廣西北部灣沿岸地區生態系統服務價值變化及其驅動力

羅盛鋒,閆文德

1 中南林業科技大學,長沙 410004 2 桂林理工大學旅游學院,桂林 541004 3 南方林業生態應用技術國家工程實驗室,長沙 410004

劇烈人類活動影響下,全球氣候環境及區域生態系統格局發生顯著變化,生態系統服務功能的重要性日漸凸顯[1- 2]。區域結構特征是反映生態系統狀態關鍵指標,合理量化生態系統服務并比較不同功能為人類提供的利益是當前研究的熱點[3- 4]。隨著生態系統服務功能研究的不斷深入,生態系統服務定量評估方法日趨成熟,常見的方法有條件價值法、影子工程法、市場機會法和資產價值法等[5- 9]。謝高地等人提出的基于專家知識的生態系統服務價值評估法具有使用簡便、數據需求少、結果可比性高、評估較全面等優點,作為快速評估工具被眾多研究人員用以評估區域生態系統服務價值[10- 11]。

2008年我國提出將廣西北部灣經濟區建設成為重要國際區域經濟合作區,這一定位對促進我國西部大開發、面向東盟開放合作和廣西經濟社會發展起到極大的推動作用。北部灣近海沿岸地區作為陸地和海洋相互作用區域,人類活動頻繁、干擾強烈,是環境敏感地區和生態脆弱地區[12]。近年來,隨著這一地區經濟和城市化迅速發展,人口快速增長和資源過度消耗使得環境污染不斷加劇,海水倒灌、植被退化和土地沙化等嚴峻的生態問題日漸涌現,已對北部灣經濟區生態系統管理構成了嚴重的威脅[13- 16]。但當前關于北部灣沿岸地區生態系統結構和功能演變的研究較少,快速的經濟發展和劇烈的區域生態系統結構變化間的關系仍不清楚。因此,評估北部灣經濟區沿岸地區生態系統服務功能并研究其演變特征及其驅動力,對促進北部灣經濟區生態建設和可持續發展具有非常重要的意義。

為了解廣西北部灣沿岸地區生態系統結構和功能變化規律,本文基于Landsat數據,通過3S技術獲取北部灣沿岸地區1999、2006和2014年土地利用/覆蓋分布圖,并采用改進的單位面積價值當量法[17]估算研究區不同時期生態系統服務價值,分析生態系統服務價值的時空演變特征,揭示生態系統服務價值變化的主要驅動因素,以期為北部灣沿岸地區土地資源的合理配置、生態環境保護和生態旅游開發提供科學依據。

1 研究區概況

廣西北部灣沿岸地區瀕臨南海,東自洗米河口與廣東接界,西至北侖河與越南分界,自東向西涵蓋北海、欽州和防城港3個地級市。該區地處北回歸線以南的低緯度地區,南瀕熱帶海洋地區,受海洋性季風影響,屬于熱帶季風氣候。年均溫在20—26℃,年平均日照時間1750—2650h,光照充足,終年溫暖,常年多雨[12]。地勢總體西高東低,從陸地向海洋傾斜,地理特征明顯,沿海地形破碎,海岸曲折。沿海、沿疆、沿邊的三重疊加,是北部灣與國內其他地區相比所具有的鮮明特征。現階段主要以工業和第三產業為主導,由傳統產業逐步向新型制造業和現代服務業轉型,結構不斷優化,特別是旅游類服務業增長迅速,使得該區域經濟產值取得了跨越式發展。1999—2014年間,研究區旅游人數從1058.78萬人次增長到2981.9萬人次,旅游收入從43.01億元次增長到750.24億元,A級景區從6個增長到34個。

本文選取北海市的合浦縣、銀海區、鐵山港區、海城區、欽州市的欽南區、防城港市的港口區、防城區和東興市8個區縣為研究區(圖1),總面積約8840km2,所有區縣均有濱海的區位優勢,且經濟發展的戰略地位突出。

圖1 研究區位圖Fig.1 The study area

2 研究方法

2.1 數據來源與處理

以時序Landsat衛星影像數據為基礎數據,選擇研究區1999、2006和2014年無云、生長季/非生長季的高質量影像,并配合DEM(Digital Elevation Model)、土地利用現狀圖、森林清查成果、交通網絡圖等專題圖為輔助數據[18]。

