基于生態系統格局變化的東西部結合區生態服務價值評價
——以珠江—西江經濟帶為例

肖紅克, 王 莉, 李洪忠, 陳勁松, 韓 宇

(1.河南理工大學 測繪與國土信息工程學院, 河南 焦作 454000;2.中國科學院深圳先進技術研究院 空間信息研究中心, 廣東 深圳 518055)

隨著區域經濟一體化的迅速發展和城市化進程的迅猛推進，人類的生產生活改變了自然界原有的生態系統結構和功能[1]。然而人類生存環境的優劣和生活質量的高低都和生態系統有著密不可分的聯系，生態系統的格局和結構變化特征在一定程度上展示了各種生態系統類型的空間分布規律和不同生態類型的空間結構關系，不同類型生態系統的變化可以很好地反映出人類活動與生態系統間的相互關系[2]。目前，國內關于生態系統格局變化特征的研究主要集中在城市[3-4]、流域[5]、自然保護區[6]、生態脆弱區[7]、生態屏障區[8]。生態系統能較好地與人類發展系統互相聯系起來主要是由于生態系統服務概念的提出[9]。生態系統服務是指通過生態系統的結構、過程和功能直接或間接得到的生命支持產品和服務，從而形成和維持了人類生存的基礎保障和發展的環境條件與效用[10-12]。目前基于謝高地[13-14]等改進的中國陸地生態系統服務價值當量表，采用當量因子法對不同類型、不同尺度的生態系統服務價值進行評價并分析其時空分異性成為了生態系統服務研究的一大熱點[15]。萬勤等[16]對新疆生產建設兵團2000—2010年的生態服務價值時空分異特征進行了分析，同時指出人為開墾是導致新疆兵團生態系統服務價值變化的首要因素；李哲等[17]以艾比湖濕地自然保護區為研究區，結合地統計方法分析了艾比湖生態服務價值時空變化及分異特征；盛曉雯等[18]基于土地利用變化研究和分析了京津冀地區各城市生態系統服務價值的時空差異；羅盛峰等[19]采用格網的方法計算和分析了廣西北部灣沿岸地區生態服務價值，并分析了北部灣沿岸地區不同生態系統空間分布變化與驅動因素。以上研究為開展生態環境建設、加強區域生態安全和生態補償研究起到了積極的實踐作用。

珠江—西江經濟帶在地域上較好地把我國東部發達地區與西部欠發達地區連接在了一起，主要包括廣東省4市和廣西省7市，11市在社會經濟發展和自然生態環境方面存在較大差異[20]，主要表現在廣西段比廣東段自然資源豐富，而廣東段經濟較廣西段發展快。當前隨著城市化的發展、經濟發展速度的加快、資源需求的增加，珠江—西江經濟帶面臨著環境污染和生態破壞等問題，水資源和水環境方面的問題尤其突出[21]?，F階段對其整體及內部生態系統格局變化特征研究較少，不能很好地掌握其生態環境變化情況。已有的研究大多集中探究土地利用變化下對其生態服務價值的影響，而將生態系統格局變化和生態服務價值聯系起來的研究較少，并且基于東西部結合區開展生態服務價值評價的成果更少，不能很好地為基于區域經濟協同發展背景下研究不同區域、不同尺度下的生態服務價值評價提供借鑒意義?；诖耍狙芯恳詫俚湫蜄|西部結合區的珠江—西江經濟帶為研究區域，基于遙感影像資料提取珠江—西江經濟帶2000—2015年生態系統類型數據，分析其生態系統格局變化特征；使用修正后的生態服務價值系數對研究區不同尺度下的生態服務價值進行評價，研究其生態系統格局變化下的生態服務價值時空變化特征，以期獲得對該區域生態系統格局和生態服務價值變化過程有更加清晰的認識，同時對珠江—西江經濟帶整個流域加強生態環境建設，推動流域經濟和生態健康發展，開展區域生態補償機制研究提供科學依據。

