了?？谑泻０稁鷳B系統服務價值動態評估模型，并利用局部空間自相關模型，對生態系統服務價值的時空變異性進行研究。研究表明：

(1)?？谑泻０稁г?990、1995、2004和2012這4a的生態系統服務價值(ESV)分別為37.05億元、41.46億元、42.19億元和39.24億元。整體變化不大，但近年來ESV有所降低，生態環境出現退化趨勢。

(2)?？谑泻０稁鷳B系統服務價值有顯著的正空間相關性，空間集聚程度較高，高值區主要集中于中心城區西部和東寨港周圍，低值區主要集中于中心城區；1990—2012年，高值區以中心城區為中心向四周輻射擴張，低值區在東寨港周圍有所增加，而在中心城區西部有所減少。

本文在對生態系統服務價值的研究過程中不僅考慮到區域差異，而且實現了動態評估。在空間上，通過生物量指標對全國平均水平的生態系統服務價值當量因子表進行修訂；在時間上，通過各年份的海南省糧食產量調整，實現生態系統服務價值的動態評估。此外，在對生態系統服務的時空變異研究方面，不同于大多數對生態系統服務價值分布格局的空間展示，本研究利用GIS空間分析的方法，對生態系統服務價值空間聚集規律和空間關聯模式的動態變化進行定量研究。

本研究也存在著一些不足之處。首先，本文是從土地利用角度來估算生態系統服務價值，所以對土地利用類型的解譯精度要求較高。其次，由于中國陸地生態系統服務價值當量表是以全國民眾對各項服務的生態服務的可能的支付意愿和支付能力為基礎的，所以在構建地區生態系統服務價值評估的模型中，需要考慮到當地對各項生態系統服務的支付意愿和支付能力。受限于數據來源的局限，本研究對這些因素考慮不足，有待進一步發展和改進。

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Coastal ecosystem services and their spatial-temporal variation in Haikou, China

YU Lulu1, ZHANG Xiaoxiang1, LI Yangfang2,*, ZHAO Xingxing1, MA Shengquan3, Huhua Cao4, CAO Junkuo3

1Instituteofgeographicinformationscienceandengineeringresearch,Hohaiuniversity,Nanjing210098 ,China2CoastalandOceanManagementInstitute,Xiamenuniversity,Xiamen361102 ,China3DepartmentofComputerScience&Technology,HainanNormalUniversity,Haikou571158 ,China4DepartmentofGeography,SchoolofInternationalDevelopmentandGlobalStudies,UniversityofOttawa,OttawaK1N6N5,Canada

Abstract：The coastal zone is in the land-ocean interaction area, which has great ecological importance and the ecological environment of this zone is often vulnerable. In the present research, the coastal zone in Haikou, China was selected as a case study to explore the coastal ecosystem services and their spatial-temporal variation. Firstly, four Landsat TM images collected in 1990, 1995, 2004, and 2012 are interpreted to obtain the land use/cover data. Secondly, based on the equivalent factor method of Ecosystem Services Values (ESV) evaluation and the local conditions, a dynamic assessment model of ecosystem services values in the Haikou coastal zone was constructed. Finally, using GIS-based spatial analysis technology and the local spatial autocorrelation model, the spatial-temporal variation characteristics of Ecosystem Services Values were quantitatively studied. Analysis of the results indicated: (i ) Change in ESV in the past twenty years has been insignificant, with ESV decreasing in recent years; thus the ecological environment has shown a trend of degradation; (ii) the spatial-temporal variation of ESV in the Haikou coastal zone is clear: spatial correlation is significant and the degree of spatial agglomeration is relatively high. High values are mainly distributed in the western part of the downtown area, and surrounding Dongzhaigang, whereas low values are mainly distributed in the downtown area. Recently, under the dual-strategy of economic development and environmental protection, both the low value downtown area and the high value Dongzhaigang mangrove nature reserve area have experienced continuous radiation expansion.

Key Words:ecosystem services; GIS; spatial correlation; Haikou coastal zone

基金項目:國家國際科技合作項目(2012DFA11270); 國家自然科學基金項目(41201394); 海南省國際科技合作專項(KJHZ2014-25)

收稿日期:2014- 10- 10; 網絡出版日期:2015- 08- 18

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: yangf@xmu.edu.cn

DOI:10.5846/stxb201410101994

喻露露, 張曉祥, 李楊帆, 趙杏杏, 馬生全, Huhua Cao,曹均闊.?？谑泻０稁鷳B系統服務及其時空變異.生態學報,2016,36(8):2431- 2441.

Yu L L, Zhang X X, Li Y F, Zhao X X, Ma S Q, Cao H, Cao J K.Coastal ecosystem services and their spatial-temporal variation in Haikou, China.Acta Ecologica Sinica,2016,36(8):2431- 2441.