根據研究區地物特點,參照《土地利用現狀分類標準》(GB/T 21010—2007),將研究區土地利用/覆蓋分為8大類：林地、果園、建設用地、耕地、水體、水產養殖用地、紅樹林和裸地。在ENVI軟件支持下,采用監督分類結合人工目視矯正,完成3期遙感影像解譯。精度驗證結果表明3個時期的分類精度分別為85.63%、85.27%和89.96%,滿足研究需求。

2.2 生態服務價值評估

生態系統服務功能概念被提出后不斷深化和發展,而千年生態系統評估(MA, Millennium Ecosystem Assessment)的定義使用最為廣泛[19-21]。為量化生態系統服務功能,將研究區土地利用類型合并為六大生態系統(表1),參考謝高地等2015年提出的最新研究成果[17],評估北部灣沿岸地區的生態系統服務價值。生態系統服務由供給、調節、支持和文化四大類構成,在此基礎上劃分為11小類,各生態系統的單位面積生態系統服務價值當量見表1,標準當量因子的生態系統服務價值量為3406.5元/hm2[17]。

表1 單位面積生態系統服務價值當量

2.3 驅動指標體系

生態系統服務價值演變的驅動包括自然環境和人文影響兩方面[22],短時間內生態系統演變主要是人文驅動影響。參考相關研究[11, 23],收集人口指標、經濟指標和旅游指標3方面的人文驅動因子(表2)。所有指標都是按照區縣為單位進行收集,涵蓋了1999、2006和2014年3個時期,部分數據存在缺項,但不影響后續研究分析。

表2 生態系統服務價值演變驅動力指標體系

3 結果與分析

3.1 生態系統變化

3.1.1 生態系統總面積變化

1999—2014年,農田和森林是研究區最主要的生態系統,且耕地、林地和果園面積變化顯著(表3)。1999年和2006年研究區耕地面積最大,具有景觀基質特性,其次是果園、林地。2014年果園面積達2720.13km2,而耕地面積僅為2636.67km2,景觀基質發生變化,果園成為該區域景觀基質,其次是耕地、林地、建設用地、水體、水產養殖、裸地,紅樹林面積最小。從面積變化率來看,建設用地變化率最高,說明研究區城市擴張、經濟發展速度較快。紅樹林、耕地、裸地的面積不斷減少,紅樹林消失情況最為嚴重,說明生態環境惡化加劇了天然濕地生態系統退化。

表3 1999—2014年間北部灣沿岸地區各生態系統面積變化

3.1.2 生態系統空間分布與格局變化

1999—2014年北部灣沿岸地區各類生態系統總量變化劇烈,但其空間分布特征并未顯著改變。總體來看,林地主要分布在西部,耕地主要分布在東部,水體主要分布在南部,果園則鑲嵌在整個區域內(圖2)。各區縣生態系統類型分布差異顯著,可分為3類：(1)以海城區代表的城市生態系統景觀,1999年建設用地面積49.64km2,且隨著時間推移面積不斷增加,2014年達到58.82km2,占海城區面積的63.26%。(2)以合浦縣、欽南區、港口區、銀海區和鐵山港區為代表的典型農業生態系統景觀,耕地和果園是主要景觀基底,水果的較高經濟效益造成1999—2014年間耕地向果園轉變情況嚴重。(3)以東興區和防城區為代表的典型農林復合景觀,林地面積最大,其次為果樹和耕地,生態工程實施使該區域高海拔、陡坡地區的果樹和耕地轉變為林地。

圖2 北部灣沿岸地區3期生態系統分布圖Fig.2 The ecosystem types distribution in study area for years of 1999, 2006 and 2014

生態系統的格局特征決定區域生態過程,而生態系統服務功能受區域生態過程調控,因此景觀格局指數被用來分析北部灣沿岸地區生態系統的格局變化[24- 26]。斑塊密度(PD, Patch Density)可描述各類生態系統的破碎化程度[27],建設用地PD持續增長(表4),說明該區域城市呈現爆發式擴張,但并非攤大餅式擴張,而是比較分散的建設,使其破碎化越來越嚴重。耕地和林地破碎化程度先增大后減小,說明耕地斑塊以零星狀態減少,而林地斑塊以零星狀態增長。果園斑塊數量雖然較多,但持續減少,且PD最大但持續減小,而果園面積在1999—2014年間有所增加,說明果園是成片變化,新增斑塊使果園形成更大的斑塊,從而降低其破碎化程度。紅樹林的PD變化趨勢與果園相似,但其面積不斷減少,說明紅樹林成片消失使得破碎度減小。散布與并列指數(IJI, Interspersion and Juxtaposition Index)可反映各類景觀的散布與并列程度[27],從表5得知水產養殖用地具有零散分布的特點,其IJI最大。紅樹林的IJI呈現小幅增加后大幅減少的趨勢,說明初始階段紅樹林分布比較零散,后來隨著面積減少而比較集中。林地的IJI呈現先大幅增加后小幅增加的持續增長趨勢,說明初始狀態林地比較集中,隨著森林面積的增加其分散程度也在不斷加大。其他類型的IJI變化幅度較小,且均在70左右,說明這些類型在空間分布上較分散。