1 研究區概況

珠江—西江經濟帶主要包括廣東省的廣州、佛山、肇慶、云浮4市和廣西壯族自治區的南寧、柳州、梧州、貴港、百色、來賓、崇左7市[22]，鄰近南海，地處中國華南地區，地理位置為104°28′—114°03′E，21°36′—26°03′N，總面積1.65×105km2。珠江—西江經濟帶在區域協調發展和面向東南亞國家對外開放合作中起著重要的示范作用。珠江—西江經濟帶氣候類型亞熱帶季風性濕潤氣候，年均溫22.4 ℃，年均降水量1 806 mm。大部地區氣候溫暖，熱量豐富，雨水豐沛，干濕分明，日照適中。地形以山地、丘陵為主，森林覆蓋率高，自然資源豐富，航運條件優越。2015年末常住人口5 348.69萬人，地區生產總值37 009.48億元，其中廣州市的GDP占珠江—西江經濟帶總量的48.91%，遠遠高于其余10市，而南寧市的GDP僅占9.21%，不到佛山GDP總量的1/2。近些年來隨著基礎設施的修建以及經濟的加速發展，對區域內部生態系統環境變化產生了一定的影響，間接造成了其生態服務價值空間格局的變化。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

生態系統類型數據是基于珠江—西江經濟帶2000，2005和2010年Landsat 5TM影像以及2015年Landsat 8OLI影像，在ENVI 5.3和eCognition 8.7軟件支持下，對遙感影像進行幾何校正等預處理工作，采用基于面向對象的分類方法解譯而來。其中影像來源為USGS(http:∥glovis.usgs.gov)；結合《土地利用現狀分類》(GB/T21010-2017)和國家《生態環境遙感調查分類規范》，將研究區的生態系統分為森林、草地、農田、濕地、人工表面和其他生態系統共6大類型(表1)；2000—2015年珠江—西江經濟帶糧食作物的總產量和種植面積來源于《廣東省統計年鑒》、《廣西壯族自治區統計年鑒》，各市統計公報等統計資料。糧食作物價格來源于《中國農產品價格調查年鑒》?；A地理數據包括2015年珠江—西江經濟帶市、縣界行政區劃數據。

表1 珠江-西江經濟帶生態系統分類體系

2.2 研究方法

2.2.1 生態系統類型面積年均變化率 年均變化率可以表示研究區一定年限內某種生態類型面積變化速度的快慢，計算公式為：

(1)

式中：Ua，Ub——研究初期和末期某一生態系統類型的面積；T——研究時長(a)。

2.2.2 生態系統類型轉移矩陣 根據不同時期、不同生態系統類型的面積，分別統計2000—2005年、2005—2010年和2010—2015年的轉移矩陣[2]，具體數學表達形式為：

(2)

式中：S——生態系統類型面積；i，j——研究初期和末期的生態系統類型，n——生態系統類型數。

2.2.3 生態系統服務價值估算 使用謝高地等[14]最新修訂的中國生態系統單位面積生態系統服務價值當量表，并結合珠江—西江經濟帶的生態系統類型一級類和二級類進行當量因子的調整與計算，此外本研究對研究區的人工表面生態系統的生態服務價值不作評估，因此價值當量為0。參考農田生態系統單位面積食物生產的生態服務價值相當于研究區當年平均糧食單產市場價值的1/7，依據廣東省、廣西壯族自治區統計年鑒可以計算出珠江—西江經濟帶2000—2015年糧食平均產量為5 018.99 kg/(hm2·a)，參考研究區2000—2015年糧食價格統計數據并計算出多年平均價格為2.50元/kg，估算出珠江—西江經濟帶單位面積生態服務價值當量因子的經濟價值為1 792.50元/(hm2·a)，通過計算得到適合珠江—西江經濟帶的生態系統服務價值系數表(表2)。

利用Costanza[10]等提出的生態系統服務價值評價模型計算珠江—西江經濟帶的生態系統服務價值，同時為了消除面積大小的差異，便于比較研究不同尺度下區域生態服務價值的分異特征，使用單位面積生態系統價值進行表示。其計算公式為：

ESV=∑(Ak·VCk)

(3)

PESV=ESV/S

(4)

式中：ESV——生態系統服務價值(元)；Ak——研究區第k類生態系統的面積(hm2)； VCk——生態服務功能價值系數〔元/(hm2·a)〕； PESV ——生態服務價值總量和總面積的比值(元/hm2)；S——不同區域的面積(hm2)。

表2 珠江-西江經濟帶生態系統服務價值系數 元/(hm2·a)

3 結果與分析

3.1 珠江-西江經濟帶2000-2015年生態系統格局變化特征

3.1.1 生態系統構成及其空間分布格局 珠江—西江經濟帶以森林和農田生態系統為主(附圖8)，各期面積比重之和均在90%以上。其中森林生態系統面積占總面積的比例始終最大，4期面積占比均保持在63%以上，除農田生態系統外其余生態系統面積占總面積的比例較小，均在5%以下。

