快速城鎮化背景下山地城市生態系統服務價值變化梯度特征
——以貴陽市為例

韓會慶,劉 悅,蔡廣鵬,白玉梅,馬淑亮,陳思盈，羅瑞堯

(1.貴州理工學院 建筑與城市規劃學院,貴陽 550003;2.貴州師范大學 地理與環境科學學院,貴陽 550001)

城市作為人類活動最為強烈地區，其生態系統服務功能深受人為活動干擾[1]。城市生態系統服務功能的高低對城市可持續發展至關重要[2]。然而，在快速城鎮化背景下，通過改變地表景觀格局、生態過程、生物棲息地、生物地球化學循環等，影響城市生態系統結構和組分，從而深刻影響城市生態系統服務供給水平[3]。因此，城鎮化影響下生態系統服務研究成為國內外研究的焦點。

目前，城鎮化與生態系統服務的關系研究主要集中于城鎮化對生態系統服務的影響以及城鎮化與生態系統服務之間相關性研究等方面，其中城鎮化對生態系統服務的影響研究涉及城市生態系統[4]、水生態系統[5]、土壤生態系統[6]、農林生態系統[7]、文化生態系統[8]、生物多樣性[9]等。研究區域包括城市圈[10]、海岸帶[11]、特定空間尺度(如市域、地區)[12-13]等。生態系統服務之間權衡與協同關系對城鎮化的響應亦受到關注[14]。研究時間既有過去時點，也涉及未來預估時點，如孟悅[15]分析了1991—2014年寧波市城鎮化對生態系統服務的影響，夏敏等[16]通過預估宜興市官林鎮2021年和2024年生態用地，分析了未來生態用地變化趨勢對生態系統服務的影響。城鎮化與生態系統服務之間相關性研究主要關注城鎮化與生態系統服務的空間相關性[17]、城鎮化對生態系統服務的作用機制[18]等。研究方法有地理加權回歸[18]、空間統計法(如莫蘭指數、空間自相關)[17,19]、耦合協調度模型[20]等。然而，這些研究較多關注我國東部和中部社會經濟發達，且地形平坦的城市或地區，而對西部經濟相對落后的山地城市關注較少。

貴陽市是貴州省省會，素有“林城”美譽，是我國西南部重要的中心城市之一，同時貴陽市位于云貴高原東部，屬喀斯特丘原山地地貌，是典型的山地城市[21]。2000年以來，在高速經濟發展推動下，快速城鎮化使得貴陽市土地利用發生劇烈變化[22]，進而影響該市生態系統服務供給能力。然而，在快速城鎮化影響下山地城市生態系統服務變化規律尚不清楚，這成為當前亟需解決的科學問題。鑒于此，以貴陽市為例，分析快速城鎮化背景下山地城市生態系統服務價值變化的梯度特征，以期為山地城市土地資源合理利用，生態環境保護提供科學依據。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

本研究數據包括土地利用、地形、社會經濟3種數據。土地利用數據是利用1995年、2005年、2015年Landsat遙感影像，采用人機交互方式解譯獲得。為驗證解譯精度，以貴陽市翁朵村為典型案例地，基于0.5 m分辨率的Pleiades高分衛星解譯得到2015年翁朵村土地利用數據(采用人工目視解譯，經實地驗證，精度大于93%)，與基于Landsat遙感影像解譯的土地利用數據進行比較，發現基于Landsat的土地利用數據精度較高(大于83%)，這說明解譯的土地利用數據可以滿足研究需要。依據研究區特點，將土地利用類型劃分為水田、旱地、有林地、灌木林、草地、水域、建設用地、未利用地共8種地類;地形數據有30 m DEM和坡度數據，均下載于國家地球系統科學數據中心;社會經濟數據包括來源于歷年貴陽市統計年鑒的人口密度數據和糧食產量數據、來源于矢量化的貴陽交通圖和行政區劃圖。

1.2 研究方法

(1) 生態系統服務價值評估方法。生態系統服務價值計算是依據謝高地等[23]提出的中國生態系統服務價值系數法。由于該方法是適用于全國尺度，在貴陽市生態系統服務價值計算過程中需進行修正。具體修正步驟:貴陽市生態系統服務價值系數確定是基于2010—2015年貴陽市單位面積糧食產值。貴陽市主要糧食作物為玉米和水稻，種植結構約為6∶4,2010—2015年玉米和水稻平均單產分別是4 200 kg/hm2,5 550 kg/hm2，收購價格1.9元/kg和2.2元/kg，根據種植比例，計算得到單位面積糧食社會經濟產值9 672元/hm2，單位面積農田生態系統服務價值等于其社會經濟產值1/7，計算得到1個當量生態系統服務價值為1 382元。在系數修正基礎上，利用各生態系統服務的當量表[23]以及1個當量生態系統服務價值計算得到貴陽市生態系統服務價值系數(表1)。