表4 1999—2014年間各景觀類型斑塊密度變化

表5 1999—2014年間各景觀類型散布與并列指數變化

景觀水平選擇斑塊密度(PD, Patch Density)、景觀形狀指數(LSI, Landscape Shape Index)、蔓延度指數(CONTAG, Contagion Index)、景觀聚集度指數(COHESION, Patch Cohesion Index)、香農多樣性指數(SHDI, Shannon′s Diversity Index)5個指標[28- 29]來分析北部灣沿岸地區生態系統格局動態(表6)。PD呈現出先增大后減小趨勢,說明人類活動影響下研究區景觀總破碎度呈現先增大后減小的趨勢,且2014年破碎程度比1999年大。1999年和2006年的LSI差異較小,而2006—2014年的LSI大幅減小,說明人類對土地的不斷開發和利用使景觀形狀越來越簡單。CONTAG變化趨勢說明景觀蔓延度先減小后增大,但2006年和2014年間的差異較小。COHESION持續減小,變化幅度小,說明人類活動雖然使各生態系統類型和斑塊大小發生了轉變,但整個景觀的團聚程度變化不顯著。1999—2014年間SHDI先增大后不變,說明北部灣沿岸地區在城市發展過程中各生態系統的分布越來越均勻。

表6 北部灣沿岸地區景觀水平景觀格局指數

3.2 生態系統服務價值變化

3.2.1 生態系統服務價值總量變化

1999—2014年北部灣沿岸地區生態系統服務功能總價值由4.83×1010元增加到5.40×1010元(表7)。森林生態系統服務總價值最高,超過研究區總價值的50%。水域的生態系統服務總價值較高,且持續增大;濕地生態系統服務功能總價值先增大后減小,整體小幅減少0.74%。農田生態系統服務總價值不斷減小,1999—2014年間由4.87×109元減小到3.49×109元。雖然耕地面積較大,但農田生態系統服務總價值較小;而水域面積最小,但其生態系統服務總價值較大;森林生態系統服務總價值最大,說明其是北部灣沿岸地區非常重要的生態系統。

表7 1999—2014年間北部灣沿岸地區各類生態系統服務價值及變化

3.2.2 生態系統服務價值類型間變化

1999—2014年間除食物生產、氣體調節和維持養分價值有所減少外,其他服務類型的價值均呈現增長趨勢(表8)。從供給服務組成上來看,食物生產和原料生產價值為正,農田生態系統耗水使得水源供給為負。隨著農田生態系統向森林生態系統演變,食物生產價值減少,原料生產和水源供給價值增加。從調節服務組成上來看,水文調節價值最高,凈化環境價值最低。隨著生態系統演變,特別是森林生態系統和水域面積的增加,水文調節價值不斷增大,而氣體調節、氣候調節和凈化環境價值先增大后減小,1999—2014年氣體調節價值減少了8.61×106元。從支持服務組成來看,生物多樣性和土壤保持價值較大,且呈現先增大后減小的變化趨勢;而維持養分價值較小,且持續減小。文化服務只有美學景觀一項,隨著北部灣沿岸地區生態系統演變,美學景觀價值先增大后減小,因為2006年以后不合理的開發降低了該區域的文化服務功能。總體來看,調節服務價值比例最高,變化量最大,而文化服務價值比例最低,變化量最小。