近15 a來珠江—西江經濟帶各類生態系統占總面積的比例排序始終為：森林>農田>人工表面>濕地>草地>其他生態系統。從不同生態系統類型的空間分布來看，森林生態系統分布在珠江—西江經濟帶的中東部、北部、西部和西南部，具體區域主要表現為肇慶市、云浮市、梧州市、貴港市東南部，來賓市東北部，柳州市北部，百色市西部和西南部，崇左市南部。該地區海拔較高且多為林地；農田生態系統分布在珠江—西江經濟帶的中部和南部，中東部有零散分布。具體區域主要表現為貴港市南部和西南部，來賓市西南部，南寧市東部和崇左市北部。其多為地勢較平坦的地區，適宜農作物生長；濕地生態系統主要沿珠江—西江經濟帶的水系呈線狀分布特征；草地生態系統主要分布在珠江—西江經濟帶西部，中部和北部有零散分布；人工表面生態系統主要分布在珠江—西江經濟帶東部和中部。具體區域主要表現為廣州市西南部，佛山市、南寧市、柳州市南部、南寧—來賓—貴港三市交界地區。該地區多為經濟發達的城區；其他生態系統主要分布在珠江—西江經濟帶東部。2000—2015年珠江—西江經濟帶生態系統空間分布格局整體較穩定、變化相對較小，只有東部人工表面生態系統的空間格局變化較大，且呈現出不斷擴張的趨勢。其生態系統空間分布格局及其變化特點，與珠江—西江經濟帶自身獨特的地理環境和不同區域的經濟發展情況緊密相關。

3.1.2 生態系統類型面積變化分析 從珠江—西江經濟帶不同生態系統類型面積變化來看(表3)，近15 a來農田和草地生態系統面積總體均呈現出持續下降趨勢，15 a間農田生態系統面積共減少了1 362.69 km2，草地生態系統面積共減少了556.24 km2。農田生態系統面積在2010—2015年年均下降率達到了最大值，而草地生態系統面積在2005—2010年年均下降率最大；人工表面生態系統面積總體呈現出不斷上升趨勢，15 a間共增加了1 280.46 km2，2005—2010年年均增長率達到了最大；森林和濕地生態系統均出現先減后增的變化特點，其中森林生態系統從2000—2010年面積一直呈下降趨勢，2010—2015年開始出現大幅上升趨勢。而濕地生態系統僅在2000—2005年面積出現下降，之后一直在緩慢增加。其他生態系統呈現出波動變化的特點。

為了更好地研究導致珠江—西江經濟帶不同生態系統類型面積變化的原因，按照其行政區劃分為廣東段和廣西段兩個部分研究其面積變化特征。2000—2015年廣東段和廣西段的人工表面生態系統面積都呈現出持續增加的趨勢，這主要是由于兩段各自的區域經濟發展規劃和城市化產生的后果。但廣東段近15 a間增加的面積總量遠大于廣西段，同時廣東段三個階段的人工表面生態系統面積年均增長率均大于廣西段，二者都是在2005—2010年達到了最大年均增長率。廣東段作為發達地區，尤其是廣州市和佛山市經濟發展的總量和速度遠大于經濟屬欠發達地區的廣西段。

2005—2010年兩段人工表面生態系統的面積快速增加，導致此時期整體的人工表面面積年均增長率為最大；廣東段森林和農田生態系統面積15 a間的變化趨勢與珠江—西江經濟帶整體變化趨勢相同，而廣西段森林生態系統面積僅在2000—2005年出現了下降趨勢，2005年后面積呈持續增長趨勢；廣東段農田生態系統面積在2010—2015年下降最多，年均下降率達到了最大值；而廣西段農田生態系統面積2000—2010年一直出現緩慢增加的趨勢，2010—2015年出現快速下降趨勢，但年均下降率小于同時期廣東段的年均下降率，說明2010—2015年珠江—西江經濟帶農田生態面積的快速下降主要是因為廣東段農田生態系統的面積下降造成的結果；廣西段草地生態系統面積與珠江—西江經濟帶整體變化趨勢相同，一直呈下降趨勢。2005—2010年年均下降率最大。而廣東段草地生態系統呈現出波動變化特點，2005—2010年下降最多，且大于同時期廣西段草地生態系統面積的年均下降率；廣東段濕地生態系統面積一直呈現下降趨勢，2000—2005年年均下降率最大。而廣西段則出現一直緩慢增加的趨勢。廣東段濕地生態系統面積的下降主要是由于城市化的建設和人類活動對水環境的破壞，導致其轉化為人類建設用地。而廣西段由于一直以來重視發展水運事業，增加了河流的面積。