表1 貴陽市單位面積生態系統服務價值系數 元/hm2

(2) 生態系統服務價值空間異質性和空間變化分析方法。利用ArcGIS軟件的Getis-Ord Gi工具分析生態系統服務價值的熱點和冷點。依據其計算的Z值和p值將熱點和冷點分為高熱點(Z≥2,p>90%)、低熱點(2>Z≥1,p>90%)，高冷點(Z<-2,p>90%)，低冷點(-1>Z≥-2,p>90%)和不顯著(1>Z≥-1,p<90%)5種類型。其計算過程:基于三期單位面積生態系統服務價值空間圖，分別轉為生態系統服務價值Point文件，進而利用Kriging插值得到生態系統服務價值的熱點和冷點空間圖。生態系統服務價值空間變化分析方法是利用ArcGIS軟件的柵格處理器，進行1995—2005年和2005—2015年生態系統服務價值疊加處理，進而得到10 a間生態系統服務價值變化的空間格局，負值表示減少區，正值表示增加區。

(3) 地形及社會經濟梯度分級。地形起伏度梯度劃分是利用柵格鄰域計算工具，在一定窗口下通過計算最大高程與最低高程差值得到地形起伏度，并利用ArcGIS軟件的自然斷點法將其分為6個梯度帶;地形位指數梯度劃分是在計算任意坡度與平均坡度以及任意高程與平均高程之間關系，進而得到地形位指數，并利用自然斷點法其分為6個梯度帶;交通梯度劃分是以貴陽市交通網為基礎，從道路中心線往兩側生成不同距離的緩沖區，并依據距離道路遠近分為6個交通梯度帶;人口密度梯度劃分是以2015年貴陽市各區縣人口密度圖，將其分為不同人口密度等級，進而得到6個人口密度梯度帶;城鄉梯度劃分是以各縣區行政中心為基礎，往周邊生成不同距離的緩沖區，并依據距離行政中心遠近分為6個城鄉梯度帶(表2)。緩沖區的生成是利用ArcGIS軟件多環緩沖工具。

表2 貴陽市地形與社會經濟梯度分級

2 結果與分析

2.1 貴陽市生態系統服務價值變化整體特征

1995—2005年貴陽市供給服務及總服務價值呈上升趨勢，調節服務、支持服務及文化服務價值均呈下降趨勢，其中文化服務價值下降幅度較大。2005—2015年貴陽市各類型服務和總服務價值均呈上升趨勢，其中供給服務價值上升幅度較大(表3)。

表3 貴陽市生態系統服務價值的整體變化

1995年貴陽市生態系統服務價值冷點集中分布于南部地區和西北部，其他地區零星分布，且以低冷點為主，中南部為高冷點主要分布區。熱點主要分布于西北部邊緣地區、西南部以及東北部的零星地區;2005年和2015年貴陽市生態系統服務價值冷熱點與1995年較為接近，其中2005年的差異之處主要體現在西部的熱點區、2015年的差異區域主要有中南部的高冷點、東部的低熱點(圖1)。

圖1 1995年、2005年、2015年貴陽市生態系統服務價值熱點分析

1995—2005年貴陽市大部分地區生態系統服務價值無變化。中西部、北部的零星地區生態系統服務價值增加，中部和北部的小部分地區生態系統服務價值減少。2005—2015年貴陽市中南部地區生態系統服務價值變化較為明顯，主要表現為生態系統服務價值減少，西南部和中部的小部分地區生態系統服務價值增加較為明顯(圖2)。

圖2 1995-2015年貴陽市生態系統服務價值變化空間格局

2.2 貴陽市生態系統服務價值變化的地形梯度特征

隨著地形起伏度的增加，1995年、2005年、2015年調節服務價值呈現先下降后增加趨勢，供給服務、支持服務、文化服務和總服務價值呈增加趨勢，其中供給服務、支持服務、文化服務的變化特點更加接近，總服務價值呈線性增加趨勢(圖3)。

圖3 貴陽市生態系統服務價值在地形起伏度梯度上特征

1995—2005年貴陽市供給服務價值在地形起伏度Ⅰ至Ⅵ梯度均呈上升趨勢，其中在Ⅵ梯度的上升幅度較大，其他服務及總服務價值在地形起伏度Ⅰ至Ⅴ梯度均呈下降趨勢，在Ⅵ梯度均呈上升趨勢，其中均在Ⅰ梯度的下降幅度較大。2005—2015年貴陽市供給服務價值在地形起伏度Ⅰ至Ⅵ梯度均呈上升趨勢，其中在Ⅰ梯度的上升幅度較大;其他服務及總服務價值在地形起伏度Ⅰ梯度均呈下降趨勢，在Ⅱ至Ⅵ梯度均呈上升趨勢，其中均在Ⅲ梯度的上升幅度較大(表4)。