3.2.3 生態系統服務價值空間變化

分析單位面積生態系統服務價值(圖3),北部灣各區縣面積和生態系統構成差異較大,可按區縣平均生態系統服務水平分為兩類：(1)以東興市為代表的平均服務水平較高的區縣,(2)以海城區為代表的平均服務水平較低的區縣。高服務水平的區縣中,東興市單位面積生態系統服務價值最大,經濟發展促使耕地、林地向果園轉變使得該區域生態服務價值呈增大后較小的趨勢。合浦縣、防城區、欽南區和港口區單位面積服務價值較大,但前三個區縣從1999—2014年間不斷增大,港口區卻有減小趨勢。低服務水平的區縣中,海城區單位面積生態系統服務價值最小,且持續減小。而鐵山港區和銀海區是典型的農業景觀區縣,單位面積服務價值較小,呈小幅波動。

表8 1999—2014年間北部灣沿岸地區各類型生態系統服務價值變化

圖3 不同年份各區縣單位面積生態系統服務價值Fig.3 Per unit area ecosystem service value (Yuan/hm2) of each county for years of 1999, 2006 and 2014

以1km×1km網格為單位統計并分析1999—2014年間生態系統服務價值總量變化(圖4)可知,較高ESV (Ecosystem Service Value) 區域主要分布在研究區西部,而較低ESV區域主要分布在海城區周圍。1999—2006年間ESV減少的區域比較分散,ESV增加的區域主要是合浦縣耕地轉變為果園的區域;2006—2014年間ESV減少的區域主要集中在城市開發區域,高經濟效益的水果刺激讓更多的耕地轉變為果園,因此合浦縣和欽南區連片耕地ESV提升。

圖4 1999—2014年間北部灣1km×1km網格內生態系統服務價值變化Fig.4 Ecosystem service value change of the fishnet with 1km × 1km from 1999 to 2014

3.3 生態系統服務價值變化驅動力

利用1999—2014年間北部灣各區縣生態系統服務價值和對應驅動指標進行相關分析,剔除相關性較低的因子并進行逐步回歸分析(表9)。供給服務價值僅有一個回歸方程,且自變量為人口密度,其他生態系統服務價值均有兩個回歸方程,且最終自變量均為綜合城鎮化率。而本文中的綜合城鎮化率為城鎮人口占總人口的比例,屬于人口結構指標,人口結構的變化會導致區域經濟、生態結構變化,最終影響北部灣沿岸地區生態系統服務功能。人口密度反映了各區縣人口分布狀況,可能會影響區域生態系統數量及聚集、破碎等空間分布特征從而改變區域生態系統供給功能。

表9 北部灣沿岸地區生態系統服務價值回歸模型

表中,y：服務價值(元);x7：綜合城鎮化率(%);x13：農民人均純收入(元);x6：人口密度(人/km2);x8：GDP總量(億元);x15：林業生產總值(萬元)

分析生態系統服務總價值、調節服務價值、支持服務價值和文化服務價值得知,農民人均純收入是生態系統服務總價值和文化服務價值第二重要的驅動因子,農民人均純收入能描述生活水平、社會福利,當農民人均純收入較高時文化服務需求才會提高,因為提升了文化服務價值和生態系統服務總價值。GDP總量是調節服務價值第二重要驅動因子,說明區域生態系統調節服務功能受區域經濟發展的影響。林業生產總值是支持服務價值第二重要的驅動因子,突出了森林生態系統在支持服務上的重要性。

4 討論

4.1 生態服務價值評估方法

改進的當量因子法雖然是一種靜態的評估方法,使用簡單、數據需求少,特別適用于區域尺度生態系統服務價值的評估[17]。此外,當量因子法計算的生態系統服務價值能有效反應區域時空動態,可以滿足北部灣沿岸地區生態系統服務價值在時間和空間上動態變化的研究[11]。

北部灣濱海,雖然研究區范圍內水域面積較小,但其生態系統服務價值總量僅次于森林生態系統,這可能是謝高地等最新研究成果[17]中極大的提升了水域的生態系統服務價值當量,特別是水源供給和水文調節價值量。改進后的價值當量評估方法將生態系統進行二級劃分,且修正了多項服務價值,但在水域的生態系統服務價值是否存在高估的可能性,還有待進一步探討。此外,雖然水田在進行糧食生產過程中會消耗大量水,但區域尺度下水稻用水量的分配及耗水機理仍不清晰[30],農田生態系統的水源供給價值可能過分低估。