表3 珠江-西江經濟帶2000-2015年生態系統面積及其年均變化率

3.1.3 生態系統類型轉移特征 使用ArcGIS分析工具分別得到珠江—西江經濟帶2000—2015年不同時期的生態系統類型轉移矩陣(表4—6)。2000—2005年，珠江—西江經濟帶生態系統類型間未發生轉移的比例達到了99.23%，說明此期間生態系統受到的人為干擾最小。從發生轉移的情況來看，森林生態系統轉出的面積最多，共轉出了461.61 km2，其主要轉出為其他生態系統，大部分林地為滿足經濟發展發展的需要，被砍伐或者被占用，臨時性地轉化為裸土。其次是農田生態系統轉出的面積最多；人工表面生態系統轉入的面積最多，達到了366.75 km2，轉入源主要是農田和濕地生態系統，轉入比例分別為58.21%與27.26%。2005—2010年，珠江—西江經濟帶生態系統類型間未發生轉移的比例達到了99.05%，說明此期間生態系統受到的人為干擾比2000—2005年有所增強。從轉出方面來看，依然是森林和農田生態系統的轉出量最多，分別轉出了560.83和439.59 km2，略高于2000—2005年的轉出量。森林生態系統主要轉向農田生態系統，轉出比例達到了55.82%，此期間林地主要被開墾為農用地，滿足糧食生產的需要；從轉入方面來看，人工表面生態系統轉入的面積依然是最多，達到了531.61 km2，轉入源主要是森林和農田生態系統。2010—2015年，珠江—西江經濟帶生態系統類型間未發生轉移的比例達到了97.85%，說明此期間生態系統受到的人為干擾是近15 a間最大的5 a。從轉出方面來看，農田生態系統的轉出量最多，轉出了1 532.87 km2，占轉出總面積的43.32%，農田生態系統主要轉出為森林生態系統，5 a間共轉出859.67 km2，其次是轉出為人工表面生態系統。此期間農田主要為滿足退耕還林和經濟快速發展的要求，大部分農田被占用。農田生態系統的轉出量遠大于其轉入量；從轉入方面來看，森林生態系統轉入的面積最多，達到了1 572.35 km2。

表4 珠江-西江經濟帶2000-2005年生態系統轉移矩陣

表5 珠江-西江經濟帶2005-2010年生態系統轉移矩陣

表6 珠江-西江經濟帶2010-2015年生態系統轉移矩陣

3.2 珠江-西江經濟帶生態系統服務價值時空變化

3.2.1 生態服務價值時間變化分析 由表7可知，近15 a間珠江—西江經濟帶ESV減少了14.55億元，2000—2005年ESV下降率最大。各生態系統類型服務價值在不同時期占總價值的比例排序依次為：森林>濕地>農田>草地>其他生態系統服務價值。從不同生態系統類型的ESV變化情況來看，森林ESV增加量最多，這與2010年后廣西段和廣東段森林生態系統面積大幅增加有關；草地ESV減少量最多，2005—2010年草地生態系統面積大幅減少是其下降的主要原因。結合不同的時期來看，森林ESV從2000—2010年一直呈下降趨勢，主要是由于該時期森林生態系統轉化為其他和農田生態系統。但又由于森林生態系統占總面積的比例最大，其面積的緩慢下降不足以引起生態價值的大幅變化，所以價值變化率相對較小；農田ESV從2000—2015年一直呈減少趨勢，主要是由于農田轉化為人工表面和森林生態系統，導致其面積持續下降；濕地ESV僅在2000—2005年出現了下降，其余時期均呈現出增加的趨勢。2000—2005年濕地生態系統轉化為人工表面生態系統是其服務價值下降的主要原因。2000—2010年珠江—西江經濟帶ESV下降是森林、農田和草地生態系統服務價值持續下降造成的結果。2010年后森林、濕地、其他生態系統服務價值的增加彌補了農田和草地生態系統服務價值的下降，導致總ESV有所增加。