表4 貴陽市生態系統服務價值變化在地形起伏度梯度上的變化率 %

隨著地形位指數梯度的增加，1995年、2005年、2015年貴陽市供給服務、支持服務及文化服務價值均持續上升，而調節服務及總服務價值先下降后上升，Ⅱ梯度是最低點(圖4)。

圖4 貴陽市生態系統服務價值在地形位指數梯度上特征

1995—2005年貴陽市供給服務價值在地形位指數Ⅰ至Ⅵ梯度均呈上升趨勢，其中在Ⅰ梯度的上升幅度較大;其他服務及總服務價值在地形位指數Ⅰ至Ⅴ梯度均呈下降趨勢，在Ⅵ梯度均呈上升趨勢，其中調節服務及總服務價值在Ⅱ梯度的下降幅度較大，支持服務價值在Ⅰ梯度的下降幅度較大，文化服務價值在Ⅰ梯度的下降幅度較大。2005—2015年貴陽市供給服務價值在地形位指數Ⅰ至Ⅵ梯度均呈上升趨勢，其中在Ⅰ梯度的上升幅度較大;其他服務及總服務價值在地形位指數Ⅰ梯度均呈下降趨勢，在Ⅱ至Ⅵ梯度均呈上升趨勢，其中均在Ⅵ梯度的上升幅度較大(表5)。

表5 貴陽市生態系統服務價值變化在地形位指數梯度上的變化率 %

2.3 貴陽市生態系統服務價值變化的社會經濟梯度特征

隨著交通梯度的增加，1995年、2005年、2015年貴陽市各類型服務和總服務價值均持續上升，且各類型的服務價值變化特征也較為接近(圖5)。

圖5 貴陽市生態系統服務價值在交通、人口密度、城鄉梯度上特征

1995—2005年貴陽市供給服務價值在交通Ⅰ至Ⅵ梯度均呈上升趨勢，其中在Ⅵ梯度的上升幅度較大;其他服務及總服務價值在交通Ⅰ至Ⅴ梯度均呈下降趨勢，在Ⅵ梯度均呈上升趨勢，其中均在Ⅴ梯度的下降幅度較大。2005—2015年貴陽市供給服務價值在交通Ⅰ至Ⅵ梯度均呈上升趨勢，其中在Ⅵ梯度的上升幅度較大;其他服務及總服務價值在交通Ⅰ梯度均呈下降趨勢，在Ⅱ至Ⅵ梯度均呈上升趨勢，其中均在Ⅵ梯度的上升幅度較大(表6)。

表6 貴陽市生態系統服務價值在交通梯度上的變化率 %

隨著人口密度梯度增加，1995年、2005年、2015年貴陽市各類型服務和總服務價值均呈現波動起伏特點，供給服務價值的高值位于Ⅴ和Ⅵ梯度，低值位于Ⅱ和Ⅳ梯度，調節服務價值的高值位于Ⅲ和Ⅴ梯度，低值位于Ⅰ和Ⅱ梯度，支持服務價值的高值位于Ⅴ和Ⅵ梯度，低值位于Ⅱ梯度，文化服務價值的高值位于Ⅴ和Ⅵ梯度，低值位于Ⅱ梯度，總服務價值的高值位于Ⅲ和Ⅴ梯度，低值位于Ⅰ和Ⅱ梯度(圖6)。

1995—2005年貴陽市供給服務價值在人口密度Ⅰ,Ⅲ至Ⅵ梯度呈上升趨勢，在Ⅱ梯度呈下降趨勢，其中在Ⅵ梯度的上升幅度較大;其他服務及總服務價值在人口密度Ⅰ至Ⅲ,Ⅴ,Ⅵ梯度均呈下降趨勢，在Ⅳ梯度均呈上升趨勢，其中調節服務價值在Ⅱ梯度的下降幅度較大，而支持服務、文化服務及總服務價值在Ⅰ梯度的下降幅度較大;2005—2015年貴陽市供給服務價值在人口密度Ⅱ至Ⅵ梯度呈上升趨勢，在Ⅰ梯度呈下降趨勢，其中在Ⅲ梯度的上升幅度較大;調節服務價值在人口密度Ⅰ,Ⅴ,Ⅵ梯度呈上升趨勢，在Ⅱ至Ⅳ梯度呈下降趨勢;支持服務、文化服務及總服務價值在人口密度Ⅰ,Ⅱ,Ⅳ梯度均呈下降趨勢，在Ⅲ,Ⅴ,Ⅵ梯度均呈上升趨勢，其中均在Ⅱ梯度的下降幅度較大，在Ⅴ梯度的上升幅度較大(表7)。