4.2 生態系統空間分布與演變

生態系統服務功能空間分布(3.1.1節)與生態系統空間分布(3.2.2節)存在聯系,也有顯著差異。海城區是典型的城市生態系統,單位面積服務價值最小,卻與鐵山港區、銀海區這種典型農業景觀的區縣的生態系統服務能力相差不大,都在40000元/hm2左右。鐵山港區和銀海區農業生產用地以水田為主,其對水資源的需求使得水源供給為負值,降低了區縣平均生態系統服務水平。東興市、防城區是典型的森林生態系統為主要的區縣,但單位面積服務價值卻與合浦縣、海城區和欽南區這種農業生態系統為主的區縣相近。合浦縣、海城區和欽南區有大面積的果園,其生態服務能力介于森林和農田之間,能提升區縣平均生態系統服務水平。

1999—2014年間,城市擴張使建設用地不斷增加,生態系統服務總價值也不斷增加。從各類生態系統服務價值變化來看,僅有森林生態系統和水域的服務價值有增長,而其他生態系統的服務價值均有減小,其中農田生態系統服務價值減小得最多。北部灣沿岸地區生態系統服務總價值的增長可能得益于耕地向果園和林地的轉變,使北部灣沿岸地區的生態系統從以農田為主導變為以森林為主導。因此,快速城鎮化的同時保障退耕還林等生態工程的實施可有效提升區域生態系統服務功能。

4.3 生態系統服務演變驅動

生態系統服務價值是生態系統服務功能的直接體現[31],本文采用改進的價值當量法來評估服務價值,價值的變化能有效反映北部灣沿岸地區生態系統服務功能的演變。驅動機制有定性和定量兩種研究方法,定性研究僅將收集的數據進行簡單的趨勢分析后通過文字的形式描述[29],而定量研究通過數學分析方法找到生態系統服務價值演變的原因及其與相關因子間的關系,但模型的解釋性不如定性分析,且數據獲取性較差。

本研究的數據均由相關部門提供,通過相關分析和主成分分析剔除存在共線性以及與生態系統服務無關的數據后,選取較關鍵的25個指標對區縣各類生態系統服務價值進行逐步回歸分析,模型及相關待估參數均達到顯著水平,結果顯示綜合城鎮化率是主導北部灣沿岸地區生態系統服務價值變化的驅動因素。逐步回歸得知農民人均純收入、GDP總量和林業生產總值是影響北部灣沿岸地區生態系統服務價值的重要因素。雖然模型的精度較高,但區域條件的限制性使得該統計模型使用受限。近年來北部灣發展的產業調整、生態保護等相關政策措施難以量化,但政策措施無疑是促使該區域經濟發展的關鍵因素。科學定量化生態系統服務價值并權衡生態系統服務需求[32],為景觀調控方案制定提供依據,推進生態旅游開發,實現生態與經濟協調發展將是北部灣沿岸地區是未來研究的重點。

5 結論

掌握生態系統結構及其功能的時空變化規律是開展科學生態系統管理的重要前提,如何衡量人類在滿足自我需求的同時對自然資源和生態系統服務功能的改變程度是當前研究值得關注的一個問題。本文分析了從1999—2014年北部灣沿岸地區生態系統格局動態,并進一步對該區域生態系統服務價值的時空演變特征及其驅動機制進行了研究。結果表明：

(1)1999—2014年,城市點狀、離散擴張使得城市生態系統面積增加了473.33km2,破碎化程度加劇;生態環境的破壞給濕地生態系統帶來毀滅性的破壞,紅樹林不斷消失,2014年僅存13.07km2,破碎度增加;林地和果園的面積呈現先增加后減小趨勢,但林地呈零星狀增長,破碎化程度增高,果園則與之相反。耕地面積急劇縮減,破碎化程度先增大后減小,說明耕地斑塊以零星狀態減少。

(2)生態系統服務總價值不斷增長,2014年高達為5.40×1010元。生態系統構成中,森林生態系統服務價值最高,約占研究區總價值的50%,且呈增長趨勢;生態系統服務構成中,除食物生產、氣體調節和維持養分循環價值有所減少外,其他類型生態系統服務價值均呈增長趨勢。雖然生態系統類型在空間分布存在顯著差異,但以城市生態系統為主的海城區和以農田生態系統為主的鐵山港區、銀海區的平均生態系統服務水平差異較小,而以森林生態系統主的區縣與以農林(農田-經濟林)生態系統為主的區縣的平均生態系統服務水平差異較小。

(3)驅動力分析表明,綜合城鎮化率是影響北部灣沿岸地區生態系統服務價值變化的重要驅動因素,說明區域生態系統服務價值與社會經濟發展相互耦合,科學定量化研究區域生態系統服務價值演變驅動機制依然是未來研究的重點。

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