表7 珠江-西江經濟帶2000-2015年生態系統服務價值變化

3.2.2 生態系統服務價值空間變化 基于珠江—西江經濟帶生態系統服務價值系數表(表2)和研究區11個市以及88個縣區2000—2015年生態系統類型數據，采用PESV分析各市和各縣區的ESV變化特征。由圖1可知，珠江—西江經濟帶11市中佛山市的PESV減少最多，近15 a間共減少了7 886.22元/hm2；南寧市的PESV增量最大，共增加了491.25元/hm2。分段來看，廣東段中除了云浮市，其余三市的PESV均出現了下降；而廣西段中僅有梧州市出現了下降。結合其地理位置來看，PESV減少了區域主要位于珠江—西江經濟帶的東部。而東部人工表面生態系統空間格局變化較明顯。為了研究珠江西江經濟帶ESV在空間分布上的差異性，根據研究區域不同縣區PESV的高低將其分為5類：低(小于2萬元/hm2)、較低(2～4萬元/hm2)、中(4～6萬元/hm2)、較高(6～8萬元/hm2)、高(大于8萬元/hm2)，并利用ArcGIS軟件，得到珠江—西江經濟帶各縣區PESV空間分布圖(圖2)。2000—2015年PESV屬于較低等級的縣區出現成片分布，且近15 a間空間分布格局基本保持不變。這些縣區生態系統類型變化相對較小，致使其ESV變化也相對較??；PESV屬于低等級的縣區分布較分散，主要有港南區、賓陽縣、天河區、邕寧區、合山市。珠江—西江經濟帶由于東部水系較多，濕地生態系統的價值系數遠大于其它，導致東部地區PESV普遍偏高。其中順德區、南沙區、三水區的PESV最高，均超過了78 000元/hm2。從各縣區的PESV變化來看，禪城區和順德區下降最多，分別下降了20 355.46元/hm2與19 617.29元/hm2。PESV下降最多的縣區主要屬于佛山市和廣州市；PESV得到提升的縣區主要有柳北區、興寧區、鼎湖區、賓陽縣，分布相對分散?？傮w來看近15 a間珠江—西江經濟帶東部地區生態系統格局的變化，主要是人工表面生態系統的擴張對其PESV下降產生了較大影響。

圖1 珠江-西江經濟帶2000-2015年11市PESV變化量

4 結 論

(1) 2000—2015年珠江—西江經濟帶生態系統空間分布格局較穩定，主要以森林和農田生態系統為主。近15 a間農田和草地生態系統的面積持續下降，而人工表面生態系統面積呈現出不斷上升趨勢，森林和濕地生態系統均出現先減后增的變化趨勢，其他生態系統呈現出波動變化的特點。廣東段生態系統類型的變化對珠江—西江經濟帶整體生態系統的變化產生了較大的影響。

(2) 珠江—西江經濟帶生態系統受到的人為干擾越來越大，生態系統類型之間的轉移在不同時期呈現不同的特點。2000—2010年主要體現在森林生態系統的轉出和人工表面生態系統的轉入上，而2010—2015年主要體現在農田生態系統的轉出和森林生態系統的轉入上。

圖2 珠江-西江經濟帶2000-2015年各縣區PESV空間分布

(3) 2000—2015年珠江—西江經濟帶生態服務價值共減少了14.55億元，且主要發生在2010年之前。2000—2010年珠江—西江經濟帶生態服務價值出現下降趨勢是森林、農田和草地生態系統服務價值持續下降造成的結果。各生態系統類型服務價值在不同時期占總價值的比例排序依次為：森林>濕地>農田>草地>其他生態系統服務價值。

(4) 近15 a間珠江—西江經濟帶11市中佛山市的單位面積生態服務價值減少量最多，而南寧市增量最大。珠江—西江經濟帶生態服務價值空間分布格局差異明顯且變化較小，生態服務價值減少的區域主要位于東部。珠江—西江經濟帶生態系統格局的變化對其生態服務價值的影響顯著。

本文主要分析了2000—2015年珠江—西江經濟帶生態系統格局和生態服務價值時間變化與空間分布特征，但對生態系統格局變化導致生態服務價值時空變化的定量化分析以及驅動因素缺乏深入的研究。基于當量因子法分析了珠江—西江經濟帶不同尺度下的生態服務價值變化特征，但價值量的絕對價值意義不是很大，由于從當量因子的選擇到后面生態服務價值系數的確定會受主客觀因素的影響，導致評價結果可能存在誤差。但其動態變化特征可以在一定條件下反映出人類活動帶來的影響。下一步應重點基于造成生態系統格局變化的自然和人為因素，分析其在空間方面對生態服務價值的影響，建立預測模型與驅動分析機制，為珠江—西江經濟帶生態補償研究提供更加全面的借鑒。