表7 貴陽市生態系統服務價值在人口密度梯度上的變化率 %

隨著城鄉梯度的增加，1995年、2005年、2015年貴陽市供給服務價值持續上升，調節服務及總服務價值呈先上升后下降再上升最后下降趨勢，其中梯度Ⅱ和Ⅴ的服務價值較高，支持服務及文化服務價值呈先上升后下降趨勢，其中梯度Ⅳ和Ⅴ的服務價值較高(圖7)。

1995—2005年貴陽市供給服務價值在城鄉Ⅰ至Ⅵ梯度均呈上升趨勢，其中在Ⅰ梯度的上升幅度較大;其他服務及總服務價值在城鄉Ⅰ至Ⅴ梯度均呈下降趨勢，在Ⅵ梯度均呈上升趨勢，其中調節服務及總服務價值均在Ⅴ梯度的下降幅度較大，而支持服務價值在Ⅰ梯度的下降幅度較大，文化服務價值在Ⅳ梯度的下降幅度較大。2005—2015年貴陽市供給服務價值在城鄉Ⅰ至Ⅵ梯度均呈上升趨勢，其中在Ⅰ梯度的上升幅度較大;其他服務價值及總服務價值在城鄉Ⅰ梯度均呈下降趨勢，在Ⅱ至Ⅵ梯度均呈上升趨勢，其中支持服務、文化服務及總服務價值在均在Ⅴ梯度的上升幅度較大，而調節服務價值在Ⅵ梯度的上升幅度較大(表8)。

表8 貴陽市生態系統服務價值在城鄉梯度上的變化率 %

3 討論與結論

3.1 討 論

在山地地形約束下，貴陽城鎮化過程主要沿地形平坦的平壩地擴張[24]，這使得城鎮化集中于地形起伏度和地形位指數較小的梯度帶，進而導致這些區域生態系統服務價值下降。同時由于山地地形的約束，貴陽市交通、行政中心往往集中于低緩平壩地，隨著城鎮化擴張，這些距離交通線和行政中心近的梯度帶生態系統服務價值下降。此外，受地形限制，地形起伏和地形位指數較大的梯度、遠離交通和行政中心的梯度帶主要以山地為主，這些區域屬典型脆弱的喀斯特山地生態系統，近年來貴陽市實施的退耕還林還草、天然林保護工程等[25]使得這些山地為主的梯度帶生態系統服務價值呈增加趨勢。從空間格局看，貴陽市中南部為盆壩地，周邊為山地。在快速城鎮化影響下，貴陽市中南部地形平坦的盆壩地(亦是中心城區)人類活動強烈，因此中南部地區生態系統服務價值有所降低，這在高冷點的分布變化有所體現，而周邊山地在一系列生態保護措施下，其生態系統服務價值有所提高。值得注意的是，在山地地形影響下，為了疏散中心城區人口壓力，貴陽市城鎮化并不集中于人口稠密區，往往選取有一定人口基礎，地形相對平坦的地區[26]，這使得人口密度對城鎮化的影響較小，故而在生態系統服務價值變化在人口密度梯度上呈現波動起伏特點。

貴陽市生態系統服務價值變化的地形梯度特征與陳奕竹等[27]對湘西地區的研究結果較為相似，這說明相似兩個地區的人類活動在山地上表現具有一致性。然而，由于人類對不同地域山地的利用存在差異，進而對生態系統服務價值的影響不同，這在本研究與李理等[28]對華北地區淇河研究結果的差異性有所體現。

3.2 結 論

貴陽市1995—2005年和2005—2015年供給服務和總服務價值增加，調節服務、支持服務及文化服務價值在1995—2005年呈下降趨勢，在2005—2015年呈增加趨勢;在地形影響下山地城市生態系統服務價值變化空間格局破碎化突出，地形相對平坦區域是生態系統服務價值變化的主要區域。隨著地形起伏度、地形位指數、交通梯度、城鄉梯度的增加，供給服務呈增加趨勢。除高梯度外，調節服務、支持服務、文化服務和總服務價值在1995—2005年地形起伏度、地形位指數、交通、城鄉的中低梯度上呈下降趨勢。除低梯度外，在中高梯度上調節服務、支持服務、文化服務和總服務價值2005—2015年呈上升趨勢。各種服務及總服務價值在人口密度梯度上呈現下降—上升—下降的波動特點。